## 物理层

### 1. 通信基础

#### 1.1 基本概念

| 术语 | 定义 |
|------|------|
| 信号 | 数据的电气或电磁表现，分模拟信号和数字信号 |
| 码元 | 固定时长的信号波形（基本波形），一个码元可携带多个比特 |
| 波特率 | 单位时间内传输的码元个数，单位 Baud |
| 比特率 | 单位时间内传输的比特数，单位 bps |
| 信源 | 产生数据的设备 |
| 信宿 | 接收数据的设备 |
| 信道 | 信号传输的介质通路 |

> **关系**：比特率 = 波特率 × log₂(码元状态数)

#### 1.2 奈奎斯特定理（Nyquist）

在**无噪声**理想低通信道下：

> **极限波特率** = 2W（Baud）
> **极限比特率** = 2W log₂V（bps）

- W：信道带宽（Hz）
- V：码元可取的离散电平数（信号状态数）
- 仅限制了码元传输速率，未限制比特率（可通过增加 V 提升）

#### 1.3 香农定理（Shannon）

在**有噪声**信道下：

> **极限比特率** = W log₂(1 + S/N)（bps）

- W：信道带宽（Hz）
- S/N：信噪比（倍），通常用 dB 表示：信噪比(dB) = 10 log₁₀(S/N)
- 给出了理论上最大信息传输速率，无法通过提高 V 超越

> **奈氏 vs 香农**：奈氏给出无噪声下的上限（受码元状态数限制），香农给出有噪声下的上限（受信噪比限制），实际速率取两者较小值。

#### 1.4 编码与调制

| 操作 | 定义 | 示例 |
|------|------|------|
| 编码 | 数字数据 → 数字信号 | 曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、NRZ、4B/5B |
| 调制 | 数字数据 → 模拟信号 | ASK、FSK、PSK、QAM |

**常见编码方式**：

| 编码 | 特点 |
|------|------|
| NRZ（不归零） | 高电平=1，低电平=0，无同步时钟 |
| 曼彻斯特 | 每个码元中间跳变，上升沿=0/1（取决于标准），自带时钟 |
| 差分曼彻斯特 | 码元开始处有跳变=0，无跳变=1，抗干扰更强 |
| 4B/5B | 4位数据映射为5位码元，保证足够跳变用于同步 |

#### 1.5 数据传输方式

| 方式 | 说明 |
|------|------|
| 串行传输 | 逐位传输，节省信道资源 |
| 并行传输 | 多位同时传输，速度快但线路多 |
| 同步传输 | 收发时钟同步，以块为单位传输 |
| 异步传输 | 每个字符加起始位和停止位，字符间间隔任意 |
| 单工 | 单向传输（电视广播） |
| 半双工 | 双向交替传输（对讲机） |
| 全双工 | 双向同时传输（电话） |

### 2. 传输介质

#### 2.1 导向型传输介质

| 介质 | 特性 | 典型应用 |
|------|------|---------|
| 双绞线 | 成本低，抗干扰较差（加屏蔽层可改善） | 以太网（100m以内） |
| 同轴电缆 | 抗干扰好，带宽较高 | 有线电视、早期以太网 |
| 光纤 | 带宽极高，损耗小，抗干扰强，安全 | 骨干网、长距离传输 |

#### 2.2 非导向型传输介质

| 介质 | 特性 |
|------|------|
| 无线电波 | 穿透力强，传播距离远，全向 |
| 微波 | 频率高，带宽大，直线传播，需中继 |
| 红外线 | 短距离，不能穿墙，遥控 |
| 激光 | 直线传播，带宽大，受天气影响 |

### 3. 物理层设备

| 设备 | 层级 | 功能 |
|------|:---:|------|
| 中继器 | 1 | 放大衰减信号，延长传输距离（5-4-3 规则） |
| 集线器 | 1 | 多端口的中继器，所有端口共享带宽，广播转发 |

> **5-4-3 规则**：10Mbps 以太网中，最多 5 段网线、4 个中继器/集线器、3 个计算机网段。

### 4. 复用技术

#### 4.1 频分复用（FDM）

- 将信道划分为不同频段，各信号占用不同频率
- 所有用户同时发送，各自占用不同频率
- 典型应用：广播电视、ADSL

#### 4.2 时分复用（TDM）

- 将时间划分为等长时隙（时间片），各用户轮流占用
- **同步 TDM**：时隙固定，用户无数据时浪费
- **统计 TDM**：按需分配时隙，提高利用率

#### 4.3 波分复用（WDM）

- 光的频分复用，在一根光纤中传输多个不同波长的光信号
- 密集波分复用（DWDM）可达上百个信道

#### 4.4 码分复用（CDM/CDMA）

- 每个用户分配唯一正交码序列
- 所有用户同时同频发送，接收端通过码序列分离信号
- 抗干扰强，保密性好，用于 3G 移动通信

### 5. PCM（脉冲编码调制）

将模拟信号转换为数字信号的三个步骤：

1. **采样**：对模拟信号定时采样，频率 ≥ 2 倍信号最高频率（奈奎斯特采样定理）
2. **量化**：将采样值映射到有限个离散电平
3. **编码**：将量化值转换为二进制码