第二章 物理层
物理层
2.1 物理层的基本概念
物理层考虑的是怎样才能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。物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。
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。
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。
2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。
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。
模拟信号(analogous signal) ——代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号(digitalsignal) ——代表消息的参数的取值是离散的。
码元 (code)——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。
2.2.2 有关信道的几个基本概念
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（即基本频带信号）——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。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)。
调制分为两大类：
基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码(coding)。
带通调制：使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
带通信号：经过载波调制后的信号。
常用编码方式
不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。
从信号波形中可以看出，曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫作没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。
基本的带通调制方法
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。
正交振幅调制 QAM
为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。数据传输率可提高 4 倍。
为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。数据传输率可提高 4 倍。
2.2.3 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，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：
信道能够通过的频率范围：
具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。
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。（信道带宽的2倍）
信噪比：
信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位。即：
信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB)
1984年，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（香农公式）。
信道的极限信息传输速率 C 可表达为： C= W log2(1+S/N) (bit/s)
其中：W为信道的带宽（以 Hz 为单位）； 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。
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。
2.3 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，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可分为两大类，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体媒体（铜线或光纤）传播。
非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。
电信领域使用的电磁波的频谱：
导引型传输媒体
双绞线：最常用的传输媒体。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。双绞线电缆由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，所以在理论上，使用双绞线电缆作为媒体的网络能实现全双工模式，
同轴电缆：同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。50W同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用，75W同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用。通过两条同轴电缆可以实现全双工，也可以采用频分多路复用FSK等方式在一条同轴电缆上同时传输多个信号以实现全双工。
光缆：光纤是光纤通信的传输媒体。由于可见光的频率非常高，约为 108MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。
单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。
非导引型传输媒体
将自由空间称为“非导引型传输媒体”。无线传输所使用的频段很广。
短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
微波在空间主要是直线传播。传统微波通信有两种方式：地面微波接力通信，卫星通信
2.4 信道复用技术
复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率
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: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。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
码分复用 CDM: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)。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。
假定S站要发送信息的数据率为bbit/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mbbit/s，同时S 站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m 倍。
这种通信方式是扩频(spreadspectrum)通信中的一种。
扩频通信通常有两大类：
一种是直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，如上面讲的使用码片序列就是这一类。
另一种是跳频扩频FHSS (FrequencyHopping Spread Spectrum)。
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)。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。]
2.5 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。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。
PCM 有两个互不兼容的国际标准：北美的24 路PCM（简称为T1）,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 2.048Mbit/s，而 T1的速率是1.544Mbit/s。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。
2.6 宽带接入技术
用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP。在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户线通过调制解调器连接到ISP 的，电话用户线接入到互联网的速率最高只能达到56 kbit/s。双向速率之和超过200 kbit/s就是宽带。
从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：
有线宽带接入
无线宽带接入
下面讨论有线的宽带接入。
非对称数字用户线 ADSL(Asymmetric DigitalSubscriber Line)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。标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。ADSL 技术就把 0~4kHz 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 就是数字用户线(DigitalSubscriber Line) 的缩写。
特点：
上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP，而下行指从ISP 到用户。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(DiscreteMulti-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40kHz 以上一直到1.1MHz 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。
光纤同轴混合网（HFC网）
HFC (HybridFiber Coax)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。
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。
模拟光纤从头端连接到光纤结点(fibernode)，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。
用户接口盒 UIB (UserInterface Box)要提供三种连接，即：
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。
使用双绞线连接到用户的电话机。
使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。
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。
FTTx 表示Fiber To The…（光纤到…），例如：光纤到户 FTTH (FiberTo 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。