一、物理层通信基础知识

先给出一个通信的基本模型吧，从模型讲起比较好。

从上面这张图我们可以看到，数据主要是通过三个部分来完成，源部分，传输部分，目标部分。既然是数据的传输，因此会有一些概念需要我们知道，

（1）数据(data)：运送消息的实体。

（2）信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现。

（3）“模拟的”(analogous)：代表消息的参数的取值是连续的。

（4）“数字的”(digital)：代表消息的参数的取值是离散的。

（5）码元(code)：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

现在一个基本的通信模型，还有一些基础概念我们也知道了，那么信号传输有哪几种方式呢？

（1）单工通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

（2）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。

（3）全双工通信：双方可以同时发送和接收信息。

现在基础的概念已经介绍完了，计算机网络的整个知识体系在于数据的传输，下面我们开始介绍物理层数据的传输

二、数据传输

1、两个概念

我们的数据最后都是转换成01信号的，01信号又通过电流传播。但是这些信号如何在计算机中传递转换呢？因此需要对这些传输的信号进行分类，主要有两个：

（1）基带信号

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。

（2）带通信号

把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。

2、如何调制信号

刚刚已经说了信号里面有很多不能直接传输的信号，需要调制，如何调制呢？有以下几种：

（1）调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。

（2）调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。

（3）调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

3、信道的极限容量

既然是传输，肯定都会有一定的损耗，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 而且码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。比如下面这种情况：

4、处理失真

既然要处理，我们还得熟悉俩人。

（1）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。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

（2）香农公式

香农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。信道的极限信息传输速率 C 可表达为：C = W log2(1+S/N) b/s ，W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明：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。 而且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。 还有若信道带宽 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。最后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。

OK，现在基本上整个物理层的传输过程算是完了，在实际情况中肯定有几种即使方案来完成上面的过程。

三、信道复用技术

1、为什么要使用信道复用

我们可以看到，信道复用技术可以大大提升我们的传输能力和资源利用率。

2、频分复用 FDM

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。

在这里不同的颜色就可以代表不同的用户，他们在同样的时间占用了不同的带宽。

3、时分复用TDM

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。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。

4、波分复用 WDM

波分复用就是光的频分复用，

5、码分复用 CDM

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。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。

OK，这一个知识点也讲完了，

四、宽带接入

xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。xDSL 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。

ADSL是xDSL的一种实现技术，它 的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。

例如，0.5 毫米线径的用户线，传输速率为 1.5 ~ 2.0 Mb/s 时可传送 5.5 公里，但当传输速率提高到 6.1 Mb/s 时，传输距离就缩短为 3.7 公里。

由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 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。

这就是物理层的一些核心知识点。下一篇文章将主要对数据链路层开始讲解。