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计算机网络 方老师

又找到一个讲的不错的，顺便快速复习一下物理层

【计算机网络全集】

TODO

体系结构

OSI(7层): 应用层-表示层-会话层-运输层-网络层-数据链路层-物理层

TCP/IP(4层): 应用层-运输层-互联网层-网络接口层

五层协议: 应用层-运输层-网络层-数据链路层-物理层

物理层

基本概念

在计算机网络体系的最底层

他要考虑的是数据链路层讲数据传输给他后，他要怎么向下传输：

  • 下边实际的传输媒体是什么？
  • 怎么把数据放到上面去传输？
  • 传给下一个物理层时，要怎么还原回来再向上传给数据链路层？

作用

尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

  • 为数据链路层提供统一的数据传输服务
  • 物理层之间有物理层的协议(procedure 规程)

主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性

  • 数据终端设备(DTE data terminal equipment)

  • 一种具有一定的数据处理和转发能力的设备

    • 是数据的源或终点

  • 数据电路终结设备(DCE, data circuit-terminating equipment)

  • 在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能

    • 建立、保持和释放数据链路

物理层的协议就是DTE和DCE间的约定，约定了：

  1. 机械特性

  2. TypeA(USB), TypeB, TypeC...

    • 光纤 不同引脚数量...

  3. 电气特性

  4. 电压、...

  5. 功能特性

  6. 某条线上出现某一电平的电压的实际含义

  7. 过程特性

  8. 给物理层定义好“沟通的步骤手册”

数据通信

通信系统的模型

  • 三大部分：源系统（发送端）、传输系统（传输网络）、目的系统（接收端）

信道

信号传输的通道，分为3类

  • 单向通信（单工）
  • 双向交替（半双工）
  • 双向同时通信（全双工）
信道与调制：让信号能在信道中传输

  1. 基带信号（基本频带）

  2. 定义：信源发出的、未经调制的原始信号（可以是模拟/数字信号）

  3. 特点：包含大量低频成分，甚至有直流成分
  4. 关键限制：很多信道（如无线、电话线）不支持传输低频/直流信号，因此基带信号无法直接

  5. 调制：信号适配信道的关键操作

  6. 目的：把基带信号改造为信道可以传输的形式，让信号能在对应信道中传输

  7. 分类：
    • 基带调制（编码 Coding）
    • 原理：仅改变基带信号的波形，不改变其频率范围，本质仍是数字信号
    • 例子：用不同电压/电平跳变表示0和1（如曼彻斯特编码）
    • 适用场景：可直接传输基带信号的信道，如以太网网线
    • 带通调制（载波调制）
    • 原理：利用高频载波，将基带信号的频率范围搬移到高频段，转换为模拟信号
    • 结果：得到「带通信号」（仅在特定高频频段内可通过信道）
    • 适用场景：无法直接传输低频基带信号的信道，如无线信道、传统电话线（ADSL）
常用编码（基带调制）方式

信息-编码->数据

  • 不归零制：正电平1 负电平0；问题：分不清连续的0/1
  • 归零制：正脉冲1 负脉冲0
  • 曼彻斯特编码：
  • 差分曼彻斯特
基本的带通调制方法
  • 调幅
  • 调频
  • 调相

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码元

代表不同离散数值的基本波形

  • 二进制编码中：0/1两种不同码元
  • 1码元可以携带多个比特的信息量
  • 码元的离散状态有M个时，叫M进制码元

信道的极限容量

信号经过实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）后，可能会发生失真导致无法识别

信道能通过的频率范围

奈氏准则

  • 带宽为W(Hz)的理想低通信道中（无噪声、带宽受限），码元传输的最高速率 = 2W (码元/秒)

从而，v进制码元情况下，理想低通信道下的极限数据传输率 = \(2W \log_2v(b/s)\)

信噪比

信噪比：信号平均功率和噪声平均功率之比，记为\(S/N\)，单位dB，即：

\[ 信噪比(dB) = 10 \log_{10}(S / N)(dB) \]
香农公式

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：

\[ C = W \log_2(1 + S/N) (bit/s) \]
  • \(W\)信道带宽
  • \(S\)信道内所传信号的平均功率
  • \(N\)信道内部的高斯噪声功率

奈氏准则和香农定理意义的不同

  • 奈氏准则：激励工程人员探索先进编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量
  • 香农公式：告诫工程人员在有噪声的信道上，任何编码技术不能图片香农定理给出的信息传输速率

导引型传输媒体

  • 双绞线
  • 同轴电缆 逐渐淘汰
  • 光缆

非引导型传输媒体

  • 无线电 直线传输 怕遮挡

信道复用技术

信道资源有限->想多个信号组合在一条物理信道传输

  • 频分复用 FDM Frequency Division Multiplexing

所有用户在同一时间占用不同带宽资源

  • 时分复用 TDM Time Division Multiplexing

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每个字母就单独占据一段时间，如果当时没有要传的信息也等着，会浪费很多时间

  • 统计时分复用 STDM Statistic TDM
  • 波分复用 WDM

就是光的频分复用

  • 码分复用 Code Division Multiplexing

一个比特用一个码片表示

这里还有点线性代数的知识，有点意思

  • 每个站分配的码片序列各不相同，且两两正交
  • \(S \cdot T = 0\)
  • \(S \cdot S = 1\)
  • \(S \cdot \bar{S} = -1\)

总的信号：\(S_x + T_x\)

收到后的处理：\((S_X + T_x) \cdot S = S_x \cdot S + T_x \cdot S = S_x + 0\)，就得到了想要收到的信号