计算机网络（第二章）

第二章物理层

1.物理层的基本概念

物理层（Physical Layer) 是 OSI 七层模型的最底层，主要负责数据的物理传输，即如何在不同物理介质（如光纤、电缆、无线信号等）上传输比特流（0 和 1）。

物理层不涉及数据的内容，而是关心如何在物理介质上传输 0 和 1.故其主要任务是确定与传输媒体的接口一些特性。

作用：物理层负责将比特流转换为适合物理介质传输的信号，并在设备之间进行传输 。

转换过程：

发送端：比特流（0/1） → 物理信号（电信号、光信号、射频信号）。
接收端：物理信号 → 还原为比特流（0/1）。

2.数据通信的基础知识

处理的顺序，自上而下：

基带调制

处理对象：基带调制主要针对单个数字信号（比特流）。

目的：将数字信号转换为适合传输的波形（如脉冲信号）。

应用：通常在发送前处理每个信号，确保其能够在传输媒介上有效传播。

带通调制

处理对象：带通调制同样主要针对单个信号，将其调制到特定的频带上。

目的：将基带信号转换为适合在特定频率范围内传输的模拟信号。

应用：每个信号被调制后，可以通过信道进行传输。

复用技术（FDM/TDM/STDM）

目的：复用技术的主要目的是让多个信号共享同一个信道。这意味着多个用户或数据流可以同时在同一传输通道上进行通信。

处理方式：

频分复用（FDM）：将不同的信号分配到不同的频率带宽上。

时分复用（TDM）：将不同的信号分配到不同的时间片上。

统计时分复用（STDM）：根据实际数据流量动态分配时间片。

扩频处理：如果使用扩频技术：

在复用之后，将信号与伪随机码相乘，扩展其带宽。扩频信号可以用于提高抗干扰能力和隐蔽性。

扩频信号可以在复用信道中进一步传输，通常在无线通信中使用。

2.1 数据通信系统的模型

常用术语

数据(data)运送消息的实体。

信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。

模拟信号(analogoussignal)代表消息的参数的取值是连续 的。

数字信号（digitalsignal)代表消息的参数的取值是离散的。

码元(code) 一一在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为码元

码元是信号传输的最小单位，用于表示比特数据。

码员速率Baud（波特率） :每秒传输码元的数目。即波特率＝比特率/每符号含的比特数

比特速率bps(数据率）：每秒传输的比特（bit）数

n 种不同的振幅或频率或相位 = log2(n) 种码元

码员的意义在于提高数据传输效率、减少误码、匹配信道带宽，并优化通信系统。

信道概念

信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体

单向通信 (单工通信)一只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。如广播电视、电子公告牌

双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收)，如对讲机等

双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。如电话通话，微信视频等，

2.2 基带信号的处理

基带信号(即基本频带信号)：指在传输过程中未经过调制的信号，通常包含原始的数据信号，如计算机输出的代表各种文字和图像文件的数据信号。

主要特征包含：

频率范围：
基带信号的频率范围通常从0 Hz开始，具有一定的带宽，但不包含高频成分。它的频谱主要集中在低频区域。
直接传输：
基带信号可以直接在传输介质（如电缆或光纤）上进行传输，而不需要调制到高频载波上。它适用于短距离传输，如局域网（LAN）。
数字信号：
在数字通信中，基带信号通常表示为一系列的离散信号，例如二进制信号（0和1）。
应用：
基带信号广泛用于局域网（如以太网）、数字信号处理和一些音频或视频传输中

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)。

调制分为两大类：

基带调制：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) 。
- 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。但也可反过来定义。
- 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。（第一个是看中间是否动（低往高为0，高往低位1）

从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

自同步（Self-Synchronization） 是指在信号传输中，接收方能够从接收到的信号波形中自动提取出时钟信息，而无需额外的时钟信号。自同步能力使得接收设备能够准确地判断信号的起始和结束时刻，从而确保数据的正确解码。

需要自同步的原因：

时钟恢复：自同步允许接收方从接收到的信号中提取时钟信号，从而准确地判断数据的开始和结束。

提高数据传输的可靠性：减少因时钟漂移或抖动导致的数据解码错误。

增强抗干扰能力和实时数据处理：自同步编码通常包含足够的信号变化，使其能够更好地抵抗噪声和干扰，在一些实时数据传输场合（如音频和视频），自同步能够确保数据的连续性和及时性，避免延迟和失真。

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，这样就能够更好地在模拟信道中传输 （即仅在一段频率范围内能够通过信道）。经过载波调制后的信号被称为带通信号（模拟信号）
- 最基本的三种二元制 调制方式：
  - 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。（基带信号的强度决定了载波信号的幅度）
  - 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。（基带信号的强度决定了载波信号的频率偏移量）
  - 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。（在基带信号数值变换阶段，相位进行突变，起到标志信号状态的作用）

PS: 如果对某链路才有4个相位，且每种相位有4种振幅变化，则有log2（4*4) = 4种码元

2.3 信道的极限容量

信道的极限容量：指在给定的信道条件下，能够以最大速率无误地传输信息的能力。

存在原因：
- 任何实际的信道都不是理想 的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
- 码元传输的速率越高 ，或信号传输的距离越远 ，或传输媒体质量越差 ，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
影响码元信道传输速率的原因：
- 信道能够通过的频率范围：（任何信道上，码元传输的速率是有上限的 ，否则会出现码间串扰 问题）
  - 奈氏准则（又称采样定理），在特定的带宽（频率）下，给出了码元的传输速率上限值：
cpp 复制代码
```
奈氏准则：最高码元传输速率 =  2 * W * Baud；
其中  W   是理想低通道的带宽，单位Hz；
	Baud 是波特率，每秒传送多少个码元
```
- 信噪比：（噪声存在于所有的电子通信设备，会对信息传播造成干扰）
  - 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。
cpp 复制代码
```
信噪比（dB） = 10 log10(S/N);

香农公式：信道的极限传输速率C(bit/s)可表示为：C = W *log2(1+S/N);

其中 W 为带宽、S为平均功率、N为信道内部的高斯噪声功率；

信道的带宽W或信道中的信噪比S/N越大（噪音越少），则信息的理
论极限传输速率就越高。
```

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率，这就是：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量 。

.
实际上，当前大部分信道的传输速率都远达不到香农公式给出的上限。

2.4 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

共分两大类：
- 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
  - 双绞线(网线）：模拟传输和数学传输都可以便用双绞线，其通信距离一般为几到一几公里。
    - 屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)
    - 无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)
  - 同轴电缆：同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
    - 50Ω同轴电缆一一LAN/数字传输常用
    - 75Ω同轴电缆有线电视/模拟传输常用
  - 光缆：可见光频率非常高，故一个光纤通信传输带宽远远大于目前其他的带宽
    - 优点：通信容量大，传输损耗小，中继距离长，抗雷磁干扰好，保密性好。
    - 种类：
      - 多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，成本低，适用于短距离通讯。（从高折射率射向低折射率，如果入射角太小，就会穿透包层；入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去。）
      - 单模光纤：光纤直径减小到只有一个光的波长，不会产生多反射，适用于大容量，长距离通讯。
- 非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。
  - 微波在空间主要是直线传播。
  - 传统微波通信有两种方式：
    1.地面微波接力通信
    2。卫星通信
  - 电信邻域所有的电磁波的频率

ISM频段了解：

2.5 复用技术

复用（multiplexing）：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；用于处理多个信号，让它们在同一信道上共享资源。

共分为四种复用方法：

2.6 扩频技术

增加通讯安全性的方法：扩频

直接序列扩频DSSS ：通过将每个比特与多个伪随机码(码片序列) 进行相乘，扩展带宽。这种方法使得信号在频谱上分散，增加了抗干扰能力

跳频扩频FHSS ：在不同的频率上快速切换信号传输，使得信号在频谱上不断移动。即使信号被侦测，也难以持续跟踪
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应用：

CDMA（码分多址，Code Division Multiple Access） ：一种多址接入技术，允许多个用户在同一频带上同时发送和接收信息。

CDMA的核心在于码分复用（CDM，Code Division Multiplexing） ，即在同一信道上通过为每个信号分配独特的码片来实现信号的分离和复用。

工作原理：

编码：发送端对每个信号进行编码，使用特定的码字将其扩展到更宽的频带。

传输：所有信号在同一信道上同时传输，形成一个复合信号。

解码：接收端使用自己的码字对复合信号进行解码（即进行相乘，内积为1或者-1），从中提取出所需的信号。