一、物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接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。物理层的作用正是要尽可能的屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使物理层上的数据链路层感觉不到这些差异。物理层的主要任务描述为确定传输媒体的接口有关的一些特性：

机械特性：指明接口所用接线器的现状和尺寸、引脚数目和排列等；
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：指明某条先上出现的某一电平的电压的意义；
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序；

二、数据通信系统模型

一个数据通信系统可划分为三大部分：即源系统（发送方）、传输系统、目的系统（接收方）；
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源系统一般包括源点和发送器两个部分，源点设备产生要传输的数据，对于计算机来说就是数字比特流，而发送器即用来发送数据，通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输，典型的发送器就是调制器，现在很多计算机都使用内置的调制解调器；

因此目的系统一般也包括接收器和终点；

1、信号

信号是数据的电气或电磁的表现，根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，可分为模拟信号和数字信号两大类；

模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的；
数字信号：代表消息的参数的取值是离散的；在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元；

2、信道

信道表示向某一方向传送信息的媒体，因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道；从通信双方信息交互的方式来看，有以下三种基本方式：

单向通信（单工通信）：即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；
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消息；

基带信号：来自信源的信号称为基带信号，基带信号往往含有较多的低频成分，甚至是有直流成分，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；

调制：调制可分为两大类，一类是基带调制，仅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是基带信号，也称为编码；一类是带通调制，其使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移至较高的频段，并转换为模拟信号，经过载波调制后的信号称为带通信号。

（1）常用编码方式

不归零制：正电平代表1，负电平代表0；
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0；
曼彻斯特编码：位于周期中心的向上跳变代表0，位于周期中心向下跳变代表1，也可以反过来定义；
差分曼彻斯特：在每一位中心始终有跳变，位开始边界有跳变的代表0，而位开始边界没有跳变代表1；

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（2）基本的带通调制方法

调幅：即载波的振幅随基带数字信号而变化，例如0或1分别对应于无载波或有载波输出；
调频：即载波的频率随基带数字信号而变化；
调相：即载波的初始相位随基带数字信号而变化；

（3）信道的极限容量
限制码元在信道上传输速率的因素有以下两个：
信道能够通过的频率范围；在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的识别成为不可能；
信噪比：噪声存在于所有的电子设备和通信设备信道中，由于噪声是随机产生的，且噪声会使接收端对码元的判决产生错误；但噪声的影响是相对的，如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小，所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，单位为分贝（dB);

信噪比 = 10*(log10 的 S/N），如S/N为1000，则信噪比为30

香农公式：香农公式指出了信道的极限信息传输速率C= Wlog2的1+S/N，单位为bit/s，

其中W为信道带宽，香农公式表明信道的带宽或信噪比越大，信息的极限传输速率就越高

三、物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，是在发送器和接收器之间的物理通路，分为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，电磁波被导引沿着固体媒体传播，而非导引型传输媒体就是指自由空间，即无线传输。

1、引导型传输媒体

（1）双绞线

双绞线是最古老但又最常用的传输媒体，把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，绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰；

模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里，距离太长时就要加放大器以便将衰弱的模拟信号放大到合适的数值，或者加上中继器对失真的数字信号进行整形；

为了提高双绞线的抗电磁干扰能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层，简称STP（Shielded Twisted Pair);
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(2)同轴电缆

同走电缆内由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层锁组成。

同轴电缆具有很好的抗干扰特性，目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中
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（3）光缆

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0，由于可见光的频率非常高，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。

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能产生出光脉冲，在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲；
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2、非引导型传输媒体

短波通信主要是靠电离层的反射，但电离层的不稳定锁产生的衰落现象和电离层反射锁产生的多径效应使得短波信道的通信质量较差，因此短波无线传送数据时，一般都是低速传输；

无线电微波通信在数据通信中占有重要地位，微波在空间中主要是直线传播，而地球表面是一个曲面，因此其传播距离会受到限制，一般只有50km左右，但若采用100m高的天线塔，则传播距离可增大到100km，为实现微波的远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站，中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站。

四、信道复用技术

复用类似于共同使用，在发送端使用一个复用器，在就收端再使用一个分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点，可以有效提高资源的利用率；最基本的复用就是频分复用和时分复用，频分复用即用户分到一定的频带后，在通信过程中始终都占用这个频带；时分复用即所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度；

统计时分复用是一种改进的时分复用，能明显地提高信道的利用率，一个使用统计时分复用的集中器连接4个低速用户，然后将它们的数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机，也就是说，统计时分复用中，用户不再会占用信道，因此就对信道不会造成太多浪费；

波分复用：波分复用就是光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号

码分复用：码分复用是另一种共享信道的方法，可使每一个用户在同样的时间使用同样的频带进行通信，由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰，采用码分复用可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响等等；

五、宽带接入技术

1、ADSL技术

ADSL即非对称数字用户线技术，是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载带宽数字业务；ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的路径，用户线越细，信号传输时的衰减就越大；ADSL在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器，由于用户线的具体条件往往相差很大，因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率，当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就可以测试可用的频率、个子信道受到干扰的情况等等，这样ADSL就能够选择合适的调制方案以获得尽可能高的数据率。

基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器、用户线以及用户家中的一些设施；数字用户线接入复用器包括许多ADSL调制解调器，ADSL借助于在用户两端安装的ADSL调制解调器（即ATU-R和ATU-C）对数字信号进行了调制，使得调制后的数字信号的频谱适合在原来的用户线上传输；

2、光纤同轴混合网（HFC网）

光纤同轴混合网是目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除了可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务；为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，光纤从头端连接到光纤结点，在光纤结点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个家庭。

要使现有的模拟电视机能够接受数字电视信号，需要把一个叫做机顶盒的设备连接在同轴电缆和用户的电视机之间，但为了使用户能够利用HFC网接入到互联网，以及在上行信道中传送教书数字电视的一些信息，还需要增加一个未HFC网使用的调制解调器，又称为电缆调制解调器，电缆调制解调器可以做成一个单独的设备，也可以做成内置的，安装在电视机的机顶盒中。