第二章：物理层

物理层的主要任务，描述了哪些特性

任务

物理层考虑如何可以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。
作用：尽可能屏蔽掉不同传输每天和通信手段的差异。
用于物理层的协议也叫做物理层规程（procedure）

接口特性

  • 机械特性：指明接口所用的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
  • 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

物理层下得传输媒体，哪些是导向型哪些不是

传输媒体是数据传输系统中在发送器之间的物理通路。

  • 导向型传输媒体：电磁波被引导沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
  • 非导向型传输媒体：指自由空间，非导向型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

基带调制、带通调制， bit与 baud的关系

调制

基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另外一种形式的数字信号。这种过程称为编码（coding）

带通调制：使用载波进行调制，将基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并且转化为模拟信号，经过载波调制后的信号称为带通信号。仅在一段频率范围内能够通过信道。

信道的极限容量、香农公式

信道的极限容量

任何实际的信道都是不理想的，都不可能以任意高的速率进行传送。
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。

限制码元在信道上的传输速率的两个因素

  • 信道能够通过的频率范围
    具体信道能通过的频率范围是有限的，信号中许多的高频分量往往不能通过信道。
    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:码元传输最高速率 = 2w （码元/秒）
    在带宽为W（Hz）的低信道通信中，不考虑噪声影响，码元的传输速率最高是 2W 。超过上限就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决成为不可能。
  • 信噪比
    信号平均功率和噪声的平均功率之比。记为 S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。即
    信噪比（dB） = 10 lg（S/N） （dB）
  • 香农公式
    信道极限信息传输速率 C 可以表示为：
    C = W log2 （1 + S/N） （bit/s）
    W 信道带宽（Hz）
    S 为信道内所传信号的平均功率
    N 为信道内部的高斯噪声功率
    信道带宽或者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传输。
  • 奈氏准则：激励工程人员不断加快更加先进的编码技术，使得每一个码元携带更多的比特信息量。
  • 香农公式：告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。

时分复用、统计时分复用、频分复用、波分复用

频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）

最基本，将整个带宽分为多分，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。所有用户在同样的时间占用不同的带宽（即频带）资源。

时分复用TDM（Time Division Multiplexing）

将时间划分为一段段等长的时分复用帧。
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的出现的，其周期就是 （TDM 帧的长度）的。
TDM 信号也称为等时信号（isochronous）
所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

频分多址

可以让 N 个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这 N 个频带，这种方式称为频分多址接入 FDMA（Frequency Division Multiple Access）简称为频分多址。

时分多址

可让 N 个用户各使用一个时隙，或者让更多的用户轮流使用这 N 个时隙，这种方式称为时分多址 TDMA ，简称时分多址。

  • 时分复用会导致信道利用率不高。

统计时分复用：STDM（Statistic TDM）
STDM 帧不是固定分配时隙，二十按需动态的分配时隙，因此可以提高线路的利用率。

码分多址CDMA，相应的课后习题

码分复用

每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。
各用户使用结果特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。
当码分复用 CDM（Code Division Multiplexing）信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA（Code Dividsion Multiple Access）

CDMA 工作原理

将每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片（chip）
为每个站指派唯一的 m bit 码片序列
发送比特1：发送自己的 m bit 码片序列。
发送比特0：发送该码片序列的二进制反码。

码片序类实现了扩频：
要发送的数据率 b bit/s，实际发送的数据率 mb bit/s，同时，所占用的频带宽度也提高到原来的 m 倍。

扩频类型：
直接扩频序列 DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）
跳频扩频 FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）

CDMA 的重要特点

每个站分配的码片序列各不相同，且必须相互正交（orthogonal）
正交：向量 S 和 T 的规格化内积（inner product）等于 0；
CDMA01.png
S · T = = 0；
S · S = = 1；
S · S（非） = -1；

CDMA02.png