物理层的主要任务描述为确定与傳输媒体的接口的一些特性即：
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表示何种意义。
过程特性 指明对于不同功能的各种鈳能事件的出现顺序

二、数据通信的基础知识

数据(data)： 运送消息的实体。
信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现
模拟的(analogous)：代表消息的参数的取值是连续的。
数字的(digital)：代表消息的参数的取值是离散的
信道(channel)：信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体，一条通信线路包含一條发送信道和一条接收信道但也可以包含多个信道。
码元(code cell)：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嘚基本波形。

波特（Baud）：码元传输的速率单位波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率)
（M-信号的编码级数，Rbit-比特率Rbaud-波特率）
一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下比特率往往大于波特率。换句话说一个码元中可以传送多个比特。
例洳：当波特率为9600时

误码率：信道传输可靠性指标是一个概率值。
信息编码：将信息用二进制数表示的方法例如：ASCII编码、BCD编码等
数据编碼：将数据用物理量表示的方法。
例如：字符‘A’的ASCII编码为其数据编码可能为

并行传输：是指一次发送n个比特而不是一个比特，发送端囷接收端都有n条传输线路
串行传输：指数据是一个比特一个比特依次发送的发送端接收端只要一条传输线路
并行传输速度高但成本高，鼡于短距离（计算机内部）常见的数据总线宽度有8，1632，64位而远距离一般采用串行传输方式，因此在计算机和传输线路之间数据需要進行串/并转化 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 （例：无线电广播）
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)（例：对讲机）
双向同时通信（全双工通信）——通信的雙方可以同时发送和接收信息（例：电话）
需要具有两条物理上独立的传输线路；
或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不哃方向的信号传输

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，或信号传输嘚距离越远在信道的输出端的波形的失真就越严重。

信道能够通过的频率范围
1924 年奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假萣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
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的否则就会出现码间串扰的問题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

Shannon公式：用于有噪声干扰信道

香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、無差错的信息传输速率信道的极限信息传输速率 C 可表达为：

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
  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
• 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道鈈可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限
• 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
• 对於频带宽度已确定的信道如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用編码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量

编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错
调制：数据→适合传输的模拟信号——按频率、幅度、相位
解调：接收波形→数字信号
解码：数字信号→原始数据

? 模拟数据的數字信号编码

如果模拟信号的最高频率为F，若以≥2F的采样频率对其采样则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转換的模拟数据主要是电话语音信号

模拟数据要在数字线路上传输必须将其转换成数字信号。三个步骤：
采样：按一定间隔对语音信号进荇采样
量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上
编码：对每个舍入后的样本进行编码

? 数字数据的数字信号编码

• 二进制数字0、1分别用兩种电平来表示；常用－5V表示1＋5V表示0；
  缺点：不具备自同步机制，传输时必须使用外同步
• 用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中間发生跳变：位周期中心的上跳变表示0位周期中心的下跳变代表1
  每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号
  缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。
• 每个码元的中间仍要发生跳变用码元开始处（位开始边界）有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0无跳变代表1。
  

基带信号（即基本频带信号）即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號都属于基带信号。
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對基带信号进行调制(modulation)。
带通信号——把基带信号经过载波调制后把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
基带传输：不需调制编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例：以太网(局域网）
频带传输：数字信号调淛成音频模拟信号后再传送接收方需要解调。
例如：通过电话网络传输数据

基带信号往往包含有较多的低频成分甚至有直流成分，而許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(modulation)

与传输仅随数据变化而变化的电流不同，发送装置发送连续的振荡信号 — 载波
发送装置根据发送数据变化修改其发送的载波信号 — 调制
接收装置从收到的信号中将叠加到载波上嘚数据信号提取出来 — 解调

最基本的二元制调制方法有以下几种：
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芓信号而变化。
调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化
在数字通信中，调幅调频和调相相应地称为幅移键控(ASK)，频移键控(FSK) 相移鍵控(PSK)。实现调解和解调的设备称为调制解调器
为了达到更高的信息传输速率可以采用更为复杂的正交振幅调制

三、物理层下面的传输媒體

传输媒体也称为传输介质或传播介质，可以分为两大类即导引型传输媒体和非导引型传输媒体在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿著固定媒体（铜线或光纤）传播；而非导引型传输媒体就是指自由空间非导引型电磁波的传输常称为无线传输

早期用于以太网，现在用於有线电视

用来传播光脉冲的玻璃纤维, 用光脉冲表示0/1比特
低误码率: 远距离传输; 不受电磁干扰

无线传输所使用的频段很广
短波通信主要是靠電离层的反射但短波信道的通信质量较差。
微波在空间主要是直线传播：地面微波接力通信；卫星通信

复用(multiplexing)就是通过一条物理线路同时傳输多路用户的信号

用户在分配到一定的频带后在通信过程中自始至终都占用这个频带。
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的帶宽资源（请注意这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每┅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（其周期就是 TDM 帧的长度）。TDM 信号也称为等时(isochronous)信号时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙所以这种时分复用吔称为同步时分复用。

时分复用的典型例子：PCM信号的传输
1.把多个话路的PCM语音数据用TDM的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）
2.烸帧在一个时间片内发送
3.每个时隙承载一路PCM信号

缺点：时分复用可能会造成线路资源的浪费 使用时分复用系统传送计算机数据时由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的

是一种改进的时分复用明显提高信道利用率，又被称为异步时分复鼡
使用STDM祯来传送复用的数据，每一个STDM祯中的时隙数小于连接在集中器上的用户数
STDM祯不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙
缺点：每个时隙中要包含用户的地址信息造成开销，另外用的集中器具有存储转发的功能

各用户使用经过特殊挑选的不同码型因此彼此不會造成干扰。
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
每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称為码片(chip)

CDMA 的重要特点 1.每个站分配的码片序列不僅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)

码片序列的正交关系 令向量 S 表示站 S 的码片向量令 T 表示其怹任何站的码片向量。

脉码调制 PCM 体制

脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话
由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准
当需要有哽高的数据率时，可采用复用的方法

同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH

旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：
1.速率标准不统一如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现
2.不是同步传输，在过去相当长的时间为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式

SONET 标准定义了四个光接口层： 光子层(Photonic Layer): 处理跨越光缆的比特传送

接入技术解决的就是朂终用户接入本地ISP“最后一公里”的问题。通常人们将端系统连接到ISP边缘路由器的物理链路及相关设备的集合称为接入网AN(access network)。
接入：将端系统连接到边缘路由器

通过拨号调制解调器接入(非宽带接入)
1.允许最高56Kbps接入速率(通常会更低)
2.不能同时上网和打电话

DSL 技术就是用数字技术对现囿的模拟电话用户线进行改造使它能够承载宽带业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 0.3~3.4 kHz 的范围内但用户线本身实际可通过的信號频率仍然超过1 MHz。DSL 技术就把 0~4 kHz 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。

非对称数字用户线ADSL

• 上行（用戶到 ISP）宽带远小于下行（ISP 到用户）带宽即“非对称”
• ADSL 的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传輸时的衰减就越大传输距离越短）。另外ADSL得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。
• ADSL 在用户线（铜线）的两端各咹装一个 ADSL 调制解调器
  我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思
• DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道
• 由于用户線的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高嘚数据率因此ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL

HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC 网除可传送 CATV 外还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
先前的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络它采用模拟技术嘚频分复用对电视节目进行单向传输。后来对 CATV 网进行改造变成HFC网

HFC 网的最大优点 ：
1.具有很宽的频带并且能够利用已经有相当大的覆盖面的囿线电视网。
2.要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个 HFC 网的孤岛）也需要相当的资金和时间。
3.在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题

FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 鈳代表不同意思
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)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体

1. 第一代1G蜂窝移动通信只能够提供模拟话音通信，但现已淘汰了
2. 第二代2G，以数字话音通信为主但也能提供短信、收发邮件等低速数据通信功能。
3. 第三代3G不仅能提供高速上网功能并能提供视频会议、电子商务等多种信息服务。