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第二章 物理层

1. 物理层的基本概念

1.1 物理层作用

物理层不是传输媒体本身（网线、光纤属于物理层下面的传输媒体，不属于物理层）

物理层规定：为传输比特流，需要在连接各种计算机的传输媒体上确定接口特性：

1. 机械特性：接口形状、引脚数量、引脚排列（如 RJ45 水晶头）
2. 电气特性：引脚电压范围、电平表示 0 还是 1
3. 功能特性：引脚的作用（哪根是发送、哪根接收、地线）
4. 规程特性：信号线工作时序，事件发生顺序

1.2 核心要点

物理层任务：透明地传输比特流。

透明：不管比特是什么内容，原样传递；物理层不理解帧、分组、报文，只看 0 和 1。

2. 数据通信的基本知识

2.1 数据通信系统的模型

通信系统三大部分：源系统（发送端）、传输系统（信道）、目的系统（接收端）

• 源点：产生数据（电脑），输出数字比特
• 发送器：对信号转换，如调制器（数字信号→模拟信号）
• 信道：信号传输的通道（可以是有线 / 无线）
• 接收器：信号转换，如解调器（模拟→数字）
• 终点：接收数据（电脑）

两个概念区分

• 数据：运送信息的实体（文字、文件，数字形式）
• 信号：数据的电气 / 电磁表现形式
  • 数字信号：离散取值（0、1，码元）
  • 模拟信号：连续变化（波形连续）

码元：在时间轴上固定的信号波形，一个码元可以携带 1bit 或多 bit 信息。

码元速率（波特率 Baud）：单位时间传送码元个数；比特率 (bps)：单位时间传送比特数量。

比特率 = 波特率 × 每个码元携带比特数

2.2 有关信道的几个基本概念

1. 单向通信（单工）：只能一个方向传，不能反向。例：广播、电视
2. 双向交替通信（半双工）：双方都能收发，但同一时刻只能一方发。例：对讲机
3. 双向同时通信（全双工）：双方同一时刻可同时收发。例：网线通信

调制：基带数字信号转换为带通模拟信号（适合远距离信道）

• 基带信号：来自信源的原始信号（数字信号）

四种基本调制方式

• ASK 幅移键控：振幅变化，频率相位不变
• FSK 频移键控：频率变化
• PSK 相移键控：相位变化
• QAM 正交振幅调制：同时调幅 + 调相，提高传输速率

2.3 信道的极限容量

限制信道最高传输速率两大因素：码间干扰、噪声

2.3.1 奈奎斯特准则（无噪声信道）

无噪声理想低通信道，码元速率上限：

码元速率上限：Csymbol=2WC_{symbol}=2WCsymbol​=2W（单位：波特 Baud，CsymbolC_{symbol}Csymbol​表示码元速率）
WWW：信道带宽，单位 Hz。
若每个码元携带log2Vlog_2Vlog2​Vbit（V 为码元离散电平数量）

Cbit=2Wlog⁡2V(bit/s)C_{bit}=2W\log_2V \quad (\text{bit/s})Cbit​=2Wlog2​V(bit/s)

结论：无噪声时，带宽决定码元速率上限；提高电平种类 V，可提高比特率。带宽越大，极限速率越高。

2.3.2 香农公式（有高斯白噪声信道，真实信道）

C=Wlog⁡2(1+SN)C = W\log_2(1+\frac{S}{N})C=Wlog2​(1+NS​)

• WWW：信道带宽 (Hz)
• SSS：信号功率；NNN：噪声功率；S/NS/NS/N信噪比
  信噪比常用分贝：SNR(dB)=10log⁡10(S/N)SNR(dB)=10\log_{10}(S/N)SNR(dB)=10log10​(S/N)

香农公式结论：

1. 信道带宽$ W $越大，极限信息传输速率越高
2. 信噪比越高，极限速率越高
3. 只要信息速率小于香农极限，理论上可以实现无差错传输
4. 香农公式给出比特率上限；奈奎斯特是码元上限，二者不要混淆。

3. 物理层下面的传输媒体

传输媒体不属于物理层，是物理层的承载介质，分为导引型（有线）、非导引型（无线）。

3.1 导引型传输媒体（信号沿固定介质传播）

1. 双绞线

• 由两根绝缘铜导线绞合，减少电磁干扰；绞距越密抗干扰越强
• 分类：屏蔽双绞线 STP、非屏蔽双绞线UTP（局域网最常用，如 5 类、超 5 类、6 类线 RJ45）
• 缺点：带宽有限，远距离衰减大

2. 同轴电缆

• 内导体铜芯 + 绝缘层 + 外导体屏蔽层 + 保护塑料外层。抗干扰优于双绞线。
• 早年以太网、有线电视，现在局域网基本淘汰。

3. 光纤（光导纤维）利用光的全反射传输光信号。分为：

• 多模光纤：多条光线在光纤内反射，芯粗，成本低，短距离，色散大。LED 光源。
• 单模光纤：一条光直线传播，芯极细，激光光源，衰减小，长距离高速通信。 优点：带宽极大、抗电磁干扰、保密性好、损耗低；缺点：设备贵，不易弯折。

3.2 非导引型传输媒体（无线，自由空间传播电磁波）

1. 无线电波：全向传播，穿墙能力好，2.4G/5G WiFi。
2. 微波：直线传播，不能绕障碍物，需要中继站；卫星通信属于微波。
3. 红外线、可见光：定向传输，短距离，不能穿墙。

4. 信道复用技术

复用：多个用户共享同一个信道资源，提高信道利用率

4.1 频分复用 FDM

• 思路：按频率划分信道。所有用户同时通信，占用不同频率频段，互不干扰。
• 每个用户分配固定频带；用户一直占用这个频段，直到通信结束。
• 模拟通信常用。缺点：频率资源固定分配，信道空闲时也不能给别人用，资源浪费。

OFDM（正交频分复用）是 FDM 改进，WiFi、4G/5G 使用。

4.2 时分复用 TDM 和 统计时分复用 STDM

4.2.1 TDM 时分复用

按时间片划分，所有用户使用相同频率，轮流占用固定时隙。

• 时间划分为固定帧，每一帧内有固定时隙分给各个用户。
• 用户只在分配给自己的时隙发送；时隙固定分配。
• 缺点：某用户不发送数据时，时隙空闲，资源白白浪费。

4.2.2 STDM 统计时分复用（异步时分复用）

改进 TDM：不固定分配时隙，有数据的用户才分配时隙。

• 时隙按需分配，空闲时隙可以分配给其他用户。
• 提升信道利用率；但是每个分组必须携带用户地址标记，增加额外开销。

对比：TDM 固定时隙，STDM 动态时隙。

4.3 波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）

波分复用就是光的频分复用。 在一根光纤上，同时传输多个不同波长的光信号。

• 每个波长一路信号；密集波分复用 DWDM，大量波长在一根光纤，骨干网高速传输。

4.4 码分复用 CDM（常用 CDMA 码分多址）

• 每个用户分配专属正交码片序列。
• 所有用户同一时间、同一频率发送信号；依靠不同编码区分用户。
• 接收端用对应码片做内积运算，提取目标信号；其他用户信号当作噪声抵消。

特点：抗干扰强，保密性好；早期移动通信使用。 核心：码片向量正交。发送 1 发送原码片，发送 0 发送码片反码。

5. 数字传输系统

早期电话网是模拟传输系统；现代通信趋向数字传输。

1. PCM 脉冲编码调制：模拟语音→数字信号，三步：采样、量化、编码。 采样定理：采样频率 > 2 倍信号最高频率，可无失真恢复。语音 8kHz 采样，每个样本 8bit，一路语音 64kbps。
2. 标准：

• E1（欧洲标准）：一帧 32 时隙，时隙 0 同步，时隙 16 信令，30 路语音，速率 2.048 Mbps。
• T1（北美日本）：24 路语音，1.544 Mbps。

3. 缺点：体系复杂，不同标准互通麻烦；现在逐步被同步光纤网 SONET/SDH 取代。
   SDH（同步数字体系）：统一标准，STM-1 基础速率 155.52Mbps，可多级复用，骨干传输。

6. 宽带接入技术（用户接入互联网）

6.1 ADSL 非对称数字用户线

基于原有电话铜线，不需要重新布线

非对称：下行速率 > 上行速率（用户下载多，上传少）

原理：在电话线不同频段，同时传输电话语音（低频）和数字宽带（高频）

分离器分离语音信号和数据信号

缺点：速率随距离衰减；受线路质量影响；老式接入

6.2HFC 光纤同轴混合网

在原有有线电视 CATV 同轴电缆基础改造。 主干部分使用光纤，小区内使用同轴电缆。

• 头端：光纤送到小区节点，再转为同轴电缆分给家庭。
• 共享介质：同一小区用户共享带宽，用户多速度下降。 可以同时传电视信号和互联网数据。

6.3 FTTx 光纤到 x

FTTx 是一系列光纤接入方案，x 代表光纤终止位置：

1. FTTH：光纤到户。光纤直接到用户家里，性能最好，独立带宽，现在主流。
2. FTTB：光纤到大楼。光纤到楼宇，楼内双绞线分到住户。
3. FTTC：光纤到路边。
4. FTTN：光纤到节点。

思路：光纤不断向用户靠近，取代铜线，带宽高、抗干扰强。