数据通信与网络-Physical layer

1. 数据和信号

• 1.1 模拟/数字数据
  
  • 模拟：连续信息
  • 数字：离散信息
• 1.2 模拟/数字信号
• 1.3 周期/非周期

2. 周期模拟信号

• 2.1 正弦波
  
  • 振幅
  • 周期/频率
• 2.2 相位
• 2.3 波长
  
  • Wavelength = (propagation speed) * period
• 2.4 时域/频域
• 2.5 复合信号
  
  • 有很多简单正弦信号组成
  • 根据傅里叶分析，任何复合信号=N个正弦信号(不同振幅，频率，相位)
    * 周期 = 离散频率正弦信号
    * 非周期 = 连续频率正弦信号
• 2.6 带宽
  * 最高频率 - 最低频率

3. 数字信号

• 3.1 比特率
  
  • 每秒钟传输的比特数
• 3.2 Bit Length=波长
  
  • Bit length = propagation speed * bit duration
• 3.3 数字信号=复合模拟信号
• 3.4 数字信号传输
  
  • 基带传输
    
    • 不转换成模拟信号
    • 需要低通信号(带宽从0开始)
    • 保持数字信号形状需要: 无限或者非常宽的带宽
    • 带宽需求正比于比特率，至少为比特率/2（加入谐波效果更好，3，5，。。N次谐波）
  • 宽带传输
    
    • 转换成模拟信号
    • 带通信号(带宽不从0开始)

4. 传输损耗

• 4.1 信号衰减
  
  • 能量损失
    
    • 放大器补偿
    • dB：描述信号相对强弱
      
      dB=10logA(P2/P1)
      
      P2,P1:不同信号或同一个信号不同时间点能量
      (dB可以直接做加法运算)
• 4.2 信号变形
  
  • 不同信号不同传播速度
• 4.3 噪声
  
  • 热噪声，脉冲噪声，感应噪声，Crosstalk(?)
  • 信噪比(SNR)
    * SNR = average signal power / average noise power
    * 用dB描述
    
    SNR(dB)=10∗logA(SNR)

5. 数据传输速率上限

• 影响因素
  
  • 带宽
  • 信号级别
  • 信道质量
• 5.1 Nyquist(无噪声信道)
  
  • BitRate
    
    BitRate=2∗bandwidth∗log2L
    
    注意:增加信号级别会降低系统可靠性
• 5.2 Shannon(有噪声信号)
  
  • Shannon capacity
    
    BitRate=bandwidth∗log2(1+SNR)
• 5.3 实际使用
  
  • 使用 Shannon找到上限，使用Nyquist决定信号级别

6. Performance

• 6.1 带宽
  
  • HZ
  • BitRate
• 6.2 吞吐量
  
  • 实际的bitrate
• 6.3 延迟
  
  • 传播时间
    Propagation time = Distance / (Propagation Speed)
  • 传输时间
    Transmission time = (Message size) / Bandwidth
  • 排队时间
  • 处理延迟
• 6.4 Bandwidth-Delay Product
  
  • Bandwidth*Delay = 链路上的最大比特数
• 6.5 抖动