物理层

6.1 物理层的基本概念

物理层考虑的是如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。物理层应尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。用于物理层的协议常称为物理层规程。
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体接口的一些特性，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。

6.2 数据通信的基础知识

6.2.1 数据通信系统的模型

6.2.2 有关信号的几个基本概念

• 信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
• 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。
• 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)。
• 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。
• 基带信号：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。由于基带信号含有较多低频甚至直流成分，因此需要对基带信号进行调制。
• 调制分为两类 — 基带调制（变换后仍然是基带信号，编码过程）和带通调制（使用载波，转换为模拟信号）。
• 常用编码方式：不归零制、归零制、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码，其中曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。
• 二元制调制方法有：调幅、调频、调相。更复杂的有QAM：正交振幅调制

6.2.3 信道的极限容量

任何实际的信道都是不理想的，在传输时会产生各种失真和各种干扰。码元传输的速率越高，或者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。

硬件限制了可能的最高通信速率。

限制码元在信道上的传输速率的因素有：

• 信道能够通过的频率范围：奈氏准则
  奈奎斯特取样定理：
  数据传输的最大速率D有一下公式：
  $D =2Blog_2K$D=2Blog2​K
  其中B为带宽，K为可能的电压值。
• 信噪比
  信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为$S/N$S/N，并用dB作为度量单位。
  $信噪比(dB)= 10lg(S/N) (dB)$信噪比(dB)=10lg(S/N)(dB)
  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C。
  $C = Wlog_2(1+S/N)$C=Wlog2​(1+S/N) b/s
  其中W为信道的带宽（Hz），S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。

6.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介。传输媒体可以分为导引型和非导引型。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。非导引型传输媒体就是指*空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

• 导引型传输媒体
  双绞线（屏蔽双绞线STP，无屏蔽双绞线UTP）
  同轴电缆（50Ω，75Ω）
  光缆/光纤（多模光纤，单模光纤）的优点：通信容量大；传输损耗小，中继距离长；抗雷电和电磁干扰；无串音干扰，保密性好；体积小，重量轻。
• 非导引型传输媒体
  将*空间称为非导引型传输媒体。其中，短波通信靠电离层的反射。传统微波通信有卫星通信和地面微波接力通信

6.4 信道复用技术

6.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

复用：允许一个用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

FDM

所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（频率带宽）。

TDM

将时间划分为一段段登场的时分复用帧（TDM帧）。每个用户占用的时隙周期性出现，并且在不同的时间内占用同样的频带宽度。TDM信号也称为等时信号。但TDM会造成线路资源的浪费。
改进：按需动态分配时隙 统计时分复用STDM

6.4.2 波分复用WDM

WDM就是光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

6.4.3 码分复用CDM

CDMA：码分多址
每个用户之间使用经过挑选的不同码型，彼此之间不会干扰。在实用的系统中使用伪随机码序列。

码片序列

每一个比特时间划分为m 个短的间隔，称为码片(chip)。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。

例如，S 站的8 bit 码片序列是00011011。

• 发送比特1 时，就发送序列00011011，
• 发送比特0 时，就发送序列11100100。

S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
CDMA的码片之间互相正交：

扩频

假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。由于每一个比特要转换成m 个比特的码片，因此S 站实际上发送的数据率提高到mb bit/s，同时S 站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。
扩频分为：DSSS（直接序列扩频）、FHSS（跳帧扩频）

6.5 数字传输系统

与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势.目前，长途干线大都采用时分复用PCM 的数字传输方式。
PCM(信源编码): 采样 ->　量化 -> 编码
如果量化级数为N, 那么每个采样值编码为$log_2N$log2​N位二进制码.
PCM有北美的24路PCM(T1)标准和欧洲的30路PCM(E1), 我国采用E1标准.
旧的数字传输系统主要有两个缺点: 速率标准不统一; 不是同步传输
解决: SONET(同步光纤网)\SDH(同步数字系列)
SDH也适合用于卫星和微波传输.

6.6 宽带接入技术

主要谈有线.

6.6.1 ASDL技术

ASDL: 非对称数字用户线技术. ASDL技术将低端频谱留给传统电话使用. 把没有利用的高端频谱留给上网使用. DSL是数字用户线的缩写. 有ADSL\VDSL等类型.
ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大) ,ADSL所能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。同时ADSL上行和下行带宽做成不对称的, 并在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL 调制解调器。我国使用离散多音调DMT调制技术(频分复用).
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, 但ADSL不能保证固定的数据率.
第二代的ADSL通过提高调制效率得到了更高的数据率, 同时采用了无缝速率自适应技术SRA (Seamless RateAdaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。

6.6.2 光纤同轴混合网 HFC

经过对有线电视网CATV进行改造得到, 将同轴电缆主干更换为光纤, 并使用模拟光纤技术, 在模拟光纤中采用光的振幅调制AM. HFC网具有双向传输功能, 扩展了传输频带. 需要使用专用的电缆调制解调, 他的传输速率高, 但是结构更加复杂, 仅安装在用户端.

6.6.3 FTTx技术

FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。FTTH 光纤到户, FTTB 光纤到大楼, FTTC 光纤到路边.