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Physical Layer

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  • 速率
    • 码元传输速率/波特率 ：单位时间数字通信系统传输的码元数 Baud
    • 信息传输速率/比特率 max data rate ： 单位时间内数字通信系统传输的二进制码元数 b/s
  • 带宽
    • 在模拟信号系统，某个信道传输信号的频率范围 Hz
    • 计算机网络，网络的通信线路传输数据的能力——最高数据率，b/s
  • Maximum Data Rate
    • Nyquist’s theorem 在理想低通（无噪声、宽带有限）的条件下，避免码间串行
      • 极限码元传输速率为 2W Baud （W 为 channel 的频率带宽）
      • 极限数据传输速率 = $2Wlog_2V$ (V 为每个码元的离散电平数目——多少种不同的码元)
    • Shannon’s formula for capacity of a noisy channel
      • Max data rate = $Wlog_2{(1+\frac{S}{N})}$ S 传输信号的平均功率，N 高斯噪声功率，信噪比 = S/N = $10lgS/N$ dB

Note

二进制信号在信噪比为 127:1 的 4kHz 信道上传输，求最大数据传输速率。根据 Nyquist's theroem，最大数据率为 2 * 4k * log_2(2) b/s = 8kb/s；根据 Shannon's theroem，最大数据率为 4k * log_2(1+127) b/s = 28kb/s。二者均为上界，取较小的一个，因此最大数据传输速率为 8kb/s

  • 编码：数据 -> 数字信号

    • 归零编码 Return to Zero (RZ): 每个时钟周期均跳变到低电平（归零）
    • 非归零编码 Non-Return to Zero (NRZ)
    • 反向非归零编码 NRZ Insert (NRZI)：信号翻转代表 1，不翻转代表 0
    • 曼彻斯特编码 Manchester: 将码元分割成两个相等的间隔，下跳表示 1，上跳表示 0. 电平跳变既是时钟信号用于同步，又是数据信号
      • 以太网使用
    • 差分曼彻斯特编码：电平跳变仅仅表示时钟信号，码元开始处无跳变为 1 有则为 0 image.png

  • 调制：数据 -> 模拟信号 module

    • FM 应用广泛
    • PM 改变载波的相位来表示 1/0，用相位 $0/pai$ 表示——绝对调相
    • QAM 正交幅度调制 ：在频率相同的条件下，结合 AM、PM image.png
  • 多路复用 multiplexing

Guided Transmission Media

  • Persistent storage
  • Twisted pairs 双绞线
  • Coaxial cable 同轴电缆
  • Power lines
  • Fiber optics 光纤

    - Essentially infinite bandwidth

Wireless

From Waveforms to bits

  • 傅里叶变换 image.png

  • Bandwidth-limited signals image.png

Multiplexing

Frequency Division Multiplexing | FDM 频分复用

image.png

  • 同时不同频
  • 中间留有一段保护频道

Time Division Multiplexing

image.png

  • 按时间分时

Code Division Multiplexing | CDM | CDMA

  • 码分，更加灵活可以灵活调整带宽的分配
  • 同频又同时，同时发出但存在规律可以反解码 image.png
  • 0 silence，-1 发送 0，1 发送 1

Wavelength Division Multiplexing

  • 不同光的频率不同，本质上是频分 image.png

设备 | 中继器

image.png

  • 上面的方式 A/D 转换次数多，信噪比低，传输速率低
  • Trunk