Notes for Comp_Network

Eric Zhang Lv3
  2023-05-25 13:38:53 2023-05-25 13:38:53 创建   2023-12-03 23:44:54 2023-12-03 23:44:54 更新      

物理层

2.1 数据通信理论基础

2.1.1 傅里叶分析

2.1.2 带限信号的传输

带宽：传输过程中振幅不会明显减弱的频宽，是物理介质的特性，通常取决于介质的构成、厚度、长度等

  • eg: 802.11无线信道的带宽为20MHz

基带信号：信号的频谱范围包含0Hz，即信号的最低频率为0Hz 通带信号：信号被搬移并占用某个更大频率范围

对带宽的深入理解：模拟信号向数字信号的转变

fig01

此为字母b的八位ASCII编码，物理层传输的信号若想完全复原，则只需要前八次谐波分量，后面的谐波可以不要。

fig02

分析：假设信道上的比特率为$ m 发送一字节的时间为 因此原信号一次谐波的频率为 = 由此可知，若要完全复原信号，信道的带宽至少为 $Hz

模拟带宽VS数字带宽：领域不同，单位不同：Hz VS bps

2.1.3 信道最大传输速率

香农定理：信道的最大数据传输速率$ C 与信道的带宽 B 和信噪比 S/N 有关， C = B log_2(1 + ) $

奈奎斯特定理：理想低通信道中，极限传输速率$ C 与信道带宽 B 和信号电平的数量 L 有关， C = 2B log_2(L) $

2.2 引导性传输介质

2.2.1 磁介质

2.2.2 双绞线

2.2.3 同轴电缆

2.2.4 电力线

2.2.5 光纤

光纤通信最常用的三个波段：0.85um, 1.3um, 1.55um；所有这些波段带宽都在25000-30000GHz

接收端的光电二极管（光电转换）决定了光纤通信速率上限：100Gbps左右

2.3 无线传输

2.3.1 电磁频谱

光速、频率和波长的关系：

fig04

跳频扩频：ISM频段：（工业、科学、医疗）；蓝牙，旧版802.11 直接序列扩频：：码分多址（CDMA） 超宽带通信：UWB

2.3.2 无线电传输

路径损耗公式： 参数解释： 为路径损耗， 为传输距离， 为信号频率;

2.3.3 微波传输

多径衰落：信号在传输过程中，由于反射、折射、散射等原因，到达接收端的信号有多个路径，这些信号的相位不同，导致信号干扰，使得接收端无法正确解码。

2.3.4 红外传输

2.3.5 光通信

2.4 卫星通信

2.5 数字调制与多路复用

基带传输：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，最大频率决定了信令速率。有线介质传输中常用的调制方式。

通带传输：信号传输占用了以载波信号频率为中心的一定频带。无线和光纤信道常用此种调制方式。

多路复用：单个信道传送多个信号，即信道共享。

2.5.1 基带传输

  1. 不归零（NRZ）编码方案：0V/无光表示0，+V/有光表示1 局限性：一长串0或者1会出现长时间的恒定电平，从而导致时钟漂移，接收端无法正确解码。

带宽效率的量化：

  • 符号：多个比特的组合的一个信号
  • 符号率/波特率：信号改变的速率
  • 比特率：符号率 符号包含的比特数

时钟恢复： 数据线和时钟线共用一根。

曼彻斯特编码：CLK NOR 0V = logic-0, CLK NOR +V = logic-1，经典以太网的解决方案 局限性：需要两倍NRZ编码的带宽。

  1. 不归零逆转（NRZI）编码方案：信号有跳变为1；无跳变为0，USB总线常用。 局限性：只解决了一串1不会产生时钟漂移的问题，一串0仍然会产生时钟漂移。

  2. 4B/5B编码：将4个比特映射为5个比特，解决了一串0的问题，但是带宽效率降低了20%。

  3. 扰频/倒频：将数据与伪随机序列进行异或运算，解决了一串0的问题。

平衡信号： 在很短时间内正负电压一样多的信号。信号的均值为零，没有直流分量，可以通过电容耦合的方式传输。 eg：可以定义-1V为1，+1V为1，0V为0：双极编码/交替标记逆转

8B/10B编码：将8个比特映射为10个比特，解决编码不均等性。

2.5.2 通带传输

天线大小与信号波长成正比

ASK：幅移键控，两种不同的振幅代表0/1； FSK：频移键控，两种/多种不同的频率代表0/1； PSK：相移键控: - BPSK:二进制相移键控，在每个符号的周期中，系统把载波波形偏移0°或180°，每个符号可以传输1bit信息。 - QPSK:正交相移键控，每个符号周期中，使用四个偏移量（例如45°，135°，225°，315°），每个符号可以传输2bit信息。

可以综合使用：例如将相移和幅移结合。

QAM：正交调幅，将相移和幅移结合，每个符号周期中，使用四个偏移量（例如45°，135°，225°，315）和不同的幅值表示更多的信息。QAM-16，QAM-64等会生成星座图。

fig05

格雷码映射QAM：纠错机制

2.5.3 频分复用（FDM）

X分：将某种物质正交化划分。

正交频分复用：OFDM

fig06

2.5.4 时分复用（TDM）

循环轮流工作

2.5.5 码分复用（CDM）/码分多址（CDMA）

扩展频谱通信的一种形式，将一个窄带信号扩展到一个宽带信号，更能容忍干扰，也能允许来自不同用户的信号共享同一频带

CDMA的基本假设：信号同步性高，多个信号具有线性特性。

类似在机场大厅里每一对交谈的人都使用不同的语言，并且把与本语言无关的内容当作噪声拒绝掉。关键点：提取期望信号，拒绝所有其他信号

码片：每个比特时间再被细分为更短的时间间隔。 码片序列：在不同的通信站（交流房间）中分配的具有唯一性的序列码，位数和码片数相同。任何两个站点的码片序列相互正交（Walsh编码规则）

应用：蜂窝网络、卫星通信、有线电视网

2.6 公共电话交换网络（PSTN）

2.6.1 电话系统结构

贝尔系统模式极其演进：中心交换网络（CEN） 两层体系交换网络 五层交换网络

端局/本地中心局/：本地回路 长途局/汇接局：长途连接中继线

fig07

2.6.2 电话政治化

2.6.3 本地回路

电话调制解调器

  • 标题: Notes for Comp_Network
  • 作者: Eric Zhang
  • 创建于 : 2023-05-25 13:38:53
  • 更新于 : 2023-12-03 23:44:54
  • 链接: https://ericzhang1412.github.io/2023/05/25/Notes-for-Comp-Network/
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Notes for Comp_Network
  1. 物理层
    1. 2.1 数据通信理论基础
      1. 2.1.1 傅里叶分析
      2. 2.1.2 带限信号的传输
      3. 2.1.3 信道最大传输速率
    2. 2.2 引导性传输介质
      1. 2.2.1 磁介质
      2. 2.2.2 双绞线
      3. 2.2.3 同轴电缆
      4. 2.2.4 电力线
      5. 2.2.5 光纤
    3. 2.3 无线传输
      1. 2.3.1 电磁频谱
      2. 2.3.2 无线电传输
      3. 2.3.3 微波传输
      4. 2.3.4 红外传输
      5. 2.3.5 光通信
    4. 2.4 卫星通信
    5. 2.5 数字调制与多路复用
      1. 2.5.1 基带传输
      2. 2.5.2 通带传输
      3. 2.5.3 频分复用（FDM）
      4. 2.5.4 时分复用（TDM）
      5. 2.5.5 码分复用（CDM）/码分多址（CDMA）
    6. 2.6 公共电话交换网络（PSTN）
      1. 2.6.1 电话系统结构
      2. 2.6.2 电话政治化
      3. 2.6.3 本地回路