物理层是参考模型的第1层，工作环境是相邻的两台设备。讲述比特作为信号在信道上递交时的协议，包括信号转换、信道使用等内容。
一.数据通信的理论基础
首先给定一个传输介质，信号在传导时有衰减。每种介质都有一个临界值，设为fc，只有当传输信号残留的能量值大于fc，才可以通过信道传递给接收方。
注意：信号的频率不同衰减的程度也不同，频率越高衰减越快。
通信系统的任务：数据→信号→在介质上传输→信号→数据
信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。
1.相关概念：
信道：用于传输信号的一个物理通道。可以是一个传输导线，也可以是一个频率范围，或几个传输导线的传输能力的复合。
（介质的）带宽：传输过程中能量（振幅）不会明显衰减的频率的宽度。对一根导线， （截止频率）。
带宽：在介质上单位时间内传递的bit位数。
基准频率：周期的倒数（每秒发送多少这样的信号）。一种信号包含一种或多种频率成分（方波含有很多种频率成分，以示波器为例）。每种成分都是基准频率的倍数。
当信号在信道中传输时，高于信道截止频率的频率成分将由于能量衰减过多而不能通过信道。通过信道的只能是低于截止频率的成分。（低频部分称为概貌，高频部分称为细节。）
信号会发生变形，能否准确识别，依赖于通信双方的约定（信号发送设备和信号接收设备的）。通信双方需要根据能够传输过去的频率成分考虑合适的调制（编码）和解调制（解码），即什么样的信号对应什么样的比特（组合）。
2.数学基础—傅里叶变换
对应频率的传输能力与均方根振幅成正比。
对于数字传输来说，目标是接收到的信号具有足以重构出原始发送比特序列的精度。也就是在传输过去8个谐波的情况，识别方就已经可以识别出这个信号的高低起伏了。全部传过去就造成了速度上的浪费。
下面看一个例子：约定：每一个周期信号表示8位，信道带宽为3000hz。
直观的解释（证明见相关文献）：
根据傅里叶变换，每个周期信号可以看作由多个频率不同的正弦函数和余弦函数叠加而成。
对每一个正弦（余弦）函数，如果其频率为f，则需要2f个（确切）采样点就可以完全恢复。这两个采样点可以分别对应振幅最大值和最小值，可以明确信号频率及取值（恢复信号需要）。
如果采样频率大于2f，不影响信号恢复，但是有冗余。但是冗余采样不会包含更多的信息。
如果采样频率小于2f，则会丢失部分信息，无法完全复原信号。进而影响接收识别过程。
表达三：给定一个带宽为B的信道，则这个信道的最大数据传输速率为：
log2V 是表达采样值时采用的二进制位数。
这个公式给出了物理介质带宽（Hz）与数字带宽（bps）之间的关系。V取决于发送和接收设备。
两个公式的注解：
带宽B实际上为一个信道支持的最大频率fmax与最小频率fmin的差值，即B=fmax-fmin。
二.引导性传输介质
1.双绞线
双绞线可以分成几大类。部署在许多办公大楼内的称为 类线（ Category 5 ）或“猫 5 ”(Cat 5）。 5类双绞线由两根绝缘导线轻轻地扭在一起， 对这样的双绞线被套在一个塑料保护套内。塑料外套既保护了双绞线又把多根导线捆在一起。
到6类为止，所有的双绞线都称为非屏蔽双绞线（UTP, Unshielded Twisted Pair ），这些双绞线仅由导线和绝缘层简单地构成。
可以双向同时使用的链路称为全双工 （full-deplex ）链路，就像双车道一样：相对应地，可以双向使用但一次只能使用一个方向的链路称为半双工链路 （half-duplex ），就像单轨铁路线；第三类，只允许一个方向上传输的链路则称为单工链路（simplex ），就像单行街一样。
由于在传输过程中有噪声，我们在传输时发送方发送的消息到接收方会被衰减，因此在使用两条线，来记录噪声。
因为同轴电缆用的是铜芯，而双绞线用的是铜丝，有电阻区别，因此它比非屏蔽双绞线有更好的屏蔽特性和更大的带宽，所以它能以很高的速率传输相当长的距离。
4.电磁频谱
典型的 ADSL 部署结构如图 2-35 所示。在这种方案中，电话公司的技术人员必须在客户住所安装一个网络接口设备（NID, Network Interface Device ）。这个小的塑料盒代表了电话公司财产的终结和客户财产的开始。靠近 NID （有时候组合在一起）是一个分离器（ splitter),分离器是一个模拟滤波器，它将 POTS 使用的 4000Hz 频段与数据分开。 POTS 信号被路由到己有的电话机或者传真机，而数据信号则被路由到 ADSL 调制解调器，。该调制解调器使用数字信号处理器来实现 OFDMo 由于当前大多数的 ADSL 调制解调器都是外置的，所以计算机必须通过高速方式与它相连。通常的做法是，使用以太网、 USB 电缆或者 802.l l 。
在线路的另一头（即电话公司端局）也要安装一个对应的分离器。在这里，信号中的
语音部分被过滤出来后送到正常的语音交换机中。频率在 26kHz 以上的信号则被路由到一
种新设备中，这种设备称为数字用户线路接入复用器（ DSLAM, Digital Subscriber LineAccess Multiplexer ）。该设备包含一个数字信号处理器，与 ADSL 调制解调器中的一样。一旦从信号中恢复出比特，就可以据此构造出数据包，并将数据包发送给 ISP。
3.光纤到户
光纤到户将本地回路升级为光纤，使用光信号传递数据。每大约100个用户的光纤通过分离器/组合器复合到一根到端局的光纤上，用户之间通过时分多路复用使用到端局的光纤。
四.数字调制与多路复用
数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。
–模拟(Analog)数据与数字(Digital)数据
信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播。
–模拟信号与数字信号
–基带( Base band ) 与宽带( Broadband )信号
1.信道及其主要特征
1.数字信道和模拟信道
数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。
模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。
2.模拟信号和数字信号
模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值
数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值
5.模拟传输和数字传输
数字数据的数字信号编码：
-
不归零制(NRZ，Non-Return to Zero)
二进制数字0、1分别用两种电平来表示。
常用－5V表示1，＋5V表示0。缺点: 不具备自同步机制，必须使用外同步。
-
曼彻斯特编码(Manchester code)
用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：高 →低的跳变——0，低→高的跳变——1
每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致
曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无需外同步信号。
缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。
-
差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code)
与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：
用在码元开始处有无跳变来表示0和1 ：
码元开始处有跳变——0
码元开始处无跳变——1
ASK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)
FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)
PSK：用载波的起始相位的变化表示0 (同相)和1(反相)
发送数字数据时完全有可能把频谱更有效率地划分成没有保护带。在**正交频分复用
(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing ）**中，信道带宽被分成许多独立发送数
据的子载波（例如 QAM ）。
c.TDM (时分复用)Time Division Multiplexing
原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙） ，每个用户占用一个通道传输数据。
在这种方式下，用户以循环的方式轮流工作。每个用户周期性地获得整个带宽非常短的一个时间，图 2-27 给出了三个流通过 TDM 复用的示例。每个输入流的比特从一个固定的时
间槽（time slot ）取出并输出到混合流。该混合流以各个流速率的总和速度发送。这种工作方式要求输入流在时间上必须同步。类似于频率保护带，为了适应时钟的微小变化可能要增加保护时间（guard time ）间隔。TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。
改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。TDM 完全不同于另一个统计时分复用（STDM, Statistical Time Division
Multiplexing ）。就是电信局或者移动公司采用的一种方法，给用户按照统计规律分配带宽。d.CDMA (码分复用)
码分复用（ CDM,Code Division Multiplexing ）是扩展频谱（spread spectrum ）通信的一种形式，它把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上。这种方法更能容忍干扰，而且允许来自不同用户的多个
信号共享相同的频带。由于码分复用技术最常用于第 个目的，因此它称为码分多址(CDMA, Code Division Multiple Access ）。我们来看一个类似的场景：在一个机场候机大厅里，许多人正在两两交谈。 TDM 可以看作是所有的人都聚集在大厅里按顺序进行交谈。FDM 可以看作是大厅里的人以不同的语调交谈，某些语调高些，某些语调低些，所有的交谈可同时进行并相互独立。 CDMA 可以看作是大厅里的每一对交谈使用不同的语言。讲法语的这一对在谈论有关法国的事情，并且把所有与法国无关的内容都当作噪声拒绝掉。因此， CDMA 的关键在于 能够提取出期望的信号，同时拒绝所有其他的信号，并把这些信号当作噪声。
1.Internet的核心思想：分组交换，核心技术：存储转发。
2.电话线路的前提是实现资源预留。类似于面向连接的过程：建立连接，使用连接，拆除连接。
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来源：大大胡萝卜
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