哈工大计算机网络物理层知识点

6.1 数据通信基础

信源：将消息转换为信号的设备，如计算机等
发送设备：将信源产生的信号进行适当的变换装置，使之适合于在信道中传输。主要包括编码和调制。
信道：信号传输通道，如物理介质
噪声：自然界和通信设备中所产生的干扰。
接收设备：完成发送设备反变换，还原原始发送信号
信宿：信号终点，将信号转换为供人们能识别的消息

常见数据通信术语

数据：传送消息的实体
信号：数据的电气的或电磁的表示
模拟的：参数的取值是连续的
数字的：参数的取值是离散的
码元：信号基本波形（信号基本单元）
频带：信号频率范围
带宽：有效带宽（最高频率-最低频率）
数据通信方式：单工、半双工、全双工
并行通信 串行通信
异步通信 同步通信

异步通信

发送方与接收方相互独立，一般一次传一个字符（5-8bits）
每次传输之前保持时钟一致

空闲状态->开始位的时候，低电平到高电平，接收方检测到低电平突然到高电平时，就知道数据传输开始。
传输完成后，回到停止位，等待1-2个bit的时间，再传输下一个字符

时钟误差可能存在，如果误差过大，读位时发生交错，就会出错。
特点：
1>稳态传输下，字符与字符之间总是有停止位
2>可能存在空闲时间(idle state)
3>简单，成本低
缺点：
1>由于有停止位，数据传输效率不高
2>适合短通信

同步通信

数据传输没有开始位和结束位
需要解决时钟同步问题
1>使用独立时钟，为发送器和接收器之间提供相同时钟，实现同步(适合短距离)
2>把时钟信号和数据编码到一起(Manchester编码)

模拟通信 vs 数字通信

区别：模拟是连续的，数字是离散的（数字信号更能抵抗噪声的干扰）

信源编码

如果信源产生的是模拟数据，如何在数字通信系统中传输？
需要进行一个变化。（信源编码）
典型的信源编码：PCM
步骤：采样->量化->编码
采样：目的就是要用一系列在时间上离散的采样值，代替时间上连续的模拟数据，及实现时间上的离散化。
量化：使采样值在取值上离散化
编码：将量化后的采样值用一定位数的二进制数码来表示。如果量化级数为N，则每个采样值就编码成log2N位二进制码
举例：

6.2 物理介质

导引型传输介质

架空明线 易受天气和外界电磁干扰，对外界噪声敏感，带宽有限

双绞线 主要用于基带传输
屏蔽双绞线STP
非屏蔽双脚线UTP

根据绞线绞饶程度不同，分为若干类

同轴电缆 主要用于频带传输

光纤利用光的全反射
分为多模光纤和单模光纤两类

非导引型传输介质

自由空间 对应无线信号的传输方式，空气真空都可以。不同的频段具有不同的传播特性

地波传播 频率较低(2MHz以下)的电磁波趋于沿地球表面传播
有一定的绕射能力
在低频和甚低频段，地波传播距离可以超过数百米或数千公里
天波传播 电离层，距离地表60~400km
频率较高(2-30MHz之间)的电磁波会被电离层反射
电离层的密度和厚度随时间随机变化
电磁波可以传播10000km以上
随参信道
视线传播 频率高于30MHz的电磁波将穿透电离层，不会被反射回来
沿地面绕射能力很弱
通常采用视线无障碍的点对点直线传播
可以设立地面中继站或卫星中继站进行接力传输

6.3 信道与信道容量

信道分类与模型

狭义信道

信号传输介质

广义信道

包括信号传输介质和通信系统的一些变换装置，如发送设备、接收设备、天线、调制器等。

信道传输特性

恒参信道传输特性

各种有线信道和部分无线信道，如微波视线传播链路和卫星链路等
理想的恒参信道是一个理想的无失真传输信道
对信号幅值产生固定的衰减
对信号输出产生固定的时延

随参信道传输特性

许多无线信道都是随参信道
信号的传输衰减随时间随机变化
信号的传输时延随时间随机变化
存在多径传播现象

信道容量

指信道无差错传输信息的最大平均信息速率

Nyquist信道容量公式

理想无噪声信道的信道容量 C=2Blog2M
其中，C为信道容量，B为信道带宽，M为进制数，即信号状态数
理想信道的极限容量

香农（Shannon）信道容量公式

有噪声的信道容量 C=Blog2(1+S/N)
其中，S/N为信噪比，即信号能量与噪声能量之比，通常以分贝为单位描述

6.4 基带传输基础

基带传输

信源发出的原始电信号是基带信号
模拟信源->模拟基带信号
数字信源->数字基带信号
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分
直接在信道中传送基带信号称为基带传输
实现基带传输的系统称为基带传输系统
在信道中直接传输数字基带信号，成为数字基带传输，相应系统成为数字基带传输系统（以太网）

数字基带传输系统

基带信号比较适合在具有低通特性的有线信道中传输，通常不适合在无线信道中直接传输
信道的传输特性会引起波形失真，并会受噪声的影响
信道中的信号传播一定距离后，信号质量会有所下降，甚至出现传输误码现象

典型数字基带信号码型

单极不归零码

易于产生，但不适合长距离传输
不归零：不会在一个时钟周期内进行变动

双极不归零码

单极归零码

在一个周期内一定会回到0位置
码元不为零的时间占一个码元周期的百分比称为***占空比***
若码元不为零时间为Tb/2，码元周期为Tb，则该单极归零码的占空比为50%

双极归零码

中间时刻一定归零
可以通过跳变提取时钟信号

差分码

又称为相对码
例如相邻脉冲有电平跳变表示1，无跳变表示0

AMI码

其他的码型如果一直保持高电平或低电平不变，容易产生直流分量的积累，也不利于信号提取
AMI码 信号交替反转码
编码规则：
信息码中的0编码为AMI传输码中的0
信号码中的1交替编码为AMI传输码中的+1和-1

双相码（曼彻斯特码）

又称为***曼彻斯特(Manchester)码***
双相码只有正负两种电平
每个比特持续时间的中间时刻要进行电平跳变
正电平跳到负电平表示1，负电平跳正电平表示0
双相码在每个比特周期中间时刻都会有电平跳变，因此便于提取定时信息
双相码利用了两个脉冲编码信息码中的一个比特，相当于双极码中的两个比特
10Mbps的以太网采用曼彻斯特码

差分曼彻斯特码

差分双相码的每个比特周期的中间时刻也要进行电平跳变，但该跳变仅用于同步
利用每个比特开始处是否存在电平跳变编码信息
开始处有跳变表示1，无跳变表示0
IEEE802.5 令牌环网采用差分曼彻斯特码

nBmB

nBmB码将n位二进制信息码作为一组，映射成m位二进制新码组，其中m>n
由于m>n,因此2^m个码的新码组中只会用到2ⁿ个，多出2^m-2ⁿ个码
可以从2^m个码中优选出2ⁿ个码作为有效码，已获得梁浩的编码性能，其余码则作为禁用码，可以用于检错
快速以太网传输码采用的是4B5B编码

6.5 频带传输基础

频带传输

基带信号具有低通特性，可以在具有低通特性的信道上进行传输
许多带通信道（如无线信道）不具有低通特性，因此不能在这些信道中直接传输基带信号
只能利用基带信号去调制与对应信道传输特性相匹配的载波信号
通过在信道中传送经过调制的载波信号实现将基带信号所携带信息传送出去
利用模拟基带信号调制载波，称为模拟调制，利用数字基带信号调制载波，称为数字调制
数字调制就是利用数字基带信号控制(或影响)载波信号的某些特征参量

数字调制系统

频带传输系统通常选择正弦信号作为载波

二进制数字调制
二进制幅移键控2ASK
二进制频移键控2FSK
二进制相移键控2PSK

二进制幅移键控2ASK

利用二进制基带信号控制载波信号的幅值变化

二进制频移键控2FSK

1发送高频，0发送低频

二进制相移键控2PSK

其中

1反相位，0正相位

二进制差分相移键控2DPSK

利用相邻两个码元载波间的相对相位变化表示数字基带信号的数字信息

例如：0保持相位不变，1反向

二进制数字调制性能

频带利用率
2ASK,2PSK,2DPSK的频带利用率相同，2FSK频带利用率最低
误码率
相同信噪比下，2PSK的误码率最低，2ASK的误码率最高
二进制相移键控抗噪声性能优于二进制频移键控，二进制频移键控优于二进制幅移键控
对信道特征的敏感性
2ASK对信道特性变化比较敏感，性能最差
2FSK与2PSK对信道特性变化不敏感

多进制数字调试

在确定带宽与频带利用率的情况下，提高数据传输速率的有效方法：
提高每个码元传输信息量，每个码元调制多个比特信息
数据传输速率Rb与码元传输熟虑RB以及进制数M之间的关系为：

Rb也称为比特率，单位bps，码元传输速率RB也称为调制速率，或称为波特率，单位Baud
多进制数字调制需要更大的信噪比，发送端需要增大发送信号的功率

正交幅值调制QAM

也成为幅值相位联合键控APK
具有高频带利用率，且可以自适应调整调制速率
QAM系统设备比较简单，应用广泛
QAM的调制信号的幅值与相位均受基带信号调制，可表示为

QAM信号是由两路相互正交载波经调制后叠加而成：
两路载波信号的幅值分别被离散幅值序列An和Bn所调制，分别称为同相信号(I信号)和正交信号(Q信号)
QAM已调信号的矢量端点在I-Q平面上分布，称为QAM星座图

QAM优点：
频带利用率高
抗噪声能力强
调制解调系统简单

6.6 物理层接口规范

数据处理设备称为DTE
当需要数据传输时，需要数据传输设备DCE
如调制解调器，网络接口卡等

物理层接口特性

机械特性

指明接口所用接线器的形状和尺寸，引线数目和排列，固定和锁定装置等

电气特性

指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围

功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义

过程特性

指明对于不同的功能的各种可能时间的出现顺序

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