物理层（3） 物理层 传输介质 传输设备
一、传输介质
传输介质是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路，也称为传输媒体，可以分为导向传输介质和非导向传输介质两类。在导向传输介质中，电磁波或光波被导向沿着固体媒体传播，包括双绞线、同轴电缆、光纤等，而非导向传输介质就是指自由空间，传输方式包括微波、无线电、红外线等。
传输媒体并不是物理层，传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层，在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道传输的信号代表什么意思，但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
二、双绞线
把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线，绞合可减少相邻导线的电磁干扰。为了提高双绞线的抗电磁干扰能力，可以在双绞线的外面再加上金属丝编织的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线称为非屏蔽双绞线（UTP），它们的结构如图：
注：模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里，距离太长时，对于模拟传输要加放大器以便将衰减的信号放大到合适的数值，对于数字传输则要加中继器以便将失真的数字信号进行整形。
三、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，被广泛用于传输较高速率的数据。如图示：
按特性阻抗值的不同，同轴电缆可以分为50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。
1）50Ω同轴电缆
50Ω同轴电缆主要用于在数据通信中传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，在局域网中得到广泛应用，用这种同轴电缆以10Mbps的速率可将基带信号传送1km。在传输基带数字信号时，可以用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码解决信号的同步问题。
2）75Ω同轴电缆
75Ω同轴电缆主要用于模拟信号传输，是有线电视系统（CATV）中的标准传输电缆，这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号，75Ω同轴电缆又称为宽带同轴电缆。宽带同轴电缆用于传输模拟信号时，其频率达500MHz以上，传输距离可达100km。由于在宽带传输系统中要用到放大器来放大模拟信号，而放大器仅能单向传输信号，因此在宽带电缆的双工通信中，一定要有数据发送和数据接收两条分开的数据通路。
注：同轴电缆与双绞线
由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。
四、光纤
光纤就是能导光的玻璃纤维或塑料纤维，利用光纤全反射原理传递光脉冲进行通信就是光纤通信，有光脉冲表示比特1，无光脉冲表示比特0，而可见光的频率大约是108MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤在发送端采用发光二极管或半导体激光器，在电脉冲作用下产生出光脉冲，在接收端用光电二级管做成光检测器，在检测到光脉冲信号时还原出电脉冲信号。
4.1 光纤的构成
光纤主要由纤芯（实心的）和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率，当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角，因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
光纤按传输方式可分为多模光纤和单模光纤。
4.2 多模光纤
多模光纤的光源为发光二极管，发出的可见光定向性较差，光以不同的角度进入纤芯，因此，存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，由于光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合于小容量、近距离传输。
4.3 单模光纤
光纤的直径减少到只有一个光的波长大小，则光纤就像一根波导那样，它可使光线沿直线传播，而不会产生多次反射，单模光纤就是按这样的原理制成的，单模光纤的纤芯很细，直径只有5-10um，只允行在一种模式中传输，同时使用定向型很好的激光二极管，因此，单模光纤的损耗较小，大容量、传输距离远。
4.4 光纤的特点
1）光纤直径小，只有0.1mm，重量轻。
2）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输成本更低。
3）光的频率高108MHz，因此光纤通信的传输带宽远大于其他传输介质的带宽。
4）抗雷电和电磁干扰性能好
5）无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截获数据。
注：光纤的缺点是将两根光纤精确地连接需要专用设备。
4.5 单模光纤与多模多纤的对比
五、无线电波
易产生，传播距离远，易穿过建筑物，可以被电离层反射，被广泛用于通信，无线电波是全方向传播的，因此发射和接收设备不必在物理上准确的对准。无线电波的特性与频率有关，在低频率上，无线电波能轻易通过障碍物，但是能量随着与信号源距离的增大而急速减少；在高频上，无线电波趋于直线传播并受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。
由于无线电波能传得很远，用户间的相互串扰就是个大问题，所以，政府都控制对用户使用发射器的管制。
六、陆地微波
微波指频率在0.3GHz-300GHz范围的电磁波，陆地微波通信就是利用此频段的电磁波来传递信息，目前主要使用2GHz-40GHz的频率范围。
陆地微波系统主要用途是完成远距离远程通信服务和楼宇间建立短距离的点对点通信。
微波具有如下特点：
1）微波波长短，接近于光波，在空间主要是直线传播，而地球表面是一个大曲面，微波会穿透电离层进入宇宙空间，因此传输距离受到限制，须设立中断站增大传输距离。
2）微波频率高，频段范围宽，因此通信信道的容量大。
3）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，因而微波传输质量高。
4）微波无法穿透障碍物，因此相邻微波站之间必须直视，距离不会太远，一般为50km。
5）微波在空间会发散，某些微波可能被较低的大气层或障碍物折射，从而比直线传播的微波多走一段距离，产生多路衰减。
6）微波的传播有时会受到恶劣气候的影响。
七、卫星微波
卫星微波是陆地微波的延伸，利用人造地球卫星作为中继站，转发微波信号，在多个微波站或地球站之间进行信息交互，卫星微波通信用于长途电话、蜂窝电话、电视传播等应用。
卫星微波与陆地微波相比，具有以下优点：
1）通信容量大
2）通信距离远。
2）覆盖广
3）广播通信和多址通信
卫星微波与陆地微波相比，具有以下缺点：
1）传播时延长250-270ms
2）误码率较高
3）成本高
八、红外线
红外线的主要特点是不能穿透坚实的物体，这意味着一间房里的红外系统不会对其他房间的系统产生干扰，而其防窃听的安全性要比无线电系统好，所以使用红外系统不需要政府授权。
红外通信使用调制非相干红外线光的收发机进行，收发机互相置于视线内对准，直接或经房间天花板的浅色表面的反射传递信号，被广泛用于短距离通信。电视使用的遥控装置都利用了红外线装置，红外线具有方向性、易于制造，也成为室内无线网的首选对象。
九、物理层的传输设备
物理层的传输设备主要有中继器和集线器。
9.1 中继器
由于存在各种干扰，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到过高将造成信号失真，因此会导致接收错误。
中继器的功能：对信号进行再生和还原数字信号，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网的长度。
中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。中继器只将电缆上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。
两端可连相同媒体，也可连不同媒体。（可以是不同的介质），网络运行的协议应该是相同的。
5-4-3规划：5指不能超过5个网段，4指不能超过4个物理设备，3指只有其中的3个网段是可使用的。中继器只能在规定的标准范围内使用，否则网络会出故障。
9.2 集线器（多端口中继器）
集线器的功能是对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有处于工作状态的端口（除输入端口），以增加信号传输的距离，延长网的长度，不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
集线器的工作模式是广播方式，它本身是一个冲突域，它不能分割冲突域，另外，连接在集线器上的主机只能平分线路带宽。
