物理层

官官方信息技术老师·10 页·深入（追求细节与边界）·0 次浏览·3 天前

✦ 物理层信息技术物理层复用技术

信号与信道复用技术传输介质奈氏准则

物理层

看清每个机制的设计动机与工程边界，不再死记公式

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信号与信道复用技术传输介质奈氏准则

物理层

看清每个机制的设计动机与工程边界，不再死记公式

1第 1 页 · 物理层

数据通信的理论基础

物理层关心「比特怎么变成信号在线缆里跑」。但工程师更深的问题是：一条信道理论上最快能传多快？带宽与噪声如何决定极限？这就是数据通信两大基本定理要回答的事。

奈奎斯特准则

无噪声信道中，码元速率上限为 2B（B 为带宽），决定「每秒最多能发多少个符号」

香农定理

有噪声信道的极限信息速率 C = B·log₂(1+S/N)，带宽和信噪比共同决定「每秒最多能传多少比特」

编码理论

信源编码削冗余以提效，信道编码加冗余以纠错——一个「减」一个「加」，目的截然相反

高速公路的车流对应 →信道容量

路宽（带宽）决定车道数（码元率上限），车流密度与天气（信噪比）决定实际通行能力

C = B \cdot \log_2\left(1 + \frac{S}{N}\right)

2第 2 页 · 数据通信的理论基础

有导向的传输介质

有导向的传输介质：定义、要点与典型应用

有导向的传输介质

有导向的传输介质：定义、要点与典型应用

3第 3 页 · 有导向的传输介质

复用技术

一根光纤理论容量几十 Tbps，单用户根本用不完。复用技术就是让多个用户或业务共享同一条物理信道，把它横向或纵向「切」开来各取所需。

核心思想

把多路低速信号合成一路高速信号，共用同一条物理信道

频分复用 FDM

按频率划分信道，每用户占固定频段；典型应用：电视广播、模拟载波

时分复用 TDM

按时隙轮流使用信道；分同步 TDM 与统计 TDM 两种

波分复用 WDM

光域的频分复用；CWDM 与 DWDM，一根光纤可承载 160+ 个波长

码分复用 CDM

所有用户同频同时发送，靠正交码字在接收端分离；用于 3G CDMA、GPS

多车道高速公路对应 →频分复用 FDM

整条路是共享信道，横向切出多个车道（频段），各车流各走其道互不干扰

4第 4 页 · 复用技术

调制技术

Wi-Fi 信号为什么能在空中传几十米而不衰减？基站怎么用一根天线同时服务上万用户？答案都藏在一个词里——调制。

调制的定义

把数字数据搭载到高频载波上，通过改变载波的幅度、频率或相位来表示 0 和 1

为什么需要调制

基带信号频率低、天线尺寸巨大；调制到高频后天线可小型化、易于频分复用、抗低频干扰

三种基本方式

调幅（AM/ASK）改幅度；调频（FM/FSK）改频率；调相（PM/PSK）改相位

进阶调制 QAM

同时调幅+调相，16/64/256/1024-QAM；阶数越高频谱效率越高，但对信噪比越敏感

典型应用

Wi-Fi 6/6E 用 1024-QAM；5G NR 用 256-QAM；有线 DOCSIS、ADSL 同样基于 QAM

快递把小包裹装上大货车对应 →调制把基带信号搭载到载波

小包裹（基带）易丢，大货车（载波）跑得远。改重量=调幅、换车型=调频、错开发车=调相

s(t) = A\cos(2\pi f t + \varphi)

5第 5 页 · 调制技术

公共交换电话网络

调制把声音变成码流，复用把多路码流塞进一条线——这一切最早都是为了一张网服务的：公共交换电话网络。它用电路交换跑了一百多年，今天看它的核心机制与边界。

电路交换

通话前建立独占通路，全程占用，不与他人共享

三级分层结构

用户线→本地局→中继线→汇接局→长途局

数字中继 PCM

中继线采用 PCM+TDM，每路话音固定 64 kbps

带外信令 SS7

通话控制信号走独立信道，与话音流分离

应用与退场

承载语音、传真、拨号上网；多国已宣布退网，被 VoIP 替代

高速公路专用车道对应 →电路交换

链路建立后整条车道只为你服务，别人无法插队——即使沉默不说话，车道也空着

f_s \times n = 8000 \times 8 = 64 \text{ kbps}

6第 6 页 · 公共交换电话网络

物理层设备

从家里拉网线到运营商机房，中间经过小区楼道的小黑盒、配线架上的模块——它们都不看数据，只把电信号或光信号从一头搬到另一头。这些就是物理层设备。

工作层级

OSI 最底层，只处理比特流（0/1），不解析数据含义

核心功能

信号再生整形、媒介转换（电↔光↔射频）、比特收发

典型设备

中继器、集线器、网卡（NIC）、光模块/光纤收发器

边界——不做的事

不纠错、不寻址、不路由、不识别帧结构

快递货车与分拨站对应 →物理层设备

货车只管把箱子从 A 搬到 B，不打开看里面装什么

7第 7 页 · 物理层设备

附录3：光纤熔接

光纤线路少则几公里、多则上百公里，中间不可能一气呵成。每到分叉、拐弯或断缆处，都要把两段玻璃丝永久接成一根——这就叫光纤熔接。

光纤熔接

用瞬间高温把两根光纤端面熔合为一根永久接头

熔接原理

电弧放电产生约2000℃，使玻璃软化并融合

关键步骤

剥覆→清洁→切割→对准→放电→套热缩管

熔接损耗

通常0.01~0.1dB，几乎不影响通信质量

典型应用

长途干线接续、机房布线、线路抢修

焊接两根铁管对应 →光纤熔接

都靠加热让两端软化、对齐压合后成一整根；但光纤对准精度亚微米级，比焊接精细得多

8第 8 页 · 附录3：光纤熔接

本节要点

✓物理层只管比特搬运，可靠性交给上层
✓带宽、噪声、容量共同决定传输极限
✓复用挤资源，调制变形态，各取所需
✓PSTN 电路交换揭示了带宽浪费的根源
✓光纤熔接损耗是工程而非纯理论问题

延伸主题：信道编码与纠错5G NR 物理层以太网演进

9第 9 页 · 本节要点

课后思考

先合上书自己想想，再对照参考答案——重点不是对错，而是思路。

1为什么光纤比铜线更适合长距离传输？本质限制来自哪里？

参考答案衰减与带宽。铜线随频率升高衰减急剧增大，且易受电磁干扰；光纤以光传输，损耗极低（每公里约0.2dB），带宽可达THz级，区别在介质与信号形式。

2光纤链路中间加一次光电转换再转回电信号继续传，性能会怎样变化？

参考答案每多一次转换就引入一次抖动与时延累积，信号质量下降；除非确有中继再生需求，否则来回转换只会徒增损耗和成本。

3调制把信号搬上更高频段后，原信道的带宽限制还存在吗？

参考答案调制只搬移频谱，不创造带宽。信道物理带宽由介质决定，调制只能提高频谱效率（如QAM），容量仍受香农极限约束。

10第 10 页 · 课后思考