前言：
只用作学习，如有错误请在评论区中指出，谢谢！

第二章 物理层

本章重要的内容：

1. 物理层的任务

2. 几种常用的信道复用技术

3. 几种常用的宽带接入技术，主要是 ADSL 和 FTTx

物理层的基本概念

物理层关注的是如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据流。物理层的任务是尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段间的差异，使链路层感受不到这种差异。

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

1. 机械特性：指明接口所用接线器的形状、尺寸等机械特性。

2. 电气特性：指明接口电缆的各条线上的电压的范围。

3. 功能特性：指明电线上某一电平的电压的意义。

4. 过程特性：指明不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机内部一般是并行传输，但在通信线路上是串行传输，所以物理层还要完成传输方式的转换。

数据通信的基础知识

数据通信系统模型
一个数据通信系统可划分为源系统、传输系统、目的系统。（发送端、传输网络、接收端）

1. 源系统：包括源点和发送器。（eg：调制器）

2. 目的系统：包括接收器和终点。（eg：解调器）

3. 通信：目的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号是数据的电气或电磁的表现。

4. 信号：分为模拟信号和数字信号。

有关信道的几个概念
①通信方式

信息交互有以下三种基本方式：

1. 单向通信，又称单工通信。如有线电广播等。需要一条信道。

2. 双向交替通信，又称半双工通信。需要两条信道。

3. 双向同时通信，又称全双工通信。需要两条信道。

调制

来自信源的信号成为基带信号，因为基带信号中包含较多低频成分，而许多信道不能传输低频分量和直流分量，所以需要对基带信号调制。

调制可分为两大类：

1. 基带调制：将数字信号转换为另一种数字信号。又称编码。

2. 带通调制：将基带信号的频率范围转换为另一频段，并化为模拟信号。

常用基带调制（编码）方式

1. 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。

2. 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。

3. 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，向下跳变代表1。

4. 差分曼彻斯特编码：每一位的中心都有跳变。位开始的边界有跳变代表0，没有代表1。

常用带通调制方法

信道的极限容量

数字通信的优点：信号在信道上传输时必然会失真，但只要能识别出原有信号，就没有影响。传输速率越高，或距离越远，或噪声越大，失真就越严重。

信道能通过的频率范围
信道中码元传输的速率有上限，超过上限会出现严重的码间串扰问题，接收端无法识别编码。信道的频带越宽，能通过的高频分量越多，最大速率越高。

信噪比
信号的平均功率与噪声的平均功率之比，写作 S/N，单位是分贝（dB）
信噪比 = 10 log10(S/N)。【如果S/N=100，则信噪比为20dB】

香农公式
信道的极限传输速率 C = W log(2+S/N)。
香农公式表明带宽越大，信噪比越大，极限传输速率越高。还表明只要信息传输速率低于信道的极限速率，就一定可以实现无差错传输，但方法未知。
另一种提高传输速率的方法：通过编码让每个码元携带更多比特的信息。

物理层下面的传输媒体

传输媒体分为导引型和非导引型两大类。
导引型中电磁波沿着固体媒体传播，非导引型中传输媒体就是自由空间，又称无线传输。

导引型传输媒体
导引型传输媒体有架空明线，双绞线，同轴电缆，光纤等。
光纤的传输带宽远大于其他传输媒体的带宽。

非导引型传输媒体
利用无线信道进行传输是运动中通信的唯一手段。
短波通信质量较差，速率较低。无限电微波通信可传输电话、图像、数据等信息。紫外线及更高波段目前还不能用于通信。
卫星通信的优点是通信距离远，缺点是传播时延高，保密性差。

信道复用技术

信道复用：多个发送端使用同一条信道来传输信息。
发送端使用复用器将不同的信息合起来传输，接收端使用分用器将信息分开。

五种复用

1. 频分复用FDM：每个用户分配一个频带，通信中始终占用该频带。用户在同样时间占用不同的频带。

2. 时分复用TDM：将时间划分为等长的帧，每个用户在每个帧中占用其中一个固定序号的间隙。用户在不同时间占用同样的频带。因为计算机数据的突发性，时分复用的信道利用率比较低。

3. 统计时分复用STDM：一种改进的时分复用，又称异步时分复用。STDM不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。

4. 波分复用WDM：光的频分复用。一根光纤上可以复用几十路甚至更多的光载波信号。光信号传输一定距离后会衰减，因此需要使用光纤放大器放大后继续传输。

5. 码分复用CDM：不同用户使用不同码型，在同样时间使用同样的频带通信。（如：对某一个用户，序列00011011表示比特1,11100100表示比特0。其他用户的码片序列必须与此用户的序列相互正交）码分复用实际上是一种扩频通信。无线局域网中常用CDM。

数字传输系统

数字通信相比模拟通信，在传输质量和经济上都更好。
光纤是长途干线最主要的传输媒体。
同步数字序列 SDH 和同步光纤网 SONET 是当前最主要的数字传输国际标准。

宽带接入技术
用户连接到互联网，要先连接到某个 ISP，以便获得上网所需的 IP 地址。
宽带接入网是接入网的一种，即一种用来把用户接入到互联网的网络。
宽带接入可分为有线宽带接入和无线宽带接入。

ADSL技术
非对称数字用户线 ADSL 技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使其能够承载宽带数字业务。
标准模拟电话信号的频带在 300~3400Hz 范围，ADSL技术将 4000Hz 以下的频带留给传统电话，4000Hz 以上用于上网。
ADSL 的好处是可以利用现有的电话线，缺点是传输距离有限，并且不能保证固定的数据率。ADSL 的速率依赖于用户线的质量、长度、线径等。
ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL解调器。采用基于频分复用的 DMT 调制技术，将 4kHz 以上的频带划分为许多子信道，其中 25 个子信道用于上行，249 个子信道用于下行。
光纤同轴混合网(HFC网)
光纤同轴混合网（HFC网）是基于有线电视网开发的一种宽带接入网。
为提高传输的可靠性和质量，HFC网将原有线电视网的同轴电缆主干部分改换为了光纤。

用户通过电缆调制解调器来使用 HFC 网，它比 ADSL 中的解调器复杂很多，因为要解决共享信道中的冲突问题。
使用 HFC 网的数据率大小不确定，它取决于这段电缆上有多少个用户正在传送数据，如果有很多人在用，每个人的速率会很慢。

FTTx技术
光纤到户 FTTH(Fiber To The Home) 是把光纤一直铺设到用户家庭，在光纤进入用户家中后才把光信号转换为电信号，这样的上网速率最快。
现在信号在陆地上的长距离传输基本都是使用的光缆，在 ADSL 和 HFC 中长距离传输也是用的光缆。
多个用户通过光配线网共享一根光纤干线，光配线网使用波分复用，上行和下行使用不同的波长。
出光纤到户 FTTH 外，还有光纤到大楼 FTTB，光纤到楼层 FTTF 等，一般运行商所说的光纤到户并非真正的 FTTH。