目錄
本章最重要的內容
- 物理層的任務
- 幾種常用的信道複用技術
- 幾種常用的寬帶接入技術主要是ADSL和FTTx
2.1 物理層的基本概念
物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。
可以將物理層的主要任務描述爲確定與傳輸媒體的接口有關的一些特性，即：
- 機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等。平時常見的各種規格的接插件都有嚴格的標準化的規定。
- 電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現電壓的範圍。
- 功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義。
- 過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
數據在計算機內部多采用並行傳輸方式，但數據在通信線路上的傳輸方式一般都是串行傳輸，即逐個比特按照時間順序傳輸，因此物理層還要完成傳輸方式的轉換。
2.2 數據通信的基本知識
2.2.1 數據通信系統的模型
一個數據通信系統可劃分爲三大部分，即源系統(或發送端、發送方)、傳輸系統(或傳輸網絡)和目的系統(或接收端、接收方)。源系統一般包括源點和發送器，目的系統一般包括接收器和終點。
通信的目的是傳送消息，數據是運送消息的實體，信號則是數據的電氣或電磁的表現。根據信號中代表消息的參數的取值方式不同，信號可分爲以下兩大類：模擬信號(或連續信號)和數字信號(或離散信號)。離散數值的基本波形就稱爲碼元。
2.2.2 有關信道的幾個基本概念
信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。
從通信的雙方信息交互的方式來看，有以下三種基本方式：
- 單向通信，又稱爲單工通信；
- 雙向交替通信，又稱爲半雙工通信；
- 雙向同時通信，又稱爲全雙工通信。
來自信源的信號常稱爲基帶信號(即基本頻帶信號)，基帶信號往往包含有較多的低頻成分甚至有直流成分，爲了能在信道傳輸，必須對基帶信號進行調製。調製可分爲兩大類，基帶調製(編碼)和帶通調製。
(1)常用編碼方式：
- 不歸零制：正電平代表1，負電平代表0。
- 歸零制：正脈衝代表1，負脈衝代表0。
- 曼徹斯特編碼：位週期中心的向上跳變代表0，位週期中心的向下跳變代表1。但也可反過來定義。
- 差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表0，而位開始邊界沒有跳變代表1。
從信號波形中可以看出，曼徹斯特編碼產生的信號頻率比不歸零制高。從自同步能力來看，不歸零制不能從信號波形本身中提取信號時鐘頻率，而曼徹斯特編碼具有自同步能力。
(2)基本的帶通調製方法
- 調幅(AM)：即載波的振幅隨基帶數字信號而變化。例如，0或1分別對應於無載波或有載波輸出。
- 調頻(FM)：即載波的頻率隨基帶數字信號而變化。例如，0或1分別對應於頻率f1或f2。
- 調相(PM)：即載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。例如，0或1分別對應於相位0度或180度。
爲了達到更高的信息傳輸速率，必須採用技術上更爲複雜的多元制的振幅相位混合調製方法。例如正交振幅調製QAM。
2.2.3 信道的極限容量
限制碼元在信道上的傳輸速率的因素有以下兩個：
- 信道能夠通過的頻率範圍。在任何信道中，碼元的傳輸速率都是有上限的，超過這個上限會產生嚴重的碼間串擾問題，使接收端對碼元的識別成爲不可能。
- 信噪比。所謂信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，常記爲S/N，並用分貝(dB)作爲度量單位，即：信噪比(dB)=
(dB) 。
(dB) 。1948年，信息論創始人香農推導出了著名的香農公式：
C爲信道的極限信息傳輸速率，W爲信道的帶寬(以Hz爲單位)，S爲信道內所傳信號的平均功率S，N爲信道內部的高斯噪聲功率。香農公式表明，信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率就越高。
2.3 物理層下面的傳輸媒體
傳輸媒體也稱爲傳輸介質或傳輸媒介，它就是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通道。傳輸媒體可分爲兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體。
2.3.1 導引型傳輸媒體
（1）雙絞線（UTP）。模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線。爲了提高雙絞線抗電磁干擾的能力，可以在雙絞線的外面再加上一層用金屬絲編織成的屏蔽層。這就是屏蔽雙絞線，簡稱爲STP。
（2）同軸電纜。由於外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的數據。
（3）光纜。光纖通信就是利用光導纖維傳遞光脈衝來進行通信。有光脈衝相當於1，而沒有光脈衝相當於0。光纖不僅具有通信容量非常大的優點，而且還具有其他的一些特點：
- 傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟。
- 抗雷電和電磁干擾性能好。
- 無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數據。
- 體積小，重量輕。
2.3.2 非導引型傳輸媒體
利用無線電波在自由空間的傳播可以較快的實現多種通信，自由空間就被稱爲非導引型傳輸媒體。無線傳輸可使用的頻段很廣。
2.4 信道複用技術
2.4.1 頻分複用、時分複用和統計時分複用
最基本的複用就是頻分複用FDM（Frequency Division Multiplexing）和時分複用TDM（Time Division Multiplexing）。頻分複用的所有用戶在同樣的時間佔用不同的帶寬資源。時分複用的所有用戶是在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度。
在進行通信時，複用器總是和分用器成對的使用。在複用器和分用器之間是用戶共享的高速通道。
統計時分複用STDM是一種改進的時分複用，它能明顯的提高信道的利用率。集中器常使用這種統計時分複用。
可以看出統計時分複用在輸出線路上，一個用戶所佔用的時隙並不是週期性的出現，這種稱爲異步時分複用，而普通的時分複用稱爲同步時分複用。由於STDM幀中的時隙並不是固定的分配給某個用戶，因此在每個時隙中還必須有用戶的住址信息。
2.4.2 波分複用
波分複用WDM就是光的頻分複用。隨着技術的發展，開始使用密集波分複用DWDM這一名詞。
2.4.3 碼分複用
碼分複用CDM，實際上人們更常稱爲碼分多址CDMA。每個用戶可以在同一時間使用同一頻帶進行通信，由於各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此用戶之間不會造成干擾。在CDMA中，每一個比特時間再劃分爲m個短的間隔，稱爲碼片。
2.5 數字傳輸系統
在早期電話網中，從市話局到用戶電話機的用戶線採用最廉價的雙絞線電纜，而長途幹線採用的是頻分複用FDM的模擬傳輸模式。由於數字通信與模擬通信相比，無論是傳輸質量還是經濟上都有明顯優勢，目前長途幹線大都採用時分複用PCM的數字傳輸方式。現代電信網需要一種能承載來自其他各種業務網絡數據的傳輸網絡，在數字化的同時，光纖開始成爲長途幹線最主要的傳輸媒體。
早期的數字傳輸系統存在着許多缺點，主要有以下兩個：（1）速率標準不統一（2）不是同步傳輸。
2.6 寬帶接入技術
從寬帶接入的媒體來看可劃分爲兩大類：（1）有線寬帶接入（2）無線寬帶接入。
2.6.1 ADSL技術
非對稱數字用戶線ADSL技術是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶數字業務。
2.6.2 光纖同軸混合網（HFC網）
光纖同軸混合網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網的基礎上開發的一種居民寬帶接入網，除了傳送電視節目外，還能提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。
2.6.3 FTTx技術
光纖到戶FTTH就是把光纖一直鋪設到用戶家庭，只有在光纖進入用戶的家門後 ，才把光信號轉換爲電信號。但FTTH有兩個問題：價格不夠便宜和一般沒有這麼高的數據率的需求。所以出現了多種寬帶光纖接入方式，稱爲FTTx，就是把光電轉換的地方向外延伸到離用戶家門口有一定距離的地方。
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