【计网笔记】物理层

设备

• 中继器：延长信号传播长度
• 集线器：RJ45接口，无碰撞检测

接口特性

不属于物理层接口规范定义范畴的是（C） 
A. 接口形状

B. 引脚功能

C. 物理地址

D. 信号电平

传输媒体

导引型媒体

双绞线

• 减少对相邻导线的电磁干扰
• 应用于电话系统
• 可模拟传输
  • 放大器
• 可数字传输
  • 中继器
• 带宽依赖于导线类型和距离

UTP

非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair）

STP

屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair）

• 仅7类线为STP

同轴电缆

• 基带同轴电缆
  • 50Ω
  • 数字传输
• 宽带同轴电缆
  • 75Ω
  • 模拟传输和有线电视传输

光纤

• 多模光纤
  • 允许多条光线在光纤内全反射传播
  • 存在长距离失真，一般用于短距离传输
  • 便宜
  • 对光源要求低
    • LED即可
• 单模光纤
  • 光纤直径与光的波长相近，光只能直线传输而不能折射
  • 传输距离长
  • 贵
  • 对光源要求高
    • 必须使用半导体激光器
  • 接收端采用光电二极管

相较于传统铜导线

• 带宽高
• 衰减小
• 轻
• 安装要求高
• 弯折易损坏
• 单光纤不能双工通信
• 成本高

非导引型媒体

• 无线电传输
  • 低频全方向传播，穿透性好
  • 高频直线传播，穿透性差
• 微波传输
  • 直线传播，穿透性差
• 红外传输
  • 距离短，不能穿越固体
• 光通信
  • 距离和稳定性受大气条件影响

【2023-912】光网络只能通过导向型介质传播。（×）

数据通信理论

• 模拟信号：连续信号，参数取值是连续的
• 数字信号：离散信号，参数取值是离散的

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• 单向通信：单工通信
• 双向交替通信：半双工通信
• 双向同时通信：全双工通信

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• 信源编码器/解码器：信息数字化及逆过程
• 加密器/解密器：信息传输前加密，收到后解密
• 信道编码器/解码器：检测纠正错误

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Fourier变换：将时域信号和分解为频域信号

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信道极限容量

（模拟）带宽：信道能够通过的频率范围，单位Hz

• 频率在带宽内的波振幅不会显著衰减
  • 高频显著衰减磨平了数字信号的上下沿，出现码间串扰
  • 即使频率在带宽内，多少也有损耗
• 约定0到能量衰减50%的频率为带宽

比特率（数字带宽）：信道的最大传输速率，单位bit/s

波特率：每秒传输的信号数，单位Baud

• 记信号等级数为L，那么一个信号需要\log_2L位编码
• 比特率=波特率×\log_2L

基带信号：频率从0到带宽的信号

通带信号：频率在基带信号的基础上作一次偏移

Nyquist定理

采样频率问题：对于通过了带宽为B的低通滤波器的复合信号，还原信号需要采样达到多少频率

• 理想无噪声

• V为离散等级数

Shannon定理

信噪比SNR

• S：信号平均功率
• N：噪声平均功率

• 单位dB

Shannon公式

【2017-408】若信道在无噪声情况下的极限数据传输速率不小于信噪比为30dB条件下的极限数据传输速率，则信号状态数至少是（D）
A. 4
B. 8
C. 16
D. 32

S/N=1000dB，由Nyquist定理和Shannon公式，2B\log_2V>=B\log_2(1+S/N)=10B，V=32

用PCM对语音进行数字化，如果将声音分为128个量化级，采样频率为8000次/秒，那么需要的数据传输率为（A）
A. 56kbps
B. 64kbps
C. 128kbps
D. 1024kbps

2B\log_2V=56kbps

数字调制技术

将数字信号变为模拟信号

设备：调制器/解调器

• 低频和直流分量的处理
  • 大多数信道承载的是模拟信号

基带传输

数字数据的数字传输，直接用数字信号传输

• 信号将占据0到带宽的所有频率（Fourier变换结果）

基带调制

把数字信号变成当前信道可用的数字信号，又称编码

提高数据传输率方法

• 增大离散等级数
• 增大信号时钟频率
  • 时钟同步：接收器必须能够分清两个符号的分界

常见基带调制方式

• 不归零编码NRZ：正电平为1，负电平为1
  • 不能自同步，除非同时传时钟信号（效率低）
• 归零编码RZ：正电平为1，负电平为1，每个bit周期结束前都归零
  • 可自同步
• 不归零逆转编码NRZI：信号有无跳变决定0或1
  • 要避免发送多个连续的无跳变位
• Manchester编码：每个bit周期中心的跳变方向决定0或1
  • 可自同步
  • 编码效率低
• 差分Manchester编码：每个bit周期中心都有用于同步的跳变，周期开始时有跳变为0，无跳变为1
  • 可自同步
  • 检测比Manchester编码容易
  • 信号被反转，bit信息保持不变
• 双极编码AMI：相邻的1用不同的正负电平表示，0均为零电平
  • 不能自同步
  • 是平衡码：短时间内正负电压时间相等
    • 无直流分量
• 4B/5B编码：用5位码唯一指定一个4位码，多出来的16种5位码可用于控制信号
  • 25%的低额外开销
  • 最多只有连续3个0

10BaseT以太网中使用Manchester编码传输

100BaseTX快速以太网中使用4B5B+NRZI编码传输

【2013-408】若下图为10BaseT网卡接收到的信号波形，则该网卡收到的比特串是（A）

A. 0011 0110
B. 1010 1101

C. 0101 0010
D. 1100 0101

【2015-408】使用两种编码方案对比特流01100111进行编码的结果如下图所示，编码1和编码2分别是（A）

A. NRZ和曼彻斯特编码

B. NRZ和差分曼彻斯特编码
C. NRZI和曼彻斯特编码
D. NRZI和差分曼彻斯特编码

通带传输

数字数据的模拟传输

通带调制

分别调制波的振幅，频率，相位

• 振幅，频率，相位可结合调制
• 但是频率，相位一般不结合（频率会影响相位）

幅移键控ASK

不同振幅表示不同位

频移键控FSK

不同频率表示不同位

相移键控PSK

不同初相位表示不同位

• 二进制相移键控BPSK：初相位分别选为0和\pi/2
  • 每个符号可表示0或1
• 正交相移键控QPSK：初相位分别选为0、1\pi/4、2\pi/4、3\pi/4
  • 每个符号可表示2bits

正交调幅QAM

混合调制：ASK+PSK

【2009-408】在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是（B）
A. 12kbps
B. 24kbps
C. 48kbps
D. 96kbps

由Nyquist定理，B=3kHz，V=16，数字带宽=2B\log_2V=24kbps

【2011-408】若某通信链路的数据传输速率为2400bps，采用四相位调制，则该链路的波特率是（B）

A. 600波特

B. 1200波特

C. 4800波特

D. 9600波特

V=4，波特率=比特率/\log_2V=1200Baud

【2020-912】数字数据在模拟信号中传播需要的设备是（A）
A. 调制解调器 
B. 编码解码器

多路复用技术

设备：多路复用器/解复用器

频分复用FDM

复用的所有用户同时占用不同的模拟带宽资源

时分复用TDM

用户以循环方式轮转，周期性地获得等长的时间片

• 统计时分复用STDM不是时分复用，不属于物理层，是包交换

码分复用CDM

又称码分多址CDMA

1bit用m个码片发送，每个CDMA站点固定自身长为m的码片序列

• 如果站点发送1，就发送自身码片序列
• 如果站点发送0，就发送自身码片序列的反码

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• 不同站点的码片序列正交
• 码片序列的规格化内积为1（内积为m）

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• 如果X想从信道中接受Y的信号
  • X必须先知道Y的码片序列
• 用Y的码片序列与信道中信号做规格化内积
• 由于Y与其他码片序列正交，与对应序列反码也正交
• 规格化内积结果只剩下Y的信号
  • 如果结果为1，表明发送的是1
  • 如果结果为-1，表明发送的是0

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用户间无干扰，抗干扰能力强

波分复用WDM

利用光的不同波长在光纤上实现频分复用

【2014-408】站点A、B、C通过CDMA共享链路，A、B、C的码片序列分别是(1,1,1,1)、(1,-1,1,-1)和(1,1,-1,-1)。若C从链路上收到的序列是(2,0,2,0,0,-2,0,-2,0,2,0,2)，则C收到A发送的数据是（B）。

A. 000
B. 101
C. 110
D. 111

【2023-912】下列不属于信道复用技术的是（D）

A. 频分复用

B. 时分复用

C. 码分复用

D. 统计复用

交换

消息的物理途径

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

时延

• 处理时延
• 排队时延
• 传输时延
• 传播时延

【2010-408】在右图所示的采用“存储-转发”方式的分组交换网络中，所有链路的数据传输速率为100Mbps，分组大小为1000B，其中分组头大小为20B。若主机H1向主机H2发送一个大小为 980000B的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从 H1发送开始到 H2 接收完为止，需要的时间至少是（）

A. 80ms
B. 80.08ms
C. 80.16ms
D. 80.24ms

蜂窝网络

【计算机网络第2章习题50，2019-912】在一个六角形蜂窝的典型移动电话系统中，不允许相邻蜂窝重复使用频率。如果总共有840个频率可用，对于一个给定的蜂窝最多可以使用多少个频率？

7个正六边形的相邻不同染色至少需要3种颜色，840/3=240