Faii Note

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基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体

物理层主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性（机械特性，电气特性，功能特性，过程特性）

数据通信基础

数字信号，模拟信号，调制解调器

消息数据信号（数据在传输过程中的存在形式）

码元（2进制编码只有0，1两个码元）

1码元可以携带多个比特的信息量，码元是一个固定时长的信号波形，码元的离散状态有M个时为M进制码元（两个比特可以表示一个4进制码元）

数据传输速率的两种表示：

码元传输速率：码元速率，波形速率，代表单位时间内传输的码元个数

信息传输速率：信息速率，比特率名代表单位时间内传输的比特数

信道基本概念

单工通信：只能有一个方向的通信，没有反方向的交互。

半双工通信/双向交替通信：双方都可以发送，但是不可以同时发送

全双工通信/双向同时通信：双方可以同时发送接收

同步传输：以数据区块为单位

异步传输：将比特分为小组进行传送

编码与调制

信道上上传的信号分为基带信号和宽带信号

基带信号：来自信源的信号为基带信号，在数字信道

宽带信号：将基带信号经过调制后，在模拟信道传输

数据通过编码转换为数字信号，通过调制转换为模拟信号

数字数据编码为数字信号：编码

不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0
归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表 1。

数字数字调制为模拟信号：

调幅AM，调频FM，调相PM
QAM：正交振幅调制：AM+PM，每个相位有多个振幅供选择

相位*幅度=波形→X进制码元，转换为比特后求信息传输速率

信道的极限容量

*只在这里的计算中带宽单位为Hz

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

限制码元传输速率的因素：

信道能通过的频率范围

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限
奈氏准则：码元传输的最高速率=2W（W为带宽）
计算：极限数据传输率=2Wlog_2(V）

信噪比

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S/N，单位为分贝
信噪比=10log_10(S/N)
香农公式：极限数据传输速率= W log_2(1+S/N)

物理层传输媒体

传输媒体是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播

双绞线
同轴电缆
光缆/光纤

非导引型传输媒体：指自由空间。非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输

无线电波
微波
红外线，激光

信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

复用 (multiplexing) ：允许用户使用一个共享信道进行通信

FDM 频分复用：将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

频分多址接入 FDMA

TDM 时分复用：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

时分多址接入 TDMA
TDM会导致信道利用率不高

STDM 统计时分复用：STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，因此可以提高线路的利用率。

会考一个计算

进入共享信道时使用复用器，输出信道时使用分用器

码分复用CDM

每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。

CDMA：将每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片 (chip）

码片序列实现了扩频：要发送信息的数据率 = b bit/s，实际发送的数据率 = mb bit/s，同时，所占用频带宽度也提高到原来的 m 倍。

数据交换

三种数据交换的优缺点

电路交换

建立连接 → 通信 → 释放连接

特点：独占资源，始终占用端到端的固定传输底宽

报文交换

报文是站点一次性要发送的数据块，包含了完整数据信息

原理：存储转发 → 每个节点收下整个报文之后，暂存报文检查是否有错误，当输出电路空闲时传送给下一个节点

分组交换

将数据拆分为小块，然后逐块发送。限制传输数据单位的长度（小数据块+控制信息=分组）

数据交换方式的选择

传送数据量大，传送时间远大于呼叫，电路交换（传输时延最小）

许多链路组成：分组交换

信道利用率：报文&分组，且分组的时延小，更适合突发通信

物理层设备

中继器：对信号进行再生和还原