第二章物理层

2.1 通信基础与信道极限（⭐⭐⭐）

一、基本概念

术语	定义
信道	信号传输的通路（单工/半双工/全双工）
信源/信宿	产生信号的一端 / 接收信号的一端
码元	一个固定时长的信号波形，是数字通信的最小单位
波特率（码元速率）	单位时间传输码元个数（Baud）
比特率（数据速率）	单位时间传输比特数（b/s）
基带传输	直接传数字信号（近距离，如以太网）
宽带传输	调制后传模拟信号（远距离，如ADSL）

二、物理层接口四特性（考纲要求）

特性	含义
机械特性	接口形状、引脚数目、引线排列
电气特性	电压范围、传输速率、距离限制
功能特性	各引脚/信号线的功能定义
过程特性	各信号线在通信过程中的时序关系

二、奈奎斯特定理与香农定理（必考）

奈奎斯特（无噪声）： $R_{max}=2W\log_2V$

香农（有噪声）： $C=W\log_2(1+\frac{S}{N})$

分贝换算： $SNR_{dB}=10\log_{10}(\frac{S}{N})$

⚠️ 陷阱1：30 dB 对应的是 $\frac{S}{N}=1000$ ，不是 30。

⚠️ 陷阱2（必考）：实际信道容量 = $\min(\text{奈奎斯特极限}, \text{香农极限})$ 。两个公式算出的值取较小者，这才是真正的"天花板"。

📝 真题典型：给定带宽 $W$ 、电平数 $V$ 、信噪比 $SNR_{dB}$ ，分别用两个公式算出结果，取 MIN。

三、QAM（正交幅度调制）

组合调幅与调相，若相位数为 $p$ 、每种相位下振幅数为 $a$ ，总信号点数： $M=a\times p \quad(\text{或常用 }M\text{-QAM 表示})$

每码元携带 $\log_2 M$ 比特。常见：16-QAM（4比特/码元）、64-QAM（6比特/码元）。

四、码元与比特换算

若每码元携带 $n$ 比特，码元速率为 $M$ Baud，则： $R_b = M\times n$

若有 $K$ 个离散电平，则每码元携带： $n=\log_2K$

2.2 编码与调制

一、常见编码

编码	特征	场景
NRZ	不归零，高效但同步性弱	基础编码
NRZI	跳变/不跳变表示比特	USB等
曼彻斯特	中间跳变承载时钟与数据	经典以太网
差分曼彻斯特	中间跳变仅时钟，起始跳变区分比特	抗干扰更好

二、调制方式

调制	缩写	改变量
调幅	ASK	幅度
调频	FSK	频率
调相	PSK/DPSK	相位
正交幅度调制	QAM	幅度+相位

2.3 传输介质与物理层设备

介质	类别	特点
双绞线（UTP/STP）	导向型	最常用，Cat5e支持千兆，价格低
同轴电缆	导向型	抗干扰强，有线电视常用
光纤（单模/多模）	导向型	带宽高、衰减小、抗电磁干扰
无线电波/微波/红外	非导向型	无线LAN/卫星通信

设备	功能	层次
中继器	信号放大/整形，延伸传输距离	物理层
集线器（Hub）	多端口中继器，广播式转发	物理层

2.4 数据报与虚电路（⭐ 考纲明确要求）

对比维度	数据报	虚电路
建立连接	不需要	需要（虚呼叫）
地址开销	每个分组携带完整目的地址	仅建立阶段需全地址，后续用虚电路号
路由选择	每个分组独立选路	建立时确定路径，后续不再选路
分组顺序	可能乱序到达	保证有序
可靠性	网络不保证，端系统负责	网络可保证
拥塞控制	困难（无固定路径）	可实现
故障影响	某节点故障仅影响经过该节点的分组	经过故障节点的所有虚电路中断
典型代表	IP（互联网）	ATM、X.25、MPLS

📌 第二章总结

公式二元组：奈奎斯特（无噪）+ 香农（有噪），取 MIN
波特率与比特率的换算必须熟练
曼彻斯特、FSK、QAM是高频客观题点
数据报 vs 虚电路的 8 维对比必须熟记
物理层接口四特性：机械/电气/功能/过程
关联陷阱编号：#1 #11

🎯 第二章 Top-Down 案例模板（链路能跑多快）

步骤	提问模板	本章落点
场景	信道是有噪还是无噪？	香农/奈奎斯特选择
参数	已知哪些量： $W$ 、 $S/N$ 、 $V$ 、Baud	统一变量定义
计算	两个上限谁更小？	取 MIN 原则
判分	单位是否一致（bit/s, Baud）	防止量纲错误

🎯 本章真题锚点

2023：QAM阶数反推
2024：FSK机制判断
2025：编码/差错能力混合题

第二章 物理层