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# 物理层的基本概念

# 数据传输的特征量

数据传输性能采用带宽、吞吐量、时延和时延带宽积等特征量描述。

# 带宽

带宽 (bandwidth) 单位为赫兹 (Hz) 或比特每秒 (bit/s). 以赫兹为单位描述的是信道所能传输的信号频率范围。以比特每秒为单位描述的是单位时间内信道可以传输的数据总量。

# Nyquist 定理

在带宽有限的无噪信道中，数据的极限传输速率 (Maximum data rate) 为 2Blog⁡2V2B\log_2V bits/sec.

# 香农定理

香农 (Shannon) 定理给出了带宽有限的有噪信道的极限传输速率为 Wlog⁡2(1+S/N)W \log_2(1+S/N) bits/sec.

# 结论

根据上述定理并结合显示条件，可以得到的结论是：

  • 信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
  • 确定带宽和信噪比下，存在信息传输速率上限
  • 只要信息传输速率低于上限，就可以找到某种方法实现无差错传输
  • 实际传输速率远低于香农定理给出的信道传输速率上限

# 吞吐量

吞吐量 (throughput) 表示在单位时间内通过某个网络 (或信道、接口) 的数据量.

# 时延

时延 (delay/latency) 可以分为四部分：

  • 发送时延 (transmission delay): 发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。可以采用数据帧长度 (bit) 与发送速率 (bit/s) 的比值计算。
  • 传播时延 (propagation delay): 电磁波在信道中传播一定的距离而花费的时间。可以用信道长度 (m) 与信道内信号传播速率 (m/s) 计算、
  • 处理时延 (processing delay): 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
  • 排队时延 (queuing): 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

# 时延带宽积

时延带宽积 (bandwidth-delay product) 是时延与带宽的乘积，表示以比特为单位的链路长度。

# 调制方法

将数字信号转化为模拟信号的方式称为数字调制 (digital modulate). 更一般地，将需要传递的信息转化为易在信道中传输的信号的方式称为调制 (modulate), 相反的过程称为解调 (demodulate). 常见的调制与解调方法如下：

  • 模拟信号调制为数字信号
    • 脉冲编码调制 (Pulse Code Modulation)
  • 数字信号调制为数字信号
    • 不归零编码 (Non-Return-to-Zero encoding, NRZ)
    • 曼彻斯特编码 (Manchester encoding)
    • 差分曼彻斯特编码 (differential Manchester encoding)
  • 数字信号调制为模拟信号
    • 幅移键控 (Amplitude Shift Keying, ASK)
    • 频移键控 (Frequency Shift Keying, FSK)
    • 相移键控 (Phase Shift Keying, PSK)
      • 二进制相移键控 (Binary Phase Shift Keying, BPSK)
      • 正交相移键控 (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)

# 复用技术

常见的复用技术包括：

  • 频分复用 (Frequency Division Multiplexing, FDM): 将频谱分成儿个频段，每个用户完全拥有其中的一个频段来发送自己的信号
  • 时分复用 (Time Division Multiplexing, TDM): 用户以循环的方式轮流工作。每个用户周期性地获得整个带宽非常短的一个时间
  • 码分复用 (Code Division Multiplexing, CDM): 把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上。这种方法更能容忍干扰，而且允许来自不同用户的多个信号共享相同的频带。码分复用又称码分多址 (Code Division Multiple Access, CDMA)

码分复用示例