物理层基本概念

四个特性

数据通信基础

首先明确物理介质本质是模拟的，在通过物理媒介传输时，信号必须以连续的模拟信号形式存在。例如，铜线/同轴电缆传输的是连续变化的电压，光纤传输的是强度连续变化的光波，无线电波/微波传输的是空气中传播的连续变化的电磁场。所以当传送数字信号时，就需要转变成模拟信号来传输。

基带传输不需要调制解调器，它直接传输能模拟出原方波的若干正弦波(傅里叶变换)。

为什么不直接传输模拟信号：数字信号抗干扰能力强，保密信号，便于处理存储和交换，成本低，可靠性高。

傅里叶分析

任何一个周期为T的有理周期性函数$g(t)$都可以表示成一系列(有限或无限个)正弦函数和余弦函数之和：
$$g(t)=\frac{1}{2}c+\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}a_nsin(2\pi nft)+\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}b_ncos(2\pi nft)$$
已知$g(t)$后，可以通过相关公式求出$c,a_n.b_n$。这是级数内容，暂不讨论。另外$f=\frac{1}{T}$为基础频率，也是第一个谐波的频率，后面谐波的频率为其倍数。

根据傅里叶分析可以得知任何电磁信号可以由若干具有不同振幅、频率和相位的周期模拟信号(正弦波)组成。也就是说，只要有足够的具有适当振幅、频率和相位的正弦波，就可以构造任何一个信号。
对于一个有限时间的数据信号的处理(所有的数据信号都是有限时间的)，可以将周期T设为整个信号的覆盖时间，即一次又一次得重复整个信号(实际情况是就重复了一次)。

有限带宽信号

数字带宽表示一条信道的最大数据传输速率。模拟带宽表示一个以赫兹度量的量。这两个区分通常依靠上下文，这里我们讨论得是模拟带宽。

所有的传输设施在传输信号过程中都要损失一些能量，而且所有的传输设施对于不同傅里叶分项的衰减程度并不相同，从而会导致信号变形。通常，对于导线而言，在0到截止频率$f_c$的这段范围内，振幅在传输过程不会衰减，而超出截止频率$f_c$部分会衰减。这段在传输过程中不显著衰减的频率范围大小称为带宽。实际截止频率没有那么尖锐，所以通常的参考带宽是指从0到使接收能量只剩一般的那个频率的范围大小。
所以可以看出来这里带宽是传输介质的一种物理特性，取决于材质长度等信息。有时传输介质中还会加入滤波器来进一步限制信号的带宽。

这里说明了信号的带宽是指信号所包含频谱的频率范围大小。所以这里图e的信号带宽为$7f$，而图a的信号带宽为无穷，因为它实际包含无穷多个傅里叶分项。
上图右侧也能看出当谐波越多，重构出的信号越准确。对于数字传输来说，接收到的信号具有足以重构发送的比特序列即可。所以对于图a这个原式信号，图e的8个谐波已经可以做到这点，再使用更多的谐波就是浪费了。而信号带宽还有有效带宽和绝对带宽之分，那么原式信号的绝对带宽就是无穷，有效带宽就应该是$7f$。一般带宽就指有效带宽。

可以看出，能通过信道的谐波越多，信号就越逼真。

信道的最大数据传输速率

波特率(现在叫符号率)：每秒钟信号变化的次数，也称调制速率(频谱带宽)
比特率：每秒钟传送的二进制的位数
二者关系：取决于信号值与比特位的关系。如每个信号表示3位，则比特率是波特率的3倍；每个信号表示1位，则比特率和波特率相等。

如果一个任意信号通过了一个带宽为$B$的低通滤波器，那么进行每秒$2B$次采样就可以完全重构被过滤的信号。如果该信号包含了$V$个离散等级，则奈奎斯特定理：理想情况下，最大传输速率$=2Blog_2^V$

但是奈奎斯特只考虑了无噪声的理想情况，实际情况下存在随机噪声。噪声的数量可以用信号功率$S$与噪声功率$N$的比值来度量，称为信噪比$S/N$。通常该比率表示成对数形式：$10log_10^{S/N}$，单位为分贝($dB$)，因为它可能在一个很大的范围内变动。香农定理：对于一条带宽为$B$，信噪比为$S/N$的有噪声信道，其最大数据速率$=Blog_2^{1+S/N}$。其与信号电平级数、采样速度无关。此式为上限，难以达到。香农定理适用于任何包含噪声的信道，任何反例都应该被归于永动机一类。

实际计算时需要选取两种方法的最小值，因为两个都是理论上限，不可能超过。

传输方式

以模拟信号来传送消息的通信方式称为模拟通信，同理以以数字信号来传送消息的通信方式称为数字通信。两者对应的通信系统则分别称为模拟通信系统和数字通信系统。

按照传输数据的时空顺序分类：
数据在一个信道上按位次依次传输的方式称为串行传输。其特点是：所需线路数少，线路利用率高；在发送和接收端需要分别进行并/串和串/并转换(终端内部是并行)；收发之间必须实施同步。适用于远距离数据传输。
数据在多个信道上同时传输的方式称为并行传输。其特点是：终端和线路之间不需要对传输代码作时序变换；需要n条信道，成本高，适用于要求传输速率高的短距离数据传输。

按连接方式：

按照数据信号在信道上的传送方向与时间的关系分类：
单工：指两个站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号
半双工：指两个站之间可以在两个方向上传送数据信号，但不能同时进行，又称“双向交替” 模式，发/收之间的转向时间为20～50ms
全双工：指两个站之间可以在两个方向上同时传送数据信号

传输介质

传输介质分为导引型传输介质和非导引型传输介质。前者指电磁波被导向沿着某一媒介传播，后者指电磁波在大气层、外层空间或海洋中进行的无线传播。

导引型传输介质

永久存储设备

将数据从一个设备传输到另一个设备最常见的方法之一就是将数据写到永久存储设备中，比如磁性存储设备或固态存储设备，然后用物理的方法将磁带或磁盘运送到目标计算机。

通过计算可得，哪怕一个边长为$60cm$的正方体盒子，可以装下1000个30TB的磁带。如果开车用了一个小时到达目的地，那么(数字)带宽将达到$1700Gb/s$。所以永远不要低估一辆满载着磁带在高速公路上飞驰的旅行车的带宽。对于传送大量数据的需求而言，这将是最佳方案。

双绞线

永久存储设备具有很好的带宽特性，但延迟特性很差。而许多场合需要低延迟的数据传输，这时候就引入了双绞线。双绞线由两根相互绝缘的铜线以螺旋状紧紧绞在一起组成，因此它们产生的波会相互抵消，从而降低电线的辐射。信号通常以这一对线的电压差承载，而不是绝对电压，这样对外部噪声有更好的抵抗力，因为噪声对电压在两根电线传输过程中影响是相同的，从而差值不会改变。

双绞线可以延伸几千米而不需要放大信号，但对于更远的距离就需要使用中继器。当许多双绞线并行一段相当长的距离时，就应该把它们捆成一束，再外加一层保护套。如果这些双绞线没有缠绕也会相互干扰。

双绞线的带宽取决于导线的直径以及传输的距离。许多情况下，对于几千米的距离可以达到几百兆位每秒，还可以通过各种技巧达到更高的带宽。双绞线也是由于足够的传输性能、广泛的可用性以及较低的成本有着很高的使用率。

当前部署在许多大楼内的一种常见的双绞线为**5E类线(Cat 5E)**，通常用来制作网线。5E类双绞线通常是由4对缠绕的绝缘导线放在一个塑料保护套内组成。当然在不同的场合为了满足数据传输速率，会使用到不同的双绞线。

双绞线的类别是按照频率和信噪比进行分类的。5类线取代了早期的3类线，它与3类线最大的区别是单位长度内扭转的螺旋圈数更多，这样可以进一步减少串扰，在长距离传输过程中可以使信号质量更好。

新型双绞线还有6类线和7类线。它们会有更严格的规范来处理高带宽信号。8类线的运行速度更好，但只能运行在大约30m的短距离内，因此只适用数据中心使用。

到6类线为止，这些双绞线类型都称为**非屏蔽双绞线(UTP)**，因为每对双绞线只是简单地由导线和绝缘层组成。7类线在每对双绞线外面加了一层屏蔽，并且在整个线缆外面(保护套里面)再加一层屏蔽，以满足性能要求。

同轴电缆

另一种常用的传输介质是同轴电缆，它比非屏蔽双绞线由更好的屏蔽特性和更大的带宽，所以它能以更高的速率扩展到更长的距离。由于历史原因有两大分类：**$50\Omega$电缆，一开始就被用于数字传输；$75\Omega$电缆**，常用于模拟传输和有线电视传输。

同轴电缆由硬的铜质芯线和外包一层绝缘材料，在绝缘材料外面是一层网状密织的外导体，以及塑料保护外套组成。

同轴电缆由于其结构和屏蔽性使其既可以有很大带宽，又可以有很好的的抗噪性。带宽可能取决于电缆的质量和长度。现代电缆能够达到$6GHz$的带宽，因此曾经也被广泛应用于电话系统内的长途运输(如今大多被光纤取代)。总之同轴电缆具有寿命长、容量大、传输稳定、外界干扰小、维护方便等优点。

电力线

电力线是传输电能的连线资源，也可复用于数据通信。用电力线组建网络很简单，只需将电视机和接收器插到墙上，然后数据信号叠加在低频电力信号上，这两种信号同时使用这些电力线。

但困难在于电力线是专为传输电力信号设计的，而电力信号以$50-60Hz$的频率传输，高速率数据通信所需的更高频率($MHz$量级)的信号在电力线上衰减会很厉害。另外还有每个家庭的电力线的电力特性不同，和电气设备开关时的瞬态电流造成的电噪音，都是还未完全解决的问题。所以电力线传输并没有公共的标准，只有部分产品采用了自己公司的标准。

光纤

光纤由于其高速的原因主要用于网络骨干的长途运输、高速LAN以及高速Internet接入，比如光纤到户。光纤传输系统由3个关键组件构成：光源、传输介质和检测器。传输介质是超薄玻璃纤维。检测器在检测到光时产生一个电子脉冲。在光纤的一端加上一个光源，在另一端加上一个检测器，就有了一个单向数据传输系统，接收电子信号，将其转换成光脉冲并传输出去，然后在接收端把输出转换成电信号。这里的电信号和光信号的转换也成了光纤的速率瓶颈。

由物理知识可知，当光从一种介质到达另一种介质时，部分光会发生折射，但当入射角度超过某个特定的临界值时，就没有折射发生，所有光都被反射回去。因此当光在光纤中传输时，入射角大于或等于临界值的光将被限定在光纤内部，传播几千米也几乎没有损失。

由于任何入射角大于临界值的光束都会在内部反射，所以有许多不同的光束以不同的角度反射式地在光纤中向前传输，每一束光都有不同的模式，这种光纤称为多模光纤。如果光纤的直径减小到只有几个光波波长大小(小于$10\mu m$，而多模光纤超过$50\mu m$)，那么光就只能按直线传播而不会反射，由此形成了单模光纤。单模光纤比较昂贵，广泛用于长距离传输；传输的距离时多模光纤的接近50倍。单模光纤可以传播100km而无需放大，多模光纤可以用来传输大约15km的距离，成本相对较低，但其带宽也会随着距离增加而减小。

损耗特性表示光能在光纤中传输所受到衰减程度(衰减程度定义为输入与输出信号功率的比值)。光纤损耗分为固有损耗和非固有损耗：前者指光纤材料的性质(光的波长等) 和微观结构引起的吸收损耗和瑞利散射损耗；后者指杂质吸收、结构不规则引起的散射和弯曲幅射损耗等。

计算：如果损失一半能量，输入输出之比为2，表示成对数形式就是$10log_{10}^2=3dB$

$0.85\mu m$的波段首先被使用，担其衰减比较大，只能用于短程通信。后两个波段有很好的的衰减特性。

光脉冲沿光纤传播时会散开，这种散开就是色散。散开的数量与波长有关，防止这些散开脉冲的发生重叠的办法就是加大它们之间的距离，但只有降低了信号速率才能做到这点。这也是$0.85\mu m$波段比较窄的原因：色散较大，限制了带宽(速率)。

光纤的内部结构：

多模光纤中，玻璃芯直径通常为$50\mu m$；单模光纤中，通常为$8-10\mu m$。芯外面是个玻璃包套，折射率比芯低，可以保证所有光限制在芯内。最外面是一层薄薄的塑料封套，用来保护里面的玻璃包套。一般几根光纤被捆扎成束，最外面再加一层护套，被称为光缆。海底光缆的话需要更多的保护层。

光纤的连接有三种方式：第一种，用连接器终止一根光纤，然后再把它插入光纤插座，会损失$10%-20%$的光，但使系统容易重新配置；第二种，通过机械的手段把它们拼接起来，将两根切割好光纤头放在一个特殊的套管中并靠在一起，适当夹紧，再做一些适当的调整，略微麻烦，会损失$10%$的光；第三种，将两根光纤熔合在一起形成非常结实的连接，性能几乎和单根光纤一样好，但仍存在少量衰减。三种方式在接合点上都可能发生光的折射从而干扰原来的信号。

发射信号的光源有两种：

清本ppt上将半导体激光称为注入激光二极管。LED就是发光二极管。数据速率也就是发光效率。

光纤的接收端是一个**光电二极管(光敏二极管)**，遇到光照射时，会产生一个电脉冲。当前光电二极管的响应时间将数据速率限制在$100Gb/s$左右。

光纤与铜线的比较：光纤能处理比铜线更高的带宽；光纤具有较低的衰减，在长距离传输中，大约$50km$才需要一个中继器，而铜线可能毎$5km$就需要一个中继器；光纤受到的干扰也更小，适用于严酷的工厂环境；光纤细小且重量较轻；对于新线路，光纤的安装费用更低；最后光纤不会漏光，在防窃听方面有更好的安全性。

缺点在于对于工程师来说需要有较高的操作技能；并且光传输本质上是单向的，所以双向通信需要两根光纤或者在一根光纤上划分两个频段；最后，光纤接口的成本远远高于电子接口的成本。

非引导传输介质

电磁频谱

当电子运动时会产生电磁波，电磁波可以在空气(真空)中传输。当一个适当大小的天线被连接到一个电路上，电磁波就可以有效地被广播出去，在一定距离内的接收者就可以收到该电磁波。

电磁频谱如下图所示：

频谱中的无线电波、微波、红外线和可见光部分都可以通过调制波的振幅、频率和相位来传递信息。而紫外线、$X$射线和$\gamma$射线虽然频率更高，但是这几种波很难产生和调制，其穿透建筑物的能力也不好，并且对生物有害。

无线电波和微波：频谱中无线电波和微波是分开的，无线电波大概就包括短波和部分中波。但广义来说，无线电波是指频率小于$300GHz$的电磁波，应该包括微波，这样频谱中可传输部分就分为无线电波和光波。无线电波到底取广义还是狭义只能看上下文了。

一般来说，当从长波无线电波向可见光变化时，其特性越来越像可见光，越来越不像无线电波。

无线电波传输(狭义)(短波传输)

无线电频率的波形很容易产生，可以传输很长的距离，并且容易穿透建筑物，广泛应用于通信领域。无线电波是全方向传播的，所以发射设备和接收设备不需要在物理上精确对齐。

无线电波的特性与频率有关。低频部分：无线电波能够很好地穿透障碍物。但随着无线电波离信号源越来越远，其穿透能力也急剧下降。因为信号能量是稀疏分布在大面积的表面，其穿透能力至少以$1/r^2$的速度递减，这种衰减称为路径损耗。高频部分：无线电波会总体上沿直线传播，穿透能力弱，遇到障碍物会反弹回来。所以其接收到的信号不仅有路径损耗，还依赖于信号的反射。

光纤、同轴电缆和双绞线这些引导传输介质上的信号在单位距离下降的能量比例相同；而在无线电中，信号的下降与距离的平方成比例。

在$VLF、LF$和$MF$等低频频段，无线电波沿着地面传播。这些电波在较低的频率上可以在1000km范围内被检测到，频率越高，可检测的范围越小。这些频段中的无线电波很容易穿透建筑物，这也是可以在室内使用收音机的原因。这些频段的无线电波主要问题就在于贷款太低。

在$HF$和$VHF$频段，地面波会更容易被地球表面吸收，主要以天波的形式靠大气层中的电离层反射传播。

多径传播：短波电波通过若干条路径或者不同的传播模式由发信点到达收信点的长度不同，而引起由发信点到达收信点的时间不同的现象。多径衰减：由于多径传播到达的信号存在相互抵消的作用，从而存在衰减。多径时散：指不同路径的时延差；与路径长度、工作频率、昼夜、季节等因素有关。多径时散对数据通信的影响主要体现在码间干扰。为了保证传输质量，往往采用限制数据传输速率的措施。

散射传输：

微波传输

在$100MHZ$以上的频段，无线电波总体上更加沿直线传播，因此可以被聚集在很窄的范围内。通过抛物线形状的天线，可以把所有的能量集中为一束，从而获得极高的信噪比，但是要求发射天线和接收天线必须精准地相互对齐。这种定向传播允许并排传播，只要能不相互干扰。

微波是定向传播的，它们沿直线传播，因此两个微波塔不能相距太远。每隔一段距离就需要一个中继器。微波塔越高，微波传输的距离就越远。对于高度100m的微波塔，两个中继器距离可以为80km。

与高频短波一样，微波不能很好地穿透建筑物，即使发射器已经将微波聚集成束，传播时仍然发散。并且有些微波也会被较低的大气层折射，所以也会存在多径传播以及相关影响。对于高频短波和微波面临的这个问题，一般会采取将10%的信道保持空闲，当多径传播现象使得某些频段临时失效时，立即切换到空闲频段工作。

对于地面微波来说，多路复用、射频工作和中继接力是其最基本的三个特点。

相比光纤而言，微波最主要的优势是微波不需要铺设线缆的路权，相对来说也并不昂贵。

红外传输

红外传输属于光波传输，广泛应用于短距离通信。电视机遥控器、手机、笔记本电脑等短距离通信都采用红外通信。红外通信具有更强的方向性、便宜并且易于建立。它还有个特点是不能穿过固体物体。这可能是缺点，导致传输距离受限制，也可以是优点，因为这也意味着建筑物中某个房间内的一个红外系统不会干扰其相邻房间的系统。所以，红外系统的防窃听安全性比无线电系统要好，且使用不受国家无线管理委员会的限制。

光通信(大气激光通信)

指得就是激光通信。将两个建筑物内的$LAN$通过安装在各自房顶上的激光连接起来。由于激光的光信号是单向的，然后在通信的每一端都必须有自己的激光发生器和激光探测器。这种方案以极低的成本提供共了非常高的带宽，并且比较安全，因为很难将一条窄的激光束再进行拆分。

激光的强度就体现在这一条很窄的光束上，但也有弱点：对准比较困难，所以通常会在系统中放置一些镜头来激光稍微散焦；并且风和温度都会扭曲光束的形状，而且激光束无法穿透雨水和大雾；受距离限制。所以如果激光连接两个航天器时，就不存在以上的问题。

光波传输补充：

光波通信目前有三种分类：

按照光源特性的不同，分为激光通信和非激光通信
按照传输媒介的不同，分为大气激光通信和光纤通信
按照传输波段的不同，光波通信分为可见光通信、红外线（光）通信和紫外线（光）通信

可见光通信是利用可见光波段的光作为信息载体，在空气中直接传输信号的通信方式；LED可见光通信基于可见光发光二极管高速调制光波信号，利用光传输，并使用光电二极管等光电转换器件接收信号并获取数据。例如生活中显示器和相机。

总结

卫星通信

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。卫星通信又是宇宙无线电通信形式之一，而宇宙通信是指以宇宙飞行体为对象的无线电通信它有三种形式：

宇宙战与地球站之间通信
宇宙战之间通信
通过宇宙战转发/反射进行地球站通信

通信卫星有两种操作方式：简单地是，包含几个转发器，每个转发器侦听频谱中的某一部分，对进来的信号进行放大，然后在另一个频率上重新广播出去，避免对进来的信号产生干扰，这种操作模式称为弯管；还有就是加入数字处理，以便将操纵数据流和重定向数据流隔离，甚至数字信息也可以被接收并重新广播出去，这种方式性能更好，因为卫星没有将上行信号的噪声放大。

确定卫星安放位置要看卫星周期和范艾伦辐射带。卫星越高，轨道周期就越长。范艾伦辐射带是指受地球磁场影响的一些高能带电粒子层，会对毁坏卫星，所以要避开。

现代卫星与政治息息相关，各国关于轨道槽和频率的竞争愈发激烈。

地球同步卫星

与地球保持相对静止，不需要考虑跟踪问题。同步卫星在赤道上空36000km，三颗相距120度的卫星就能覆盖整个赤道圆周。这些卫星称为**GEO(地球静止轨道)**卫星。

现代同步卫星的转发器具备了更强大的处理能力，可以执行一些更为复杂的操作。最早的卫星的转发器之间的信道划分是静态的，所有转发器具有固定的频段。现在每个转发器的波束被分成多个时间槽，不同的用户可以轮流使用这些时间槽。

第一颗同步卫星只有一个空间波束，大约可以覆盖1/3的地球表面，称为它的足迹。如今每颗卫星都装配了多个天线和转发器，以致每个下行波束可以聚集到一个很小的地理区域中，所以多个上行和下行传输可以同时进行。

卫星通信领域中地面上使用的是低成本的微型站，也称为VAST。这种微型终端只有一个1m或者更小的天线。所以许多VSAT系统中，微型站没有足够的功率进行相互之间的直接通信，需要一种特殊的地面站来中继它们之间的流量，这种地面站称为中继站，具有很大的高增益天线。VAST在农村有很大的应用潜力，其成本远远低于其他有线连接方式。

通信卫星的特性和地面上点到点链路本质上有很大不同：

传播时延长，从地球站经卫星到另一个地球站的电波传播传播时间约需240～280ms（取270ms）
传播损耗大
受大气层和天气影响，也受一些天体现象影响
高纬度地区难以实现卫星通信
为了避免各卫星通信系统之间的相互干扰，同步轨道的星位是有一点限度的，不能无限制地增加卫星数量
安全性非常差
本质是广播介质，给足迹内所有站发送一条信息的成本不比发送给一个站的成本高
传输一条信息的成本与该信息经过的距离无关
“面覆盖”式的传播信道，覆盖范围广，接收设备较为便携

中地球轨道卫星

位于两条范艾伦辐射带之间，称为**MEO(中地球轨道)**卫星。它们大约6h绕一圈，所以当它们在空中移动时，必须对它们的轨迹进行跟踪。它们比GEO低，所以它们的足迹要小一些，功率弱一些的发射器也能触及到这些卫星。

目前这些卫星只用于导航系统，尚未用于通信系统。

低地球轨道卫星

由于它们快速运动，一个完整的系统需要大量的LEO卫星。另外它与地面的距离更近，地面站所需的功率更低。没道理考这个的，可以了解一下星链。

数字调制与多路复用

数字调制

模拟信道承载的是模拟信号，为了发送数字信息，必须设法用模拟信号表示比特。比特与代表它们之间的信号之间的转换过程称为数字调制。

基带传输：直接把比特转换成信号(傅里叶变换)，这样的未对载波调制的待传信号称为基带信号，基带信号占据了从0到最大值之间的全部频率，它所占的频带称为基带。基带传输，指一种不搬移基带信号频谱的传输方式。因为基带信号的频率成分很宽，对传输介质有一定要求，一般用于有线介质。

**频带传输(通带传输)**：根据比特值来调节载波信号的幅值、相位或频率以运载比特的调制模式，从而实现了信号频谱的搬运，目的是为了适应信道的频率特性。这是无线和光纤信道最常用的调制方法，因为这些传输介质中，信号必须位于给定的频带中。

物理介质从本质上讲都是模拟的。但是信道是个很抽象的概念，根据信号如何被处理来定义它是数字信道还是模拟信道。基带传输不需要调制解调器，它直接传输能模拟出原方波的若干正弦波(傅里叶变换)，终端也只关心如何识别信号的0和1，这样的是数字信道。频带传输就需要调制解调器，接收端也需要解调器来处理载波，这样的是模拟信道。所以基带传输用数字信号在数字信道传输数字数据，频带传输用模拟信号在模拟信道传输数字数据。

基带传输编码技术

研究数据在信号传输过程中如何进行编码。这个问题似乎很奇怪，因为正常来说直接正电压表示1，负电压表示0这种，好像是一个显而易见的事。虽然历史发展过程中，确实有这个方案，但确实不可行。下面是各类编码：

**不归零编码(NRZ)**：正电压表示1，负电压表示0(对光纤而言，光出现表示1，不出现表示0)。难以分辨一位的开始和结束，例如一连串的0或者1。所以发送方和接收方必须有时钟同步，有一个精确的时钟或者接一根单独的时钟线都不是最佳的解决方案。

曼彻斯特编码：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。本质是将比特与时钟信号异或。克服了NRZ码的不足，每位中间的跳变同时作为数据和时钟（自同步）。缺点在于需要更多的两倍于NRZ编码的带宽，而带宽也是稀缺资源。

**不归零逆转(NRZI)**：1定义为信号有跳变，0定义为信号无跳变。是个折中的方案，所需的带宽比曼彻斯特少，但还是比NRZ多；一连串的1不会导致时钟恢复问题，但一连串的0仍有问题。

差分曼彻斯特编码：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。图中没有。完全实现了自同步，略微减少了跳变的次数，降低了所需要的带宽。时钟、数据分离，便于提取。

清本的内容就到这了，书上还有4B/5B映射和双级编码，有时间再补充。

频带传输调制技术

基于基带频率的铜芯对于有线传输是最合适的。而对于无线信道来说，发送频率非常低的信号是不切实际的，因为天线的大小需要与信号波长成比例。而且监管约束和避免干扰等情况都往往决定了频率的选择。即使是有线信道，在一个给定的频带上也是可以的，因为这样在信道上可以**允许不同信号共存(多路复用)**。

信号携带的信息量总是基于带宽的，绝对频率对于容量并不重要。这意味着讲一个占有0~B频段的基带信号移到占用S~S+B频段的通带上而不改变信号携带的信号数量。终端接收器接收到信号后，再将其移回基带来方便读取信息。

频带传输有三种调制技术：载波$Asin(\omega t+\phi)$的三个特性幅度、频率、相位。将其他二者当做常量，把其一当做变量

幅移键控法（调幅）
频移键控法（调频）
相移键控法（调相）

可以结合使用,但是频移键控和相移键控一般无法一起调制,因为频率和相位是相关的,即频率是相位随时间的变化率。

多路复用

信道资源是有限的，实际网络中，多对用户往往需要利用相同的信道资源传输信息。不同的信号同时在同一信道中传输会产生严重的相互干扰，导致传输失败。而复用技术允许用户使用一个共享信道进行通信，避免相互干扰，降低成本，提高利用率。

频分复用(FDM)

频分复用利用频带传输的优势(频段固定不变)共享一个信道。它将频谱分成几个频带，每个用户完全独占其中的一个频带发送信号。它通过将多路基带信号调制到不同频率载波上，再进行叠加形成一个复合信号来完成多路复用。下面有图是对这句的解释。

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。这里指得是频率带宽而不是发送速率。

由图可知，滤波器对每个信道可用带宽限制在大约$3100Hz$，当多条信道被复用在一起，为每条信道分配$4000Hz$带宽。多出来那部分带宽称为保护带，它使信道之间很好地被隔开。所以对于原信道而言，他们在频率方面得到了提升，又可以合并在一起。但即使有保护带，相邻信道之间仍然可能存在某种重叠，和滤波器的性能有关。

波分复用(WDM)

波分复用就是光的频分复用，利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光，从而实现传输多个光载波信号。需要用到光组合器和光分离器来聚集和分离不同波长的光。

时分复用(TDM)

时分复用将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每个用户在每一个TDM 帧中占用固定序号的时隙，每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)的。每个时隙会相隔一定时间间隔，称为保护时间，同保护带的作用。每个用户在轮到自己时隙到来时发送比特。与频分复用相反，时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

统计时分复用(STDM)

统计时分复用是指动态地按需分配共用信道的时隙，只将需要传送数据的终端接入共用信道，以提高信道利用率的多路复用技术(每个数据片需要携带地址码)。

码分复用(CDMA)

码分复用是直接序列扩频的一种形式，它把窄带信号扩展到一个很宽的频带上，使其更能容忍干扰，而且允许来自不同用户的多个信号共享相同的频带。

在CDMA中，一比特的时间再被细分成m个称为码片的短时间间隔，每个站被指派一个唯一的m位bit码片序列。用-1和1来表示。通常情况下，一比特被分成64或者128码片，但通常我们按8位来讨论原理。每个站点要发送1时，则发送自己的m位码片，发送0时，则发送该码片序列的二进制反码。

码片序列的正交关系：

两个不同站的码片序列内积等于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；
一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

计算：

A:（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）

B:（-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1）

C:（-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1）

D:（-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1 ）

如果收到码片序列M=（-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1），那么

A*M=$\frac{(1-1+3+1-1+3+1+1)}{8}$=1因此A发送了1，同理B*M=-1，C*M=0，D*M=1，即A、D发送了1，B发送了0，C未发送数据。

用线代去理解：分别是$\alpha_1$,$\alpha_2$,$\alpha_3$,$\alpha_4$四个分量为$\pm1$的8维向量，且相互正交。

然后有$\frac{(k_1\alpha_1+k_2\alpha_2+k_3\alpha_3+k_4\alpha_4)\alpha_1}{8}$$=k_1$，这样就能理解原理了。

但是有个有意思的点：按照这种编码方式,本来每秒发送b比特,现在变成每秒要发送mb个码片(仍然表示b比特),增加了要发送的信息数量,这意味着采用 CDMA 的站所需的带宽是不采用 CDMA 的站的 m 倍：如果有1$MHz$的频带被100个站使用，如果采用FDM，每个站将得到10$kHz$带宽，它可以以 10kb/s 的速率发送信息(假设每赫兹发送1 比特)；如果采用CDMA，每个站可以全部的$1MHz$频段，由于其比特率不变，仍是10kb/s，其码片率为毎比特100码片。