笔记
概念
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比特流，而不是指具体的传输媒体。用于物理层的协议也常称为物理层规程(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
- 机械特性
- 电气特性
- 功能特性
- 过程特性
数据通信
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)。
信道概念
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。
交互的方式分为三种：
- 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。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
- 双向交替通信 又称为半双工通信，即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)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。
- 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。
单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道(每个方向各一条)。显然，双向同时通信的传输效率最高。
来自信源的信号常称为基带信号
调制可分为两大类。一类是仅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。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)。
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。经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道),而使用载波的调制称为带通调制。
常用编码方式：
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。
基本的带通调制方法
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分别对应于频率或f。
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度或180度。
为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)。
信道极限容量
信道能够通过的频率范围
1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
在带宽为W(Hz)的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W(码元/秒)。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。
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。但通常大家都是使用分贝(dB)作为度量单位。
在1948年，信息论的创始人香农(Shannon)推导出了著名的香农公式。香农公式指出：信道的极限信息传输速率C是
香农公式表明，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。香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。
物理层下的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体
双绞线
同轴电缆
光缆
信道复用技术
最基本的复用就是频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)和时分复用TDM(Time Division Multiplexing)
频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源(频率带宽而非速率), 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
复用技术相对于信道而言, 相对与用户, 还有频分多址接入FDMA (Frequency Division Multiple Access), 简称频分多址; 时分多址接入TDMA(Time Division Multiple Access), 简称时分多址.
在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用
时分复用造成的线路资源浪费, 也就是TDM帧对于每个用户来说是均匀分配的情况下就会出现帧浪费.
统计时分复用STDM(Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用
某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现的。因此，统计时分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。
使用统计时分复用的集中器也叫作智能复用器，它能提供对整个报文的存储转发能力(但大多数复用器一次只能存储一个字符或一个比特),通过排队方式使各用户更合理地共享信道。此外，许多集中器还可能具有路由选择、数据压缩、前向纠错等功能。
波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用。
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DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)
码分复用CDM(Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法。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 (Code Division Multiple Access)
由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。
数字传输系统
早期的数字传输系统 速率标准不统一, 不是同步传输。为了解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫作同步光纤网
SONET(Synchronous Optical Network)。ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH (Synchronous Digital Hicrarch)
宽带接入技术
ADSL技术
非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造
ADSL技术把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。ADSL的ITU的标准是G.992.1(或称
G.dmt,表示它使用DMT技术)
于用户当时上网主要是从互联网下载各种文档，而向互联网发送的信息量一般都不太大，因此ADSL的下行(从ISP到用户)带宽都远远大于上行(从用户到ISP)带宽。“非对称”这个名词就是这样得出的
ADSL在用户线(铜线)的两端各安装一个ADSL调制解调器。这种调制解调器的实现方案有许多种。我国采用的方案是离散多音调DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术。DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1 MHz的高端频谱划分为许多子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道，并使用不同的载波(即不同的音调)进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。
基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM (DSLAccess Multiplexer)、用户线和用户家中的一些设施
DSL调制解调器又称为接入端接单元ATU(Access TerminationUnit)。由于ADSL调制解调器必须成对使用，因此把在电话端局(或远端站)和用户家中所用的ADSL调制解调器分别记为ATU-C(C代表端局(Central Office))和ATU-R(R代表远端(Remote))。用户电话通过电话分离器(Splitter)和ATU-R连在一起，经用户线到端局，并再次经过一个电话分离器把电话连到本地电话交换机。
DSL最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线(铜线),而不需要重新布线。
光纤同轴混合网(HFC网)
光纤同轴混合网(HFC网，HFC是Hybrid Fiber Coax的缩写)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。最早的有线电视网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向广播传输。但以后有线电视网进行了改造，变成了现在的光纤同轴混合网(HFC网)。
要使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号，需要把一个叫作机顶盒(set-top box)的设备连接在同轴电缆和用户的电视机之间。但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，它又称为电缆调制解调器(cable modem)。电缆调制解调器可以做成一个单独的设备(类似于ADSL的调制解调器),也可以做成内置式的，安装在电视机的机顶盒里面。用户只要把自己的计算机连接到电缆调制解调器，就可方便地上网了。
FTTx技术
光纤接入… Fiber To The …
从技术上讲，光纤到户FTTH(Fiber ToThe Home)应当是最好的选择，这也是广大网民最终所向往的。所谓光纤到户，就是把光纤一直铺设到用户家庭。只有在光纤进入用户的家门后，才把光信号转换为电信号。这样做就可以使用户获得最高的上网速率。
如，光纤到路边FTTC(C表示Curb)、光纤到小区FTTZ(Z表示Zone)、光纤到大楼FTTB(B表示Building)、光纤到楼层FTTF(F表示Floor)、光纤到办公室FTTO(O表示Office)、光纤到桌面FTTD(D表示Desk),等等。截至2019年12月，我国光纤接入FTTH/O的用户，已占互联网宽带接入用户总数的92.9%, 说明光纤接入已在我们互联网宽带接入中占绝对优势。
一个家庭用户远远用不了一根光纤的通信容量。为了有效地利用光纤资源，在光纤干线和广大用户之间，还需要铺设一段中间的转换装置即光配线网ODN(Optical Distribution Network),使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线。
"无源"表明在光配线网中无须配备电源，因此基本上不用维护，其长期运营成本和管理成本都很低。无源光配线网常称为无源光网络PON (Passive Optical Network)。
光线路终端OLT(Optical Line Terminal)是连接到光纤干线的终端设备。OLT把收到的下行数据发往无源的1:N光分路器(splitter),然后用广播方式向所有用户端的光网络单元ONU (Optical Network Unit)发送。
光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长。
参考
- 计算机网络（第八版）
