计算机网络-物理层

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

物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。

数据通信基础知识

调制

基带信号：来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。

下图为带通调制，使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。

除了带通调制，还有一种调至类型为基带调制，它仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。

信道

信道能够通过的频率范围

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

1924年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

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，并用分贝 (dB) 作为度量单位。

1984年，香农 (Shannon) 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率（香农公式）。

由香农公式可知，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

信道复用技术

复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。

它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

频分复用（FDM）

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

时分复用（TDM）

时分复用则是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。

每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。

TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。

时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

统计时分复用（Statistic TDM）

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

波分复用（WDM）

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

码分复用（CDM）亦称为码分多址（CDMA）

每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。

每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。

如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。

如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交 (orthogonal)。

因此，站点接收信号时有三种情况:

1、发送端与接收端为两个不同站点；

由于两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积 (inner product) 等于 0：

2、接收端接收到比特“1”

码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是 1：

3、接收端接收到比特“0”

码片向量和该码片反码的向量的规格化内积是 –1：