计算机网络物理层详解：从基础概念到宽带接入技术

计算机网络物理层详解：从基础概念到宽带接入技术

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/auutuumn/article/details/146325825

本章主要介绍计算机网络中的物理层相关知识，包括物理层的基本概念、数据通信基础知识、信道极限容量、传输媒体、信道复用技术、数字传输系统和宽带接入技术等多个方面。文章还包含了考研真题解析和期末考点总结，具有较高的实用性和参考价值。

2.1 物理层基本概念

物理层的作用

核心任务：在传输媒体上传输比特流，屏蔽传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层无需关心底层差异。（确保这些比特能够从发送端准确地传输到接收端，而不关心这些比特是如何在物理媒介中传播的）

物理层协议

又称物理层规程，定义接口特性：

1. 机械特性：接口形状、尺寸、引线数目及排列（如RJ-45连接器的引脚排列）。
2. 电气特性：接口电缆各线上的电压范围（如±15V）。
3. 功能特性：某条线上电平的意义（如高电平表示1，低电平表示0）。
4. 过程特性：事件出现的顺序（如握手协议）。

2.2 数据通信基础知识

通信系统模型

基本流程：

源点 → 发送器 → 传输系统 → 接收器 → 终点

关键术语：

• 消息：语音、文字、图像等。
• 数据：消息的实体（符号序列）。
• 信号：数据的电磁表现（模拟信号连续，数字信号离散）。
• 码元：数字信号的基本波形（如二进制码元为0/1）。

信道类型

1. 单向通信（单工）：单方向传输（如广播）。
2. 半双工通信：双向交替传输（如对讲机）。
3. 全双工通信：双向同时传输（如电话）。

调制技术（带通传输）

比特与代表它们的信号之间的转换过程称为数字调制 (digital modulation)。

• 基带传输 (basebandtransmission)，从一种数字信号到另一种数字信号，又叫“编码”
• 带通传输 (passband transmission)，使用载波，把基带信号（数字信号）转化成模拟信号，又叫“调制”

稍微总结一下：

• 编码技术：主要作用是将数据转换为适合传输的形式，优化数据的表示、压缩、可靠性和同步能力。
• 调制技术：主要作用是将编码后的信号转换为适合在物理信道中传输的形式，优化信号的频率特性、抗干扰能力和频谱效率。

带通传输：

QAM

十六种组合，相当于从0000到1111，一个码元对应4bit

信号编码方式（基带传输）

信道极限容量

1. 奈氏准则（无噪声）：码元最高速率=2W(W为信道带宽，单位Hz)

限制码元在信道传输速率的两个因素：带宽（信道能通过的频率范围）与信噪比

码元速率超过此值会导致码间串扰。

2. 香农公式（有噪声）：C=Wlog2(1+S/N)(单位：bit/s)

• 信噪比（dB）：10log10(S/N)
• 提高速率方法：增大带宽或信噪比，或让每个码元携带更多比特（如QAM调制）

考研真题解析

1. 2012年题

题目：不属于物理层接口规范定义范畴的是？

选项：A.接口形状 B.引脚功能 C.物理地址 D.信号电平

答案：C（物理地址属于数据链路层）。

2. 2011年题

题目：数据传输速率2400b/s，采用4相位调制，波特率是多少？

解析：每码元携带2比特（4相位对应2²），波特率=2400/2=1200 Baud。

答案：B. 1200 Baud。

3. 2016年题

题目：带宽8kHz，信噪比30dB，实际速率为理论最大值的50%，求实际速率。

解析：

• S/N=1030/10=1000
• 理论最大速率 C=8000×log2(1+1000)≈8000×9.97≈80kb/s
• 实际速率 80×50%=40kb/s。

答案：C. 40kb/s。

2.3 传输媒体

物理层依赖的载体

导引型传输媒体

1. 双绞线：有屏蔽UTP 无屏蔽STP
2. 同轴电缆
3. 光纤：带宽宽，速率慢（相比上面两个）

非导引型传输媒体

• 无线传输：无线电波、微波、红外线等。

2.4 信道复用技术

实现在有限的通信资源（如频带、时间或空间）上实现多个用户或多个信号的同时传输

复用类型

1. 频分复用（FDM）：不同用户占用不同频带（如广播电视）。
2. 时分复用（TDM）：用户轮流使用时隙（如传统电话网络）。
3. 统计时分复用（STDM）：动态分配时隙，提高利用率。
4. 波分复用（WDM）：光的频分复用（如光纤通信）。
5. 码分复用（CDM）：

• 码片序列正交性：S·T=0，S·S=1，S·S‾=−1。
• 例题：
  解析：C的码片序列为(1,1,-1,-1)，与接收序列内积计算得101。
  答案：B. 101。

2.5 数字传输系统

直接依赖于物理层的功能来实现数据的可靠传输。

PCM体制

• E1标准：2.048 Mb/s（欧洲/中国），T1标准：1.544 Mb/s（北美）。

2.6 宽带接入技术

将高速数据服务（如互联网接入）提供给用户的最后一公里（或最后几百米）的技术。

ADSL

• 特点：非对称带宽（下行>上行），使用DMT调制划分子信道。
• 频谱划分：
• 0~4 kHz：传统电话。
• 4 kHz~1.1 MHz：上行25子信道，下行249子信道。

光纤接入（FTTx）

• 类型：FTTH（光纤到户）、FTTB（光纤到大楼）、FTTC（光纤到路边）。

HFC网

• 结构：光纤+同轴电缆混合，支持双向传输。
• 频带划分：
• 上行：5~65 MHz。
• 下行：87~1000 MHz。

附录1：考研真题答案速查

• 2014年题：不影响信道速率的因素是信号传播速率（答案D）。
• 2021年题：差分曼彻斯特编码特点（答案B）。
• 编码对比题：编码1为NRZ，编码2为曼彻斯特（答案A）。

附录2：期末考点

• 2.2通信基础知识考察小题
• 码分复用考大题