第 二 章 物理层
一、物理层的基本概念
物理层并非指具体的传输媒体，而是指屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异来传输比特 流。
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：
1 ．机械特性；
2 ．电气特性；
3 ．功能特性；
4 ．过程特性。
二、数据通信的基础知识
1 数据通信系统的模型
如图 2-1 所示，数据通信系统主要由源系统、传输系统和目的系统组成。
图 2-1 数据通信系统的模型
2 有关通信的几个基本概念
（1）数据和信号
①数据：传送信息的实体；
②信号：数据的电气或电磁表现，分为连续变化的模拟信号（模拟数据）和离散变化 的数字信号（数字数据）。
（2）信道相关的概念
①信源：产生和发送数据的源头；
②信宿：接收数据的终点；
③信道：信号的传输媒介；
④三种基本通信方式
a ．单向（单工）通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互；
b ．双向交替（半双工）通信：通信的双方都可以发送和接收信息，但不能同时发送和 接收；
c ．双向同时（全双工）通信：通信的双方可以同时发送和接收信息。
（3）速率和带宽的概念
①速率：单位时间内传输的数据量，可用码元（用一个固定时长的波形信号表示一个 k 进制数称作码元）传输速率或信息传输速率表示：
a ．码元传输速率：单位时间内数字通信系统传输的码元个数，单位是波特（Baud）； b ．信息传输速率：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数，单位是 bit/s。
【注意】若一个码元携带 nbit 的信息量，则 mBaud 的码元传输速率对应m×nbit/s 的信 息传输速率。
②带宽：见第 1 章定义。
3 编码与调制
（1）基带信号、编码和调制的基本概念
①基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号；
②编码：将数据变为数字信号的过程；
③调制：将数据变为模拟信号的过程。
（2）常用编码方式
如图 2-2 为数字信号常用编码方式，主要有以下四种：
图 2-2 数字信号常用编码方式
①不归零制（NRZ）：用正电平代表 1 ，负电平代表 0 来表示二进制数字，但电平不 归零；
②归零制：用正电平代表 1 ，负电平代表 0 来表示二进制数字，但电平会归零；
③曼彻斯特编码：将一个码元分成两部分，码元周期中心向上跳变表示 0 ，向下跳变 表示 1 ，也可相反定义；
④差分曼彻斯特编码：码元中心均有跳变，码元开始边界有跳变表示 0 ，没有调变表 示 1。
（3）常用调制方式
如图 2-3 所示为最基本的三种调制方法，说明如下：
图 2-3 三种最基本的调制方法
①调幅（AM）：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；
②调频（FM）：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；
③调相（PM）：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。
4 与信道传输速率相关的两大定理
（1）奈奎斯特定理
在理想低通（无噪声、带宽有限）的信道中，设信道的带宽为 W（Hz），则为防止码 间串扰，其信道的极限码元传输率为2WBaud；设每个码元离散电平的数目为 V ，则 信道的极限数据率为 2Wlog2V（bit/s）。
（2）香农定理
在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道中，设 W 为信道的带宽，S 为信道所传输信号 的平均功率，N 为信道内部的高斯白噪声功率，则 S/N 为信噪比（当信噪比以分贝为 单位时，信噪比＝10log10（S/N）（dB）），这种情况下信道的极限数据传输速率= Wlog2（1＋S/N），单位时 bit/s。
三、物理层下面的传输媒体
传输媒体即传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通 路。
1 导引型传输媒体
（1）双绞线
由采用一定规则并排绞合且相互绝缘的铜导线组成，绞合减少了相邻导线的电磁干扰； 在局域网和传统电话网中普遍使用，价格便宜。
（2）同轴电缆
由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的屏蔽层和塑料外壳组成；广泛用于传输较高 速率要求的数据。
（3）光缆
利用光导纤维传递光脉冲来进行通信；通信容量大、传输损耗小、中继距离长、抗雷 电和电磁干扰性能好、无串音干扰、保密性好、体积小，重量轻，但价格昂贵，设备要求高。
2 非导引型传输媒体
利用无线电波在自由空间的传播可较快地实现多种通信，进行无线传播的常见非导向 传输媒体有：
（1）短波通信（高频通信）
依靠电离层的反射，一般应用短波无线电台时是低速传输。
（2）无线电微波通信
微波通信主要有两种方式：
①地面微波接力通信
地面微波接力通信的通信信道容量大、微波传输质量高、可传输电话、电报、图像、 数据等信息，但它容易受恶劣天气影响，且通信的隐蔽性和保密性差，维护困难。
②卫星通信
卫星通信的通信距离远，克服了地面微波接力通信距离的限制，覆盖面积广，但它的 传播时延大。
此外，还有红外通信、激光通信等非导向传输媒体，不一一赘述。
四、信道复用技术
数据在传输过程中，可以在发送端进行复用，使其传输过程共享一个信道，再在接收 端进行分用。
1 频分复用（FDM）
如图 2-4（a）所示，用户在分配到一定的频带后，通信过程中自始至终都占用这个频带的一种技术。
图 2-4 频分复用和时分复用
2 时分复用（TDM）
如图 2-4（b）所示，将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每个用户占用固定的时 分复用帧的一种技术。
3 统计时分复用（STDM）
如图 2-5 所示，STDM 是一种改进的时分复用，当终端有数据传输才分配到时间片，能明显提高信道利用率。
图 2-5 统计时分复用的工作原理
4 波分复用（WDM）
波分复用是一种光的频分复用，在发送端用合波器使光中传输多种不同的波长（频率），在接收端用分波器分解不同的光波，如图 2-6 所示。
图 2-6 波分复用的工作原理
5 码分复用（CDM）
码分多址（CDMA）是码分复用的一种方式，下面举例说明CDMA 的工作原理：
设 A 站点的芯片序列为 00011011 ，则 A 发送 1 即发送序列 00011011 ，发送 0 即发送 序列 11100100 ，可以用一种特殊方式表示这种序列（即把 0 写作－1 ，1 写作＋1 来表 示站点的码片向量），例如 00011011 的码片向量 S ＝（－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1）； 现有 B 站点，其码片向量设为 T ＝（－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1）；此时，两个不同 站点的码片向量是正交的，即 S·T ＝0；
现 A 站点向C 站点发送 1 ，B 站点向C 站点发送 0 ，它们到了公共信道后将进行叠加 （线性相加），则此时公共信道上的码片向量为 S＋（－T）＝S－T ，到达 C 站点后 需进行数据分离，若要得到来自A 站点的数据，则计算得 S ·（S－T）＝1（即A 发送 的数据为 1），计算来自B 站点的数据同理。
五、数字传输系统
1 早期数字传输系统的缺点
（1）速率标准不统一；
（2）不是同步传输。
2 同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH
SONET 是一种数字传输标准，整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟， 它还为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构；
SDH 一般认为是 SONET 的同义词，但它的基本速率与 SONET 不同。
六、宽带接入技术
宽带接入技术是为了提高用户的上网速率。
1 ADSL 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，使它 能承载宽带数字业务。基于 ADSL 的接入网由以下三个部分组成：
（1）数字用户线接入复用器 DSLAM（包括了许多 ADSL 调制解调器）；
（2）用户线；
（3）用户家中的一些设施。
2 光纤同轴混合网（HFC 网）
HFC 网是基于有线电视网的一种居民宽带接入网，它除了传送电视节目外，还提供电 话、数据和其他宽带交互型业务；它将原来有线电视网主干中的同轴电缆换成了光纤， 且每个家庭要接收数字电视信号时需要安装一个机顶盒。
3FTTx 技术
（1）FTTx
FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，其中x 可代表不同的光纤接入地点；网民所 期待的是做到光纤到户 FTTH ，即将光纤一直铺设到用户家庭，但其价格高昂，且不 是每个用户都有这么高的数据要求。
（2）无源光网络 PON
为有效利用光纤资源及控制运营和管理成本，在光纤干线和用户之间可以使用不需要 配备电源的无源光网络 PON ， 目前最流行的无源光网络有以太网无源光网络 EPON 和 吉比特无源光网络 GPON。