第四章 物理层
物理层位于各计算机网络体系结构的底层（TCP/IP体系结构中的物理层功能是集中划分在最低的网络访问层中），负责在物理传输介质之上为数据链路层提供一个原始比特流（即二进制代码）的物理连接。
4.1 物理层概述
- 物理层的主要作用：
（1）构建物理通路，一次完整的数据传输，包括激活物理连接、传送数据、终止物理连接三个主要阶段。（2）透明传输，物理层需要具有屏蔽不同传输介质类型和通信协议的功能，从而实现比特流的传输。（3）传输数据，物理层的基本作用是在发送端通过物理层接口和传输介质将数据按比特流的顺序传送到接收端的物理层。（4）数据编码，不同传输介质所支持的数据编码类型不一样，为了使数据能在物理层上有效、可靠地传输，物理层需要对数据进行编码。（5）数据传输管理，如基于比特流的数据传输流量控制、差错控制、物理线路的激活和释放等。 -
物理层的主要任务
物理层的主要任务是定义与传输介质、连接器及其接口相关的机械特性、电气特性、功能特性和规程（也就是协议）特性这四个方面。（1）机械特性定义了传输介质的接线器、物理接口的形状和尺寸、引线数目和排列顺序，以及连接器与接口之间的固定和锁定装置。（2）电气特性规定了在物理连接上传输二进制比特流时线路上信号电压的高低、阻抗匹配情况，以及传输速率和传输距离限制等参数属性，包括接口发送器和接收器的电器特性以及互连电缆的相关规程。（3）功能特性指传输介质中各条线上所出现的某一电平的含义，以及物理接口各条信号线的用途，包括：接口信号线的功能规定，接口信号线的功能分类。接口信号线按功能一般可分为数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线等四类。（4）规程特性：利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方式，即在物理连接建立、维持和交换信息时，发送器和接收器双方在各自电路上的动作序列。
附：物理层接口电气特性主要分为三类：非平衡型、差分接收器的非平衡型和平衡型。
电气特性
平衡与非平衡：根据发送器发送信号（接收器接收信号）时信号电平是由单根线的电平值决定（非平衡），还是由两根线之间的电平差值决定（平衡）而判断的。
差分传输是在两根线上同时传输信号，而且这两个信号的振幅相等、相位相反。
（1）非平衡型
信号发送器和接收器均采用非平衡方式工作，每路信号仅使用一根导线传输，所有信号共用一根信号地线，发送器和接收器的地线是相连的，形成统一的接地。平衡型接口标准中所采用的信号电平比较高，用+5V～+15V表示二进制“0”，用-5V～-15V表示二进制“1”，从而使干扰信号对真正的信号产生较小影响。缺点：不同导线上的信号串扰比较严重，信号传输速率比较低。
（2） 差分接收器的非平衡型
信号发送器采用非平衡方式工作，接收器采用差分传输，发送器接收器不共用一根地线，接收器端接收发送器直接驱动的那条信号线和接自发送器地线的那条导线两根线的信号。接收信号的最终电平由这两条导线上的差值决定。优点：可抵消外界干扰或线间串扰，它的信号电平可以比较低（这对电路中的芯片都是非常有利的）；近距离传输速率比较高。缺点：远距离信号传输速率低。
（3）平衡型
发送器采用双线平衡发送方式，接收器采用差分处理方式，不共用地线。
优点：可抵消外界干扰或线间串扰，它的信号电平可以比较低；传输速率比较高。
4.2 数据通信基础
- 数据通信系统基本模型
数据通信模型包含两个实体（源系统、目的系统）和一个通信信道（传输系统）。
源系统：发送信号的一端，即发送方，包括源站点和发送器。源站点：产生要传输的数据的计算机或服务器等终端设备。发送器：对要传送的数据进行编码或者调制的设备，如各种调制解调器、计算机网卡。
传输系统：计算机网络上的数据传输通道，包括通过物理层传输介质和相关协议建立的通信链路，以及结点设备，如线路上的交换机、路由器等设备。
目的系统：接收发送端所发送信号的一端，即接收方，包括目的站点和接收器。目的站点：从接收器获取从发送端发来的数据的计算机或服务器等。接收器：接收从发送端发来的信息，并把它们转换为能被目的站点设备识别和处理的信息，如各种调制解调器和网卡。 - 数据通信的基本概念
（1）信息：计算机网络中进行交换的一切原始内容的统称，可以是一串串的数字，也可以是各种文字，还可以是多媒体的图形、图像和语音，一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合。
（2）数据：信息的具体表示形式（任何要交换的信息最终都要以一个个具体的数据来传输），是许多信息通过某种方式组成的集合体。
数据分为模拟数据和数字数据，模拟数据是通过连续取值得到的数据，如电话的通话语音。数字数据是把模拟数据离散、量化为二进制方式时取得的数据，如存放在计算机中的所的文件、图片、图像和软件等。数字数据通常存在计算机磁盘，模拟数据通常存放在磁带、胶带。模拟数据的大小以时长为依据的，数字数据以容量为单位。模拟数据是时间的函数，并占有一定的频率范围，即频带。
（3）信号：数据在传输过程中电信号或光信号的表示形式。信号分为模拟信号和数字信号。模拟信号：模拟数据的电平信号表示形式，其信号电平是一个随时间连续变化的周期函数曲线。而数字信号是数字数据的信号电平表示形式（由码元组成，一个码元包括一个脉冲周期），用两种不同的电平表示二进制的0和1信号所对应的电压脉冲，是离散（非连续变化）的。
（4）信道：通信双方物理链路（包括有线物理介质上的链路和无线介质上的链路）上通过物理层协议建立起来的数据传输通道。 - 数据传输类型
数字信号的传输类型包括基带传输、频带传输和宽带传输。
（1）基础概念
基带：指信源发出的，没有经过调制的原始电信号所固有的频带（频率带宽），也称为基本频带。频带：指对基带信号调制后所占用的频率带宽（一个信号所占有的从最高的频率到最低的频率之差）。宽带：采用比音频更宽的频带，该频带包括了大部分电磁波频谱，宽带是相对前面的频带来说的，因为频带只具有有限的频率宽度。
基带信号：信源发出的没有经过调制的原始电信号。基带信号的特点是频率较低，信号频谱是从零频率的直流成分开始的。频带信号：经过调制后的基带信号。频带信号的频率被限制在一个特定的频带中。
（2）传输类型
基带传输：信道中直接传输基带信号。基带传输通信信道利用率低。近距离传输范围内基带信号的衰减不大，传输距离较近时，大都采用基带传输类型。大多数的局域网使用基带传输，如以太网、令牌环网等。
频带传输：信道中传输频带信号。频带传输广泛应用于广域网中，广域网中需要同时发送多种信号（如数据信号、路由信号，以及各种网络控制信号），频带传输可以提高信道利用率，同时频带传输中所用的传输频率通常比较高，所以适用于远距离的广域网通信。
宽带传输：使用宽带进行的数据传输。宽带传输将一个信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，而且所有子信道都可以同时发送信号。宽带传输一定是采用频带传输技术的，但频带传输不一定就是宽带传输。
（3）传输系统
基带传输系统：数字基带传输系统主要由编码器、发送端低通滤波器、传输信道、接收端低通滤波器、采样判决器、解码器和位同步系统组成。编码器：将信源或信源编码输出的编码类型（通常为单极性不归零码NRZ）变为适合于信道传输的码型。发送端低通滤波器：将编码之后的基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过波形变换来实现的，其目的是使信号波形与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和采样判决。传输信道：它是允许基带信号通过的传输介质，如双绞线、电缆线等。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的，还会额外引入噪声。接收端低通滤波器：滤除带（基本频带信号）外噪声，并对信道特性均衡，使输出的基带波形无码间串扰，有利于下面的采样判决。采样判决器：在传输特性不理想或存在噪声的背景下，在规定的时刻（由位定时脉冲控制）对从接收端滤波器输出的波形进行采样，以恢复或再生基带信号。解码器：对采样判决器输出的信号进行解码，还原有用的输入信号，并使输出码型符合接收终端的要求。位同步器：提取位同步信号，通过同步信号控制采样判决器，再生数字基带信号。
频带数字传输系统：采用调制器替代基带传输系统中的编码器，采用发送端带通滤波器替代基带传输系统中的发送端低通滤波器，接收端采用解调器替代基带传输系统中的解码器，采用接收端带通滤波器替代基带传输系统中的接收端低通滤波器。
宽带传输系统结构与频带传输系统结构一致。 - 数据传输方式
数据传输方式可分串行传输和并行传输两种。串行传输：数据流以串行方式一位位地在一条信道上传输。串行传输只需要一条传输信道，传输速度比较慢，但易于实现、费用低，同时串行传输存在收、发双方如何保持码组（字符）同步的问题。串行传输方式的典型代表有计算机串行接口（简称串口，对应RS-232C标准）、USB接口、SATA（串行ATA）磁盘接口等。并行传输：数据以一组或者整个字符的方式在多条并行信道上同时传输。并行传输方式的典型代表有计算机上连接打印机的并口、磁盘ATA（或者IDE）接口等，计算机主板上CPU与其他芯片的数据传输也是采用并行传输方式。 -
数据传输模式
根据实现字符同步的方式不同，串行传输有同步传输和异步传输两种方式。
（1）同步传输：以数据块为传输单位（通常以帧为单位），以相同的时钟参考进行数据传输的模式，因此又称为区块传输。同步传输每一比特数据的持续传输时间都是相等的，两个字符间传输所需等待的时间也是相同的。同步传输中的数据块的开始和结尾部分都有一个用于数据帧同步的特殊字符、特定的字节或特定的帧。同步传输分为面向字符的同步传输、面向比特的同步传输和面向字节的同步传输等几种。采用同步传输的技术代表有SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列）、 STM（Synchronous Transfer Module，同步传输模块）和HDLC（High level Data LinkControl，高级数据链路控制）等。同步传输传输效率高。
同步传输模式中，数据帧包括同步字符、数据块、区块校验字符、区块结束字符。同步字符作用：通知接收方一个帧已经到达，同时确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收、发双方进入同步。区块校验字符作用：数据块差错控制。区块结束字符作用：标记数据帧结束。
同步传输数据帧
（2）异步传输：以字符为单位进行数据传输。每一字符前后均有起始位和停止位信号标记该字符的开始和结束。异步传输的典型代表就是ATM（异步传输模式）技术。异步传输的优点：字符同步实现简单，收发双方的时钟信号不需要严格同步。缺点：每一字符都需加入起、止码元，使传输效率降低。
异步传输数据格式
- 数据通信方式
通信方式分为单工通信、半双工通信、全双工通信。（1）单工通信：只能往一个方向传输数据。数据发送方和接收方都是固定的。数据传输方式效率最低。（2）半双工通信，信号可以双向传送，但必须是交替进行，同一时间只能向一个方向传送。目前网络设备所支持的最主要的数据通信方式。（3）全双工通信，信号随时可以同时双向传送，至少存在两条信道。
通信双方的端口工作模式不一致会导致不能成功连接，或降低另一端的端口数据处理性能。
4.3 数据传输速率与信道带宽
- 基本概念
（1）数据传输率：是指在一条信道中，单位时间内传输的信息量，用比特率（数字数据）或波特率（模拟数据）来表示。比特率：又称信息传输速率，是指单位时间内传输的二进制代码的有效位（bit）数，用表示。常用的单位有 bit/s（b/s或bps）、kbit/s（kb/s或kbps）或Mbit/s（Mb/s或Mbps）单位换算：1kbit/s = 1000 bit/s。波特率：单位时间内传输的码元的个数。用
表示。单位为B。
（2）传输带宽：信道中每秒传输的最大信息量，即一个信道的最大数据传输速率，单位也是位/秒（b/s或bps）。 - 数字信号不失真传输的最大传输速率准则
（1）理想低通信道下的最大传输速率由奈奎斯特第一准则给出：最高码元传输速率：，W是理想低通信道的带宽，单位Hz。
单位B。
理想低通信道：只要信号频率不超过某个上限值都能够不失真地通过此信道；而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。
在理想带通矩形信道下的最高码元传输速率与信道带宽是具有相等值关系的，即每赫兹宽带的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。
（2）香农公式：有随机热噪声信道下的最大传输速率与信道带宽、信噪比之间的关系。
。
最大数据传输速率单位bps。信道带宽B的单位为Hz。信噪比
通常用dB（分贝）表示，通过
公式来计算信噪比的分贝数。
- 模拟信号不失真还原的最小采样频率限制
如果信道中传输的模拟信号，需要进行数字信号与模拟信号之间的转换。模拟信号转换为数字信号称为信号采样。在时间（或空间）上，以T为单位间隔来测量连续信号的值。T称为采样间隔。1/T表示采样频率（），其单位为样本/秒，即赫（Hz）。
香农采样定理（时域采样定理）：采样频率的2倍时，采样之后的数字信号就可完整地保留原始信号中的信息。一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。
4.4 数字基带信号编码
数字基带传输需要把原始数字信号编码成数字基带信号。常见的数字基带信号有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和余弦脉冲。
- 矩形脉冲数字基带信号波形
矩形脉冲数字信号包括四种波形：单极性不归零波形、单极性归零波形、双极性不归零波形、双极性归零波形。
（1）单极性与双极性
单极性：用正（或负）电平值来表示信号1，零电平表示信号0。电平值大于或等于振幅的1/2时为1，小于振幅的1/2时为0。
双极性：分别用正和负电平值表示信号中1和0，而且正、负脉冲幅度一样。
全宽码：。缺点：码元难以识别，连续发送同一信号的情况下，码元间没有间隙，接收方会误认为对应的信号电平是稳定的直流电平。
（2）归零码与非归零码
归零是指信号电平在一个码元宽度内（通常是在1/2个码元时）信号脉冲电平必须回归为零电平（也就是无电流），直到该码元宽度结束。非归零码（又称全宽码）不对脉冲信号波进行任何编码，每一位编码占用整个码元的宽度。
（3）优缺点
单极性归零码优点：直接提取同步信号；缺点：不能区分两个连续0码元的界限，难实现数据传输的同步；采用了零电平，包括了直流和低频成分，不利于信道传输。
双极性归零码优点：不会出现任何两个码元电平的连续，容易区分不同码元，容易实现数据的同步传输。缺点：编码后仍含有较多的零电平直流成分，不宜在信道中传输。 - 数字基带信号的传输码型
信息码进行传输之前需经过码型变换，变换为适用于信道传输的传输码（也称线路码或信道编码）。
（1）传输码型的特点：
能从基带信号中提取位同步脉冲信息以定时，即传输码不能有0电平，且不能出现过多的连续“0”码或“1”码，否则提取的时钟信号不稳定，容易引起同步偏移；
无直流分量、低频成分少，否则影响信号在信道中的传输；
信号中高频分量要尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰。
（2）常见的传输码型：传号反转交替码（AMI码）、三阶高密度双极性码（HDB3码）、传号反转码（CMI码）、数字双相码（曼彻斯特码）和差分曼彻斯特码。
AMI码：AMI（Alternative Mark Inversion）码是对单极性非归零码的变换（也称非归零AMI码），其编码规则是将单极性非归零码的二进制信号代码中的“1”码元交替地替换为正、负电平（可以用+1、-1来理解），“0”码元保持不变。如一个单极性非归零码中的二进制信号代码为1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1，转换成AMI码后就为+1 0 -1 +1 -1 0 0 0 +1 0 -1 +1。
优点：有信号部分的频谱中不含直流成分，高频和低频成分也很少；编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。
缺点：当原二进制信号代码出现连续的“0”码时，信号电平会长时间不变，造成同步困难。
HDB3码：（High Density Bipolar of order 3code）码，确保信号波形中连续零电平的码元数不超过3个，是应用最为广泛的码型。
编码步骤：
1）把基带数字信号代码变换成AMI码，如果AMI码中的连续“0”码的个数不超过3，则这时的HDB 3 码就是原来的AMI 码。
2）如果AMI码中出现连续4个及以上“0”码元时，则将每4个连续“0”码元的第4个“0”转换成非0脉冲，记为+V或-V，称之为“破坏脉冲”。原信号码元序列中所有的1码称为信码，用符号B表示。第4个“0”码转换原则：①V码必须与前一个信码B极性相同；②相邻V码的极性必须相反。
3）如果第二步的变换不能同时满足以上两个原则，则先根据第二个原则赋予其正负，再将第二个4个连续“0”码的第一个“0”码转换成与第2个V 码同极性的补信码，用符号B′表示。
例：信号代码为1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1，第一步：转化为AMI码：+1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 -1；第二步：把第4个“0”码转换成对应级性的V码，则得到+1 0 0 0 +V -1 +1 0 0 0 -V -1。此时第二个V码的极性为负，与它前面一个B码极性相反，不满足第2步中的第①个原则。第三步：将第二个连续4个0码的码段第一个“0”转换为与前一个B码极性相反的B’码。最终的HDB3码就为：+1 0 0 0 +V - 1+1 -B′ 0 0 -V -1。
CMI码：CMI（Coded Mark Inversion）是一种双极性二电平非归零码，又称1B2B码（即一位信息码用二位表示），具有一定的检测错误的能力，但是CMI码不能纠错。CMI码也没有直流分量（没有零电平），且有频繁出现的波形跳变，便于同步。
编码规则：基带数字信号中的1码交替用正、负电平表示，得到的CMI码对应为11和00（两者交替出现，两个电平各占半个码元宽度）；0码固定用 1/2码元宽度的负电平和1/2码元宽度的正电平表示，得到的CMI码为01。
例：基带数字信号1 1 0 0 0 1 1 1 0，CMI码为11 00 01 01 01 11 00 11 01。
曼彻斯特码：曼彻斯特码（Manchester Encoding），也是一种双极性二电平非归零码。优点：无直流分量，非常容易实现同步，编译码电路简单。
编码规则是：每个原始信号码元固定用两个连续极性相反的脉冲来表示，1 码用先正后负电平表示（也就是“10”），0码用先负后正电平表示（也就是01）。
例：基带数字信号1 1 0 0 0 1 1 1 0，曼彻斯特码：10 10 01 01 01 10 10 10 01。
差分曼彻斯特码：差分曼彻斯特码（Differential Manchester Encoding），主要用于令牌环网。
编码规则：
第一个码元，与曼彻斯特码的转换方式一样。1->10，0->01。后续的编码：如果原码元为1，电平不跳变。即如果上一个码元的后半个码元是1，则1码转为10码；如果上一个码元的后半个码元是0，则1码变为01码。如果原码元为0，则电平跳变。即如果上一个码元的后半个码元是1，则0码变为01码；如果上一个码元的后半个码元是0，则0码变为10码。
例：基带数字信号代码为1 1 0 0 0 1 1 1 0，差分曼彻斯特码：10 01 01 01 01 10 01 10 10。
4.5 信号调制与解调
数字编码后在信道中直接传输数字信号，仅适用于近距离传输（如在同一局域网中）。对于复杂的网络环境，需要将基带信号进行调制，变换为适合信道传输的形式。
- 关键术语
数字信号的载波调制三种技术：ASK（Amplitude Shift Keying，幅度键控）、FSK（Frequency Shift Keying，频率键控）和PSK（Phase Shift Keying，相位键控）。
注：这里之所以都称之为“键控”，是指在这些调制技术中都是用电键进行控制的。
调制信号：对载波信号中某个参数进行特性控制，使其按照自己的对应参数特性变化的信号（即最终传输的信号），以便在接收端可以根据这个被控制的特性还原出原始信号。调制信号根据信号的种类可分为模拟信号调制（或模拟调制）和数字信号调制（或数字调制）。
载波信号：用来载送有用低频调制信号的信号波，通常是一种高频信号。
已调信号：已调信号是载波信号在被调制信号调制后所产生的新信号，同时具备了原来调制信号和载波信号的双重特性。
解调：解调是调制的反过程，是从已调信号中通过某种技术（如低通滤波器等）恢复出原来调制信号的过程。 -
ASK调制与解调
ASK（幅度键控）是一种数字幅度调制技术，是指正弦载波的幅度随数字基带信号变化而变化的数字调制，又称通断键控（on-off keying，OOK）或者开关键控。当数字基带信号为二进制码时，称为二进制振幅键控（2ASK），仅适用于单极性数字信号。它是利用数字信息0或1的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。缺点：抗噪声性能较差。
2ASK调制原理：基带信号为1时，发送载波信号，基带信号为0时，不发送载波信号。包括键控法与模拟法。键控用开关电路控制，模拟法用乘法器把数字基带信号与正弦载波进行乘法运算。
2ASK解调原理：包括非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。
（1）相干解调：利用乘法器，输入一路与载波相干（同频同相）的参考信号，然后再与载波相乘，最终得到解调信号，这种方法常用于线性调制信号，如ASK和PSK；相干载波信号使信号得到加强，更便于在后面的带通滤波器中过滤。
相干解调
相干解调示例
具体步骤：已调信号yi(t)经过带通滤波器（用于过滤掉已调信号的低频和高频干扰信号）后得到a波；a波与载波信号cosωct在乘法器中进行相乘得到b波；b波再经过低通滤波器后就得到了c波，低通滤波器用于过滤b波中高频成分，仅允许符合源信号频率特性的波形输出；经过采样判决器，对连续型的c波进行采样，还原出原始的离散型调制信号d。
（2）非相干解调：即不需提取载波信息的一种解调方法，这种方法主要用于FSK，也可用于ASK。
非相干解调：
非相干解调
非相干解调示例
具体步骤：
除第二步以非相干解调不同，其他步骤均相同。第二步为a波经过包络检波器进行包络检测后得到了b波（极性过滤）。 -
FSK调制与解调
FSK（频率键控）是用数字基带信号去控制载波的频率特性来传送信息的一种调制方式，仅适用于双极性数字信号。把信号的振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，通过频率的变化来实现信号的识别。载波在两种不同频率之间进行切换，又称频移键控。
2FSK调制：同样分为模拟调频法和键控法。模拟调频法：利用数字基带矩形脉冲控制一个振荡器的某些参数，直接改变振荡频率，输出得到不同频率的已调信号，又称为直接调频法。码元转换时，两个载波相位保持连续，所以称其为相位连续的CPFSK（Continuous-Phase Frequency Shift Keying，连续相位频移键控）信号。数字键控法：又称为移频键控法（频率转换法），用数字矩形脉冲控制电子开关，使电子开关在两种不同的频率之间转换，输出不同频率的已调信号。码元间的相位不一定连续，特点是转换速度快、波形好、频率稳定度高、电路简单。
2FSK解调：解调方法包括鉴频法、过零检测法、非相干解调法（又称滤波检测法）和相干解调法（又称差分检波法）。
（1）相干和非相干2FSK解调
相干和非相干解调模型
带通滤波器、包络检测器、低通滤波器与ASK中作用相同，采样判决器起比较器的作用，通过把两路包络信号同时送到采样判决器进行比较，就可以判决输出基带数字信号。
（2）过零检测法
基本思想：数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异。
过零检测模型
过零检测
具体步骤：输入信号a经放大、限幅后产生矩形脉冲信号b；b信号微分、整流后形成与频率变化相应的尖脉冲序列（对应信号c和d），代表调频波的过零点；d尖脉冲再触发一脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波e；e矩形波经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量f；最后根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号1和0。 - PSK调制与解调
PSK（相位键控）利用双极性数字基带信号对载波相位进行控制来传送信息的一种调制方式，也就是用载波的不同相位来表示信号的信码。分为绝对相位键控（Absolute Phase Shift Keying，APSK）和相对相位键控（或差分相位键控，Differential Phase Keying，DPSK）两种。
APSK调制：以未调载波的相位为基准相位，在接收系统中有一个与发送系统相同的基准相位作为参考，以识别接收到的是1码还是0码。当已调载波相位与基准相位同相时发送信码1，当已调载波相位与基准相位反相发送信码0。同样分为模拟调相法和键控调相法。
APSK调制
APSK解调：通常采用相干解调法，缺点：如果接收端的本地载波b与发送端的未调载波存在相位差，会导致解调错误。
APSK解调
DPSK调制：DPSK利用前后码元的相位偏移值来传送数字信息。相位偏移指本码元初相位与前一码元初相位之差，并规定：当相位偏移值为0时输出信码0，相位偏移180°时输出信码1。先将数字基带信号进行差分编码，即由绝对码变为相对码（差分码），然后再进行绝对调相。
DPSK调制
绝对码到相对码的转换规则：模2逻辑加运算，具体：为当前码的相对码，
为当前码的绝对码，
是
可任意设定，
。
当相对码为1时，调制信号的相位与原载波一样，当相对码为0时反转180°。
DPSK解调：包括极性比较法（相干解调）和相位比较法（差分解调）。解调得到相对码后需要将相对码转换为绝对码，相对码到绝对码的运算同样是模2逻辑加运算。。
DPSK解调
4.6 物理层传输介质
传输介质（传输媒介）：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理线路。分为：导向性传输介质和非导向性传输介质。导向性传输介质：信号被固定沿着信道的一个或多个方向进行传输的介质，特指有线计算机网络中所使用的传输介质，如双绞线、同轴电缆和光纤等。非导向性传输介质：信号在信道中的传输没有固定方向的传输介质，如空气中的无线电波、电磁波，通常是特指在各种无线网络（如WLAN、卫星通信）中所使用的传输介质。
- 导向性传输介质
主要有双绞线电缆、同轴电缆和光纤电缆三种。
（1）双绞线（Twisted Pair）：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。双绞线可分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）两大类。STP是以金属箔进行屏蔽包裹的，以减少芯线间的干扰和串音；UTP没有。
（2）同轴电缆：同轴电缆用来传递信息的一对导体是按照一层圆筒式的外导体套在内导体（一根细芯）外面，两个导体间用绝缘材料互相隔离的结构制造的。外层导体和中心轴芯线的圆心在同一个轴心上。广泛使用的同轴电缆有两种：一种为50Ω同轴电缆，用于数字信号的传输，即基带同轴电缆；另一种为75Ω同轴电缆，用于宽带模拟信号的传输，即宽带同轴电缆。。
（3) 光纤电缆
光纤全称光导纤维，是用石英玻璃、塑料或晶体等对某个波长范围透明的材料制造的能传输光的纤维。光缆由光纤、加强件和外护层等组成。光传输系统包括光源、传输介质和检测器。 - 非导向介质
非导向介质：用于无线传输的各种电磁波，在数据通信中主要应用于短波无线传输、地面微波接力通信、地球卫星通信、WLAN（无线局域网）等。
（1）短波无线传输
短波无线传输的实现主要靠电离层的反射。短波的信号频率低于100MHz，但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差。最典型的短波无线传输应用就是无线局域网连接和手机通信。
（2）地面微波接力通信
微波的频率范围为300MHz～300GHz，在空中主要是直线传播，可经电离反射到很远的地方。地面微波接力通信是在两个地面站之间进行数据传送，距离一般在（50～100）km之间。微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。
（3）地球卫星通信
卫星通信：借助于地球卫星进行的数据通信。卫星通信通常采用C波段的（4～6）GHz频段，上行链路为（5.925～6.425）GHz，下行链路为（3.7～4.2）GHz。如果采用KU波段的（12～14）GHz频段，则上行链路为（14～14.5）GHz，下行链路为（11.7～12.2）GHz。频带宽、通信容量大、通信距离远；且通信费用与通信距离无关；具有较大的传播时延；安全保密性较差，造价高。
4.7 信道多路复用技术
信道复用（Channel Multiplexing）技术：把一条高带宽的信道划分成多条小带宽的子信道（逻辑信道），从而在一条信道上同时进行多路低带宽需求的信号传输，进而提高信道的利用率。主要有：频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）、时分复用（Time DivisionMultiplexing，TDM）、波分复用（Wave Division Multiplexing，WDM）和码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）。信道复用需要在发送端有“复用器”，同时在接收端有对应的“分用器”。
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频分复用
频分复用（FDM）是按照信道频带宽度进行信道复用的方式，以实现同一时刻通过不同频率的载波调制技术在信道中传输多路基带信号的目的。
FDM
（1） FDM基本原理
信道的可用频带被分成若干个互不交叠的频带，从多条线路输入的多路基带信号通过FDM复用器分别用一个不同频带的载波进行调制，然后在同一个信道中的不同子信道中传输，各子信道之间的载波频带是完全分隔、不重叠的，而且相邻子信道中的频带之间有一定间隙，每路已调信号只占用原信道中一部分频带，在接收端再通过FDM分用器中的带通滤波器将它们分别滤出来，最后通过各线路的解调装置解调接收。
（2）优缺点及应用
优点：信道复用率高，实现简单；缺点：频带的利用率也是相对较低的，系统的非线性造成已调信号频谱的展宽，各路信号频谱交叉重叠导致信号之间存在串扰。应用：模拟/数字电视、广播系统，电台、电视台使用某个固定特殊的频带或频道来做为某套广播、电视的传输。
（3）OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）
OFDM是一种多载波调制（Multi-Carrier Modulation, MCM）技术，将信道分成若干正交子信道，然后将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交指由于三角函数的正交性，各个载波的信号频谱是正交的。OFDM提高了多路子信道信号的调制效率，同时信道中可用频谱的使用效率更高，所需的信道带宽更小。另外，OFDM可动态分配子信道中的数据，为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。OFDM主要应用于ADSL、DVB（数字视频广播）、HDTV（高清晰度电视）、WLAN（无线局域网）和第四代（4G）移动通信系统等。
（4）多载波调制和单载波调制
多载波调制在发送端将数据流分解为若干个子数据流，利用这些数据分别去调制若干个载波，然后同时发送出去的调制技术，其传输过程中采用的是并行化传输技术。单载波调制则将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送。 - 时分复用
时分复用（TDM）把整个数据通信过程划分成一个个小的时间段（称之为“时间片”），在这些时间片中又划分成多个更小的时间间隙（时隙），每个时隙可以用于一个用户信号的传输，这样就可以使得每一个时间片中一般总会有一个或多个时隙中有信号在里面传输，实现提高信道利用率的目的。应用：PCM（Pulse Code Modulation，脉码调制）信号的传输，把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧，每帧在一个时间片内发送，每个时隙承载一路PCM信号。
（1）STDM（Statistical Time Division Multiplexing，统计时分复用）
STDM根据用户需求动态分配时隙，以避免传统TDM中出现空闲时隙的现象。 - 波分复用（针对光信号）
将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术。在接收端，经分复用器将各种波长的光载波分离，然后由光接收机做进一步处理以恢复原信号。波长分割复用器和解复用器（又称合波/分波器）分别位于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。这两个器件的工作原理是相同的。波分复用器的主要类型有熔融拉锥型、介质膜型、光栅型和平面型四种。
（1）基本原理
把一个光纤信道中的整个波长带宽划分为若干个小波长范围，每路光载波信号占用一个波长范围来进行传输。
（2）优点：灵活增加光纤传输容量；同时传输多路信号；成本低、维护方便；可靠性高，应用广泛。
4.8 物理层接口
常见的接口标准：RS-232、RS-422与RS-485标准。
RS-232接口（EIA RS-232）是目前最常用的一种串行通信接口。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容进行了规定，还对各种信号的电平进行了规定。
RS-422改进了RS-232通信距离短、速率低的缺点，定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kbps时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。
RS-485标准增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。
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