计算机网络学习笔记（物理层）
整理一下计算机网络学习笔记（物理层）
物理层的基本概念
物理层的主要任务为确定与传输媒体的接口有关的一些特性 + 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数据等相关配置 + 电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压范围 + 功能特性：指明某一条线上出现的某一电平的意义 + 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
数据通信概念
一个数据通信系统可以划分为三大部分：源系统、传输系统、目的系统。
源系统包括：
- 源点：源点设备产生要传输的数据
- 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进行传输
目的系统包括：
- 接收器：接收传输系统传送过来的信号
- 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
根据信号中代表消息的参数取值方式不同，信号可以分为一下两大类：
- 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的
- 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的。代表不同离散数值的基本波形被称为码元
有关信道的几个基本概念
从通信的双方信息交互方式来看，有以下三种基本方式：
- 单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
- 双向交替通信：又称为半双工通信，即通信的双方都能够发送消息，但是不能够同时发送。
- 双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方能够同时发送和接收消息。
常用的编码方式：
- 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。也可反过来定义
- 差分曼彻斯特编码：在每一位中心处始终有跳变。位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1
基本的带通调制方法：
- 调幅：载波的振幅随着基带的数字信号变化
- 调频：载波的频率随着基带的数字信号变化
- 调相：载波的初始相位随着基带的数字信号变化
限制码元在信道上的传输速率的因素：
信道能通过的频率范围
奈氏准则：在带宽位W（Hz）的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元的最高传输速率是2W（码元/秒）。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使得接收端对码元的判决成为不可能。
信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N。但通常使用分贝作为度量单位： \[信噪比(dB)=10~\log_{10}{(S/N)} ~~(dB)\] 香农公式：\(C=W\log_{2}(1+S/N) ~~(bit/s)\)。其中W为信道的带宽，S为信道内所传输信号的平均功率，N为信道内的高斯噪声功率。香农公式指出信道的极限信息传输速率。
物理层下的传输媒体
传输媒体分为传输介质或者传输媒介，它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。可以分为两大类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体
导引型传输媒体：双绞线、同轴电缆、光缆
信道复用技术
频分复用FDM
对于N路信号，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。频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的带宽资源指的是频率带宽）
在使用频分复用时候，若每个用户占用的带宽不变，则当复用的用户增加时候，复用后的信道的总带宽就会跟着变宽。
时分复用TDM
将时间划分为一段段等长的时分复用帧TDM帧。每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。TDM信号也称为等时信号，时分复用的所有用户在不同的事件占用同样的频带宽度。
使用FDM或者TDM技术，可以让多个用户共享信道资源。
- 频分多址FDMA：N个用户各使用一个频带，或者让更多的用户轮流使用N个频带。
- 时分多址TDMA：让N个用户各使用一个时隙，或者让更多用户轮流使用N个时隙。
在进行通信时候，复用器和分用器总是成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享地高速信道。分用器的作用正好和复用器的相反，它把告诉信道传送过来的数据进行分用，分别交到相应的用户。
统计时分复用STDM
统计时分复用是一种改进的时分复用，它能够明显地提高信道地利用率。
STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配。
波分复用WDM
波分复用就是光的频分复用。
码分复用CDM
当码分复用信道为多个不同地址的用户共享时候，称为码分多址CDMA。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于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。
在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片。通常m为64或128。
使用CDMA的每个站被指派一个唯一的m位的码片序列。一个站如果要发送比特1，则发送自己的m位码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的反码。在记录码片序列时候，按照惯例将码片中的0记为-1，将1记为+1。
CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每个站点分配的码片序列不仅要各不相同，而且必须相互正交。
\[\mathbf{S} \cdot \mathbf{T} \equiv \frac{1}{m} \sum_{i=1}^mS_iT_i = 0\]
向量S表示站S的码片向量，T表示其它任何站的码片向量。这两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积都是0
- 向量S和各站码片反码的向量的内积也是0
- 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1： \[\mathbf{S} \cdot \mathbf{S} = \frac{1}{m}\sum_{i=1}^mS_iT_i = \frac{1}{m}\sum_{i=1}^mS_i^2=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m(\pm1)^2=1\]
假定有一个X站要接收S站发送的数据。X站就必须知道S站持有的码片序列。X站使用它得到的码片向量S与接收到的未知信号进行求内积运算。求内积得到的结果是：其它站的信号都被过滤掉，只剩下S站发送的信号。当S站发送比特1时候，X站计算内积的结果为+1，当S站发送比特0时候，X站计算内积结果为-1