文章目录

1 物理层概念
- 1.1 主要功能
- 1.2 主要特性
- 1.3 传输方式
- - 1.3.1 串行传输
  - - 1.3.1.1 同步通信（比特流/报文同步）
    - 1.3.1.2 异步传输（字符同步）
  - 1.3.2 并行传输
2 数据通信
- 2.1 源系统
- 2.2 目的系统
- 2.3 传输系统
3 传输媒体
- 3.1 导引型传输媒体
- - 3.1.1 同轴电缆
  - 3.1.2 双绞线
  - 3.1.3 光纤
  - 3.1.4 电力线
- 3.2 非导引型传输媒体
- - 3.2.1 无线电波
  - 3.2.2 微波
  - 3.2.3 红外线
4 信道
- 4.1 信号
- - 4.1.1 模拟信号
  - 4.1.2 数字信号
- 4.2 信号编码（编码技术）
- - 4.2.1 基带调制（编码）
  - - 4.2.1.1 常用编码方式
  - 4.2.2 带通调制（转换为模拟信号）
  - - 4.2.2.1 常用基本带通调制方法
- 4.3 信道通信方式
- - 4.3.1 单向通信（单工）
  - 4.3.2 双向交替通信（半双工）
  - 4.3.3 双向同时通信（全双工）
- 4.4 码元
- 4.5 信道的极限容量
- - 4.5.1 信道能否通过的频率范围
  - 4.5.2 信噪比
- 4.6 信号复用技术
- - 4.6.1 频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)
  - 4.6.2 时分复用TDM(Time Division Multiplexing)
  - 4.6.3 统计时分复用 STDM(Statistic TDM)
  - 4.6.4 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
  - 4.6.5 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)
5 宽带接入技术
- 5.1 电话线拨号
- 5.2 ADSL宽带猫拨号
- 5.3 光纤同轴混合网（HFS网）
- 5.4 光纤接入
- - 5.4.1 无源光网络PON
  - - 5.4.1.1 PON系统传输方式
  - 5.4.2 有源光网络AON
参考资料

物理层可以屏蔽掉各种计算机硬件和传输媒体等通信方式的差异，使得数据链路层只需要关心其本层的协议和服务。用于物理层的协议称为物理层规程。

1 物理层概念

物理层是指通过传输介质，以及相关的通信协议、标准建立起来的物理线路。

1.1 主要功能

构建数据通路
可以是一段或多段物理介质构造一条完整的数据传输通道。
透明传输
让进行网络通信的各方不用管数据通路中具体的传输介质类型、相关标准以及通信协议的功能。
传输数据
把数据按比特流的顺序从发送端通过物理层接口传送到接收端的物理层。
数据编码
为了确保数据比特流能在对应的信道中正常通过，需要对数据编码。不同的传输介质所支持的数据编码类型不一样(如归零码、非归零码、曼彻斯特码、差分曼彻斯特码等)。
数据传输管理
物理层具有一定的数据传输管理功能，如基于比特流的数据传输流量控制、差错控制、物理线路的激活和释放等。

1.2 主要特性

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定。

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。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
电气特性
指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性
指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
过程特性
指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

1.3 传输方式

数据在计算机内部多采用并行传输方式，但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

1.3.1 串行传输

数据是一个比特一个比特依次发送的，只需要一条数据传输线路。

在串行通信中，只有发送方和接收方的动作在同一时间内进行，才能保证发送方发送的数据正确的被接受方接收。即发送方若以某一速率在一个起止时段内发送数据，接受方就必须以同样的速率在相同的时段内接受数据，否则收发就会产生微小的误差，这种微小误差的积累，将会导致传输错误。

因此，需要采取相应的技术，即同步技术，保证发送方和接收方能够同时动作，实现数据的正确传输。在计算机网络中，被广泛采用的同步技术有两种模式：异步传输模式和同步传输模式。

1.3.1.1 同步通信（比特流/报文同步）

数据块以稳定的比特流形式传输，字节之间没有间隔，接收端在每个比特的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0或是比特1。同步传输方式附加的额外开销小，传输速率高。但实际方式复杂，适用于高速数据传输。

同步传输模式又分为自同步法和外同步法。

自同步法
自同步法是指同步信息可以从数据本身获得（例如传统以太网所采用的曼切斯特编码）。
外同步法
外同步法是在一组字符的前附加一个或两个同步字符，表示该组字符传送的开始。

1.3.1.2 异步传输（字符同步）

以字节为独立的传输单位，传输字符之间的时间间隔可以是随机的、不同步的。接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此通常在每个字节的前后分别加上起始位和结束位。

字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）
字节中的每个比特仍然要同步（各比特的持续时间相同）

1.3.2 并行传输

一次发送n个比特，需要n条传输线路。

2 数据通信

数据通信是指在不同计算机之间传送表示字符、数字、语音、图像的二进制代码0、1比特序列的过程。一个简单的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（或接收段，接收方）。

一个数据通信系统又涉及到四种技术：

编码技术
差错控制技术
复用技术
交换技术

2.1 源系统

源系统一般包括以下两个部分：

源点（source）
源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或信源。
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。典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在计算机外面看不见调制解调器。

2.2 目的系统

目的系统一般也包括以下两个部分：

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。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
终点（destination）
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，例如把汉字在计算机屏幕上显示出来。终点又称为目的站，或信宿。

2.3 传输系统

传输系统又包括传输媒体与信道。下面章节会进行详细介绍。

3 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：

3.1 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。包括：双控线，同轴电缆，光纤，双绞线，电力线；

3.1.1 同轴电缆

同轴电缆由内导铜质芯线（单股实心线或多股绞合线），绝缘层，网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。

由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

在局域网发展的初期曾广泛的使用同轴电缆作为传输媒体。但是同轴电缆价格比较贵，且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。

目前同轴电缆主要用于有线电视网的居民小区中。

基带同轴电缆（50欧阻抗）：数字传输，过去用于局域网
带宽同轴电缆（75欧阻抗）：模拟传输，目前主要用于有线电视

3.1.2 双绞线

双绞线也称为双扭线，是最古老但又最常用的传输媒体。把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构成双绞线。

为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属似编织成的屏蔽层，这几十屏蔽双绞线STP。而没有屏蔽层的则称为无屏蔽双绞线UTP。

无屏蔽双绞线示意图：

屏蔽双绞线示意图：

1991年美国电子工业协会EIA和电信行业协会TIA联合发布了标准EIA/TIA-568-A，即商用建筑物电信标准，规定了UTP的标准：

3.1.3 光纤

光纤通信就是利用光纤传递光脉冲来通信，有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为 $10^8$ MHz的量级，因此光纤通信的传输带宽远远大于其他传输媒体的带宽。

光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，她们在电脉冲的作用下产生光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时还原出电脉冲。

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。光波在纤芯中传到，包层较纤芯有较低的折射率。

光纤示意图：

光在光纤中的折射：

光在光纤中的传播：

光纤根据射入的光线的多少又分为：多模光纤和单模光纤。

多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。多模光纤在传输一段距离后，由于色散等会产生失真，一般适用于短距离传输。发送光源一般为发光二极管，接收检测为光电二极管。
单模光纤：若光纤的直径减小到只有一条光的波长，则光纤就想一根波导那样，它可以使光纤一直向前传播，而不会产生多次反射。单模光纤由于没有色散，适合长距离传输。但是其对于光源要求较高，发送光源一般为激光发生器，接收为激光检波器。

光纤的优点：

通信容量大（25000到30000GHz的带宽）
传输损耗小，远距离传输时更加经济
抗雷电和电磁干扰性能好，这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
无串音干扰，保密性好，不易被窃听
体积小，重量轻

光纤的缺点：

割接需要专业设备
光电接口价格较高

3.1.4 电力线

目前如果要构建家庭高性能局域网，采用电力线是不能满足要求的。

3.2 非导引型传输媒体

非导引型传输媒体就是指自由空间，就是指通过电磁波来传输数据信号。

无线传输可使用的频段很广，除低频和紫外线和更高的波段无法使用外，其他均可以使用，具体可以见下图：

ITU又对可使用波段进行了区分和命名：

3.2.1 无线电波

LF和MF频段依靠地面波
HF和VHF频段依靠电离层的反射

3.2.2 微波

微波在空间主要是直线传播，微波会穿透电离层进入宇宙空间。分为地面微波接力通信、卫星通信

3.2.3 红外线

点对点无线传输
直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
传输速率低（4Mb/s~16Mb/s)

4 信道

信道，一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。指连接发送端与接收端的通信设备，实现从发送端到接收端的信号传送的媒介。

4.1 信号

在计算机网络中，计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频，它们可以统称为消息。数据是运送消息的实体。信号则是数据传输过程中的电磁波表示形式（光、电信号、无线信号）。

信号可以分为以下两种：

4.1.1 模拟信号

又称连续信号，指信号及其振幅、频率、相位等参数随时间连续变化的信号。

4.1.2 数字信号

又称离散信号，指离散的一系列电脉冲，它的取值是有限的几个离散数值，其强度在某个时间周期内维持一个常量级，然后改变到另一个常量级。

4.2 信号编码（编码技术）

计算机等数字设备中，“1”或“0”分别用高（或低）电平的电信号（方波形式）表示，方波固有的频带称为基带，方波电信号称为基带信号。

由信源发出的原始电信号称为基带信号，基带信号分为数字基带信号、模拟基带信号两类。信号需要在信道中传输，信道可分为数字信道和模拟信道两种。

基带信号中往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分的，而许多信道中是不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这种问题就需要对基带信息进行调制（modulation）。

调制分为两大类：

4.2.1 基带调制（编码）

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。由于这种调制是针对数字信号，把数字信号转换为另一种形式的数字信号，这种过程为称为编码 (coding)。

把数字信号转换为另一种数字信号，在数字信道中传输，称为编码。例如，以太网使用曼切斯特编码，4B/5B，8B/10B 等编码。
将模拟信号转换为数字信号，在数字信道中传输，也称为编码。例如，对音频信号进行编码的脉码调制PCM。

4.2.1.1 常用编码方式

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：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。但也可反过来定义。
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。首位依照曼彻斯特编码，后位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1，后面依次执行。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Mancℎester) 编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫作没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码能从连续的信号波形本身中提取信号位数。

4.2.2 带通调制（转换为模拟信号）

基带信号无法在模拟信道传输，需要使用**载波(carrier)**进行调制，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，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

带通信号：经过载波调制后的信号。

将数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输，称为调制。例如，WIFI采用补码键控、直接序列扩频、正交频分复用等调制方式
将模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输，也称为调制。例如，语音数据加载到模拟的载波信号中传输

4.2.2.1 常用基本带通调制方法

最基本的二元制调制方法有以下几种：

调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(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。

4.3 信道通信方式

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

4.3.1 单向通信（单工）

只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线广播以及电视广播属于这种类型

4.3.2 双向交替通信（半双工）

通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（也不能同时接收）。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。

4.3.3 双向同时通信（全双工）

即通信的双方可以同时发送和接收信息。

4.4 码元

时域观和频域观：在网络通信中，计算机信息（数据）是以电磁波（或称信号）的形式传输的。

电磁信号是时间的函数（时域观）
电磁信号也可以看成频率的函数（频域观）

码元 (code)：是指在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。简单来说码元就是一段调制好的基本波形，可以表示比特信息。

码元传输速率：是模拟信号的速率，以波形每秒的振荡数来衡量（也称为调制速率、波形速率或波特率）。通常数据传输速率（比特率）大于波特率。

4.5 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

信道容量（Channel Capacity）是指通信系统的最大传输速率（bps）。把能通过该信道的频率范围定义为信道带宽，显然，信道带宽总是有限的。故信道的数据传输速率受信道带宽的限制。

限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

4.5.1 信道能否通过的频率范围

具体的信道所能通过的频率范围总是有线的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。1924年，奈奎斯特推到出了著名的奈氏准则。他给出了在假定条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限值。

奈奎斯特准则：理想信道的二进制数据信号的最大数据传输速率C与信道带宽B（Hz）的关系为：

C = 2 B * \log_2{N}(bps)

其中n一个脉冲所表示的有效状态，应用最广的是一个脉冲表示两种状态，即n=2；

4.5.2 信噪比

噪声存在于所有的电子社保和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判断产生错误（1判断为0或0判断为1）。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

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（dB）作为度量单位。其中的关系：

香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率C与信道带宽B，信噪比S/N的关系为:

C=B* \log_2{1+S/N}(bps)

4.6 信号复用技术

多路复用技术（Multiplexing）:就是把多路信号在单一的传输线路和用单一的传输设备来进行传输的技术。它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

常用的多路复用技术有:

4.6.1 频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）

4.6.2 时分复用TDM(Time Division Multiplexing)

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。

每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。

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。

时分复用可能造成线路资源的浪费：

4.6.3 统计时分复用 STDM(Statistic TDM)

统计时分复用STDM是一个改进的时分复用，能够明显的提高信道的利用率。

4.6.4 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

4.6.5 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

5 宽带接入技术

用户要链接到互联网必须先链接到某个ISP，这里介绍下用户接入ISP的发展历史。

5.1 电话线拨号

90年代中期至2000年在互联网发展的初期，用户都是利用电话的用户线通过调制解调器（Modem ，我们所说的“猫”）接入到ISP，其最大网速最多能达到56kbit/s。

此时从市话局到用户电话机的用户线采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输方式。

5.2 ADSL宽带猫拨号

进入千禧年后（2000-2011年），拨号上网逐渐被淘汰，取而代之的是宽带ADSL。

ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line），即非对称数字用户线技术是用户数字技术对现有的模拟电话用户线路进行改造，使它能够承载宽带数字业务。因为ADSL的下行（从ISP到用户）带宽要远远大于上行（从用户到ISP）带宽，故而是非对称的。

ADSL在上网时，分高频和低频使用。低频段（0_{4khz）留给传统电话使用，高频段（40kHZ}1.1MHZ）是留给用户上网使用。

ADSL在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器。目前我国采用的离散多音调DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。采用的是频分复用的方式。

基于ADSL的接入网的组成：

ADSL最大的好处就是可以利用现有的电话网络中的用户线（铜线），而不需要重新布线。

ADSL接入方案是每户独占一条接入线，从用户到局端是一个星型网络，无论接入网中用户的数量或业务量大或小，ADSL用户都能独占1～8Mbps的带宽。但是ADSL的速率受到电话线路长度和质量的影响。例如，传输距离为4km时，最高速率为6Mbps；而6km时为1.5Mbps。当线路质量不太理想时，速率会更低。

5.3 光纤同轴混合网（HFS网）

HFC(Hybrid Fiber－Coaxial)网即混合光纤同轴网络，是以光纤为骨干网络，同轴电缆为分支网络的高带宽网络，传输速率可达20 Mb/s以上。国内的广电行业系统网络即采用HFC网络体系。数字电视以HFC为传输基础网络，其与传统有线电视结构基本一致，主要存储及传送的内容是MPEG-2流，采用IP over DWDM技术，基于DVD IP光纤网传输。

HFC采用非对称的数据传输速率，上行为10Mbit∕s,下行为10~40Mbit∕s，可以将一台主机或一个局域网接入internet。

HFC采用共享式的传输方式，所有电缆调制调解器的发送和接收使用同一个上下行信道，因此上网的用户越多，每个用户实际可以使用的带宽就越窄。

在我国HFC一般是广电在使用。

5.4 光纤接入

从2011年开始，光纤接入方式已经逐步取代了之前的ADSL。

光纤接入是指局端与用户之间完全以光纤作为传输媒体。光纤用户网的主要技术是光波传输技术。目前光纤传输的复用技术发展相当快，多数已处于实用化。

根据光纤深入用户的程度，可分为

FTTC 光纤到路边
FTTZ 光纤到小区
FTTO 光纤到办公室
FTTF 光纤到楼层
FTTH 光纤到户
FTTB 光纤到大楼

光纤接入可以分为有源光接入和无源光接入。

5.4.1 无源光网络PON

PON（无源光网络）是指OLT（光线路终端）和ONU（光网络单元）之间的ODN（光分配网络）全部采用无源设备的光接入网络.

PON是一种点对多点（P2MP）的光接入系统，它能够节省光纤资源、ODN无需供电、用户接入方便和支持多业务接入，是运营商目前大力推行的宽带光纤接入技术，主要有EPON和GPON两种技术。

下图是PON典型网络结构：

5.4.1.1 PON系统传输方式

上行方向为TDMA方式 - 各ONU上行数据分时发送，各ONU的发送时间与长度由OLT集中控制
下行方向为广播方式 - 下行数据广播发送，每个ONU根据下行数据的标识信息接收属于自己的数据，丢弃其他用户的数据

5.4.2 有源光网络AON

AON 是 Active Optical Network 有源光网络，主要采用点对点（PTP）网络架构，每个用户都可有一个专用的光纤线路。有源光网络是指信号在传输过程中，从局端设备到用户分配单元之间部署了诸如路由器和交换聚合器之类的交换设备、有源光器件等，这些交换设备由电力驱动以管理特定客户的信号分配和方向信号。有源光器件有光源（激光器）、光接收机、光收发模块、光放大器（光纤放大器和半导体光放大器）等。

参考资料

计算机网络与通信之物理层中的数据传输
计算机网络「二」—— 物理层（多图详解）
计算机网络——物理层（信道&传输容量&传输媒体）

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