class 2

chapter 2: 物理层

1. 物理层的基本概念

物理层的功能：

• 位置：网络体系中的最低层
• 不是 链接计算机的具体物理设备
• 不是 负责信号传输的具体物理媒体
• 功能：如何在连接各计算机的传输媒体上传输数据比特流
• 数据链路层将比特流传送给物理层
• 物理层将比特流按照传输媒体的需要进行编码
• 信号通过传输媒体传输到下个节点的物理层
• 作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

物理层需要定义的特性：

• 机械特性（形状、尺寸、引线等）
• 电气特性（电路特性等）
• 接口功能特性（每一个引脚的作用）
• 过程特性（指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序）

物理层的常用标准

• 点对点通信线路：直接连接两个结点
• EIA RS-232-C
• EIA RS-449
• 广播通信线路：一条公共通信线路连接多个结点
• IEEE 802.3系列（以太网）
• 无线局域网

2. 数据通信

主要内容：研究信号在通信信道上传输时的数学表示及其收到的限制。

即：联系起电磁信号与比特流之间的转化关系。

傅立叶分析：

信息是以电磁信号的形式传输的：

• 时域观：电磁信号是时间的函数
• 频域观：电磁信号也是频率的函数

2.1 傅立叶分析

注意将$nf$结合来看，事实上就是正余弦函数在频率倍数情况下的累加。

具体转化的流程为：

比特流（01010100...）-> g(t)（在一个周期内描述整个比特流）-> 傅立叶变换后得到的三角函数和-> 形成电磁波形，电磁波形尽可能拟合g(t)的图像

对信号的频谱分析：对于上图中e图的分析：它的频谱从f到8f（因为它是8谐波，也就是之前傅立叶分析n取到8），则其贷款为8f-f=7f。

显然，信号的信息承载能力与带宽有直接关系，带宽越宽，信息承载能力越强。

但是，信道有一定的截止频率，在截止频率之上的信号分量衰减的更厉害，这就意味着信道从0到截止频率就是它的有限带宽。

其中，接入滤波器可实现多路复用（不同的信号使用不同的频段）

下图很好地讲述了计算传输速率的方式：

看到$N=24000/B$可知：要传输信息的速度越快，在一个周期内的数据变化越大，g(t)越复杂，电磁波越难以刻画，因此N（可传输的谐波数量）越小。

奈奎斯特定理：最大数据传输率为$2Hlog_2V$, H为带宽，V为信号电平,即假设最大电平为1V,将其平均分为2份表示0/1,3份表示0/½等等。

奈奎斯特定理：无噪声；完全无损

symbol rate (== baud rate)

data rate = symbol rate * bits per symbol

• 香农定理: 引入更广泛的噪声干扰

从这里接入<信息理论>:信息量的概念等

$I= -log_ap$

2.2 数据通信模型

总体的数据通信模型如下:

数字通信与模拟通信:

• 数字通信:以数字信号传递消息
• 模拟通信:以模拟信号传递消息
• 二者之间可以转换:A/D;D/A

传输方式:串行/并行

传输对象:点到点/点到多点传输

传送方向:单工/半双工/全双工

• 单工:只能从A传到B
• 半双工:能够双向传递,但数据同时只能单向传递
• 全双工:能够随时双向传递

是否搬移频谱:基带传输/频带传输

• 基带传输:不带频谱,频率成分宽,但最简单,最基本
• 频带传输:利用调制解调器搬移信号频谱的传输体制(例如0-5000Hz的说话声搬移频谱到2.4GHz频段上,通过更高效的信道进行传输)

2.3 数据编码

2.3.1 基带传输编码

常用的编码方式:

• 归零制编码:
• 低电平表示0;高电平表示1,每一位之后有一个零电平
• 缺点:
  • 每次多传一位,效率低下
• 不归零制编码(NRZ):
• 低电平表示0;高电平表示1
• 缺点:
  • 难以分辨一位的结束与另一位的开始
  • 发送方和接收方必须有始终同步
  • 如果连续出现0或1,信号直流分量将累加
  • 容易出现传播错误
• 曼彻斯特编码(Manchester):
• 每一位中间有一个跳变,低到高是0,高到低是1
• 优点:
  • 克服NRZ码的不足,同时跳变本身即可作为时钟,能够自同步.
• 差分曼彻斯特码(Differential Manchester):逢"0"NRZ码+曼彻斯特编码
• 逢"1"变化的NRZ码
• 逢"0"变化的NRZ码

2.3.2 频带传输编码

频带传输:指在一定频率范围内的线路上,进行载波传输.

三种调制技术:

• 幅移键控法:用振幅表示
• 频移键控法:用频率表示
• 相移键控法:用相位表示

具体调制方法:调整IQ信号的幅度(可以理解为对x/y进行调整,此时变化越快,频率越高;半径越大,振幅越大;I+Q即为当前的相位)

具体使用I/Q信号代表信息的方式:

3. 传输介质

3.1 导引型传输介质

电磁波被导向沿着某一媒体传播

举例：双绞线、同轴电缆、光纤等

1. 磁介质

早期，人们把数据载入到磁盘中，然后将磁盘运到目标地址，再读出数据。传输的带宽显然能够简单地计算出来：

磁介质的成本极低，但是时间成本很高，因此往往用于存放最冷的信息（备份）。

1. 双绞线

将两根具有绝缘保护层的铜导线交缠在一起，适用于模拟传输或数据传输，通信距离为几公里到几十公里：

例如水晶头（网线）等等都是双绞线的应用举例。

1. 同轴电缆

2. 光纤

尽可能让光再纤芯中进行全反射，使其在传输过程中能量损失最小，从而达到光纤的信息传播。

因此，光纤不能被大幅度弯折，否则会导致无法完成全反射。

• 多模突变光纤（小容量短距通信）（折射率在纤芯和包层交界面上发生突变）
• 多模渐变光纤（中容量中距通信）（纤芯折射率是渐变的）
• 单模光纤（大容量长距通信）

光纤的光源：

发送端： - 发光二极管 - 注入激光二极管

接收端： - 光敏二极管

光纤的损耗： - 固有损耗：光纤材料本身的性质和微观结构引起的损耗 - 非固有损耗：杂质吸收、结构不规则等引起的损耗

1. 电力载波

2. 优点：投资少、连接方便、传输速率高、安全性好和使用范围广

3. 缺点：易受其他电器的电磁波干扰

3.2 非导引型传输介质

在大气层、外层空间进行的无线传播

举例：短波传输、地面微波、光波传输等

1. 短波传输

短波是指以波长为100m~10m的电磁波

实用短波为3~30MHz

注意到，非导引型传输介质是**全向**的，这也叫做多径传播。

而由于不同路径的传播存在时延差，这叫做多径时散。

同时，非导引型传输介质还会出现**衰落**（收信电平忽高忽低随机变化的现象）。

1. 地面微波

地面微波是指在地球表面上，以微波波长（1m~1mm）的电磁波。

（2.4GHz/5GHz就在这个波段内）

地面微波传输的特点： - 多路复用 - 射频工作 - 中继接力

自然环境对微波通信可能有如下影响： - 反射：光滑地面或水面将信号反射到接收天线处，造成干涉 - 绕射：地面障碍物的阻挡，使接收电平降低 - 地面散射：影响较小

1. 光波传输

光波包括紫外线、可见光和红外线，波长大约在300~600000微米。

光波通信有如下分类： - 按光源特性： - 激光通信 - 非激光通信 - 按传输媒体： - 大气激光通信 - 光纤通信 - 传输波段： - 可见光通信 - 红外线通信 - 紫外线通信

优点：方向型号，速度高，抗干扰能力强，适用于长距离通信。

4. 无线与卫星通信

1. 同步卫星

同步卫星，即与地球自转同步运行的卫星，位于距地球36000km处。只需三个卫星即可覆盖整个地球。

但由于同步卫星的通信距离过大，因此信噪比极大（200dB），且受干扰较强。

1. 移动卫星

2. 低轨道卫星系统

5. 多路复用

5.1 概念

由于信道资源是有限的，因此需要采用多路复用技术，将多个用户的信号在同一条信道上同时传输。

多路复用技术的基本思想是：在一条信道上同时传输多个信号，每个信号占用信道的一部分资源。

5.2 多路复用方式

1. 频分多路复用（FDM）

通过让用户在不同的频段在同一个信道上进行传输。

1. 时分多路复用（TDM）

通过让用户在不同的时间占用信道，实现多路复用。

1. 波分多路复用（WDM）

2. 码分多路复用（CDM）

码分多路复用，事实上是通过不同的码分多址技术实现的。

即，多个站点同时通过同一信道发送信息，那么每个站点都有一个互相正交的**码片**。站点发送1时，就发送码片本身；发送0时，就发送码片的反码。

所有站点发送的信息加起来就是最终信道中传输的码片。

在解析时，只需要将最终码片与对应站点的码片点积运算，大于0则发送了1，小于0则发送了0，等于0则没有发送信息。

1. 正交频分复用

2. 将信道分成若干正交子信道

3. 将高速数据信号转换成并行的低速子数据流

对于正常的频分复用而言，对于较长的带宽，symbol time会变得极小，因此会导致不同的symbol之间出现传递时间上的区别，导致不同symbol之间会因为时延而产生混叠。

因此，正交频分选择将信道也切割成很多的窄信道，通过这种方式增加symbol time，从而减少时延对symbol的影响。

quiz 1

what is the minimum bandwidth required for achieving B bits/sec using QAM-64 over a channel with signal to noise ratio 20dB?

首先,信噪比为20dB,又已知带宽的值,因此可以通过公式:

$$C = B \cdot log_k(1 + S/N)$$

计算.注意到使用QAM-64,因此每位传输的bit量为$log_264$ = 6,

带入香农定理,最小的带宽为:$B = C / log_2(1 + 10^{20/10})$

结果为:

$B / log_2101$