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。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有关的一些特性
- 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列等
- 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

1、数据通信系统的模型

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2、有关信道的几个基本概念

数据：运送消息的实体
信号：数据的电气的或电磁的表现
- 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的
- 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的。
码元：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。
信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
三种通信方式：
- 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
调制分为两个大类：
- 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
- 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，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

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- 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。边界不太清晰。
- 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。波形复杂。
- 曼彻斯特编码：码元中心变化方式有两种。
- 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。

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
最基本的三种调制方法.png
- 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

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：频带越宽。奈氏准则，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。
- 信噪比：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。 image.png
  
  香农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。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。

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2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体可分为两大类：
- 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
- 非导引型传输媒体就是指自由空间

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1、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。无屏蔽双绞线UTP&屏蔽双绞线STP

对传送数据来说，现在最常用的 UTP 是5类线（Category 5 或 CAT5）
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。

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- 50 欧同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
- 75 欧同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用
光纤
- 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。
- 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。
- 光纤优点：(1) 通信容量非常大。(2) 传输损耗小，中继距离长。(3) 抗雷电和电磁干扰性能好。(4) 无串音干扰，保密性好。(5) 体积小，重量轻。

2、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：地面微波接力通信；卫星通信

2.4 信道复用技术

1、频分复用FDM

频分复用按频率划分不同的信道

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2、时分复用TDM

时分复用按时间划分不同的信道

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3、统计时分复用 STDM

按需动态地分配时隙。先来先走

4、波分复用 WDM

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

5、码分复用 CDM

码分多址 CDMA：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。

2.5 宽带接入技术

1、ADSL技术

非对称数字用户线 ADSL：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。
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。

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我国目前采用的方案是离散多音调 DMT，采用频分复用的方法

2、光纤同轴混合网（HFC）

在有线电视网的基础上开发的。
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。
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。
HFC 网具有双向传输功能，扩展了传输频带

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3、FTTx 技术

FTTx 代表多种宽带光纤接入方式。
- 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)：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。