【零基础计网入门笔记 02】物理层

物理层只负责传输 0/1 比特流，不理解数据内容，只解决「如何把数字信号通过物理介质从一端送到另一端」，整体逻辑链条：硬件接口标准 → 信号传输（数据通信原理+传输上线）→ 传输载体 → 多路共享信道。

重点速览：

• 物理层的基本概念
• 数据通信的基础知识
• 物理层下面的传输媒体
• 信道复用技术

一、物理层的基本概念

1.1 物理层接口特性

物理层规定硬件设备之间接口的统一标准，分为 4 类特性，结合网线水晶头举例：

1. 机械特性：硬件插头外形、针脚数量、尺寸（水晶头 8 根针、网线接口大小）
2. 电气特性：线路电压高低、电平标准（多少伏代表 0、多少伏代表 1）
3. 功能特性：每一根针脚的作用（哪根线发数据、哪根收数据、地线）
4. 过程特性：信号交互的先后流程（设备上电、建立连接、传输、断开的信号顺序）

二、数据通信的基础知识

2.1 数据通信的系统模型

三段式：源系统 → 传输系统 → 目的系统

• 源系统：电脑 / 手机，产生原始数字比特；配套发送器（调制器，数字转模拟）
• 传输系统：网线、光纤、无线电，负责远距离传递信号
• 目的系统：接收端设备；配套接收器（解调器，模拟还原数字）

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2.2 数据通信方式

1. 按传输线路数量分：串行 / 并行

• 并行：多根线同时传多位数据，仅设备内部使用（电脑主板总线），远距离干扰大
• 串行：单根线逐位传输 0/1，网线、光纤、无线网络全部使用串行传输（互联网主流）

2. 串行通信细分

1. 单工（单向通信）：只能单向传输，一方永远发、一方永远收

   • 例子：电视广播、电台

2. 半双工（双向交替）：双方都能收发，但不能同时，一方发另一方必须等待

   • 例子：对讲机

3. 全双工（双向同时）：两端可以一边发一边收，互不干扰

   • 例子：手机通话、网线联网

2.3 常用的编码方式

自同步能力：接收端不用单独时钟线，仅从波形变化就能识别每一个比特的起止，避免连续 0/1 分不清位数。

常用编码方式：不归零制、归零制、曼彻斯特、差分曼彻斯特

重点：

• 哪个编码方式没有自同步能力
• 曼彻斯特编码（看中间）和差分曼彻斯特编码（看边界）

编码方式	解释	自同步能力	记忆要点
不归零制	- 正电平代表 1，负电平代表 0 - 当连续接收 3 个零时，波纹是一条直线，无法判断接收了几个 0，所以无自同步能力	无	连续相同数字时波形平直，丢失时钟，无法同步
归零制	- 正脉冲代表 1，负脉冲代表 0 - 每次都要归零，有时钟信号，因此有自同步能力	有	每次归零提供时钟信号
曼彻斯特	- 码元（位周期的中心时刻）中间必有跳变，向上跳变代表 0，向下跳变代表 1，也可反过来定义	有	看中间跳变
差分曼彻斯特	- 每一位的中心处始终都有跳变 - 位开始边界有跳变代表 0，没有跳变代表 1	有	看边界，抗干扰更强

2.4 信道的极限容量

背景：噪声干扰会产生一种声音的失真现象，称之为码间串扰，意味着信号传输延迟、衰减，前后码元波形重叠，接收端无法分辨 0 和 1，是传输速率上限的根源。为了解决这个问题，提出奈氏准则。

1. 奈氏准则（理想无噪声信道）

公式结论：带宽 W(Hz) 的信道，若不考虑噪声影响，最高码元传输速率 = 2W 波特 (Baud, 码元/秒)。

• 作用：规定码元速度天花板，只解决码间串扰，完全不考虑噪声；
• 区分：码元速率≠比特速率。若一个码元携带 M 种信号，比特率 = 码元速率 × log₂M。

传输速率超过次上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

2. 香农公式（真实有噪声信道，实际传输上限）

实际的信号或多或少都会受到噪声影响，因此引入概念信噪比。

信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N。单位为分贝（dB)。
公式：$$信噪比(dB) = 10log_{10}(\frac{S}{N})(dB)$$
香农公式：信道的极限信息传输速率，记作 C。
公式：$$C = W log_2(1 + \frac{S}{N}(bit/s))$$

• W：信道带宽（Hz）
• S：信道内所传信号的平均功率
• N：信道内的高斯噪声功率

→ 提升信道容量 3 个办法：增大带宽、提高信号功率、降低噪声；

三、物理层下面的传输媒体

3.1 导向传输媒体

有线，信号被约束在线缆内。

种类：

1. 双绞线（最常用网线）

   • UTP 无屏蔽双绞线：家用、办公，成本低，易受电磁干扰；
   • STP 屏蔽双绞线：外层金属屏蔽，工业场景抗干扰；

2. 同轴电缆：老式有线电视，屏蔽效果好，但笨重、布线麻烦；

3. 光纤（抗干扰最强）：用光信号传输，完全不受电磁干扰；

   • 多模光纤：纤芯粗，发光二极管光源，短距离传输；
   • 单模光纤：纤芯极细，激光光源，远距离骨干网。

3.2 非导向传输媒体

无线，信号在空气传播。

种类：无线电波、微波、红外、大气激光、可见光

缺点：易被遮挡、电磁干扰、穿墙损耗大。

四、信道复用技术

含义：一条物理线路分给多个用户同时使用。

核心区分口诀：频分看频率、时分看时间、波分看光波长、码分看专属编码。

1. FDM 频分复用

   • 含义：同一时间，不同用户占用不同频率；
   • 举例：有线电视，不同频道对应不同频段，同时播放。

2. TDM 时分复用

   • 含义：同一频段，不同用户占用不同时间段轮流传输；
   • 举例：老式多路电话共用一条线路，分时轮流发送。

3. WDM 波分复用

   • 含义：光纤专属，本质是光的频分复用；一根光纤同时传输多种不同波长的光信号，骨干光纤网核心技术。

4. CDM 码分复用（CDMA 码分多址）

   • 含义：所有用户同时、同频率通信，靠专属正交码片区分信号；
   • 举例：早期手机移动通信，多人同一频段通话不会互相干扰。