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第二章：物理层

news 2025/11/15 9:17:50

一.信道基础的基本概念

1.信道的定义与核心术语

2.信道的分类

二.信道的极限容量

1.带宽与噪声，

2.奈奎斯特准则

3.香农准则

三.编码与调制

1.编码和调制的概念

2.编码方式

3.基本调制方式

四.传输介质

1.导引性传输介质(导向型

2.非传导性传输介质(非导向性

3.无线传输介质

编辑

4.物理层接口的特性

五.物理层设备

1.中继器

2.集线器

3.光纤调制解调器

4.调制解调器

一.信道基础的基本概念

什么是物理层：物理层是OSI模型中最底层，他不关心数据的含义和格式，只负责将上一层，数据链路层传来的二进制数据（0/1）通过物理介质转换成电信号、光信号或者无线电信号发送，同事接受对方的物理信号还原为比特流。

1.信道的定义与核心术语

信道：指信号传输的通道，由 “传输媒体 + 相关设备（如发射器、接收器）” 组成，与 “电路” 不同 —— 信道通常指 “单向传输路径”，一条通信电路往往包含 “发送信道” 和 “接收信道” 两条信道。

数据：送消息的实体，是计算机可处理的二进制编码（如文本 “ABC” 对应01000001 01000010 01000011）。

信号(数字信号+模拟信号)：

数字信号：参数离散取值（如计算机输出的高低电平波形）。

模拟信号：参数（振幅 / 频率）连续变化（如传统电话线路的语音信号）；

信源：信号的来源（数据的发送方），信宿：信号的归宿（数据的接收方）

码元：数字信号中代表离散值的基本波形，是 “信号的基本单位”。二进制系统中，1 个码元对应 1 个比特（0 或 1）；多进制系统中，1 个码元可携带多个比特（如 4 进制码元对应 2 比特）。

码元和比特的关系：

速率（比特率+波特率）

波特率：每秒传输几个码元，单位是码元/秒or比特

比特率：每秒传输几个比特，单位是bit/s,b/s,bps

2.信道的分类

1.传输信号划分

模拟信道：传输模拟信号（如传统电话网、有线电视网的下行信道）；
数字信道：传输数字信号（如以太网、光纤宽带网）。

2.传输媒体类型划分

导引型信道：信号沿物理媒体（如双绞线、光纤）传输，有明确路径；
非导引型信道：信号在自由空间传播（如无线电波、微波），无物理路径。

3.通信方向划分

通信方式	核心特点	信号流向	典型应用
单工通信	单向传输，发送方固定为 “发”，接收方固定为 “收”	不可逆（A→B，无 B→A）	无线电广播、电视信号传输、红外遥控
半双工通信	双向传输，但不能同时进行（需交替）	可逆但不同时（A→B 或 B→A）	对讲机、早期共享总线以太网（CSMA/CD 协议）
全双工通信	双向同时传输，双方可同时发和收	可逆且同时（A↔B）	电话通话、现代以太网（交换机连接）、光纤通信

二.信道的极限容量

1.带宽与噪声，

带宽：信道所允许的信号频率范围。单位是：Hz

噪声：噪声会影响信道的数据传输效果

2.奈奎斯特准则

在无噪声的低通信道中，码元传输速率的上限为：V = 2W （码元/秒)

W：信道带宽（单位：Hz，赫兹），指信道可传输的最高频率与最低频率之差；
“2W”：表示每秒最多传输 2W 个码元，超过此值会出现 “码间串扰”—— 前一个码元的波形 “拖尾” 干扰后一个码元，导致接收端无法正确识别。

奈氏准则仅限制 “码元速率”，不限制 “数据率”（比特 / 秒）；可通过 “多进制调制” 让 1 个码元携带多个比特，提升数据率：数据率（bit/s）= 码元速率（码元 / 秒）× 每个码元携带的比特数；示例：信道带宽 W=4kHz，若用 4 进制调制（1 码元 = 2 比特），则数据率上限 = 2×4kHz×2=16kbit/s。
适用场景：低噪声环境（如局域网、光纤信道），核心是避免 “码间串扰”。

3.香农准则

有噪声的信道中，极限信息传输速率（数据率）为：C = W log2(1 + S/N)(bit/s)

W：信道带宽（Hz）；
S/N：信噪比（信号平均功率 / 噪声平均功率，无单位），实际应用中常用 “分贝（dB）” 表示：信噪比(dB) = 10log10(S/N)

三.编码与调制

1.编码和调制的概念

编码：二级制数据编码成数字信号，数字信号解码成二进制数据

调制：二进制数据调制成模拟信号，模拟信号解调成二进制信号

2.编码方式

编码方式	原理	优点	缺点	应用场景
不归零制（NRZ）	正电平 = 1，负电平 = 0（或反之）	简单	无自同步能力（长串 0/1 导致时钟偏移）	早期串口通信
归零制（RZ）	正脉冲 = 1，负脉冲 = 0，每个码元结束时回到零电平	有自同步能力	带宽利用率低（脉冲占空比 < 1）	早期数据传输
曼彻斯特编码	每个码元中间必有电平跳变：“前低后高”=0，“前高后低”=1（或反之）	自同步（跳变提供时钟）	带宽加倍（码元速率 = 2× 数据率）	以太网（10BASE-T）
差分曼彻斯特编码	码元中间跳变仅同步，码元开始 “跳变”=0，“不跳变”=1	自同步，抗干扰性更强	实现复杂	令牌环网

3.基本调制方式

调制方式	原理	特点	应用场景
调幅（AM）	载波振幅随基带信号变化：“1”= 有载波，“0”= 无载波（或反之）	实现简单，抗干扰性差	调幅广播、早期数据传输
调频（FM）	载波频率随基带信号变化：“1”= 频率 f1，“0”= 频率 f2	抗干扰性强，带宽占用大	调频广播、对讲机
调相（PM）	载波初始相位随基带信号变化：“1”= 相位 180°，“0”= 相位 0°（或多相位）	抗干扰性强，可多进制调制	数字微波通信、卫星通信

正交振幅调制（QAM）：

为提升数据率，教材 2.2.2 节提到 “多进制振幅 - 相位混合调制”，如 16QAM（4 振幅 ×4 相位）、64QAM（8 振幅 ×8 相位）：

16QAM：1 个码元携带 4 比特，数据率 = 码元速率 ×4；
应用：有线电视网（HFC）、4G/LTE 移动通信，可在有限带宽内实现高速传输。

四.传输介质

1.导引性传输介质(导向型

1.双绞线

由两根绝缘铜导线按规则绞合而成（绞合可减少 “相邻导线的电磁干扰”），多对双绞线捆成电缆，外覆 PVC 护套。
分类：
- 无屏蔽双绞线（UTP）：无金属屏蔽层，成本低，是局域网主流（如超 5 类、6 类线）；
- 屏蔽双绞线（STP）：有金属箔 / 编织网屏蔽层，抗干扰性强，适用于电磁环境复杂的场景（如工厂、机房）。
关键性能参数：
- 衰减：信号随距离的衰减程度（如 0.5mm 线径 UTP，1kHz 时衰减 0.7dB/km）；
- 串扰：相邻线对的信号干扰（绞合度越高，串扰越小）

2.同轴电缆

结构：内导体（铜芯）→绝缘层→外导体（金属网 / 箔，屏蔽干扰）→护套，抗干扰性远强于双绞线。
分类与应用：
- 粗同轴电缆（10BASE5）：直径 10mm，传输距离 500m，早期以太网主干；
- 细同轴电缆（10BASE2）：直径 5mm，传输距离 185m，早期桌面以太网；
- 宽带同轴电缆：用于有线电视网（HFC），传输模拟电视信号和数字数据（下行速率可达 100Mbit/s）。
现状：局域网中已被双绞线取代，仅在有线电视网和部分工业场景使用。

3.光纤

理：利用 “光的全反射” 传输光脉冲 —— 光从高折射率的 “纤芯”（石英玻璃）射向低折射率的 “包层” 时，若入射角足够大，光会全部反射回纤芯，实现无衰减传输（1 = 有光脉冲，0 = 无光脉冲）。
分类：

类型	纤芯直径	传输模式	传输距离	速率	成本	应用场景
多模光纤	50/62.5μm	多束光沿不同路径传输	≤550m	≤10Gbit/s	低	局域网（如数据中心）
单模光纤	10μm	单束光沿直线传输	≤10km	≤100Gbit/s	高	广域网主干、FTTx 接入

核心优势（教材重点强调）：
1. 带宽极大：单模光纤带宽可达几十 THz，支持 100Gbit/s 甚至更高速率；
2. 衰减极小：单模光纤每公里衰减仅 0.2dB，可传输 100km 无需中继；
3. 抗干扰性极强：不受电磁干扰（如雷电、工业设备）；
4. 保密性好：光信号无法被电磁感应窃取。

2.非传导性传输介质(非导向性

1.无线电波

2.微波

3.红光与激光