首先强调，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。

物理层协议的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

  1. 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
  2. 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
  3. 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
  4. 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据通信基础知识

数据通信系统模型

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根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为两大类。

  1. 模拟信号，或连续信号——消息的参数的取值是连续的。
  2. 数字信号，或离散信号——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，只有两种码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

编码与调试

信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。通常人们将数字数据转换成数字信号的过程称为编码（coding），而将数字数据转换成模拟信号的过程称为调制（modulation）。

数字信号的常用编码方式见下图：

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  • 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
  • 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。
  • 曼彻斯特编码：位周期中心的上跳变代表 0，位周期中心的下跳变代表 1。
  • 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。

最基本的带通调制方法见下图：

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  • 调幅（AM），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（FM），即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0 或 1分别对应于频率f1或f2。
  • 调相（PM），即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0 或 1分别对应于相位0°或180°。

传输方式

对于数字传输，有各种不同的传输方式，例如，并行传输和串行传输、异步传输和同步传输，以及单工、半双工和全双工通信方式。

传输媒体

传输媒体可分为两大类，即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（铜线或光纤）传播；

而非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输，常称为无线传输。

信道复用技术

复用就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号。

复用示意图：

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频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）就是将传输线路的频带资源划分成多个子频带，形成多个子信道。当多路信号输入一个多路复用器时，这个复用器将每一路信号调制到不同频率的载波上。

时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）技术将传输线路的带宽资源按时间轮流分配给不同的用户，每个用户只在分配的时间里使用线路传输数据。

频分复用（a）和时分复用（b） ：

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在使用频分复用时，若每一个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的总带宽就跟着变宽。

当使用时分复用时，当用户在某一段时间暂时无数据传输时（如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息），那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。这就导致复用后的信道利用率不高。

统计时分复用（Statistic TDM，STDM）是一种改进的时分复用，集中器（concentrator）常使用这种统计时分复用。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。因此，STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

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在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现的。因此统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。

波分复用

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）就是光的频分复用。光纤技术使得数据的传输速率空前提高。

随着技术的发展，现在已能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号，于是就使用了密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing， DWDM）这一名词。

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在地下铺设光缆是耗资很大的工程。因此人们总是在一根光缆中放入尽可能多的光纤（例如，放入100根以上的光纤），然后对每一根光纤使用密集波分复用技术。对于具有100根速率为 2.5 Gbit/s 光纤的光缆，采用 40 倍的密集波分复用，得到一根光缆的总数据率为 100 x 40 x 2.5Gbit/s，即是10 Tbit/s。

码分复用

码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）是另一种共享信道的方法。实际上，由于该技术主要用于多址接入（本书中我们不严格区分多址与复用），人们更常用的名词是码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）。

CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。通常m的值是64或128。

CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

PS：具体原理相对来说比较复杂，自行查阅资料。

数字传输系统

PCM 速率体制

将模拟电话信号转换为数字信号目前采用的都是脉冲编码调制（Pulse Code Modulation， PCM）技术。

SONET/SDH

美国在1988年首先推出了一个在光纤传输基础上的数字传输标准，即同步光纤网（Synchronous Optical Network，SONET）。

国际电信联盟电信标准化部门（ITU Telecommunication Standardization Sector，ITU-T）以美国标准 SONET 为基础，制定出国际标准同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）。

SDH/SONET 定义了标准光信号，规定了波长为 1310 nm 和 1550 nm 的激光源。在物理层定义了帧结构。SDH的帧结构是以STM-1为基础的，更高的等级是用N个STM-1复用组成STM-N，如4个STM-1构成STM-4，16个STM-1构成STM-16。

SDH/SONET传输网是一种基于SDH/SONET标准的同步TDM多路复用网络，可以方便地为其他业务网络提供各种所需带宽的电路，并复用底层传输媒体的带宽，其中最典型的传输媒体就是光纤。例如，SDH/SONET 传输网可以很方便地为两个因特网主干路由器之间提供一条点对点的高速链路。

现在SDH/SONET已成为全球公认的数字传输网体制的标准，是为当前因特网提供点对点远程高速链路的重要技术。

光网络

传统的 SDH/SONET 传输网络由光传输系统和交换结点的电子设备组成。光纤用于两个交换结点之间的点对点的数据传输。在每个交换结点中，光信号都被转换成电信号后再进行交换处理。随着波分复用 WDM 和光交换技术的发展，人们提出全光网（All Optical Network，AON）的概念，用光网络结点代替原来交换结点的电子设备，组成以端到端光通道为基础的全光传输网，避免因光/电转换所带来的带宽瓶颈，充分发挥光传输系统的容量和光结点的巨大处理能力，而路由器等电信号处理设备在边缘网络连接用户终端设备。

互联网接入技术

电话网拨号接入

数字用户线接入

ADSL

光纤同轴混合网接入

有线电视网。

光纤接入

现在都光纤到户了。

以太网接入

各种政府机构、大型企业和大学校园的用户通常通过内部的局域网接入到因特网。这些单位的路由器往往通过租用电信运行商的公共传输网络连接到因特网核心路由器。实际上这些单位相当于 ISP，并为其用户提供接入服务。

由于以太网低成本、高性能和使用方便，一些接入网运营商将其用于住宅接入网领域。但由于接入网是一个公用的网络环境，与局域网的私有网络环境有很大不同，需要解决远端馈电、接入端口的控制、用户间的隔离、计费等功能，因此在原有以太网技术的基础上（采用原有以太网的帧结构和接口）增加了很多新的内容，并形成了自己的标准。

无线接入

红外、蓝牙、WIFI、1G、2G、3G、4G、5G、6G等技术。

（完）