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本章的重要内容：
1. 物理层的任务。
2. 几种常用的信道复用技术。
3. 几种常用的快带接入技术，主要是ADSL和FTTx。
1. 物理层的基本概念
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用就是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。
用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure），其实就是物理层协议。
可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：
（1）机械特性 指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置，等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
（2）电器特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
（3）功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
（4）过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
数据在计算机内部多采用并行传输方式，但在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般是串行传输（出于经济考量），即逐个比特按照事件顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。
具体的物理层协议种类非常多。因为物理连接方式很多，传输媒体的种类也非常多。因此，在学习物理层时，重点放在掌握概念上。
2. 数据通信的基础知识
2.1 数据通信系统的模型
下面用【两个计算机通过普通电话线的连线，再经过公用电话网进行通信】的例子说明数据通信系统的模型：
上图所示，一个数据通信系统可划分为三个部分，分别是源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）、目的系统（或接收端、接收方）。
源系统一般包括两个部分：
源点（source）——源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流，源点又称为源站、或信源。
发送器——通常源点产生的数字比特流经过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。计算机使用内部的调制解调器。
目的系统也包括两个部分：
接收器——接受传输系统传过来的信号，转换为能被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号解调提取出在发送端置入的信息，还原出数字比特流。
终点（destination）——从接收器获取到的数字比特流，然后把信息输出。终点又被称为目的站、或信宿。
源系统和目的系统之间的既可以是简单的传输线，也可以是复杂网络系统。
一些常用术语：
通信的目的是传送消息（message）。如话音、文字、图像、视频等都是消息。数据（data）是运送消息的实体，是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。
信号（signal）是数据的电气或电磁的表示，可以分为两大类：
（1）模拟信号，或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。
（2）数字信号，或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。在使用时间域（简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散值的基本波形就称为码元（一个码元所携带的信息量是不固定的，由调制方式和编码方式决定）。例如二进制编码中，只有0和1两种状态的不同码元。
2.2 有关信道的几个基本概念
信道（channel）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看，可以有三种基本方式：
（1）单向通信——又称为单工通信，只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。如无线电广播、有线电广播、电视广播。
（2）双向通信——又称为半双工通信，通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送或接收。这种方式就是一方发送一方接收，过段时间后可以反过来。
（3）双向同时通信——又称为全双工通信，双方可以同时发送或接收消息。
单向通信只需要一条信道，双向和双向同时需要两条（每个方向各一条）。双向同时的效率最高。
来自信源的信号称为基带信号（即基本频带信号），例如计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号。基带信号往往包含较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信号并不能传输这种低频分量或直流成分。为解决这一问题，必须对基带信号进行调制（modulation）。调制可以分为两大类：
（1）这一类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。变换后依然是基带信号，称为基带调制。这种调制是把数字信号变换为另一种形式的数字信号，这一过程常常被称为编码（encoding）。
常用编码方式
- 不归零制——正电平代表1，负电平代表0
- 归零制——正脉冲代表1，负脉冲代表0
- 曼彻斯特编码——位周期中心的向上跳代表变0，位周期中心的向下跳代表变1。可以反过来定义。
- 差分曼彻斯特编码——每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1。
从上图信号波形可以看出，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（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。
（2）这一类调制需要使用载波（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进行传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。
基本的带通调制方法
- 调幅（AM）——即载波的振幅随着基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
- 调频（FM）——即载波的频率随着基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。
- 调相（PM）——即载波的初始相位随着基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。
为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。
有了上述的概念后，我们再讨论信道的极限容量。
2.3 信道的极限容量
数字通信的优点是：虽然信号在信道上的传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。
从概念上讲，限制码元（代表不同离散数值的基本波形）在信道上的传输速率的因素有以下两个：
（1）信道能够通过的频率范围
信道能够通过的频率范围总是有限的。如上图（a）所示的矩阵脉冲信号包含有很多的高频分量，若这些高频分量在传输中受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭，每一个码元所占的时间界限也不那么明确。这样，在接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰的界限，这种现象叫做码间串扰。严重的码间串扰会使得本来清楚的一串码元变得模糊而无法识别，如上图（b）。
解决方法奈氏准则：在假定理想条件下，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，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，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，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）信噪比
噪声存在于所有电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，所以它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1判为0，0判为1）。但噪声的影响是想对的：如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比就很重要。
信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，度量单位为分贝(dB)。即信噪比(dB) = 10lg(S/N) (dB)。 例如S/N=1000时，信噪比为30dB。
- 香农公式指出：信道的极限信息传输速率C是 C = W log2(1+S/N) (bit/s) 其中W为信道的带宽（单位是Hz）；S是信道中所传信号的平均功率；N是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，信息的极限传输速率就越高。
- 香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种方法来实现无差错的传输。
从以上不难看出，如果信道的带宽已经确定，且信噪比不能再提高，并且码元传输速率也达到了上限值，还有什么方法能够提高信息的传输速率呢？——让每一个码元尽可能携带更多的信息量。例子如下：
在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，因为在实际信道中，信号要受到其他的一些损伤，如各种脉冲干扰和在传输中产生的失真，等等。
3. 物理层下面的传输媒体
传输媒体又叫做传输介质或者传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可以分为两大类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体（导引即“guided”，也称为导向传输媒体）。
在导引型传输媒体中，电磁波被导引着沿着固体媒体（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播通常称为无线传播。下图是电信领域使用的电磁波的频谱。
3.1 导引型传输媒体
1. 双绞线
双绞线也被称为双扭线，是最古老但常用的传输媒体。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。这段从用户交换机到交换机的双绞线被称为用户线或用户环路（subscriber loop）。
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，通信距离一般为几到几十公里。距离太长就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器以便对失真了的数字信号进行整形（对于数字传输）。
为了提高双绞线抗电磁干扰能力，可以在双绞线外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）。价格比无屏蔽双绞线贵。
无论哪种类别的双绞线，衰减都随着频率的升高而增大。使用更粗的双绞线可以降低衰减但是提高的重量和成本。信号应当有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端正确地被检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大关系。
2. 同轴电缆
同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛运用传输较高速率的数据。
3. 光缆
光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，没有相当于0。由于可见光的频率非常高，因此一个光纤通信系统的传输宽带远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤是光纤通信的传输媒体。发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下还能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可以还原出电脉冲。
虽然上图只画了一条光线，但实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角，就可以发生全反射。因此，可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤叫做多模光纤。
光脉冲在多模光纤中传输会逐渐展宽（脉冲展宽就是使脉冲时间加长），造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。
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，他可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤被称为单模光纤。单模光纤的纤芯很细，造价昂贵，但衰耗较小，在100Gbit/s的高速率下可传输100公里而不必采用中继器。
光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：
- 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
- 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
- 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
- 体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。
3.2 非导引型传输媒体
在不易设置电缆的地区，利用无线电波在自由控件的传播就可以比较快地实现多种通信。由于这种通信方式并不使用上一节所介绍的各种导引型传输媒体，因此称为“非导引型传输媒体”。近几十年无线通信发展如此之快，是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。
无线传输可使用的频段很广。如下图可以看出，人们现在已经利用了好几个波段进行通信。紫外线和更高的波段目前还不能应用于通信。
短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差。因此，一般都是低速传输，即速率为一个标准模拟话路传几十至几百比特/秒。只有在采用复杂的调制解调技术后，才能使数据的传输速率达到几千比特/秒。
无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300MHz~300GHz（波长1m~1nm），但主要使用2~40GHz的频率范围。微波在空间上的传播主要是直线传播。由于微波会穿过电离层进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方，传统的微波通信方式主要有两种：地面微波接力通信和卫星通信。
由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是曲面，因此其传播距离受限，一般只有50km左右。但若采用100m高的天线塔，则传播距离可增大到100km。为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站称为“接力”。
微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。其主要特点是：
- 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。
- 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波（即甚高频）通信小得多，因而微波传输质量比较高。
- 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。
当然，微波接力通信的缺点如下：
- 相邻站之间必须直视（常称为视距LOS Line Of Sight），不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。
- 微波的传播有时也会收到恶劣的天气影响。
- 与电缆通信系统相比，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
- 对大量中继站的使用和维护要花费较多的人力物力。
常用的卫星通信方法是在地球站之间利用人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。对地静止通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信的中继站。可见卫星通信的主要优缺点大体上应当与地面微波接力通信差不多。
卫星通信的最大特点就是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。和微波接力通信相似，卫星通信频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰较小，通信比较稳定。为了避免干扰，卫星之间相隔如果不小于2度，那么整个赤道，那么整个赤道上空只能放置180个同步卫星。好在人们想出来可以在卫星上使用不同的频段来进行通信。因此总的通信容量还是很大的。另一个特点就是具有较大的传播时延。由于各地球站的天线仰角并不相同，因此不管两个地球站之间的地面距离是多少，从一个地球站到另一个地球站的传播时延在250~300ms之间。一般可取270ms。这和其他通信有较大差别（注意：这和地球站之间的距离没有什么关系）对比之下，地面微波接力通信链路的传播时延一般取为3.3us/km。
4. 信道复用技术
4.1 频分复用、时分复用、统计时分复用
复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念。在计算机网络中的信道广泛地使用各种复用技术。下面是对信道复用技术简单的介绍：
上图是复用的示意图：（a）表示A1,B1,C1分别使用一个单独的信道和A2,B2,C3进行通信，总共需要三个信道。如果在发送端使用一个复用器，就可以让大家合起来使用一个共享信道进行通信，接收端再使用分用器把合起来传输的信息分别送到相应的终点，如（b）。共享信道由于带宽较大因而费用很高，再加上复用器和分用器。但如果复用的信道数量较大，那么在经济上还是很划算的。
最基本的复用就是频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）和时分复用TDM（Time Division Multiplexing）。
频分复用最简单，特点如上图图所示。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。可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的带宽是频率带宽而非数据的发送速率）。
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。为方便起见，上图只画了4个用户A，B，C，D。每一个用户所占用的时隙周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。因此TDM信号也被称为等时（isochronous）信号。可见时分复用的所有用户在不同的时间用同样的频带宽度。
这两种复用方法的优点是技术比较成熟，缺点是不够灵活。时分复用则更有利于数字信号的传输。
在使用频分复用时，每一个用户的频带时不变的，所以当用户增加的时候，复用后的信道的总带宽也就跟着变宽。例：传统电话通信每一个标准话路的带宽是4kHz，若有1000个用户进行频分复用，那么总的信道的带宽就是4MHz；但在时分复用时，每个周期的TDM帧是不变的，所以用户增加的时候，复用后每个用户分配到的周期的时隙宽度就会变窄。例：一个时分复用帧始终是125us，若有1000个用户进行时分复用，则每一个用户分配到的时隙宽度就是0.125us。
在进行通信时，复用器和分用器成对地使用。在复用器和分用器之间时用户共享的高速信道。复用器和分用器的作用相反。
如上图所示共画出了4个时分复用帧，每个时分复用帧有4个时隙。在时分复用中，每个用户所分配到的时隙变窄了，当某用户暂时没有数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。这就造成时分复用后的信道利用率不高。
统计时分复用STDM（Statistic TDM）是一种改进后的时分复用，能够明显提高信道的利用率。集中器常使用这种统计时分复用。
下图是统计时分复用原理图。一个使用统计时分复用的集中器链连接4个低速用户，然后将它们的数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。
统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。【各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按照顺序一次扫描输入缓存，把输入缓存中的输入数据放入STDM帧。对没有数据的缓存就跳过，当一个帧的数据放满了就发送出去。】因此，STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高信道的利用率。另外，可以看出，在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现，因此统计时分复用也被叫做异步时分复用，普通的时分复用被称为同步时分复用。注意：虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和，但从平均的角度来看，二者是平均的。假定所有的用户都不间断地向集中器发送数据，那么集中器肯定无法应付，它内部设置的缓存都将溢出。所以集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇性工作。
由于STDM帧中的时隙并不是固定分配给用户的，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是STDM不可避免的开销。上图中的输出线路上每个时隙之间的短时隙（白色）就是放入地址信息的。使用统计时分复用的集中器也叫做只能复用器，它能提供对整个报文的存储转发能力（大多数复用器一次只能存储一个字符或一个比特），通过排队方式使各个用户更合理地共享信道。此外，许多集中器可能还具有路由选择、数据压缩、前向纠错等功能。
注意：TDM帧和STDM帧都是物理层传送的比特流中所划分的帧，和后面的数据链路层中的“帧”是完全不同的概念，不可混淆。
4.2 波分复用
波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）就是光的频分复用。光纤技术的应用使得数据的传输速率空前提高。现在人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，就能用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。这样就使光纤的传输能力可成倍地提高。由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。这样就得出了波分复用的这一名词。最初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号。随着技术发展，在一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多，现在已经能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。于是就是用了密集波分复用DWDM（Dense WDM）这一名词。例：每一路的数据率是40Gbit/s，使用DWDM后，如果一根光纤上复用64路，就能够获得2.56Tbit/s的数据率。波分复用的概念如下图：
在地下铺设光缆耗资很大，因此人们总是在一根光缆中放入尽可能多的光纤，然后对每一个光纤使用密集波分复用技术。因此，具有100根速率为2.5Gbit/s光纤的光缆，采用16倍的密集波分复用，得到一根光缆的总数据率为 100*2.5*16 Gbit/s，即 4 Tbit/s。这里的T为10^12，中文名词为“太”，即“兆兆”。
4.3 码分复用
码分复用CDM（Code Division Multiplexing）是另一种共享信道的方式，人们更常用的名词是码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）。每一个用户使用经过特殊挑选的不同码型，可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，各个用户之间不会造成干扰。采用CDMA可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率……
※ 帮助理解码分复用：https://blog.csdn.net/dog250/article/details/6420427
在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。通常m为128或64。下面原理性说明中，为方便起见将m设为8。
由于比特时间要转换成m个比特的码片，因此发送站实际的发送数据率会提高到原来的m倍，同时发送站所占的频带宽度也会提高到原来的m倍。这种通信方式是扩频（spread spectrum）。扩频通信通常有两大类：一种是直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），如上面讲的使用码片序列；另一种是调频扩列FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）。
CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每个站分配的码片序列不仅必须两两不同，而且必须互相正交（令向量S表示S站的码片序列，向量T表示T站的码片序列。两个不同站的码片序列正交就是S和T的规格化内积都是0：）。在实用的系统中是使用伪随机码序列。
向量S和各站码片反码的向量的内积都是0。另外，任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1：
；而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积都是-1。
现在假定在一个CDMA系统中由很多站都在互相通信，每一个站所发送的是数据比特流和本站的码片序列的乘积。因而是本站的码片序列（相当于发送比特1）和该码片序列的二进制反码（相当于发送比特0）的组合序列，或什么也不发送（相当于没有数据发送）。我们还假定所有的站所发送的码片序列都是同步的，即所有码片序列都在同一时刻开始。利用全球定位系统GPS就不难做到这一点。
现假定有一个X站要接收S站发送的数据，X站就必须知道S站所特有的码片序列。X站使用它得到的码片向量S与接收到的位置信号进行求内积的运算。X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。根据上面的两个公式，再根据叠加原理（假定各种信号经过信道到达接收端是叠加的关系），那么求内积得到的结果是：所有其他站的信号都被过滤掉（其内积的相关项都是0），而只剩下S站发送的信号。当S站发送比特1时，在X站计算内积结果是+1；当S站发送比特0时，内积的结果是-1。
上图是CDMA的工作原理。设S站要发送的数据是110三个码元，再设CDMA将每一个码元扩展为8个码片，而S站选择的码片序列为（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）。S站的扩频信号为Sx。我们应当注意到，S站发送的扩频信号Sx中，只包含互为反码的两种码片序列，T站选择的码片序列为（-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1），T站也发送110三个码元，而T站的扩频信号为Tx。因所有的站都用相同的频率，因此每个站都能够接收到所有的站发送的扩频信号。对于上图给定例子，所有的站收到的都是叠加的信号Sx+Tx。
当接收站打算收S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积。这相当于分别计算S·Sx和S·Tx。显然，S·Sx就是S站发送的数据比特，因为在计算内积时，按 内积公式 相加的各项要么都是+1要么都是-1；而S·Tx一定是0，因为相加的8项中的+1和-1各占一半，因此总和一定是0。
5. 数字传输系统
在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输方式。由于数字通信和模拟通信相比，无论是传输还是经济上都有明显的优势，目前，长途干线大都采用时分复用PCM脉冲编码调制(Pulse Code Modulation)的数字传输方式。因此，现在的模拟线路就基本上只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。
电信网(telecommunication network)是构成多个用户相互通信的多个电信系统互连的通信体系，是人类实现远距离通信的重要基础设施，利用电缆、无线、光纤或者其它电磁系统，传送、发射和接收标识、文字、图像、声音或其它信号。因此需要一种能承载来自其他各种业务网络数据的传输网络。在数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。光纤的高带宽适用于承载今天的高速率数据业务（比如视频会议）和大量复用的低速率业务（比如话音）。基于这个原因，当前光纤和要求高带宽传输的技术还在共同发展。但早期的数字传输系统存在许多缺点，主要是以下两个：
- 速率标准不统一。由于历史的原因，多路复用的速率体系在国家之间互不兼容，导致国际范围的基于光纤的高速数据传输就很难实现。
- 不是同步传输。在过去为了节约经费，各国的数字网主要采用准同步方式。在准同步系统中由于各支路信号的时钟频率有一定的偏差，给时分复用和分用带来许多麻烦。当数据传输的速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题。
为解决上述问题，美国推出了一个数字传输系统，叫做同步光纤网SONET（Synchronous Optical Network）。整个的同步网络的各级时钟都来自一个非常精准的主时钟。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率以51.84Mbit/s为基础。此速率对电信号称为第1级同步传送信号（synchronous transport signal）即STS-1；对光信号则称为第1级光载波（optical carrier），即OC-1。
ITU-T（国际电信联盟电信标准分局）以美国标准SONET为基础，指定出国际标准同步数字系列SDH（synchronous digital hierarchy）。一般可认为SDH与SONET是同义词，但主要的不同点是：SDH的基本速率为155.52Mbit/s，称为第1级同步传递模块（synchronous transfer module），即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。下图为SONET与SDH的比较，为方便起见，在谈到SONET/SDH的常用速率时，往往不使用速率的精确数值而是使用表中第二列给出的近似值作为简称。
SDH/SONET定义了标准光信号，规定了波长为1310nm和1550nm的激光源。在物理层定义了帧结构。SDH的帧结构是以STM-1为基础的，更高的等级是用N个STM-1复用组成STM-N。现在SDH/SONET标准已成为工人的新一代理想的传输网体制。SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。
6. 宽带接入技术
用户要连接到互联网，就必须先连接到某个ISP，以便获得上网的IP地址。美国联邦通信委员会FCC对接入网的“宽带”进行了定义：带宽下行（从ISP到用户）速率超过25Mbit/s，上行（从用户到ISP）速率超过3Mbit/s就是宽带。从宽带接入的媒体看，可以划分为两大类：一类是有线宽带接入，另一类是无线宽带接入。这里先只讨论有线宽带接入。
6.1 ADSL技术
非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术使用数字技术随现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载数字业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz范围内（这是电话局的交换机设置的标准话路频带），但用户线本身实际可通过的信号频率却超过1MHz。ADSL技术把0~4kHz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的ITU（国际电信联盟）标准是G.992.1。由于用户在上网时主要是从互联网下载各种文档，而向互联网发送信息的信息量一般不大，因此ADSL的下行（从ISP到用户）带宽都远远大于上行（从用户到ISP）带宽。“非对称“来源于此。
ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细信号传输时衰减就越大）。此外，ADSL所能得到的最高数据传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。
ADSL在两端各安装一个ADSL调制解调器。这种调制解调器的实现方案有许多种。我国目前采用的方案是离散多音调DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。这里的“多音调”是“多载波”或“多子信道”的意思。DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1mHz的高端频谱划分成多个子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。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。当ADSL启动时，用户线两端的调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。这样就使ADSL能够选择合适的调制方案以获得尽可能高的数据率。可见，ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。因此电信局需要定期检查用户线的质量，以保证能够提供向用户承诺的最高的ADSL数据率。下图为这种DMT技术的频谱分布：
对于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM（DSL Access Multiplexing），用户线和用户家中的一些设施。
数字用户线接入复用器包括许多ADSL调制调解器。ADSL调制调节器又称为接入端接单元ATU（Access Termination Unit）。由于ADSL调制调节器必须成对使用，因此把在电话端局（或远端站）和用户家中所用的ADSL调制调节器分别记为ATU-C（C代表端局central office）和ATU-R（R代表远端remote）。【如上图所示，用户电话通过电话分离器（Splitter）和ATU-R连在一起，经用户线接到端局，并再一次经过一个电话分离器把电话连到本地电话交换机。】电话分离器是无源的，它利用低通滤波器将电话信号与数字信号分开。将电话分离器做成无源的是为了在停电时不影响传统电话的使用。一个DSLAM可支持多达500~1000各用户。若按每户6Mbit/s计算，则具有1000个端口的DSLAM（这就需要用1000个ATU-C）应有高达6Gbit/s的转发能力。因ATU-C要使用数字信号处理技术，因此DSLAM价格更高。
ADSL最大的好处在于可以利用现有电话网中的用户线（铜线），而不需要重新布线，有许多老建筑中电话线早已存在。但若重新铺设光纤，往往会对原有建筑造成损伤。需要注意的是，ADSL调制器由解调两个插口。较大的那一个是RJ-45插口用来和计算机连接。较小的是RJ-11插口，用来和电话分离器相连。电话分离器则更小巧，用户只需要用三个带有RJ-11插头的连线就可以连接好，用起来非常方便。
最后我们要指出，ADSL借助于在用户线两端安装的ADSL调制解调器（即ATU-R和ATU-C）对数字信号进行了调制，使得调制后的数字信号的频谱适合在原来的用户线上传输。用户线本身并没有发生变化。但给用户的感觉是：加上ADSL调制解调器的用户线好像能够直接把用户计算机产生的数字信号传送到远方的ISP。正因为这样，原来用户线加上两端的调制解调器就变成了可以传送数字信号的数字用户线DSL。
ADSL技术也在不断发展。现在ITU-T已颁布更高速率的ADSL标准，即G系列标准。例如ADSL2和ADSL2+都称为第二代ADSL，目前已被许多ISP和运营商投入运营。第二代ADSL改进的地方在于：
- 通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2至少应该支持下行8Mbit/s，上行800kbit/s的速率。而ADSL2+则将频谱范围从1.1MHz扩展至2.2MHz（响应的子信道数目也变多了），下行速率可达16Mbit/s（最大传输速率可以达到25Mbit/s），而上行速率可达到800kbit/s。
- 采用了无缝速率自适应技术SRA（seamless rate adaption），可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实时状况，自适应地调整数据率。
- 改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。
注意：ADSL不适用于企业，因为企业往往需要使用上行信道发送大量数据给更多用户。为满足企业需求，ADSL有几种技术上的变型。例如，对称DSL即SDSL（Symmetric DSL），它把带宽平均分配到下行和上行两个方向，很适合企业使用，每个方向上的速度分别为384kbit/s或1.5Mbit/s，距离分别是5.5km或者3km。还有一种使用一对线或两对线的对称DSL叫做HDSL（High DSL），是用来取代T1线路的高速数字用户线，数据速率可达到768kbit/s或1.5Mbit/s，距离为2.7km~3.6km。还有一种比ADSL更快的、用于短距离传送(300m~1800m)的VDSL（Very high speed DSL）即甚高速数字用户线，这也是ADSL的快速版本。以上这些不同的高速DSL都可记为xDSL。
6.2 光纤同轴混合网（HFC网）
光纤同轴混合网HFC（Hybird Fiber Coax）是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。最早的有线电视网是树形拓扑结构同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向广播传输。但之后有线电视网进行了改造，变成了腺癌的光纤同轴混合网（HFC网）。这种光纤同轴混合网HFC的主要特点如下：
为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。光纤从头端连接到光纤结点（fiber node）。在光纤结点处光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。从头端到用户家庭所需的放大器数目也就减少到仅4~5个。连接到一个光纤结点的典型用户数是500左右，但不超过2000。
光线结点与头端的典型距离为25km，而从光纤结点到其用户的距离则不超过2~3km。原来的有线电视网的最高传输频率是450MHz，并且仅用于电视信号的下行传输。但现在的HFC网具有双向传输功能，而且扩展了传输频带。根据有线电视频率配置标准GB/T17786-1999，目前我国的HFC网的频带划分如下图所示：
要使现有的模拟电视机能够接受数字电视信号，需要把一个叫做机顶盒（set-top box）的设备连接在同轴电缆和用户的电视机之间。但为了使用户能够利用HFC网接入到互联网，以及在上行信道后传达交互数字电视所需的一些信息，我们还需要增加一个为HFC网使用的调制解调器，它又称为电缆调制解调器（cable modem）。电缆调制解调器可以做成一个单独的设备（类似于ADSL的调制解调器），也可以做成内置式的，安装在电视机的机顶盒里。用户只要把自己的计算机连接到电缆调制解调器，就可以方便地上网了。
电缆调制解调器不需要成对使用，而只需安装在用户端。电缆调制解调器比ADSL调制解调器比ADSL使用 的调制解调器复杂得多，因为它必须解决共享信道中可能出现的冲突问题。在使用ADSL调制解调器时，用户计算机所连接的电话用户线是该用户专用的，因此在用户线上所能达到的最高数据率是确定的，与其他ADSL用户是否上网无关。但在使用HFC的电缆调制解调器时，在同轴电缆这一段用户所享用的最高数据率是不确定的，因为某个用户所能享用的数据率大小取决于这段电缆上现有多少个用户正在传送数据。有线电视运营商同查宣传通过电缆调制解调器上网可以达到比ADSL更高的数据率，但只有在很少用户上网时才会这样，若出现大量用户同时上网，那么每个用户实际的上网速率可能会低到难以忍受的程度。
6.3 FTTx技术
尽快提高用户上网速率是ISP的重要任务。从技术上讲，光纤到户FTTH（fiber to the home）是最好的选择。只有光纤进入用户的家门后，才能把光信号转换为电信号，这样就能使用户获得最高的上网速率。
但FTTH有两个问题：价格贵，需求少。这种情况下，就出现了多种宽带光纤接入方式，称为FTTx。x表示不同的光纤接入地点，FTTx就是光电转换的地方。
其实，现在信号在陆地上长距离的传输，基本都已经实现了光纤化。在上面介绍的ADSL和HFC宽带接入方式中，用于远距离的传输媒体也早使用了光缆。只是到了临近用户家庭的地方，才转为铜缆（电话的用户线和同轴电缆）。一个家庭用户往往用不了一根光纤的通信容量，为了有效利用光线资源，在光纤干线和广大用户之间，还需要铺设一段中间的转换装置即光配线网ODN（Optional Distribution Network），使得数十个家庭用户共用一根光纤干线。下图是现在广泛使用的无源光配线网的示意图。“无源”表示在光配线图中无需配备电源，因此基本不用维护，其长期运营成本和管理成本都很低。无源的光配线网常称为无源光网络PON（Passive Optional Network）。
上图中，光线路终端OLT（Optical Line Terminal）是连接到光纤干线的终端设备。OLT把收到的下行数据发往无源的1:N光分路器（splitter），然后用广播方式向所有用户端的光网络单元ONU（optical network unit）发送。典型的光分路器使用分路比是1:32，有时也可以使用多级的光分路器。每个ONU根据特有标识只接收发送给自己的数据，然后转换为电信号发往用户家中。每一个ONU到用户家中的距离可以根据具体情况来设置，OLT则给各ONU分配适当的光功率。
当ONU发送上行数据时，先把电信号转换为光信号，光分路器把各ONU发来的上行数据汇总后，以TDMA时分多址（Time division multiple access）方式发往OLT，而发送时间和长度都由OLT集中控制，以便有序地共享光线主干。
光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长。
无源光网络PON的种类很多，但最流行的有以下两种：
- 以太网无源光网络EPON（Ethernet PON），已形成了IEEE的标准802.3ah。在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。EPON的优点是：与现有以太网的兼容性好，并且成本低，扩展性强，管理方便。
- 吉比特无源光网络GPON（Gigabit PON），其标准是ITU批准的ITU-T G.984。GPON采用通用封装方法GEM（generic encapsulation method），可承载多业务，对各种业务类型都能够提供服务质量保证，是很有潜力的宽带光纤接入技术。
本章重要概念总结
- 物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。
- 一个数据通信系统可划分为三个部分：源系统、传输系统、目的系统。源系统包括源点（或源站、信源）和发送器，目的系统包括接收器和终点（或目的站、信宿）。
- 通信的目的是传送消息。如话音、文字、图像、视频等都是消息。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁的体现。
- 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可以分为模拟信号（连续信号）和数字信号（离散信号）。代表数字信号不同离散数值的基本波形称为码元。
- 根据双方信息交互的方式，通信分为单向通信（单工通信）、双向交替通信（半双工通信）、双向同时通信（全双工通信）。
- 来自信源的信号叫做基带信号。信号要在信道上传输就要经过调制。调制有基带调制和带通调制之分。最基本的带通调制方法有调幅、调频、调相。还有更复杂的例如正交振幅调制。
- 要提高数据在信道上的传输速率，也要使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术。但数据传输速率不可能被任意地提高。
- 传输媒体可以被分为两大类：引导型传输媒体（双绞线、同轴电缆、或光纤），非引导型传输媒体（无线、红外或大气激光）。
- 常用的信道复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用和波分复用（光的频分复用）。
- 最初在数字传输系统中使用的传输标准是脉冲编码调制PCM。现在高速的数字传输系统使用同步光纤网SONET或同步数字系列SDH。
- 用户到互联网的宽带接入方式有非对称数字用户线ADSL、光纤同轴混合网HFC、FTTx。
- 为了有效利用光纤资源，在光纤干线和用户之间广泛使用无源光网络PON。无源光网络无需配备电源，其长期运营成本和管理成本都很低。最流行的无源光网络是以太网无源光网络EPON和吉比特无源光网络GPON。