物理层

2. 物理层（Physical Layer）

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2.1. 基本术语

数据（data） :运送消息的实体。

信号（signal） ：数据的电气的或电磁的表现。或者说信号是适合在传输介质上传输的对象。

码元（ code） ：在使用时间域（或简称为时域）的波形来表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

信道工作方式：单工，半双工，全双工

  1. 单工（simplex ）: 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
  2. 半双工（half duplex ）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
  3. 全双工（full duplex）: 通信的双方可以同时发送和接收信息。
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失真：失去真实性，主要是指接受到的信号和发送的信号不同，有磨损和衰减。

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奈氏准则 : 在任何信道中，码元的传输的效率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

香农定理 ：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

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基带信号（baseband signal） : 来自信源的信号。指没有经过调制的数字信号或模拟信号。

带通（频带）信号（bandpass signal） ：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道），这里调制过后的信号就是带通信号。

调制（modulation ） : 对信号源的信息进行处理后加到载波信号上，使其变为适合在信道传输的形式的过程。

信噪比（signal-to-noise ratio ） : 指信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为 S/N。信噪比（dB）=10*log10（S/N）。

信道复用（channel multiplexing ） ：指多个用户共享同一个信道。（并不一定是同时）。

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比特率（bit rate ） ：单位时间（每秒）内传送的比特数。

波特率（baud rate） ：单位时间载波调制状态改变的次数。针对数据信号对载波的调制速率。

复用（multiplexing） ：共享信道的方法。

2.2. 知识点总结

  1. 物理层的主要任务就是确定与传输媒体接口有关的一些特性，如机械特性，电气特性，功能特性，过程特性。

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  2. 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统，传输系统，目的系统。源系统包括源点（或源站，信源）和发送器，目的系统包括接收器和终点。

  3. 通信的目的是传送消息。如话音，文字，图像等都是消息，数据是运送消息的实体。信号则是数据的电器或电磁的表现。

  4. 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为模拟信号（或连续信号）和数字信号（或离散信号）。在使用时间域（简称时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。

  5. 根据双方信息交互的方式，通信可划分为单向通信（或单工通信），双向交替通信（或半双工通信），双向同时通信（全双工通信）。

  6. 来自信源的信号称为基带信号。信号要在信道上传输就要经过调制。调制有基带调制和带通调制之分。最基本的带通调制方法有调幅，调频和调相。还有更复杂的调制方法，如正交振幅调制。

  7. 要提高数据在信道上的传递速率，可以使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术。但数据传输速率不可能任意被提高。

  8. 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体（双绞线，同轴电缆，光纤）和非导引型传输媒体（无线，红外，大气激光）。

2.3. 重点知识

物理层主要做的事情就是 透明地传送比特流。也可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：机械特性（接口所用接线器的一些物理属性如形状尺寸），电气特性（接口电缆的各条线上出现的电压的范围），功能特性（某条线上出现的某一电平的电压的意义），过程特性（对于不同功能能的各种可能事件的出现顺序）。

物理层考虑的是怎样才能在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。 现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而且通信手段也有许多不同的方式。物理层的作用正是尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只考虑完成本层的协议和服务，而不必考虑网络的具体传输媒体和通信手段是什么。

2.3.2. 几种常用的信道复用技术

频分复用(FDM) ：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

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时分复用（TDM） ：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度（分时不分频）。

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统计时分复用 (Statistic TDM) ：改进的时分复用，能够明显提高信道的利用率。

码分复用(CDM) ： 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。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

波分复用( WDM) ：波分复用就是光的频分复用。

2.3.3. 码分多址CDMA及计算

在CDMA系统中，发送端用互不相干、相互正交(准正交)的地址去调制所要发送的信号，接收端则利用码型的正交性通过地址从混合的信号中选出相应信号。其中接收端收到的混合信号是各个站发送的码片序列之和。

接收端用相同的码片序列进行规格化内积，就可以将不属于本码片序列的其他信号全部去除，只接受本码片序列所携带的信息。(即使多用户同时通信时，其信号电压会相互叠加或抵消。)

 

S⋅T=1m∑i=1mSiTi�⋅�=1�∑�=1�����

 

用发送端每个站的码片序列依次对混合信号进行规格化内积：

  • 结果为+1，说明这个站发送比特1
  • 结果为-1，说明这个站发送比特0
  • 结果为0，说明这个站没有发送信息

例题：

共有 4 个站进行码分多址CDMA通信。四个站的码片序列为：
A: (−1−1−1+1+1−1+1+1)(−1−1−1+1+1−1+1+1)
B: (−1−1+1−1+1+1+1−1)(−1−1+1−1+1+1+1−1)
C: (−1+1−1+1+1+1−1−1)(−1+1−1+1+1+1−1−1)
D: (−1+1−1−1−1−1+1−1)(−1+1−1−1−1−1+1−1)
现收到这样的码片序列: (−1+1−3+1−1−3+1+1)(−1+1−3+1−1−3+1+1) 。问哪个站发送了数据? 发送数据的站发送的是 1 还是 0 ?

解答：
A：1/8(1−1+3+1−1+3+1+1)=11/8(1−1+3+1−1+3+1+1)=1 ，表示A站发送的信息是1。
B：1/8(1−1−3−1−1−3+1−1)=−11/8(1−1−3−1−1−3+1−1)=−1，表示B站发送的信息是0。
C：1/8(1+1+3+1−1−3−1−1)=01/8(1+1+3+1−1−3−1−1)=0，表示收到的码片序列与C全部正交，那么A站点没有发送数据。
D：1/8(1+1+3−1+1+3+1−1)=11/8(1+1+3−1+1+3+1−1)=1，表示D站发送的信息为1。

posted @ 2023-04-26 18:11  从0到1再到10  阅读(60)  评论(0)    收藏  举报