一、物理层的基本概念
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：
机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
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表示何种意义。
过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
二、数据通信的基础知识
几个术语
数据(data)： 运送消息的实体。
信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现。
模拟的(analogous)：代表消息的参数的取值是连续的。
数字的(digital)：代表消息的参数的取值是离散的。
信道(channel)：信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体，一条通信线路包含一条发送信道和一条接收信道，但也可以包含多个信道。
码元(code cell)：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。
波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率)
比特率、波特率和信号编码级数的关系： Rbit = Rbaud log2M
（M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率）
一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。
例如：当波特率为9600时
若M=2，数据传输率为9600b/s
若M=16，数据传输率为38.4kb/s
误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率值。
信息编码：将信息用二进制数表示的方法。例如：ASCII编码、BCD编码等
数据编码：将数据用物理量表示的方法。
例如：字符‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为
传输方式
- 并行传输和串行传输
并行传输：是指一次发送n个比特而不是一个比特，发送端和接收端都有n条传输线路
串行传输：指数据是一个比特一个比特依次发送的，发送端接收端只要一条传输线路
并行传输速度高但成本高，用于短距离（计算机内部），常见的数据总线宽度有8，16，32，64位。而远距离一般采用串行传输方式，因此在计算机和传输线路之间数据需要进行串/并转化 - 异步传输和同步传输
- 单工，半双工和全双工
单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 （例：无线电广播）
双向交替通信（半双工通信）——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)。（例：对讲机）
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息（例：电话）
需要具有两条物理上独立的传输线路；
或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。
信道的极限容量
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
信道能够通过的频率范围
1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
Shannon公式：用于有噪声干扰信道
香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率 C 可表达为：
C: 传输率，单位b/s；W: 带宽，单位Hz；S/N: 信噪比
- 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 - 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
- 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
- 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
编码与调制
编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错
调制：数据→适合传输的模拟信号——按频率、幅度、相位
解调：接收波形→数字信号
解码：数字信号→原始数据
常用编码方式
模拟数据的数字信号编码
采样定理：
如果模拟信号的最高频率为F，若以≥2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号
模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：
采样：按一定间隔对语音信号进行采样
量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上
编码：对每个舍入后的样本进行编码
编码后的信号称为PCM信号（脉码调制, Pulse Coded Modulation）。
8000次/s*8bit = 64kb/s；每路PCM信号的速率 =64kb/s
数字数据的数字信号编码
-
不归零码（NRZ，Non-Return to Zero
二进制数字0、1分别用两种电平来表示；常用－5V表示1，＋5V表示0；
缺点：不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。 -
曼彻斯特编码（Manchester Coding）
用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：位周期中心的上跳变表示0，位周期中心的下跳变代表1
每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。
这种编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。
缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。 -
差分曼彻斯特编码（Differential ～）
每个码元的中间仍要发生跳变。用码元开始处（位开始边界）有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1。
常用调制方法
基带(baseband)信号和带通(band pass)信号
基带信号（即基本频带信号）即来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。
带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例：以太网(局域网）
频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。
例如：通过电话网络传输数据
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。
与传输仅随数据变化而变化的电流不同，发送装置发送连续的振荡信号 — 载波
发送装置根据发送数据变化修改其发送的载波信号 — 调制
接收装置从收到的信号中将叠加到载波上的数据信号提取出来 — 解调
最基本的二元制调制方法有以下几种：
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
在数字通信中，调幅，调频和调相相应地称为幅移键控(ASK)，频移键控(FSK) ，相移键控(PSK)。实现调解和解调的设备称为调制解调器
为了达到更高的信息传输速率，可以采用更为复杂的正交振幅调制
三、物理层下面的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传播介质，可以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定媒体（铜线或光纤）传播；而非导引型传输媒体就是指自由空间，非导引型电磁波的传输常称为无线传输
导引传输媒体
- 双绞线
- 同轴电缆
比双绞线传输速率高
早期用于以太网，现在用于有线电视
- 光纤
用来传播光脉冲的玻璃纤维, 用光脉冲表示0/1比特
支持极高的速率: 例如, 5 Gps
低误码率: 远距离传输; 不受电磁干扰
非导向传输媒体
无线传输所使用的频段很广
短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。
微波在空间主要是直线传播：地面微波接力通信；卫星通信
四、信道复用技术
复用(multiplexing)就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号
几种基本的复用技术
频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)
用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）
时分复用TDM(Time Division Multiplexing)
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 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）。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。
由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。
时分复用的典型例子：PCM信号的传输
1.把多个话路的PCM语音数据用TDM的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）
2.每帧在一个时间片内发送
3.每个时隙承载一路PCM信号
缺点：时分复用可能会造成线路资源的浪费
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(Statistic TDM)
是一种改进的时分复用，明显提高信道利用率，又被称为异步时分复用。
使用STDM祯来传送复用的数据，每一个STDM祯中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。
STDM祯不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙
缺点：每个时隙中要包含用户的地址信息，造成开销，另外用的集中器具有存储转发的功能
波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)
常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
码片序列(chip sequence)
每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
CDMA 的重要特点
1.每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
2.在实用的系统中是使用伪随机码序列。
码片序列的正交关系
令向量 S 表示站 S 的码片向量，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
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
五、数字传输技术
脉码调制 PCM 体制
脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。
由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。
E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。
当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。
同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH
旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：
1.速率标准不统一，如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。
2.不是同步传输，在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式
同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。
光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。
ITU-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。SDH 的基本速率为 155.52 Mb/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
SONET 标准定义了四个光接口层：
光子层(Photonic Layer): 处理跨越光缆的比特传送。
段层(Section Layer): 在光缆上传送 STS-N 帧。
线路层(Line Layer): 负责路径层的同步和复用。
路径层(Path Layer) : 处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输。
六、宽带接入技术
接入技术解决的就是最终用户接入本地ISP“最后一公里”的问题。通常，人们将端系统连接到ISP边缘路由器的物理链路及相关设备的集合称为接入网AN(access network)。
接入：将端系统连接到边缘路由器
电话网拨号接入
通过拨号调制解调器接入(非宽带接入)
1.允许最高56Kbps接入速率(通常会更低)
2.不能同时上网和打电话
3.不能提供持续连接
数字用户线接入
DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。
DSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 0.3~3.4 kHz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1 MHz。DSL 技术就把 0~4 kHz 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。
DSL有多种不同的技术方案。xDSL 表示在数字用户线上实现的不同宽带方案:
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线
HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线
SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线
VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线
RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率）。
非对称数字用户线ADSL
- 上行（用户到 ISP）宽带远小于下行（ISP 到用户）带宽，即“非对称”
- ADSL 的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大，传输距离越短）。另外，ADSL得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。
- ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。
我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。 - DMT 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的子信道，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。
- 由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。因此ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL。
数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)
接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)
ATU-C（C 代表端局 Central Office）
ATU-R（R 代表远端 Remote）
电话分离器 PS (POTS Splitter)
光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)
HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
先前的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。后来对 CATV 网进行改造变成HFC网
HFC 的主要特点
-
HFC网的主干线路采用光纤
1.HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
2.在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。
3.模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。 -
HFC 网采用结点体系结构
-
HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能
-
每个家庭要安装一个用户接口盒
用户接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三种连接，即：
1.使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到用户的电视机。
2.使用双绞线连接到用户的电话机。
3.使用电缆调制解调器连接到用户的计算机
HFC 网的最大优点 ：
1.具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。
2.要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个 HFC 网的孤岛），也需要相当的资金和时间。
3.在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。
FTTx 技术
FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。
光纤到户FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。
光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
无线接入
- 第一代1G蜂窝移动通信只能够提供模拟话音通信，但现已淘汰了。
- 第二代2G，以数字话音通信为主，但也能提供短信、收发邮件等低速数据通信功能。
- 第三代3G不仅能提供高速上网功能，并能提供视频会议、电子商务等多种信息服务。
