Table of Contents
零、資料通信的基礎知識
一、實體層的基本概念
二、實體層的傳輸媒體
三、實體層的信道複用技術
四、實體層的主要協定類型
五、實體層的通信裝置
零、資料通信的基礎知識
1.資料通信系統的模型
模型是：兩PC機經過普通電話機的連線，再經過公用電話網進行通信。
源系統包括：①源點（source，又稱源站、信源）：産生要傳輸的資料，如鍵盤輸入漢字産生輸出的數字比特流。②發送器：數字比特流通過發送器編碼才能在傳輸系統中傳輸，典型發送器是解制器。
目的系統包括：①接收器：把來自傳輸線路上的模拟信号進行解調，提取出在發送端置入的消息，還原出發送端産生的數字比特流。②終點（destination）：也稱目的站、信宿。
傳輸系統可以是傳輸線，也可以是連接配接在源系統和目的系統之間的複雜網絡系統。
常用術語：
通信的目的是傳送消息（message），如話音、文字、圖像。資料（data）是運送消息的實體。信号（signal）是資料的電氣的或電磁的表現。信号分為模拟信号（或連續信号，代表消息的參數的取值是連續的）和數字信号（或離散信号，代表消息的參數的取值是離散的）。在使用時間域（或簡稱時域）的波形表示數字信号時，則代表不同離散數值的基本波形就稱為碼元。在使用二進制編碼時，隻有兩種不同碼元，即0狀态和1狀态。
2.有關信道的幾個基本概念
信道是用來表示向某一個方向傳送資訊的媒體，是以一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接收信道。（和電路不等同）
三種基本方式：
①單向通信：又稱單工通信，即隻有一個方向的通信而無反方向的互動，如無線電廣播、電視廣播。 （一條信道）
②雙向交替通信：又稱半雙工通信，即通信雙方都可以發送資訊，但不能同時發送（也不能同時接收）。這種通信方式是一方發送另一方接收，過一段時間後再反過來。（兩條信道）
③雙向同時通信：又稱為全雙工通信，即通信雙方可以同時發送和接收資訊。（兩條信道）
注意：有時人們用“單工”表示“雙向交替通信”。
來自信源的信号常稱為基帶信号（即基本頻帶信号），它含有低頻和直流成分，這些是許多信道不能傳輸的，是以需要調制（modulation）。
調制分為：①基帶調制：僅僅對基帶信号的波形進行變換，使它能夠與信道特性相适應。變換後的信号仍是基帶信号。②帶通調制：使用載波（carrier）進行調制，把基帶信号的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸。經過載波調制後的信号稱為帶通信号（即僅在一段頻率範圍内能夠通過信道）。
最基本的帶通調制方法：①調幅（AM），即載波的振幅随基帶數字信号而變化。如0和1分别對應于無載波或有載波輸出。②調頻（FM），即載波的頻率随基帶數字信号而變化。如0和1分别對應于頻率f1或頻率f2。③調相（PM），即載波的初始相位随基帶數字信号而變化。例如0或1分别對應于相位0度或180度。
為打到更高傳輸率，需采用技術上更為複雜的多元制的振幅相位混合調制方法，例如正交振幅調制QAM（quadrature amplitude modulation）。
3.信道的極限容量
任何實際的信道都不理想，因為在傳輸信号時會産生各種失真。數字通信的優點：在接收端隻要我們能從失真的波形識别出原來的信号，那麼這種失真對通信品質就沒有影響。碼元傳輸的速率越高，或信号傳輸的距離越遠，或噪聲幹擾越大，或傳輸媒體品質越差，在接收端的波形的失真就越嚴重。
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限制碼元在信道上的傳輸速率的因素有：
①信道能夠通過的頻率範圍
碼間幹擾：在接收端收到的信号波形失去了碼元之間清晰界限。
奈氏準則：給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間幹擾，碼元的傳輸速率的上限值。在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（或識别）成為不可能。
如果信道頻帶越寬，也就是能夠通過的信号高頻分量越多，那麼就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。
②信噪比
信号強，噪聲影響相對小。信噪比是信号的平均功率和噪聲的平均功率之比，記為S/N，用分貝（dB）作為度量機關。
信噪比（dB）=10log（S/N）（dB）
1948年，資訊論的創始人香農（shannon）推導了香農公式：信道的極限資訊傳輸速率C是：
C=Wlog2（1+S/N） （b/s）
W—信道帶寬，機關Hz
S—信道内所傳信号的平均功率
N—信道内部的高斯噪聲功率
香農公式表明：信道的帶寬或信道中的信噪比越大，資訊的極限傳輸效率就越高。香農公式指出了資訊傳輸速率的上限。其意義在于：隻要資訊傳輸速率低于信道的極限資訊傳輸速率，就一定可以找到某種方法來實作無差錯的傳輸。但是，香農公式并沒有告訴我們具體的實作方法。
對于頻帶寬度已确定的資訊，如果信噪比不能再提高了，碼元傳輸速率也達到了上限值，那還有什麼辦法提高資訊的傳輸速率？這就是讓每一個碼元攜帶更多比特的資訊量。
例如，假定基帶信号是101011000。如果直接傳送，則每一個碼元攜帶1bit。現将3個比特編為一組，即101，011，000。3個比特有8種不同排列，可用不同調制方法來表示這樣的信号。例如，8種不同振幅，8種不同頻率，8種不同相位進行調制。假設用相位調制，用相位a1表示101，a2表示011，a3表示000，則原來9個碼元的信号就轉換為由3個碼元組成的信号。也就是說，以相同速率發送碼元，則同樣時間所傳送的資訊量就提高到了3倍。
然而，實際信道上的資訊傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少，這是因為信号還受其他損傷，如各種脈沖幹擾和在傳輸中産生的失真等等。而這些在香農公式中未考慮。
一、實體層的基本概念(是什麼)
1.實體層的任務
實體層是幹嘛的呢?實體層是五層協定最底下的一層,它上面所承接的是資料鍊路層發來的資料幀,實體層就負責把這些資料幀轉化為一個個0和1,也就是資料比特流,然後在網線(底層的實體傳輸媒體:可能還是電纜,雙絞線 光釺等等)上傳遞,
實體層需考慮怎樣才能在連接配接各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料比特流，而不是指具體的傳輸媒體。硬體裝置、傳輸媒體種類、通信手段多樣，實體層要屏蔽掉這些差異，使上面的資料鍊路層感受不到這些差異，這樣資料鍊路層隻管如何完成本層的協定和服務。
2.實體層的特性
①機械特性
指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等等。
②電氣特性
指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍。
③功能特性
指名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
指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。
資料在計算機中是并行傳輸，但在通信線路上是串行傳輸（經濟考慮，逐個比特按照時間順序傳輸），是以實體層還要完成傳輸方式的轉換。
二、實體層的傳輸媒體(用什麼傳)
也稱為傳輸媒體或傳輸媒介，可分為導向傳輸媒體和非導向傳輸媒體。導向傳輸媒體中，電磁波被導向沿着固定媒體（銅線或光纖）傳播，而非導向傳輸媒體就是指自由空間，常稱無線傳輸。
1.導向傳輸媒體
⑴雙絞線
也稱雙紐線，把兩根互相絕緣的銅導線并排放在一起，然後用規則方法絞合（twist）起來就構成了雙絞線。絞合可減少相鄰導線的電磁幹擾。從使用者電話機到交換機的雙絞線稱為使用者線或使用者環路（subscriber loop）。通常将一定數量的這種雙絞線捆成電纜，在其外面包上護套。
模拟傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線。距離太長時就要加放大器以便将衰減了的信号放大到合适的數值（對于模拟傳輸），或者加上中繼器以便将失真了的數字信号進行整形（對于數字傳輸）。導線越粗，通信距離越遠，越貴。
為提高雙絞線的抗電磁幹擾的能力，可以在雙絞線的外面再加上一層用金屬絲編織成的屏蔽層，這就是屏蔽雙絞線STP（shielded twisted pair）。它的價格比無屏蔽雙絞線UTP（unshielded teisted pair）貴。
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無論是哪種類别的線，衰減都随頻率的升高而增大，使用更粗的導線可以降低衰減，但增加了導線的價格和重量。線對之間的絞合度（機關長度内的絞合次數）和線對内兩根導線的絞合度都必須經過精心設計，并在生産中嚴格控制，使幹擾在一定程度上抵消。
在設計布線時，要考慮到受到衰減的信号應當有足夠大的振幅，以便在有噪聲幹擾的條件下能夠在接收端正确地被檢測出來。雙絞線究竟能夠傳送多高速率（Mb/s）的資料還與數字信号的編碼方法有很大的關系。
⑵同軸電纜
由内導體銅質芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層（也可以是單股的）以及保護塑膠外層所組成。由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗幹擾特性，被廣泛用于傳輸較高速率的資料。
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區域網路發展初期，廣泛使用同軸電纜作為傳輸媒體。但随着技術進步，在區域網路基本上是采用雙絞線作為傳輸媒體。目前同軸電纜主要用在有線電視網的居民小區中。同軸電纜的帶寬取決于電纜的品質。目前高品質的同軸電纜的帶寬已經接近1GHz。
⑶光纜
光纖通信是利用光導纖維（簡稱光纖）傳遞光脈沖來進行通信。有光脈沖相當于1，而沒有光脈沖相當于0。由于可見光的頻率非常高，約為10^8MHz的量級，是以一個光纖通信系統的傳輸帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸媒體的帶寬。
光纖是光纖通信的傳輸媒體。在發送端有光源，可以采用發光二極管或半導體雷射器，它們在電脈沖的作用下能産生出光脈沖。在接收端利用光電二極管做成光檢測器，在檢測到光脈沖時可還原出電脈沖。
光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構成雙層通信圓柱體。纖細很細，包層較纖芯有較低的折射率。當光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時，其折射角将大于入射角。是以，入射角足夠大，就會出現全反射，即光線碰到包層時就會折射纖芯。這個過程不斷重複，光就沿着光纖傳輸下去。
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上圖：隻畫了一條光線，隻要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某一個臨界角度，就可以發生全反射。是以，可以存在許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。光脈沖在多模光纖中傳輸時會逐漸展寬，造成失真。是以多模光纖隻适合于近距離傳輸。若光纖的直徑減小到隻有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳輸，而不會産生多次反射。這樣的光纖就稱為單模光纖。單模光纖的纖芯很細，其直徑隻有幾個微米，制造起來成本較高。同時單模光纖的光源要使用昂貴的半導體雷射器，而不能使用較便宜的發光二極管。但單模光纖的衰弱較小，在2.5Gb/s的高速路下可傳輸數十公裡而不必采用中繼器。
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由于光纖非常細，是以必須做成很結實的光纜，一根光纜少則隻有一根光纖，多則可包括數十至數百根光纖，再加上加強芯和填充物就可以大大提高其機械強度。必要時還可放入遠供電源線。最後加上包帶層和外護套，就可以滿足工程施工的強度要求。
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優點：①傳輸損耗小，可遠距離。②抗雷電和電磁幹擾性好，可在大電流脈沖幹擾的環境下使用。③無串音幹擾，保密性好，不易被竊聽或截取資料。④體積小，重量輕。⑤通信容量大。
缺點：要将兩根光纖精确地連接配接需要專用裝置，通過T形接口連接配接到計算機。
T形接口有兩種：
①無源的
可靠。裡面有一個光電二極管（供接收用）和一個發光二極管LED（供發送用），都熔接在主光纖上，即使它們出現故障，也會使連接配接的計算機處于脫機狀态，而整個光纖網還是連通的。由于在每一個接頭處光線會有些損失，因而整個光纖環路的長度受到了限制。
②有源的
有源的T形接頭實際上就是一個有源轉發器。進入的光信号通過光電二極管變成電信号，再生放大後，再經過發光二極管LED變成光信号繼續向前傳送。利用有源轉發器使得每兩台計算機之間的距離可長達數公裡。缺點：一旦T形接頭出了故障，整個光纖環路即斷開不能工作。現在純光的信号再生器也已開始使用。由于不需要進行光電和電光的轉換，是以其工作帶寬大大增加。
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注：導向傳輸媒體中，還有一種是架空明線（銅線或鐵線）。安裝簡單但通信品質差（環境影響大），目前我國農村和邊遠地區還在用。
2.非導向傳輸媒體
通信線路要通過一些高山或島嶼時，導向傳輸媒體很難施工。
短波通信（高頻通信）主要是靠電離層的反射。但電離層的不穩定所産生的衰落現象和電離層反射所産生的多徑效應（指同一個信号經過不同的反射路徑到達同一個接收點，但各反射路徑的衰減和時延都不相同，使得最後得到的合成信号失真很大），使得短波信道的通信品質較差。是以，當必須使用短波無線電台傳送資料時，一般是低速傳輸，隻有在采用複雜的調制解調技術後，才能使資料的速率達到幾千比特/秒。
無線電微波通信：微波在空間主要是直線傳播，它會穿透電離層而進入宇宙空間，是以它不像短波那樣可以經電離層反射傳播到地面上很遠的地方。傳統的微波通信有兩種方式：地面微波接力通信和衛星通信。
地面微波接力通信：由于微波在空間中直線傳播，而地球表面是曲面，傳播距離受限制，一般隻有50km左右，若用天線塔則可增大到100km。為實作遠距離通信必須在一條無線電通信信道的兩個終端之間建立若幹個中繼站。中繼站把前一站送來的信号經過放大後再發送到下一站，故稱為“接力”。
優點：
①微波波段頻段很高，其頻段範圍也很寬，是以其通信信道的容量很大。
②因為工業幹擾和天線幹擾的主要頻譜成分比微網誌頻率低很多，對微波通信的危害比對短波和米波通信小很多，因而微波傳輸品質較高。
③與相同容量和長度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設投資少，見效快，易于跨越山區、江河。
缺點：
①相鄰站之間必須直視，不能有障礙物。有時一個天線發射出的信号也會分成幾條略有差别的路徑到達接收天線，因而造成失真。
②微波的傳輸有時受惡劣氣候的影響。
③與電纜通信系統比較，微波通信的隐蔽性和保密性較差。
④對大量中繼站的使用和維護要耗費較多的人力和物力。
衛星通信：常用的是人造同步地球衛星。最大特點是通信距離遠。它和微波接力通信相似，衛星通信的頻帶很寬，通信容量很大，信号受到的幹擾小，通信穩定。具有較大的傳播時延，但這并不代表“用衛星信道傳送資料的時延較大”，因為傳送資料的時延還有傳輸時延、處理時延、排隊時延。因覆寫面廣是以适用于廣播通信，但保密性差。
紅外通信、雷射通信
三、實體層的信道複用技術(怎麼樣更有效的傳)
1.頻分複用、時分複用和統計時分複用
複用的示意圖
頻分複用FDM（frequency division multiplexing）：使用者在配置設定到一定的頻帶後，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。所有使用者在同樣時間占用不同的帶寬資源。
時分複用：将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幀中占用固定序号的間隙。每一個使用者所占用的間隙是周期性出現（其周期就是TDM幀的長度）。是以，TDM信号也稱為等時（isochronous）信号。時分使用者是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。
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兩種方法優點：技術成熟。缺點：不夠靈活。時分複用更有利于數字信号的傳輸。
使用者數增加時，頻分複用的信道的總帶寬會增加。但是時分複用裡，每一個時分複用幀長度不變，時隙寬度變窄，時隙寬度非常窄的脈沖信号所占的頻譜範圍也是非常寬的。
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從上圖看出，當某使用者暫時無資料發送時，在時分複用幀中配置設定給該使用者的時隙隻能處于空閑狀态，其他使用者即使一直有資料要發送，也不能使用這些空閑的時隙。這就導緻了複用後的信道效率使用率不高。
統計時分複用STDM（statistic TDM）：
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工作原理：每一個STDM幀中的時隙數小于連接配接在集中器的使用者數，各使用者有了資料就随時發往集中器的輸入緩存，然後集中器按順序掃描輸入緩存，把緩存中的輸入資料放入STDM幀中，對沒有資料的緩存就跳過去。當一個幀的資料放滿了，就發送出去。
可提高線路的使用率。在輸出線路上，某一個使用者所占用的時隙不是周期性出現，是以統計複用又稱為異步時分複用。普通的叫同步時分複用。
假定所有使用者都不間斷向集中器發送資料，那集中器難以應付，它内部緩存會溢出，是以集中器能夠正常工作的前提是假定各使用者都是間歇地工作。
由于STDM幀中的時隙不是固定配置設定給某個使用者，是以在每個時隙中還必須有使用者的位址資訊。使用統計時分複用的集中器也叫做智能複用器，它能提供對整個封包的存儲轉發能力（但大多數複用器一次隻能存儲一個字元或一個比特），通過排隊方式使各使用者更合理地共享信道。此外，許多集中器還可能具有路由選擇、資料壓縮、前向糾錯等功能。
強調：TDM幀和STDM幀都是在實體層傳送的比特流中所劃分的“幀”，這種“幀”和資料鍊路層的“幀”是完全不同的概念。
2.波分複用（WDM，wavelength division multiplexing）
即光的頻分複用。光纖速率高，一根單模光纖的傳輸速率可達2.5Gb/s，再提高很難。如果解決色散（dispersion）問題（色散即光脈沖中不同頻率的分量的傳輸速率不同，這導緻信号的失真因而産生誤碼。當傳輸速率增高時，色散問題就越來越嚴重。）
由于光載波的頻率很高，是以習慣上用波長而不用頻率來表示所使用的光載波，這就有了波分複用的名詞。還有密集波分複用。
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解釋：8個波長很接近的光載波經過光複用器（也稱合波器）後，就在一根光纖中傳輸。是以速率是8倍。但光信号傳輸了一段距離後會衰減，是以對衰減了的光信号必須先放大才能繼續傳輸。這就需要摻铒光纖放大器EDFA（erbium doped fiber amplifire）。它不需要像以前那樣，先把光信号轉換成電信号，經過電放大器放大後，再轉換成光信号。它是直接對光信号進行放大，并在1550nm波長附近有35nm頻帶範圍提供比較均勻的、最高可達40～50dB的增益。兩個光纖放大器之間的光纜線路長度可達120km，而光複用器和光分用器（又稱分波器）之間的無光電轉換的距離可達600km（隻需放入4個光纖放大器）。而在使用波分複用技術自己光纖放大器之前，要在600km的距離傳輸20Gb/s，需要鋪設8根速率為2.5Gb/s的光纖，而且每隔35km要用一個再生中繼器進行光電轉換後的放大，并再轉換為光信号（這樣的中繼器總共需要有128個多）。
3.碼分複用CDM（code division multiplexing）
是一種共享信道的方法。或稱為碼分多址CDMA（code division multiple access），每一個使用者可以在相同的時間使用同樣的頻帶進行通信。由于各使用者使用經過特殊挑選的不同碼型，是以各使用者之間不會造成幹擾。價格和體積下降。
工作原理：每一個比特時間再劃分為m個短的間隔，稱為碼片（chip）。通常m的值是64或128。以下例子設為8。使用CDMA的每一個站被指派一個唯一的m bit碼片序列（chip sequence）。一個站如果要發送比特1，則發送它自己的m bit碼片序列。如果要發送比特0，則發送該碼片序列的二進制反碼。例如，指派給S站的8 bit 碼片序列是00011011。當S發送比特1時，它就發送序列00011011，發送0時就發送11100100。按慣例，将0寫為—1，将1寫為+1。則S站碼片序列為（—1 —1 —1 +1 +1 —1 +1 +1）。
假定S站要發送資訊的資料率為b b/s。由于每一個比特要轉換成m個比特的碼片，是以S站實際上發送的資料率提高到mb b/s，同時S站所占用的頻帶寬度也提高到原來數值的m倍。這種通信方式是擴頻（spread spectrum）通信中的一種。擴頻通信有兩類：直接序列擴頻DSSS（direct sequence spread spectrum）和跳頻擴頻FHSS（frequency hopping spread spectrum）。
CDMA系統的一個重要特點就是這種體制給每一個站配置設定的碼片序列不僅必須各不相同，而且還必須互相正交（orthogonal）。在實用的系統中是使用僞随機碼序列。
這種正交關系是：令向量S表示站S的碼片向量，再令T表示其他任何站的碼片向量。正交是指向量S和T的規格化内積（inner product）都是0：
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例如，向量S為（—1 —1 —1 +1 +1 —1 +1 +1），向量T為（—1 —1 +1 —1 +1 +1 +1 —1），這相當于T站的碼片序列為00101110。這兩個碼片序列正交。不僅如此，向量S和各站碼片反碼的向量的内積也是0。另外，任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化内積都是1：
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而一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化内積值是—1。這從上式可看出。
假定在一個CDMA系統中有很多站都在互相通信，每一個站所發送的是資料比特和本站的碼片序列的乘積，因而是本站的碼片序列（相當于發送比特1）和該碼片序列的二進制反碼（相當于發送比特0）的組合序列，或什麼也不發送（相當于沒有資料發送）。我們還假定所有的站所發送的碼片序列都是同步的，即所有的碼片序列都在同一個時刻開始。利用全球定位系統GPS就不難做到這點。
現假定有一個X站要接收S站發送的資料。X站就必須知道S站所特有的碼片序列。X站使用它得到的碼片向量S與接收到的未知信号進行求内積的運算。X站接收到的信号是各個站發送的碼片序列之和。根據上面兩個公式和疊加原理（假定各種信号經過信道到達接收端是疊加的關系），那麼求内積得到的結果是：所有其他站的信号都被過濾掉（其内積的相關項都是0），而隻剩下S站發送的信号。當S站發送比特1時，在X站計算内積的結果是+1，當S站發送比特0時，内積的結果是—1。
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解釋圖：S站要發送的資料是1 1 0三個碼元。CDMA将每一個碼元擴充為8個碎片，而S站選擇的碼片序列為（—1 —1 —1 +1 +1 —1 +1 +1）。S站發送的擴頻信号為Sx（隻包含互為反碼的兩種碼片序列）。T站選擇的碼片序列為（—1 —1 +1 —1 +1 +1 +1 —1），也發送1 1 0三個碼元，T站擴頻信号為Tx。因所有的站都使用相同的頻率，是以每一個站都能夠收到所有的站發送的擴頻信号。本例中，所有的站收到的都是疊加的信号Sx+Tx。
當接收站打算收S站發送的信号時，就用S站的碼片序列的與收到的信号求規格化内積。這相當于分别計算S*Sx和T*Tx。顯然，S*Sx就是S站發送的資料比特，因為在計算規格化内積時，各項或者都是+1，或者都是—1。而S*Tx一定是零，因為相加的8項中的+1和—1各占一半，是以總和一定是零。
四、實體層的主要協定類型(有哪些協定)
用于實體層的協定也常稱為實體層規程（procedure）。
五、實體層的通信裝置(有哪些裝置)
可以參考https://www.bilibili.com/video/av34083775?from=search&seid=5616525866533241675
https://blog.csdn.net/gongda2014306/article/details/52442981