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物理层

在选择题中考察，掌握相关概念即可。

1: 通信概念
2: 编码和调制
3: 交换方式
4: 物理层设备

学习思维导图：

# 物理层

## 通信基础

- 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念
- 奈奎斯特定理和香农定理
- 编码和调制
- 电路交换、报文交换与分组交换
- 数据报和虚电路

## 传输介质

- 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质
- 物理层接口的特性

## 物理层设备

- 中继器
- 集线器

1 - 通信概念

需要了解各个通信指标的概念、奈奎斯特定理和香农定理的应用场景（在哪种信道下适用），以及最大比特率的计算公式，可能在选择题中考察。

通信指标

信道 (Channel)：
- 是指进行信息传输的媒介或路径。这可能是一个物理的媒介，例如电缆，或者是无线的，如无线电波。
信号 (Signal)：
- 是载有信息的物理现象。例如，电信号、光信号或无线电波。
带宽 (Bandwidth)：
- 描述的是信号的频率范围，或者更具体地说，是通信信道所能传输的最大数据速率。在计算机网络中，带宽通常用来指代网络的数据传输速率，单位可能是比特/秒（bps）。
码元 (Symbol)：
- 在数字通信中，码元代表一个信号或符号的特定状态。例如，对于二进制信号，一个码元可能表示一个比特，其值可以是0或1。
波特 (Baud)：
- 表示每秒传输的码元数。波特率和比特率不一定相同。例如，如果每个码元代表2比特，那么比特率是波特率的两倍。
速率 (Rate)：
- 是指数据的传输速度。常见的单位有比特/秒（bps）、字节/秒（Bps）等。
信源 (Source)：
- 产生或发送信息的设备或实体。
信宿 (Sink or Destination)：
- 是指接收信息的设备或实体。

速率可以用两种指标来衡量：

比特率：每秒传输的比特数量
波特率：每秒传输的波特数量

一个码元可以包含多个比特，如果一个码元携带 $n$ 比特的信息量，则波特率M对应的比特率为 $Mn$ bit/s

奈奎斯特定理

奈奎斯特定理说明了在 理想低通（没有噪声、带宽有限） 的信道中的数据极限传输速率，当传输速率小于等于该速率时，不会产生码间串扰。

奈奎斯特定理的核心思想是，为了正确地重构一个连续信号，需要以足够高的采样率对该信号进行采样。具体来说，奈奎斯特定理提供了以下关键观点：

最低采样率：奈奎斯特定理规定，为了准确地采样和重构一个连续信号，采样率必须至少是信号中最高频率成分的两倍（或更高）。这就意味着，如果信号的最高频率成分是 f，则采样率应该至少为 2f。
奈奎斯特频率：最高频率成分的一半，也称为奈奎斯特频率，是一个重要的参考点。信号的频率成分高于奈奎斯特频率的部分将无法正确地重构，导致混叠（aliasing）效应，损害信号质量。
混叠效应：如果采样率低于奈奎斯特频率的两倍，那么高于奈奎斯特频率的信号成分将在采样后出现混叠，即被误识别为低于奈奎斯特频率的信号成分，从而导致信息丢失和失真。

若 $W$ 是理想低通信道的带宽，则极限波特率为 $2W$ （单位为baud/s），若用 $V$表示每个码元离散电平的数据（$V$ 种不同的电平可以最多表示 $log_2{V}$ 个比特），则极限传输率为 $2W \cdot log_2{V}$ （单位为b/s）

香农定理

香农定理说明了在 有噪音干扰、带宽有限 的信道中的数据极限传输速率，当实际传输速率小于等于改速率时，可以做到不产生误差。

香农定理的核心思想是：即使信道中存在噪声，只要信息传输速率低于某个极限值（即信道容量），就一定可以通过某种编码方式实现几乎无差错的传输。这个极限值取决于信道的带宽和信噪比。

香农用一个公式精确地描述了信道极限传输速率：

$$C = B * log_2(1 + \frac{S}{N})$$

其中：

$C$ 是信道容量，单位是比特每秒 (bps)，表示信道理论上的最大传输速率。
$B$ 是信道带宽，单位是赫兹 (Hz)，表示信道可用的频率范围。
$S$ 是信号功率，表示信号的强度。
$N$ 是噪声功率，表示信道中噪声的强度。
$\frac{S}{N}$ 是信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），通常以线性形式表示（不是分贝 dB）。

公式中的含义：

带宽 ($B$) 越大，信道容量 ($C$) 越大：这意味着更宽的信道可以传输更多的数据。
信噪比 ($\frac{S}{N}$) 越大，信道容量 ($C$) 越大：这意味着信号相对于噪声越强，传输速率就越高。

注意

$S/N$ 信噪比有 线性比值 和 分贝（dB） 两种形式

线性比值：

$$\frac{S}{N} = \frac{\text{信号功率}}{\text{噪声功率}}$$

分贝形式（dB）：

$$S/N_{dB} = 10 \cdot log_{10}{\frac{S}{N}}$$

反过来，从分贝值换算为线性比值：

$$\frac{S}{N} = 10^{\frac{S/N_{dB}}{10}}$$

出现在香农公式 $C = B * log_2(1 + \frac{S}{N})$ 中的 $\frac{S}{N}$ 是 线性比值，不是分贝！

2 - 编码和调制

需记住各种编码方法所对应的0/1表示，以及各种调制方法的概念，可能在选择题中考察。

编码类型

编码方法	1 的表示	0 的表示
归零编码（RZ）	在时钟周期内由高电平跳到低电平	在时钟周期中保持低电平
非归零编码（NRZ）	时钟周期内保持高电平	时钟周期内保持低电平
反向不归零编码（NRZI）	电平与上一个时钟周期保持一致	电平相比上一个时钟周期发生跳变
曼彻斯特编码（Manchester Encoding）	在时钟周期内由高电平跳到低电平	在时钟周期中由低电平跳到高电平
差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）	电平变化与上一个时钟周期相反	电平变化相比上一个时钟周期一致

调制方法

了解如下4中调制方法：

ASK (幅度偏移键控 - Amplitude Shift Keying)
FSK (频率偏移键控 - Frequency Shift Keying)
PSK (相位偏移键控 - Phase Shift Keying)
QAM (象限幅度调制 - Quadrature Amplitude Modulation)

调制技术	基本思想	表示方法例子	常见应用
ASK	通过改变载波的幅度表示数据	0: 无信号；1: 最大幅度的信号	光纤通信
FSK	通过改变载波的频率表示数据	0: 900 Hz；1: 901 Hz	低速无线通信、电话系统
PSK	通过改变载波的相位表示数据	0: 0°相位；1: 180°相位	高速无线通信，例如Wi-Fi
QAM	同时改变载波的幅度和相位表示数据	16种不同的幅度和相位组合	数字电视、Wi-Fi、有线和无线通信系统

3 - 交换方式

掌握三种交换方式的发送方法，并且学会计算传输时延和传输时间，可能在选择题中考察。

交换

电路交换（Circuit Switching）：
- 电路交换是一种传统的通信方式，最常见的例子是电话网络。
- 在电路交换中，通信的两端建立一个物理连接，这个连接在通信会话的整个过程中保持打开，即使没有实际数据传输。
- 通信资源（带宽）在建立连接时分配给通信各方，因此在通话期间一直被占用，即使不说话也占用资源。
- 电路交换适用于对通信质量要求高、稳定性重要的应用，但效率较低，不适合数据传输等需要灵活带宽分配的应用。
报文交换（Message Switching）：
- 报文交换是一种通信方式，其中消息以整个报文的形式从源节点传输到目标节点。
- 在报文交换中，消息从源节点发送到中间节点（交换节点），然后中间节点决定将消息转发到哪个目标节点。
- 报文交换通常用于电子邮件系统和一些数据通信应用中。
- 报文交换效率相对较低，因为整个报文必须接收后才能进行处理和转发，而不是逐比特或逐分组进行转发。
分组交换（Packet Switching）：
- 分组交换是一种现代的通信方式，它将数据分成较小的数据包（分组）并独立传输。
- 数据包在网络中独立传输，可能通过不同的路径到达目标，然后在目标处重新组装。
- 分组交换适用于大多数现代数据通信，包括互联网，因为它具有高效的带宽利用率、灵活的路由、容错性和适应性。
- 常见的分组交换协议包括IP（Internet Protocol）。

数据包和虚电路

特性	数据报	虚电路
连接性	无连接，每个分组独立处理	有连接，建立虚电路后传输分组
路由	每个分组独立路由	虚电路建立后，沿着相同路径路由
通信开销	较低，不需要建立和维护连接	较高，建立连接需要额外开销
分组到达顺序	不保证分组到达的顺序	保证分组按照发送顺序到达
分组丢失	可能出现分组丢失，需要上层协议处理	较低的丢包率，可靠传输
带宽利用率	不需要预留带宽，按需使用	预留带宽，可能造成资源浪费
适用场景	Internet中的IP数据包	电路交换、ATM等有连接通信
例子	Internet中的IP分组	早期电话网络、ATM网络

数据报和虚电路是两种不同的通信服务模型，适用于不同的通信需求和网络类型。数据报适合于互联网等不保证可靠传输的环境，而虚电路适合于对可靠性要求较高的电路交换和ATM等网络。选择合适的通信模型取决于应用需求和网络设计。

4 - 物理层设备

了解物理层设备的概念即可，注意需要记住各种电缆类型的英文缩写。

集线器

定义：集线器（Hub）是一个简单的物理层设备，用于将多台计算机或其他网络设备连接在一起，从而形成一个单一的网络段。

工作方式：当一个设备通过集线器发送数据时，数据会被广播到集线器的所有其他端口。每个连接到集线器的设备都会收到这些数据，但只有目标设备才会处理它。集线器本身不会分析或查看传输的数据。

局限性: 由于集线器将数据广播到所有设备，所以它可能导致网络拥塞。因此，在大型或流量较大的网络中，集线器已经被交换机所取代，交换机能够智能地将数据转发到目标设备。

中继器

定义：中继器是一个物理层设备，用于放大或再生数字信号。

工作方式：在以太网或其他类型的网络中，数据在电缆上只能传输一定的距离，超过这个距离，信号会减弱或退化。中继器放置在这种距离的两端，用于接收退化的信号，放大或再生它，然后将它传输到下一段电缆。

应用：中继器被用于扩展网络的物理范围，超出了单一段电缆或物理媒体的限制。

网络适配器

定义：网络适配器 (Network Adapter)，也称为网络接口卡（NIC）或简称网卡，是一种硬件组件，用于连接计算机或其他设备到一个网络。

工作方式：网络适配器为计算机提供了一个或多个网络连接端口，它将计算机的数字数据转换为可以在物理媒体（例如双绞线、光纤或无线电波）上传输的信号。同样，当信号从网络到达网络适配器时，它会将这些信号转换回计算机可以理解的数字数据。

物理地址：每个网络适配器都有一个唯一的物理地址，称为MAC地址。这个地址在生产时被烧录到设备中，用于在局域网内唯一地识别设备。

电缆

双绞线 (Twisted Pair)：双绞线由一对绝缘的铜线组成，两线之间呈螺旋形地绞在一起。
光纤 (Fiber Optic)：光纤是由极细的玻璃或塑料纤维制成的，用于传输光信号。
同轴电缆 (Coaxial Cable)：同轴电缆由一个中心铜导线、一个绝缘层、一个金属屏蔽和一个外部的塑料或橡胶覆盖层组成。