物理层核心知识解析：从传输介质到信道容量极限
本文聚焦于 TCP/IP 计算机网络体系结构中的底层基石——物理层，深入剖析其核心内容。其中，对奈氏准则和香农公式的透彻理解，
是掌握该部分知识的关键要点。
一、物理层的基本概念
在计算机网络体系结构里，物理层承担着至关重要的基础性任务。此部分内容着重阐述了物理层需要解决的核心问题：
一方面，要探寻在种类繁多的传输媒体中实现数据比特流有效传输的方法；
另一方面，需屏蔽不同传输媒体之间的差异特性。通过达成这两大目标，能够为数据链路层营造一个稳定、统一的环境，使其得以专注于本层协议的优化与服务的高效提供，进而为全
面深入地学习物理层知识筑牢根基。
1、核心定义
- 物理层考虑的是如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。
- 物理层的主要作用是为数据链路层屏蔽不同传输媒体之间的差异，使得数据链路层仅需关注本层协议和服务，而无需关心具体的传输媒体。
2、物理层协议的主要任务
物理层协议需要定义以下四种特性：
| 特性 | 内容说明 |
|---|---|
| 机械特性 | 接口物理结构：形状、尺寸、引脚数、排列方式等 |
| 电气特性 | 电压范围，信号电平标准 |
| 功能特性 | 电压含义，如高电平表示“1” |
| 过程特性 | 事件时序，如握手过程顺序 |
二、物理层下的传输媒体
这部分内容构成了物理层研究的核心范畴，重点聚焦于对常见传输媒体的介绍。传输媒体作为数据传输的物理通道，在计算机网络中扮演着至关重要的角色。依据其传输特性，传输媒体主要划分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体两大类别。
1、导引型传输媒体
- 双绞线
- 同轴电缆
- 光纤
- 电力线
2、非导引型传输媒体
- 微波通信（频率范围：2~40GHz）
- 无线电波
- 红外线
- 可见光
三、传输方式
这部分内容在物理层的学习进程中占据着不可或缺的地位，是必须深入理解与熟练掌握的关键要点。在物理层的数据传输过程中，传输方式的选择犹如为数据比特流搭建一座稳固且高效的桥梁，对实现数据比特流的有效传输起着决定性作用。不同的传输方式具有各自独特的特性与适用场景，精准地挑选合适的传输方式，能够显著提升数据传输的效率、可靠性与稳定性，进而保障整个网络系统的顺畅运行。
1、串行传输和并行传输
串行传输：
将数据分解成二进制位（比特），一次只传输一个比特，按照顺序一位一位地通过一条信道进行传输。
并行传输：
使用多条独立的信道，同时传输多个比特。例如，一次传输8个比特（一个字节），就需要8条并行的信道。
2、同步传输和异步传输
2.1、同步传输
以固定时钟信号同步收发双方。数据以连续的数据块（帧）为单位传输，帧间有同步字符或时钟控制。效率高，用于高速通信。
- 在实际应用中，收发双方的计算机设备的时钟信号不一定能够做到同步，所以需要额外的同步方法
❗同步的方法
✅外同步:在收发双方间添加一条单独的时钟信号线
✅内同步：发送端将同步时钟信号编码到发送数据中一起传输
2.2、异步传输:
以字符为单位独立传输。每个字符附加起始位和停止位，实现同步。字符间隔不固定（异步），效率较低，但实现简单，用于低速设备。
3、单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）
3.1、单向通信（单工）：
只有单向的通信通道，即A→B，比如收音机、广播和电视塔，实行只发不收
3.2、双向交替通信（半双工）：
双向通信通道，但不能同时进行，即A→B或B→A，比如对讲机
3.3、双向同时通信（全双工）：
.双向通信通道，且同时进行，即A→B和B→A，比如打电话
四、编码与调制
这部分内容聚焦于计算机对常见信息形式的处理与传输机制，详细阐释了计算机如何将我们日常接触的文字、图片等多样化消息，转化为其内部能够识别与处理的二进制代码（0 和 1），并进一步阐述在两种不同类型信道中实现有效传输的具体过程。这一过程是计算机实现信息存储、处理与通信的关键基础，对于深入理解计算机系统的工作原理以及网络通信技术具有重要意义。
1、基本概念区分
1. 数据、信号、码元
- 数据：信息的载体，分为：
- 数字数据：离散的取值（如0和1）。
- 模拟数据：连续的取值（如声音波形）。
- 信号：数据在传输过程中的电磁波表示形式，分为：
- 数字信号：离散的电压脉冲（如高低电平）。
- 模拟信号：连续变化的电磁波。
- 码元：数字通信中，一个固定时长的信号单元，代表一个基本的传输单位。一个码元可以携带多个比特的信息。
2. 信道方向
- 单向通信（单工）：只能一个方向传输（如广播）。
- 双向交替通信（半双工）：可双向传输，但不能同时进行。
- 双向同时通信（全双工）：可同时双向传输。
2、编码（Encoding）—— 数字数据 → 数字信号
应用场景：在数字信道中传输数字数据（如计算机内部、局域网）。
常见编码方式：
| 编码方式 | 特点 | 问题 |
|---|---|---|
| 不归零编码（NRZ） | 高电平=1，低电平=0 | 无法同步，无检错能力 |
| 归零编码（RZ） | 每个比特中间归零 | 可同步，但效率低 |
| 曼彻斯特编码 | 1 = 高→低跳变，0 = 低→高跳变 | 自同步，常用于以太网 |
| 差分曼彻斯特编码 | 每比特开始有跳变表示0，无跳变表示1（或反之） | 抗干扰能力强，用于令牌环网 |
3、调制（Modulation）—— 数字数据 → 模拟信号
应用场景：在模拟信道中传输数字数据（如电话线、无线通信）。
基本调制方法（利用载波的三个特性）：
| 调制方式 | 原理 | 图示 |
|---|---|---|
| 调幅（AM, Amplitude Modulation） | 用不同振幅表示0和1 | 振幅变化 |
| 调频（FM, Frequency Modulation） | 用不同频率表示0和1 | 频率变化 |
| 调相（PM, Phase Modulation） | 用不同初相位表示0和1 | 相位跳变 |
常见数字调制技术：
| 技术 | 说明 |
|---|---|
| ASK（幅移键控） | 调幅的数字形式 |
| FSK（频移键控） | 调频的数字形式 |
| PSK（相移键控） | 调相的数字形式，抗干扰强 |
| QAM（正交振幅调制） | 同时调幅和调相，提高数据率（如QAM-16, QAM-64） |
4、编码 vs 调制 对比总结
| 项目 | 编码（Encoding） | 调制（Modulation） |
|---|---|---|
| 目的 | 数字数据 → 数字信号 | 数字数据 → 模拟信号 |
| 应用信道 | 数字信道 | 模拟信道 |
| 典型场景 | 局域网、计算机内部 | 拨号上网、无线通信 |
| 关键技术 | 曼彻斯特编码 | QAM、PSK、FSK |
| 是否需要载波 | 否 | 是 |
5、总结
- 编码解决的是数字数据在数字信道中的传输问题，重点在于信号的表示与同步。
- 调制解决的是数字数据在模拟信道中的传输问题，通过载波的调制实现远距离、高效传输。
- 两者都是物理层实现数据传输的基础技术，理解其原理对掌握计算机网络底层通信机制至关重要。
五、信道的极限容量
这部分内容堪称物理层研究的核心精髓所在。物理层的核心使命聚焦于数据在各类传输媒体上的传输过程，而在这一过程中，传输速率作为衡量数据传输性能的关键指标，无疑是物理层研究必须深入探究的重要内容。在众多关于数据传输速率的研究成果中，香农公式和奈氏准则凭借其科学性与精准性脱颖而出，它们从不同角度对数据在信道中的传输速率进行了最为透彻、深入的研究，为理解和优化数据传输性能提供了坚实的理论基础。
信道的传输速率存在理论上限，由两个核心公式决定：奈氏准则 和 香农公式。
🟦 奈氏准则（Nyquist Criterion）
在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。
✅ 核心结论：
- 理想低通信道 的最高码元传输速率为：
2W 波特（即 2W 码元/秒） - 理想带通信道 的最高码元传输速率为：
W 波特（即 W 码元/秒）
📌 参数说明：
- W：信道带宽（单位：Hz）
- 波特（Baud）：表示码元每秒，即每秒传输的码元个数
🔗 关键点：
- 码元传输速率又称为波特率。
- 当一个码元只携带1比特信息时，波特率与比特率在数值上相等。
- 当一个码元只携带n比特信息时, 波特率是在比特率的基础上乘以n倍
- 一个码元所携带的比特数为log2M,M是调制技术中可利用的符号数，即状态数
- 要提高信息传输速率（比特率），必须让每个码元携带更多比特（如使用多元制调制，例如4种不同电压表示00、01、10、11）。
- 实际信道的最高码元速率通常低于奈氏准则给出的理论值。
🟧 香农公式（Shannon Formula）
描述了在带宽受限且存在高斯白噪声干扰的情况下，信道的极限信息传输速率。
✅ 公式：
C = W × log₂(1 + S/N)
📌 参数说明：
- C：信道的极限信息传输速率（单位：b/s）
- W：信道带宽（单位：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
- S/N：信噪比，常用分贝（dB）表示：
信噪比(dB) = 10 × log₁₀(S/N)
🔍 结论：
- 信道带宽越大，或信噪比越高，信息的极限传输速率就越高。
- 实际信道中由于脉冲干扰、衰减、失真等因素，实际速率通常低于香农公式计算值。
💡 总结要点
-
提高传输速率的方法：
- 采用多元制调制，让每个码元携带多个比特；
- 尽可能提高信道中的信噪比（S/N）。
-
技术发展方向：
- 自从香农公式提出后，各种新的信号处理和调制技术不断涌现，目的都是为了尽可能接近香农公式给出的传输速率极限。
-
两者关系：
- 奈氏准则关注的是无噪声理想信道下的码元速率上限；
- 香农公式考虑了噪声影响，给出了有噪声信道的信息传输速率上限。
✅ 综合来看：要想提高信息传输速率，必须同时优化调制方式（多元制）和提升信噪比。
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