吐血整理《计算机网络五层协议之物理层（中）》
吐血整理 《計算機網絡 五層協議之物理層（上）》
吐血整理 《計算機網絡 五層協議之物理層（下）》
物理層（中篇）
- 1.信道的基本概念（續）
- 1.1信道的極限容量
- 1.2.信道能夠通過的頻率范圍
- 1.2.1 奈氏準則
- 1.3信噪比
- 1.4香農公式
- 1.4.1香農公式表明
- 2.物理層的功能是實現比特流的傳輸
- 2.1有線傳輸介質
- 2.2.1雙絞線
- 2.2.2同軸電纜
- 2.2.3光纜
- 2.2 無線傳輸介質
- 2.3小結
- 3.信道復用技術
- 3.1頻分復用 FDM
- 3.2 時分復用（TDM）
- 3.3 碼分復用 CDM
- 3.3.1碼分多址（CDMA）
- 3.3.2碼片序列的概念
- 3.3.3擴頻通信
- 3.3.4CDMA 的重要特點
- 3.3.5碼片序列的正交關系
- 3.3.6 CDMA 的工作原理
- 3.4 小結
- 3.4 小結
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1.信道的基本概念（續）
1.1信道的極限容量
- 任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及 帶來多種干擾。
- 碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的 波形的失真就越嚴重。
- 數字通信的優點：在接收端只要我們能從失真的波形識別出原來的 信號，這種失真對通信質量就沒有影響。 信
在接收端收到的信號波形失去了碼元之間清晰界限，這種現象叫做碼間串擾。
1.2.信道能夠通過的頻率范圍
- 1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。
- 在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。
- 如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。
1.2.1 奈氏準則
1)奈氏(Nyquist)準則
理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaud理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2 W Baud 理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaud
- ? W 是理想低通信道的帶寬，單位為赫茲(Hz)
- 每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 2 個碼元。
- Baud 是波特，是碼元傳輸速率的單位，1 波特為每秒傳送 1 個碼元。
2)注意區分
-
實際的信道所能傳輸的最高碼元速率，要明顯地低于奈氏準則給出上限數 值。
-
波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念。
-
波特是碼元傳輸的速率單位（每秒傳多少個碼元）。碼元傳輸速率也稱 為調制速率、波形速率戒符號速率。
-
比特是信息量的單位。
3) 要注意 “比特/秒”與“波特”的關系**
-
信息的傳輸速率“比特/秒”不碼元的傳輸速率“波特”在數量上有一定的 關系。
-
若 1 個碼元只攜帶 1 bit 的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數值上相 等。
-
若 1 個碼元攜帶 n bit 的信息量，則 M Baud 的碼元傳輸速率所對應的信 息傳輸速率為
M?nb/s。M * n b/s。 M?nb/s。
碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高信息的傳輸 速率，就必須設法使每個碼元能攜帶更多個比特的信息量。這就 需要采用多元制的調制方法。
限制碼元在信道上的傳輸速率的因素：
1.3信噪比
- 噪聲存在于所有的電子設備和通信信道中。
- 如果信號相對較強，噪聲的影響就相對較小。
- 信噪比是信號的平均功率S和噪聲的平均功率N之比，常記為 S/N ，單位是 分貝(dB)。
信噪比(dB)=10l0g10(S/N)(dB)已知S/N=10，則信噪比為10dB；若信噪比為30dB，則S/N=1000信噪比(dB)=10l0g_10( S / N ) (dB) 已知 S / N =10，則信噪比為10dB； 若信噪比為30dB，則 S / N =1000 信噪比(dB)=10l0g1?0(S/N)(dB)已知S/N=10，則信噪比為10dB；若信噪比為30dB，則S/N=1000
1.4香農公式
香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。
信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為
C=Wlog2(1+S/N)b/sC = W log_2(1+S/N) b/s C=Wlog2?(1+S/N)b/s
- W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；
- S 為信道內所傳信號的平均功率；
- N 為信道內部的高斯噪聲功率。
1.4.1香農公式表明
- 信道的帶寬戒信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。
- 只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種 辦法來實現無差錯的傳輸。
- 若信道帶寬 W 戒信噪比 S / N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣 的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。
- 實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少
2.物理層的功能是實現比特流的傳輸
物理層把比特流傳送到物理層下面的傳輸媒體上
傳輸媒體也稱為傳輸介質，是數據傳輸系統 中在収送器和接收器之間的物理通路。
傳輸介質按照是否有形可分為兩大類：
- 導引型傳輸介質（有線傳輸介質）
- 非導引型傳輸介質（無線傳輸介質
2.1有線傳輸介質
2.2.1雙絞線
把兩根互相絕緣的銅導線并排放在一起，逆時針方向絞合（twist）而成。
消除：近端串擾Crosstalk
絞距（扭距） 絞距越緊（小），越均勻， 則抵銷效果越好，傳輸性能越好
使用雙絞線最多的地方就是電話系統。連接用戶電話機到電話交換機的 雙絞線稱為用戶線或用戶環路（subscriber loop）。
屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)
屏蔽雙絞線 (STP)是在雙絞線的外面再加上一層用金屬絲編織的金屬箔屏 蔽層，以提高雙絞線抗電磁干擾能力減少串音。
無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair)
- 無屏蔽雙絞線 UTP(Unshielded Twisted Pair) 是最常用的網絡介質。 在 LAN 中，UTP 電纜由多對有彩色標記的電線組成。這些電線絞合在一起， 并用軟塑料套包裹，以避免受到物理損壞。 電線的絞合有助于防止其他電線的 信號干擾。
- UTP 布線通過 RJ-45 連接器端接網絡主機不網絡互聯設備（交換 機或路由器）的互連。
- 使用RJ45連接網絡主機和網絡交換結點；
- 結構簡單，容易安裝，節省空間，普通UTP較便宜；
- 有一定的傳輸速率；
- 信號衰減隨頻率的升高而增大，連接傳輸距離較短（100m）；
- 抗干擾性一般，有輻射，容易被竊聽。
2.2.2同軸電纜
組成
同軸電纜包括以下組成部分：
分類
- 基帶同軸電纜（50同軸電纜）
主要用在數據通信中傳送基帶數字信號。
- 寬帶同軸電纜（75 同軸電纜）
這種同軸電纜用于模擬傳輸系統，它是有線電視系統CATV中的標準傳 輸電纜。在這種電纜上傳送的信號采用了頻分復用的寬帶信號。 一條電纜 同時傳輸丌同頻率的多路模擬信號，其頻率可達500MHz以上，傳輸距離 可達100km，需要用到放大器來放大模擬信號
- 50 歐 同軸電纜
- 75 歐 同軸電纜
同軸電纜分為粗纜和細纜
建立一個粗纜以太網需要的硬件設備 ：
（1）必須帶有AUI（Attachment Unit Interface）接口 （15針D型接口）的網卡。
（2）收發器（Transceiver）
（3）收發器電纜：用于連接結點和外部收發器，常稱為 AUI電纜。
（4）電纜系統：
粗纜（RG-11 A/U）
N-系列連接器插頭
N-系列桶型連接器
N-系列終端匹配器
同軸電纜的特點
2.2.3光纜
光纖是一根很細的可傳導光線的纖維媒體，其半徑僅幾微米至幾百微米。
光纖通常由非常透明的石英玱璃拉成細絲，每根光纖主要由纖芯和包層 構成雙層通信圓柱體，而后一根或多根光纖再由外皮包裹構成光纜。
光纖通信
就是利用光纖傳遞光脈沖來進行通信。
光傳輸系統：發送端光源、介質、接收端光檢測器
光源: 850nm/1300nm/1500nm
? 發光二極管 / 激光二極管
- 介質: 光纖 光檢測器: 光電二極管PIN
- 光纖：纖芯-折射率高、玱璃包層-折射率低
- 亮度調制，有脈沖表示1，無脈沖表示0
- 單向傳輸，雙向需兩根光纖
光纖的特點
-
依靠光波承載信息
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速率高，通信容量大 僅受光電轉換器件的限制（＞100Gb/s）
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傳輸損耗小，適合長距離傳輸
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不受電磁干擾，抗干擾性能極好，無輻射，保密性好
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輕便
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光纖斷裂的檢測和修復都很困難
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2.2 無線傳輸介質
無線傳輸所使用的頻段很廣。
短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差。
-
無線傳輸介質
- 短波通信 （即高頻HF無線電通信）
-
微波通信
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地面微波接力通信
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衛星通信
-
2.3小結
3.信道復用技術
主要包括有：頻分復用、時分復用和統計時分復用 ，接下來揭秘開始，
復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。
3.1頻分復用 FDM
用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。
頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）
3.2 時分復用（TDM）
時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM 幀）。每一個時分復用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。
每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現（其周期就是 TDM 幀的長度）。
TDM 信號也稱為等時(isochronous)信號。
時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。
3.3 碼分復用 CDM
常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
CDMA技術起源于1942年好萊塢明星海蒂·拉 瑪和其丈夫鋼琴家喬治·安塞爾的受鋼琴聲音的 啟發，提出了利用擴頻技術避免干擾的方法，并獲得了秘密通訊發明專利。
CDMA、藍牙、WiFi技術基于此專利方法。
3.3.1碼分多址（CDMA）
CDMA可提高通話質量和數據傳輸的可靠性，減少干擾，增 大通信系統的容量（是使用全球秱動通信系統GSM的4~5 倍），降低手機的平均發射功率。
3.3.2碼片序列的概念
- 每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。
- 每個站被指派一個惟一的 m bit 碼片序列。
- 如發送比特 1，則發送自己的 m bit 碼片序列。
- 如發送比特 0，則發送該碼片序列的二迚制反碼。
- 例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。
- 發送比特 1 時，就發送序列 00011011，
- 發送比特 0 時，就發送序列 11100100。
按慣例將碼片中的0寫為-1，將1寫成+1， S 站的碼片序列是：
(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
3.3.3擴頻通信
假定S站要發送信息的數據率為b bit/s，由亍每個比特要轉換成m比特的碼片序列， 因此S站發送的數據率提高到mb bit/s，同時S站所占用的頻帶寬度也提高到原來 數值的m倍。這種通信方式稱為擴頻（spread spectrum）通信。
碼分多址CDMA，通過不同的擴頻碼來實現多用戶在同一時間同一頻率上共享信 道。即各用戶在相同的時間使用相同的頻帶。
- 各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。
- 這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似與白噪聲，不易被發現
3.3.4CDMA 的重要特點
每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須 互相正交(orthogonal)。
在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。
3.3.5碼片序列的正交關系
令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。
兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規格化內積(inner product)都是 0：
任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1 。
一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是 –1
3.3.6 CDMA 的工作原理
假定有個X站要接收S站發送的數據，X站必須知道S站的碼片序列。X站 使用得到的碼片向量S不接收到的未知
信號進行求內積的計算。X站接收 到的未知信號是各個站發送的碼片序列之和。
根據公式（2-1）和（2-2），再根據疊加原理，求內積得到的結果是：
所有其他站的信號都被過濾掉，而只剩下S站發送的信號。
3.4 小結
每種復用技術都有自己的特點:
-
頻分多路復用技術FDM
-
波分多路復用WDM、密集波分多路復用 DWDM
n波分復用就是光的頻分復用。
-
時分多路復用技術TDM、統計時分多路復 用STDM
-
碼分多址復用CDMA
碼片序列之和。
根據公式（2-1）和（2-2），再根據疊加原理，求內積得到的結果是：
[外鏈圖片轉存中…(img-yzwgQNH9-1584271339564)]
所有其他站的信號都被過濾掉，而只剩下S站發送的信號。
3.4 小結
每種復用技術都有自己的特點:
-
頻分多路復用技術FDM
-
波分多路復用WDM、密集波分多路復用 DWDM
n波分復用就是光的頻分復用。
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時分多路復用技術TDM、統計時分多路復 用STDM
-
碼分多址復用CDMA
總結
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