大学计算机网络《物理层》课程讲义课件

大学计算机网络《物理层》比特流·信号·信道·复用2026课程导览01物理层概览定位与四大特性02数据通信基础模型与信道极限03编码调制技术比特变信号04传输介质分类信号的通路05多路复用技术一路承载多路06宽带接入技术从理论到落地01物理层概览比特流是网络世界的地基物理层是网络世界的地基Q

物理层在OSI模型中处于什么位置？A

物理层是最低层，任务唯一：把0和1变成电信号、光信号或无线电波，沿传输媒体送到对端。Q

物理层关心数据链路层帧里装什么吗？A

不管内容，只管送达——数据链路层打包成帧交下来，物理层不关心帧里装什么。物理层职责类比：上层负责打包贴单，物理层是快递员和马路。要解决的问题：在连接计算机的传输媒体上传输比特流。范围：不管具体物理设备，也不管媒体本身。两个易混点传输媒体不属于OSI任何一层——它只是物理层工作的场所。物理层协议常称物理层规程——记住这个别称即可。屏蔽差异，向上提供透明传输物理层只做一件事：屏蔽底层差异机械特性规定接线器形状、尺寸、引线数目与排列。电气特性指明接口各条线上出现的电压范围。功能特性说明某条线上某一电平代表什么意义。过程特性规定不同功能事件的先后出现顺序。以

RJ-45

为例：8个插针中哪几根发送、哪几根接收，由上述特性共同约定。机械与电气特性：接口长什么样两类特性共同保证：设备对接后，双方把同一段物理信号理解成同一串比特。机械特性：接口长什么样RJ-45水晶头8根插针，规定针宽、针高、插头插座尺寸与锁定方式USB接口形状本身即机械特性的体现电气特性：信号长什么样RS-232-15V到-3V

表示1，+3V到+15V

表示0网线约

-2.5V到+2.5V

的电压差表示信号功能与过程特性：线怎么用、事怎么办四大特性共同回答一个实际问题：设备接上后，双方怎样建立、维持和拆除物理链路。“接口的形状、电压、含义与流程，四问定链路—链路三阶段：建立·维持·释放四大特性共同回答一个实际问题：设备接上后，双方怎样建立、维持和拆除物理链路。—链路三阶段：建立·维持·释放功能特性规定接口每根线的具体用途。RJ-45的8根线中，TX+、TX-负责发送，RX+、RX-负责接收RS-232中一根引脚承担请求发送，另一根承担清除发送过程特性规定传输比特流时事件发生的先后顺序——先打招呼再发送最后释放02数据通信基础信道有极限，传输有上限数据通信系统模型三大部分源系统传输系统目的系统源系统源点：产生数据，如键盘输入的数字比特流发送器：典型为调制器，把数字比特流编码后再传输目的系统接收器：典型为解调器，把信号还原成可处理的信息终点：把数字比特流输出到屏幕等设备消息语音、文字、视频、音频等内容数据运送消息的实体信号数据的电磁或电气表现码元时间域波形中代表不同离散数值的基本波形三种通信交互方式通信方向与同时性的区分，同介质有线与否无必然对应。单工只发不收，单向传输，如无线电广播。半双工双方可收发，但同一时刻仅一方发送，如对讲机。全双工双方同时收发，如打电话。串行传输逐位发送，线少，适合长距离，计算机间通信多用。并行传输多路同时传多个比特，常见于计算机内部或极短距离。信道极限容量：奈氏准则信道包含一条发送信道和一条接收信道，但传输能力并非无限。码元速率有上限奈奎斯特·1924奈氏准则：理想条件下，为避免码间串扰，码元传输速率存在上限值。码元速率不能任意提高，否则前一个码元的波形会干扰后一个码元的判决。理想低通信道的约束带宽·码元速率奈氏准则针对理想低通信道，给出带宽与码元速率之间的约束关系。从理想到真实噪声·下一章真实信道还存在噪声，情况更加复杂——引出香农对噪声信道的分析。香农公式：噪声信道的极限推论一：带宽越大或信噪比越高，极限速率越高推论二：传输速率低于极限速率，就一定能找到方法实现无差错传输实际意义：实际信道速率低于香农极限，但公式划定了理论上限——这正是编码与调制技术追求性能的边界参照。极限公式：C=Wlog2(1+S/N)b/s信道带宽W（Hz）信号功率S（平均功率）噪声功率N（高斯噪声）03编码与调制比特不会自己走路编码与调制的大致分工编码数据→数字信号调制数据→模拟信号四种转换方式4种数字数据→编码→数字信号数据与信号均为数字形式的转换模拟数据→PCM编码→数字信号先采样量化再转数字数字数据→调制→模拟信号数字信息搭上模拟载波模拟数据→放大调制→模拟信号增强功率后送入信道作用与关系编码解决数字信号的表示与同步；调制让信息进入适合特定信道传播的频段。二者可连续出现，并非二选一。常见数字编码方式将

0

与

1

化为波形，数字信号的编码方式由此展开。同步与效率，不可兼得NRZ非归零效率最高高电平表1、低电平表0，编码效率最高，但无法从波形判断码元边界，需额外时钟线。RZ归零自带同步每个码元中间跳变到零电平，提供自同步，但归零占用带宽、降低效率。NRZI反向不归零电平跳变表示0、电平不变表示1，常见于USB等接口。曼彻斯特自含时钟每个码元中间发生跳变，跳变既是时钟又作数据，标准以太网采用；代价是数据率只有调制速率的一半。差分曼彻斯特抗干扰强遇0跳变、遇1不变，抗干扰性更强，常用于局域网。数字数据的三种调制与QAM“调制，让信号搬移到适合信道传播的频段。”调制，让信号搬移到适合信道传播的频段。调幅ASK振幅随信号变化，低振幅表0、有振幅表1调频FSK频率随信号变化，不同频率对应0和1调相PSK初始相位随信号变化，不同相位对应0和1QAM组合调制把振幅与相位组合起来，形成

16种码元：4个相位

×

每个相位4种振幅。例题换算波特率

1200Baud，每码元携带log₂(16)=4比特，信息传输速率=1200×4=4800b/s。从信道编码到5G的LDPC与Polar码信道编码靠加入冗余比特实现检错与纠错，如同寄易碎品时填入泡沫填充物——外箱磕碰，内容物仍大概率完好。冗余即保护——给消息多加几比特，就像给易碎品加泡沫，信道再颠簸也能还原。“编码技术始终朝着逼近信道极限的方向发展”—从Turbo到LDPC/Polar两道预处理发送前的准备交织：把突发错误分散成随机错误加扰：用伪随机序列打破长串0或15G换码LDPC与Polar各司其职LDPC码：低密度奇偶校验码，核心是稀疏校验矩阵，纠错能力强，性能非常接近香农极限，用于数据信道Polar码：用于控制信道两者共同替代4G的Turbo码，按场景各取所长。04传输介质信号需要一条路导引型介质：双绞线与同轴电缆双绞线：绞合抗干扰绞合原理两根绝缘铜线互相绞合，靠绞合抵消电磁干扰。UTP非屏蔽成本低STP屏蔽多一层金属屏蔽，抗干扰更强，但更硬、更难安装。同轴电缆：屏蔽层护体四层结构由中心导体、绝缘层、屏蔽层、外护套四层构成，抗干扰优于双绞线。细同轴单段最长

185米应用史曾用于早期以太网与有线电视，如今局域网已较少使用。适用分野双绞线成本低、安装简单，传输距离通常不超过

100米，是局域网最常见介质。同轴电缆主要应用于有线电视

HFC

网络。光纤：单模与多模的取舍多模光纤纤芯50μm或

62.5μm带宽模式多、带宽适中距离10G≤550m、1G≤2km单模光纤纤芯仅约

9μm带宽模式单一、色散更小距离10G≥10km非导引型介质与选择逻辑维度排序带宽光纤>双绞线>无线距离光纤

千米级>同轴

居中>双绞线

百米级抗干扰光纤

最强；非屏蔽双绞线与无线较弱选型不看单一速率，要看距离、干扰、成本与施工。05多路复用一条信道，多路并行频分多路复用FDM核心思路把一条链路的总带宽切成互不重叠的频段，每路信号独占一个子频带，全程占用、互不干扰。ADSL实例双绞线上同时跑三种业务频段用途0–4kHz电话语音20–50kHz上传数据150–500kHz下载数据适用与代价优势成熟简单，适合模拟信号（传统广播、有线电视）局限需留保护带宽，频谱效率偏低，且易受非线性失真干扰时分多路复用与统计时分复用TDM机制复用是在时域上的两种策略：固定分配与按需分配。TDM机制时分多路复用时间划分为等长TDM帧，每帧含多个时隙；各用户在自身时隙内占用同一信道，即不同时间共享相同频带。T1载波实例复用24路语音信号每帧

193位1.544Mbps速率同步TDM按固定时隙分配无数据时仍空占时隙统计TDM（STDM）动态分配时隙给有数据用户提高带宽利用率VS波分复用与码分复用“多路复用，本质是让同一条物理链路承载更多独立信号——波分复用用光波「分道」，码分复用用码片「分身」。”—课堂引入波波分复用WDM原理频分复用在光纤上的扩展：不同波长光信号同纤传输。DWDM支持数十路光载波，单纤容量倍增，用于光纤骨干网。码码分复用CDM原理各用户共用相同频率载波，靠唯一且相互正交的码片序列区分。发比特1发送自己的码片序列。发比特0发送码片序列的反码。接收端码片序列与叠加信号做内积，解出各用户数据。06宽带接入从理论走向千家万户宽带接入：从铜线说起ADSLADSL的频分复用：让电话线同时承载通话与上网电话线原本只传语音，ADSL用频分复用让同一根线同时承载通话与上网。现状旧方案频带只传语音，频带窄、距离远就衰减上网家庭用户要上网，但电话线原不承载数据做法新方案核心频分复用：话音走低频、数据走高频，通话与上网并行分离话音分离器用低通滤波器切断高于

4kHz

的频率ADSL正在城镇地区被逐步淘汰，但它是理解宽带接入演进的重要起点。速率与局限下行理论最高约

24Mbps，实际常在

8Mbps

以下；上行仅数百Kbps到

1Mbps传输距离有效

3到5公里，距机房越远速度越低易受影响线路老化与电磁干扰VSFTTx：光纤一路向户延伸FTTx中的

x

代表光纤延伸的终点，不同终点决定带宽与部署成本。结论：

FTTB常见于较早改造的小区；

FTTH

是当前及未来家庭宽带的主流方向。FTTH光纤到户4项光纤直达用户家中，经光猫完成光电转换主流采用

GPON/EPON

无源光网络技术带宽

100Mbps～1Gbps以上，上下行可对称传输距离

20公里以上，抗干扰能力极强FTTB光纤到楼4项光纤只到楼道交换机，末段靠网线入户部署成本略低、改造方便末段网线成瓶颈，带宽通常

100Mbps～1000Mbps上下行多不对等接入技术对比与演进路径演进主线铜线→光纤，渐进升级·ADSL