第 2 章物理层

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。
物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。

1. 物理层的主要任务/四个特性

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。
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。

2. 数据通信基础概念

消息(Message)：通信系统中传输的具体对象。(如符号、文字、语音、图像等)
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。
码元 (code) ：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
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)。
带通信号：经过载波调制后的信号。

3. 传输方式

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。

串行、并行
异步、同步

4. 调制 (modulation)

数字数据的基带传输：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)。
- 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。
数字数据的频带传输 ：带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
- 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字信号而变化。
- 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
模拟数据的数字传输：（PCM）
- 与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。
- 目前，长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式。
- 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
- 数字传输标准
  - 同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) ：美国在1988年推出的数字传输标准。整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 SONET 为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构。
    - 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)：传输速率是 51.84 Mbit/s的电信信号。
    - 第 1 级光载波 OC-1 (Optical Carrier)：传输速率是 51.84 Mbit/s的光信号。
  - 国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)：ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。
    - 第 1 级同步传递模块 STM-1(Synchronous Transfer Module)：一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。其主要不同点是：SDH的基本速率为155.52 Mbit/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

5. 传输媒体/传输介质/传输媒介的特点

导引型传输媒体：有线传输
- 双绞线
- 同轴电缆
- 光缆：一根光缆中尽可能多的光纤
  - 多模光纤
  - 单模光纤
  - 优点
    - 通信容量非常大。
    - 传输损耗小，中继距离长。
    - 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。
- 架空明线
非导引型传输媒体/自由空间：无线传输
- 短波通信/高频通信
- 无线电微波通信：
  - 地面微波接力通信
  - 卫星通信

6. 信道复用技术

频分复用：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/同步时分复用：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/异步时分复用：
波分复用：光的频分复用
码分复用/码分多址(CDMA) ：
（多路复用）

7. 信道容量计算

时域分析、频域分析、傅立叶分析与截止频率
比特和码元，比特率和波特率（计算）抽样定理
奈氏准则：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的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
奈魁斯特定律：要使实信号采样后能够不失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud
从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素：
- 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，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
信噪比：
- 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：
- 信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)
- 例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。
极限传输速率 C ：
- 香农公式：C = W log2(1+S/N) (bit/s)
- 其中：W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。
- 用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

8. 宽带接入技术

宽带：美国联邦通信委员会FCC原来认为只要双向速率之和超过200 kbit/s 就是宽带。但 2015 年重新定义为：
宽带下行速率要达到 25 Mbit/s
宽带上行速率要达到 3 Mbit/s

无线宽带接入
有线宽带接入
- 非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术：就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。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。
- 第二代 ADSL
- 光纤同轴混合网（HFC网）
- FTTx 技术

参考资料