计算机网络 知识点梳理及讲解（二）物理层：编码调制、传输媒体、信道复用、宽带接入等
一、基本概念
（1）物理层
物理层是计算机网络协议体系的最底层，它负责在物理介质上传输 比特流（0 和 1），考虑的是怎样在传输媒体上传输数据比特流，即：它的主要任务，不关心数据的内容，只关心怎么传和传成啥样。
（2）四大特性
根据它的主要任务，关心的方面不同划分成四类：
机械特性：规定接口在形状、尺寸、引脚数量与排列、固定方式等方面的物理连接特征。比如：接头长啥样、网口是 RJ-45 还是光纤接口、几根针脚等。
电气特性：规定信号的电压范围、信号波形、光波波长等。比如：逻辑 1 用高电压表示，逻辑 0 用低电压表示，或者用某种光信号波长表达。
功能特性：规定每一条线上每一个信号的意义。比如：哪一根线传送数据，哪一根线负责定时信号，哪一根线是控制信号等。
过程特性：规定各条线上不同时序信号的工作过程，即事件的先后顺序。比如：先发起启动信号，再发送数据；发送过程的时钟同步规则。
二、数据通信
（1）系统模型
一个数据通信系统划分为三大部分：源系统、 传输系统、目的系统。
源系统（发送端）：发送数据的一方
组成：
源点设备：产生原始数据的设备（例如电脑里的键盘敲出来的文字等）
发送设备：把数据转换为适合在传输系统中传送的信号，比如 调制器、网卡
传输系统（传输网络）：负责承载数据的中间路径，也叫“信道”
目的系统（接收端）：接收数据的一方
组成：
接收设备：把接收到的信号还原成原始数据
终点设备：真正使用数据的终端（如电脑显示屏等）
模型中的信号分为：
模拟信号（连续信号）：代表消息的参数取值是连续的，模样如：
数字信号（离散信号）：代表消息的参数取值是离散的，模样如：
而在数字通信系统中，用一个固定时长的信号波形所表示的基本信息单位是码元
在数字传输中，信号以好几个好几个状态块发出去，每个状态块就叫 码元。
这些状态块可以表示 1 bit、2 bit、3 bit……也可以是 0 和 1。
扩展：码元与比特的区别
🌟 比特（bit）：信息量的最小单位，只能是 0 或 1。
🌟 码元（symbol）：传输信号的基本单元，一个码元可以携带 1 bit 或多 bit 的信息。
关系公式：
一个码元能表示的信息量=log2(状态数) bits
状态数：就是“一个码元可能拥有的不同外观/形态的数量”。
这些“不同的形态”可能是用：
不同的电压电平
不同的相位角度
不同的频率
或者这几种方法的组合（相位等解释见后文）
而状态数越多，每个码元能代表的信息就越多。
举个例子：
想象你寄快递：
状态数=2：快递员制服只有红色和蓝色两种
→ 你看到衣服颜色，就知道他是“普通快递员”还是“加急快递员”
→ 两种情况，传达了1 bit 信息状态数=4：制服多了绿、黄
→ 你看到颜色，就能直接知道是“普通 / 加急 / 保鲜 / 海外”哪一种
→ 四种情况，传达了2 bit 信息
虽然你看到的只是“一种颜色”，但在状态数=4中，这个颜色携带的意义比状态数=2中的那个颜色区分度大得多。
例题：
如果一个码元只有两种状态（电压高/低） → 每个码元携带 1 bit
如果一个码元有 4 种不同的状态（四进制信号） → 每个码元携带 log2的4=2 bits
如果是 8 种状态 （八进制信号）→ 每个码元携带 log2的8=3 bits
（2）信道相关概念
信道：用于传输信号的物理介质或逻辑通路，负责将发送端的信号传递到接收端
信道有三种基本方式：单向通信、双向交替通信、双向同时通信
如果将信道比作道路，那么道路上行走的东西，就可以被称作基带信号
但是基带信号中还有低频成分、直流分量等，有些信道不能传输这些东西
就好比，你想给远方朋友寄一本书（基带信号），但书太大无法直接塞进邮箱（信道）
所以，此时就需要对基带信号进行调制
而调制又分为两大类：基带调制和带通调制。
基带调制：仅对基带信号的波形进行调制（即把一种数字信号转换为另一种数字信号，也叫编码）
带通调制：使用载波调制，把基带信号频率范围转移到较高频段，并转化为模拟信号（类似让车从普通公路，走上了高速公路），这种也叫带通信号。
下面来分别看看他们的具体调制方法：
基带调制中，提到把一种数字信号转换为另一种数字信号
这些数字信号常用编码方式有如下几种：
- 不归零制：正电代表1，负电代表0
- 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
- 曼彻斯特编码：周期中心向上跳代表0，周期中心向下跳代表1，但也可以反过来定义。
- 差分曼彻斯特编码：每一位中心处始终有跳变，位开始边界有跳，则代表0，否则为1
附图解释：
但如比特流为 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1
不归零制，高电平代表1，低电平代表0
归零制，高脉冲代表1，反之为0
曼彻斯特编码，向下跳为1，向上跳为0；如第一个区域，出现
则是1，出现
则是0
差分曼彻斯特编码，每个中心跳变一次，然后是0要跳变一次，是1不跳变
差分曼彻斯特编码详细解释：
第一个区域是1，此时开头为
，记作B，发现B是左高右低，第三个区域也是0，所以图形跟B一样，然后第四个也是一样的，所以第二个区域一直到第四个区域是：
，但是第五个区域是1，所以不跳变，就平着过去就行，然后由于每个中心处跳变一次，所以第五个区域是：
，后面的依次类推。
基本带通调制方法有三个：
调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化
调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化
调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化
而为了达到更高的信息传输速率，还有更复杂的方法：正交振幅调制QAM
正交振幅调制QAM
理解这个前先看一下：
对于图中存在对应关系：
如果左边图中角度a和长度l变化，那么右图中的波形就会变化
所以，所谓正交振幅调制QAM为4相位（辅助理解：一个象限对应一种相位状态），每相位有4振幅（四条彩线）时，如下所示：
则此时图中一个象限内对应4种波形图，则4个象限加起来对应了16个波形图
即，现在这个QAM包含16种符号，即16个状态数，那么依据上文学的公式，能传达多少信息呢？
即log2的16=4bit信息，从而提高了信息传输的效率。
例题：
波特率1200baud，4相位，每相位4振幅的QAM，问信息传递率？
首先，波特率：1200 baud，即每秒传输1200个符号。
然后，考虑每个符号的比特数：4相位 × 4振幅 = 16种组合。
然后，log2的16为4比特
因此，信息传递速率= 波特率 × 每个符号的比特数 = 1200 × 4 = 4800位/秒。
（3）信道极限容量
1924 年，美国工程师奈奎斯特（Harry Nyquist）研究发现：即使信道完全没有噪声（理想信道），信号传输也不是 “越快越好”—— 因为信道的带宽是有限的，当码元速率超过某个阈值时，前后码元的波形会相互叠加（这种现象叫 “码间串扰”），接收端就无法分辨码元是 “0” 还是 “1” 了。
所以，有个重要的奈氏准则就是：在无噪声的理想信道中，码元速率存在一个 “天花板”，超过这个天花板，通信就会出错。
这里要特别注意：奈氏准则限制的是 “码元速率”，不是 “信息速率”（单位：比特 / 秒，bps）。
扩展：信噪比
信噪比描述的是信号强度与噪声强度的比值，核心作用是衡量 “有用信号” 被 “无用噪声” 干扰的程度。即，信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记作：S/N
奈氏准则说的是无噪声信道的 “速度上限”，那么对于有噪声信道的 “容量上限”呢？
于是1948 年，香农提出了香农公式 ： “在有噪声的实际信道中，信息传输的最大容量是多少”。
它指出，信道的极限信息传输速率C是：
物理意义：
B越大，C越大 —— 这解释了为什么 5G 要用到 “毫米波” 等大带宽频段，为什么光纤的带宽比网线大得多（光纤可传输的频率范围极广），因为更大的带宽能直接提升信道容量。
S/N越大，C越大 —— 这解释了为什么通信系统要 “放大信号”（提升 S）、“抑制噪声”（降低 N）：比如手机信号弱时（S 小），网速会变慢（C 下降）；光纤通信的信噪比远高于无线电通信，所以容量也远大于后者。
简单总结：奈氏准则告诉我们 “信道能传多快的码元”，香农公式告诉我们 “这些码元最多能装多少信息”
三、传输媒体
传输媒体，即发送器和接收器之间的物理通路。
它分为两类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
（1）导引型传输媒体
导引型传输媒体有：双绞线、同轴电缆、光缆、架空明线
双绞线
无屏蔽双绞线：把两跟互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来。这样可减少相邻导线的电磁干扰。如下图。
屏蔽双绞线：在无屏蔽双绞线外面再加一层金属丝做的屏蔽网。
同轴电缆
由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层及保护塑料外层组成
光缆
即光纤。光纤通常由石英玻璃拉成丝。依靠全反射原理保证传输。
上图虽然只画了一束光线，但有时是多束光线。
如果存在多条不同入射角度，使得都可以全反射，从而传递的，叫多模光纤
但如果光纤直径很小，只有一个光的波长大，这会使得光一直向前传播，不会多次反射，这种叫单模光纤
另外需要注意：
多模光纤只适合近距离传输
单模光纤在使用时，不能用便宜的的发光二极管，需要用昂贵的半导体激光器。
光纤具有 “低衰减、高带宽、抗干扰” 的特性
架空明线
电线杆上相互绝缘的明线
（2）非导引型传输媒体
导引型媒体都需要一个电线之类的东西，而非导引型传输媒体则不需要
非导引型传输媒体包括：无线电波、微波、红外线等
一点说明：
电磁波各频段如下：
太低的一般不用，太高的有害，所以一般只用中间的
无线电波：
主要有LF（低频）、MF（中频）、HF（高频）、VHF（甚高频）等
其中LF、MF主要通过地面波传播
而HF、VHF主要通过天上电离层反射传播
微波：
直线传播，会穿透电离层，所以无法通过电离层传播
一般通信有两种方式：一是在地上的电线塔之间传播，二是通过卫星方式传播
红外线：
点对点无线传输，传输距离短，红外遥控器等。
四、信道复用技术
信道复用技术是指通过特定技术手段，让多个信号（或用户）共享同一条物理信道进行数据传输的技术。其核心目的是提高信道利用率、降低通信成本，避免为每个用户单独分配一条专用信道造成的资源浪费。
（1）频分复用
将物理信道的总带宽划分为多个互不重叠的带宽，每个宽带（信道）分配给一个用户使用
（2）时分复用
时分复用：
将物理信道的总传输时间划分为多个固定长度的时间片，每个时间片分配给一个用户使用。
所有用户的信号在 “时间域” 上轮流占用信道，同一时刻仅一个用户的信号在信道中传输。
但是这里有一种情况，某个用户由于突发状况，现在无法进行数据传输，这会导致此时信道空闲，资源浪费，为了解决这种问题，出现了统计时分复用技术。
统计时分复用：时间片动态分配，仅当用户有数据传输时才分配时间片。
其中，统计时分复用，也叫异步时分复用。
而上文所说的普通时分复用，也叫同步时分复用。
（3）波分复用
本质是频分复用在光纤通信中的 “特殊形式”
由于光纤中不同波长（λ）的激光信号对应不同的频率，因此可将光纤的 “波长范围” 划分为多个子波长，每个子波长作为一条子信道传输一个信号。
（4）码分复用
不依赖 “频率” 或 “时间” 分割信道，而是为每个用户分配一个唯一的 “码片序列”。
所有用户的信号在同一时间、同一频率上传输，但通过各自独特的码片序列进行区分
接收端只需用对应的码片序列对混合信号进行 “解码”，即可提取出目标用户的数据。
注：由于采用不同的码片，所以不用担心互相干扰问题。
五、宽带接入技术
宽带接入技术是指将用户设备（如电脑、路由器、智能家居终端等）连接到互联网核心网络，且能提供高速数据传输能力的技术方案。
（1）ADSL 技术
基于传统电话铜线的宽带接入技术，核心是利用铜线中未被电话业务占用的高频频段传输数据
无需重新布线，复用现有电话线资源
（2）HFC 网：光纤同轴混合网
HFC 是 “光纤 + 同轴电缆” 结合的宽带接入技术
核心是通过光纤传输骨干信号，再通过同轴电缆将信号分配到用户终端
（3）FTTx 技术
FTTx 是基于光纤传输的宽带接入技术
核心是将光纤直接延伸到用户附近或家中（“x” 代表光纤的终点位置）
根据光纤终点的不同，FTTx 主要分为以下三类：
