第二章：物理层

2.1物理层的基本概念

首先，要强调指出：==物理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==。

现在的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同。物理层的作用==就是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异==。

用于物理层的协议也常常称为物理层规程（procedure）。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

机械特性：指明接口所用接线器的各种规格。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
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。

数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输（处于经济上的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输。

具体的物理层协议种类较多。这是因为物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多。

2.2数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

一个数据通信系统可以划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

源系统一般包括以下两个部分：

源点（source）：源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源战或信源。
发送器：通常源点生成的数字比特流要==通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输==。

典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在计算器外面看不见调制解调器。

目的系统一般与包括以下两个部分：

接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它==转化为能够被目的设备处理的信息==。

典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
终点（destination）：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如把汉字在计算机屏幕上现实出来）。终点又称为目的站或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

通信的目的是传送消息（message）。语音、文字、图像、视频等都是消息。数据（data）是运送消息的实体。信号（signal）则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，信号可分为以下两大类：

模拟信号，或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号，或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。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就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

有关信道的几个基本概念

信道（channel）一般都是用来表示向某一个方向传送的媒体。与电路并不等同。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。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。例如无线电广播或有线电广播以及电视广播。
双向交替通信：又称为双半工通信，即通信的双方都可以发送信息，但双方不能同时发送（接收）。
双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

来自信源的信号常称为基带信号。为解决因基带信号包含较多的低频分量，甚至有直流分量而带来的许多信道无法传输这种低频分量或直流分量的问题，需要对基带信号进行调制。

调制分为基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变换，使其与信道特性相适应，变换后仍为基带信号。俗称编码。

常用编码方式：

另一类为带通调制：通过载波将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，通过载波调制后的信号称为带通调制。

最基本的带通调制方法：

2.3物理层下面的传输媒体

传输媒体又称为传输介质或传输媒介，即数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

一般分为两类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体传播。例如：双绞线、同轴电缆、光缆。
非导引型传输媒体：指自由空间，电磁波的传播一般称为无线传播。例如：地面微波接力通信，卫星通信。

2.4信道复用技术

信道复用即在发送端使用复用器，在接收端使用分用器，将一个共享信道用来传送原先的多路信号。

频分复用（FDM）

使用调制的方法，将各路信号分别搬移到适合的频率位置，使彼此不产生干扰。

频分复用的各路信号在不同的时间占用不同的带宽资源。

时分复用（TDM）

将时间划分为一段段等长的时分复用帧（即TDM帧），每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。

时分复用的所用用户是在不同的事件占用同样的频带宽度。可能会造成线路资源的浪费。

统计时分复用（STDM）

统计时分复用是对时分复用的一种改进，往往使用在集中器中。通过将多个低速连接，在将其数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。

动态的分布时隙。

波分复用（WDM）

就是光的频分复用。使用光纤技术的时候，将光按照波长分为不同频率的光载波进行复用。

码分复用（CDM）

当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA。

每一个用户在同样的事件使用同样的频带进行通信，由于每一个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间部分造成干扰。

2.5宽带接入技术

ADSL技术

非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造，使其能够承载宽带数字业务。

光纤同轴混合网（HFC网）

光纤同轴混合网是在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。

FTTx技术

光纤到户FTTH，即将光纤一直铺设到用户家庭，只有进入用户家门后才将光信号转换为电信号。提供最高的上网速率。