计算机网络【谢希仁第七版】第二章【物理层】几种复用方式 信道复用技术,频分复用FDM,时分复用TDM,波分复用WDM,码分复用CDM
2.1物理层基本概念
目的：启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。
一些特性：
机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
电气特性：指明在接口电缆的各条线出现的电压范围。
功能特性：指明在某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输。
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2.2数据通信的基础知识
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2.2.1数据通信系统的模型
一个数据通信系统可分三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。
常用术语介绍：
数据（data）:运送消息的实体。
信号（signal）数据的电气表现或电磁表现，是数据的传送形式。
模拟信号：代表消息的参数取值是连续的（上图中调制解调器到电话端的用户先上传送的就是模拟信号）
数字信号：代表消息的参数取值是离散的 （上图计算机到调制解调器之间，传送的就是数字信号）
码元（code）：在使用时间域的波形表示数字信号时，表示不同离散数值的基本波形称为码元。1码元可以携带nbit信息量。
2.2.2有关信号的几个基本概念
信道（channel）：信号的传输载体
单向通信（又称单工通信）：只能有一个方向的通信，没有反方向（如广播电视）
双向交替通信（又称半双工通信）：通信双方可以发送信息，但是不能同时收发（如对讲机）
双向同时通信（又称全双工通信）：可以同时收发（如打电话）
基带信号：来自信源的信号，像计算机输出的各种文字图像文件
调制：基带信号中包含许多低频成分，甚至直流成分，许多信道不支持低频或直流分量，因此必须对基带信号进行调制。
带通信号：基带信号经过载波调制后，把频率范围搬移到较高判断以便在信道中传输（频率高能使信号传输距离更远）
几种最基本的调制方法
调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化
调频（FM）：载波的的频率随基带数字信号而变化
调相（PM）：在波的初始相位随基带数字信号而变化
常用编码方式
不归零制：正电平代表1，负电平代表0
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
曼彻斯特编码：位周期中心向上跳代表0，向下跳代表1
查分曼彻斯特编码：位中心始终有跳变，边界有跳变代表0，无跳变代表1
编码总结
曼彻斯特编码与前两种相比能够表示没有数据传输，具有自同步能力。
查分曼彻斯特编码抗干扰性强于曼彻斯特编码。
2.2.3信道的极限容量
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，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
码间串扰：在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。
奈氏准则：在任何信道中，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。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。
香农公式：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。
信噪比：信号的平均规律和噪声的平均功率之比。记为S/N，用dB为度量单位。
香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
香农公式和奈氏准则适用范围：
香农公式：仅模拟信号
奈氏准则：模拟信号、数字信号都可。
2.3物理层下的传输媒体
传输媒体分两大类：
导引型传输媒体：通过固定媒体（铜线或光纤）传播
非导引型传输媒体：在*空间传播（无线传播）
2.3.1导向传输媒体
1.双绞线
屏蔽双绞线STP
无屏蔽双绞线UTP
2.同轴电缆
50欧同轴电缆
70欧同轴电缆
3.光纤
光线在光纤中的折射：
光纤的工作原理：
光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射。
多模光纤：多条不同角度入射的光线在同一条光纤中传输。（适合近距离）
单模光纤：光纤直径减小到一定范围，使光线一直向前传播而不产生多次反射。（传播性能好）
2.3.2导向型传输媒体
无线传输所使用的频段很广。
短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。
微波在空间主要是直线传播。
地面微波接力通信
卫星通信
2.4信道复用技术
频分复用FDM
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（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率，将不同信道的信息调制成不同频率，然后复用传输
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。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
时分复用可能造成线路资源浪费：
统计时分复用STDM：改进的时分复用，能够明显提高信道的利用率。
波分复用WDM
波分复用就是光的频分复用
码分复用CDM
常用的名词是码分多址 CDMA。
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。每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
特点：
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。
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
令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：
CMDA工作原理：
分析：根据前面我们知道当S站发送1时，与S站的码片序列与扩频信号Sx内积为1，发送0时内积为-1，而其他站的发送信号与S站的码片序列内积都为0，被过滤掉了，因此最终就能得到我们需要接受的站的信号。
2.5数字传输系统
早期数字传输系统主要有两个缺点：
速率标准不统一
不是同步传输
由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。
E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544Mb/s。
当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法
1、同步光纤网络SONET。整个同步光纤网络的主时钟来自于一个非常昂贵的铯原子钟；其基础传输速率是51.82Mbit/s，此速率对电信号称为第1级同步传送信号，即STS-1；对光信号称为第1级光载波，即OC-1。
2、同步数字系列SDH（以SONET为基础），一般认为SDH和SONET是同义词，不同点在于 SDH的基本速率是155.52Mbit/s，称为第1级同步传送模块，即STM-1，相当于SONET中OC-3的速率。
2.6宽带接入技术
2.6.1ADSL技术
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线
xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。xDSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
DML技术
DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是4.3125 kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。
2.6.2 光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)
HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。 HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。 现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造。
HFC 的主要特点
HFC网的主干线路采用光纤（使用模拟光纤技术）
HFC 网采用结点体系结构
HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能
2.6.3 FTTx 技术
FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。
光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。
光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。