物理层 Physical Layer

物理层的基本概念 Overview

• 物理层的任务
  屏蔽掉不同传输媒体和通信手段间的差异，使数据链路层感受不到这种差异
• 五种信道复用方式
  时分复用、频分复用、统计时分复用、码分复用、波分复用
• 三种宽带接入方式
  非对称数字用户线（ADSL 技术，基于电话用户线改造）、光纤同轴混合网（HFC 网）、FTTx 技术

物理层下面的传输媒体 Transmission Media

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，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。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，而非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输

传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层。如果非要将它添加到体系结构中，只能将其放置到物理层之下。

导引型传输媒体 Guided Transmission Media

Coaxial Cable

Twisted Pair

Optical Fiber

Power Line

非导引型传输媒体 Unguided Transmission Media

若通信线路要通过一些高山或岛屿，有时就很难施工。即使是在城市中，挖开马路敷设电缆也不是一件很容易的事。当通信距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。但利用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现多种通信。由于这种通信方式不使用上一节所介绍的各种导引型传输媒体，因此就将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
特别要指出的是，由于信息技术的发展，社会各方面的节奏变快了。人们不仅要求能够在运动中进行电话通信（即移动电话通信），而且还要求能够在运动中进行计算机数据通信（俗称上网）。因此在最近十几年无线电通信发展得特别快，因为利用无线信道进行信息的传输，是在运动中通信的唯一手段
短波通信质量较差，速率较低。无限电微波通信可传输电话、图像、数据等信息。紫外线及更高波段目前还不能用于通信。卫星通信的优点是通信距离远，缺点是传播时延高，保密性差。

Radio wave

Microwave

Infrared

Visible light

百度百科-LIFI

传输方式 Transmission Mode

• 串行传输和并行传输
• 同步传输和异步传输
• 单工通信(单向通信)、半双工通信(双向交替通信)和全双工通信(双向同时通信)

串行和并行传输 Serial and Parallel Transmission

串行传输
数据是一个比特一个比特依次发送的，因此在发送端与接收端之间，只需要一条数据传输线路即可
并行传输
一次发送 n 个比特，因此，在发送端和接收端之间需要有 n 条传输线路
并行传输的优点是比串行传输的速度 n 倍，但成本高
数据在传输线路上的传输采用是串行传输，计算机内部的数据传输常用并行传输

同步和异步传输 Synchronous and Asynchronous Transmission

同步传输

• 数据块以稳定的比特流的形式传输。字节之间没有间隔
• 接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是 0 还是 1
• 由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同，在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错位,所以要使收发双发时钟保持同步

异步传输

• 以字节为单位传输，字节之间的时间间隔不固定
• 接收端仅在每个字节的起始处对字节内的 bit 实现同步
• 通常再每个字节的前后加上起始位和结束位
  

单工、半双工和全双工通信 Simplex, Half-Duplex, and Full-Duplex Communication

信道和电路并不等同。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
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：

• 单工通信（Simplex Communication）
  又称单向通信,即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电以及电视广播就属于这种类型
  
• 半双工通信（Half-Duplex Communication）
  又称双向交替通信,通信的双发可以交替地发送和接收信息，但不能同时进行。对讲机就是这种通信方式
  
• 全双工通信（Full-Duplex Communication）
  又称双向同时通信,通信的双方可以同时发送和接收信息。电话就是这种通信方式
  

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则需要两条信道（每个方向各一条）
双向同时通信的传输效率最高

编码和调制 Encoding and Modulation

编码Encoding 将信息转化为特定格式以便传输和存储的过程。
调制Modulation 将数字信号转化为模拟信号的过程，使得信号能够在传输介质中传播

编码方式 Encoding

不归零编码 Non-Return-to-Zero (NRZ) Encoding

正电平与负电平分别表示 1 和 0(或 0 和 1)，不归零编码中的电平不会在码元时间内归零，即在整个码元时间内，电平不会出现零电平
连续的两个 1 或 0 会导致电平保持不变，接收端如何判断这是两个码元还是一个码元呢？这需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元。但是对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号，因此不归零编码在计算机网络中并不常用

归零编码 Return-to-Zero (RZ) Encoding

每个码元传输结束后信号都要”归零”,接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。这相当于把时钟信号用归零的方式编码到数据之内,这称为”自同步”。但这种编码方式浪费了大量带宽

曼彻斯特编码 Manchester Encoding

在每个码元的中间时刻，电平都会发生变化，这样接收方就可以根据这个变化来判断码元的开始和结束。曼彻斯特编码的优点是不需要单独的时钟信号，而且不会浪费带宽，因此在计算机网络中应用较多,传统以太网就是使用曼彻斯特编码的

差分曼彻斯特编码 Differential Manchester Encoding

每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示“0”或“1”，有跳变为“0”，无跳变为“1”。

调制方式 Modulation

调试是将数字信号转化为模拟信号的过程，使得信号能够在传输介质中传播。模拟信号通常使用连续的变化来表示信息，如正弦波或方波。调制技术可以将数字信号转化为特定频率范围内的模拟信号，以方便传输和接收。

基本调制方式 Basic Modulation

三种基本调制方式：

• 调频 Frequency Modulation (FM)
• 调幅 Amplitude Modulation (AM)
• 调相 Phase Modulation (PM)

混和调制 Hybrid Modulation

正交振幅调制 QAM
QAM（Quadrature Amplitude Modulation）是一种混合调制技术，它是将调幅和调相结合起来的一种调制方式。QAM 信号是由两路正交的调制信号叠加而成的，一路是调幅信号，另一路是调相信号。QAM 信号的频谱效率很高，因此在数字通信中应用广泛。

信道的极限容量 Channel Capacity

信号失真 Signal Distortion

Nyquist Theorem and Shannon Theorem

信道复用 Channel Multiplexing

[[Ch3-2DataLinkLayer#静态划分信道 Static Channel Allocation]]

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。计算机网络中的信道广泛地使用各种复用技术。可分为频分复用、时分复用、波分复用及码分复用等

将一个物理信道根据时间、频率、空间等资源划分为多个虚拟信道。这么做的好处有二：一是减少管道的个数，为运营商减少线路成本；二是提升单通道的容量。

Reference:
【计算机网络系列】物理层：信道复用技术（频分复用、时分复用、波分复用及码分复用）
图文并茂——频分复用、时分复用、码分复用、复用和多址的区别