【学习笔记】计算机网络（二）

第2章物理层

文章目录

第2章物理层
- 2.1物理层的基本概念
- 2.2 数据通信的基础知识
- - 2.2.1 数据通信系统的模型
  - 2.2.2 有关信道的几个基本概念
  - 2.2.3 信道的极限容量
- 2.3物理层下面的传输媒体
- - 2.3.1 导引型传输媒体
  - 2.3.2 非导引型传输媒体
- 2.4 信道复用技术
- - 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用
  - 2.4.2 波分复用
  - 2.4.3 码分复用
- 2.5 数字传输系统
- 2.6 宽带接入技术
- - 2.6.1 ADSL 技术 - 在传统电话线上
  - 2.6.2 光纤同轴混合网(HFC网) - 在有线电视网上
  - 2.6.3 FTTx技术
- 2.7 物理层设备
- - 2.7.1 中继器（Repeater）
  - 2.7.2 集线器（Hub）

2.1物理层的基本概念

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即:

机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(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)。

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源系统：

源点 / 源站 / 信源：源点设备产生要传输的数据。
发送器： 通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。

典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用内置的调制解调器(包含调制器和解调器)，用户在计算机外面看不见。

目的系统：

接收器： 接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。

典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
终点 / 目的站 / 信宿： 终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。

传输系统：

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

常用术语：

通信的目的是传送 消息(message) 。话音、文字、图像、视频等都是消息。

数据(data) 是运送消息的实体。

信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

信号(signal) 则是数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类:

模拟信号，或连续信号 – 代表消息的参数的取值是连续的。

数字信号，或离散信号 – 代表消息的参数的取值是离散的。在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。

二进制码元，一种代表0状态而另一种代表1状态的2种状态，则一个码元携带1bit数据。

四进制码元，一种代表00状态，一种代表01状态，一种代表10状态，一种代表11状态的4种状态，则一个码元携带2bit数据。

1个周期出现 k 种信号，则1码元 = log₂K bit数据

优点：每个“信号周期”可以传输更多信息。换句话说每个码元可以携带更多信息。
缺点：需要加强信号功率，并且对信道的要求更高

波特率 用码元表示速率——每秒传输几个码元，单位码元/秒或波特(Baud)

若一个码元携带n比特的信息量，则波特率 M Baud对应的比特率为 Mn b/s。

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2.2.2 有关信道的几个基本概念

信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式:

单向通信：又称为单工通信， 即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
双向交替通信：又称为半双工通信， 即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)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。
双向同时通信：又称为全双工通信， 即通信的双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道(每个方向各一条)。双向同时通信的传输效率最高。

来自信源的信号常称为 基带信号(即基本频带信号) ，包含较多的低频分量，甚至有直流分量

调制（modulation）目的： 为解决许多信道不能传输这种低频分量或直流分量问题

调制分类：

基带调制： 仅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。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)。
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: 中间需要归零
- 曼彻斯特编码: 位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。
  
  注意: 以太网默认使用曼彻斯特编码
- 差分曼彻斯特编码: 在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。
从信号波形中来看，曼彻斯特(Manchester)编码产生的信号频率比不归零制高。

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(即没有自同步能力)，而曼彻斯特编码具有。

【自同步能力 : 信源和信宿可以根据信号完成“节奏同步”，无需时钟信号】
带通调制： 需要使用载波(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。经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。
基本的带通调制方法：
- 调幅(AM) / 幅移键控(ASK)，即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
- 调频(FM) / 频移键控(FSK)，即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率 f₁ 或 f₂。
- 调相(PM) / 相移键控(PSK)，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。
  - 相位是指信号波形相对于参考波形的位置偏移。
  - 相位 0 度表示信号与参考信号完全同步，没有偏移。
  - 相位 180 度表示信号与参考信号完全反相，即信号波形与参考波形完全相反。
为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)。
常用的QAM调制方案:
- QAM-16 即调制16种信号，1码元携带log₂16=4 bit 数据
- QAM-32 即调制32种信号，1码元携带log₂32=5 bit 数据
- QAM-64 即调制64种信号，1码元携带log₂64=6 bit 数据
- QAM-128 即调制128种信号，1码元携带log₂128=7 bit 数据
真题：

2.2.3 信道的极限容量

码元传输的速率越高、信号传输的距离越远、噪声【强电场，强磁场等】干扰越大或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

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限制码元在信道上的传输速率的因素：

信道能够通过的频率范围：
- 码间串扰：如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了“尾巴”。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。相邻符号之间的相互干扰现象，导致接收端无法正确解码。
  
  例如：传输信号： [0] [1] [0] [1] [0] 接收信号： [0] [1.2] [0.8] [1.1] [0.2]
- 奈氏准则：无噪声情况下信道的极限波特率 【可以解释带宽两种含义的内在联系】
  在带宽为W(Hz)的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是 2W(码元/秒)。 传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。
  
  理想低通信道: 没有噪声, 带宽有限的信道
  
  例如，信道的带宽为4000Hz，那么最高码元传输速率就是每秒8000个码元。
  
  例如，在一条带宽为 200kHz 的无噪声信道上,若采用4个幅值的 ASK 调制，则该信道的最大数据传输速率是 800kbps
  
  奈奎斯特定理: 无噪声信道上，极限波特率=2W(单位:波特，即码元/秒)
  
  每个码元携带 log₂4 = 2 bit 数据
  
  该信道最大数据传输速率 = 2 * 200k * log₂4 = 800kbps
信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N
- 无单位
  $\frac{信号的平均功率}{噪声的平均功率} = \frac{S}{N}$
- 通常分贝(dB)作为度量单位
$信噪比(dB) = 10 log_{10}(S/N)(dB) \\ 例如，当 S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000 时，信噪比为30 dB。$
- 香农公式：有噪声情况下信道的极限比特率
  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。指出了信息传输速率的上限
  $C = W log_2(1+S/N) (bit/s) \\C:信道的极限信息传输速率，W:信道的带宽(以 Hz为单位)，S:信道内所传信号的平均功率，N:信道内部的高斯噪声功率$

2.3物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体(铜线或光纤)传播
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。

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2.3.1 导引型传输媒体

双绞线 / 双扭线：

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上护套。现在的以太网(主流的计算机局域网)基本上也是使用各种类型的双绞线电缆进行连接的。

在传送高速数据的情况下，为了提高双绞线抗电磁干扰的能力以及减少电缆内不同双绞线对之间的串扰，可以采用增加双绞线的绞合度以及增加电磁屏蔽的方法。

无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)：价格较便宜。
屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair )
- 对整条双绞线电缆进行屏蔽，则标记为UTP
  - 若x为F(Foiled)，则表明采用铝箔屏蔽层
  - 若x为S(braid Screen)，则表明采用金属编织层进行屏蔽(这种电缆的弹性较好，便于弯曲，通常使用铜编织层)
  - 若x为SF，则表明在铝箔屏蔽层外面再加上金属编织层进行屏蔽。
- 给电缆中的每一对双绞线都加上铝箔屏蔽层(记为FTP或U/FTP，U 表明对整条电缆不另增加屏蔽层)。
- 如果在FTP基础上再对整条电缆添加屏蔽层：
  - F/FTP(整条电缆再加上铝箔屏蔽层)
  - S/FTP(整条电缆再加上金属编织层进行屏蔽)。

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同轴电缆：

同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线 - 用于传输信号)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层 - 用于抗电磁干扰(也可以是单股的)以及绝缘保护套层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，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。

目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。

光缆：

光纤通信就是利用光导纤维(以下简称为光纤)传递光脉冲来进行通信的。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。可见光的频率约为10⁸MHz的量级。

光纤传输原理：

在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。
在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

光纤组成：

通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由**纤芯（负责高折射率）和包层（负责低折射率）**构成双层通信圆柱体。

利用光的全反射特性，在纤芯内传输光脉冲信号。

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光纤分类：

多模光纤：
- 光从纤芯进入，由于纤芯和包层的折射率不同，光在纤芯和包层的界面上发生全内反射，从而在纤芯中来回传播。
- 多条光线在一根光纤中传输，不同的入射角度会导致光以不同的路径（模式）传播。
- 容易造成失真，只适合近距离传输
单模光纤：
- 光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。
- 只有一条光线在一根光纤中传输
- 制造成本，且光源要用半导体激光器，适合远距离传输

光纤优点：

通信容量非常大
传输损耗小，中继距离长(中继器数量少)，对远距离传输特别经济。
抗雷电和电磁干扰性能好。
无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
体积小，重量轻。

以太网对有线传输介质的命名规则

速度 ➕ Base 【Baseband，基带传输即传输数字信号(采用曼彻斯特编码)】 ➕ 介质信息

10Base5 - 10Mbps，同轴电缆，最远传输距离500m
10Base2 - 10Mbps，同轴电缆，最远传输距离200m(实际是185)
10BaseF* - 10Mbps，光纤。*可以是其他信息，如10BaseFL、10BaseFB、10BaseFP
10BaseT* - 10Mbps，双绞线。*可以是其他信息，如10BaseT1S、10BaseT1L

2.3.2 非导引型传输媒体

波段：

甚低频 VLF、特低频 ULF、超低频SLF 和极低频ELF等，不用于一般的通信

低频——LF(30 kHz~ 300kHz)

中频——MF(300kHz~3 MHz)

高频——HF(3 MHz~ 30MHz)

甚高频——VHF——Very(30 MHz~300 MHz)

特高频——UHF——Ultra(300 MHz~3 GHz)

超高频——SHF——Super(3 GHz~30 GHz)

极高频——EHF——Extremely(30GHz~300GHz)

THF——Tremendously

无线传输技术：

微波传输
- 无线电微波通信 在当前的数据通信中占有特殊重要的地位。微波的频率范围为300MHZ~300GHz(波长1m~1mm)，但主要使用2GHz~40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播，由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50km左右。例如：卫星、WiFi等
  
  多径效应： 在使用微波频段的无线蜂窝通信系统中，有时基站向手机发送的信号被障碍物阻挡了，无法直接到达手机。但基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射到达手机。多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真。
- 微波特点：
  - 优点：
    - 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。
    - 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，因而微波传输质量较高。
    - 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。
  - 缺点：
    - 相邻站之间必须直视(常称为视距LOS(Line Of Sight))，不能有障碍物。
    - 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。
    - 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
    - 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。
- 微波接力有两种方式:
  - 1、地面微波接力通信： 为实现远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，可传输电话、电报、图像、数据等信息。
  - 2、卫星通信： 在地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。
    
    特点：
    - 通信距离远，且通信费用与通信距离无关。
    - 频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰也较小，通信比较稳定。
    - 较大的传播时延
    - 保密性差
    低轨道卫星通信系统:
    - 2015年1月，美国太空探索技术公司SpaceX提出的“星链”(Starlink)计划。把约1.2万颗通信卫星发射到轨道。
    - 2016年11月2日，中国计划“鸿雁卫星星座通信系统”(300颗)。
短波传输

短波通信(即高频通信) 短波的频率在 3 MHz 到 30 MHz 之间。主要靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象，以及电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差，传输速率低。
红外通信、激光通信：

可用于近距离的笔记本电脑相互传送数据、遥控器、手机等

无线传输技术误码率：

当利用无线信道传送数字信号时，必须使误码率(即比特错误率)不大于可容许的范围

对于给定的调制方式和数据率，信噪比越大，误码率就越低。
对于同样的信噪比，具有更高数据率的调制技术的误码率也更高。
移动通信中，用户的地理位置变化会导致信道特性改变，进而影响信噪比和误码率。因此，移动设备的物理层需要具备自适应能力，根据环境特性选择合适的调制和编码技术，以在保证误码率的前提下，实现更高的数据传输速率。

2.4 信道复用技术

复用：共享信道由于带宽较大因而费用也较高，再加上复用器和分用器。但如果复用的信道数量较大，那么在经济上还是合算的。

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在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用。

工作原理

信号合并：
- 复用器接收多个独立的输入信号（例如语音、数据、视频等）。
信号分配：
- 将每个输入信号分配到不同的频带、时隙或编码域中。
信号合成：
- 将分配后的信号合成为一个复合信号，输出到公共信道中传输。
接收端分离：
- 在接收端，分用器将复合信号分离为多个独立的信号，分配给相应的用户或设备。

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用(Frequency Division Multiplexing)： 有 N 路信号要在一个信道中传送。可以使用调制的方法，把各路信号分别搬移到适当的频率位置，使彼此不产生干扰。各路信号就在自己所分配到的信道中传送。频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的频率带宽资源。

时分复用(Time Division Multiplexing) / 同步时分复用： 将时间划分为一段段等长的时分复用帧(即TDM)。每一路信号在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一路信号所占用的时隙周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)。TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。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。

使用FDM或TDM的复用技术，可以让多个用户(可以处在不同地点)共享信道资源。

频分多址接入(Frequency Division Multiple Access)：频分多址 ——允许多个用户同时共享一个通信信道，通过将可用频谱划分为不同的频带（子信道），每个用户分配一个独立的频带进行通信。用户在各自的频带上传输信号，彼此之间不会干扰。

时分多址接入TDMA (Time Division Multiple Access)：时分多址 ——允许多个用户共享一个通信信道，通过将时间划分为连续的时隙，每个用户在特定的时隙内传输数据。

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**时分复用信道利用率不高原因：**当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。

统计时分复用STDM(Statistic TDM) / 异步时分复用： 是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。通过**集中器(concentrator) / 智能复用器**对输入信号进行缓存、重组、压缩或优先级管理。

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统计时分复用工作原理：

统计时分复用使用STDM 帧来传送复用的数据。
每一个STDM 中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。
各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM中。
对没有数据的缓存就跳过去。
当一个帧的数据放满了，就发送出去。

STDM 不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此，统计时分复用可以提高线路的利用率。

2.4.2 波分复用

波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)： 就是光的频分复用——在一根光纤上只能复用两路光载波信号

密集波分复用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)： 在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。

光复用器 / 合波器： 能够将多个不同波长（或波段）的光信号合并到一个光纤中进行传输

掺铒光纤放大器EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)： 光的放大器，直接对光信号进行放大；两个光纤放大器之间的光缆线路长度可达120km

光分用器 / 分波器： 实现多波长光信号的精确分离和分配，确保每个波长信号能够被接收端正确解码和处理

光复用器和光分用器之间的无光电转换的距离可达600km (只需放入4个EDFA 光纤放大器)。

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2.4.3 码分复用

码分复用CDM(Code Division Multiplexing)

码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)： 当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享。

每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰

优点：有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被发现。

工作原理：

在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为 码片(chip) 。通常m的值为64或128。

使用CDMA的每一个站(设备 / 基站)被指派一个唯一的 m bit 码片序列(chip sequence)

一个站如果要发送比特1，则发送它自己的 m bit码片序列。

如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，指派给S站的8bit码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列 00011011，而当S发送比特0时，就发送11100100。为了方便，将码片中的0记为-1，将1记为+1。因此S站的码片序列是(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)。

两个不同站的码片序列各不相同且必须互相 正交(orthogonal) 。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

令向量S表示站S的码片向量，再令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:
$\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_i T_i = 0$
例如：S = (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) ， T=(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 )

S · T = 1/8 * (1+1-1-1+1-1+1-1) = 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:
$\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_i S_i = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_i^2 = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} {(\pm1)}^2 = 1$
例如：S = (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) S · S = 1/8 * (1+1+1+1+1+1+1+1) = 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
$\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_i E_i = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} {(-1)} = -1$
例如：S = (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) E = (+1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1)

S · E = 1/8 * (-1-1-1-1-1-1-1-1) = -1

当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是+1，当S站发送比特0时，内积的结果是-1，没发送，内积的结果是0。

例如：S站要发送的数据是110三个码元，S站选择的码片序列为(-1-1-1+1+1-1+1+1)；T站要发送的数据是110三个码元，T站选择的码片序列为(-1-1+1-1+1+1+1-1)

S站的码片序列 S = (-1-1-1+1+1-1+1+1 -1-1-1+1+1-1+1+1 -1-1-1+1+1-1+1+1)
S站发送的信号 S_x = (-1-1-1+1+1-1+1+1 -1-1-1+1+1-1+1+1 +1+1+1-1-1+1-1-1)
T站发送的信号 T_x = (-1-1+1-1+1+1+1-1 -1-1+1-1+1+1+1-1 +1+1-1+1-1-1-1+1)
所有的站收到的都是叠加的信号——总的发送信号 S_x + T_x

当接收站打算收S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积。
S · S_x = ( 1/8(+1+1+1+1+1+1+1+1) 1/8(+1+1+1+1+1+1+1+1) 1/8(-1-1-1-1-1-1-1-1) ) = +1 +1 -1
S · T_x = ( 1/8(+1+1-1-1+1-1+1-1) 1/8(+1+1-1-1+1-1+1-1 ) 1/8(-1-1+1+1 -1+1-1+1) ) = 0 0 0

扩频：

直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)：

假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片,因此S站实际上发送的数据率提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的 m倍。
跳频扩频 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)：

2.5 数字传输系统

数字传输系统： 是一种通过数字信号（而非模拟信号）来传输信息的通信系统。

目前，长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式。

早期数字传输系统主要缺点：

速率标准不统一：北美和日本的T1速率(1.544 Mbit/s) 和欧洲的E1速率(2.048 Mbit/s)。
不是同步传输：各国的数字网主要采用准同步方式。各支路信号的时钟频率有一定的偏差。

数字传输标准——同步光纤网 SONET(Synchronous Optical Network) 为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构

对电信信号称为第1级同步传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal),其传输速率是 51.84 Mbit/s.
对光信号则称为第1级光载波 OC-1(OC 表示Optical Carrier)
现已定义了从 51.84 Mbit/s(即OC-1) 一直到 39813.120 Mbit/s(即 OC-192/STS-192)的标准。

同步数字系列 SDH
OITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。
其主要不同点是:SDH的基本速率为155.520 Mbit/s，称为第1级同步传递模块(Synchronous Transfer Module),即STM-1,相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

SDH/SONET定义了标准光信号，规定了波长为1310nm和1550nm的激光源。在物理层定义了帧结构。SDH/SONET 标准的制定，使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一。实现了数字传输体制上的世界性标准。SDH 标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。

2.6 宽带接入技术

从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类。一类是有线宽带接入，而另一类是无线宽带接入。以下都是有线宽带接入。

2.6.1 ADSL 技术 - 在传统电话线上

非对称数字用户线 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)技术： 是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。【是一种通过传统的电话线（双绞铜线）提供高速数据传输的宽带技术。】

ADSL原理：

ADSL技术把0~4kHz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。【使用频分复用（FDM）技术，将电话线和数据线分离，允许同时进行语音通话和互联网访问】

“非对称性”，即的下行(从 ISP 到用户)带宽远高于上行(从用户到ISP)带宽。

ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径(用户线越细，信号传输时的衰减就越大)。

ADSL 调制解调器： ADSL在用户线(铜线)的两端各安装一个, 必须成对使用。

我国采用的方案是==离散多音调DMT(Discrete Multi-Tone)==调制技术，采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多子信道，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，并使用不同的载波(即不同的音调)进行数字调制。

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基于 ADSL的接入网由以下三大部分组成：

数字用户线接入复用器DSLAM(DSL Access Multiplexer)

包括许多 ADSL 调制解调器。ADSL 调制解调器又称为接入端接单元 ATU(Access Termination Unit)
把在电话端局(或远端站)的 ADSL 调制解调器记为 ATU-C(C代表端局(Central Office))

用户线

用户家中的一些设施

用户家中所用的 ADSL 调制解调器分别记为 ATU-R(R 代表远端(Remote))。

电话分离器(Splitter)：是无源的，它利用低通滤波器将电话信号与数字信号分开。

【无源的是为了在停电时不影响传统电话的使用】

第二代 ADSL 改进的地方主要是:

通过提高调制效率得到了更高的数据率。
采用了无缝速率自适应技术 SRA(Seamless Rate Adaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实时状况，自适应地调整数据率。
改善了线路质量评测和故障定位功能，从而提高网络的运行维护水平

ADSL并不适合于企业。是因为企业往往需要使用上行信道发送大量数据给许多用户。为了满足企业的需要，ADSL技术有几种变型：

对称DSL，即 SDSL(Symmetric DSL)，它把带宽平均分配到下行和上行两个方向
使用一对线或两对线的对称DSL叫作HDSL(High speed DSL)，即高速数字用户线
还有一种比 ADSL 更快的、用于短距离传送的VDSL(Very high speed DSL)，即甚高速数字用户线

以上这些不同的高速 DSL 都可记为 xDSL。

2.6.2 光纤同轴混合网(HFC网) - 在有线电视网上

光纤同轴混合网(HFC网，Hybrid Fiber Coax) 是在有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网

HFC 网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。光纤从头端连接到光纤节点(fiber node)。在光纤节点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。【头端 → 光纤 → 光纤节点 → 同轴电缆 → 用户】 HFC 网具有双向传输功能，而且扩展了传输频带。

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机顶盒(set-top box)： 连接在同轴电缆和用户的电视机之间，使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号。

电缆调制解调器(cable modem)： 可以做成一个单独的设备(类似于 ADSL的调制解调器)，也可以做成内置式的，安装在电视机的机顶盒里面。用户只要把自己的计算机连接到电缆调制解调器，就可上网了。【不需要成对使用，而只需安装在用户端】

在同轴电缆这一段用户所享用的最高数据率是不确定的，因为某个用户所能享用的数据率取决于这段电缆上现在有多少个用户正在传送数据。若出现大量用户(例如几百个)同时上网，那么每个用户实际的上网速率可能会低到令人难以忍受的程度。

2.6.3 FTTx技术

光纤到户FTTH(Fiber To The Home)： 就是把光纤一直铺设到用户家庭。只有在光纤进入用户的家门后，才把光信号转换为电信号。这样做就可以使用户获得最高的上网速率。

字母x可代表不同的光纤接入地点。即光电进行转换的地方

光纤到户FTTH (H表示Home)
光纤到路边FTTC (C表示Curb)
光纤到小区FTTZ (Z表示 Zone)
光纤到大楼 FTTB (B 表示 Building)
光纤到楼层FTTF (F表示Floor)
光纤到办公室FTTO (O表示 Office)
光纤到桌面 FTTD (D 表示 Desk)

在光纤干线和广大用户之间，还需要铺设一段中间的转换装置即==光配线网 ODN(Optical Distribution Network)== ，使得多个家庭用户能够共享一根光纤干线。

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光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长。

无源光网络PON最流行的两种:

以太网无源光网络EPON(Ethernet PON)：在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。
吉比特无源光网络GPON(Gigabit PON): 采用通用封装方法GEM(Generic Encapsulation Method)，可承载多业务

2.7 物理层设备

2.7.1 中继器（Repeater）

原理：

中继器只有两个端口。通过一个端口接收信号，将失真信号整形再生，并转发至另一端口(信号再生会产生一些时延)
仅支持半双工通信(两端连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”)
中继器两个端口对应两个“网段”

2.7.2 集线器（Hub）

原理：

本质上是多端口中继器。集线器将其中一个端口接收到的信号整形再生后，转发到所有其他端口
各端口连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”
集线器的N个端口对应N个“网段”，各网段属于同一个“冲突域”

【冲突域: 如果两台主机同时发送数据会导致“冲突”，则这两台主机处于同一个“冲突域"。以太网交换机可以隔离”冲突域。
处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行 “信道争用"】

特性：

集线器连接的网络，物理上是星形拓扑，逻辑上是总线型拓扑。数据“广播式”传输，存在“信道争用问题
集线器连接的各网段“共享带宽’

集线器、中继器的一些特性：

集线器、中继器不能“无限串联” – 如:10Base5的5-4-3原则

5-4-3原则: 使用集线器(或中继器)连接10Base5网段时，最多只能串联5个网段，使用4台集线器(或中继器)，只有3个网段可以挂接计算机。

中继器、集线器不能连接物理协议不同的网段，也不能连接速率不同的网段

参考：

教材：计算机网络（第8版） (谢希仁) (Z-Library).pdf

博客：

码分复用CDM

视频：

王道计算机考研计算机网络