2.1物理层的基本概念

物理层的作用是尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，所以物理层的协议也常称为物理层规程。
可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体接口有关的一些特性，即：
①　机械特性
②　电气特性
③　功能特性
④　过程特性

2.2数据通信的基础知识

2.2.1数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为三大部分，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：
①源点：源点设备产生要传输的数据；源点又称为源站、信源。
②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。（如调制器和解调器）
目的系统：
①接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。（如解调器）
②终点：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。终点又称为目的站，或信宿。
通信的目的是传送消息；数据时运送消息的实体；信号是数据的电气或电磁的表现。
信号的分类：
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。

2.2.2有关信道的几个基本概念

信道一般表示向某一个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。
信息交互的方式：
①单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反过来的交互。
②双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都是可以发送消息，但不能同时发送消息、同时接收消息。
③双向同时通信（全双工通信）：通信的方向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（基本频带信号）。
基带信号往往包含许多低频成分，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。为了解决这个问题，我们需要对基带信号进行调制。
调制的分类：
①基带调制（编码）：对基带信号的波形进行变换，使它能够与通道特性相适应。变换后的信号仍是基带信号。

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 周期中心向上跳变代表0（0->1），周期中心向下跳变代表1（1->0）；反之亦可。
差分曼彻斯特编码 开始边界有跳变代表0，开始边界无跳变代表1。
②带通调制：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，这样就利于传输；警告过载波调制后的信号称为带通信号，使用载波的调制称为带通调制。

调幅（AM） 载波的振幅随基带数字信号而变化。
调幅（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。

2.2.3信道的极限容量

信号在信道上传输是会不可避免地产生失真。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。
限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：
①信道能够通过的频率范围
具体的信道可以通过的频率范围是有限的，信号中的许多高频分量往往不能通过信道。在接收端接收到的信号波形是娱乐码元之间的清晰界限。这种现象叫码间干扰。
奈氏准则：给出了在理想条件下，为避免码间干扰，码元的传输速率上限值。
信道的频带越宽，能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
②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，并用分贝作为度量单位。信噪比（dB）=10log10（S/N）（dB）
香农公式（指出信道的极限信息传输速率C）是：
C=W log2（1+S/N）（bit/s）
信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

2.3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，就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体分为两类：
1.引导性传输媒体：电磁波被导引着固体媒体（铜线或者光纤）传播；
2.非引导型传输媒体：传输媒体为*空间，在*空间中进行无线传输。

2.3.1引导性传输媒体

1.双绞线
两根相互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；使用双绞线最多的地方为电话系统。
模拟传输与数字传输都可以使用双绞线；其通信距离一般为几到几十公里。
为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面在家一层用金属系编制成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线，简称为STP（Shielded Twisted Pair），价格贵于无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）。

双绞线常见的有三类线，五类线和超五类线，以及六类线，前者线径细而后者线径粗，具体型号如下：
1）一类线（CAT1）：线缆最高频率带宽是750kHZ，用于报警系统，或只适用于语音传输（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。
2）二类线（CAT2）：线缆最高频率带宽是1MHZ，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4MBPS规范令牌传递协议的旧的令牌网。
3）三类线（CAT3）：指在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆，该电缆的传输频率16MHz，最高传输速率为10Mbps（10Mbit/s），主要应用于语音、10Mbit/s以太网（10BASE-T）和4Mbit/s令牌环，最大网段长度为100m，采用RJ形式的连接器，已淡出市场。
4）四类线（CAT4）：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps（指的是16Mbit/s令牌环）的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10BASE-T/100BASE-T。最大网段长为100m，采用RJ形式的连接器，未被广泛采用。
5）五类线（CAT5）：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，线缆最高频率带宽为100MHz，最高传输率为100Mbps，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和1000BASE-T网络，最大网段长为100m，采用RJ形式的连接器。这是最常用的以太网电缆。在双绞线电缆内，不同线对具有不同的绞距长度。通常，4对双绞线绞距周期在38.1mm长度内，按逆时针方向扭绞，一对线对的扭绞长度在12.7mm以内。
6）超五类线（CAT5e）：超5类具有衰减小，串扰少，并且具有更高的衰减与串扰的比值（ACR）和信噪比（SNR）、更小的时延误差，性能得到很大提高。超5类线主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。
7）六类线（CAT6）：该类电缆的传输频率为1MHz～250MHz，六类布线系统在200MHz时综合衰减串扰比（PS-ACR）应该有较大的余量，它提供2倍于超五类的带宽。六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。六类与超五类的一个重要的不同点在于：改善了在串扰以及回波损耗方面的性能，对于新一代全双工的高速网络应用而言，优良的回波损耗性能是极重要的。六类标准中取消了基本链路模型，布线标准采用星形的拓扑结构，要求的布线距离为：永久链路的长度不能超过90m，信道长度不能超过100m。
8）超六类或6A（CAT6A）：此类产品传输带宽介于六类和七类之间，传输频率为500MHz，传输速度为10Gbps，标准外径6mm。和七类产品一样，国家还没有出台正式的检测标准，只是行业中有此类产品，各厂家宣布一个测试值。
9）七类线（CAT7）：传输频率为600MHz，传输速度为10Gbps，单线标准外径8mm，多芯线标准外径6mm。
类型数字越大、版本越新，技术越先进、带宽也越宽，当然价格也越贵。这些不同类型的双绞线标注方法是这样规定的，如果是标准类型则按CATx方式标注，如常用的五类线和六类线，则在线的外皮上标注为CAT 5、CAT 6。而如果是改进版，就按xe方式标注，如超五类线就标注为5e（字母是小写，而不是大写）。
无论是哪一种线，衰减都随频率的升高而增大。在设计布线时，要考虑到受到衰减的信号还应当有足够大的振幅，以便在有噪声干扰的条件下能够在接收端正确地被检测出来。双绞线能够传送多高速率（Mb/s）的数据还与数字信号的编码方法有很大的关系。
2.同轴电缆
同轴电缆由内道题铜制芯线、绝缘层、网状编织的外道题屏蔽层以及保护塑料外层所组成，抗干扰性高。


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。
光纤通常由非常同名的适应玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体，广播通过纤芯进行传导。

可以存在多条不同角度入社的光线在一条光纤中传输，这就叫多模光纤，适合于近距离传输；
如果光纤在光纤中一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤称为单模光纤。

光纤的优点：
1.通信容量大；
2.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济；
3.康雷电和电磁干扰性能好；
4.无串音干扰，保密性好；
5.体积小，重量轻。

2.3.2非引导型传输媒体

短波通信（高频通信）主要依靠电离层的反射，但是当电子层不稳定时，短波通信的效果较差，所以短波通信一般为低速率通信（几十到几百比特每秒），使用调制调解技术后，传输速率可达几千比特每秒；

无线电微波通信：频率范围是200MHz-300GHz波长1m-1mm，主要使用2-40GHz的频率范围；微波通信主要是直线传播，由于微波在电离层无法反射，所以传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波接力通信和卫星通信。
因为微波通信是直线传播，且因为地球是圆的，所以传播距离受限制，一般为50KM，如果采用100M高的天线塔，传播距离可达100KM，为实现远距离通信，需要在两个广播塔之间架设中继器来放大信号，方便接收通信数据，微波接力通信可以传输电话、电报、图像、数据等信息，主要特点为：1微波波段频率高，频段范围宽，通信信道容量大；2.微波传输质量高；3.微波接力建设费用较少。微波接力的缺点：1.相邻站点之间必须直视；2.微波传输会受恶劣气候的影响；3.微波通信的隐蔽性和保密性差；4.中继站的维护需要耗费较多人力物力。
卫星通信的通信距离远，频带宽，通信容量大，有较大的传播时延，从地球上一个站经卫星到达另一个地球站的传播时延在250-300ms之间。

2.4信道复用技术

2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

复用的示意图：

频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源；
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。

如图所示，时分复用会存在线路资源的浪费，所以统计时分复用（异步时分复用）对于时分复用进行了改良，使用集中器使时分复用帧不被浪费。

2.4.2波分复用

波分复用（WDM）就是光的频分复用，一根光纤可以复用几十路，于是使用秘籍波分复用DWDM；在光缆中，信号可能减弱，所以加入掺铒光纤放大器EDFA，对光信号进行放大，两个放大器之间的距离一般在120KM左右。

2.4.3码分复用

码分复用，也叫码分多址，每一个用户可以挑选同样的频带在同一时间通信，因为用户使用特殊挑选的码型，所以用户之间不会相互干扰。
CDMA中每一个比特时间再划分为m个短的间断，称为码片，使用CDMA的每个站被指派唯一的m bit码片序列，通信时，根据码片序列判断信息的归属。

2.5数字传输系统

早期的数字传输系统存在着以下问题：
1.速率标准不统一
2.不是同步传输
为了解决以上问题，美国在1988年推出了同步光纤网SONET，这样就统一了传输的标准，也统一了时间。
以SONET为基础，又制定了国际标准的同步数字系列SDH，SDH基本速率为155.52Mbit/s。

2.6宽带接入技术

2.6.1ADSL技术

非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使他可以承载宽带数字业务。ADSL技术吧0-4kHz低端频谱留给传统电话，而把原来没有被李永宁的高端频谱留给用户上网使用。
ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的路径，ADSL所能得到的最高数据传输速率海域实际的用户线上的信噪比密切相关。
二代ADSL改进了：
1.提高调制效率得到了更高的数据率
2.采用了无缝速率自适应技术SRA，可以在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实时情况，自适应调整数据率
3.改善了线路质量评测和故障定位功能

2.6.2光纤同轴混合网（HFC网）

在有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，既可以传输电视节目，还可以提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主*分改换为光纤，光纤从头端连接到光纤结点，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用户家庭。
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交互数字电视所需的一些信息，我们还需要增加一个为HFC网使用的调制解调器，又称为电缆调制解调器。