计网物理层基本概念

物理层是五层协议体系中的最底层，它的任务极其单纯：把比特流从一个节点透明地传送到相邻节点。

物理层关心的不是"数据是什么意思"，而是：

• 用什么样的电压表示 1 和 0？
• 一个比特持续多长时间？
• 要不要区分时钟同步？
• 接头有几个引脚，每个引脚接什么？

物理层四大特性：

2.数据通信基础理论

调制

调制：就是把数字信息变成模拟信号，解调就是反过来 调制解调器（Modem）就是干这个的

基带信号 vs 带通信号：

三种基本调制方式（调制 = 让载波的某个参数随信号变化）：

编码

编码（Encoding）：将数字数据转换为数字信号。

1.NRZ不归零：高1低0，码元电平全程不变；无同步时钟，长串0/1易失同步，实现简单现已淘汰。

2.RZ归零：每个码元中间归零自带同步；占用带宽多，极少使用。

3.曼彻斯特编码

每个码元中间必须发生电平跳变，且自带同步时钟

向上跳=0，向下跳=1

优点：每一位中间都有跳变，接收方靠跳变就能同步时钟，不会分不清 0 和 1；

缺点：变化频繁，更占带宽。

4.差分曼彻斯特编码

每个码元中间必须发生电平跳变，且自带同步时钟

判断 0/1 不靠中间跳变，靠码元开头有没有跳变

1：码元开始不跳变（跟上一位末尾电平保持一致）

0：码元开头必须跳变（跟上一位末尾电平翻转）

优点：抗干扰更强，就算线路高低电平颠倒，解码结果不会出错；

缺点：同样占用双倍带宽。

5.曼彻斯特 vs 差分曼彻斯特

两种编码都能自同步（接收方从信号中提取时钟），不需要额外时钟线。

曼彻斯特编码的缺点是效率只有 50%（一个码元只传一个比特，但需要两次电平变化），所以带宽利用率低。

3.奈奎斯特定理与香农公式

奈奎斯特定理（Nyquist）

适用条件：理想信道，无噪声

公式：

最大数据传输率 = 2W × log₂V (bps)

• W：信道的带宽（Hz）
• V：离散电平级数（信号状态数，V = 2ᵏ，k 为每码元携带比特数）

码元 vs 比特：

易错点：奈奎斯特定理得到的最大数据率也叫奈奎斯特速率，这是在无噪声理想情况下的理论上限。实际信道不可能无噪声，所以香农公式更实用。

香农公式（Shannon）

适用条件：实际信道，有噪声

公式：

最大数据传输率 = W × log₂(1 + S/N) (bps)

• W：信道带宽（Hz）
• S/N：信噪比，即信号功率与噪声功率之比

信噪比常用单位——分贝（dB）：

信噪比(dB) = 10 × log₁₀(S/N)

必考点——dB 换算：

• 30dB → S/N = 1000
• 20dB → S/N = 100
• 10dB → S/N = 10
• 信噪比每增加 10dB，S/N 扩大 10 倍

4.传输介质

导引型传输介质（有线）

光纤的两种传输模式

多模光纤可以并行但受干扰多

单模光纤单行告诉干扰极小

非导引型传输介质（无线）

• 无线电波（全向传播，WiFi、蓝牙）
• 微波（定向传播，卫星通信、微波中继）
• 红外线（短距离，遥控器）
• 可见光（LiFi，实验阶段）

5.信道复用技术

复用（Multiplexing）：让多个信号共享同一条物理信道，是物理层最重要的技术之一。

频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）

• 原理：把信道总带宽分成多个子频带，每个用户独占一个子频带
• 类比：一条高速公路划分成多个车道，每辆车走自己的车道，互不干扰
• 典型应用：广播电台（不同台不同频率）、ADSL

时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）

• 原理：把时间分成固定长度的帧，每帧再分成固定数量的时隙，每个用户轮流占用
• 缺点：某个用户没有数据时，它的时隙也只能空着 → 浪费
• 类比：一个老师轮流给多个学生答疑，每个学生固定的 5 分钟，学生没问题也得等着

统计时分复用 STDM（Statistical TDM）

• 改进：TDM 的改良版，不为空闲用户保留时隙，按需分配
• 类比：老师不固定时间，谁有问题谁举手，提高效率

波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）

• 原理：光纤通信中的"频分复用"，不同波长的光信号在同一根光纤中传输
• 类比：一根光纤像一条彩虹，不同颜色的光（波长）各走各的
• DWDM（密集波分复用）：一根光纤能同时传输几十上百个波长，是骨干网的核心技术

码分复用 CDM（Code Division Multiplexing）

• 原理：每个用户使用不同的码片序列，所有用户同时使用同一频率
• CDMA（码分多址）：3G 移动通信的核心技术
• 类比：一个大房间里，所有人同时说话，但每对人用不同的语言。你只听得懂你同伴的语言，别人的话对你来说只是背景噪音。

四大复用技术对比总表：