计算机网络(7)——物理层

1.数据通信基础

1.1 物理层基本概念

物理层(Physical Layer)是所有网络通信的物理基础，它定义了在物理介质上传输原始比特流(0和1)所需的机械、电气、功能、过程和规程特性

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1.2 数据通信系统模型

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• 信源：生成原始数据的终端设备，常见形态包括：
  • 数字设备：计算机、手机
  • 模拟设备：麦克风、摄像头
• 发送设备：负责将原始信息转换为适合传输的信号形式，主要的功能有编码和调制
• 信道：信息传输的媒介或路径，通常分为：
  • 物理信道：指实际的传输介质，如光纤、电缆
  • 逻辑信道： 指在物理信道上通过协议或技术划分的虚拟通道，如时分复用(TDM)或频分复用(FDM)形成的子信道
• 噪声源：自然界和通信设备所产生的干扰

接收设备：负责从传输介质中恢复原始信息，主要的功能有解码和解调

• 信宿：数据接收终端，将信息转换为供人们能识别的消息。典型设备如显示器、打印机等

1.3 常见数据通信术语

数据(data)：传送消息的实体，如文本、音频、视频等

信号(signal)：指通过传输介质(如电缆、光纤或无线信道)传递的电磁波或光波，用于承载数据。信号可分为两大类

• 模拟信号(Analog Signal)：是连续变化的波形，通常用幅度、频率或相位的变化表示信息。例如传统电话线传输的语音信号
• 数字信号(Digital Signal)：是离散的二进制序列(0和1)，通过脉冲或电平变化表示数据。例如以太网或Wi-Fi传输的数据包

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载波(Carrier Wave)：是一个特定频率的高频电磁波(通常是正弦波)，其核心作用是充当“运输工具”，用来“搭载”或“运载”我们需要传输的信息信号(如语音、音乐、数据、图像等)

• 你可以把它想象成一列空载的火车(载波)，我们需要把货物(信息信号)装到这列火车上，才能有效地把货物运送到远方(接收端)

数据通信方式：

• 单工：数据只能单向传输，一方固定为发送端，另一方为接收端。例如广播、电视信号
• 半双工：数据可双向传输，但同一时间只能单向传输。例如对讲机
• 全双工：数据可同时双向传输。例如电话通信、现代以太网和TCP/IP协议

并行通信：通过多条数据线同时传输多个数据位，每个时钟周期可传输一个完整的数据字(如8位、16位) 串行通信：通过单条数据线逐位传输数据

同步通信：要求发送方和接收方在通信过程中保持时间上的严格同步。发送方发送数据后，需等待接收方的响应或确认，才能继续下一步操作 异步通信：发送方发送数据后无需等待接收方响应，可继续执行其他任务。接收方通过回调、事件通知等方式处理数据

1.4 信源编码PCM

Question：如果信源产生的是模拟信号，如何在数字通信系统中传输？

脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)是一种将模拟信号转换为数字信号的信源编码技术。其核心过程包括采样、量化和编码三个步骤

• 采样(Sampling)：用一系列在时间上离散的采样值，代替时间上连续的模拟数据，即实现时间上的离散化
• 量化(Quantization)：使采样值在取值上离散化
• 编码(Encoding)：将量化后的采样值用一定的二进制数来表示。如果量化级数为N，则每个采样值就编码成log2^N位二进制数

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2.物理介质

2.1 导引型传输介质

概念：指信号沿固定路径传播的物理通道，常见于有线通信

下面是几种典型的导引型介质：

1.双绞线(Twisted Pair)：由两根绝缘铜导线按螺旋形式相互绞合而成，通过绞合减小环路面积从而降低电磁干扰

• 屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair)：含金属屏蔽层(铝箔/铜网)，包裹线对或整体线缆
• 非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair)：仅通过双绞结构抵消干扰，无额外屏蔽层

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2.同轴电缆(Coaxial Cable)：由四层构成，具有良好的抗干扰能力

• 内导体：中心铜线，传输信号
• 绝缘层：包裹内导体的介质(如聚乙烯)，阻抗固定
• 外导体：金属编织网或箔层，提供电磁屏蔽
• 护套：外层保护材料(如PVC)

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3.光纤(Optical Fiber)：利用全反射原理传输光信号。当光从高折射率介质(纤芯)射向低折射率介质(包层)时，若入射角大于临界角，则发生全反射

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• 单模光纤(Single Mode Fiber)：只允许一种模式的光信号传播，光线几乎沿直线传播，几乎没有反射。适合长距离传输
• 多模光纤(Multi Mode Fiber)：允许多种模式的光信号同时传播，光在纤芯中以不同的角度反射和折射。适合短距离传输

2.2 非导引型传输介质

概念：指不需要物理线路引导信号的传播媒介，主要依赖电磁波在自由空间中的传播特性。所以这里重点讨论信号传输的方式，而不是介质

• 电磁波在自由空间中的传播
• 不同频段具有不同传播特性

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地波传播：沿地球表面传播的电磁波

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• 频率较低(大概在2MHz以下)
• 具有一定绕射能力
• 在低频和甚低频段，传播距离可达数千公里

天波传播：指电磁波通过电离层反射实现远距离传输的机制，主要应用于短波频段/高频段(3-30 MHz)

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• 传播路径可跨越数千公里
• 具有绕地曲面传播的特性

视线传播：指电磁波在空间中沿直线路径传输的特性，要求发射端与接收端之间无物理阻挡，主要应用于高于30MHz的频段

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• 高于30MHz频率的电磁波将穿透电离层，不会被反射回来

3.编码与调制

3.1 概念

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基带信号：信源发出的原始电信号

• 数字基带信号：以太网信号
• 模拟基带信号：音频信号、视频信号

信号需要在信道中进行传输，信道可分为数字信道和模拟信道两种 编码：把数字信号转换为另一形式的数字信号(改变信号的表示形式，没有改变信号的本质特性) 调制：将数字信号转换为适合信道传输的模拟信号

3.2 数字信号中常用编码

不归零编码(Non-Return-to-Zero，NRZ)

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• 特点：
  • 信号电平：正电平表示1，负电平表示0
• 优点：
  • 简单易实现：编码和解码过程简单，硬件实现成本低
  • 高效带宽利用率：每个比特周期内都用于传输数据，没有冗余
• 缺点：
  • 缺乏自同步能力：长时间连续传输相同电平可能导致时钟漂移，影响同步。需要额外一根传输线来传输时钟信号，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元。然而对于计算机网络来说，宁愿利用这个传输线来传输数据信号，而不是要传输时钟信号。因此由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码

归零编码(Return-to-Zero，RZ)

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• 特点：
  • 信号电平：每个比特周期内，信号电平会主动归零
• 优点：
  • 自同步能力：信号在每个比特周期内都有跳变，有助于时钟恢复
• 缺点：
  • 带宽利用率低：由于每个比特周期内都有归零，信号的带宽利用率较低。
  • 实现复杂：需要更复杂的硬件实现

曼彻斯特编码(Manchester Encoding)

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• 特点：
  • 信号电平：前半比特周期高电平，后半比特周期低电平表示比特1；前半比特周期低电平，后半比特周期高电平表示比特0
• 优点：
  • 自同步能力：每个比特周期内都有跳变，易于时钟恢复
  • 抗噪声能力强：跳变的存在使得信号对噪声的抵抗能力较强
• 缺点：
  • 带宽利用率低：每个比特周期内都有跳变，信号的带宽利用率较低
  • 实现复杂：需要更复杂的硬件实现

差分曼彻斯特编码(Differential Manchester Encoding)

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• 特点：
  • 信号电平：如果比特为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同；若为0，则相反
• 优点：
  • 自同步能力：每个比特周期内都有跳变，易于时钟恢复
  • 抗噪声能力强：跳变的存在使得信号对噪声的抵抗能力较强
• 缺点： 带宽利用率低：每个比特周期内都有跳变，信号的带宽利用率较低 实现复杂：需要更复杂的硬件实现

3.3 调制方法

调制：将基带信号转换为适合传输的高频信号的过程

• 调幅(AM)：载波的振幅随基带信号变化
• 调幅(AM)：载波的振幅随基带信号变化
• 调相(PM)：载波的相位随基带信号变化

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4.信道与信道容量

4.1 定义

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狭义信道：聚焦物理传输介质本身 广义信道：包含信号处理的完整链路(调制器、编码器等)

4.2 信道容量

概念：指信道在无差错传输条件下能达到的最大信息传输速率

以下是计算信道容量的两个公式

奈奎斯特准则(无噪声信道)：

• C：信道容量，单位为b/s或bps
• B：信道带宽，单位为Hz
• M：进制数，即信号状态数

Example：在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位、每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是多少？ C = 2 * 3kHz *

= 24kbps

香农定理(有噪声信道)：

• S/N：信噪比，信号能量与噪声能量之比，通常以分贝(dB)为单位
  • (S/N)dB = 10log10(Signle power / Noise power)

Example：若某通信链路的带宽为2MHz，信噪比为30dB，则该通信链路的最大数据传输速率约是多少？ 30dB = 10log10(Signle power / Noise power) (Signle power / Noise power) = 1000 C = 2kMHz * log2(1 + 1000) ≈ 20Mbps