• 本章重点关注 408 考纲要求，梳理物理层接口特性及数据传输基本原理。

物理层的基本概念

  • 物理层协议常称为物理层规程 (procedure)。主要任务是定义接口特性：

    物理层四大特性：

    1. 机械特性：指明接口接线器的形状、尺寸、引脚数目及排列等。
    2. 电气特性：指明接口电缆各条线上出现的电压范围。
    3. 功能特性：指明某条线上出现特定电平的含义。
    4. 过程特性：指明不同功能的事件出现的顺序。

  • 转换功能：物理层负责计算机内部的并行传输与通信线路上的串行传输之间的转换。

  • 源系统：包含源点（信源）和发送器（调制器）。
  • 目的系统：包含接收器（解调器）和终点（信宿）。

基本术语定义：

  • 数据 (Data)：运送消息的实体，通常为有意义的符号序列。

  • 信号 (Signal)：数据的电气或电磁表现。

    • 模拟信号：参数取值是连续的。
    • 数字信号：参数取值是离散的。

  • 码元 (Symbol)：在时域波形中，代表不同离散数值的基本波形。

  • 信息量：一个码元携带的信息量由调制方式和编码方式决定。

信道与传输基础

  1. 单向通信 (单工)：信号只能向一个方向传输。
  2. 双向交替通信 (半双工)：双方都能发送，但不能同时。
  3. 双向同时通信 (全双工)：双方可同时收发信号。

数字基带信号编码方式

编码名称 特征描述
不归零制 (NRZ) 高电平代表 1，低电平代表 0。
归零制 (RZ) 信号在每个码元时间内都会回到零电平。
曼彻斯特编码 位周期中心跳变。向下跳变代表 1，向上跳变代表 0。
差分曼彻斯特 位中心始终跳变。位开始边界有跳变代表 0，无跳变代表 1。

基本带通调制技术

  • 调幅 (ASK)：载波振幅随信号变化（如 0/1 对应无/有载波）。
  • 调频 (FSK)：载波频率随信号变化（如 0/1 对应不同频率 $f_1, f_2$）。
  • 调相 (PSK)：载波相位随信号变化（如 0/1 对应相位 $0^\circ, 180^\circ$）。
    | ———— | ——————————————————— |
    | 调幅(AM) | 即载波的振幅随基带数字信号而变化。 |
    | 调频(FM) | 即载波的频率随基带数字信号而变化。 |
    | 调相(PM) | 即载波的初始相位随基带数字信号而变化。 |

更复杂的正交振幅调制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)。

信道的极限容量

奈氏准则

在任何信道中， 码元传输的速率是有上限的， 传输速率超过此上限， 就会出现严重的码间串扰的问题， 使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

W=2W

W为带宽

信噪比

香农公式 (Shannon’s Formula)

公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

传输媒体分类

导引型传输媒体（有线）

  • 双绞线：屏蔽双绞线 (STP) 与无屏蔽双绞线 (UTP)。
  • 同轴电缆：常用于有线电视及早期的以太网。
  • 光纤：利用全反射原理，损耗低、抗干扰强。
  • 架空明线：铺设方便但易受外部干扰。

非导引型传输媒体（无线）

  • 短波通信：主要靠电离层反射。
  • 微波通信：包括地面微波接力与卫星通信。
  • 无线局域网 (WLAN)：基于 IEEE 802.11 标准。

信道复用技术基础