物理層引言：
物理層定義了位元作為訊號在通道傳送時相關的電氣、時序和其他介面。物理通道的不同特性決定了其傳輸效能的不同（如：吞吐量、延遲和誤位元速率）。
注意！！！筆者是非科班出身，某些概念理解可能有錯誤，歡迎大家批評指出。

1、資料通訊理論的基礎

改變諸如電壓或電流等某種物理特性的方法可用來在電線上傳輸資訊。如果用一個以時間 t 為自變數的單值函式 f(t) 來表示電壓或電流的值，就可以對訊號的行為進行建模，並用數學手段對其進行分析。

1.1傅立葉分析

• 任何一個週期為T的合理行為的函式 g(t) 都可以表示成用正弦函式和餘弦函式組成的無窮級數。（根據此理論可以用多個不同的正弦函式（傅立葉公式可化成一個常數與多個正弦函式相加，如下圖）相加（即是多個不同的諧波加上一個基波，或許還有常數）描述不同電壓表示的0、1位元序列（位元序列可以想象成一個周期函式的一個週期值，時間t可以控制波形））。
• 關於基波諧波：傅立葉級數的意義在於我們可以把大多數的周期函式分解為多個正弦函式分量（分為基波和諧波）和直流分量的和。其中，直流分量是一個恆定的常數（可能為0，上圖中a₀常數），最低頻率的正弦訊號即是這個週期訊號的基波分量，它的頻率作基波頻率，其他正弦訊號稱作諧波分量，在一個基波週期內，諧波有幾個週期就是幾次諧波。
  

1.2頻寬有限的訊號

• 所有傳輸設施在傳輸過程中都要損失一些能量。如果所有的傅立葉分量（即諧波和基波分量）都等量地衰減，結果會在振幅上有所減小，但不會變形。但實際上，傳輸設施對於不同的傅立葉分量的衰減程度不同，導致結果訊號變形。
• 一般對於導線而言，在0到某個頻率f_c
  的這段範圍內，振幅在傳輸過程中不會明顯衰減，這段頻率的寬度就稱為頻寬。實際上，截止頻率並沒有那麼尖銳，所以，通常引用的頻寬是指從0到使得接收能量能保留一半的頻率位置。
• 頻寬是傳輸介質的一種物理特性，通常取決於介質的構成、厚度和電線或光纖的長度。濾波器可用來進一步限制訊號的頻寬（這意味著某些訊號的頻率範圍不從0開始，頻寬是指通過頻率的寬度）。一般從0到某個最大頻率的訊號稱為基帶訊號，通帶訊號就是把基帶訊號經過載波調製後的訊號，把訊號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在通道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過通道，由於每一路基帶訊號的頻譜被搬移到不同的頻段上，因此合在一起後並不會互相干擾。這樣做可以在一條線路中同時傳送許多路的數字訊號，因而提高了線路的利用率）。
• 示例：
  
  圖（a）中，只通過了基波（即1次諧波）得到的結果訊號；圖（e）通過了8個諧波（這裡應該是包括了基波的），結果訊號具有重構原始位元序列的精度。（如果一個頻寬可以通過更多的諧波，那麼它的頻寬相對較高）。
• 假設在例子中位元率為x位元/每秒（第一個諧波代表8個位元），傳送8位元所需要的時間為8/x秒，因此基頻就是x/8Hz。一條被人們稱為語音級線路的普通電話線，人為引入的截止頻率大約是在3000Hz以上。這個限制意味著在電話線上可以通過的最高諧波數大約是3000/（x/8）或者24000/x（如果x等於9600bps，那麼諧波數大約是2個（這是因為諧波頻率高於基波頻率），如圖b所示，還原資訊比較困難）。即使傳輸裝置不存在任何噪聲，如果x大於24000，即傳輸速率24000bps，那麼傳輸的諧波數就小於1，即0個，不能傳輸資訊。
• 頻寬：對電氣工程師來說，（模擬）頻寬是以赫茲（Hz）來度量的（如前所述）；對於電腦科學家來說，（數字）寬頻表示一個通道的最大資料速率，即每秒多少個位元（bps）來計量。資料速率是數字傳輸過程中採用一個物理通道的模擬寬頻所能獲得的最終結果，兩者密不可分。

1.3通道的最大傳輸速率

• 尼奎斯特定理：如果一個任意訊號通過了一個頻寬為B的低通過濾器，那麼只要進行每秒2B次確切取樣，就可以完全重構出被過濾的訊號，但其他高頻成分被過濾，所以對於高於每秒2B次的取樣沒有意義。如果訊號包含了V個離散等級，則最大傳輸速率：2B log₂V（bps），例：假設一個傳四進位制資料訊號的無噪聲數字通道，頻寬為3000Hz，其通道容量為2*3000*2=12000bps。（適用於現實情況中不存在的無噪聲環境）
• 夏農定理：由於系統中分子的運動，隨機熱噪聲總是存在的。熱噪聲的數量可以用訊號功率與噪聲功率的比值來度量，比值稱為信噪比。如果將訊號功率記為S，噪聲功率記為N，則信噪比為S/N。該比率表示成對數形式10log₁₀S/N，對數的取值單位為分貝dB，10的信噪比為10分貝，100信噪比為20分貝。對於一條頻寬為B Hz、噪聲比是S/N的有噪聲通道，最大資料速率為：B log₂（1+S/N）。通常計算題中求解最大傳輸速率，取按兩個定理計算的最小值。

2、引導傳輸介質

每一種傳輸介質都有獨特的性質，體現在頻寬、延遲、成本以及安裝和維護難易程度上的不同，因此分別有自己適用的場景。大致上可以分為引導性介質（也稱有線介質，比如銅線光纖）和非引導性介質（也稱無線介質，比如地面無線電、衛星和鐳射）兩大類。

2.1磁介質
將資料從傳輸到另一臺機器的常見辦法是將資料寫到磁碟或者其他可擦寫的介質上。工業標準Ultrium磁帶可以容納800G，批量購買價格大約是40美元（這裡的資料都是基於書出版年份的，約是2011年的美國），一盤磁帶可以重複使用大約10次，每次使用代價是4美元。延遲性差。

2.2雙絞線

• 一種最古老但至今最常用的傳輸介質是雙絞線。雙絞線有兩根相互絕緣的銅線組成，銅線直徑大約1毫米，兩根銅線以螺旋狀的形式緊緊絞在一起。之所以絞在一起是因為兩根平行的線會構成一個很好的天線，纏在一起後不同天線產生的干擾會相互抵消，從而顯著降低電線輻射，當許多雙絞線並行一定距離時，應該把它們捆成一束，如圖所示。訊號通常以兩根電線的電壓差來承載，這樣對外部噪聲有更好的免疫力。因為噪聲對兩根電線的干擾是相同的，而電壓差不會改變。
  
• 雙絞線最常用的應用是電話系統。雙絞線可以延伸及幾千米而不需要放大；如果距離過遠，訊號衰減得厲害，必須使用中繼器。雙絞線既可以用於模擬訊號也可以用於傳輸數字訊號。所獲得的頻寬取決於導線的厚度（直徑）以及傳輸距離的遠近。許多情況下，雙絞線傳輸幾千米的距離可以達到幾Mbps的頻寬。由於雙絞線具有足夠的傳輸效能以及相對較低的版本。
• 雙絞線可以分為幾大類。5類（Category 5）或貓5（Cat 5）有兩根絕緣導線輕輕扭在一起，4對這樣的雙絞線被套在一個塑料保護套內。不同的區域網標準或許使用不同的雙絞線。到6類位置，所有的雙絞線都稱為非遮蔽雙絞線，這些雙絞線僅由導線和絕緣層簡單構成。7類雙絞線在每對雙絞線外面加了一個遮蔽層，然後在整個線纜外面再加一個遮蔽層（內層是塑料保護套）。遮蔽層能夠減弱外部干擾和來自附近線纜的串擾，從而滿足苛刻的效能規範要求。
• 關於術語：可以同時雙向使用的鏈路稱為全雙工，就像雙車道一樣；可以雙向使用但一次只能使用一個方向的鏈路稱為半雙工鏈路，就像單軌鐵路線；只允許一個方向傳輸的鏈路則稱為單工鏈路。

2.3同軸電纜

• 同軸電纜比非遮蔽性雙絞線有更好的遮蔽特性和更大的頻寬，它能以很高的速率傳輸相當長的距離。廣泛使用的同軸電纜有兩種，一種是50Ω電纜，從一開始它就被用於數字傳輸；另一種是75Ω電纜，一般用於模擬訊號和有線電視傳輸。
• 同軸電纜一由硬的銅芯和外面包上的一層絕緣材料組成。絕緣材料的外面是一層蜜汁的網狀圓柱導體。外層道題再覆蓋上一層保護塑料套。如圖。
• 同軸電纜的結構和遮蔽性使得它既有高頻寬又有良好的抗噪性。頻寬可能取決於電纜的質量和長度。現代電纜能達到幾個GHz的頻寬。過去，同軸電纜被廣泛應用於長途通話系統，現在大部分被光纖取代。同軸電纜仍是有線電視和計算機都會網路的常用傳輸介質。

2.4電力線

• 將電力線用於資料通訊的想法並不新鮮。電力公司多年前就已利用電力線進行較低速率的通訊（比如遠端通訊），智慧家居用電力線對室內電子電器裝置進行控制。近幾年出現了對電力線進行高速率通訊的新興趣，這裡的高速率通訊既可以用在家庭內部構建區域網，又可以用作室外作為訪問Internet的寬頻接入。
• 用電力線元件網路的便利性不言而喻，家庭網路使用電力線的困難在於電線是專為分發電源訊號而設計的。分發電能和分發資料訊號是兩項完全不同的工作。電訊號以50~60Hz的頻率傳送，高速率資料通訊所需要的更高頻率（MHz）在電線上會產生嚴重的衰減。而且電氣裝置開關的瞬時電流將在很寬的頻率範圍內造成電噪聲，如果雙絞線，沒有很小心地扭在一起，電力線就會成為天線，吸收外部訊號並輻射到自身訊號。
• 儘管存在許多困難，只要採用的通訊方案具有抗頻率損耗和突發錯誤的能力，在典型的家居電力線上達到不小於100Mbps的傳送是切實可行的。

2.5光纖

• 光纖主要用於網路骨幹的長途傳輸、高速區域網以及高速Internet接入。光纖傳輸系統由三個關鍵部分組成：光源、傳輸介質、探測器。按照慣例，一個光脈衝表示位元1，沒有光表示位元0。傳輸介質是超薄玻璃纖維。光探測器探測到光時產生一個電脈衝。在光纖兩端分別接上光源和探測器，我們就有了一個單向傳輸系統。該系統接收電子訊號，將其轉換成光脈衝並傳輸出去，在另一端把光脈衝轉換為電子訊號傳輸給接收端。這種傳輸系統會漏光。
• 當一束光從一種介質到達另一種介質時，會發生折射。折射的角度與兩種介質有關，如果入射角度超過了一個特定的臨界值，則光會反射回二氧化矽中，不會有空氣漏到空中。因此，入射角度大於等於臨界值的光將被限定在光纖內部，可以傳輸幾千米而沒有損失，如圖。由於任何大於臨界值的光束都會在內部反射，所以許多不同的光束以不同的角度來回反射著向前傳播，可以說每一束光都有不同的模式，所以，一根具有這種特性的光纖被稱為多模光纖。
• 如果光纖的直徑減小到只有幾個光波波長大小的時候，則光纖就如同一個波導，光只能按直線傳播而不會反射，由此形成了單模光纖。單模光纖比較昂貴，廣泛用於長距離傳輸。

2.6光纖傳輸光

• 光纖由玻璃製成，玻璃由沙子製成。光通過玻璃的衰減取決於光的波長（以及玻璃的某些物理特性）。光的衰減定義為輸入訊號功率的比值。對於光纖中所使用的玻璃而言，這種衰減如下圖，圖中顯示了光纖每千米衰減的分貝。該圖顯示了頻譜中接近紅外的那部分，也是實際上使用的部分。現在光纖通訊中最常使用的三個波段，分別集中在0.85微米、1.30微米和1.55微米處。三個波段都具有25000~30000GHz的寬度。0.85微米的衰減程度比較大，只能用於短程通訊。
  
• 光脈衝沿著光纖傳播時會散開，即色散傳播。散開的數量和波長有關。防止這些散開脈衝發生重疊的一種辦法是加大它們之間的距離，但只要降低訊號速率才能做到這一點。現在已經發現，通過將脈衝做成一種特殊的形狀（與雙曲線餘弦的倒數有關），幾乎所有的色散效應都不存在，因而有可能將光脈衝傳送幾千米而不會有明顯的波形失真。

2.7光纜

• 光纜和同軸電纜很像，只不過光纜沒有那一層密織的網。光纜中間是玻璃芯，光脈衝通過它傳播。在多模光纖中，玻璃芯的直徑通常是50微米，相當於一根人頭髮絲的粗細，單模光纖中，玻璃芯直徑為8~10微米。
• 玻璃芯外面是一個玻璃層覆蓋層，覆蓋層的折射率比玻璃芯低，這樣可以保證所有的光都限制在玻璃芯內。在這最外面是一層薄薄的塑料封套，用來保護裡面的玻璃包層。光纖通常被捆紮成束，最外面再加一層保護套。
• 陸地上的光纖通常被埋在地表1米以下，在靠近岸邊的地方，越洋光纖通過一種被稱為海犁的工具被埋在電纜溝裡，在深水中，被放在海底。
• 光纖可以按照三種方式連線。第一種，用聯結器終止一根光纖，然後把它插入到光纖插座中，聯結器會損失10%~20％的光，但它使系統的重新配置工作做起來比較容易。第二種，機械拼接，將兩根小心切割好的光纖頭放在一個特殊的套管中，然後適當將它們夾緊。介面對齊可以改善拼接處的光，適當進行調整使訊號儘可能達到最大，由此來提高拼接處的光質量，大約損失10％的光。第三種，把兩根光纖熔合在一起，熔合後的帶倆幾乎與單根光纖的效能一樣好，但儘管如此，少量衰減仍然存在。無論哪種方式，在結合點都可能發生光的反射，並且反射的能量可能干擾原來的訊號。
• 通常使用發光二極體和半導體鐳射作為光源。通過在光源和光纖中之間插入Fabry-Perot或者Mach-Zehnder干涉儀，可以對波長進行調節。Fabry-Perot干涉儀是一個有兩面平行鏡子構成的簡單共振腔。光線垂直於鏡面入射，共振腔的長度會篩選出那些波長為其整數倍的波。Mach-Zehnder干涉儀將光分為兩束，在終端整合在一起，只有特定波長的波才能同相。兩種光源比較如圖。
• 光纖的接收端是一個光電二極體。當遇到光照時，光電二極體就發出一個電脈衝。光電二極體的響應時間，幾把光訊號轉換成電訊號所需的時間，限制了資料傳輸率在100Gbps左右，熱噪聲也是一個問題，所以光脈衝必須保證具有足夠的能量才能被探測到。如果脈衝的能量足夠強，錯誤率就可以被降到最低。

2.8光纖和銅線的比較

• 光纖比銅線能夠處理更高的頻寬，且具有相對較低的衰減（大約50千米才需要一箇中繼器，銅線可能5千米一個），不受電源浪湧、電磁干擾或電源故障，不受空氣中腐蝕性化學物質侵蝕，細小、重量輕，安裝費用低，安全性（光纖不會漏光、不易被接入，很難被竊聽）等優點。
• 光纖要求較高操作技能；光纖被過度彎曲容易折斷；光傳輸技術本質上是單向的；光纖介面成本很高。