物理层
考点定位
- 所属大纲章节:通信基础(码元、波特、速率、奈奎斯特定理与香农定理、编码与调制、电路/报文/分组交换、数据报与虚电路);传输介质;物理层设备(中继器、集线器)
- 常见题型:选择题(编码方式辨析、波形判读、复用方式辨析、设备辨析);计算题(奈奎斯特/香农信道容量、二者结合、QAM 星座、CDM 正交码、时延——见体系结构章)
- 考查频率:高。信道容量计算(奈氏+香农结合)是 408 计网计算题的常客,编码波形辨析与 CDM 计算轮流出场
前置知识:时延、带宽两种单位(Hz 与 b/s)的区分见计算机网络体系结构;对数运算见高等数学。
一、通信基础概念
1. 信源、信宿与信道
一个通信系统模型:信源(产生数据的设备)→ 发送器(把数据编码/调制为信号)→ 信道(信号传输的通道,向某个方向传送信息的媒体)→ 接收器 → 信宿(接收数据的设备)。信号是数据的电气或电磁表示:取值连续的模拟信号 vs 取值离散的数字信号。
- 来自信源的未经调制的原始信号称基带信号(如计算机输出的数字信号)
- 把基带信号搬移到较高频段以便传输称带通信号(频带信号),这个过程是调制
2. 通信方式(按双方信息交互方向)
3. 串行与并行
- 串行传输:1 bit 一条线逐位传(远距离,如以太网、USB 差分线)
- 并行传输:n bit 用 n 条线同时传(近距离,如机箱内总线)。远距离并行因各线时延差异( skew)与成本而不可用
4. 同步与异步
- 同步传输:以数据块(帧)为单位,收发双方时钟严格同步(另设时钟线或编码自带时钟,如曼彻斯特编码),开销小速度快
- 异步传输:以字节为单位,每字节加起始位与停止位,字节之间间隔任意;开销大(每 8 bit 要 2~3 bit 额外开销),但实现简单(串口 UART)
二、码元与速率:奈奎斯特定理与香农定理(计算核心)
1. 码元、波特率与比特率
- 码元(code/symbol):用一个固定时长的信号波形表示一位数字信息,这个时长内的信号称 k 进制码元;时长称码元宽度
- 波特率(码元传输速率,):单位时间传输的码元数,单位 Baud(波特)
- 比特率(信息传输速率, 或 ):单位时间传输的比特数,单位 b/s
一个码元携带的信息量由其离散状态数(进制数) 决定:
即二进制码元 时数值上 ;四进制码元 ,每个码元携带 bit。
2. 奈奎斯特(Nyquist)定理——无噪声信道
完整陈述:在理想低通(无噪声)、带宽为 Hz 的信道中,极限码元传输速率为每秒 个码元。若每个码元离散状态数为 ,则极限(无噪)数据率为:
含义:要消除码间串扰,码元速率有上限;超过 Baud 后接收端无法分辨码元。但状态数 可以无限增大(理论上),所以无噪信道数据率无上限——这正是它不真实的地方。
3. 香农(Shannon)定理——有噪声信道
完整陈述:带宽为 Hz 的有高斯白噪声信道中,极限(无差错)信息传输速率为:
其中 为信噪比(信号平均功率 / 噪声平均功率,无量纲)。信噪比常用分贝表示:
换算速查:10 dB → 10;20 dB → 100;30 dB → 1000。
含义:信道带宽或信噪比越大,极限速率越大;且只要信息速率低于信道容量,总存在一种编码方式实现无差错传输。
4. 适用条件辨析(命题最爱)
结合题标准打法:题目同时给出(或隐含)状态数 与信噪比时,实际极限速率取两者较小值:
例 1(经典结合题,模拟题):某信道带宽 4 kHz,采用 16 个不同相位的调制(每个码元 16 种状态),信噪比 30 dB。求最大数据传输速率。
解:
- 奈氏上限: b/s
- 香农上限:30 dB , b/s
- 取较小值:32 kb/s。若只算香农(39.86 kb/s)或只算奈氏思路中不取 min,都是典型错误。
例 2(2017 年真题):若信道带宽 4 kHz,信噪比 30 dB,则该信道的最大数据率约为多少?
解:只用香农(题干未给状态数): kb/s。真题答案约 40 kb/s。
例 3(对比题,模拟题):电话信道带宽 3 kHz:无噪声、采用二进制编码时奈氏上限是多少?无噪声改用 128 进制码元呢?
解: b/s;改 128 进制后 b/s——说明无噪模型下提高进制数可以无限制"提速",这正是引入香农定理的原因(噪声限制了接收端可分辨的状态数)。
三、编码与调制
数字数据 → 数字信号称编码(基带传输用);数字数据 → 模拟信号或模拟数据 → 数字信号等变换统称更广义的调制/变换。
1. 基带编码(波形判读高频)
波形图占位(待动画化):对比序列 1 0 1 1 0 在五种编码下的波形。
(表格化描述占位,待动画化为逐码元绘制的对比波形图。)
判读技巧:看到"每码元中间必跳变"选曼彻斯特族;区分两者问"比特值由什么决定"——曼彻斯特看中间跳变方向,差分曼彻斯特看码元开始处有无跳变。曼彻斯特编码效率 50%(每比特两次信号变化,10 Mb/s 以太网需要 20 MBaud),这是"为什么高速以太网不用它"的标准答案。
2. 调制(数字数据 → 模拟信号)
基本三种(针对正弦载波 ):
- 调幅 AM(幅移键控 ASK):改振幅 ——实现简单,抗干扰差
- 调频 FM(频移键控 FSK):改频率 ——抗干扰较好,占用带宽较大
- 调相 PM(相移键控 PSK):改相位 ——抗干扰最好,判决复杂
正交幅度调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation):幅度与相位联合调制,一个码元的状态由(幅度, 相位)二维组合表示。QAM-16 即每码元 16 种组合 → 携带 bit;QAM-64 携带 6 bit。
QAM 星座计算例题(模拟题):某系统采用 QAM-64 调制,码元速率(波特率)为 2400 Baud,求数据率。
解:
反向题:要在 4 kHz 信道上用 QAM 达到 48 kb/s,至少需要多少个星座点? bit/码元?不对——注意码元速率受奈氏限制 Baud,故每码元需 bit,至少 个点(QAM-64)。
模拟数据 → 数字信号的变换(脉冲编码调制 PCM:抽样、量化、编码三步)属于数据链路/多媒体低频点,了解即可。
四、传输介质(简明)
1. 导向传输介质(有线)
2. 非导向传输介质(无线)
无线电波(全方向传播,可穿透,中低频段绕射能力强)、微波(直线(视距)传播,地面微波接力与卫星通信)、红外线与激光(直线传播、点对点、不能穿透障碍物)。卫星通信特点是覆盖广、传播时延大(同步卫星上下行单程约 270 ms 量级)。
五、信道复用技术(FDM/TDM/STDM/WDM/CDM)
复用:一条物理信道上同时传输多路信号,提高利用率。配套概念分用:接收端分离各路信号。
CDM 完整计算例题(必考套路)
规定:每个站分配一个 bit 的码片序列(chip),各站码片相互正交;发 1 就发送原码片向量,发 0 就发送反码(按位取反);不发送则静默。所有站的信号线性叠加在信道上。任两站码片 、 正交的充要条件是规格化内积为零:
接收方想知道站 发了什么,就用 的码片与叠加向量 做规格化内积:
例(模拟题,套路与 2014 年真题同型):四个站分配如下码片序列(,取自 8 阶哈达玛矩阵的行,两两正交):
- A:
- B:
- C:
- D:
实际发送情况(对解题者未知):A 发送 1、B 发送 0、C 静默、D 发送 1。信道上线性叠加得到:
接收方逐站求规格化内积(逐位相乘 → 求和 → 除以 8):
- :, → A 发送 1
- :, → B 发送 0
- :, → C 未发送
- :, → D 发送 1
结论:正为 1、负为 0、零为静默。考试中按此流程算出的结果必为 0 或 ;若算出其他值,先检查逐位乘法,多半是符号错位。
六、物理层设备
注意:集线器不能像交换机那样并行转发、不能识别 MAC 地址(那是数据链路层设备,见数据链路层章)。放大器(amplifier)放大的是模拟信号,中继器再生的是数字信号,术语有区别。
例题
例 1(无噪+有噪结合,模拟题):信道带宽 3 kHz,信噪比 20 dB,采用 4 相位 PSK 调制()。求该信道最大无差错数据率。
解: b/s; dB ,香农 b/s。取 min:12 kb/s。
例 2(曼彻斯特编码效率,模拟题):10 Mb/s 传统以太网使用曼彻斯特编码,线路上的码元速率(波特率)是多少?
解:曼彻斯特每比特中央一次跳变、码元以半个比特为界,波特率为数据率两倍:20 MBaud。反向问"某链路波特率 20 MBaud、曼彻斯特编码,数据率 10 Mb/s"同理。
例 3(STDM 概念,模拟题):四个用户经 TDM 复用线路,每 TDM 帧含 4 时隙。某时刻仅用户 2、3 有数据。TDM 与 STDM 的带宽利用情况有何不同?
解:TDM 帧结构固定,用户 1、4 的时隙空转浪费(利用率 50%);STDM(统计时分复用)按需分配,只给 2、3 交替分配时隙(帧不再等长、需带地址),同一时段可传更多有效数据。
常见坑
- dB 与倍数:30 dB 是 1000 倍不是 30 倍;香农公式里必须代入倍数值 。
- 奈氏与香农何时用哪个:题目只给信噪比 → 香农;只给(或隐含)码元状态数且说"无噪声/理想" → 奈氏;两者都给 → 各算一遍取 min。"理想信道"字样是奈氏的暗号,"噪声"是香农的暗号。
- 中是加 1,不是 ,也不是 ——dB 换算公式()与香农公式(,底为 2)是两个不同的式子。
- 波特 ≠ 比特/秒:只有二进制码元时数值相等;QAM-16 一个"波特"= 4 bit。
- NRZ 与 NRZI 区分:NRZ 看电平高低,NRZI 看有无跳变(1 跳 0 不跳);差分曼彻斯特看码元开始处跳变与否,曼彻斯特看码元中间跳变方向。
- 中继器/集线器不隔离冲突域,也不隔离广播域;"集线器能隔离冲突域""集线器按 MAC 地址转发"均为错误表述(后者是网桥/交换机,链路层设备)。
- CDM 计算结果只能是 0 或 ±1(码片严格正交时);算出其他值说明计算错或码片不正交,回头检查逐位乘法。
- 单模光纤传得远不是因为"更粗",而是因为芯径细到接近光波长、只允许一种模式传播、无模式色散。
自测(答案与简析见文末)
- 带宽 8 kHz 的理想信道上采用 256 进制码元传输,极限数据率是多少?
- 带宽 4 kHz、信噪比 10 dB 的信道,最大数据率约为多少?
- 判断:曼彻斯特编码中,比特值由每个码元开始处是否跳变决定。
- 某站码片为 ,收到叠加序列 ,该站发送了什么?
- 为什么说集线器"逻辑上仍是总线"?
自测答案
- kb/s(奈氏定理)。
- , kb/s(香农定理)。
- 错。曼彻斯特由码元中间的跳变方向决定;码元开始处跳变与否决定的是差分曼彻斯特。
- 逐位乘:,除以 4 得 → 该站发送了 0(发送的是反码)。
- 集线器收到信号后向除入端口外所有端口广播,任意时刻全网只允许一路有效信号,所有站点共享总线带宽并同处一个冲突域,与一根物理总线的行为逻辑相同。