2。1 基本概念

首先要知道的是，物理層考慮的是怎樣才能在連線各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流，而不是指具體的傳輸媒體。因為現在的計算機網路中的硬體裝置和傳輸媒體的種類非常的多。而物理層的作用就是要儘可能地遮蔽掉這些不同的差異，從而使得物理層上面的資料鏈路層感覺不到這些差異，這樣就可以讓資料鏈路層“安心”的完成自己的本職工作而不必考慮網路的具體傳輸媒體和通訊手段是什麼。

物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體介面有關的一些特性，即以下幾個方面：（1）

機械特性

：指明介面所用的接線器的形狀與尺寸，引腳數目和排列，固定和鎖定裝置等等（2）

電氣特性

：指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍。（3）

功能特性

：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。（4）

過程特性

：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。

描述特性資料在計算機中多采用並行傳輸的方式。但資料在通訊線路（傳輸媒體）的傳輸方式一般是

序列傳輸

，即逐個位元按照時間順序傳輸，因此

物理層還要完成傳輸方式的轉換。

2。2資料通訊的基本知識

因為物理連線的方式有很多，所以具體的物理協議的種類也有很多，從而傳輸媒體的種類也是非常之多，所以在介紹物理層時，我們應該先對“介面與通訊”有一定的瞭解。

2。2。1資料通訊系統的模型

一個通訊系統可以劃分為三大部分，即

源系統

，

傳輸系統

和

目的系統

。

首先介紹源系統，源系統一般包括以下兩個部分：

源點:

源點裝置產生要傳輸的資料，例如從計算機的鍵盤輸入漢字，計算機產生輸出的數字位元流。源點又稱為

源站

或者

信源

。

傳送器:

通常源點生成的數字位元流要透過傳送器編碼後才能夠在傳輸系統中進行傳輸。最典型的傳送器就是調製器，現在的很多計算器使用的都是內建的解調器（包括調製器和解調器）。

目的系統一般也包括以下兩個部分：

接收器:

接收傳輸系統傳送過來的訊號，並把它轉換為能夠被目的裝置處理的資訊。典型的接收器就是解調器，

終點:

終點裝置從接收器獲取傳送來的數字位元流，然後把資訊輸出。終點又稱為

目的站

或者

信宿

。

在源系統和目的系統之間的傳輸系統可以是簡單的傳輸線，也可以是連線在源系統和目的系統之間的複雜網路系統。

通訊系統

然後我們要來辨別一下下面的常用術語：

訊息:

指語音，文字，影象等等。

資料:

指使用特定方式表示的資訊，通常是有意義的符號序列。這種資訊的表示可用計算機或其他機器處理或者產生。

訊號:

指資料的電氣或電磁的表現。

常用術語

根據訊號中代表訊息的引數的取值方式不同，訊號可以分為以下兩大類：

(1)模擬訊號:

代表訊息的引數的取值是連續的。

(2)數字訊號:

代表訊息的引數的取值是離散的。

訊號2。2。2通道的基本概念

通道

是用來表示向某一個方向傳送訊息的媒體，一條通訊電路往往包含一條傳送通道和一條接收通道。

從通訊的雙方資訊互動的方式來看，可以有以下三種基本方式：

(1)單向通訊:

又稱為單工通訊，即只能有一個方向的通訊而沒有反方向的互動。無線電廣播或有線電廣播就是這種型別。

(2)雙向交替通訊:

又稱為半雙工通訊，即通訊雙方都可以傳送訊息，但不能雙方同時傳送（也不能同時接收）。這種通訊方式是一方傳送另一方接收。

(3)雙向同時通訊:

也稱為全雙工通訊，即通訊雙方都可以同時傳送和接收訊息。

通訊

來自信源的訊號稱為

基帶訊號

。像計算機輸出的代表各種文字或檔案的資料訊號都屬於基帶訊號。由於基帶訊號往往包含有較多的低頻成分和直流成分，但是許多通道並不能傳輸這種低頻分量或是直流分量。所以為了解決這一問題，就必須對基帶訊號進行

調製

。

調製主要是分為兩大類。一類是對基帶訊號的波形進行變換，使它能夠與通道的特徵相適應，但是變換後的訊號仍然是基帶訊號，這一類的調製稱為

基帶調製

，這一過程也被稱為編碼。還有一類調製則是需要使用載波進行調製，將基帶訊號的頻率範圍搬移到較高的頻段，並轉換為模擬訊號，這樣就能更好的在模擬通道中傳輸，經過載波調製的訊號稱為帶通訊號，而使用載波的調製稱為

帶通調製

。

調製（1）常用的編碼方式

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，但是也可以反過來定義。

差分曼徹斯特編碼:

在每一位的中心處始終有跳變。位開始邊界有跳變代表0，而位開始邊界沒有跳變代表1。

編碼方式編碼方式（2）基本的帶通調製方法

調幅(AM):

即載波的振幅隨著基帶數字訊號而變化。例如，0或1分別對應於無載波或有載波的輸出。

調頻(FM):

即載波的頻率隨著基帶數字訊號而變化。例如，0或1分別對應於頻率的

f1

或

f2

。

調相(PM):

即載波的初始相位隨著基帶數字訊號而變化。例如，0或1分別對應於相位0度或180度。當然，有時為了達到更高的資訊傳輸速率，也必須採用技術上更為複雜但傳輸效果更好的混合調製方法，例如正交振幅調製等等。

調製方法2。2。3通道的極限容量

限制資訊在通道上的傳輸速率的因素主要是以下兩個。

(1)通道能夠透過的範圍頻率

具體通道所能透過的頻率範圍總是有限的。訊號中的許多高頻分量往往不能透過通道，就是因為它的頻率超過了通道所能承受的最大頻率，因此就會造成失真現象。

(2)信噪比

噪聲存在於所有的電子裝置和通訊通道中。由於噪聲是隨機產生的，因此它的瞬時值有時會很大，所以噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤。但是噪聲的影響是相對的，當訊號較強時，噪聲的影響就相對較小。所以我們就要了解到

信噪比

的概念。信噪比就是指訊號的平均功率和噪聲的平均功率之比，單位是分貝：

信噪比除此以外，還有一個

夏農公式

需要了解，這個公式指出通道的極限資訊傳輸速率C是：圖片。png

W是頻寬，S是通道內所傳訊號的平均功率，N為通道內高斯噪聲的功率。夏農公式指出：通道的頻寬或者信噪比越大，則資訊的極限傳輸速率就越高。

影響因素2。3物理層下面的傳輸媒體

傳輸媒體也稱傳輸介質或傳輸媒介。傳輸媒體大致可以分為兩大類：

導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體

。下面來具體介紹。

2。1。3。1導引型傳輸媒體1。雙絞線

雙絞線就是指將兩根互相絕緣的銅導線並排放在一起，然後用規則的方法絞合起來。絞合可以減少對相鄰導線的電磁干擾。電話系統是使用雙絞線最多的地方，從使用者電話機到交換機的雙絞線稱為

使用者線

。

模擬傳輸和數字傳輸都會用到雙絞線，其通訊距離一般是為幾到幾十公里。

為了提高雙絞線的對抗電磁干擾能力，可以在雙絞線外面再加一層用金屬絲編織而成的遮蔽層，這就是遮蔽雙絞線。，簡稱為

STP

。

2。同軸電纜

同軸電纜內由導體銅質芯線、絕緣層、網狀編織的外導體遮蔽層以及保護塑膠外層組成。由於其特有的構造，所以同軸電纜有著良好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的資料。目前同軸電纜主要用在有線電視網的訊號傳輸當中。它的頻寬是取決於它的質量的。

3。光纜

光纖是光纜通訊的傳輸媒體，由於可見光的頻率非常之高，因此一個光纖通訊系統的傳輸頻寬遠遠大於目前其他各種傳輸媒體的頻寬。

當光纖從高折射率的傳輸媒體到低折射率的傳輸媒體時，其折射角就會大於入射角。因此如果當入射角足夠大時，就會產生全反射，光也就能沿著光纖傳輸下去。

光線在光纖中的傳輸

正是由於上面的原理，所以只要將入射角的角度把握好，就能夠產生全反射來進行傳輸，這也就是光纖傳輸的原理。

光纖傳輸的原理除此以外，由於上述的原理，所以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸，這種光纖就稱為

多模光纖

，但是由於光脈衝在多模光纖中傳輸時會逐漸展寬，造成失真，所以多模光纖只適合於近距離傳輸。如果光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導一樣，使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射，這樣的光纖就稱為

單模光纖

。

光纖不僅具有通訊容量大的特點，還有其他的一些特點：1。傳輸損耗小。2。抗雷電和電磁干擾效能好。3。無串音干擾，保密性很高。4。體積小，重量輕。

2。3。1非導引型傳輸媒體

我們將自由空間稱為非導引型傳輸媒體，簡單來說就是指無線傳輸。無線傳輸可以使用的頻段很廣，人們已經利用了好幾個波段來進行通訊，但是紫外線以及更高的波段現在暫時還是不能用於通訊。

短波通訊（高頻通訊）主要是靠電離層的反射來進行傳輸。但是短波通道的通訊質量較差，傳輸速率較低。

無線電微波通訊在資料通訊中佔有重要的地位。微波在空間中主要是以直線傳播。傳統的微波通訊主要有兩種方式，即

地面微波接力通訊和衛星通訊

。

要使用某一段無線電頻譜進行通訊，通常必須得到本國政府有關無線電頻譜管理機構的許可證。但是也有一些無線電頻段是可以自由使用的。例如ISM，各國的ISM標準可能略有差異。

無線區域網使用的ISM

傳輸媒體總結2。4通道複用技術2。4。1頻分複用、時分複用和統計時分複用

複用是通訊中的基本概念，它是指允許使用者使用一個共享通道來進行通訊，達到降低成本，提高利用率的效果。

先來介紹

頻分複用FDM

，頻分複用是指將頻寬分為多份，使用者在分到一定的頻帶後，在通訊過程中自始至終都佔用著這一條頻帶，也就是說頻分複用的使用者是在同樣的時間佔用不同的頻寬資源。

頻分複用

然後是

時分複用TDM

，它是指將時間劃分為一段段等長的時分複用幀（TDM幀）。每一個時分複用的使用者在每一個TDM幀中佔用固定序號的時隙。而每一個使用者所佔用的時隙是週期性地出現（其週期就是TDM幀的長度）。時分複用的所有使用者是在不同的時間佔用同樣的頻頻寬度。

時分複用但是當使用時分複用系統傳送計算機資料時，由於計算機資料的突發性質，使用者對分配到的子通道利用率一般是不高的。

最後是

統計時分複用STDM

，它是有一點類似於TDM的，只是STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態的分配時隙。因此統計時分複用可以提高線路的利用率。

統計時分複用2。4。2波分複用

波分複用WDM

就是光的頻分複用，也就是使用一根光纖來同時傳輸多個光載波訊號。

波分複用2。4。3碼分複用

碼分複用CDM

是另一種共享通道的方法。而人們更常使用分碼多重進接CDMA來稱呼它。這種複用方式的具體做法是可以讓每一個使用者在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通訊，由於各個使用者使用經過特殊的不同碼型，因此各使用者之間不會造成干擾。而且透過這種方式傳送的訊號具有很強的抗干擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不容易被他人發現。

碼分複用的工作原理是將每一個位元時間再劃分為m個短的間隔，稱之為碼片。一般情況下m的值是64或128。

使用CDMA的每一個站被指派一個唯一的m bit碼片序列。一個站如果要傳送位元1，則傳送它自己的m bit碼片序列。如果要傳送位元0，則傳送該碼片序列的二進位制反碼。舉例來說：

如果S站的8 bit碼片序列是00011011傳送位元1時，就傳送序列：00011011傳送位元0時，就傳送序列：11100110

有時為了方便起見，我們會將碼片中的0寫為-1，1寫為+1。

CDMA工作原理

現假定S站要傳送資訊的資料率為b bits/s，由於每一個位元要轉換成m個位元的碼片，因此S站實際上傳送的資料率提高到mb bit/s，同時S站所佔用的頻頻寬度也提高到原來數值的m倍。這種方式就是

擴頻

的一種。擴頻通訊通常有兩大類，一種是直接序列擴頻DSSS，另一種是跳頻擴頻FHSS。

CDMA系統的重要特點是每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且還必須互相正交，並且在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。

我們可以用數學公式來表示碼片序列的這種正交關係。先令向量S表示站s的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。那麼兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規格化內積等於0，即：正交關係的另一個重要特性是任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1或者一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是-1，即：2。5數字傳輸系統

在早期的電話網當中，從電話局到使用者電話機的使用者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的模擬傳輸方式。由於數字通訊與模擬通訊相比，無論數傳輸質量上還是從經濟上都有明顯的優勢，所以現在長途幹線大都採用時分複用PCM的數字傳輸方式。

但是早期的數字傳輸系統有著許多的缺點，其中最主要的是以下兩個：

(1)速率標準不統一:

由於歷史的原因，多路複用的速率體系有兩個互不相容的國際標準。所以國際範圍的基於光纖高速資料傳輸就很難實現。

(2)不是同步傳輸:

在過去各國的數字網主要是採用準同步的方式，所以當資料傳輸速率很高時，收發雙方的時鐘同步就成為很大的問題。

所以為了解決這些問題，美國推出了一個數字傳輸標準，叫做同步光纖網SONET。整個的同步網路的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。同時，SONET為光纖傳輸系統定義了同步傳輸的線路速率等級結構：

等級結構 之後以SONET為基礎，美國又制定出國際標準

同步數字系列SDH

，一般可以認為SDH和SONET是同義詞。2。6寬頻接入技術

寬頻的接入技術主要包括有線寬頻接入和無線寬頻接入。在這裡先來介紹有線寬頻接入。

寬頻接入技術2。6。1 ADSL技術

ADSL技術的全稱是非對稱數字使用者線技術，具體指的是用數字技術對現有的模擬電話使用者線進行改造，使它能夠承載寬頻數字業務。具體來說ADSL技術就是把0-4 kHZ這一段低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高階頻譜留給使用者上網使用。

ADSL的

傳輸距離

取決於資料率和使用者線的線徑（使用者線越細，訊號傳輸時的衰減就越大）。而ADSL所能得到的最高資料傳輸速率還與實際的使用者線上的信噪比密切相關。

ADSL在

資料率

方面由於使用者線上的具體條件相差較大，因此ADSL採用自適應調製技術使使用者線能夠傳送儘可能高的資料率。當ADSL啟動時，使用者線兩端的ADSL調變解調器就測試可用的頻率、各子通道受到干擾的情況以及在每一個頻率上測試訊號的傳輸質量。但是ADSL不能保證固定的資料率，所以對於使用者線很差的甚至無法開通ADSL。

基於ADSL的接入網由以下三大部分組成：數字使用者線接入複用器，使用者線和使用者家中的一些設施。

ADSL的組成

ADSL技術也在發展，現在已經有了更高速率的ADSL標準，稱之為

第二代ADSL

，第二代ADSL改進的地方主要是：

1.

透過提高調製效率得到了更高的資料率。

2.

採用了無縫速率自適應技術SRA，可在運營中不中斷通訊和不產生誤碼的情況下，自適應的調整資料率。

3.

改善了線路質量評測和故障定位功能。

2。6。2 光纖同軸混合網（HFC網）

HFC網是目前覆蓋面很廣的有線電視網CATV的基礎上開發的一種居民寬頻接入網，除了可以傳送CATV外，還能提供電話、資料和其他寬頻互動型業務。

為了提高傳輸的質量，HFC網將原有線電視網中的同軸電纜主幹部分改換為光纖，而光纖從頭端連線到光纖結點，在光纖結點光訊號被轉換為電訊號，最後訊號被送到每一個使用者的家庭。

HFC網結構圖電視家要接收到訊號就必須在同軸電纜和電視機之間裝上一個

機頂盒

，同時還需要安裝一個

電纜調變解調器

來使使用者能夠利用HFC網接入到網際網路。2。6。3 FTTx技術

FTTx是一種實現寬頻居民接入網的方案，代表多種寬頻接入的方式。這裡的x代表不同的光纖接入地點，例如FTTH光纖到戶，FTTB光纖到大樓等等。

現在的長距離訊號傳輸大都是採用光纖傳輸，只有在到了臨近使用者家中時，才將光纖轉換為銅纜。但是一個使用者是遠用不了一根光纖的通訊容量，因此我們在光纖幹線和使用者之間安裝一種轉換裝置即

光配線網

，使得許多使用者能夠共享一根光纖的通訊容量。由於光配線網無需使用電源，因此我們將其稱為無源光網路。