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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