计算机网络TCP/IP：物理层（信道，调制，香农极限，信道复用技术，宽带接入技术）

物理层是什么？

物理层是TCP/IP协议的最底层，但并不意味着这一层是实体，不是指具体的传输媒体，物理层要尽可能的屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异，为它的上层提供数据通讯服务

数据通信的基础知识

信道

信道和电路并不一样，信道用来表示向某一个方向传送信息的媒体，一条发送电路往往包含一条发送信息的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：

单向通信又称为单工通信，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广播以及电视广播就属于这种类型。
双向交替通信又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。
双向同时通信又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。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都需要两条信道(每个方向各一条)。显然，双向同时通信的传输效率最高。

调制

许多信道并不能传输从信源发出的信号（基带信号）中的低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。
调制可分为基带调制和带通调制：

前者仅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。变换后的信号仍然是基带信号。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码。
常见的编码方式

曼彻斯特编码位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表但也可反过来定义；差分曼彻斯特编码在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。
后者使用载波进行调制，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)。

信道的极限容量

虽然信号在信道上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。如图：

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

信道能够通过的频率范围

由于信号会失真，波形的分界不规则不明显，就会导致码间串扰，奈奎斯特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。所以，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的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。

信噪比

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，信噪比 = 10log(S/N)，并用分贝(dB)作为度量单位。
香农(Shannon)推导出了著名的香农公式。
香农公式指出，信道的极限信息传输速率C是 C=Wlog2(1+S/N)(bit/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为信道达部的高斯噪声功率。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。香农公式指出了信息传输速率的上限。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，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念。

如上图，虽然复用要付出一定代价(共享信道由于带宽较大因而费用也较高，再加上复用器和分用器)。但如果复用的信道数量较大，那么在经济上还是合算的。

频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)、时分复用TDM(Time Division Multiplexing)

统计时分复用STDM (Statistic TDM)

波分复用WDM (Wavelength Division Multiplexing)

光的频分复用

码分复用CDM (Code Division Multiplexing)

相当于给每个用户特殊的密码
把每个比特分成n个码片，每个用户有自己的码片序列，比如1表示成00011011，不同码片序列之间是正交的。接收端会收到所有用户发的数据，用特定用户的码片序列向量做内积，只有该用户的数据可以被积出1和-1（-1表示0），其他用户全是0

宽带接入技术

在互联网初期，都是用电话的用户线加个调制器连接到ISP的，最高速率只有56kb/s。接入宽带的意思其实就是通过各种改造方法提高速率，所以有人认为只要接入因特网的速率大于56kb/s就是宽带。

ADSL技术

非对称数字用户线，就是对用户线改造，使其能够承载宽带数字业务。由于大部分用户上网都是下载资源远多于上传资源，所以下行带宽要高于上行带宽（非对称）

这样改造的好处就是不需要从头布线，可以利用现有的用户线

ADSL还要配合调解器使用，我国采用的是DMT离散多音调：

DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，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。

每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），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。

光纤同轴混合网（HFC）---- 有线电视上网

HFC (Hybrid Fiber Coax)网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。

FTTx技术

随着人们上网需求的日益增长
FTTx（ Fiber To The x）也是一种实现宽带居民接入网的方案，俗称光纤到家，但由于各种成本问题，不可能真的到家，也没有必要，所以这里的x指的就是地点，分别为：

光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。
光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

为了更有效的利用光纤资源，在光纤干路和用户之间，还需要铺设一段转换装置（ODN），使得多个用户可以用一根光纤

参考资料：
《计算机网络》（第六版）