首先,物理层的基本概念

物理层考虑如何在与不同计算机连接的介质上,而不是特定介质上传输数据字节流。
物理层的作用是尽可能地屏蔽不同传输媒体和通信手段之间的差异。
用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。

物理层的主要任务

主要任务： 确定与传输介质的接口的一些特性.
机械特性: 指定在接口上使用的连接器的形状和尺寸、线的数目和排列、固定和锁定装置等。
电特性: 指定连接电缆各线的电压范围.
功能特性: 指示电线上某一特定电平面的电压的意义.
过程特性: 指示不同功能的可能事件的序列.

数据通信的基本知识

1.数据通信系统模型

数据通信系统有三个主要组成部分:源系统(或传送器,传送器),传输系统（或传输网络）和目的系统(或接收端,接收方)。

常用术语：
数据:发送消息的实体。
信号 (signal)—— 数据的电气的或电磁的表现。
模拟信号 (analogous signal)—— 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号 (digital signal)—— 代表消息的参数的取值是离散的。

有关宗教的一些基本概念

一个通道 - 通常用来指明一个介质,它向一个方向传送信息.
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(modulation)。

调制分为两大类：
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 (coding)。
带通调制：使用運載機调整基带信号的频率范围为较高的频率范围,并转换为模拟信号因此,在模拟通道中传输更好(也就是说,它只能在一定频率范围内通过一个通道)。
通过传送器传输的信号。

(一)一般编码方法

它不是零系统:正平衡代表1,负平衡代表0。
零: 正脉表示1, 负脉表示0.
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。
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。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Manchester) 编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
从自同步能力的角度来看,非零系统不能从信号波形本身提取信号时钟频率(称为非自同步能力),而曼彻斯特编码和微分曼彻斯特编码具有自同步能力。

(二)基本带宽调制方法

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 (modulation)。
基本的二进制调制方法如下:
振幅(AM): 载体的振幅与基带的数字信号不同.
频率调制(FM):载体的频率与基带的数字信号不同。
PM: 载体的初始阶段与基带的数字信号不同.

3.信道的极限容量

没有实际的通道是理想的,并且在传输信号中存在各种扭曲和干扰。
编码器传输的速度越高,或信号传输的距离越大,或传输的媒体质量越高,通道输出端的波形变形就越严重。
通过真实频道的数字信号

从概念上讲,有两个因素限制通道上的代码元素的传输速度:

• 一个通道通过的频率范围
• 信噪比

通道通过的频率范围

一个特定的通道可以通过的频率范围总是有限的,信号中的许多高频粒子往往不能通过该通道。
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。
在任何通道中,编码器传输的速度是有限的,否则将存在编码器间干涉的问题,使得接收机无法判断(即识别)编码器。
如果通道的带宽更大,即信号可以通过的频率带宽更高,那么代码元素可以在没有代码干涉的情况下以更高的速度传输。

(2) 信噪比

噪声存在于所有电子设备和通信通道中.
噪声是随机产生的,其瞬时值有时很大,因此噪声会使接收机在编码器的判断中产生错误。
但噪声效应相对,如果信号相对强,噪声效应相对小。
信噪比就是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。即：
噪音比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)
例如,当S/N=10时,噪声比为10dB,当S/N=100时,噪声比为30dB。
1984年，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、无差错信息传输率(Kannon公式)。
信道C的最高传输速度可表示为:
C = W log2(1+S/N) (bit/s)
W是频道的带宽(Hz单位);
S是信道中传输的信号的平均功率;
N是通道内高频噪声功率。

香农公式表明：
信道的带宽越高或信道中噪声比越高,信息的最大传输速度越高。
只要信息传输速度低于信道信息传输速度的限度,必须有某种方法实现无误传输。
如果通道W的带宽或信号噪声比S/N没有上限(当然实际通道不能如此),那么通道的最大传输速度C没有上限。
该频道的实际传输速率远低于山农的最高传输速率。

请注意：
对于带宽定义的通道,如果噪声比不能再增加,并且编码传输速率也达到上限,那么有办法提高信息传输速率。
这就是: 编码的方式,每个编码器携带更多的信息.

物理层下的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可以分为两种主要类别,即引导和非引导的传输媒体。
在导电介质中,电磁波沿着一个固体介质(铜线或纤维)进行导电。
非导体传输介质是指自由空间。 在非导体传输介质中,电磁波的传输通常被称为无线传输。

电信中使用的电磁波谱:

1.导引型传输媒体

双绞线
最常用的传输媒体。
模拟和数字传输可以通过双线电缆进行,通信距离可达几至十公里。
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
带金属屏蔽层
无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

双绞线标准：
1991 年，美国电子工业协会 EIA 和电信行业协会联合发布了一个用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准 EIA/TIA-568。
1995年,该标准被更新为EIA/TIA-568-A。
此标准规定了 5 个种类的 UTP 标准（从 1 类线到 5 类线）。
对传送数据来说，现在最常用的 UTP 是5类线（Category 5 或 CAT5）。
一般悬挂接头的类型、带宽和典型应用

同轴电缆
同轴电缆具有良好的抗干扰特性,广泛用于高速传输数据。
轴向电缆的带宽取决于电缆的质量.
50Ω共轴电缆-LAN/数字传输通用
75Ω共轴电缆-电缆电视/模拟传输通用

光缆
光纤是光纤通信的传输媒介.
由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

当光从高反射介质传输到低反射介质时,反射角比输入角大,因此,如果反射角足够大,就会有充分反射,光线沿着纤维传输。
光纤的工作原理：

只要光线核心到光线核心表面的角度大于一定临界角度,所有反射都可以产生。

多模式纤维和单模式纤维:
多模光纤
在纤维中,可以从不同角度传输多个光线,这种类型的纤维叫做多模式纤维。
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。这样的光纤称为单模光纤。

在光纤通信中使用的光波的波长
通常使用的三个波段分别位于850nm、1300nm和1550nm的中心。
所有三种波段的带宽介于25,00至30,00GHz之间,可见光纤通信容量非常大。

光纤优点：

• 通信容量非常大。
• 传输损耗低,继电器距离长。
• 抗辐射和电磁干涉性能良好。
• 没有线条干涉, 良好保密.
• 体积小，重量轻。

2.非导体媒体

自由空间被称为“非导体传输介质”。
无线传输的频率带非常宽.
短波通信(即高频通信)主要基于离子层的反射,但短波通道的通信质量差,传输率低。
微波在空间中主要通过直线传输.
传统的微波通信有两种方式:

1. 地面微波接力通信
2. 卫星通信

在无线宽带网络中使用的ISM带
要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如：ISM。各国的 ISM 标准有可能略有差别。

四、信道复用技术

1.频率、时间和统计时间

复用(multiplexing) 是通信技术中的基本概念。它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
整个带宽被分成多个部分,用户在分配到某个带后从通信过程中从开始到结束接管带。
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（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TDM (Time Division Multiplexing)：
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）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
每个用户使用的间隔是周期性的(TDM框架的长度是其周期)。
TDM 信号也称为等时 (isochronous)信号。
所有重复的用户在不同的时间使用相同的带宽。

重复使用时可能造成线性资源的浪费:
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。

2.波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

频率分离是光的频率分离,用光纤同时传输多个光波长。

3. 码分复用 CDM (Code Division Multiplexing)

常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。
每个用户使用不同的特定类型的代码,以避免互相干涉。
该系统发出的信号具有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,并不容易被敌人发现。

五、数字传输系统

了解即可

六、宽带接入技术

1.ADSL 技术

要连接到互联网,用户必须首先连接到一个互联网服务提供商。
在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户线通过调制解调器连接到ISP的，电话用户线接入到互联网的速率最高仅达到56 kbit/s。
美国联邦通信委员会(FCC)最初认为只有200kbit/s以上的带宽是双向的,但在2015年,它被重新定义为:
带宽下降速度必须为25Mbit/s
宽带联接速度必须为3Mbit/s

宽带访问媒体可以分为两个主要类别:

• 有线宽带接入
• 无线宽带接入

下面讨论了无线宽带接入.
ADSL(英语:Asymmetric Digital Subscriber Line)是利用数字技术修改现有的模拟电话订阅线,使它们能够提供宽带服务的技术。
标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。
ADSL 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。
DSL 就是数字用户线 (Digital Subscriber Line) 的缩写。
ADSL的传输距离取决于数据速率和用户线的直径(用户线越薄,信号传输时的衰变就越大)。
ADSL的最高数据传输速度与实际用户线路的噪声比密切相关。
例如：
0.5 毫米线径的用户线，传输速率为 1.5~2.0 Mbit/s 时可传送5.5公里，但当传输速率提高到 6.1 Mbit/s 时，传输距离就缩短为 3.7 公里。
如果把用户线的线径减小到 0.4 毫米，那么在 6.1 Mbit/s 的传输速率下就只能传送 2.7 公里。

ADSL 的特点
上下行的宽度是不对称的.
上行是从用户到ISP,下行是从ISP到用户。
ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 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“多音”的意思是“多波长”或“多通道”。

ADSL 的数据率
由于用户线的特定条件往往非常不同(距离、线直径、与邻近用户线的干扰程度等),ADSL使用自适应调制技术,使用户线能够传输尽可能高的数据速率。
当 ADSL 启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。
ADSL不能保证固定数据速率,对于低质量的用户来说,ADSL甚至不可能实现。
通常,最低数据速率为32kbit/s至6.4Mbit/s,而上游数据速率为32kbit/s至640kbit/s。

ADSL 的组成

第二代 ADSL
包括 ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）和 ADSL2+（G.992.5）。通过提高调制效率得到了更高的数据率。
ADSL2至少需要8Mbit/s在底部和800kbit/s在顶部。
ADSL2+设置了从1.1 MHz扩展到2.2 MHz的频谱范围,其下降速度为16 Mbit/s(最大传输速度为25 Mbit/s)和最高速度为800 kbit/s。
SRA(Seamless Rate Adaptation)技术用于调整数据速率以适应性的方式,而不干扰通信和在操作过程中生成错误代码。
改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。

2.光纤共axial混合网络(HFC网络)

HFC (Hybrid Fiber Coax) 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网络除了CATV之外,还提供电话、数据和其他宽带交互服务。
现有的CATV网络是一个轴向电缆网络,其树层结构采用模拟技术将电视节目传输在一个方向。
HFC网络已改为CATV网络.
HFC网络将原来的CATV网络中的轴线主干转换为光纤,并使用模拟光纤技术。
在模拟光纤中采用光的振幅调节 AM, 比数字光纤更经济.
模拟光纤从头端连接到光纤结点 (fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

HFC网络采用终端结构

HFC网络具有双重传输功能,扩展传输带宽

电缆调制解调器 (Cable Modem)
电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。
电缆调制器的主要特点是高传输速度.
下降速度一般为3至10Mbit/s,最大为30Mbit/s。
最高速度通常为0.2~2Mbit/s,最大为10Mbit/s。
电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。

3.FTTx技术

FTTx是实现宽带住宅接入网络的解决方案, 代表各种宽带光纤接入方法.
FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…），例如：

1. Fiber To The Home(FTTH):在用户家中安装了光纤,这可能是居民进入网络的最后解决办法。
2. 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。
3. Fiber To The Curb FTTC (Fiber To The Curb): 利用星形双线作为从曲线到用户传输的传输介质。

无源光网络 PON (Passive Optical Network) 的组成

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