第2章 物理层

章节概述

物理层解决比特流在传输媒体上传输的问题，定义电气、机械、功能、规程四大特性。核心内容是信道容量理论（奈奎斯特、香农定理）和各种复用技术。

物理层不是具体的传输媒体，而是传输媒体之上的协议层。

核心概念

• [[奈奎斯特定理与香农定理|奈奎斯特定理]] 与 [[奈奎斯特定理与香农定理|香农定理]]
• [[奈奎斯特定理与香农定理|信道容量]]
• [[02-物理层|传输媒体]]：导引型（双绞线、同轴电缆、光纤）vs 非导引型（无线电、微波）
• [[02-物理层|FDM]] / [[02-物理层|TDM]] / [[02-物理层|WDM]] / [[CDMA码分复用]]
• [[02-物理层|ADSL]]
• [[02-物理层|HFC]]

2.1 物理层基本概念

物理层接口特性（EIA RS-232C 等标准定义）： - 机械特性：接口形状、引脚数目 - 电气特性：电压范围、传输速率 - 功能特性：引脚含义 - 规程特性：事件顺序

2.2 信道容量理论

奈奎斯特（Nyquist）定理 — 无噪声信道

$\(C = 2W \log_2 M ext{ (bit/s)}\)$ - \(W\)：信道带宽（Hz） - \(M\)：信号电平数 - 限制：只考虑带宽，不考虑噪声

香农（Shannon）定理 — 有噪声信道

$\(C = W \log_2(1 + S/N) ext{ (bit/s)}\)$ - \(S/N\)：信噪比（通常用 dB 表示：\(10\log_{10}(S/N)\)） - 这是理论上限，实际达不到

关键结论：两个定理共同决定信道容量上限。奈奎斯特限制码元速率，香农限制比特率。

2.3 传输媒体

媒体	带宽	抗干扰	成本	用途
双绞线 UTP	数百MHz	中	低	以太网、电话
同轴电缆	数GHz	好	中	有线电视
光纤（单模）	数十THz	极好	高	骨干网
无线电	可变	差	可变	WiFi、蜂窝

光纤优势：带宽极大、不受电磁干扰、传输距离远、保密性好。

2.4 复用技术

FDM（频分）：各用户占用不同频带，同时传输
TDM（时分）：各用户轮流使用全部带宽
STDM（统计时分）：动态分配时隙，效率更高
WDM（波分）：光纤上不同波长同时传输，本质是光的FDM
CDMA（码分）：各用户使用不同码片序列，可同频同时

CDMA工作原理： - 每个用户分配唯一的 \(m\) 位码片序列（chip sequence） - 发送"1"时发送码片，发送"0"时发送码片的反码 - 接收端通过规格化内积解码：\(s \cdot c^* = \{1, 0, -1\}\)

2.5 宽带接入

• ADSL（非对称数字用户线）：下行快（8 Mbit/s），上行慢（640 kbit/s），利用现有电话线
• HFC（光纤同轴混合）：社区到小区用光纤，楼内用同轴，下行最高 40 Mbit/s
• FTTH（光纤到户）：当前主流，带宽无瓶颈

参见

• [[01-概述]] — 网络整体架构
• [[03-数据链路层]] — 帧在物理层之上的传输
• [[奈奎斯特定理与香农定理|香农定理]] — 信息论基础
• [[CDMA码分复用|CDMA]] — 码分复用详解