Note of the Computer Networking
Reference ：Data Communications and Networking （Forth Edition）
Chapter 3
带宽
符合信号包含的频率范围称为带宽（bandwidth）。带宽是最大频率和最小频率的差值
比特率
大多数数字信号都是非周期性的，这样周期和频率就不再适用。另一个术语——比特率(而不是频率)用来描述数字信号。比特率(bit rate)是1秒中发送的位数，以每秒位(bits per second,bps）表示。图3.16表示了两个信号的比特率。
例：假定我们需要每分钟100页的速率下载文本文档。所需的通道比特率是多少?
解：
一页平均24行，每一行80个字符。如果我们假定每个字符需要8位，比特率
\(bit\ rate = (100×24×80×8)/60=(1 636 000)/60 \ bps = 256 \ kbps\)
基带传输
基带传输就是通过通道发送数字信号，该信号不转换成模拟信号。
只能使用低通通道
例：如果我们需要使用基带传输发送1Mbps,那么低通通道所需的带宽是多少?
解:
- 最小带宽、大致近似，是B=比特率/2，即500kHz。我们需要0到500kHz范围频率的低通通道。
- 使用第一和第三谐波可以得到更好的结果，所需带宽是B=3×500kHz=1.5MHz。
- 使用第一、第三和第五谐波仍然可以得到更好的结果，所需带宽是B=5×500kHz =2.5Mhz
宽带传输
宽带传输或调制就是把数字信号转换成模拟信号传输。调制允许我们使用带通通道。
传输减损
衰减
衰减（attenuation)意味着能量的损失。当某种简单或者复合的信号通过某种介质传输时，它会失去一些能量用于克服介质的阻抗。这就是为什么传输电信号的电缆会变热的原因，如果不热，过一段时间也会发热。信号中的一些电能转换为热能。为了补偿能量损失，用放大器放大信号。图3.26说明了衰减与放大的效果。
分贝（dB）用于计算两种信号之间或同一信号两个不同位置之间的相对强弱。若信号衰减，分贝为负值；信号增强，分贝为正值。
\(dB \, = \, 10\log_{10}{ \frac{P_1}{P_2}}\)
两个例子：
失真
失真 (distortion)意味着信号改变了形态或形状。失真产生在由不同频率成分组成的复合信号当中。每一种信号成分在通过介质时有自己的传播速度，所以到达最终目的节点时有各自的延迟。如果延迟与周期时间不完全一致，那么延迟的差异就会产生相位的差异。换言之，接收方的信号成分与发送方的信号成分存在相位差异。因此复合信号的形状会不一样。图3.28说明了复合信号中失真的影啊。
噪声
噪声(noise)是另一个减损原因。有儿种类型的噪声，如热噪声、感应噪声、串扰和脉冲噪声，都会损害信号。热噪声是电缆中的电子随机移动而产生的额外信号，而不是信号发送装置发送的。感应噪声的来源是发动机和设备。这些设备工作时相当于发射天线，而传输介质成为接收天线。串扰则是电缆之间的互相影响。一根电缆作为发射天线而另一根电缆作为接收天线。脉冲噪声是一种尖峰信号(在非常短时间内有很高能量的一种信号)，来自输电线、闪电等。图3.29说明了信号中噪声的影响。
信噪比（SNR）
定义：
\(SNR = \frac{平均功率功率}{平均噪声功率}\)
较高的SNR意味着较少的信号被噪声破坏；较低的SNR意味着较多的信号被噪声破坏。
因为SNR是两个功率的比率，所以一般用分贝描述。\(SNR_{dB}\)定义如下：
\(SNR_{dB}=10\log_{10}{SNR}\)
例：
数据速率限制
无噪声通道：奈奎斯特比特率
对于无噪声通道，奈奎斯特比特率（Nyquist bit rate）定义了理论上的最大比特率：
\(比特率=2*带宽*\log_2{L}\)
公式中，L指的是数据的信号电平数量。
例：
有噪声通道：香农容量定理
实际情况中，不可能有无噪声通道，通道总是有噪声的。香农容量定理可以确定噪声通道理论上的最高数据速率。
\(比特率=带宽*\log_2{(1+SNR)}*\)
例：
实际操作中，当SNR很大时，假定SNR+1和SNR相等，那么通道容量可以简化为
\(C=B*\frac{SNR_{dB}}{3}\)
性能
吞吐量
吞吐量（throughput）用于衡量通过网络发送数据的快慢。带宽是链路的潜在衡量值，而吞吐量是发送速度快慢的衡量值。
一条链路可以拥有\(B\ bps\)的带宽，但是我们只能通过这条链路发送\(T \ bps\)，\(T\)永远小于\(B\)。
延迟
- 传播时间（propagation time）
- \(传播时间=距离/传播速度\)
- 传输时间（transmission time）
- \(传输时间=报文长度/带宽\)
- 排队时间（queuing time）
- 排队时间，即每个中间或端设备在处理报文前保持报文所需的时间。排队时间不是固定因素，它会根据网络负载改变。当网络上负载较重时，排队时间增长。一个中间设备（比如路由器）对到达报文进行排队然后一个接一个处理。如果有许多报文，每个报文就不得不等待。
- 处理延迟（processing delay）
带宽和延迟的乘积
抖动
另一个与延迟有关的性能问题是抖动(jitter)。如果数据的不同分组碰到不同的延迟并且接收方使用数据的应用是时间敏感的（例如音频和视频数据)，我们可以大致说抖动是个问题。如果第一个分组的延迟是20ms，第二个是45ms，第三个是40ms，那么使用这些分组的实时应用会遭遇抖动。
Chapter 4
Chapter 5
数字到模拟的转化
数字到模拟转换(digital-to-analog conversion)是指根据数字数据中的信息而改变模拟信号的某种特性的过程。图5.1说明了数字信息、数模调制过程和最终模拟信号之间的关系。
四种方式：
- 幅移键控（ASK）
- 频移键控（FSK）
- 相移键控 (PSK)
- 正交振幅调制(QAM)
比特率和波特率
\(S=N*\frac{1}{r}波特\)
这里N是数据速率 (bps)，r是一个信号元素携带的数据元素个数。模拟传输中r值为\(r =log_2L\)，这里L是信号元素类型，而不是电平个数。
例：
频移键控（ASK）
在幅移键控方式中，通过改变载波信号的振幅来生成信号元素。只有振幅变化而频率和相位保持不变。
二进制ASK（BASK）
ASK带宽
虽然承载信号只是一个简单正弦波，但调制处理后产生一个非周期性复合信号。正如第3章讨论的，这个信号有一个连续频谱。正如我们期望的，带宽与信号速率（波特率）成正比。但是，通常涉及另一个因子称为d，它取决于调制和过滤处理。d值在0和1之间。这意味着能用如下公式表示带宽。
\(B=(1+d)*S\)
例：
多电平ASK
频移键控（FSK）
二进制FSK (BFSK)
理解二进制FSK(或BFSK)的一个方法是考虑两个载波频率。在图5.6中，已经选择了两个载波频率:f和f。如果数据元素是0，使用第一个载波，如果数据元素是1则使用第二个载波。注意:这是只用于说明而不是实际的例子。通常这两个载波频率很高，它们的差很小。
BFSK带宽
图5.6还给出了FSK的带宽。两个载波信号还是简单正弦波，但是调制产生一个具有连续频谱的非周期复合信号。我们可以把FSK看做两个ASK信号，每一个有自己的载波频率（\(f_1\)或\(f_2\))。如果两个频率的差是\(2\Delta f\)，那么BFSK要求的带宽是 \(B=(1+d)*S \ + \ 2\Delta f\)
相移键控（PSK）
二进制PSK(BPSK)
最简单的PSK是BPSK，只用两个信号元素。一个相位是0°，一个相位是180°。二进制PSK和二进制ASK一样简单，但是PSK比起ASK不易受噪声影响。在ASK中，位检测的标准是信号振幅;在PSK中则是相位。换句话说，PSK比ASK更不易受噪声影响。PSK优于FSK是因为不需要两个载波信号。
带宽
图5.9还说明了BPSK的带宽。这个带宽和二进制ASK一样，但比BFSK少。没有浪费带宽用来分离成两个载波信号。
实现
BPSK的实现和ASK一样简单。原因是相位为180*的信号元素可以看成是相位为0°的信号元素的互补波形（基于时间轴对称)。这为如何实现BPSK提供了线索。我们使用用于ASK相同的想法，但这里是极性NRZ信号而不是单极NRZ信号，如图5.10所示。极性NRZ信号乘以载波频率。位1(正电平)表示成相位从0°开始，位0(负电平)表示成相位从180°开始。
正交PSK(QPSK)
BPSK的简单性促使设计者在每个信号元素中一次使用2位，因此减小了波特率和所需带宽。这个方案称为正交PSK或QPSK，因为它使用两个独立的BPSK调制;一个是同相的，另一个是正交的(异相)。进入的2个位先经过串行到并行的转换，它发送一个位给一个调制器，发送下一个位给另一个调制器。如果进入信号中的每个位的持续时间是T，发送相应BPSK信号的每个位持续时间就是2T。这意味着每个BPSK信号中位的频率是原始信号的一半。图5.11说明了这个概念。
由每个乘法器产生各自的复合信号是频率相同，但相位不同的正弦波。当这两个复合信号相加时，其结果是另一个正弦波，相位可能是45°、-45°、135°和-135°中之一。输出信号有4种信号元素(L=4)，使得每个信号元素可以发送2位 （r=2)。
星座图
ASK FSK PSK的星座图
模拟信号调制
- 调幅（AM）
- 调频（FM）
- 调相（PM）