物理层定义了比特作为信号在信道上发送时相关的电气、时序和其他接口

物理层是构建网络的基础

物理信道的不同特性决定了其传输性能的不同（比如，吞吐量、延迟、误码率）

数据通信的理论基础

改变诸如电压或电流等某种物理特性的方法可用来在电线上传输信息

如果用一个以时间 $t$ 为自变量的单值函数 $f(t)$ 来表示电压或电流的值，就可以对信号的行为进行建模，并用数学手段对其进行分析

傅里叶分析（Fourier Analysis）

傅里叶级数（Fourier series）

任何一个行为合理周期为 $T$ 的函数 $g(t)$，都可以表示成用正弦函数和余弦函数组成的无穷级数

$$
g(t) = \frac{1}{2}c + \sum_{n=1}^{\infty} a_n \sin(2 \pi nft) + \sum_{n=1}^{\infty} b_n \cos(2 \pi nft)
$$

$f=\frac{1}{T}$ 是基本频率
$a_n$ 和 $b_n$ 是 $n$ 次谐波（harmonics）的正弦振幅和余弦振幅（amplitude）
$c$ 是常数（constant）

谐波（Harmonics）

已知周期 $T$，并给定振幅，则用上式进行求和可以得到时间的原始函数 $g(t)$

任何一种信号都是由谐波组成的。理论上可以有一个纯粹的正弦波，除了频率外没有携带什么真正的信息

实际上，携带信息的信号由许多频率组成。这些通常是基频，加上基频倍数的其它频率，这些更高频率的分量被称为谐波

傅里叶公式（Fourier Equation）

对一个有限时间的数据信号（所有的数据信号都是时间有限的）的处理可以想象成一次又一次地重复着整个模式

即在 $T \sim 2T$ 之间的信号与 $0 \sim T$ 之间的信号完全一样

对于任何给定的 $g(t)$，振幅 $a_n$、$b_n$ 和常数 $c$ 都可以求得

$$ a_n = \frac{2}{T} \int_0^T g(t)\sin(2 \pi nft) dt $$
$$ b_n = \frac{2}{T} \int_0^T g(t)\cos(2 \pi nft) dt $$
$$ c = \frac{2}{T} \int_0^T g(t) dt $$

带宽有限的信号

傅里叶级数与数据通信的关联在于实际信道对不同频率信号有不同的影响

传输 ASCII 字符 b
一个二进制信号与它的平方根傅里叶振幅

均方根（root-mean-square）

上图右所示

之所以对这些值感兴趣，是因为它们的平方与对应频率的传输能量成正比

$$
rms_n = \sqrt{a_n^2+b_n^2}
$$

逐渐接近原始信号

带宽（bandwidth）

不同的传输设备对于不同傅里叶分量的衰减程度并不相同，从而导致接收端收到的结果信号发生变形

一般情况下对导线而言，从 $0$ 到某个频率 $f_c$ 的这段范围内，振幅在传输过程中不会衰减（这里 $f_c$ 可用 Hz 来度量），而在此截止频率 $f_c$ 之上的所有频率的振幅都将有不同程度的减弱

这段在传输过程中振幅不会明显减弱的频率的宽度就称为带宽（bandwidth）

带宽属性（property）

带宽是传输介质的一种物理特性，通常取决于介质的构成、厚度和电线或光纤的长度

滤波器一般可用来进一步限制信号的带宽

802.11 无线信道允许使用的带宽约为 20 MHz
传统（模拟）电视系统中，每个信道在线缆或空中占用 6 MHz的宽度

带宽是指通过的频率的宽度，其所承载的信息仅仅取决于这个频率的宽度而不是频率的起始位置和终止位置

一般将从 0 到某个最大频率的信号称为基带（baseband）信号
将被搬移并占用某个更大频率范围的信号称为通带（passband）信号，通带信号与所有的无线传输情况一样

语音级线路（voice-grade line）

一条被人们称为语音级线路的普通电话线，可能在短距离内有 1 MHz 的带宽，但人为引入的截止频率大约在 3000 Hz 以上（电话公司增加了一个限制每个用户约 3100 Hz 的滤波器）

比特率（bit rate）: b bit/sec
发送 8 bit: T = 8/b sec
第一个谐波频率: f = 1/T = b/8 Hz
最高谐波数: 3000/(b/8) = 24000/b

对于二进制信号，信号速率不可能高于 38.4 kbps

带宽的不同看法

对电气工程师来说，（模拟）带宽是以赫兹（Hz）来度量的

对计算机科学家来说，（数字）带宽表示一个信道的最大数据速率，以每秒多少个比特（bps）来计量

数据速率是数字传输过程中采用一个物理信道的模拟带宽所能获得的最终结果，两者密不可分

信道的最大数据速率

无噪声信道（noiseless channel）

奈奎斯特采样定理（Nyquist）

如果一个任意信号通过了一个带宽为B的低通滤波器，那么只要进行每秒 $2B$ 次（确切）采样，就可以完全重构出被过滤的信号
如果信号包含了 $V$ 个离散等级：${\rm maximun \ data \ rate} = 2B \log_2V {\rm bits/sec}$
例如，无噪声的 3 KHz 信道不可能以超过 6000 bps 的速率传输二进制（只有两级的）信号

有噪声信道（noisy channel）

信噪比

如果存在随机噪声，情况会急剧地恶化。并且，由于系统中分子的运动，随机（热）噪声总是存在的
热噪声的数量可以用信号功率与噪声功率的比值来度量。将信号功率记作 $S$，噪声功率记作 $N$，则信噪比为 $S/N$
通常情况下为了适用很大的范围，该比率表示成对数形式 $10 \log_{10} S/N$，取值单位是分贝（dB, decibel）
10 的信噪比为 10 分贝，100 的信噪比为 20 分贝，1000 的信噪比为 30 分贝

香农采样定理（Shannon）

对于一条带宽为 $B$ Hz、噪声比是 $S/N$ 的有噪声信道，其最大数据速率或容量（capacity）是 ${\rm maximun \ number \ of \ bits/sec} = B \log_2 (1+S/N)$

引导性传输介质

引导性（guided）介质

也称为有线介质，比如铜线和光纤
物理介质

非引导性（unguided）介质

也称为无线介质，比如地面无限点电、卫星和激光

磁介质（magnetic media）

将数据写到磁带或其他可擦写介质上（例如可刻录 DVD）

尤其适合于那些高带宽或者单个比特传输成本是关键因素的应用系统

永远不要低估一辆满载着磁带在高速公路上飞驰的旅行车的带宽

双绞线（twisted pairs）

几乎所有的电话都是通过双绞线连接到电话公司的端局

打电话和 ADSL 接入 Internet 都发生在这些双绞线上

双绞线可以延伸几千米而不需要放大；如果距离很远，信号衰减得厉害，必须使用中继器

双绞线既可用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号。所获得的带宽取决于导线的厚度（即直径）以及传输距离的远近

5 类线（Category 5）或“猫 5（Cat 5）”

不同的局域网标准使用不同的双绞线

100 Mbps 以太网使用了（4 对中的）2 对双绞线，分别用于两个方向上的传输
1 Gbps 以太网在双向传输中同时使用了全部的 4 对双绞线

链路上的传输方向

全双工（full-deplex）链路

可以双向同时使用的链路

半双工（half-duplex）链路

可以双向使用，但一次只能使用一个方向的链路

单工链路（simplex）

只允许一个方向上传输的链路

UTP 与 STP

到 6 类为止，所有的双绞线都成为非屏蔽双绞线（UTP, Unshielded Twisted Pair），这些双绞线仅由导线和绝缘层简单地构成

屏蔽双绞线（STP, Shielded Twisted Pair），7 类双绞线在每对双绞线外面加了一个屏蔽层，然后在整个线缆外面再加一个屏蔽层

同轴电缆（coaxial cable）

比非屏蔽双绞线有更好的屏蔽特性和更大的带宽，所以它能以很高的速率传输相当长的距离

50 Ω 电缆，一开始就用于数字传输
75 Ω 电缆，一般用于模拟传输和有线电视传输

电力线（power lines）

家庭网络使用电力线的困难在于电线是专为分发电源信号而设计的，分发电能与分发数据信号是两项完全不同的工作

光纤（fiber optics）

计算和通信的比赛

单个 CPU 的能力正在接近其物理极限，这就是为何现在每个芯片上 CPU 的数量不断在增加
光纤技术的可达带宽超过 50000 Gbps (50 Tbps)

当前实际带宽只能达到约 100 Gbps，之所以无法获得更高带宽的限制，在于我们无法把电气和光学信号之间的转换进行得更快

光纤

用途（usage）

网络骨干的长途传输
高速局域网
高速Internet接入，比如光纤到户（FttH, Fiber to the Home）

光纤传输系统的组成（components）

光源（light source）
传输介质（transmission medium），超薄玻璃纤维
探测器（detector）

折射与反射

（a）氧化硅内部的光以不同角度折射（空气 / 氧化硅边界）
（b）完全反射的光

任何入射角大于临界值的光束都会在内部反射，所以许多不同的光束以不同的角度来回反射着向前传播。可以说每一束光都有不同的模式，所以一根具有这种特性的光纤称为多模光纤（multimode fiber）

如果光纤的直径减小到只有几个光波波长大小的时候，则光纤就如同一个波导，光只能按直线传播而不会反射，由此形成了单模光纤（single-mode fiber）

单模光纤比较昂贵，广泛应用于长途传输

光纤传输光

光通过玻璃的衰减取决于广的波长（以及玻璃的某些物理特性）

光的衰减定义为输入输出信号功率的比值

光纤每电米衰减的分贝

色散传播（chromatic dispersion）

光脉冲沿光纤传播时会散开，是因为不同颜色的光以不同的速度穿过光线

由于不同颜色的光具有不同的速度，所以有些颜色在其他颜色之前到达光纤段

通过将脉冲做成一种特殊的形状（该形状与双曲余弦的倒数有关），几乎所有的色散效应都不再存在，因而有可能蒋光脉冲发送几千千米而不会有明显的波形失真。这些脉冲称为弧波（soliton）

光缆

光缆和同轴电缆非常相似，只是没有那一层密织的网

（a）单根光纤的侧面图
（b）三根光纤的横截面视图

光纤的连接方式

连接器（connectors）和光纤插座（fiber sockets）

用连接器终止一根光纤，然后再把它插入到光纤插座中

机械拼接（mechanical splices）

通过机械的手段把它们拼接起来。机械拼接的做法是将两根小心切好的光纤头放在一个特殊的套管中，然后将它们适当夹紧

融合（熔合）拼接（fusion（melted） splice）

把两根光纤融合（熔合）在一起形成一个非常结实的连接

光源

通常用作信号源的有两种光源：发光二极管（LED, Light Emitting Diodes）和半导体激光（simiconductor laser）

substaintial 敏感的

光纤接收端

发光二极管（photodiode）：当遇到光照时，就发出一个电脉冲（electrical pulse）

发光二极管的响应时间，即把刚信号转换成点域所需要的时间，限制了数据传输率在 100 Gbps 左右
热噪声也是一个问题，所以光脉冲必须保证具有足够的能量才能被接收端探测到。如果脉冲能量足够强，错误里就可以被降低到任意小

光线与铜线的比较

优点

高带宽
长距离，较低的衰减
- 50 km 一个中继器
- 铜线 5 km 一个
不受电源浪涌（power surges）、电磁干扰（electromagnetic interference）或电源故障（power failures）等影响
细小，重量较轻
不会漏光，不易被接入

缺点

要求较高的操作技能
被过度弯曲时容易折断
双向通信要求使用两根光纤，或在一根光纤上划分两个频段
光纤接口的成本远高于电子接口的成本

无线传输*

电磁频谱（Electromagnetic Spectrum）

当电子运动时会产生电磁波，电磁波可在空中传播（即使在真空中）

无线电、微波、红外光、可见光、紫外线、X射线、γ射线

低频（LF）、中频（MF）、高频（HF）
甚高频（Very）超高频（Ultra）特高频（Super）极高频（Extremely）
巨高频（Tremendously High Frequency）

从香农定理可知，一个电磁波的信号能携带的信息量取决于接收能量，并与带宽成正比

使用较宽的频段

跳频扩频（frequency hopping spread spetrum）

发射器以每秒几百次的速率从一个频率跳到另一个频率

直接序列扩频（direct sequencee spread spectrum）

使用一个码片序列，将数据信号展开到一个很宽的频段上
信号被赋予不同的码片，码多分址（CDMA, Code Division Multiple Access）

超宽带通信（UWB, Ultra-WideBand）

发送一系列快速脉冲，这些脉冲随着通信信息而不断变化自己的位置

扩展频谱和超宽带通信

无线电传输

无线电频率（RF, Radio Frequency）的波形很容易产生，可以传输很长的距离，并且很容易穿透建筑物，因此广泛应用于通信领域

无线电波的特性与频率有关

在低频部分，无线电波能够很好地穿透障碍物；但随着信号源原来越远，其能量急剧下降
- 路径损耗（path loss）
在高频部分，无线电波倾向于以直线传播，并且遇到障碍物会反弹回来

（a）VLF、LF、MF波段的无线电波沿着地球曲面传播
（b）HF波段的无线电波被电离层（ionosphere）反弹回来

微波传输

在 100 MHz 以上频段，电磁波几乎按直线传播，因此它们可以被聚集成窄窄的一束

通过抛物线形状的天线，就可以把所有的能量集中于一小束，从而获得极高的信噪比，但要求发射端和接收端的天线必须精准地对齐

特点

微波按直线传播
微波不能很好地穿透建筑物
- 延迟抵达的微波与直接传输的微波可能不同相，因而信号会相互抵消
  - 多径衰落（multipath fading）
微波会被水吸收
广泛应用于长途电话通信、移动电话、电视转播
微波相对来说不昂贵

电磁频谱政策

允许任何人随意地传输数据，但对所用的功率进行控制，使得发射台只能在很短的距离内工作，因而不会和其他用户形成干扰

一些频段被保留下来用于非许可性应用，被称为工业科学医学（ISM, Industrial, Scientific, Medical）

ISM 频段在频谱中的位置在不同的国家有不同的规定

900 MHz 频段最好，但是太拥挤了而且不是全球通用
2.4 GHz 频段在大多数国家都可以免费使用，虽然会受到来自微波炉和雷达装置的干扰
- 蓝牙和 802.11b/g
5 GHz 频段
- 拥有最大的带宽，拥有 802.11a

红外传输

被广泛用于短程通信

红外线的传播具有方向性、便宜且易于制造，缺点是不能穿过固体物体

光通信

使用激光的光信号本质上是单向的，所以通信的每一端都必须有自己的激光发生器和光探测器

以极低的成本提供了非常大的带宽

激光的形状很容易就被扭曲

通信卫星*

通信卫星以及它们的一些特性，包括离地球的高度、来回延迟时间和覆盖全球所需要的卫星个数

Van Allen belt 范艾伦辐射带，任何飞进范艾伦辐射带的卫星很快就被毁坏

地球同步卫星

地球静止轨道卫星（GEO, Geostationary Earth Orbit）

主要的（principal）卫星频段

较低的频率用于下行链路流量（从卫星发出）
较高的频率用于上行链路流量（发向卫星）

小孔径终端（VSTA, Very Small Aperture Terminals）

直播电视使用这项技术来实现单向传输

中继站（hub）

中地球轨道卫星

低地球轨道卫星

铱星卫星构成了围绕地球的 6 条项链

提供语音、数据、寻呼、传真、导航服务

中继

（a）空中中继
（b）地面中继

卫星与光纤

非对称数字用户线（ADSL, Asymmetric Digital Subscriber Line）

卫星的商机

快速部署
在基础设施不发达的地区提供通信服务
广播，比如网络电视节目

数字调制*与多路复用

比特与代表它们的信号之间的转换过程称为数字调制（digital modulation）

基带传输（baseband transmission），把数据比特直接转换成信号

即信号的传输占有传输介质上从零到最大值之间的全部频率，而最大频率取决于信令速率
有线介质

通带传输（passband transmission），通过调节载波信号的幅值、相位或频率来运载比特

即信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带
无线和光纤信道
只能在给定的频带中传输信号

信道通常被多个信号共享称为多路复用技术（multiplexing）

基带传输（baseband transmission）

数字调制的最直接形式是用正电压表示 1，用负电压表示 0。对光纤而言，可用光的存在表示 1，没有光表示 0。这种编码方案称为不归零（NRZ, Non-Return-to-Zero）

一旦 NRZ 信号被发出去，它就沿线缆传播。在线缆的另一端，接收器以一定周期对信号采样，然后把采样信号转换成比特

线性码

带宽效率

利用有限带宽的一种更有效策略是使用两个以上的信号级别

采用 4 个电压级别，我们可以用单个符号（symbol）一次携带 2 个比特
只要接受器收到的信号强度足够大到能够区分信号的 4 个级别
此时信号变化的速率只是比特率的一半，因而减少了所需的带宽

信号改变的速率称为符号率（symbol rate）

符号率与每个符号的比特数的乘积称为比特率（bit rate）/波特率（baud rate）

如果信号是二进制的（只有两个电压级别），那么比特率和符号率相等

时钟恢复

对于所有将数据比特编码到符号的方案，接收器必须知道何时一个符号结束和下一个符号开始，才能对正确信号进行采样

曼彻斯特（manchester）编码

主要用在经典以太网上
把数据信号和时钟信号异或混合在一起，不需要额外的线来传时钟
缺点是需要两倍于 NRZ 编码的带宽

不归零逆转（NRZI, Non-Returen-toZero Inverted）

NRZ 编码模式只有在面临一长串 0 和 1 的时候才存在时钟恢复问题，如果有频繁的信号转换，对接收器来说很容易地与入境符号流保持同步
1 定义为信号有跳变，0 定义为信号无转变

通用串行总线（USB, Universal Serial Bus）

一长串的 1 没问题，一长串的 0 还是有问题

4B/5B 编码

每 4 个比特被映射成一个 5 比特模式
增加带宽开销，但比曼彻斯特编码好

绕频/倒频（scrambling）

使数据看起来随机，可能会出现频繁的信号转换

平衡信号

在很短的时间内正电压与负电压一样多的信号称为平衡信号（balanced signals）

平衡有助于提供时钟恢复所需的转换，还提供了一个简单的校准接收器方法

一种构造平衡码的简单方法是使用两个电压级别来表示逻辑1，比如用 ±1 V 表示 1，而用 0 V 表示逻辑 0。发送1时，发射器在 ±1 V 之间选择，使得它们总是达到信号平衡。这种方案称为双极编码（bipolar encoding）

在电话网络中，则成为交替标记逆转（AMI, Alternate Mark Inversion）

8B/10B 编码模式

通带传输（passband transmission）

将一个占用 $0 \sim B{\rm Hz}$ 的基带信号搬移到频谱位置在 $S \sim S+B {\rm Hz}$ 的通带上，而不会改变该信号所携带的信息，即便搬移后的信号看上去完全不同

为了在接受器处理信号，可以把它搬回到基带，更便于符号的检测

把信号放置在一个给定的频带上，允许不同信号共存，这类传输称为通带传输，因为任意的一个频率波段都可用来传递信号

数字调制可借助通带传输完成，针对通带内的载波信号进行调节或调制

二进制信号
幅移键控（ASK, Amplitude Shift Keying）
频移键控（FSK, Frequency Shift Keying）
相移键控（PSK, Phase Shift Keying）/ 二进制相移键控（BPSK, Binary Phase Shift Keying）
正交相移键控（QPSK, Quadrature Phase Shift Keying）

通常情况下，振幅和相位可以结合起来一起调制

正交调幅（QAM, Quadrature Amplitude Modulation）
一个点的相位是以它为起点到原点的线与x正轴之间的角度来表示
一个点的振幅则是该点到原点的距离

频分复用（FDM, Frequency Division Multiplexing）

将频谱分成几个频段，每个用户完全拥有其中的一个频段来发送自己的信号

电话网、蜂窝电话、地面无线、卫星网络

衰减因子（attenuation factor）
（a）原始带宽（b）提升到频谱上的带宽（c）多路复用的信道

正交频分复用（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing）

发送数字数据时完全有可能把频谱更有效地划分成没有保护带

信道带宽被分成许多独立发送数据的子载波，子载波在频域中被紧紧的包裹杂一起

因为每个子载波的频率响应在相邻子载波的中心为 0，因而可以在子载波的中心频率采样而不会受到它们邻居的干扰

分隔（separation）
子载波（subcarrier）

广泛用于 802.11、有线电视网络、电力线网络、蜂窝网

时分复用（TDM, Time Division Multiplexing）

在这种方式下，用户以循环的方式轮流工作

每个用户周期性地获得整个带宽非常短的一个时间

每个输入流的比特从一个固定的时间槽（time slot）取出并输出到混合流，该混合流以各个流速率的总和速度发送
要求输入流在时间上必须同步
类似于频率保护带，为了适应时钟的微小变化可能要增加保护时间（guard time）间隔

广泛用于电话网络、蜂窝网络

码分复用（CDM, Code Division Multiplexing）

是扩展频谱（spread spectrum）通信的一种形式，把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上

这种方法更能容忍干扰，而且允许来自不同用户的多个信号共享相同的频带

常用于第二个目的，码多分址（CDMA, Code Division Multiple Access）

码多分址（CDMA）

允许每个站利用整个频段发送信号，且没有任何时间限制

在 CDMA 中，每个比特时间被再细分为 m 个更短的时间间隔，称为码片（chip）

每个站被分配得到唯一的 m 位码，称为码片序列（chip sequence）
若要发送比特 1，站就发送分配给它的码片序列；若要发送比特 0，站就发送器码片序列的反码

（a）4 个站的码片序列（b）序列表示的信号（c）6 个传输实例（d）站 C 信号的恢复

通信系统实例*

公共电话交换网络（PSTN, Public Switched Telephone Network）

电话系统结构

（a）全连通网络（b）中心交换网络（c）两层体系网络

长途连接的路由

端局（end office）/ 本地中心局（local central office）
- 本地回路（local loop）: 电话与端局间的双线连接
长途局（toll office）
- 汇接局（toll connection trunk），在同一个地区的长途局
- 长途连接中继线（toll connection trunk）: 出境线路
- 高带宽的长途中继线（intertoll trunk/interoffice trunk）

电话系统的 3 个主要部分

交换局（switching office），电话呼叫在这里从一条中继线被接入另一条中继线
本地回路（local loop）（用户与交换机之间的线路），进入家庭和公司的模拟双绞线（analog twisted pairs）
中继线（trunk）（交换局之间的长距离连接），连接交换局的数字光纤（digital fiber optics）

本地回路：调制解调器、ADSL、光纤

调制解调器（modem）

执行数字比特流和模拟信号流（代表这些数字比特）之间转换的设备

电话调制解调器、DSL 调制解调器、有线电视调制解调器、无线调制解调器

从逻辑上讲，调制解调器安装在（数字）计算机和（模拟）电话系统之间

编码解码器（codec）

数字用户线（DSL, Digital Subscriber Line）

非对称数字用户线（ADSL, Asymmetric DSL）

本地回路的容量随着用户住宅与端局之间距离的增大而快速下降，因为信号沿线路的衰减也随着距离的增加而相应地递增

OFDM，在 ADSL 中称为离散多音（DMT, Discrete MultiTone）

信道 0 用于简单老式电话服务（POTS, Plain Old Telephone Service）
信道 1~5 空闲，目的是防止语音信号与数据信号相互干扰
剩下 250 条信道中，一条用于上行流控制，另一条用于下行流控制，其他的信道全部用于用户数据

使用离散多音调制方法的 ADSL 操作

ADSL 标准

ITU G.992.1（fullrate）
ITU G.992.2（G.lite）
- 8 Mbps 的下行速度，1 Mbps 的上行速度
- 通常情况下 256 kbps 的上行，1 Mbps 的下行
- 每条信道内使用了 QAM 调制方案
- 使用 TCM（Trellis Coded Modulation）

一种典型的 ADSL 设备配置

编码解码器（Codec）
分离器（splitter）
网络接口设备（NID, Network Interface Device）
数字用户线路接入复用器（Digital Subscriber Line Access Multiplexer）
- 包含一个数字信号处理器，与 ADSL 调制解调器中的一样

光纤到户（FttH, Fiber to the Home）

无源光网络（PON, Passive Optical Network）

使用一个波长被所有住户共享，用作下行流的传输；使用另一个波长被所有住户所共享，用作上行流的传输

中继线（trunk）和多路复用（mulplexing）

电话网络中的中继线不仅比本地回路快得多，而且在其他两个方面与本地回路也有所不同

电话网络核心传送的是数字信息而不是模拟信息，即传的是比特而不是声音
中继线上同时进行着上万电话呼叫

多个电话共享一根中继线的方式对于实现规模经济非常重要

高带宽中继线的共享可通过 TDM 和 FDM 多路复用方法实现

数字化语音信号

脉冲编码调制（PDM, Pulse Code Modulation），构成了现代电话系统的核心

电话系统内的所有时间间隔均为 125 微秒的倍数
语音及电话呼叫的标准未压缩数据率是每 125 微秒 8 比特，或 64 kbps

时分多路复用

基于 PCM 的 TDM 可在中继线上运送多路电话语音，每 125 微秒为每路电话发送一个语音样值

格式称为 DS1，载波称为 T1
T1 载波包含 24 条被复用在一起的语音信道，每个信道依次将 8 比特的样值插入到输出流中

T1 载波被复用到更高级的载波中

SONET / SDH

同步光网络（SONET, Synchronous Optical NETwork）

在美国几乎所有的长途电话中继线在物理层都运行 SONET
SONET 是 TDM，使用精准的主时钟
数据被同步传送（synchronously）

同步数字系列（SDH, Synchronous Digital Hierarchy）

基本 SONET 帧是每隔 125 微秒发送长为 810 个字节的数据块。由于 SONET 是同步系统，所以不管是否有数据要发送，这个帧都要被发送出去。每秒 8000 帧的速率正好符合所有数字电话系统中使用的 PCM 信道的采样率

810 字节的 SONET 帧最好描述成具有 90 列宽，9 行高的矩形。因此，每秒钟传输 8000 次，每次 8*810=6480 比特，总的数据传输率为 51.84 Mbps。这是基本的 SONET 信道，称为同步传输信号-1（STS-1, Synchronous Transport Signal-1）。所有的 SONET 中继线都是 STS-1 的倍数

波分多路复用（WDM, Wavelength Division Multiplexing）

每条光纤的能量位于不同的波长处

光线组合器（combiner）

交换（switching）

电话系统分为两个基本部分

局外部分
- 本地回路（local loops）和中继线（trunks）
局内部分
- 交换机（switched）

电话系统中用到了两种不同的交换技术

电路交换（circuit switching）
- 传统电话系统
数据包交换（packet switching）
- IP 语音（VoIP, Voice over IP）

电路交换（circuit switching）

概念上讲，当你或你的计算机发出一个电话呼叫时，电话系统的交换设备就会全力以赴地寻找一条从你电话通向接收方电话的物理路径

电路交换的一个重要特点是在发送数据之前需要建立一条端到端的路径

数据包交换（packet switching）

有了这项技术，数据包尽可能快地被发出

无须事先设立一条专门的路径，路由器使用存储-转发（store-and-forward）传输技术，把经过它的每个数据包发送到通往该包目的地的路径上

电路交换和数据包交换的比较

在电路交换中没连接的建立过程预留了从发送端到接收端一路上的带宽资源，该条电路上的所有数据将走相同的路径
- 让所有的数据遵循同样的路径意味着它们到达接收端的顺序不可能出现混乱
在数据包交换中，没有固定的路径，不同的数据包可以走不同的路径，路径的选择取决于它们被传输时的网络状况，所以它们到达接收端的顺序可能出现混乱