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

作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

用于物理层的协议也常称为物理层规程

主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性

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的意义

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

三大部分：源系统、传输系统、目的系统

消息：文字、图像、视频等

数据：运送消息的实体，有意义的符号序列

信号：数据的电气的或电磁的表现

模拟信号：代表信息的参数的取值是连续的

数字信号：代表信息的参数的取值是离散的

码元：在使用时间域（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

使用二进制编码时，只有两种不同的码元0、1

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：只能有一个方向的通信，没有反方向的交互

双向交替通信（半双工）：通信的双方都可以发送信息，但双方不能同时发送，不能同时接收

双向同时通信（全双工）：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，包含有较多的低频成分，甚至有直流成分

调制：

基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种形式的数字信号。这种过程称为编码；

带通调制：使用载波进行调制，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。经过载波调制后的信号称为带通信号（仅在一段频率范围内能够通过信道）

常用编码方式

不归零制：正电平表示1，负电平表示0

归零制：正脉冲表示1，负脉冲表示0

曼切斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位于周期中心向下跳代表1；

差分曼切斯特编码：在每一位的中心处始终有跳变。位于开始边界有跳变代表0，开始边界没有跳变代表1

信号频率：曼切斯特编码和差分曼切斯特编码产生的信号频率比不归零制高

自同步能力：不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫没有自同步能力），曼切斯特和差分曼切斯特编码有自同步能力

基本的带通调制方法

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

必须对基带信号进行调制

调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化

调频：载波的频率随基带数字信号而变化

调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化

正交振幅调制QAM：一种多元制的振幅相位混合调制方法，以达到更高的信息传输速率

2.2.3 信道的极限容量

实际信道都不是理想的，不可能以任意高的速率进行传送

码元传输速率越高，或信号传输距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形失真越严重

限制码元在信道1上的传输速率的两个因素：

信道能通过的频率范围

信噪比

信道带宽：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，信号中许多高频分量往往不能通过信道

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限

奈氏准则：

1
码元传输的最高速率 = 2W（码元/秒）

带宽为W（Hz）的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W。传输速率超过此上限会出现严重的码间串扰，使接收端对码元的判决成为不可能

信噪比

信号的平均功率和噪声的平均功率之比

1
信噪比(dB) = 10log_{10}(S/N)

求信道的极限信息传输速率C：

奈氏准则：

1
理想低通信道下极限速率 = 2Wlog_{2}V


V表示每个码元的离散电平数目（多少种不同码元）

香农公式

1
C = Wlog_{2}(1 + S/N)

W信道的频率带宽（Hz）

S信道内所传信号的平均功率

N为信道内的高斯噪声功率

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

提高信息传输速率的方法

编码的方式让每一个码元携带更多比特的信息量

奈氏准则：激励工程人员不断探索更先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量

香农公式：告诫工程人员在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不肯突破信息传输速率的绝对极限

2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

导引型传输媒体：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：指自由空间，非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输

2.3.1 导引型传输媒体

双绞线

最常用的传输媒体

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线

绞合度越高，可用的数据传输率越高

2大类：无屏蔽双绞线UTP，屏蔽双绞线STP

价格便宜，模拟传输和数字传输都可以，通信距离一般为几千米到数十千米

距离太远时，对于模拟传输需要放大器放大衰减的信号，对于数字传输需要中继器来对失真的信号进行整形；

同轴电缆

由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成

有很好的抗干扰特性，广泛用于传输较高速率的数据

光缆

光纤是光纤通信的传输媒体。通过传递光脉冲来进行通信。

传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽

发送端：要有光源，在电脉冲的作用下产生光脉冲（光源：发光二极管，半导体激光器等）

接收端：要有光检测器，利用光电二极管做成，在检测到光脉冲时还原出电脉冲

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

光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，只适合与近距离传输

单模光纤：其直径减小到只有一个光的波长，可使光线一直向前传播而不会产生多次反射。

制造成本高但衰耗较小

光源要使用昂贵的半导体激光器，不能使用发光二极管

常用三个波段的中心：850nm、1300nm、1550nm

三个波段都具有25000~30000GHz的带宽，通信容量非常大

光缆：数十至数百根光纤，加强芯和填充物，必要时放入远供电源线，最后加上包带层和外护套

光纤优点：

通信容量非常大

传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济

抗雷电和电磁干扰性能好

无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据

体积小，重量轻

2.3.2 非导引型传输媒体

利用无线电波在自由空间的传播可较快地实现多种通信

使用频段30kHz~3000GHz

无线电微波通信：300MHz-300GHz，主要使用2~40GHz

在空间主要是直线传播

地球表面：传播距离受限制，50km左右

100m天线塔：100km左右

多径效应：基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射，从多条路径、按不同时间等到达接收方。多条路径的信号叠加后一般会产生很大的失真

对于给定的调制方式和数据率，信噪比越大，误码率越低

对于同样的信噪比，具有更高数据率的调制技术的误码率越高

如果用户在进行通信时不断改变自己的地理位置，就会引起无线信道特性的改变，因而信噪比和误码率都会发生变化

远距离微波通信：微波接力，中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站

优点：

微波波段频率高，频段范围宽，通信信道容量很大

工业干扰和天电干扰对微波通信的危害小，微波传输质量较高

与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河，易于实施

缺点：

相邻站之间必须直视，不能有障碍物，存在多径效应

有时会受到恶劣气候的影响

与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差

对大量中继站的使用和维护要耗费较多人力物力

卫星通信：通信容量大，通信距离远，通信比较稳定，通信费用与距离无关，信号受干扰较小，但传播时延较大，保密性差，造价高

2.4 信道复用技术

复用：允许用户使用一个共享信道进行通信

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用FDM

最基本，将整个带宽分成多分，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始自终都占用这个频带

所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源

时分复用TDM

将时间划分为一段段等长的时分复用帧

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（周期为TDM帧的长度）

TDM信号也称等时信号

所有用户在不同时间占用同样的频带宽度

频分多址与时分多址

让N个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这N个频带，这种方式成为频分多址接入（FDMA）

让N个用户各使用一个时隙，或让更多用户轮流使用这N个时隙，这种方式称为时分多址接入（TDMA）

时分复用会导致信道利用率不高：当用户暂时无数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于空闲状态

统计时分复用 STDM

STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，因此可以提高线路的利用率

每一个STDM帧中的时隙小于连接在集中器上的用户数

2.4.2 波分复用WDM

光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个光载波信号

2.4.3 码分复用CDM

每一个用户可以在同样时间使用同样的频带进行通信

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰

当CDM信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA

CDMA：每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片

为每个站指派一个唯一的m bit码片序列

发送比特1：发送自己的m bit码片序列

发送比特0：发送该码片序列的反码

码片序列实现了扩频：要发送信息的数据率=b bit/s，实际发送的数据率=mb bit/s，占用频带宽度也提高为原来的m倍

扩频通常有两大类：直接序列扩频DSSS、跳频扩频FHSS

每个站分配的码片序列：各不相同且必须互相正交

采用正交幅度调制（QAM），设波特率为B，m个相位，每个相位有n种振幅则QAM的数据传输速率为R=Blog_2(mn)

以太网，差分曼切斯特编码（一个码元有效比特为0.5bit），R=B/2

2.5 数字传输系统

早期，电话网长途干线采用FDM模拟传输方式

目前，大都采用时分复用PCM的数字传输方式

现代电信网业务包括音频、视频、图像、和各种数据业务，需要一种能承载来自其他各种业务网络数据的传输网络

光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体

早期数字传输系统缺点：速率标准不统一、不是同步传输

同步光纤网SONET：各级时钟都来自一个非常精确的主时钟，为光纤传输系统定义了一个同步传输的线路速率等级结构，传输速率以51.84Mbit/s为基础，对电信信号称为第一级同步传送信号STS-1，对光信号则称为光载波OC-1

2.6 宽带接入技术

宽带：标准在不断提高

宽带下行速率达25Mbit/s，宽带上行速率3Mbit/s

分为优先宽带接入，无线宽带接入

2.6.1 ADSL技术

非对称数字用户线ADSL技术：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

ADSL技术把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

非对称：下行带宽远大于上行带宽

ADSL调制解调器：采用离散多音调（DMT）调制技术

DMT调制技术采用频分复用FDM方法

相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据

ADSL不能保证固定的数据率

第二代ADSL：

通过提高调制效率得到了更高的数据率

采用了无缝速率自适应技术

改善了线路质量评测和故障定位功能

ADSL不适用于企业，因为企业往往需要使用上行信道发送大量数据给许多用户。

2.6.2 光纤同轴混合网(HFC网)

HFC网基于有线电视网CATV网

把原有线电视网中的同轴电缆主干部分该换为光纤

HFC网具有双向传输功能，扩展了传输频带

机顶盒：连接在同轴电缆和用户电视之间，使现有的模拟电视机能接收数字电视信号

电缆调制解调器：将用户计算机接入互联网，在上行信道中传送交互数字电视所需一些信息，不需要成对使用而只需安装在用户端，复杂必须解决共享信道中可能出现的冲突问题

2.6.3 FTTx技术

表示多种宽带光纤接入方式

光配线网ODN：位于光纤干线和广大用户之间，无源的光配线网常称为无源光网络PON

ODN采用波分复用WDM，上行和下行分别使用不同的波长

2中最流行的无源光网络PON：以太网、吉比特无源光网络