第二章、物理层
目录
2.1、物理层的基本概念
2.2、数据通信的基础知识
2.2.1、数据通信系统的模型
2.2.2、有关信道的几个基本概念
调制的方法
常用的编码方式
基本的带通调制
2.2.3、信道的极限容量
信道能够通过的频率范围
2.3、物理层下面的传输媒介
2.3.1、导引型传输媒体
（1）双绞线
（2）同轴电缆
（3）光纤
（4）架空明线
2.3.2、非导引型传播媒体
2.4、信道复用技术
2.4.1、频分复用、时分复用和统计时分复用
2.4.2、波分复用
2.4.3、码分复用
2.5、宽带接入技术
2.5.1、ADSL技术
2.5.2、光纤同轴混合网（HFC网）
2.5.3、FTTx技术
2.1、物理层的基本概念
物理层考虑的是怎样才能在连接在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；现在计算机网络中的硬件设备和传输媒体种类非常繁多，而通信手段也有很多不同的方式，物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些硬件设备和传输媒体地差异，使得物理层上面地数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只需考虑如何完成本层地协议和服务，而不必考虑网络传输中具体地硬件设备和通信手段是什么。
用于物理层的协议也称为物理层的规程
可将物理层的任务描述为确认与传输媒体的接口有关的一些特性：
- 机械特性
- 电气特性
- 功能特性
- 过程特性
数据在传输媒体上传输的方式一般都是串行传输，即逐个比特按照时间顺序进行传输，因此物理层还要完成传输方式的转换
2.2、数据通信的基础知识
2.2.1、数据通信系统的模型
一个数据通信系统可以分为三大部分：源系统、传输系统、目的系统
源系统一般包含两个部分
1、源点：产生要传输的数据，即产生要传输的数字比特流
2、发送器：源点产生的数字比特流要经过编码之后才能在传输系统中进行传输；典型的发送器是调制器
目的系统一般包含两部分
1、接收器：接收传输系统传过来的信号并且将它转换为数字比特流；典型的就是解调器
2、终点：接收数字比特流
介绍一些常用术语：
通信的目的是传输消息（图像、文字等等），数据是运送消息的实体，信号则是数据的电气或电磁的表现
信号可以分为两大类：
- 模拟信号（连续信号）：代表消息参数的取值是连续的
- 数字信号（离散信号）：代表消息参数的取值是离散的
- 代表离散数值的基本模型就是码元
2.2.2、有关信道的几个基本概念
信道：向某一个方向传输信息的媒体；一条通信电路往往包含一条发送和一条接收信道
从通信双方交互信息的方式来看，有三种基本方式：
（1）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；无线电广播、有线电广播、电视广播就属于这种类型
（2）双向交替通信（半双工通信）：双方都可以向对方通信，但是不能同时发送数据，也就意味着也不能同时接收信息
（3）双向同时通信（全双工通信）：双方都可以向对方通信，并且可以同时发送数据，接收信息
单向通信只需要一条信道；而双向交替通信和双向同时通信需要两条信道
来自信源的信号称为基带信号（基本频带信号），这类信号包含很多的低频分量，而信道不能传输这种低频分量，因此需要对这种信号进行调制
调制的方法
（1）基带调制：仅仅对基带信号的波形做变化，使它能够与信道相适应，变化后的信号仍是基带信号；基带调制只是把数字信号转换为另一种数字信号，因此也可以称为编码
（2）带通调制：使用载波进行调制，将低频信号搬到高频，转换为模拟信号使之能在信道中传输；使用载波调制的信号也成为带通信号
常用的编码方式
- 不归0制：
- 归0制：起始位置为0，中间按照0、1看是低电平还是高电平
- 曼彻斯特编码：中间必变
- 差分曼彻斯特编码：中间必变；起点变不变看是0还是1，变0不变1
不能从信号波形本身提取信号时钟频率就是没有自同步能力；不归0制不能判断下一个波形是不是下一个信号，比如连续的1，一直是那个波形；曼彻斯特编码具有自同步能力
基本的带通调制
- 调幅（AM）：波形的振幅随着基带数字信号变化而变化
- 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号变化而变化
- 调相（PM）：载波的初始相位随着基带数字信号变化而变化
正交振幅调制（QAM）：为了达到更高的信息传输速率，采用多元制振幅相位混合调制
2.2.3、信道的极限容量
数字通信的优点：虽然信号在传输时会失真，但是若是能够从波形中识别出原来的信号，那么这种失真就可以看作无影响；
但是若是传输的速率过高、传输的距离很远或者传输时的噪声干扰（电磁波干扰）越大，那么失真就会很严重，此时就判断不出原来的波形了
信道能够通过的频率范围
码间串扰：码间串扰指的是在数字通信系统里，由于信道特性不理想，前面码元的波形对当前码元的判决产生干扰的现象。简单来说，就是前后码元的波形相互重叠，使得接收端难以准确判断当前码元的值。 产生原因 信道的非理想特性：实际的通信信道往往具有非理想的频率响应特性，如带宽有限、存在相位失真等。当信号通过这样的信道时，其频谱会受到影响，导致信号波形发生畸变和展宽。例如，低通滤波器特性的信道会对高频分量进行衰减，使得信号的上升沿和下降沿变缓，相邻码元的波形就容易重叠，从而产生码间串扰。
奈氏准则：在带宽为WHz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（码元/秒）。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰。例如带宽为4000Hz那么传输码元的最高速率就是8000个码元每秒
信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比：记为S/N；通常以分贝（dB）作为单位；即：信噪比（dB） = 10 log10（S/N）（dB）
香农公式：指出了信道的极限传输速率C：C = W log2（1 + S/N）（bit/s）（W为信道的带宽）
对于带宽一定、信噪比不能再提高、码元传输速率也到了上限值；想要再提高信号传输的速率，可以让一个码元携带更多的比特的信息量
但是不能简单地认为增加码元携带地比特信息量就能提高速率，因为当码元携带比特信息很多时，解码难度很大
2.3、物理层下面的传输媒介
传输媒体即数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路；分为导引型传输媒介和非导引型传输媒介；导引型传输媒介即电磁波沿着固体媒体（铜线或者光纤）传播，非导引型即电磁波在自由空间进行传播，通常也称为无线传播。
2.3.1、导引型传输媒体
（1）双绞线
最古老但是最常用的传输媒体；把两根相互绝缘的铜导线并列排在一起然后使用规则的方法绞合起来就形成了双绞线，绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。电话系统中使用的双绞线通信举例一般为几公里，使用较粗的导线可以延长至十几公里，距离太长就要加上放大器或者中继器。
最常用的领域是电话系统，从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或者用户环路；现在的以太网基本上也是使用各种类型的双绞线电缆进行连接的。
增加电磁屏蔽的双绞线：
- 无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）
- 屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair），针对于数据传输速率较高时
- x/UTP，表示对整条双绞线进行屏蔽；x表示使用屏蔽的方法：若x为F（Foiled），则为铝箔屏蔽层，若x为S（Braid Screen），则表示采用金属编织层进行屏蔽（弹性较好）；x为SF，则表示在铝箔屏蔽层外面再加上金属编织层
- 更好的方法是给每一对双绞线添加屏蔽层，记为（FTP或U/FTP，U表示对整条双绞线不添加屏蔽层）；
- 若是在给每一对双绞线添加屏蔽层之后再给整条双绞线，则记为F/FTP（整条电缆在加上铝箔屏蔽层）或者S/FTP（整条电缆再加上金属屏蔽层）
- 绞合度越高的双绞线可以支持传输数据的速率越高；
- 在抗干扰方面，F/FTP > U/FTP > F/UTP > UTP;（给每一对加效果好于给整条加）
（2）同轴电缆
组成：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绝缘保护套层组成；由于外导体屏蔽层有很好的抗干扰性，因此同轴电缆被广泛用于传输高速率的数据
同轴电缆目前主要用户有线电视网的居民小区；
同轴电缆的带宽取决于电缆的质量，目前具有较高质量的电缆的同轴电缆带宽接近1GHz。
（3）光纤
光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信的；一个光纤通信的传输宽带远远大于目前其他各种传输媒体的带宽
光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下产生光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时还原成电脉冲
光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体；光线碰到包层时就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去
得利于现代工艺的支持，光线在纤芯中传输数公里而基本没什么衰耗；
多模光纤：多种不同角度的光线在同一光纤中传播；光脉冲在多模光纤中的传输时会逐渐扩宽，造成失真，因此多模光纤只适用于近距离的传输
光纤的优点：
- 通信量大
- 传输损耗小，传输距离长，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
- 体积小，重量轻
（4）架空明线
电线杆上架设的相互绝缘的明线；安装简单，但是受环境气候影响大，通信质量差
2.3.2、非导引型传播媒体
- 无线电波：
- 是一种频率范围很广的电磁波，在通信领域有着广泛的应用。它可以在自由空间中传播，并且能够绕过障碍物，实现远距离的通信。
- 不同频段的无线电波具有不同的传播特性和应用场景。例如，低频段的无线电波传播距离远，但传输速率相对较低，常用于广播、航海通信等；高频段的无线电波传输速率高，但传播距离较短，且容易受到障碍物的影响，常用于无线局域网、蓝牙等短距离通信。
- 微波：
- 微波的频率较高，波长较短，具有直线传播的特性，因此适合用于点对点的通信。
- 由于微波在大气中传播时损耗较小，能够承载大量的信息，所以常用于长途通信，如微波接力通信、卫星通信等。卫星通信就是利用地球同步卫星作为中继站，将微波信号转发到不同的地区，实现全球范围内的通信。
- 红外线：
- 红外线是一种不可见光，它的传播特性与可见光相似，也是直线传播，并且容易被障碍物阻挡。
- 红外线通信通常用于短距离的无线数据传输，如电视遥控器、手机与电脑之间的短距离数据传输等。它具有成本低、安全性高、抗干扰能力强等优点，但传输距离和传输速率相对有限。
- 激光：
- 激光具有高度的方向性、单色性和相干性，因此可以实现高速度、大容量的数据传输。
- 激光通信通常用于大气层内的视距通信，如城市中的高楼之间的通信，或者在太空中的卫星与卫星之间、卫星与地面站之间的通信。不过，激光通信也容易受到天气条件的影响，如雾、雨、雪等会衰减激光信号的强度，影响通信质量。
多径效应：多径效应是指在无线通信系统中，发射端发出的信号经过多条不同路径到达接收端的现象。由于电磁波在传播过程中会遇到各种障碍物，如建筑物、树木、地形等，这些障碍物会使电磁波发生反射、折射、散射等现象，从而导致信号沿着多条不同的路径传播。这些不同路径的信号在接收端叠加，就会产生多径效应。其信号的幅度、相位和到达时间都可能不同，会对通信系统的性能产生多方面影响。
当使用无线信道进行通信时，必须使得误码率小于一定值
给出三个基本概念：
- 信噪比越大，误码率越低
- 对于同样的信噪比，具有更高传输速率的调制技术的误码率越高
- 移动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
微波接力：远距离通信时，利用中继站将上一站送来的信号放大之后送往下一站，保证数据的正确
卫星通信：最大特点是传输距离远；卫星通信的信道频带很宽，通信容量很大；具有较大的传播时延（并不等于传输数据的时延大，时延由四个部分组成）；保密性相对较差
2.4、信道复用技术
2.4.1、频分复用、时分复用和统计时分复用
频分复用（FDM）：利用调制的方法，把各路信号分别搬移到适合的频率位置，使得彼此不产生干扰；频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源
时分复用（TDM）：将时间划分为一份份等长的时间复用帧（TDM帧），每一路信号占用不同TDM帧的时隙，每一路信号占用的时隙周期性的出现（一个周期就是TDM帧的长度）；时分复用是所有用户在不同的时间占用相同的频带宽度
频分多址接入（频分多址FDMA）：让N个用户使用同一个频带，或者更多的用户轮流使用N个频带；时分多址接入（时分多址TDMA）：让多个用户各使用一个TDM帧中的不同时隙；多址接入强调的是多个用户（不同地点）接入进来
在使用频分复用时，若是每个用户的频道宽度不变，当复用的用户增加之后，那么信道的总带宽就会跟着变宽
复用器和分用器都是成对出现的
时分复用中，当给一个用户分配资源后，这个用户有可能并不是一直在发送数据，会产生空闲的时隙，此时就算其他用户一直由用户要发送，也不能利用这些空闲的时隙，因为这个时隙已经被分配了；那么就会导致复用之后的信道利用率不高
统计时分复用STDM：对时分复用的改良，利用集中器完成对空闲时隙的分配；那么一个用户分配到的时隙就不是周期性出现了，因此统计时分复用也叫异步时分复用；因为分配空闲时隙还需要知道用户地址，因此这种集中器也叫智能集中器
2.4.2、波分复用
波分复用WDM就是光的频分复用；用一个光纤来传输多个频率很接近的光载波信号；密集波分复用即一个光纤上承载更多的光载波信号
2.4.3、码分复用
码分复用CDM：当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就成为码分多址CDMA；每一个用户经过特殊挑选的不同码型，可以在同样的时间占用同样的频带资源进行通信，并且彼此之间不会造成干扰
码分复用最初用于军事领域，因为这种信号具备很强的抗干扰能力，并且频谱类似于白噪声，不易于被敌人发现
2.5、宽带接入技术
是不是宽带，看的是上行和下行数据的传输速率；现将下行速率为25Mbit/s的，上行速率为3Mbit/s的称为宽带接入；宽带分为有线宽带接入和无线宽带接入
2.5.1、ADSL技术
非对称数字用户线ADSL是用数字技术对现有模拟电话的用户先进行改造；ADSL将0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没用利用的高端频谱留给用户上网使用；
为什么是非对称呢？因为上行即发送数据到互联网的数据都不是很大，而一般是下载数据即下行数据较大，因此非对称
ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径，线径即用户线越细，传输的距离就越近
基于ADSL的接入网的组成：数字用户线接入复用器DSLAM、用户线和用户家中的一些设施；DSLAM包括许多ADSL调制解调器，ADSL又称为接入端接单元ATU，ADSL调制解调器必须成对使用，那么远端站（电话端局）和用户家的ATU-C和ATU-R
如何实现？在用户线的两端安装一个ADSL调制解调器，我国使用的一般是离散多音调DMT；ADSL借助于用户线两端的ADSL调制解调器（即ATU-C、ATU-R）对数字信号进行调制，使得调制之后的数字信号的频谱适合在原来的用户线上传输，用户线本身没有变化，给用户的感觉就是加上ADSL的用户线好像能够直接把用户计算机产生的数字信号传递给远方的ISP；
ADSL不能保证固定的数据率；
ADSL最大的好处就是可以利用现有的电话网中的用户线（铜线），不需要重新布线
2.5.2、光纤同轴混合网（HFC网）
HFC网是基于有线电视网上开发的一种居民宽带接入网；把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改为光纤。光纤从头端连接到光纤节点，在光纤节点光信号转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个家庭用户
2.5.3、FTTx技术
FTTx即 Fiber To The......，表示光纤到......（只有光信号到x这个地方（可以是Home，Zone，Building等等）才转换为电信号，提高速率）；这种宽带接入方式占绝大部分；即使在ADSL和HFC中用于远距离传输时，也是用到了光纤，只是到了接近用户家的时候才改用为铜缆（电话用户线和同轴电缆）
为了有效的利用光纤资源，使用光配线网ODN，使得多个用户能共享同一根光纤干线；“无源”表明在光配线网中无需配备电源，因此基本上不用维护，所以运营和维护成本很低；无源光配线网通常称为无源光网络PON
光线路终端OLT是连接到光线干路的终端设备；OLT把收到的下行数据发送无源的1：N光分路器，然后利用广播的方式向所有用户端的光网络单元ONU发送
PON种类很多，最流行的两种：
- 以太网无源光网络EPON；优点：与现有以太网兼容好，成本低扩展性强，管理方便
- 吉比特无源光网络GPON；采用通用封装方法；成本较高，但是潜力股