计算机网络|物理层 笔记

物理层概述

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。
物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异
用于物理层的协议也常称为物理层规程 (Procedure)

物理层主要任务

确定与传输媒体的接口特性
机械特性、电气特性、功能特性、过程特性

下列属于物理层接口机械特性的是( )。
B. 所使用接线器的外观形状与尺寸

数据通信的基础

一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）
通信的目的是传递消息。如语音、文字、图像、视频等。
数据 (data) 是运送消息的实体，是使用特定方式（符号序列）表示的消息。
信号 (signal) 是数据的电气的或电磁的表现。
模拟信号 (analogous signal)—— 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号 (digital signal)—— 代表消息的参数的取值是离散的。
码元(code) ——在使用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
一个码元携带的信息量不是固定的，而是由调制与编码方式决定的。
采用二进制编码，需要两种电平（每个码元1bit）
采用四进制编码，需要4种电平（每个码元2bit）
若c表示码元传输速率（波特Baud），C 表示信息传输速率，v表示信号状态数，则有：
$C = clog2v $

关于码元，以下叙述错误的是( )。
A. 一个码元携带的信息量不是固定的，而是由调制与编码方式决定
B. 时域中表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
C. 码元传输速率的单位是bit/s
D. 4进制码元是指4种离散型状态，而不是4位二进制
正确答案:C;

通信

信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
单向通信（单工通信）——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（半双工通信）——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)。
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号

基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。

调制

基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。
带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
带通信号 ：经过载波调制后的信号。

常用编码方式

不归零制
归零制
曼彻斯特编码
从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力

基本的带通调制方法

使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
最基本的二元制调制方法有以下几种：
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

必须对基带信号进行调制的原因不包括( )。
A. 数据量过大，传输效率过低
B. 基带信号往往包含有较多的低频成分
C. 许多信道不能传输低频或直流分量
D. 基带信号有可能包含直流成分
正确答案:A

信道的容量极限

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
所以，任何信道都不可能以任意高的速率进行传输
从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：
信道能够通过的频率范围和信噪比

信道能够通过的频率范围
具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。
1924 年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推导出了著名的奈氏准则:
在假定的理想条件下，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
这也意味着，如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

奈氏准则定义了在理想条件下（无噪声）信道传输码元的极限速率，
即：在带宽为W（Hz）的低通信道中，若不考虑噪声，则码元的最高传输速率为2W（码元/秒）。
QAM是一种多元制的振幅相位混合调制方法，若其采用了n种相位，每个相位m种振幅，则可呈现n×m种码元状态。
基于以上知识，现假设某通信链路的带宽为5kHz，采用2个相位、每个相位具有2种振幅的QAM调制技术，
则该通信链路的最大信息传输速率应为（     ）。
D. 20kbit/s

信噪比

实际信道是有噪声的，噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。
噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。
但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。
信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。即：
信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)
例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。

信道的输出端的波形出现失真的原因不包括( )。
A. 传输媒体质量较差
B. 信噪比过高
C. 信号传输的距离太远
D. 码元传输的速率过高

香农公式

1984年，香农 (Shannon) 用信息论的理论推导出了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（香农公式）。

信道的极限信息传输速率 C 可表达为：
$C = W log2(1+S/N) (bit/s) $
其中：
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
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。
信道的带宽或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的传输。
实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么如果还想要提高信息的传输速率，则可以用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。（多进制）

按照香农定理，与信道的最大传输速率相关的参数主要有信道带宽与( )。
A. 信噪比

传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播
双绞线：最常用的传输媒体。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰
同轴电缆：具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，带宽取决于电缆的质量

10Base-T以太网采用的传输介质是( )。
C. 双绞线

光纤：光纤通信的传输媒体。由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽
非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。
短波微波

信道复用技术

复用 (multiplexing)：允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率
频分复用 FDM
将整个带宽分为多份，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。
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源

将物理信道的总频带分割成若干个子信道，每个子信道传输一路信号，这种复用技术称为( ) 。
D. 频分多路复用

时分复用TDM
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM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地出现
时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度
由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般不高
统计时分复用 STDM
不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙
波分复用 WDM
光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个光载波信号
码分复用CDM
码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰
将每一个比特要转换成 m 个比特的码片。
每个站分配各不相同的码片序列，各码片序列必须互相正交。在实用的系统中是使用伪随机码序列
码片序列的正交关系
两个不同站的码片序列正交，就是码片向量的规格化内积 (inner product) 等于 0
\(S\times T = \frac{1}{m}\sum S_iT_i = 0\)
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
一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1

向量S和向量T的规格化内积：\(S*T = \frac{1}{m}\sum S_iT_i\)
将每一个比特要转换成 m 个比特的码片。
每个站分配各不相同的码片序列，各码片序列必须互相正交。在实用的系统中是使用伪随机码序列。
不同码片序列正交，规格化内积为0 未发送
码片和自己的规格化内积为1 发送1
码片与自己的反码规格化内积为-1 发送 0

宽带接入技术

用户通过ISP接入互联网

宽带：下行速率要达到 25 Mbit/s，上行速率要达到 3 Mbit/s
有线宽带接入
早期通过电话的用户线接入，最高仅达到56kbit/s，在拨号上网时，电话不能使用
ADSL
非对称数字用户线
把0~4 kHz低端频谱留给传统电话使用，高端频谱留给用户上网使用
上行和下行带宽不对称
ADSL
A. xDSL技术按上行与下行速率分为速率对称与非对称两类
C. ADSL技术在现有用户电话线上同时支持电话业务和数字业务
D. HDSL上行传输速率为1.544Mbps

DMT
采用频分复用

下列关于xDSL技术的描述中，错误的是( )。
A. xDSL技术按上行与下行速率分为速率对称与非对称两类
B. ADSL上行传输速率最大可以达到8Mbps
C. ADSL技术在现有用户电话线上同时支持电话业务和数字业务
D. HDSL上行传输速率为1.544Mbps
B

关于网络或信道利用率，以下叙述正确的是:
A. 利用率不是越高越好，过高会产生非常大的时延