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计算机网络-2 物理层

news 来源：原创 2025/8/2 20:29:55

【考纲内容】

（一）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；

奈奎斯特定理与香农定理；编码与调制；

电路交换、报文交换与分组交换；数据报与虚电路① 视频讲解

（二）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

（三）物理层设备

中继器；集线器

2.1 通信基础

2.1.1 基本概念

信号：是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式

码元：是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度（可以把“信号周期”称为“码元宽度”）。1码元可携带若干比特的信息量

每一个信号（二进制码）就是一个”码元“

1码元 =

如果一个码元（即一个信号）可能有4种状态，那么可以称其为 4进制码元（一个码元携带 2bit 数据）
• 类似地，如果一个码元（即一个信号）可能有8种状态，那么可以称其为 8进制码元（一个码元携带 3bit 数据）

信源：产生和发送数据的源头，信宿是接收数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置。信道：信号的传输介质，一条双向通信的线路包含一个发送信道和一个接收信道。

码元传输速率（波特率）调制速率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元数，单位是波特(Baud)。

信息传输速率（比特率），表示单位时间内数字通信系统每秒传输的比特数，单位是比特/秒(b/s).

带宽（又称频率带宽）：用来表示某个信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz)。在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，即最高数据率；显然，此时带宽的单位不再是Hz，而是b/s.

注：若一个码元携带 n 比特的信息量，则波特率 M Baud 对应的比特率为 Mn b/s。

比特率=波特率×log₂n，若一个码元含有k比特的信息量，则表示该码元所需的不同离散值为波特率数值上 = 比特率/每码元所含比特数

2.1.2 信道的极限容量

1.奈奎斯特定理（奈氏准则）

奈奎斯特定理规定：在理想低通（没有噪声、带宽有限）信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特，其中W是信道的频率带宽（单位为Hz）

用V表示每个码元的离散电平数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，则有16种不同的码元，就需要4个二进制位，因此数据传输速率是码元传输速率的4倍），则极限数据率为

理想低通信道下（没有噪声、带宽有限的信道）的极限数据传输速率=2Wlog₂V（单位为b/s）

奈奎斯特定理说明：
• 如果波特率太高，会导致“码间串扰”，即接收方无法识别码元
• 带宽越大，信道传输码元的能力越强
• 奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释

2.香农定理

香农定理给出了带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输速率

信道的极限数据传输速率=Wlog₂(1+S/N) （单位为b/s）

解释：W为信道的频率带宽（单位为Hz）,S为信道内所传输信号的平均功率，N为信道内的高斯噪声功率。S/N为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，信噪比=10log₁₀(S/N)（单位为dB）。例如，当S/N=10时，信噪比为10dB; 而当S/N=1000时，信噪比为30dB.

香农定理说明：
• 提升信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率
• 结合奈奎斯特定理，可知，在带宽、信噪比确定的信道上，一个码元可以携带的
比特数是有上限的

2.1.3 编码与调制

1.概念

调制：将数据转换为模拟信号的过程，

编码：将数据转换为数字信号的过程

2.常用的数字数据编码：（要记住各种编码的波形有什么特点，要能看懂波形能分辨出一个波形，它到底是哪一类编码？）

注：NRZI=Non-Return-to-Zero Inverted

1）归零(RZ)编码。用高电平表示1、低电平表示0（或者相反），每个码元的中间均跳变到零电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为收发双方提供了自同步机制。因为归零需要占用一部分带宽，所以传输效率受到了一定的影响。

2）非归零(NRZ)编码。与RZ编码的区别是不用归零，一个时钟全部用来传输数据，编码效率最高。但NRZ编码的收发双方存在同步问题，为此需要双方都带有时钟线。

3）反向非归零(NRZI)编码。与NRZ编码的区别是用电平的跳变表示0、电平保持不变表示1。跳变信号本身可作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。

4）曼彻斯特编码。每个码元的中间都发生电平跳变，电平跳变既作为时钟信号（用于同步），又作为数据信号。可用向下跳变表示1、向上跳变表示0，或者采用相反的规定。

记：曼彻斯特编码用码元中间的电平跳变来表示每个比特，可方便收发双方根据跳变来同步时钟，而不需要额外的时钟信号

5）差分曼彻斯特编码。每个码元的中间都发生电平跳变，与曼彻斯特编码不同的是，电平跳变仅表示时钟信号，而不表示数据。数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变；无跳变表示1，有跳变表示0。差分曼彻斯特编码拥有更强的抗干扰能力。

3.调幅技术（理解每一种调制技术，它的实现原理是什么？以及搞懂每一种调制技术，一个码元可以携带多少个比特）

1）调幅(AM)或幅移键控(ASK)。通过改变载波的振幅来表示数字信号 1 和 0。这种方式比较容易实现，但抗干扰能力差。

2）调频(FM)或频移键控(FSK)。通过改变载波的频率来表示数字信号1和0。这种方式容易实现，抗干扰能力强，目前应用较广泛。

3）调相(PM)或相移键控 (PSK)。通过改变载波的相位来表示数字信号1和0，又分为绝对调相和相对调相。

4）正交幅度调制(QAM)。在频率相同的前提下，将AM与PM结合起来，形成叠加信号。设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM的数据传输速率R为R=Blog₂(mn) （单位为b/s）

若设计m种幅值、n种相位，则将AM、PM信号两两“复合”，可调制出 mn 种信号，

则QAM1码元 = log2 𝑚𝑛 bit

2.2 传输介质

1 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

Baseband, 基带传输，即传输数字信号(采用曼彻斯特编码)速度+Base+介质信息

10Base5———10Mbps, 同轴电缆，最远传输距离500m

10Base2———10Mbps, 同轴电缆，最远传输距离200m（实际是185）

10BaseF*———10Mbps, 光纤。*可以是其他信息，如10BaseFL、 10BaseFB、 10BaseFP

10BaseT*———10Mbps, 双绞线。“可以是其他信息，如10BaseT1S、 10BaseT1L

其他示例：

1000BaseT1——1000Mbps, 双绞线2.5GBaseT———2.5Gbps, 双绞线

补充：

1:卫星通信有成本高、传播时延长、受气候影响大、保密性差、误码率较高的特点。

2:光纤的直径减小到与光线的一个波长相同时，光纤就如同一个波导，光在其中没有反射，而沿直线传播，这就是单模光纤。

3:光纤抗雷电和电磁干扰性能好，无串音干扰，保密性好。

2 接口特性

1）机械特性。指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。

2）电气特性。指明在接口电缆的各条线上的电压范围、传输速率和距离限制等。

3）功能特性。指明某条线上出现的某一电平的电压的意义，以及每条线的功能。

4）过程特性，也称规程特性。指明对不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.3 物理层设备

中继器

中继器的主要功能是整形、放大并转发信号，以消除信号经过一长段电缆后产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需的要求，进而扩大网络传输的距离

原理是信号再生（而非简单地放大衰减的信号）

中继器有两个端口，数据从一个端口输入，从另一个端口发出

中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，使用中继器连接的几个网段仍是一个局域网

注意：中继器可以连接不同介质的局域网

集线器

集线器(Hub)实质上是一个多端口的中继器。当Hub工作时，一个端口接收到数据信号后，因为信号在从端口到Hub的传输过程中已有衰减，所以Hub便对该信号进行整形放大，使之再生（恢复）到发送时的状态，紧接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口。

在网络中只起信号放大和转发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，即信息传输的方向是固定的

注：集线器在物理层上扩大了网络的覆盖范围，但无法解决冲突域（第二层交换机可解决）与广播域（第三层交换机可解决）的问题，而且增大了冲突的范围