先討論物理層的基本概念，然后介紹有關數據通信的重要概念以及各種傳輸媒體的主要特點，但傳輸媒體不屬于物理層的范圍。在討論幾種常用的信道復用技術后，我們對數字傳輸系統進行簡單介紹。最后討論幾種常用的帶寬接入技術。
一、物理層的基本概念
物理層需考慮怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。硬件設備、傳輸媒體種類、通信手段多樣，物理層要屏蔽掉這些差異，使上面的數據鏈路層感受不到這些差異，這樣數據鏈路層只管如何完成本層的協議和服務。用于物理層的協議也常稱為物理層規程（procedure）。
物理層任務（可描述為確定與傳輸媒體的接口有關的一些特性）：
①機械特性
指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等等。
②電氣特性
指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。
③功能特性
指名某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。
④過程特性
指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。
數據在計算機中是并行傳輸，但在通信線路上是串行傳輸（經濟考慮，逐個比特按照時間順序傳輸），因此物理層還要完成傳輸方式的轉換。
二、數據通信基本知識
1.數據通信系統的模型
模型是：兩PC機經過普通電話機的連線，再經過公用電話網進行通信。
源系統包括：①源點（source，又稱源站、信源）：產生要傳輸的數據，如鍵盤輸入漢字產生輸出的數字比特流。②發送器：數字比特流通過發送器編碼才能在傳輸系統中傳輸，典型發送器是解制器。
目的系統包括：①接收器：把來自傳輸線路上的模擬信號進行解調，提取出在發送端置入的消息，還原出發送端產生的數字比特流。②終點（destination）：也稱目的站、信宿。
傳輸系統可以是傳輸線，也可以是連接在源系統和目的系統之間的復雜網絡系統。
常用術語：
通信的目的是傳送消息（message），如話音、文字、圖像。數據（data）是運送消息的實體。信號（signal）是數據的電氣的或電磁的表現。信號分為模擬信號（或連續信號，代表消息的參數的取值是連續的）和數字信號（或離散信號，代表消息的參數的取值是離散的）。在使用時間域（或簡稱時域）的波形表示數字信號時，則代表不同離散數值的基本波形就稱為碼元。在使用二進制編碼時，只有兩種不同碼元，即0狀態和1狀態。
2.有關信道的幾個基本概念
信道是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體，因此一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接收信道。（和電路不等同）
三種基本方式：
①單向通信：又稱單工通信，即只有一個方向的通信而無反方向的交互，如無線電廣播、電視廣播。 ? （一條信道）
②雙向交替通信：又稱半雙工通信，即通信雙方都可以發送信息，但不能同時發送（也不能同時接收）。這種通信方式是一方發送另一方接收，過一段時間后再反過來。（兩條信道）
③雙向同時通信：又稱為全雙工通信，即通信雙方可以同時發送和接收信息。（兩條信道）
注意：有時人們用“單工”表示“雙向交替通信”。
來自信源的信號常稱為基帶信號（即基本頻帶信號），它含有低頻和直流成分，這些是許多信道不能傳輸的，所以需要調制（modulation）。
調制分為：①基帶調制：僅僅對基帶信號的波形進行變換，使它能夠與信道特性相適應。變換后的信號仍是基帶信號。②帶通調制：使用載波（carrier）進行調制，把基帶信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸。經過載波調制后的信號稱為帶通信號（即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道）。
最基本的帶通調制方法：①調幅（AM），即載波的振幅隨基帶數字信號而變化。如0和1分別對應于無載波或有載波輸出。②調頻（FM），即載波的頻率隨基帶數字信號而變化。如0和1分別對應于頻率f1或頻率f2。③調相（PM），即載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。例如0或1分別對應于相位0度或180度。
為打到更高傳輸率，需采用技術上更為復雜的多元制的振幅相位混合調制方法，例如正交振幅調制QAM（quadrature amplitude modulation）。
3.信道的極限容量
任何實際的信道都不理想，因為在傳輸信號時會產生各種失真。數字通信的優點：在接收端只要我們能從失真的波形識別出原來的信號，那么這種失真對通信質量就沒有影響。碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，或噪聲干擾越大，或傳輸媒體質量越差，在接收端的波形的失真就越嚴重。
限制碼元在信道上的傳輸速率的因素有：
①信道能夠通過的頻率范圍
碼間干擾：在接收端收到的信號波形失去了碼元之間清晰界限。
奈氏準則：給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間干擾，碼元的傳輸速率的上限值。在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（或識別）成為不可能。
如果信道頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。
②信噪比
信號強，噪聲影響相對小。信噪比是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，記為S/N，用分貝（dB）作為度量單位。
? 信噪比（dB）=10log（S/N）（dB）
1948年，信息論的創始人香農（shannon）推導了香農公式：信道的極限信息傳輸速率C是：
? ? ? C=Wlog2（1+S/N） ? （b/s）
W—信道帶寬，單位Hz
S—信道內所傳信號的平均功率
N—信道內部的高斯噪聲功率
香農公式表明：信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸效率就越高。香農公式指出了信息傳輸速率的上限。其意義在于：只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種方法來實現無差錯的傳輸。但是，香農公式并沒有告訴我們具體的實現方法。
對于頻帶寬度已確定的信息，如果信噪比不能再提高了，碼元傳輸速率也達到了上限值，那還有什么辦法提高信息的傳輸速率？這就是讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。
例如，假定基帶信號是101011000。如果直接傳送，則每一個碼元攜帶1bit。現將3個比特編為一組，即101，011，000。3個比特有8種不同排列，可用不同調制方法來表示這樣的信號。例如，8種不同振幅，8種不同頻率，8種不同相位進行調制。假設用相位調制，用相位a1表示101，a2表示011，a3表示000，則原來9個碼元的信號就轉換為由3個碼元組成的信號。也就是說，以相同速率發送碼元，則同樣時間所傳送的信息量就提高到了3倍。
然而，實際信道上的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少，這是因為信號還受其他損傷，如各種脈沖干擾和在傳輸中產生的失真等等。而這些在香農公式中未考慮。
三、物理層下面的傳輸媒體
也稱為傳輸介質或傳輸媒介，可分為導向傳輸媒體和非導向傳輸媒體。導向傳輸媒體中，電磁波被導向沿著固定媒體（銅線或光纖）傳播，而非導向傳輸媒體就是指自由空間，常稱無線傳輸。
1.導向傳輸媒體
⑴雙絞線
也稱雙紐線，把兩根互相絕緣的銅導線并排放在一起，然后用規則方法絞合（twist）起來就構成了雙絞線。絞合可減少相鄰導線的電磁干擾。從用戶電話機到交換機的雙絞線稱為用戶線或用戶環路（subscriber loop）。通常將一定數量的這種雙絞線捆成電纜，在其外面包上護套。
模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線。距離太長時就要加放大器以便將衰減了的信號放大到合適的數值（對于模擬傳輸），或者加上中繼器以便將失真了的數字信號進行整形（對于數字傳輸）。導線越粗，通信距離越遠，越貴。
為提高雙絞線的抗電磁干擾的能力，可以在雙絞線的外面再加上一層用金屬絲編織成的屏蔽層，這就是屏蔽雙絞線STP（shielded twisted pair）。它的價格比無屏蔽雙絞線UTP（unshielded teisted pair）貴。
無論是哪種類別的線，衰減都隨頻率的升高而增大，使用更粗的導線可以降低衰減，但增加了導線的價格和重量。線對之間的絞合度（單位長度內的絞合次數）和線對內兩根導線的絞合度都必須經過精心設計，并在生產中嚴格控制，使干擾在一定程度上抵消。
在設計布線時，要考慮到受到衰減的信號應當有足夠大的振幅，以便在有噪聲干擾的條件下能夠在接收端正確地被檢測出來。雙絞線究竟能夠傳送多高速率（Mb/s）的數據還與數字信號的編碼方法有很大的關系。
⑵同軸電纜
由內導體銅質芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層（也可以是單股的）以及保護塑料外層所組成。由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用于傳輸較高速率的數據。
局域網發展初期，廣泛使用同軸電纜作為傳輸媒體。但隨著技術進步，在局域網基本上是采用雙絞線作為傳輸媒體。目前同軸電纜主要用在有線電視網的居民小區中。同軸電纜的帶寬取決于電纜的質量。目前高質量的同軸電纜的帶寬已經接近1GHz。
⑶光纜
光纖通信是利用光導纖維（簡稱光纖）傳遞光脈沖來進行通信。有光脈沖相當于1，而沒有光脈沖相當于0。由于可見光的頻率非常高，約為10^8MHz的量級，因此一個光纖通信系統的傳輸帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸媒體的帶寬。
光纖是光纖通信的傳輸媒體。在發送端有光源，可以采用發光二極管或半導體激光器，它們在電脈沖的作用下能產生出光脈沖。在接收端利用光電二極管做成光檢測器，在檢測到光脈沖時可還原出電脈沖。
光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構成雙層通信圓柱體。纖細很細，包層較纖芯有較低的折射率。當光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時，其折射角將大于入射角。因此，入射角足夠大，就會出現全反射，即光線碰到包層時就會折射纖芯。這個過程不斷重復，光就沿著光纖傳輸下去。
上圖：只畫了一條光線，只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某一個臨界角度，就可以發生全反射。因此，可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖。光脈沖在多模光纖中傳輸時會逐漸展寬，造成失真。因此多模光纖只適合于近距離傳輸。若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳輸，而不會產生多次反射。這樣的光纖就稱為單模光纖。單模光纖的纖芯很細，其直徑只有幾個微米，制造起來成本較高。同時單模光纖的光源要使用昂貴的半導體激光器，而不能使用較便宜的發光二極管。但單模光纖的衰弱較小，在2.5Gb/s的高速路下可傳輸數十公里而不必采用中繼器。
由于光纖非常細，所以必須做成很結實的光纜，一根光纜少則只有一根光纖，多則可包括數十至數百根光纖，再加上加強芯和填充物就可以大大提高其機械強度。必要時還可放入遠供電源線。最后加上包帶層和外護套，就可以滿足工程施工的強度要求。
優點：①傳輸損耗小，可遠距離。②抗雷電和電磁干擾性好，可在大電流脈沖干擾的環境下使用。③無串音干擾，保密性好，不易被竊聽或截取數據。④體積小，重量輕。⑤通信容量大。
缺點：要將兩根光纖精確地連接需要專用設備，通過T形接口連接到計算機。
T形接口有兩種：
①無源的
可靠。里面有一個光電二極管（供接收用）和一個發光二極管LED（供發送用），都熔接在主光纖上，即使它們出現故障，也會使連接的計算機處于脫機狀態，而整個光纖網還是連通的。由于在每一個接頭處光線會有些損失，因而整個光纖環路的長度受到了限制。
②有源的
有源的T形接頭實際上就是一個有源轉發器。進入的光信號通過光電二極管變成電信號，再生放大后，再經過發光二極管LED變成光信號繼續向前傳送。利用有源轉發器使得每兩臺計算機之間的距離可長達數公里。缺點：一旦T形接頭出了故障，整個光纖環路即斷開不能工作。現在純光的信號再生器也已開始使用。由于不需要進行光電和電光的轉換，因此其工作帶寬大大增加。
注：導向傳輸媒體中，還有一種是架空明線（銅線或鐵線）。安裝簡單但通信質量差（環境影響大），目前我國農村和邊遠地區還在用。
2.非導向傳輸媒體
通信線路要通過一些高山或島嶼時，導向傳輸媒體很難施工。
短波通信（高頻通信）主要是靠電離層的反射。但電離層的不穩定所產生的衰落現象和電離層反射所產生的多徑效應（指同一個信號經過不同的反射路徑到達同一個接收點，但各反射路徑的衰減和時延都不相同，使得最后得到的合成信號失真很大），使得短波信道的通信質量較差。因此，當必須使用短波無線電臺傳送數據時，一般是低速傳輸，只有在采用復雜的調制解調技術后，才能使數據的速率達到幾千比特/秒。
無線電微波通信：微波在空間主要是直線傳播，它會穿透電離層而進入宇宙空間，因此它不像短波那樣可以經電離層反射傳播到地面上很遠的地方。傳統的微波通信有兩種方式：地面微波接力通信和衛星通信。
地面微波接力通信：由于微波在空間中直線傳播，而地球表面是曲面，傳播距離受限制，一般只有50km左右，若用天線塔則可增大到100km。為實現遠距離通信必須在一條無線電通信信道的兩個終端之間建立若干個中繼站。中繼站把前一站送來的信號經過放大后再發送到下一站，故稱為“接力”。
優點：
①微波波段頻段很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大。
②因為工業干擾和天線干擾的主要頻譜成分比微博頻率低很多，對微波通信的危害比對短波和米波通信小很多，因而微波傳輸質量較高。
③與相同容量和長度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設投資少，見效快，易于跨越山區、江河。
缺點：
①相鄰站之間必須直視，不能有障礙物。有時一個天線發射出的信號也會分成幾條略有差別的路徑到達接收天線，因而造成失真。
②微波的傳輸有時受惡劣氣候的影響。
③與電纜通信系統比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差。
④對大量中繼站的使用和維護要耗費較多的人力和物力。
衛星通信：常用的是人造同步地球衛星。最大特點是通信距離遠。它和微波接力通信相似，衛星通信的頻帶很寬，通信容量很大，信號受到的干擾小，通信穩定。具有較大的傳播時延，但這并不代表“用衛星信道傳送數據的時延較大”，因為傳送數據的時延還有傳輸時延、處理時延、排隊時延。因覆蓋面廣所以適用于廣播通信，但保密性差。
紅外通信、激光通信
四.信道復用技術
1.頻分復用、時分復用和統計時分復用
頻分復用FDM（frequency division multiplexing）：用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。所有用戶在同樣時間占用不同的帶寬資源。
時分復用：將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀），每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的間隙。每一個用戶所占用的間隙是周期性出現（其周期就是TDM幀的長度）。因此，TDM信號也稱為等時（isochronous）信號。時分用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。
兩種方法優點：技術成熟。缺點：不夠靈活。時分復用更有利于數字信號的傳輸。
用戶數增加時，頻分復用的信道的總帶寬會增加。但是時分復用里，每一個時分復用幀長度不變，時隙寬度變窄，時隙寬度非常窄的脈沖信號所占的頻譜范圍也是非常寬的。
從上圖看出，當某用戶暫時無數據發送時，在時分復用幀中分配給該用戶的時隙只能處于空閑狀態，其他用戶即使一直有數據要發送，也不能使用這些空閑的時隙。這就導致了復用后的信道效率利用率不高。
統計時分復用STDM（statistic TDM）：
工作原理：每一個STDM幀中的時隙數小于連接在集中器的用戶數，各用戶有了數據就隨時發往集中器的輸入緩存，然后集中器按順序掃描輸入緩存，把緩存中的輸入數據放入STDM幀中，對沒有數據的緩存就跳過去。當一個幀的數據放滿了，就發送出去。
可提高線路的利用率。在輸出線路上，某一個用戶所占用的時隙不是周期性出現，因此統計復用又稱為異步時分復用。普通的叫同步時分復用。
假定所有用戶都不間斷向集中器發送數據，那集中器難以應付，它內部緩存會溢出，所以集中器能夠正常工作的前提是假定各用戶都是間歇地工作。
由于STDM幀中的時隙不是固定分配給某個用戶，因此在每個時隙中還必須有用戶的地址信息。使用統計時分復用的集中器也叫做智能復用器，它能提供對整個報文的存儲轉發能力（但大多數復用器一次只能存儲一個字符或一個比特），通過排隊方式使各用戶更合理地共享信道。此外，許多集中器還可能具有路由選擇、數據壓縮、前向糾錯等功能。
強調：TDM幀和STDM幀都是在物理層傳送的比特流中所劃分的“幀”，這種“幀”和數據鏈路層的“幀”是完全不同的概念。
2.波分復用（WDM，wavelength division multiplexing）
即光的頻分復用。光纖速率高，一根單模光纖的傳輸速率可達2.5Gb/s，再提高很難。如果解決色散（dispersion）問題（色散即光脈沖中不同頻率的分量的傳輸速率不同，這導致信號的失真因而產生誤碼。當傳輸速率增高時，色散問題就越來越嚴重。）
由于光載波的頻率很高，因此習慣上用波長而不用頻率來表示所使用的光載波，這就有了波分復用的名詞。還有密集波分復用。
解釋：8個波長很接近的光載波經過光復用器（也稱合波器）后，就在一根光纖中傳輸。因此速率是8倍。但光信號傳輸了一段距離后會衰減，因此對衰減了的光信號必須先放大才能繼續傳輸。這就需要摻鉺光纖放大器EDFA（erbium doped fiber amplifire）。它不需要像以前那樣，先把光信號轉換成電信號，經過電放大器放大后，再轉換成光信號。它是直接對光信號進行放大，并在1550nm波長附近有35nm頻帶范圍提供比較均勻的、最高可達40～50dB的增益。兩個光纖放大器之間的光纜線路長度可達120km，而光復用器和光分用器（又稱分波器）之間的無光電轉換的距離可達600km（只需放入4個光纖放大器）。而在使用波分復用技術自己光纖放大器之前，要在600km的距離傳輸20Gb/s，需要鋪設8根速率為2.5Gb/s的光纖，而且每隔35km要用一個再生中繼器進行光電轉換后的放大，并再轉換為光信號（這樣的中繼器總共需要有128個多）。
3.碼分復用CDM（code division multiplexing）
是一種共享信道的方法。或稱為碼分多址CDMA（code division multiple access），每一個用戶可以在相同的時間使用同樣的頻帶進行通信。由于各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會造成干擾。價格和體積下降。
工作原理：每一個比特時間再劃分為m個短的間隔，稱為碼片（chip）。通常m的值是64或128。以下例子設為8。使用CDMA的每一個站被指派一個唯一的m bit碼片序列（chip sequence）。一個站如果要發送比特1，則發送它自己的m bit碼片序列。如果要發送比特0，則發送該碼片序列的二進制反碼。例如，指派給S站的8 bit 碼片序列是00011011。當S發送比特1時，它就發送序列00011011，發送0時就發送11100100。按慣例，將0寫為—1，將1寫為+1。則S站碼片序列為（—1 —1 —1 +1 +1 —1 +1 +1）。
假定S站要發送信息的數據率為b b/s。由于每一個比特要轉換成m個比特的碼片，因此S站實際上發送的數據率提高到mb b/s，同時S站所占用的頻帶寬度也提高到原來數值的m倍。這種通信方式是擴頻（spread spectrum）通信中的一種。擴頻通信有兩類：直接序列擴頻DSSS（direct sequence spread spectrum）和跳頻擴頻FHSS（frequency hopping spread spectrum）。
CDMA系統的一個重要特點就是這種體制給每一個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，而且還必須互相正交（orthogonal）。在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。
這種正交關系是：令向量S表示站S的碼片向量，再令T表示其他任何站的碼片向量。正交是指向量S和T的規格化內積（inner product）都是0：
例如，向量S為（—1 —1 —1 +1 +1 —1 +1 +1），向量T為（—1 —1 +1 —1 +1 +1 +1 —1），這相當于T站的碼片序列為00101110。這兩個碼片序列正交。不僅如此，向量S和各站碼片反碼的向量的內積也是0。另外，任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1：
而一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是—1。這從上式可看出。
假定在一個CDMA系統中有很多站都在相互通信，每一個站所發送的是數據比特和本站的碼片序列的乘積，因而是本站的碼片序列（相當于發送比特1）和該碼片序列的二進制反碼（相當于發送比特0）的組合序列，或什么也不發送（相當于沒有數據發送）。我們還假定所有的站所發送的碼片序列都是同步的，即所有的碼片序列都在同一個時刻開始。利用全球定位系統GPS就不難做到這點。
現假定有一個X站要接收S站發送的數據。X站就必須知道S站所特有的碼片序列。X站使用它得到的碼片向量S與接收到的未知信號進行求內積的運算。X站接收到的信號是各個站發送的碼片序列之和。根據上面兩個公式和疊加原理（假定各種信號經過信道到達接收端是疊加的關系），那么求內積得到的結果是：所有其他站的信號都被過濾掉（其內積的相關項都是0），而只剩下S站發送的信號。當S站發送比特1時，在X站計算內積的結果是+1，當S站發送比特0時，內積的結果是—1。
解釋圖：S站要發送的數據是1 1 0三個碼元。CDMA將每一個碼元擴展為8個碎片，而S站選擇的碼片序列為（—1 —1 —1 +1 +1 —1 +1 +1）。S站發送的擴頻信號為Sx（只包含互為反碼的兩種碼片序列）。T站選擇的碼片序列為（—1 —1 +1 —1 +1 +1 +1 —1），也發送1 1 0三個碼元，T站擴頻信號為Tx。因所有的站都使用相同的頻率，因此每一個站都能夠收到所有的站發送的擴頻信號。本例中，所有的站收到的都是疊加的信號Sx+Tx。
當接收站打算收S站發送的信號時，就用S站的碼片序列的與收到的信號求規格化內積。這相當于分別計算S*Sx和T*Tx。顯然，S*Sx就是S站發送的數據比特，因為在計算規格化內積時，各項或者都是+1，或者都是—1。而S*Tx一定是零，因為相加的8項中的+1和—1各占一半，因此總和一定是零。
五、數字傳輸系統
1.脈碼調制PCM體制（pulse code modulation）
模擬電話信號轉變為數字信號的過程：先對電話信號進行采樣，根據采樣定理，只要采樣頻率不低于電話信號最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號無失真地恢復出原來的電話信號。
為更有效傳輸線路，通常總是將許多個話路的PCM信號用時分復用TDM的方法裝成幀（即時分復用幀），然后再送往線路上一幀接一幀地傳輸。時分復用，是所有用戶在不同時間，即在分配給自己的專用間隙占用大家共享的公共信道（因而不會發生干擾）。但從頻率域來看，大家所占用的頻率范圍卻都是一樣的。
2.同步光纖網SONET和同步數字系列SDH
PCM數字傳輸系統的缺點：①速率標準不統一。如果不對高次群的數字傳輸速率進行標準化，國際范圍的高速數據傳輸就很難實現，因為高次群的數字傳輸速率各國都已使用了不少時間，誰都不愿意拋棄現在正在使用的大量設備并改用別人的數字傳輸速率標準。
②不是同步傳輸
必須采用復雜的脈沖填充方法才能補償由于頻率不準確而造成的定時誤差。這就給數字信號的復用和分用帶來許多麻煩。數據傳輸速率低時，收發雙方時鐘頻率的微小差異并不會帶來嚴重的不良影響。但當速率高時，收發雙方時鐘同步的問題必須解決。
同步光纖網SONET（synchronous optical ?nerwork）：整個的同步網絡的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘，也定義了同步傳輸的線路速率等級結構。
它自身只對應于OSI的物理層，層次自上而下為：①光子層（photonic layer），處理跨越光纜的比特傳送，并負責進行同步傳送信號STS的電信號和光載波OC的光信號之間的轉換。在此層由光電轉換器進行通信。②段層（section layer）：在光纜上傳送STS—N幀，有成幀和差錯檢測功能。上兩層必須有，但下兩層可供選擇。③線路層（line layer），負責路徑層的同步和復用，以及交換的自動保護。④路徑層（path layer），處理路徑端接設備PTE（psth terminating element）之間的業務傳輸，這里PTE是具有SONET能力的交換機。路徑層還具有與非SONET網絡的接口。
以SONET為基礎，有了國際超準同步數字系列SDH（synchronous digital ?hierarchy）。
六、寬帶接入技術
為提高用戶的上網速率
1.xDSL技術
是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務。雖然模擬電話信號的頻帶被限制在300～3400kHz的范圍內，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過1MHz。因此，xDSL技術就把0～4kHz低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。DSL就是數字用戶線（digital subscriber line）的縮寫。而前綴x則表示數字用戶線上實現的不同寬帶方案。
ADSL（asymmetric digital subscriber line）是非對稱數字用戶線，HDSL（high speed DSL）是高速數字用戶線，SDSL（single—line DSL）是1對線的數字用戶線，VDSL（very high speed DSL）是甚高速數字用戶線，而DSL是使用ISDN（integrated services digital network）綜合業務數字網用戶線。
極限傳輸距離與數據率以及用戶線的路徑都有很大的關系（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數據傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關。
下面僅對ASDL進行簡單介紹。
由于用戶在上網時主要是從因特網下載各種文檔，而向因特網發送的信息一般都不大，因此ADSL把上行和下行寬帶做成不對稱的。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL調制解調器。這種調制解調器的實現方案有許多種。我國目前采用的方案是離散多音調DMT（discrete multi—tone）調制技術。這里的“多音調”就是“多載波”或“多子信道”的意思。DMT調制技術采用頻分復用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中25個子信道用于上行信道，而249個子信道用于下行信道。每個子信道占據4kHz帶寬，并使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調制。這種做法相當于在一對用戶線上使用許多小的調制解調器并行地傳送數據。由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、路徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等不同），因此ADSL采用自適應調制技術使用戶線能夠傳送盡可能高的數據率。當ADSL啟動時，用戶線兩端的ADSL調制解調器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質量。對具有較高的信噪比的頻率，ADSL就選擇一種調制方案可獲得每碼元對應于更多的比特。反之，對信噪比較低的頻率，ADSL就選擇一種調制方案使得每碼元對應于較少的比特。因此，ADSL不能保證固定的數據率。對于質量很差的用戶線甚至無法開通ADSL。因此電信局需要定期檢查用戶線的質量，以保證能夠提供向用戶承諾的ADSL數據率。通常下行數據率在32kb/s到6.4Mb/s之間，而上行數據率在32kb/s到640kb/s之間。
基于ADSL的接入網由以下三大部分組成：數字用戶線接入復用器DSLAM（DSL access multiplexer），用戶線和用戶家中的一些設施。（下圖）
數字用戶線接入復用器包括許多ADSL調制解調器。ADSL調制解調器又稱為接入端接單元ATU（access termination unit）。由于ADSL調制解調器必須成對使用，因此在電話端局（或遠端站）和用戶家中所用的ADSL調制解調器分別記為ATU—C（C代表端局central office）和ATU—R（R代表遠端remote）。用戶電話通過電話分離器PS（POTS splitter）和ATU—R連在一起，經用戶線到端局，并再次經過一個電話分離器PS把電話連到本地電話交換機。電話分離器PS是無源的，它利用低通濾波器將電話信號與數字信號分開。電話分離器做成無源的是為了在停電時不影響傳統電話的使用。因ATU—C要使用數字信號處理技術，因此DSLAM的價格較高。
ADSL最大的好處是可以利用現有電話網中的用戶線，不需要重新布線。它是借助于在用戶線兩端安裝的ADSL調制解調器（即ATU—R和ATU—C）對數字信號進行了調制，使得調制后的數字信號的頻譜適合在原來的用戶線上傳輸。用戶線本身并沒有發生變化。但給用戶的感覺是：加上ADSL調制解調器的用戶線好像能夠直接把用戶PC機產生的數字信號傳送到遠方的ISP。正因為這樣，原來的用戶線加上兩端的調制解調器就變成了可以傳送數字信號的數字用戶線DSL。
ADSL技術也在發展。第二代ADSL改進的地方主要是：①通過提高調制效率得到了更好的數據率。②采用了無縫速率自適應技術SRA（seamless rate adaptation），可在運營中不中斷通信和不產生誤碼的情況下，根據線路的實時狀況，自適應地調整數據率③改善了線路質量評測和故障定位功能，這對提高網絡的運行維護水平具有非常重要的意義。
2.光纖同軸混合網（HFC網）
hybrid fiber coax
是目前覆蓋面很廣的有線電視網CATV的基礎上開發的一種居民寬帶接入網。它可傳送CATV，可提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。
現有的CATV網是樹形拓撲結構的同軸網絡（看圖），它采用模擬技術的頻分復用對電視節目進行單向傳輸。而HFC網則需要對CATV網進行改造，主要特點：
⑴HFC網的主干線路采用光纖
CATV網使用的同軸電纜有缺點：①原有同軸電纜的帶寬對居民所需的寬帶業務仍嫌不足。②同軸電纜每30m就要產生1dB的衰減，因此每隔約600m就要加入一個放大器。大量放大器的接入將使整個網絡的可靠性下降，因為任何一個放大器出了故障，其下游的用戶就無法接收電視節目。③信號的質量在遠離頭端（headend）處較差，因為經過了可能多達幾十次的放大所帶來的失真是很明顯的。④要將電視信號的功率很均勻地分布給所有的用戶，在設計上和操作上都是很復雜的。
因此，HFC網把原CATV網中的同軸電纜主干部分改換為光纖，并使用模擬光纖技術，在模擬光纖中采用光的振幅調制AM，這比使用數字光纖更為經濟。模擬光纖從頭端連接到光纖結點（fiber node），它又稱為光分配結點ODN（optical distribution node）。在光纖結點光信號轉換為電信號，在光纖結點以下就是很多根同軸電纜，放大器少所以提高了網絡的可靠性和電視信號的質量。
HFC還要在頭端增加一些智能，以便實現計費管理和安全管理，以及用選擇性的尋址方法進行點對點的路由選擇。此外，還要能適應兩個方向的接入和分配協議。
⑵HFC網采用結點體系結構（node architecture）
特點：從頭端到各個光纖結點用模擬光纖連接，構成星形網，光纖結點以下是同軸電纜組成的樹形網。連接到一個光纖結點的典型用戶數是500左右，但不超過2000。這樣一個光纖結點下的所有用戶組成了一個用戶群（cluster，或鄰區neighborhood area）。光纖結點與頭端的典型距離為25km，而從光纖結點到其用戶群中的用戶則不超過2～3km。
采用結點體系結構的好處是能提高網絡的可靠性。由于每一個用戶群都獨立于其他用戶群，因此某一個光纖結點或模擬光纖的故障不會影響其他的用戶群。
簡化了上行信道的設計。HFC網的上行信道是用戶共享的。劃分成若干個獨立的用戶群就可以使用價格較低的上行信道設備（因為共享上行信道的用戶數減小了），同時每一個用戶群可以采用同樣的頻譜劃分而不致相互影響。
⑶HFC網具有比CATV網更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能
原來CATV網的最高傳輸速率是450MHz，并且是用于電視信號的下行傳輸。HFC網要具有雙向傳輸功能，就必須擴展其傳輸頻帶。頻帶劃分沒有國際標準，給出例子（見圖）
⑷每個家庭要安裝一個用戶接口盒
用戶接口盒UIB（user interface box）要提供三種連接：①使用同軸電纜連接到機頂盒（set—top box），然后再連接到用戶的電視機。②使用雙絞線連接到用戶的電話機。③使用電纜調制解調器連接到用戶的計算機。
電纜調制解調器（cable modem）最大特點是傳輸速率高，不是成對使用，只能安裝在用戶端。
電纜調制解調器有很好的抗干擾性能。在HFC網的上行頻段正是無線電干擾和各種家電所產生的干擾較為集中的頻段。此外，上行信號沿樹形電纜向光纖結點傳送時，噪聲將不斷累計增大。
電纜調制解調器的MAC（medium access control，媒體接入控制）子層協議還必須解決上行信道中可能出現的沖突問題。產生沖突的原因是因為HFC網的上行信道是一個用戶群所共享的，而每個用戶都可在任何時刻發送上行信息。這和以太網上爭用信道是相似的。當所有的用戶都要使用上行信道時，每個用戶所能分配到的寬帶就要減少。這在設計HFC網時應加以注意。
HFC網最大優點是有很寬的頻帶，并且能夠利用已經有相當大的覆蓋面的有線電視網。
3.FTTx技術
除了上述xDSL和HFC技術外，FTTx（即光纖到……）也是一種實現寬帶居民接入的方案。x可代表不同的意思。
光纖到戶FTTH（fiber to the home），即將光纖一直鋪設到用戶家庭，這可能是居民接入網最后的解決辦法，但未普及。問題：費用高（鋪設光纜的費用和安裝在用戶家中的光端機等接口設備的費用，以及應交給電信公司的月租費等）；很多用戶不需要這么大的帶寬。
考慮中的FTTH將使用時分復用的方式進行雙向傳輸，對于上行信道需要有合適的MAC協議解決用戶共享信道的問題。
光纖到大樓FTTB（fiber to the building）：光纖進入大樓后就轉換為電信號，然后用電纜或雙絞線分配到各用戶。比FTTH經濟。
光纖到路邊FTTC（fiber to the curb）：從路邊到各個用戶可使用星形結構的雙絞線作為傳輸媒體，可根據具體的條件分批分階段地實現最后的光纖到家的最后目標。
光纖到辦公室FTTO
光纖到鄰區FTTN
光纖到門戶FTTD（door）
光纖到樓層FTTF（floor）
光纖到小區FTTZ（zone）
