第二章--物理层
本章目录：
2.1物理层的基本概念
2.2数据通信的基础知识
2.2.1数据通信系统的模型
2.2.2有关信道的几个基本概念
2.2.3信道的极限容量
2.3物理层下面的传输媒体
2.3.1引导型传输媒体
2.3.2非引导型传输媒体
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
2.4.2波分复用
2.4.3码分复用
2.5数字传输系统
2.6宽带接入技术
2.6.1ADSL技术
2.6.2光纤同轴混合网(HFC网)
2.6.3FTTx技术
本章首先讨论物理层的基本概念。然后介绍有关数据通信的重要概念，以及各种传输媒体的主要特点，但传输媒体本身并不属于物理层的范围
本章最重要的内容是：
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物理层的任务
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几种常用的信道复用技术
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几种常用的宽带接入技术，主要是ADSL和FTTx
物理层的功能：主要是基于电器特性发送高低电压(电信号)
2.1物理层的基本概念
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据比特流，而不是值具体的传输媒体
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：
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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
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电气特性---指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
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功能特性---指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
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过程特性---指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
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)
源系统一般包含以下两个部分：
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源点(source)---源点设备产生要传输的数据。源点又称为源站，或信源
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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
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目的系统一般包含以下两个部分：
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接收器---接收传输系统传送过来的信号，并把只为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器
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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。终点又称为目的站，或信宿
通信的目的是传送消息(message)。数据(data)是运送消息的实体。数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。信号(signal)则是数据的电气或电磁波的表现
根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：
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模拟信号，或连续信号---代表消息的参数的取值是连续的
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数字信号，或离散信号---代表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(channel)一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体
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：
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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
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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
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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
调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行交换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号的仍然是基带信号，种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)。另一类调制则需要使用功能载波(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
常用的编码的方式：
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不归零制---正电平代表1，副电平代表0
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归零制---正脉冲代表1，负脉冲代表0
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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。可反过来定义
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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：
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调幅(AM)---即载波的振幅随基带数字信号而变化
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调频(FM)---即载波的频率随基带数字信号而变化
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调相(PM)---即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
1.信道能够通过的频率范围
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(dB)作为度量单位。即：信噪比(dB)=10 * log10(S/N) (dB)
香农公式：信道的极限信息传输速率C是C = W log2(1+S/N) b/s。式中，W为信道的带宽(以Hz为单位)；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。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
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，他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
2.3.1导引型传输媒体
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双绞线---双绞线也称为双扭线。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面在加上一层用金属丝编织成的屏蔽层，就是屏蔽双绞线，简称为STP(Shielded Twisted Pair)
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同轴电缆---由内导体铜质芯线(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
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光缆---光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。光纤是光纤通信的传输的媒体。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
2.3.2非导引型传输媒体
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
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 （FDM）Frequency Division Multiplex
用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始至终都占有这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间内占有不同的带宽资源（这里说的带宽是频率带宽，而不是数据的发送速率）
时分复用（TDM）Time Division Multiplex
时分复用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）。时分复用的所有用户是在不同的时间内占用同样的频带宽度
PS：时分复用可能会造成线路资源的浪费。使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到子信道的利用率一般不高
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
2.4.2波分复用
波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用
PS：光复用器又称为合波器，EDFA是掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier)，它是一种光放大器。光分用器又称为分波器
2.4.3码分复用
码分复用CDM(Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法
更常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。每一个用户可以在同样的时间使用功能同样的频带进行通信。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
其工作原理如图：
2.5数字传输系统
2.6宽带接入技术
从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类。一类是有线宽带接入，而另一类是无线宽带接入。由于无线宽带接入比较复杂，我们将在第九章中讨论这个问题。下面我们只限于讨论有线宽带接入
2.6.1ADSL技术
非对称数字用户线(Asymmetric Digital Subscriber Line)技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务
ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的路径(用户线越细，信号传输时的衰减就越大)
ADSL 在用户线的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。目的就是为了区分低频和高频
我国目前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 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，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。
每个子信道占据 4 kHz 带宽,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(DSL Access Multiplexer)，用户线和用户家中的一些设施
PS：接入端接单元ATU也称为ADSL调制解调器
ADSL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
2.6.2光纤同轴混合网(HFC网)
CATV：树形拓扑结构的同轴电缆网络，采用模拟技术的频分复用对电视节目的单向传输
HFC对CATV的基础上进行改造，从而开发出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业务
主要特点：HFC网吧原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)。每个家庭都要安装一个用户接口盒，HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能。
2.6.3FTTx技术
光纤接入方式称为FTTx，表示Fiber To The .....。这里字母x可代表不同的光纤接入地点，实际上FTTx就是把光电转换的地方
FTTH：光纤到家，光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法(155Mb/s)
FTTB：光纤到大楼，光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到个用户
FTTC：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体(155Mb/s)
