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计算机网络物理层

news 2025/10/5 5:31:12

物理层的基本概念

物理层关注的四个主要特性

传输方式

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

有关信道的几个基本概念

信道的极限容量

信道道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

波分复用

码分复用

宽带接入技术

ADSL技术

光纤同轴混合网(HFC网)

FTTx技术

物理层的基本概念

物理层的作用主要是解决比特如何在各种传输介质上传输的问题。
它不关心传的是什么数据（内容），也不关心传给谁，只关心怎么把 0/1 信号可靠地放到传输介质上，并接收回来。

因为计算机网络的硬件设备和传输介质种类很多（光纤、电缆、无线、双绞线……），物理层的任务就是屏蔽这些差异，让上层只看到“比特流可以传过去”，不用考虑底层的复杂性。

物理层关注的四个主要特性

1. 机械特性
接口的形状、大小、引脚数量和排列方式，以及固定和插装要求
例如网线插头的规格

2. 电气特性
接口上信号电压范围的规定
例如用 +5V 表示 1，用 0V 表示 0

3. 功能特性
每个信号线的作用是什么
比如某根线负责传数据，某根线负责提供时钟

4. 过程特性
不同信号可能出现的时序关系
例如“先发地址，再发数据”，这是传输过程中步骤的顺序

传输方式

计算机内部的数据是并行传输（多个比特同时走在总线上）

但在通信线路（网线、光纤等）上传输时，一般使用串行传输（比特一个接一个排队过去）
原因：经济、实现方便

物理层不管内容，只管比特如何在不同介质上传输

它要统一接口规范，保证各种设备能互联

常见的介质有：双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波

物理层 = 比特传输+接口规范

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

一个完整的数据通信系统，可以分成三部分：

1. 源系统（发送端）

产生要传输的数据
包含：
源点：数据的产生者，比如键盘输入汉字，电脑里形成数字比特流
发送器：把数据编码成适合传输的信号。例如调制解调器，把数字信号转成模拟信号，才能在电话线上传输

2. 传输系统

负责把信号从发送端传到接收端
可以是简单的电缆、光纤、无线电波，也可以是复杂的网络（如互联网）

3. 目的系统（接收端）

接收并还原数据
包含：
接收器：把接收到的信号还原成数字比特流。例如解调器
终点：最终使用数据的设备，比如把汉字显示在接收方计算机屏幕上

具体工作流程（图 2-1）
输入阶段：用户在计算机键盘输入汉字并转化成数字比特流
调制阶段：发送端通过调制器，把数字比特流转为模拟信号
传输阶段：模拟信号通过公用电话网传输
解调阶段：接收端的解调器，把模拟信号还原为数字比特流
输出阶段：数字比特流送到计算机并在屏幕上显示汉字

常用术语
消息：要传输的内容（话音、文字、图片、视频）
数据：消息的表示形式，是可以处理和存储的符号
信号：数据在传输系统中的电或电磁表现形式

信号的两种分类

1. 模拟信号（连续信号）
参数取值连续
例如电话线里传输的波形（声音波）就是模拟信号

2. 数字信号（离散信号）
参数取值是离散的
例如计算机输出的二进制比特流（0 和 1）

码元

1. 背景

在数字通信中，需要通过信号来表示消息
如果是数字信号（离散信号），就意味着信号只能取有限个不同的值（不像模拟信号那样是连续的）
比如在计算机里，最常见的就是二进制信号 0 和 1

2. 什么是码元

在数字通信中，用来表示一个离散数值的基本波形，就叫做码元
可以理解为最小的单位信号
它在一个固定的时间间隔（称为码元宽度或符号周期）里维持某个状态，表示一个离散的数值

举例：
在二进制通信里，只有两种码元：
一种波形（电压高）表示 1
另一种波形（电压低）表示 0

如果是四进制通信，就会有 4 种不同的码元，每个码元可能对应两个二进制比特（00、01、10、11）

3. 码元和比特的关系

比特：是信息量的单位（0 或 1）
码元：是物理信号的单位，它在传输线上实际表现出来

比特：逻辑信息量（0/1）

码元：抽象的信号单元（在一个符号周期里要表现什么状态）

物理信号：具体实现码元的方式（电压、光、射频波等）

可以说：
物理信号是实现码元的方式
码元是承载比特的单元

对应关系：
如果用二进制调制（两种码元），那么一个码元 = 1 比特
如果用四进制调制（四种码元），那么一个码元 = 2 比特
如果用八进制调制（八种码元），那么一个码元 = 3 比特。

公式：
1 码元可以携带的比特数=log2(M)
其中 M 是码元的种类数

码元 = 波形单位，是物理层里真正传输的最小信号块

比特 = 信息单位，逻辑层里处理的 0/1

码元携带比特，码元种类越多，传输效率越高

有关信道的几个基本概念

信道的基本概念

信道 (Channel)：信息在传输介质上的一个方向的通路
一条通信电路 = 发送信道 + 接收信道

通路：单方向传输信息的路径

通信电路：通常由两条反向的通路组成，保证双方都能通信

按照方向区分的三种通信方式

1. 单向通信（单工）
只能单方向传输，不能反向
例子：无线电广播、电视

2. 双向交替通信（半双工）

双方都能发，也都能收，但不能同时
一次只能一方说话，另一方要等
例子：对讲机

3. 双向同时通信（全双工）

双方能同时发、同时收
每个方向需要独立信道
例子：电话

基带信号 & 调制
基带信号（基本频带信号）：源设备直接产生的信号，比如计算机输出的数字比特流
问题：基带信号频率低，不能直接在电话线、无线电中传很远

频带，即带宽，指信号所占据的频带宽度；在被用来描述信道时，带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。例如模拟电话的信号带宽为3100Hz，一个PAL-D电视频道的带宽为8MHz（含保护带宽）。对于数字信号而言，带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。例如ISDN的B信道带宽为64Kbps。由于数字信号的传输是通过模拟信号的调制完成的，为了与模拟带宽进行区分，数字信道的带宽一般直接用波特率或符号率来描述

解决方法是调制，调制分为两大类：

一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)

另一类调制则需要使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道)，而使用载波的调制称为带通调制

带通信号：经过调制后，频谱只存在于某一频率范围内，只有这段频率能通过信道
信道的特性：信道像个过滤器，只让某个频段的信号过去，其他频率的信号会被削弱或消失

数字信号的常用编码方式

数字信号就是 0/1，要把它们变成电平（高低电压）才能传输。不同的编码方式就是规定 0/1 对应的电平变化规则

常见编码方式：

1. 不归零制 (NRZ)

正电平代表 1，负电平代表 0
缺点：长时间连续 0 或 1 时，没有跳变，容易失去同步

2. 归零制 (RZ)

正脉冲代表 1，负脉冲代表 0
每个位都要回到零电平
缺点：占用频带宽

3. 曼彻斯特编码

每一位的中间一定有一次跳变：
中间“上跳” = 0
中间“下跳” = 1
优点：自带时钟同步，不会丢失节拍

4. 差分曼彻斯特编码

每个位的中点必定跳变
位开始边界是否跳变用来区分 0 和 1
跳变是 0，没跳变是 1
优点：抗干扰更强，也有自同步能力

基本的带通调制方法

当基带信号（0/1 电平）要在电话线、无线电里传输时，需要调制成高频波形
三种最基本的调制：

调幅 (AM, Amplitude Modulation)
用载波的振幅变化表示 0/1
例子：1 = 有波，0 = 无波

调频 (FM, Frequency Modulation)
用载波的频率变化表示 0/1
例子：1 = 高频 f1，0 = 低频 f2

调相 (PM, Phase Modulation)
用载波的相位变化表示 0/1
例子：1 = 相位 180°，0 = 相位 0°

相位 = 0° 从零点向上开始
相位 = 90° 正弦波到达最高点
相位 = 180° 回到零点向下
相位 = 270° 到达最低点
相位 = 360° 回到零点，完成一个周期

信道的极限容量

信道的极限容量指的是在一条通信线路上，数据传输速率最高能到多少

1. 为什么存在极限容量？

真实的信道都有问题：带宽有限、噪声干扰、失真等
数字通信的优点：只要接收端还能分辨出码元是 0 还是 1，那么小的失真就可以忽略
但是如果失真太严重，接收端就分不清楚，无法识别码元

图 2-4 解释了这个现象：
(a) 信号有失真但还能识别
(b) 失真过大，接收端根本分不清

结论：传输速率越高、距离越远、噪声越强，失真越严重，最终会出现不可识别的情况

2. 限制传输速率的两个主要因素

(1) 信道的频率范围（带宽）

发送信号里包含高频分量，但信道往往通不过，导致波形变形
波形失真导致码间串扰（相邻码元之间干扰）

奈奎斯特准则：
在带宽为 W Hz 的理想低通信道里（不考虑噪声），码元传输的最高速率 = 2W 码元/秒
如果带宽 4000 Hz ，最高速率 8000 码元/秒
超过这个速率，就会严重码间串扰，接收端分不清

带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度

（2）信噪比

噪声：存在于所有通信系统中，随机变化，会导致接收端把 1 误判为 0 或 0 误判为 1
信噪比 = 信号平均功率 ÷ 噪声平均功率，记作 S/N
信噪比一般用分贝 (dB) 表示：

例如 S/N = 10 → 10 dB
S/N = 1000 → 30 dB

结论：信号越强、噪声越弱 → 信噪比越大，通信质量越好

香农公式

1948 年，香农提出了著名的公式，给出了信道的极限信息传输速率：

W：信道带宽 (Hz)
S/N：信噪比

结论：
带宽越大、信噪比越高 → 极限速率越高
只要传输速率低于 C，就一定能找到方法实现无差错传输（理论上）
如果超过 C → 必然出错

编码提高效率

除了提高带宽和信噪比，还可以用更高级的编码让一个码元承载更多比特信息

例子：
普通情况：每个码元表示 1 bit
如果把 3 个 bit 编成一个码元（8 种状态），那么 1 个码元可以表示 3 bit → 速率提高 3 倍
如果 8 bit 编成一个码元（256 种状态），那么 1 个码元可以表示 8 bit
但问题是接收端必须能准确分辨 256 种码元中的哪一个，信噪比不够高时就做不到

信道道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

复用= 让很多用户共同用一条“粗管道”，做法主要有三种：频分复用 FDM、时分复用 TDM、统计时分复用 STDM。再配套两个盒子：复用器 MUX（把多路合成一路）和分用器 DEMUX（把一路拆回多路）

为什么要复用？

如果 A、B、C…各自拉一根独占链路，成本爆表
用复用：多路低速/独立的支路 ⇄（在 MUX 处“合成”）⇄ 一条高速共享干线 ⇄（在 DEMUX 处“拆分”）⇄ 多个终端

代价：需要 MUX/DEMUX 设备、要做同步/滤波/调度；但只要共享干线足够“粗”，总体更省钱

频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）

类比：一条高速公路划成多条并行车道，每个用户固定一条车道；大家同时走，但互不干扰

频分复用将信道的总频带划分为若干个互不重叠的子频带，并将各路信号分别调制到不同的载波频率上，使它们在同一信道中同时传输，互不干扰

特点：
        各用户连续占用各自的频带；实时、延迟小
        带宽是按“车道”长期保留的，空跑也占带宽
        设备侧需要滤波器、频谱规划；适合模拟/连续业务（广播、有线电视、早期电话）

效率 ≈（各子带带宽之和）/（分配的总带宽），受保护带影响

FDMA（Frequency Division Multiple Access）= 把 FDM 用成多用户接入的办法，本质上还是频分，只是强调允许很多用户接入同一介质

FDM 就像修了一条多车道高速公路

FDMA 就是给不同用户发车道通行证，每人固定走一条车道

FDM = 技术（怎么切频谱）

FDMA = 策略（让不同用户接入共享介质，每人分一段频谱）

时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）

时分复用将时间划分为一系列周期性重复的时隙（time slot），并按照固定顺序把每个时隙分配给不同的用户，使多路低速信号能够在同一条高速信道上轮流传输

用户速率：

例子（电话TDM）：
E1系统每 125 μs 为一帧，共 32 个时隙（其中30路语音，每路在自己的时隙放入8 bit 采样），每路语音 64 kb/s；干线把30路交替送出，看起来同时，本质是轮流

先算每秒多少采样

每秒有 8000 个采样

每秒多少比特
8000 采样/秒×8 bit/采样=64000 bit/秒

转换成 kb/s

64000 bit/s=64 kb/s

优点：
技术实现相对简单
特别适合等时、连续型的数字业务，比如数字语音，每 125 μs 采样一次，形成 E1/T1 体系

缺点：
当某个用户在某帧内没有数据时，该时隙仍然保留，导致带宽浪费
系统存在抖动和延迟，典型量级约为半个帧周期

TDMA（Time Division Multiple Access）：将 TDM 用于多用户共享接入的场景，即多用户通过分时隙的方式共享同一物理信道

注意：FDMA或TDMA中的“MA”表明多址，意思是强调这种复用信道可以让多个用户接入进来。而“FD”或“TD”则表示所使用的复用技术是频分复用或时分复用。但术语FDM或TDM则说明是在频域还是在时域进行复用，而并不强调复用的信道是用于多个用户还是一个用户

统计时分复用 STDM（Statistical TDM）

统计时分复用通过对各支路的输入数据进行缓存与动态调度，根据各用户的实际数据发送情况按需分配时隙，从而在一条公共信道上实现多路信号的高效传输。

与同步时分复用不同，STDM 的帧中时隙分配不固定，每个数据段附带通道标识（地址或编号），接收端据此将数据正确分发到相应用户。

简单来说就算是TDM 固定时隙会浪费。STDM 解决了浪费，按需分配时隙，谁有数据谁上车，不再保证每帧人人都有固定时隙。

STDM = 动态分时 + 按需分配时隙 + 带地址识别 + 高效率但有时延抖动

波分复用

波分复用 WDM 的概念

WDM (Wavelength Division Multiplexing)：就是把光纤的频分复用用在光通信中。
光波载波的频率极高（THz 级别），所以我们习惯用波长 (nm) 而不是频率来表示。
核心思路：在一根光纤里，同时传多个不同波长的光信号，每个波长就像一条独立的“光通道”。

发展阶段

最初只能在一根光纤上传 2 路光信号（两个波长），称为 WDM（波分复用）
后来可以复用几十个甚至上百个波长，称为 DWDM（Dense WDM，密集波分复用）
例子：每路 40 Gbit/s × 64 路 = 2.56 Tbit/s
所以 DWDM 已经是今天骨干网光纤的关键技术

WDM 的工作方式

1. 光调制器：把数字信号调到特定波长（如 1550nm, 1551nm…）
2. 复用器 (Multiplexer)：把多个不同波长的光合并到一根光纤里
3. 光纤传输：光信号在同一根光纤里传输
4. 分用器 (Demultiplexer, 又叫分波器)：把合在一起的不同波长拆开，还原成多路独立光信号

码分复用

什么是码分复用（CDM/CDMA）
CDM (Code Division Multiplexing)：码分复用，一种让多个用户在同一信道里通信的方式。
CDMA (Code Division Multiple Access)：码分多址，表示多个用户可以同时接入通信。

在码分复用 (CDM) 里：
每个用户在发送数据前，先把自己的数据用一组特定的编码序列（也叫码片序列）扩展
这些码序列之间具有正交性（互不干扰）
所以即使多个用户的信号叠加在一起，接收端用对应的解码序列就能把属于自己的那部分提取出来

频分复用是不同用户用不同频率
时分复用是不同用户用不同时间片
而码分复用就是所有用户都用相同的频率和时间，但用不同的“码”来区分

每个用户的数据在传输前会被扩展成一个码片序列，码片之间互不干扰，通过接收端解码可以区分开不同用户的信号。

想象在一个房间里，有很多人同时说话：
如果每个人用不同的“时间”说话 → 就是 TDM（时分）
如果每个人用不同的“频率”说话 → 就是 FDM（频分）
而如果大家同时、在同一个频率说话，但每个人用不同语言（中文、英文、日语……）
你就能只听懂属于你语言的那一个，这就是 CDM（码分）
“语言”在这里就相当于 “码”
一句完整的话（“语言”）由很多个字组成，每个“字”对应一个码片
所以码片就是组成“专属语言”的最小单位

”码片序列” 是你说出的整句话

数学表示

设站点 S 的码片序列是向量 S = (S₁, S₂, …, Sₘ)，
站点 T 的码片序列是 T = (T₁, T₂, …, Tₘ)。

它们的正交性要求：

意思是不同站点的码片向量点积为 0（互不干扰）

同时，一个码片序列和它自己的内积恒等于 1：
S⋅S=1

而一个码片序列和它的反码的内积恒等于 -1

CDMA 的工作原理
假设有多个用户（站点）同时发数据，所有用户的信号会混合在一起。
接收端拿到的信号是所有用户信号的叠加。
但接收端只要用“匹配滤波器”或“相关运算”去和自己站点的码片序列做内积，就能把属于自己的信号提取出来，而其他用户的信号由于正交性，结果为 0，不会干扰。

CDMA 的优点
抗干扰能力强：因为信号被扩展到更宽的频带，即使有噪声或干扰，也能恢复。
容量大：理论上允许更多用户同时共享同一频带。
保密性好：码片序列相当于“密钥”，没有正确的码无法解码。
无线通信优势明显：GSM 系统一个频带最多 4-5 倍容量，而 CDMA 可以进一步提升。

扩频：把原始的数据比特扩展成更长的码片序列，让信号占用更宽的频带，抗干扰能力增强

宽带接入技术

ADSL技术

ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线）是用数字技术改造传统的模拟电话线，使其可以承载宽带数字业务

传统电话线频率范围：300–3400 Hz

实际铜线可承受的频率：>1 MHz
也就是说，电话线的高频部分原来没用，现在被开辟出来传输上网数据

ADSL 把 0–4 kHz 留给普通电话语音，把高频部分分配给用户上网
因为互联网下载（ISP→用户）数据量远大于上传（用户→ISP），所以 ADSL 是非对称的，下行带宽大、上行带宽小

光纤同轴混合网(HFC网)

HFC = Hybrid Fiber Coax = 光纤 + 同轴电缆混合
它是在有线电视网的基础上发展出来的宽带接入网
除了能传电视，还能提供电话、数据、宽带上网等业务
早期有线电视网：完全靠同轴电缆（树形拓扑），频分复用模拟传输 → 只能单向广播电视
后来改造 → 光纤到前端 + 同轴到用户，形成现在的 HFC 网

早期有线电视网（全同轴）：就像古代的驿道系统。信使（电视信号）从京城（电视台）出发，骑着马沿着土路（同轴电缆）一个驿站一个驿站（放大器）地跑，最终送到边疆（用户家）。路途遥远，速度慢，而且只能从京城到边疆单向传递信息。

现代的HFC网（光纤+同轴）：就像现代物流系统

光纤到前端：相当于用喷气式飞机（光纤）把货物从中央仓库（总台）快速、无损地运到各个城市的区域分拨中心（光节点）

同轴到用户：相当于从区域分拨中心出来，再用小货车（同轴电缆）进行“最后一公里”的配送，把货物送到每个小区和每家每户

双向通信：这个系统不仅有从中心到用户的“配送”服务（下行），还有从用户到中心的“退货和下单”服务（上行）