计算机网络学习笔记 - 第二章

  • 物理层

第 2 章 物理层

数据通信的理论基础

数据通信性能指标

重点

基础概念

波特率和比特率

基本传输定理

傅立叶分析

重点

带宽 (bandwidth):所有的传输设施对于不同傅里叶分量的衰减程度并不相同,从而导致接收端收到的结果信号发生变形。一般情况下对导线而言,在 0 到某个频率 f 的这段范围内振幅在传输过程中不会衰减(这里 f 可以用 Hz(赫兹)来度量),而在此截止频率 f 之上的所有频率的振幅都将有不同程度的减弱。

这段在传输过程中振幅不会明显减弱的频率的宽度就称为带宽 (bandwidth)。实际上,截止频率并没有那么尖锐,所以,通常引用的带宽是指从 0 到使得接收能量保留一半的那个频率位置

带宽是传输介质的一种物理特性,通常取决于介质的构成、厚度和电线或者光纤的长度。滤波器一般可用来进一步限制信号的带宽。

一般将从 0 到某个最大频率的信号称为基带 (baseband) 信号,将被搬移并占用某个更大频率范围的信号称为通带 (passband) 信号,通带信号与所有的无线传输情况一样。

带宽 bps 和 Hz 之间的关系:假设在我们的例子中比特率为 b 比特/秒,发送 8 比特(一次发送一个比特)所需要的时间为 8/b 秒,因此信号的第一个诸波频率是 (b/8)Hz。一条被人们称为语音级线路 (voice grade line) 的普通电话线,人为引入的截止频率大约在 3000Hz 以上。这个限制意味着在电话线上可以通过的最高谐波数大约是 3000/(b/8) 或者 24000/b(该截止频率不尖锐)

对电气工程师来说,(模拟)带宽是以赫兹 (Hz) 来度量的(就像我们上面所描述的那样);而对计算机科学家米说,(数字)带宽表示一个信道的最大数据速率,以每秒多少个比特 (bps) 来计量。

重点

奈奎斯特定理:尼奎斯特证明,如果一个任意信号通过了一个带宽为 B 的低通滤波器,那么只要进行每秒 2B 次(确切)采样,就可以完全重构出被过滤的信号。由于通过样值能恢复出来的高频成分已经被滤掉了,所以高于每秒 2B 次的采样毫无意义。

例题

例:奈奎斯特定理

重点

香农定理:热噪声的数量可以用信号功率与噪声功率的比值来度量,这样的比值称为信噪比 (SNR, Signal-to-Noise Ratio)

例题

例:香农定理

传输技术

重点

可以双向同时使用的链路称为全双工 (full-deplex) 链路;相对应地,可以双向使用但一次只能使用一个方向的链路称为半双工链路 (half-duplex);第三类,只允许个方向上传输的链路则称为单工链路 (simplex)

串行通信/并行通信

异步串行传输/同步串行传输

调制技术

重点

比特与代表它们的信号之间的转换过程称为数字调制 (digital modulation)

基带传输 (basebandtransmission),即信号的传输占有传输介质上从零到最大值之间的全部频率,而最大频率则取决于信令速率

通带传输 (passband transmission),即信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带

调制/解调

通带传输

重点

正交相移键控 QPSK

更加有效地利用信道带宽的一个更好方案是使用 4 个偏移,例如 45°、135°、225°或 315°,这样每个符号可传输 2 个比特信息。这个版本的调制方式称为正交相移键控 (QPSK, Quadrature Phase Shift Keying)

重点

QAM 正交调幅 (Quadrature Amplitude Modulation)

星座图 (constellation diagram)

执行数字比特流和模拟信号流(代表这些数字比特)之间转换的设各称为调制解调器 (modem)

从逻辑上讲,调制解调器安装在(数字)计算机和(模拟)电话系统之间

调制解调器的常用标准

编码技术

基带传输

平衡信号:在很短的时间内正电压与负电压一样多的信号称为平衡信号 (balanced signals。信号的均值为零,这意味着它们没有直流 (DC) 电气分量。没有直流分量是个优点,因为对于诸如带有变压器的同轴电缆或线路来说,其信道对直流分量有强烈的衰减,这是传输介质的物理性质所决定的。同样的,把接收器连接到信道上的电容耦合 (capacitive coupling) 方法只允许信号的交流 (AC) 部分通过。在这两种情况下,如果我们发送了一个平均值不为零的信号,其直流分量将被过滤掉,因而造成能源的浪费。

重点

双极编码 (bipolar encoding):一种构造平衡码的简单方法是使用两个电压级别来表示逻辑 1,比如用+1V 或-1V 表示 1,而用 0V 表示逻辑 0。发送 1 时,发射器在+1V 和-1V 之间选择,使得它们总是达到信号平衡。这种方案称为双极编码 (bipolar encoding)。

重点

常见编码

带宽效率

利用有限带宽的一种更有效策略是使用两个以上的信号级别。例如,采用 4 个电压级别,我们可以用单个符号 (symbol) 一次携带 2 个比特。

重点

NRZ-L/NRZ-I

曼彻斯特/差分曼彻斯特

曼彻斯特编码的主要缺点在于需要两倍于 NRZ 编码的带宽

扰频/倒频 (scrambling):在这种情况下,它很可能会出现频繁的信号转换。扰频器 (scrambler) 的工作原理是在发送数据之前,用一个伪随机序列异或 (Xoring) 该数据。这种混合操作使得数据像伪随机序列一样随机(假设它是独立于伪随机序列的)。然后接收器用相同的伪随机序列对入境数据进行异或操作,由此恢复出真正的数据。

4B/5B:每 4 个比特被映射成一个 5 比特模式,如何映射则按照一张固定的转换表进行。5 位比特模式的选择使得映射结果永远不会出现连续三个 0。

8B/10B:8 位中的 5 比特被分到一组,该组被映射到 6 比特,剩余 3 比特组成另一组被映射到 4 比特。6 比特和 4 比特符号被级联在一起组成一个输出组,被一同发送出去在每一组中,某些输入模式可被映射到具有相同数目 0 和 1 的平衡输出模式。

信道复用技术

频分复用

重点

频分复用 (FDM, Frequency Division Multiplexing)

保护带

比语音通信所需多出来的那部分频带称为保护带 (guard band),它使信道之间完全隔离。

时分复用

重点

时分多路复用 (TDM, Time Division Multiplexing)

每个输入流的比特从一个固定的时间槽 (time slot) 取出并输出到混合流。该混合流以各个流速率的总和速度发送。这种工作方式要求输入流在时间上必须同步。类似于频率保护带,为了适应时钟的微小变化可能要增加保护时间 (guard time) 间隔。

统计时分复用 (STDM, Statistical Time Division Multiplexing)

这里的前缀"统计"表明组成多路复用流的各个流没有固定的调度模式,而是根据其需求产生。

重点

T1 载波 (T1 carrier) 包含 24 条被复用在一起的语音信道,每个信道依次将 8 比特的样值插入到输出流中

每帧包含 24×8=192 个比特,再加上额外一个比特用于控制,因而每 125 微秒产生 193 个比特。这样得到的数据传输率为 1.544Mbps,其中 8kbps 用于信令控制。第 193 个比特用于帧同步和信令。

一般说以 T1 速率就是 1.544Mbps,用 T1 线路就是 1.536Mbps。

T1 复用到高级载波

波分多路复用 (WDM, Wavelength Division Multiplexing)

码分复用

重点

码分复用 (CDM, Code Division Multiplexing) 是扩展频谱 (spread spectrum) 通信的一种形式,它把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上。这种方法更能容忍干扰,而且允许来自不同用户的多个信号共享相同的频带。

码分多址 (CDMA, Code Division Multiple Access)

在 CDMA 中,每个比特时间被再细分成 m 个更短的时间间隔,这更短的时间间隔就称为码片 (chip)。每个站被分配得到唯一的 m 位码,称为码片序列 (chip sequence)。

我们假设用符号 S 表示站 S 的 m 码片向量,用\(\overline S\)表示它的反码。所有的码片序列都两两正交 (orthogonal),这意味着任何两个不同的码片序列 S 和 T 的归一化内积(写为 S·T) 为 0。我们知道,利用 Walsh 码 (Walsh code) 可以产生这样的正交码片序列。

为了恢复出某个特定站的比特流,接收方必须预先知道这个站的码片序列。只要计算收到的码片序列与该站的码片序列的归一化内积,就可以恢复出该站的比特流。如果收到的码片序列为 S,接收方正在监听的那个站的码片序列为 C,那么,它只要计算两者的归一化内积,即 S·C。

传输介质

重点

引导性介质/非引导性介质

大致上可以将介质分为引导性介质(也称为有线介质,比如铜线和光纤)和非引导性介质(也称为无线介质,比如地面无线电、卫星和激光)两大类

引导性传输介质

重点

双绞线 (Twisted Pair)

之所以将两根铜线缠绕在一起,是因为两根行的线会构成一个很好的天线。当两根线绞在一起后,不同电线产生的干扰波会相互抵消,从而能显著降低电线的辐射。信号通常以两根电线的电压差来承载,这样对外部噪声有更好的免疫力

猫 5 取代了早期的 3 类线,虽然与 3 类线具有相同的连接器,但每米内的双绞线扭得更紧了。单位长度内缠绕得更紧可以导致更少的串扰,而且在长距离传输过程中还能使信号质量更好,

新双绞线很有可能是 6 类甚至是 7 类线。这些类别的双绞线具有更严格的规范来处理高带宽信号。

到 6 类为止,所有的双绞线都称为非屏蔽双绞线 (UTP, Unshielded Twisted Pair),这些双绞线仅由导线和绝缘层简单地构成。相对应地,7 类双绞线在每对双绞线外面加了个屏蔽层,然后在整个线缆外面再加一个屏蔽层(内层的是塑料保护套)。屏蔽层能够减弱外部干扰和来自附近线缆的串扰,从而满足苛刻的性能规范要求。

同轴电缆 (Coaxial Cable)

光纤 (Fiber Cable)

无线传输

电磁频谱

第一种是跳频扩频 (frequency hopping spread spectrum),发射器以每秒几百次的速率从一个频率跳到另一个频率

第二种扩展频谱的方式是直接序列扩频 (direct sequence spread spectrum)。这种方法使用了一个码片序列,并且将数据信号展开到一个很宽的频段上。

第三种宽带通信方式是超宽带通信 (UWB, Ultra-Wideband)。UWB 发送一系列快速脉冲,这些脉冲随着通信信息而不断变化自己的位置。这种位置的快速变换导致信号被稀疏分布在一个很宽的频带上。

无线电传输 Radio Transmission

微波传输 Microwave Transmission:在 100MHz 以上频段,电磁波几乎按直线传播,因此它们可以被聚集成窄窄的一束。 通过抛物线形状的天线(就像常见的碟形卫星电视天线),可以把所有的能量集中于一小束,从而获得极高的信噪比,但是要求发射端和接收端的天线必须精准地相互对齐。

每隔一段距离就需要一个中继器。

延迟抵达的微波与直接传输的微波可能不同相,因而信号会相互抵消。这种传播效果称为多径衰落 (multipath fading)

大多数政府把一些频段保留下来用于非许可性应用,这些频段称为工业科学医学 (ISM, Industrial Scientific Medical)

FCC 强制所有在 ISM 频段上工作的设备都必须限制发射功率(比如,1 瓦),并且使用其他技术把它们的信号分散到一个很大的频率范围。这些设备还必须注意避免干扰到雷达装置

红外传输 Infared Transmission:非引导性的红外波被广泛应用于短程通信。

红外线的传播具有方向性、便宜并且易于制造,但是它们有个很大的缺点:就是不能穿过固体物体

光通信 Lightwave Transmission:风和温度的变化可以扭曲激光束的形状而且激光束无法穿透水或大雾,

通信卫星

卫星通信的特性

可以把一个通信卫星想象成天空中的一个大型微波中继器。它包含几个转发器 (transponder),每个转发器侦听频谱中的某一部分,对入境信号进行放大;然后在另一个频率上将放大后的信号重新广播出去;出境信号采用不同的频率可避免与入境信号相互干扰。这种操作模式称为弯管 (bent pipe)。还可以将数字化处理添加到分別处理数据,或者把数据流重定向到整个波段,甚至在卫星接收数字信息后再重新广播。

地球同步卫星:主要频段

地球静止轨道卫星 (GEO, Geostationary Earth Orbit)

低地球轨道 (LEO, Low Earth Orbit)

公共电话交换网络

重点

电话系统结构

现在所有的中继线和交换设备都是数字的,只有本地回路仍然是模拟的

电话系统由以下三个主要部分构成:

  1. 本地回路(进入家庭和公司的模拟双绞线)。

  2. 中继线(连接交换局的数字光纤)

  3. 交换局(电话呼叫在这里从一条中继线被接入到另一条中继线)

重点

非对称数字用户线 (ADSL, Asymmetric DSL)

为了满足技术目标,本地回路上的 1.1MHz 频谱被分成 256 条独立的信道,每条信道宽 4312.5Hz

信道 0 用于简单老式电话服务 (POTS, Plain Old TelephoneService)。信道 1~5 空闲,目的是防止语音信号与数据信号相互干扰。在剩下的 250 条信道中,一条用于上行流控制,另一条用于下行流控制,其他的信道全部用于用户数据

大多数提供商倾向于将 80%~90%的带宽分配给下行信道,因为大多数用户的下载数据量超过上载数据量。这种选择正好暗示了 ADSL 中的第一个字母 A(非对称)。一种常见的分法是 32 条信道用于上行数据流,其余的用于下行数据流。

在每条信道内使用了 QAM 调制方案,速率约为 4000 符号/秒

网络接口设备 (NID, Network Interface Device)

光纤到户 (FttH, Fiber to the Home)

重点

脉冲编码调制 (PCM, Pulse Code Modulation):在端局,把模拟信号数字化的工作由一个称为编码解码器 (codec, coder-decoder) 的设备完成。编码解码器每秒采集 8000 个样值 (125 微秒样值),根据尼奎斯特定理,这个采样率足以捕捉一切来自 4kHz 电话信道带宽上的信息。若采样率较低,信息就会被丢失若采样率较高,也得不到更多的信息。每个信号的样值幅度被量化成一个 8 比特的数字。

这种技术就是脉冲编码调制 (PCM, Pulse Code Modulation),它构成了现代电话系统的核心。因此,几乎电话系统内的所有时间间隔均为 125 微秒的倍数。也正是因为这个原因,语音级电话呼叫的标准化未压缩数据率是每 125 微秒 8 比特,或 64kbps

电路交换 (circult switching)/包交换 (packet switching)

有了这项技术,数据包尽可能快地被发出,这里无须像电路交换那样要事先设立一条专门的路径。路由器使用存储-转发传输技术,把经过它的每个数据包发送到通往该包目的地的路径上。这个转发过程与电路交换不同。在电路交换中,连接的建立过程预留了从发送端到接收端一路上的带宽资源,该条电路上的所有数据将走相同的路径。另一方面,让所有的数据遵循同样的路径意味着它们到达接收端的秩序不可能出现混乱。而在数据包交换中,没有固定的路径,不同的数据包可以走不同的路径,路经的选择取于它们被传输时的网络状况,所以它们到达接收端的秩序可能出现混乱。

作者

xqmmcqs

发布于

2021-07-20

更新于

2022-07-11

许可协议

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