物理层基本概念及数据通信系统解析

一、物理层的核心定位🥝

物理层是计算机网络体系结构的最底层，其核心任务是在物理媒介上实现比特流的透明传输。

通俗来讲，物理层不关心数据的具体内容，只专注于如何将0/1序列可靠地从发送端传送到接收端。

 “透明传输比特流”意味着数据链路层“看不见”也无须看见物理层传输比特流的方法，只需“享受”其提供的传输服务。同时，物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体和通信手段的差异，让数据链路层无需考虑网络具体使用的传输媒体和通信手段，只需专注于实现本层的协议和服务。

二、物理层的功能🧾

1. 在物理媒介上实现比特流的透明传输。
2. 屏蔽差异，统一接口。
3. 将并行数据转换为串行比特流。

物理层通过标准化接口实现设备互联，其特性可类比为“插头标准化协议”，并通过四个特性规范接口标准，确保设备间兼容：

• 机械特性：规定接口的物理形状和尺寸。
• 电气特性：定义电压/电流的范围和信号电平。
• 功能特性：解释电压变化代表的含义，即特定电平代表的数字含义。
• 过程特性：规定操作时序和事件顺序，也就是设备间通信的步骤规范。

三、数据通信系统的模型🐦‍🔥

数据通信系统主要由源系统、传输系统和目的系统构成。

（一）源系统

源系统负责将用户需要传输的信息转换为可在通信网络中传输的信号，通常包括两个核心组件：

• 源点：用来生成需要传输的原始数据，也称为源站或信源。例如，用Word编辑文档时，键盘输入的汉字被计算机转换为二进制比特流（如“你好”对应01001110 01101011）。
• 发送器：用来将数字比特流转换为适合传输的信号形式（即将数字信号转换为模拟信号）。比较典型的设备是调制器，就像以前电话线传输需将0/1转换为音频信号，早期计算机内置的调制解调器会将数据调制成电话线可传输的模拟信号。

（二）传输系统

传输系统是连接源系统和目的系统的通道，负责信号的传递。它既可以是简单的物理线路，如两台计算机通过电话线直接连接；也可以是复杂的网络系统，如数据通过互联网传输，经过多个路由器和交换机的接力。

常见的传输介质有电话线、光纤、无线信道等，常见的信号类型有模拟信号（如电话语音）或数字信号（如以太网）。

（三）目的系统

目的系统接收传输系统传来的信号，并将其还原为原始数据（即将模拟信号还原为数字信号），通常包括两个组件：

• 接收器：将接收到的信号转换回数字比特流，典型设备是解调器。例如，接收端的调制解调器将电话线上的音频信号解码为计算机可识别的0/1序列。
• 终点：处理还原后的数字比特流并输出信息，也称为 目的站 或 信宿。比如在Word的例子中，接收端计算机将比特流解析为汉字“你好”，并在屏幕上显示。

数据通信系统模型适用于所有通信场景，无论是传统电话网、互联网，还是现代5G网络。在计算机网络中，可能省略某些细节（如调制解调器），但核心要素（发送端、传输网络、接收端）始终存在。

四、数据通信中的基本术语🧾

• 消息：是通信的最终目标，是需要传递的信息内容，是信息载体，如语音、文字、图像、视频等。
• 数据：是消息的载体，是消息的可操作形式。根据RFC 4949，数据是“有意义的符号序列”，可以被计算机或其他设备处理，简单说就是消息的数字化表现形式。比如文字“你好”被编码为ASCII比特流（如01001000 01001001 ）。
• 信号：是数据的电气或电磁表现形式，是数据在物理媒介中的传输方式。比如网线中的电压变化（如以太网信号）、光纤中的光脉冲（如10Gbps光模块）。

五、信号的两大类型🥝

根据信号中代表消息的参数是否连续，信号可分为模拟信号和数字信号：

• 模拟信号：参数的取值是连续变化的，在时间轴上有无限多的值，波形平滑，无跳跃，但易受噪声干扰（如电话线中的电流波动）。传统电话线上传输的语音信号（电压随声音强弱连续变化）、广播电台的AM/FM信号（电磁波频率连续调制）都属于模拟信号。
• 数字信号：参数的取值是离散的，在时间轴上只有有限个值，波形由阶跃变化组成（如方波），抗干扰能力强，适合长距离传输（如光纤通信）。计算机内部的二进制数据（0/1电平）、以太网传输的比特流（高电平=1，低电平=0）都属于数字信号。

六、码元🤔

 码元 是数字信号中代表离散数值的基本波形。在二进制编码中，一个码元只能表示两种状态（如0或1）；在四进制编码中，一个码元可表示四个状态（如00、01、10、11），从而提高传输效率。

简单说，码元就是信号的编码单元：

• 对于模拟信号，载波参数（振幅、频率、初相位）的变化就是一个码元。
• 对于数字信号，一个数字脉冲就是一个码元。

 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（可称k进制码元），该时长称为码元宽度（也称信号周期）。1码元可携带若干比特的信息量，k进制码元带logk个比特的信息量。例如，在一个信号周期内可能出现2个信号，每个信号对应一个二进制数（1bit）；若一个信号周期内可能出现4个信号，则每个信号对应一个四进制数（2bit）。

七、速率🥝

速率 指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量，常有两种描述形式：

1. 码元传输速率：又称波特率或调制速率，表示数字通信系统每秒传输的码元数，单位是 波特（Baud）。码元既可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制无关。
2. 信息传输速率：又称比特率，表示数字通信系统每秒传输的比特数，单位是 比特/秒（b/s）。

需要注意的是，波特和比特是两个不同的概念，但波特率与比特率在数量上有一定关系。若一个码元携带n比特的信息量，则波特率M Baud对应的比特率为M*n b/s。这就如同对于同一种物理量，在不同单位尺度下的描述，比如重量可以用千克和斤来表示。

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