物理层的作用
物理层利用传输介质为通信的主机之间建立，管理和释放物理连接，实现比特流的透明传输（传输单位是比特），保证比特流通过传输介质的正确传输。
物理层的主要任务
确定与传输媒体的接口的一些特性。
- 机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
- 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表示何种意义。
- 过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
数据通信系统的模型
模拟信号 (analogous signal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号 (digital signal) —— 代表消息的参数的取值是离散的。
信道
- 信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
- 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
- 双向交替通信（半双工通信）——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)。
- 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。
基带信号
基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。
调制
调制分为两大类：
- 基带调制：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。把这种过程称为编码 (coding)。
- 带通调制：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。
常用编码方式
- 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具有自同步能力。
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。
奈氏准则
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。
信噪比
香农公式
1984年，香农 (Shannon) 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率（香农公式）。
- 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
- 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
- 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
- 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
同轴电缆
- 50 Ω 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
- 75 Ω 同轴电缆—— 有线电视 / 模拟传输常用
光纤（光缆）优点
(1) 通信容量非常大。
(2) 传输损耗小，中继距离长。
(2) 抗雷电和电磁干扰性能好。
(3) 无串音干扰，保密性好。
(4) 体积小，重量轻。
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。这种光纤就称为多模光纤。
单模光纤
若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。单模光钎比多模光钎传播距离更长。
非导引型传输媒体
- 短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
-
微波在空间主要是直线传播。
传统微波通信有两种方式：
地面微波接力通信
卫星通信
复用和分用
频分复用
将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
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）。
时分复用
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。
时分复用可能会造成线路资源的浪费。
统计时分复用 STDM
波分复用
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。
码分复用
常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
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。
码片序列
- 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。
- 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 - 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 - S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
码片序列实现了扩频
假定S站要发送信息的数据率为 b bit/s。由于每一个比特要转换成 m 个比特的码片，因此 S 站实际上发送的数据率提高到 mb bit/s，同时 S 站所占用的频带宽度也提高到原来数值的 m 倍。
这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种。
扩频通信通常有两大类：
- 直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)，如上面讲的使用码片序列就是这一类。
- 跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。
CDMA 的重要特点
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交 (orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。
接收端应该用自己的码片去和总的发送信号求内积，看看得出是1还是-1，或者是0。得出1说明发送端发送的是1，得出-1说明发送端发送的是0，得出0说明发送端没有发送码片。
ADSL
ADSL 技术就把 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。DSL 就是数字用户线 (Digital Subscriber Line) 的缩写。
ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。
我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。
ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。
ADSL 不能保证固定的数据率。
光纤同轴混合网（HFC网）
HFC (Hybrid Fiber Coax) 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的 CATV 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传输。HFC 网对 CATV 网进行了改造。
HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。
模拟光纤从头端连接到光纤结点 (fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。
电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。
FTTx 技术
- FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。
- FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…），例如：
光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：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。
光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：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各用户。
光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
