基本概念
物理層的主要任務描述爲確定與傳輸媒體的接口的一些特性
- 機械特性
指明接口所用接線器的形狀和·尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。 - 電氣特性
指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍 - 功能特性
指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義 - 過程特性
指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序
幾個術語
- 數據 --- 運送消息的實體
- 信號 --- 數據的電氣或電磁的表現
- 模擬的 --- 代表消息的參數的取值是連續的
- 數字的 --- 代表消息的參數的取值是離散的
- 碼元 --- 在使用時間域（時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形
有關信號的幾個基本概念
- 單向通信（單工通信）
只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互 - 雙向交替通信（半雙工通信）
通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送（也不能同時接收） - 雙向同時通信（全雙工通信）
通信的雙方可以同時發送和接收信息
基帶信號和帶通信號
- 基帶信號（基本頻帶信號）
來自信源的信號，計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬於基帶信號，基帶信號往往包含較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量，因此必須對基帶信號進行調製 - 帶通信號
把基帶信號經過載波調製後，把信號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過信道）
幾種最基本的調製方式
- 調幅（AM）
載波的振幅隨基帶數字信號而變化 - 調頻（FM）
載波的頻率隨基帶數字信號而變化 - 調相（PM）
載波的初始相位隨基帶數字信號而變化
爲了達到更高的信息傳輸速率，必須採用技術上更爲複雜的多元制的振幅和相位混合調製方法，例如正交振幅調製（PPT 11頁）
信道的極限容量
- 任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾
- 碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形失真就越嚴重
信道能夠通過的頻率範圍
1924年，奈奎斯特（Nyquist）就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，爲了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。
在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成爲不可能。
如果信道的頻帶（指無線電頻譜上頻率界限之間的部分）越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那麼就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。
信噪比
香農用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限，無差錯的信息傳輸速率。
信道的極限信息傳輸速率C可表達爲
C = Wlog2(1+S/N)b/s
- W爲信道的帶寬（以Hz爲單位）
- S爲信道內所傳信號的平均功率
- N爲信道內部的高斯噪聲功率
香農公式表明
- 信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高
- 只要信息傳輸速率低於信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。
- 若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限
- 實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。
對於頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高，而且碼元傳輸速率也達到了上限值，那麼還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。
物理層下面的傳輸媒體
- 雙絞線
- 屏蔽雙絞線STP
- 無屏蔽雙絞線UTP
類數代表抗干擾能力（3類 5類等）
- 同軸電纜
- 50Ω同軸電纜
- 75Ω同軸電纜
- 光纜
光線在光纖中的折射
光纖的工作原理
多模光纖與單模光纖
非引導型傳輸媒體
- 無線傳輸所使用的頻段很廣
- 短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差
- 微波在空間主要是直線傳播
- 地面微波接力通信
- 衛星通信
無線局域網使用的ISM頻段
信道複用技術
複用是通信技術中的基本概念
下圖可以很清晰的解釋複用
頻分複用FDM（Frequency Division Multiplexing）
- 用戶在分配到一定的頻帶後，在通信過程中自始至終都佔用這個頻帶。
- 頻分複用的所有用戶在同樣的時間佔用不同的帶寬資源（請注意，這裏的帶寬是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。
時分複用TDM（Time Division Multiplexing）
- 時分複用則是將時間劃分爲一段等長的時分複用幀（TDM幀）。每一個時分複用的用戶在每一個TDM幀中佔用固定序號的時隙
- 每一個用戶所佔用的時隙是週期性地出現（其週期就是TDM幀的長度）
- TDM信號也稱爲等時信號
- 時分複用的所有用戶是在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度
時分複用可能會造成線路資源的浪費
使用時分複用系統傳送計算機數據時，由於計算機數據的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。
統計時分複用STDM（Statistic TDM）
是一種改進的時分複用器，它能明顯的提高信道利用率。集中器常使用這種統計時分複用。統計時分複用使用STDM幀來傳送複用的數據。但每一個STDM幀中的時隙數小於連接在集中器上的用戶數。各用戶有了數據就隨時發往集中器的輸入緩存，集中器按順序依次掃描輸入緩存，把緩存中的數據放入到STDM幀中。對沒有數據的緩存就跳過去。當一個幀的數據滿了就發送出去。可見STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態的分配時隙。我們還可以看出，在輸出線路上，某一個用戶所佔用的時隙並不是週期性出現。因此統計時分複用又稱爲異步時分複用，而普通的時分複用稱爲同步時分複用。
波分複用WDM（Wavelength Division Multiplexing）
波分複用就是光的頻分複用
碼分複用CDM（Code Division Multiplexing）
人們更常用的名詞是碼分多址CDMA(Code Division Multiplexing Access)，每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。但由於各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會造成干擾。碼分複用最初用於軍事通信，因爲這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不易被敵人發現
在CDMA中，每一個比特時間（發送1比特需要的時間）再劃分爲m（通常爲64或128）個短間隔，稱爲碼片
使用CDMA的每一站被指派一個唯一的m bit碼片序列
- 若發送比特1，則發送自己的m bit碼片序列
- 若發送比特0，則發送該碼片序列的二進制反碼
例如，S站的8 bit碼片序列是00011011，發送比特1時，就發送序列00011011，發送比特0時，就發送序列11100100。爲了方便，我們按慣例將碼片中的0寫爲-1，將1寫作+1。
現假定S站要發送信息的數據率爲b b/s，由於每一個比特要轉換成m個比特的碼片，因此S站實際上發送的數據率提高到mb b/s，同時S站所佔用的頻帶寬度也提高到原來數值的m倍。這種通信方式是擴頻通信的一種。
CDMA系統的一個重要特點就是這種體制給每一個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且還必須互相正交，在實用的系統中是使用僞隨機碼序列
令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規格化內積都是0：
任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1
一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值爲-1
CDMA的工作原理
設S站要發送的數據是1 1 0三個碼元。再設CDMA將每一個碼元擴展爲8個碼片，S站的碼片序列序列見圖，S站發送的擴頻信號爲Sx（應當注意到，S站發送的擴頻信號Sx中，只包含互爲反碼的兩種碼片序列）
當接收站打算收S站發送的信號時，就用S站的碼片序列與收到的信號求規格化內積。這相當於分別計算S·Sx 和S·Tx。見上圖
數字傳輸系統
脈碼調製PCM體制最初是爲了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。
由於歷史上的原因，PCM有兩個互不兼容的國際標準，即北美的24路PCM（簡稱T1 速率1.544mb/s）和歐洲的30路PCM（簡稱E1 2.048mb/s）。我國採用的是歐洲的E1標準。當有更高的數據率時，可採用複用的方法。
舊的數字傳輸系統存在着許多缺點
- 速率標準不統一
如果不對高次羣的數字傳輸速率進行標準化，國際範圍的高速傳輸就很難實現。 - 不是同步傳輸
在過去相當長的時間，爲了節約經費，各國的數字網主要採用是準同步方式
現代採用
- 同步光纖網SONET(Synchronous Optical Network)
- 同步數字系列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)
寬帶接入技術
ADSL技術（Asymmetric Digital Subscriber Line）
非對稱數字用戶線ADSL技術是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶數字業務。
- 標準模擬電話信號的頻帶被限制在300-3400hz的範圍內，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過1mhz
- ADSL技術就是把0-4khz低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。
- DSL就是數字用戶線（Digital Subscriber Line）的縮寫
ADSL的特點
- 上行和下行帶寬做成不對稱
- 上行指從用戶到ISP，下行指ISP到用戶
- ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL調制解調器
- 我國目前採用的方案是離散多音調DMT(Discrete Multi-Tone)調製技術。這裏的多音調就是多載波或多子信道的意思
ADSL的組成
第二代ADSL
- 通過提高調製效率得到了更高的數據率。
- 採用無縫速率自適應技術SRA（Seamless Rate Adaptation），可在運營中不中斷通信和不產生誤碼的情況下自適應地調整數據率
- 改善了線路質量評測和故障定位功能，這對提高網絡的運行維護水平具有非常重要的意義。
光纖同軸混合網HFC（Hybrid Fiber Coax）
HFC網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網，CATV的基礎上開發的一種居民寬帶接入網，它除了可傳送CATV外，還提供電話、數據和其他寬帶交互業務，現有的CATV網是樹形拓撲結構的同軸電纜網絡，它採用模擬技術的頻分複用對電視節目進行單向傳輸，而HFC網則需要對CATV網進行改造。
HFC的主要特點
- HFC網的主幹線路採用光纖
- HFC將原CATV網中的同軸電纜主幹部分改換爲光纖，並使用模擬光纖技術
- 在模擬光纖中採用光的振幅調製AM，這比使用數字光纖更爲經濟。
- 模擬光纖從頭端連接到光纖結點（fiber node），即光分配結點ODN（Optical Distribution Node）。在光纖結點光信號被轉換爲電信號。在光纖結點以下就是同軸電纜。
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HFC網採用結點體系結構
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HFC網具有比CATV網更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能
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- 每個家庭要安裝一個用戶接口盒UIB（User Interface Box），接口盒要提供三種連接
- 使用同軸電纜連接到機頂盒再連接到用戶的電視機
- 使用雙絞線連接到用戶的電話機
- 使用電纜調制解調器連接到用戶的計算機
FTTx技術
FTTx（光纖到...）也是一種實現寬帶居民接入網的方案。
- FTTH（Fiber To The Home）光纖到戶 光纖一直鋪設到用戶家庭可能是居民接入網最後的解決方法
- FTTB（Building）光纖到大樓 光纖進入大樓後就轉換爲電信號，然後用電纜或雙絞線分配到各用戶
- FTTC（Curb）光纖到路邊 從路邊到各用戶可使用星型結構雙絞線作爲傳輸媒體
- FTTC