物理层

物理层的核心是解决：信号是如何在物理介质中传递的。

## 概述

物理层（Physical Layer）是**OSI/RM 七层网络模型的最底层**，也是整个网络体系的基础，负责处理计算机与网络设备之间的**硬件级信号传输**，不涉及数据的逻辑意义，仅关注 “信号如何在物理介质上传递”。

### 核心功能

**建立 / 拆除物理连接**：控制网络设备（如网卡、交换机、路由器）与传输介质（如网线、光纤）之间的物理链路通断。

**信号转换**：将上层（数据链路层）传递的 “数字比特流”（0/1），转换为适合物理介质传输的 “模拟信号”（如电话线中的电流）或 “数字信号”（如网线中的电脉冲），接收端则反向转换。

**时序与同步控制**：定义信号的传输速率（如 100Mbps、1Gbps）、比特同步方式（确保收发双方对 “1 个比特的时长” 达成一致），避免信号错位。

**定义物理特性**：规定传输介质的类型（如双绞线、光纤）、接口标准（如 RJ45、LC 光口）、信号电平（如高电平代表 1、低电平代表 0）等硬件参数。

### 关键要素

| 要素类型     | 具体内容示例                                                 |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ |
| **传输介质** | - 有线：双绞线（如 CAT5e/CAT6）、同轴电缆、光纤（单模 / 多模） <br />- 无线：无线电波（Wi-Fi）、微波、红外线 |
| **接口标准** | RJ45（网线接口）、USB（通用串行总线）、RS-232（串口）、LC/SC（光模块接口） |
| **信号类型** | - 数字信号：离散的电脉冲（如网线传输） - 模拟信号：连续的波形（如早期电话线传输） |
| **传输模式** | 单工（如广播）、半双工（如对讲机，同一时间只能收发其一）、全双工（如网线，同时收发） |

## 传输媒体

传输媒体是计算机网络设备之间的物理通道，也称为传输介质或者传输媒介。

传输媒体并不包含在计算机网络体系中，常见的传输媒体可以被分为**导向型传输媒体（固体媒体）**和**非导向型传输媒体**。

导向型传输媒体又可分为：

- 同轴电缆；
- 双绞线；
- 光纤。

非导向型传输媒体可以分为：

- 无线电波；
- 微波；
- 红外线；
- 大气激光；
- 可见光。

## 导向型传输媒体

### 同轴电缆

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同轴电缆可以分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。

基带同轴电缆（50Ω）主要用于数字传输，在早期局域网中广泛使用。

宽带同轴电缆（75Ω）主要用于模拟传输，目前主要用于有线电视的入户线。

### 双绞线

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绞合的作用是减少相邻导线间的电磁干扰和抵御部分来自外界的电磁干扰。

双绞线的类别与特点：

| **双绞线类别** | **带 宽** | **线缆特点**              | **典型应用**                |
| -------------- | --------- | ------------------------- | --------------------------- |
| 3              | 16MHz     | 2对4芯双绞线              | 传统以太网10Mb/s；模拟电话  |
| 4              | 20MHz     | 4对8芯双绞线              | 曾用于令牌局域网            |
| 5              | 100MHz    | 与4类相比增加了绞合度     | 传输速率不超过100Mb/s的应用 |
| 5E（超5类）    | 125MHz    | 与5类相比衰减更小         | 传输速率不超过1Gb/s的应用   |
| 6              | 250MHz    | 与5类相比改善了串扰等性能 | 传输速率高于1Gb/s的应用     |
| 7              | 600MHz    | 使用屏蔽双绞线            | 传输速率高于10Gb/s的应用    |

### 光纤

光纤通信利用光脉冲在光纤中的传递来进行通信。

由于可见光的频率非常高（约为108MHz量级），因此一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

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优点：

- 通信容量大；
- 抗雷电和电磁干扰性能好；
- 传输损耗小，中继距离长；
- 无串音干扰，保密性好；
- 体积小，重量轻。

缺点：

- 切割光纤需要较贵的专用设备；
- 光电接口比较昂贵。

## 非导向型传输媒体

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### 无线电波

**核心定义**：无线电波是电磁波的一种，指频率在 3kHz~300GHz 之间、可通过空间或介质传播的交变电磁场，是无线通信的核心载体。

**频率范围**：3kHz（超低频）~300GHz（极高频），对应波长约 100km~1mm（波长与频率成反比）。

**传播特性**：无需介质，可在真空、空气、水等环境中传播，传播速度接近光速（约 3×10⁸m/s）。

**能量特点**：频率越低，能量越弱、绕射能力越强（如中波可绕开障碍物）；频率越高，能量越强、方向性越准（如微波）。

主要通过三种途径传播：

1. **地波传播**：沿地面或近地面传播，适合中波、长波（如 AM 调幅广播），受地形影响小，传播距离可达数百公里。
2. **天波传播**：依靠高空电离层反射传播，适合短波（如国际短波广播），可实现跨洲际通信，但受电离层昼夜变化影响大。
3. **空间波传播**：直线传播（含地面直射波和空中反射波），适合超短波、微波（如手机信号、卫星电视），需视线无遮挡，常通过基站、卫星中继延伸距离。

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> 应用领域

**通信领域**：手机移动通信（4G/5G）、卫星通信、无线电广播（AM/FM）、对讲机。

**导航与定位**：GPS、北斗等卫星导航系统，船舶 / 航空的无线电导航。

**探测与监测**：雷达（气象雷达、航空管制雷达）、遥感（卫星对地观测）。

**民用与工业**：物联网（RFID、LoRa）、微波炉（利用微波加热）、无线充电。

### 微波

**核心定义**：微波是电磁波的一个特定频段，指频率在 300MHz~300GHz、对应波长 1m~1mm 的电磁辐射，兼具高频电磁波的定向性与能量集中特性。

**频率与波长**：频率范围 300MHz（特高频 UHF）~300GHz（极高频 EHF），波长随频率升高从 1 米缩短至 1 毫米（波长 = 光速 / 频率，光速≈3×10⁸m/s）。

**传播特点**：以**直线传播**为主，绕射能力弱（易被建筑物、山体阻挡），需依赖视线传播或中继（如基站、卫星）；可穿透玻璃、塑料、陶瓷等非金属材料，但会被金属反射。

**能量特性**：能量集中且易被水分子、脂肪分子吸收，会使分子高频振动产生热量；频率越高，方向性越强、信息承载量越大（如 5G 毫米波）。

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> 主要应用领域

通信领域：

- 移动通信（5G 的毫米波频段、4G 的部分高频段）；
- 卫星通信（地面站与卫星间的信号传输）；
- 短距离无线通信（Wi-Fi 6/7、蓝牙、微波中继链路）。

加热与家用：

- 微波炉（利用微波激发食物中水分子振动，通过摩擦生热实现快速加热）；
- 工业微波加热（食品烘干、材料固化等）。

探测与遥感：

- 雷达系统（气象雷达、航空管制雷达、汽车毫米波雷达，通过发射 / 接收微波反射信号探测目标）；
- 卫星遥感（微波遥感可穿透云层、昼夜工作，用于监测地形、海洋温度）。

**其他领域**：工业无损检测（利用微波穿透性检测材料内部缺陷）、医疗理疗（特定频段微波用于局部加热治疗）。

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### 红外线

**核心定义**：红外线是电磁波的一个频段，指频率在 300GHz~430THz（或波长 0.76μm~1mm）之间、位于可见光红光外侧的不可见电磁辐射，其最显著特征是**热效应**—— 物体吸收红外线后会转化为热能。

**频率与波长范围**：
频率介于微波（300GHz）与可见光（430THz）之间，对应波长 0.76 微米（μm，近红外）至 1 毫米（mm，远红外），可进一步细分：

- 近红外（0.76~2.5μm）：靠近可见光，部分特性与可见光接近；
- 中红外（2.5~25μm）：热效应最显著，常用于加热与测温；
- 远红外（25~1000μm）：波长接近微波，穿透性较弱，易被物体吸收。

**能量特点**：频率低于可见光，能量较低，无法引起视觉反应，但能高效被分子吸收并转化为热能（如太阳照射下物体发热，部分来自红外线）。

**关键特性**：

- 不可见性：人眼无法直接观测，需通过红外探测器（如热像仪）转化为可见图像；
- 穿透性差异：能穿透薄雾、烟尘，但易被水、玻璃、金属等固体阻挡或反射。

> 传播途径

属于电磁波，传播速度接近光速（约 3×10⁸m/s），无需介质，可在真空、空气等环境中传播；

以直线传播为主，绕射能力弱，易被物体遮挡；

传播过程中易被大气中的水汽、二氧化碳、臭氧吸收（特定频段被称为 “红外窗口”，可用于遥感与通信）；

几乎所有温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体都会辐射红外线，温度越高，辐射强度越大、波长越短（如人体辐射的红外线波长约 10μm）。

> 应用领域

**加热与温控**：

- 家用：红外取暖器、浴霸（利用中红外热效应供暖）、微波炉（部分型号含红外辅助加热）；
- 工业：红外烘干（食品、涂层固化）、塑料焊接（利用红外线加热熔接）。

**遥感与探测**：

- 测温：红外测温仪（非接触测量人体、设备温度，如额温枪）、工业温控传感器；
- 成像：热成像仪（夜间安防、电力巡检排查故障、医疗诊断观测体温分布）；
- 卫星遥感：红外遥感卫星（穿透云层，监测海洋温度、森林火灾、地质灾害）。

**通信与控制**：

- 短距离遥控：电视、空调的红外遥控器（发射特定频率红外信号，传输控制指令）；
- 数据传输：红外通信（早期手机、笔记本的红外接口，用于文件传输，现已被蓝牙 / Wi-Fi 替代）。

**医疗领域**：

- 红外理疗仪（利用特定频段红外线促进局部血液循环，缓解肌肉疼痛）；
- 红外诊断（热像仪辅助检测炎症、肿瘤等，基于病变组织与正常组织的温度差异）。

### 激光与可见光

**核心关系**：可见光属于电磁波中能被人眼感知的频段，而激光是一种特殊的光（可涵盖可见光、红外、紫外等频段，日常常见为可见光激光），其本质是 “受激辐射” 产生的高强度、高定向性光束，二者是 “包含与特殊类型” 的关系。

| 维度         | 可见光（以自然光 / 普通人造光为例）                          | 激光（以可见光激光为例）                                     |
| ------------ | ------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------ |
| **核心定义** | 电磁波中波长 400~760nm 的频段，能被人眼感知，呈现红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等颜色 | 基于 “受激辐射” 原理产生的光，可涵盖可见光（如 650nm 红色激光）、红外、紫外等频段，具有极强的定向性与单色性 |
| **产生方式** | 自发辐射（如太阳、白炽灯中原子随机跃迁发光）                 | 受激辐射（在外界激励下，原子 / 分子定向跃迁，释放频率、相位一致的光子） |
| **单色性**   | 差（多波长混合，如白光含所有可见光波长）                     | 极好（仅单一或极窄波长，如红色激光笔仅 650nm 波长）          |
| **方向性**   | 差（发散角度大，如灯泡光向四周扩散）                         | 极强（发散角度极小，接近平行光，千米外光斑仍很小）           |
| **相干性**   | 差（光子相位、振动方向杂乱）                                 | 极好（所有光子相位、振动方向一致，可产生稳定干涉条纹）       |
| **能量分布** | 分散（能量均匀分布在较大空间）                               | 集中（能量聚焦于窄光束，可在极小区域形成高功率密度）         |

## 传输方式

### 串行与并行传输

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### 同步传输

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### 异步传输

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### 单工、半双工、双工通信

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## 编码

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码元：在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。

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## 信道失真

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## 信道复用

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常见的信道复用技术：

- 频分复用FDM；
- 时分复用TDM；
- 波分复用WDM；
- 码分复用CDM。

### 频分复用FDM

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频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源并行通信。

### 时分复用TDM

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时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带。

### 波分复用WDM

根据频分复用的设计思想，可在一根光纤上同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术。

目前可以在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号。因此，这种复用技术也称为密集波分复用DWDM。

铺设光缆的工程耗资巨大，应尽量在一根光缆中放入尽可能多的光纤，然后对每一根光纤使用密集波分复用技术。

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### 码分复用CDM

码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）常称为码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术。

与FDM和TDM不同，CDMA的每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信。

CDMA最初用于军事通信，这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛用于民用的移动通信中。

CDMA将每个比特时间划分为m个更短的时间片，称为码片（Chip）。m的取值通常为64或128。为了简单起见，在后续的举例中，我们假设m的取值为8。

CDMA中的每个站点都被指派一个唯一的m比特码片序列（Chip Sequence）。

- 某个站要发送比特1，则发送它自己的m比特码片序列；
- 某个站要发送比特0，则发送它自己的m比特码片序列的反码。

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