计网《二》|物理层|信道极限容量|码分复用|曼彻斯特编码

本文主要是介绍计网《二》|物理层|信道极限容量|码分复用|曼彻斯特编码，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

物理层的基本概念

物理层的主要任务是描述为确定接口有关的一些特性：
物理层的协议也叫规程

1. 机械特性：指明接口所用的接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等
2. 电器特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压范围。如规定表示1的电压范围
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压意义。如高电平表示1还是低电平表示1
4. .过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
   数据在计算机内部多采用并行传输的方式，但数据在通信线路上（传输媒体）一般都是串行传输

数据通信的基础知识

数据通信模型

一个数据通信系统可以划分为三部分：即源系统（发送端，发送方），传输系统，和目的系统（或接收端，接收方）

源系统一般包括两个部分：

1. 源点：源点设备产生要传输的数据，如从键盘上输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。
2. 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中传送。典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用的内置的调制解调器（包含调制器和解调器）用户在外面看不见调制解调器

目的系统一般也包括两部分：

1. 接收器：接受传输系统传过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息
2. 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。（例如汉字在计算机屏幕上显示出来）终点又称目的站和信宿

模拟信号（连续信号）：代表消息的参数取值是连续的
数字信号（离散信号）：代表消息的参数取值的离散的

计算机只能识别数字信号，而在网络中传输的是模拟信号，所以要经过调制器，数字信号到模拟信号称为调制，模拟信号到数字信号称为解调

常用术语

数据：运送消息的实体
信号：是数据的电气或电磁的表现
码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
比如

有关信道的几个基本概念

信道表示某一个方向传送信息的媒体
信道分为两种：数字信道和模拟信道
从通信双方交互信息的方式来看，可以用以下三种方式

1. .单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互，如广播站
2. 双向交替通信（半双工通信）：通信的双发都可以发送消息，但不能同时发送或接受
3. 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接受信息
   单向通信只需要一条信道，其他都需要两条，全双工通信的效率最高

调制

来自信源的信号称为基带信号，基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量。而许多信道并不能传送这种低频分量和直流分量。所以必须调制

基带调制

把数字信号转换为另一种数字信号，通常也把这个过程称为编码

带通调制

需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频率，并转为模拟信号，这样就能在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号

常用编码方式

不归零制

我们假设高电平为1，低电平为0

上面这个就表示1 000 1 00 111
下面这图是110011还是101呢？

所以这种编码不知道一个码元的波形是多大，需要额外的时钟信号

归零编码

中间的表示零电平高的表示正电平，低的表示负电平。
虽然自同步了但正因为零电平的出现，所以大部分数据带宽都用来传送归零浪费掉了。

曼彻斯特编码

仅在码元的中间跳变时有表示值。
向下跳为1，向上跳为0。
或者
向上跳为1，向下跳为0。

差分曼彻斯特编码

在每一位的中心处都有跳变。位开始边界有跳变则为0，而位开始边界没有跳变为1.（01可以自己定）比如

第二个码元开始边界有跳变所以第二个码元为0

基本调制方法

调幅（AM）：即载波的振幅随基带数字信号而变化
调频（FM）：即载波的频率随基带数字信号而变化
调相（PM）：即载波的初始相位随基带数字信号而变化
为了达到更高的信息传送速率，必须采用更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法，例如正交振幅调制QAM

信道的极限容量

数字信道的一个优点就是只要失真不严重，接收端能会恢复出原来的码元，就可视为无影响。码元的传送速率越高，信号的传送距离越远，噪声干扰越大或传输媒体质量越差，在接收端失真越严重。

限制码元在信道上的传播速率的两个因素

信道能够通过的频率范围

信号中的高频分量在传输时收到衰减，那么在接收端收到的波形前后沿就变得不那么陡峭了，这样接收端收到的信号信波就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫码间串扰。

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
但大家通常用分贝作为度量单位。即：
信噪比（dB） = 10 $\log 10$:(S/N) (dB)

奈氏准则

在带宽为W的低通信道中，若不考虑噪声影响。则码元的传送速率为2W（码元/秒），若超过此上限就会发生严重的码间串扰。

香农公式

C = W $\log 2$:（1+S/N）
香农公式告诉我们，只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就一定存在某一种方法来实现无差错的传输。
对于频带宽度已经确定的信道，如果信噪比也不能再提高了。那么码元传输的速率的上限已经确定了。

提高信息传输速率的另外一个办法

哪还有什么办法提高信息的传输速率吗？用编码的方法让每一个码元携带更多的比特信息量。

比如 101011 每三个一组，3个比特有8种排列。
我们可以通过调振幅或者频率相位来进行调制。假定我们采用相位调制 000 = a0 ， 001 = a1…
101011 = a5a3
这样我们在相同时间所传的信息量就提高了3倍
但是我们不能让码元表示任意多的比特，因为解码的时候要2^n种码元中确定哪个个，解码难度大。

物理层下的传输媒介

传输媒体也称为传输媒介，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
传输媒介可分为两大类型，导引性和非导引性

导引性传输媒体

双绞线

双绞的目的是为了减少相邻导线的干扰。
导线越粗，其通信距离越远，但价格越高。
常常用于电话系统
下面介绍几种类型的双绞线

无屏蔽双绞线UTP(Unshielded Tsisted Pair)

价格比较便宜，当数据传送速率增高时，可以采用屏蔽双绞线

屏蔽双绞线STP（shielded Twisted Pair）

如果对整条双绞线屏蔽则标记为X/UTP 若X为F（Foiled）则表明用铝箔屏蔽层，若X为S 则表明用金属编制层进行屏蔽
若X为SF则表明用金属编织层和铝箔屏蔽层屏蔽。

每一对双绞线都加上铝箔屏蔽层记为FTP
如果还加屏蔽则有F/FTP（整条电缆上在加铝箔屏蔽层）或
S/FTP（金属编织层） U/FTP表示对整条电缆不增加屏蔽

同轴电缆

被广泛用于传输较高速率的数据

光纤

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信的。
光纤分为两类多模光纤和单模光纤

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送。
但光脉冲会在传输时逐渐变宽，造成失真。只适合近距离传输
单模光纤：可以光线一直向前传播，而不会发生多次反射。制造起来的成本比较高

光纤的优点

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2. 抗雷电和电磁干扰性能好
3. 无串音干扰，保密性好，也不容易被窃听或获取数据
4. 体积小，重量轻。

非引导性传输媒体

若通信线路要经过一些高山，有时就很难施工。当通信距离很远时铺设电缆既昂贵又费力，当利用无线电波在自由空间的传播就可以较快的实现各种通信。

分段名

目前紫外线和更高的波段不能用来通信，上图还给波段的正式名称
如LF波段的波长是从1km_{10km（对应30kHz}300kHz），LF，MF，HF的中文名字分别是低频，中频和高频，更高的频段中的V,U,S，分别表示very，Ultra，Super和Extremely对应的中文名称甚高频，特高频，和超高频，最高一个频段是Tremendously目前尚无准确译名。
在低频LF的下面还有VLF(甚低频)，ULF(特低频），SLF（超低频），ELF（极低频）

微波通信

微波的频率在300MHz_{300GHz（波长1m}1mm）但主要使用2GHz~20GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播的
一般只有50Km左右，若采用100m高的天线塔，则传播距离可增大到100km。

多径效应

又时发手机的信号被障碍物挡住了，无法直接发射到手机必须经过多个障碍物多次反射到手机。这样会形成多条路径，多条路径的信号叠加后一般会产生很大的失真，这就是所谓的多径效应。

误码率与信噪比，调制方式，数据率的关系

1. 信噪比越大误码率越低
2. 同样的信噪比，具有更高数据率的调制技术的误码率也更高

微波接力

为了实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两终端之间建立若干个中继站，中继站把前一站发送来的信号通过放大后再发送给下一站，这称为微波接力

微波通信的优点

3. 波段很宽，通信信道容量大
4. 工业干扰天电干扰的波段比微波低很多，干扰小，传输质量高
5. 与建设电缆相比微波接力通信建设投资小，见效快

微波通信的缺点

1. 相邻站之间必须直视
2. 微波的传播受恶劣天气影响
3. 与电缆通信相比，隐蔽性和保密性较差
4. 大量中继站的使用耗费较多的人力和物力

卫星通信

常用的卫星通信方法使在地球站之间同步卫星作为中继站的一种微波接力通信。
优点：通信距离远，通信费用与通信距离无关。

缺点：具有较大的传播时延

短波通信

主要靠电离层的反射，但电离层的不稳定所产生的衰落现象，以及电离层反射所产生的多径效应，使得短波通信的通信质量比较差。

信道复用技术

上图没使用信道复用技术时需要三个信道，当使用信道复用技术时只需要一个信道。
复用也是要付出一定代价的（共享信道由于带宽较大因而费用也较高，在加上复用器和分用器）但是如果信道数量比较大那么在经济上还是比较划算的。

频分复用FDM

例如有N路信号要在一个信道中传送。可以使用调制的方法，把各路信号分别搬移到适当的频率位置，使彼此不产生干扰。

可见在同样的时间占用不同的带宽资源。

时分复用TDM

时分复用则是将时间划分为一段段等长的十分复用帧（即TDM帧）每一个TDM帧中占用固定序号的的时隙。每一路信号所占用的时隙周期性出现（其周期就是TDM长度）因此TDM信号也称为等时信号。时分复用的所用用户是在不同的时间占用同样的带宽频率
注意：FDM，TDM 可以让多个用户共享信道，让N个用户各使用一个频带的方式称为频分多址FDMA ，让不同的用户使用不同时隙这种方式称为时分多址TDMA
注：使用时分复用时，每个时分复用帧的长度时不变的，当用户增多时分到的时缝将会变小

时分复用可能会造成线路资源的浪费

当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使一直用数据要发送，也不能使用这空闲的时隙，这就造成了信道利用率的不高。

为了解决这一问题，发明了统计时分复用

统计时分复用

统计时分复用是一种改进的时分复用，它能明显的提高信道的利用率，集中器常使用统计时分复用

可以看出STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态的分配时隙
某一个用户所占用的时隙不是周期性出现的。因此统计时分复用有称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用，虽然统计时分复用的线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和，但从平均的角度看两者是平衡的

集中器工作的前提是假定各个用户都是间歇性工作的

由于STDM帧中的时隙并不是固定分配给某个用户，因此每个时隙中还必须有用户的地址信息。这是统计时分复用不可避免地开销。上图地蓝色空隙就用于存放这样的地址信息

使用统计时分复用的集中器也称为智能复用器，它能提供对整个报文的存储转发能力，通过排队等方式使各个用户更合理地共享信道。此外许多集中器还有路由选择，数据压缩，前向纠错等功能。

波分复用 WDM

波分复用就是对光的频分复用，由于光的频率很高，因此习惯上称为波长来表示所用的光载波，现在已经能在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号称为DWDM（Dense Wavelength Divsion Mulutiplxing）

光信号传输一段距离后就会衰减，因此必须对衰减后的光信号进行方法才能继续传输。比如掺饵银放大器EDFA不需要传统的光电转换，而是直接对光信号放大

码分复用CDM

当码分复用信道被多个用户所共享时，就称为码分多址CDMA
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。
码分复用技术最开始用于军事领域，因为这种系统发送出来的信号有很强的抗干扰能力，其谱频类似白噪声，敌人不容易被发现

CDM工作原理

在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片
使用的每一个站被指派一个唯一的码片序列，
如果这个站要发送1 则发送码片序列本身
如果这个站要发送0 则发送码片序列的二进制反码

比如S站的码片序列为00011011 则发送1时 00011011 发送0时 11100100为了方便我们把码片中的0记为-1 1记为+1 则S站的码片为（-1 -1-1+1+1-1+1+1）

规定S站要发送信息的数据率为b bit/s。但用于每个比特要转换成m个比特的码片。因此s站的实际发送数据率要提高到mb bit/s 。同时S站占用的频带宽度也提高到原来的m倍这种通信方式十扩频通信方式中的一种，扩频通信通常有两大类 直接序列扩频和跳频扩频
CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅·各不相同 还要相互正交

基本结论

例子

基站知道所有手机的码片序列 给手机A发送给比特1 给B发送比特01 发射的信号就是A+~B 所以与A内积是 1 与B内积是-1 与C内积是-1

C链路收到的序列和A,B链路上一样 只需要将序列分3组与A的码片内积就可以算出结果了

数字传输系统

早期的数字传输系统存在两个主要问题

1. 速率标准不统一
2. 不是同步传输

为了解决第二个问题美国首先推出了数字传输标准，叫做同步光纤SONET然后在此基础上制定出了同步数字系列SDH
SDH与SONET基本可作为同义词，SDH的基本速率即STM-1相当于SONET的OC-3速率
SDH/SONET标准的制定，使北美，日本和欧洲三个地区三种不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一

宽带接入技术

宽带接入技术分为有线和无线两种
我们这里主要介绍有线的

ADSL技术

非对称数字用户技术ADSL是利用数字技术对现有的模拟电话的用户线进行改造，由三部分组成 数字用户接入复用器DSLAM ,用户线和用户家中的一些设施

特点

上行和下行带宽做成不对称的。

ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器 又称为接入端单元ATU。

我国目前采用的调制器方案是离散多音调DMT（discrete multi-tone）调制技术。

这里的”多音调“就是”多载波“或”多子信道“的意思。

类型

DSL的几种类型
ADSL（asymmetric digital subscriber line）：非对称数数字用户线
HDSL（high speed DSL）：高速数字用户线
VDSL（very high speed DSL）：甚高速数字用户线
DSL（digital subscriber line）：数字用户线
RADSL（rate-adaptive DSL）：速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率

光纤同轴混合网（HFC网）

把原来的有线电视网中的同轴电缆主干部分换为了光纤

FTTx技术

就是光纤到xx技术

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