第2章 物理层
第2章 物理层¶
概念密集、计算固定，几乎全出选择题。核心四块：奈氏准则与香农定理的套用、五种数字编码的波形特征、调制方式与码元比特数换算、物理层设备对冲突域的影响。物理层管的是"怎么在介质上传比特流"，不管介质本身。
b_42_8【知识树】第2章骨架¶
- 通信基础
- 数据 / 信号 / 码元；信源 / 信道 / 信宿
- 基带 vs 宽带；串行 vs 并行；单工 / 半双工 / 全双工
- 波特率 vs 比特率
- 奈氏准则、香农定理
- 编码与调制
- 数字数据 → 数字信号：RZ / NRZ / NRZI / 曼彻斯特 / 差分曼彻斯特
- 模拟数据 → 数字信号：PCM 三步
- 数字数据 → 模拟信号：ASK / FSK / PSK / QAM
- 模拟数据 → 模拟信号：AM / FM / PM
- 传输介质
- 双绞线、同轴电缆、光纤（单模/多模）、无线
- 物理层接口四大特性
- 物理层设备
- 中继器、集线器；冲突域
b_42_1；PDF 第 42 页 · b_42_52.1 通信基础¶
码元能携带几比特信息，由什么决定？¶
由信号状态数决定： - 一个信号周期内可能出现 2 种信号 → 1 码元携带 1 比特 - 可能出现 4 种 → 1 码元携带 2 比特 - 推广：V 种状态 → log₂V 比特
码元 = 用固定时长的信号波形表示的一个 k 进制符号，该时长称为码元宽度（信号周期）。
b_42_12基带信号和宽带信号的区别？¶
- 基带信号：信源发出的未经调制的原始电信号；直接在信道中传送称为基带传输
- 宽带信号：把基带信号调制到高频载波上形成的信号；这种传输称为宽带传输
b_43_4三种通信方式各需要几个信道？¶
- 单向通信（单工）：只需 1 个信道
- 半双工：双方都能收发但不能同时；可在同一信道上分时双向，无须两个物理信道
- 全双工：可同时收发，需要 2 个独立信道（每个方向一个）
⚠️ 最容易错的是半双工 —— 它不需要两个物理信道。
b_43_6波特率和比特率什么关系？ ★3考¶
- 码元传输速率（波特率）：每秒传输的码元数，单位波特（Baud），与进制无关
- 信息传输速率（比特率）：每秒传输的比特数，单位 b/s
- 换算：一个码元携带 n 比特 → M Baud 对应 M×n b/s
★ 考过 2011、2014、2022
💡 记忆法："波特数码元，比特数比特" —— 波特率跟进制无关，是常见陷阱。
b_43_11带宽在两个语境下的含义有什么不同？¶
- 模拟通信：信道能传输信号的频率范围（最高频率 − 最低频率），单位 Hz
- 计算机网络：通信线路能传输数据的能力，即最大数据传输速率，单位 b/s
b_43_9；PDF 第 43 页 · b_43_152.2 信道极限容量（本章计算核心）¶
什么是码间串扰？¶
信号中的高频分量无法通过信道、在传输中衰减，导致接收端收到的波形失去码元之间的清晰界限。
⚠️ 加剧码间串扰的四个因素：码元传输速率越高、传输距离越远、噪声干扰越大、传输介质质量越差。
b_44_7奈奎斯特定理的公式和适用条件？ ★4考¶
适用条件：理想低通信道（无噪声、带宽有限） - 极限码元传输速率 = 2W 波特（W 是信道带宽，单位 Hz） - 极限数据传输速率 = 2W·log₂V（b/s），V 是每个码元的离散电平数
💡 做题先过三关：W 是否已换成 Hz → 题目给的是码元数 V 还是每码元比特数 → 若同时给噪声条件，再与香农上限取较小值。
★ 考过 2009、2014、2022、2023
b_44_3；PDF 第 44 页 · b_44_4；PDF 第 44 页 · b_44_5奈氏准则的三条结论？¶
- 任何信道中码元传输速率存在上限，超过就产生严重码间串扰
- 信道带宽越大，传输码元的能力越强
- ⚠️ 奈氏准则只限制码元速率，不限制每个码元携带多少比特 —— 所以还能靠多元调制（QAM-16/64）提升信息传输速率
b_44_6香农定理的公式？信噪比怎么处理？ ★2考¶
适用条件：带宽受限且有高斯白噪声的实际信道
极限数据传输速率 = W·log₂(1 + S/N)（b/s）
⚠️ 代入公式时信噪比必须用无单位记法。若题目给的是分贝：dB 值 = 10·log₁₀(S/N)，要先反算回去 —— 如 30dB 对应 S/N = 1000。这是最容易踩的坑。
★ 考过 2014、2016
💡 记忆法："香农先脱分贝的外套"。
b_44_10香农定理的四条结论？ ★1考¶
- 带宽或信噪比越大，极限传输速率越高
- 给定带宽和信噪比，信息传输速率的上限是确定的
- 只要实际速率低于极限值，就能找到方法实现近似无差错传输
- 香农定理是理论极限，实际能达到的速率要低不少
★ 考过 2014
b_44_15什么时候用奈氏、什么时候用香农？ ★1考¶
- 只给带宽和电平数（无噪声） → 用奈氏准则
- 给了信噪比（有噪声） → 用香农定理
- 两个都给 → 分别算，取较小者
本质区别：奈氏只考虑带宽对码元速率的限制；香农同时考虑带宽和信噪比，说明每个码元能可靠携带的比特数是有限的。
★ 考过 2017
b_44_182.3 编码与调制¶
编码和调制的定义分别是什么？¶
- 编码：将数据转换为数字信号的过程
- 调制：将数据转换为模拟信号的过程
数字/模拟数据各有两条出路，组合出四种方式。
b_45_0归零编码 RZ 的特点？¶
用高低电平表示 1 和 0，每个码元中间都跳变回零电平。 - 优点：接收方可利用这个跳变调整时钟基准，实现自同步 - 缺点：归零过程占用了一部分带宽，传输效率受影响
b_45_7NRZ 和 NRZI 的关键区别？ ★1考¶
- NRZ（非归零）：不归零，整个周期都用于传数据，编码效率最高；但缺乏内在时钟信息，收发双方需额外时钟线同步
- NRZI（反向非归零）：靠码元起始处有无跳变表示数据 —— 无跳变表示 1，有跳变表示 0；跳变可辅助时钟恢复，USB 2.0 采用它
★ 考过 2015
b_45_8曼彻斯特编码的跳变干什么用？ ★2考¶
每个码元中间都有一次电平跳变，该跳变同时承担时钟同步和表示数据两个功能。
常用约定：下降沿（高→低）表示 1，上升沿（低→高）表示 0（也可反过来约定）。
⚠️ 传统以太网采用的就是曼彻斯特编码。
★ 考过 2013、2015
b_45_11；PDF 第 45 页 · b_45_13差分曼彻斯特和曼彻斯特差在哪？ ★1考¶
两者中间都有跳变，但作用不同： - 曼彻斯特：中间跳变既管同步又表示数据 - 差分曼彻斯特：中间跳变只管时钟同步、不表示数据；数据由码元起始处有无跳变决定 —— 无跳变表示 1，有跳变表示 0
差分曼彻斯特抗干扰能力更强，常用于令牌环网。
★ 考过 2021
💡 记忆法："差分看起始，曼彻斯特看中间"。
💡 看波形不要背“向上/向下”的画法，固定按两个维度判断：码元中点是否必跳变、码元起始边界是否用跳变表示数据。中点必跳且中点表示数据是曼彻斯特；中点必跳但只在起始边界看数据是差分曼彻斯特。
b_45_13五种编码的三项特性速查？¶
| 特性 | RZ | NRZ | NRZI | 曼彻斯特 | 差分曼彻斯特 |
|---|---|---|---|---|---|
| 自同步能力 | 有 | 无 | 需加冗余位 | 有 | 有 |
| 浪费带宽 | 浪费 | 不浪费 | 不太浪费 | 浪费 | 浪费 |
| 抗干扰能力 | 弱 | 弱 | 弱 | 强 | 强 |
💡 记忆法："只有两种曼彻斯特抗干扰强，只有 NRZ 不浪费带宽"。
b_46_1；PDF 第 46 页 · b_46_2PCM 的三个步骤？¶
采样 → 量化 → 编码 - 采样：周期性采样，从时间连续变为时间离散；采样频率不得低于信号最高频率的 2 倍 - 量化：把幅值按预设分级取整，从连续电平变为离散数值 - 编码：把量化后的整数转成二进制码
b_46_4ASK、FSK、PSK 各改载波的什么？ ★1考¶
- ASK 幅移键控：改振幅 —— 易实现，但抗干扰能力差
- FSK 频移键控：改频率 —— 易实现，且抗干扰能力强
- PSK 相移键控：改相位 —— 属于绝对调相
⚠️ DPSK（差分相移键控）是相对调相，靠当前码元与前一码元的相位差传信息。
★ 考过 2024
💡 记忆法："A 幅 F 频 P 相" —— 首字母直接对应。
b_46_11QAM 为什么能提高速率？速率怎么算？ ★4考¶
在载波频率相同的前提下，同时调制振幅和相位，形成复合信号。 - 用两路正交载波（正弦和余弦），频率相同但相位相差 90°，可在同一频带独立传输不干扰 - QAM-16：每路 4 种振幅 → 组合出 16 种状态，每状态代表 4 位二进制 - QAM-64：每路 8 种振幅 → 64 种状态，每状态 6 位 - 通用做法：先数星座图的有效状态数 M，每码元携带 log₂M bit，故比特率 R = B·log₂M（B 为波特率） - 若同相 I 轴有 m 个取值、正交 Q 轴有 n 个取值且所有组合均有效，则 M=m×n；不要把 m+n 当成状态数
★ 考过 2009、2011、2022、2023
b_47_22.4 传输介质¶
双绞线为什么要绞合？STP 和 UTP 差在哪？¶
- 绞合的目的：有效减少相邻导线间的电磁干扰
- STP（屏蔽双绞线）：外加一层金属丝编织的屏蔽层，抗干扰更强
- UTP（非屏蔽双绞线）：无屏蔽层
⚠️ 距离太远时：模拟传输用放大器放大衰减信号；数字传输用中继器对失真信号整形。
b_54_4；PDF 第 54 页 · b_54_6同轴电缆的两种阻抗各用在哪？¶
- 50Ω：主要用于基带数字信号传输，曾广泛用于早期局域网
- 75Ω：主要用于宽带信号传输，广泛用于有线电视系统
💡 记忆法："50 基带、75 宽带（电视）"。
b_54_4；PDF 第 54 页 · b_54_11光纤靠什么原理传光？¶
全反射：光从高折射率介质射向低折射率介质时，若入射角大于临界角就发生全反射，光线在纤芯与包层界面反复反射向前传播。
结构：纤芯（直径 8~100μm）+ 包层（折射率略低于纤芯）。有光脉冲表示 1，无光脉冲表示 0。
b_55_0；PDF 第 55 页 · b_55_1单模光纤和多模光纤怎么区分？¶
- 多模光纤：允许多条不同角度入射的光线在同一根光纤中传输；损耗较大，适合短距离
- 单模光纤：光纤直径减小到接近光波波长，仅允许单一模式传播、几乎无反射；需半导体激光器作光源；衰减小，可数十千米无中继，适合远距离
💡 记忆法："多模多路走、损耗大、跑得近；单模一条道、衰减小、跑得远"。
b_55_7；PDF 第 55 页 · b_55_9光纤的四个优势？¶
- 传输损耗小，中继距离长
- 抗雷电和电磁干扰性能强
- 无串音干扰，保密性好
- 体积小，重量轻
b_55_10无线电波和微波/红外/激光的关键差别？¶
- 无线电波：全向扩散，穿透能力强、传播距离远，接收端无须对准发射源
- 微波、红外线、激光：均需视距、具有强指向性
- 微波：带宽大容量高，但沿直线传播、地面传输距离受限，需中继站接力
- 卫星通信：容量大、覆盖广、距离远；但保密性较差、端到端传播时延大
- 红外线和激光：极易受障碍物阻挡，无法穿透墙壁
b_55_12物理层接口的四大特性？ ★2考¶
- 机械特性：接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定锁定装置
- 电气特性：电压范围、传输速率、距离限制
- 功能特性：每条线路上特定电平代表什么意义、各线路的功能
- 过程特性（规程特性）：各种功能事件发生的顺序和时序关系
★ 考过 2012、2018
💡 记忆法："形状—电压—含义—顺序"，按这个顺序背四选一必对。
b_56_2；PDF 第 56 页 · b_56_42.5 物理层设备¶
中继器的工作原理是什么？¶
整形、放大并转发信号，消除信号经长电缆后的失真和衰减，扩大传输距离。
⚠️ 两个易错点： - 原理是信号再生，不是简单放大衰减的信号 - 中继器连接的两端是同一局域网中的不同网段（不是不同子网），所连网段仍构成一个局域网
b_58_6；PDF 第 58 页 · b_58_7什么是 5-4-3 规则？¶
10Base-5 以太网规范中：互相串联的中继器不能超过 4 个；由 4 个中继器串联的 5 段电缆中，仅 3 段可挂接主机，其余 2 段只能用作扩展距离的链路段。
⚠️ 中继器数量受限的根本原因：网络标准对信号传播延迟范围有明确规定。
b_58_0集线器的本质和三个特点？¶
本质是多端口的中继器。 - 收到信号后整形放大，转发到除输入端口外的所有端口 —— 不具备定向传送能力，是标准的共享式设备 - 物理上是星形网络，逻辑上仍是总线形网络 - 只能工作在半双工模式
⚠️ 中继器和集线器都不具备缓存能力：连接 10Mb/s 和 10/100Mb/s 两个网段时，整个网络只能以 10Mb/s 工作。
b_58_10；PDF 第 58 页 · b_58_11集线器能分割冲突域吗？ ★2考¶
不能。集线器所有端口都属于同一个冲突域，一个时钟周期只能传输一组信息。
算例：10Mb/s 集线器接 8 台计算机同时工作 → 每台平均可用带宽仅 10/8 = 1.25Mb/s。
★ 考过 2010、2020
b_59_02.6 本章疑难点¶
传输介质属于物理层吗？¶
不属于。 它位于物理层之下，非正式地称为"第 0 层"。
区别在于：传输介质只承载电信号或光信号，无法判断某电平代表 1 还是 0；物理层通过定义电气、机械、功能、过程特性，把原始信号解释成有意义的比特流。
💡 一句话：传输介质是"通道"，物理层是"规则制定者"。
b_61_0；PDF 第 61 页 · b_61_1基带、频带、宽带传输怎么区分？¶
- 基带传输：直接发原始数字信号、不调制，占用整个信道带宽，用于短距离（局域网）；常用 NRZ 和曼彻斯特编码
- 频带传输：把数字信号调制到高频载波上，适合模拟信道（电话线、Wi-Fi），还支持多路复用
- 宽带传输：用频分复用把一条物理线路划成多个频带信道并行传送
⚠️ 有线电视网能一边上网一边看电视，靠的就是宽带传输。
b_61_3信噪比为什么要用分贝表示？¶
两种表示数学上等价：线性比值 S/N、分贝形式 10·log₁₀(S/N)。
用分贝纯粹是因为信号与噪声的功率差异往往极大（可能差 10 亿倍）—— 线性值写成 1 后面 9 个 0 容易数错，用分贝只要 90dB，简洁不易错。
⚠️ 但代入香农公式时必须换回线性值。
b_61_10【易混点】第2章成对概念对照¶
| 易混对 | 分界线 |
|---|---|
| 波特率 vs 比特率 | 数码元、与进制无关 vs 数比特，M Baud = M×n b/s |
| 奈氏准则 vs 香农定理 | 无噪声、只限码元速率 vs 有噪声、限信息速率 |
| 带宽（模拟）vs 带宽（网络） | 频率范围 Hz vs 最大数据率 b/s |
| RZ vs NRZ | 中间归零、能自同步、费带宽 vs 不归零、效率最高、无自同步 |
| 曼彻斯特 vs 差分曼彻斯特 | 中间跳变兼表数据 vs 中间跳变只管同步、看起始 |
| NRZI vs 差分曼彻斯特 | 都看起始跳变，但后者中间还有同步跳变 |
| PSK vs DPSK | 绝对调相 vs 相对调相（看相位差） |
| 50Ω vs 75Ω 同轴 | 基带数字 vs 宽带（有线电视） |
| 单模 vs 多模光纤 | 一条道、衰减小、远距离 vs 多路走、损耗大、近距离 |
| 基带 vs 频带 vs 宽带传输 | 不调制 vs 调到载波 vs 频分复用多信道 |
| 半双工需几个信道 | 同一信道分时即可，不需要两个 |
| 集线器能否分割冲突域 | 不能，所有端口同一冲突域 |
b_60_20【必背数字】第2章¶
- 奈氏：极限码元速率 2W 波特；极限数据率 2W·log₂V
- 香农：极限数据率 W·log₂(1 + S/N)，信噪比用线性值
- 分贝换算：dB = 10·log₁₀(S/N)；30dB → S/N = 1000
- PCM 采样频率 ≥ 信号最高频率的 2 倍
- QAM-16 每码元 4 位；QAM-64 每码元 6 位
- QAM 速率 R = B·log₂(m×n)
- 两路正交载波相位差 90°
- 光纤纤芯直径 8~100μm；可见光频率的数量级约 10¹⁴Hz（约 10⁸MHz，原书此处把 Hz 误写成 MHz）
- 同轴电缆 50Ω 基带 / 75Ω 宽带
- 10Base-5 的 5-4-3 规则
- 10Mb/s 集线器接 8 台 → 每台 1.25Mb/s
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