物理層基本概念及數據通信系統解析

一、物理層的核心定位🥝

物理層是計算機網絡體系結構的最底層，其核心任務是在物理媒介上實現比特流的透明傳輸。

通俗來講，物理層不關心數據的具體內容，只專注于如何將0/1序列可靠地從發送端傳送到接收端。

?“透明傳輸比特流”意味著數據鏈路層“看不見”也無須看見物理層傳輸比特流的方法，只需“享受”其提供的傳輸服務。同時，物理層為數據鏈路層屏蔽了各種傳輸媒體和通信手段的差異，讓數據鏈路層無需考慮網絡具體使用的傳輸媒體和通信手段，只需專注于實現本層的協議和服務。

二、物理層的功能🧾

1. 在物理媒介上實現比特流的透明傳輸。
2. 屏蔽差異，統一接口。
3. 將并行數據轉換為串行比特流。

物理層通過標準化接口實現設備互聯，其特性可類比為“插頭標準化協議”，并通過四個特性規范接口標準，確保設備間兼容：

• 機械特性：規定接口的物理形狀和尺寸。
• 電氣特性：定義電壓/電流的范圍和信號電平。
• 功能特性：解釋電壓變化代表的含義，即特定電平代表的數字含義。
• 過程特性：規定操作時序和事件順序，也就是設備間通信的步驟規范。

三、數據通信系統的模型🐦?🔥

數據通信系統主要由源系統、傳輸系統和目的系統構成。

（一）源系統

源系統負責將用戶需要傳輸的信息轉換為可在通信網絡中傳輸的信號，通常包括兩個核心組件：

• 源點：用來生成需要傳輸的原始數據，也稱為源站或信源。例如，用Word編輯文檔時，鍵盤輸入的漢字被計算機轉換為二進制比特流（如“你好”對應01001110 01101011）。
• 發送器：用來將數字比特流轉換為適合傳輸的信號形式（即將數字信號轉換為模擬信號）。比較典型的設備是調制器，就像以前電話線傳輸需將0/1轉換為音頻信號，早期計算機內置的調制解調器會將數據調制成電話線可傳輸的模擬信號。

（二）傳輸系統

傳輸系統是連接源系統和目的系統的通道，負責信號的傳遞。它既可以是簡單的物理線路，如兩臺計算機通過電話線直接連接；也可以是復雜的網絡系統，如數據通過互聯網傳輸，經過多個路由器和交換機的接力。

常見的傳輸介質有電話線、光纖、無線信道等，常見的信號類型有模擬信號（如電話語音）或數字信號（如以太網）。

（三）目的系統

目的系統接收傳輸系統傳來的信號，并將其還原為原始數據（即將模擬信號還原為數字信號），通常包括兩個組件：

• 接收器：將接收到的信號轉換回數字比特流，典型設備是解調器。例如，接收端的調制解調器將電話線上的音頻信號解碼為計算機可識別的0/1序列。
• 終點：處理還原后的數字比特流并輸出信息，也稱為 目的站 或 信宿。比如在Word的例子中，接收端計算機將比特流解析為漢字“你好”，并在屏幕上顯示。

數據通信系統模型適用于所有通信場景，無論是傳統電話網、互聯網，還是現代5G網絡。在計算機網絡中，可能省略某些細節（如調制解調器），但核心要素（發送端、傳輸網絡、接收端）始終存在。

四、數據通信中的基本術語🧾

• 消息：是通信的最終目標，是需要傳遞的信息內容，是信息載體，如語音、文字、圖像、視頻等。
• 數據：是消息的載體，是消息的可操作形式。根據RFC 4949，數據是“有意義的符號序列”，可以被計算機或其他設備處理，簡單說就是消息的數字化表現形式。比如文字“你好”被編碼為ASCII比特流（如01001000 01001001 ）。
• 信號：是數據的電氣或電磁表現形式，是數據在物理媒介中的傳輸方式。比如網線中的電壓變化（如以太網信號）、光纖中的光脈沖（如10Gbps光模塊）。

五、信號的兩大類型🥝

根據信號中代表消息的參數是否連續，信號可分為模擬信號和數字信號：

• 模擬信號：參數的取值是連續變化的，在時間軸上有無限多的值，波形平滑，無跳躍，但易受噪聲干擾（如電話線中的電流波動）。傳統電話線上傳輸的語音信號（電壓隨聲音強弱連續變化）、廣播電臺的AM/FM信號（電磁波頻率連續調制）都屬于模擬信號。
• 數字信號：參數的取值是離散的，在時間軸上只有有限個值，波形由階躍變化組成（如方波），抗干擾能力強，適合長距離傳輸（如光纖通信）。計算機內部的二進制數據（0/1電平）、以太網傳輸的比特流（高電平=1，低電平=0）都屬于數字信號。

六、碼元🤔

?碼元 是數字信號中代表離散數值的基本波形。在二進制編碼中，一個碼元只能表示兩種狀態（如0或1）；在四進制編碼中，一個碼元可表示四個狀態（如00、01、10、11），從而提高傳輸效率。

簡單說，碼元就是信號的編碼單元：

• 對于模擬信號，載波參數（振幅、頻率、初相位）的變化就是一個碼元。
• 對于數字信號，一個數字脈沖就是一個碼元。

?在使用時間域的波形表示信號時，代表不同離散數值的基本波形稱為碼元（可稱k進制碼元），該時長稱為碼元寬度（也稱信號周期）。1碼元可攜帶若干比特的信息量，k進制碼元帶logk個比特的信息量。例如，在一個信號周期內可能出現2個信號，每個信號對應一個二進制數（1bit）；若一個信號周期內可能出現4個信號，則每個信號對應一個四進制數（2bit）。

七、速率🥝

速率 指數據傳輸速率，表示單位時間內傳輸的數據量，常有兩種描述形式：

1. 碼元傳輸速率：又稱波特率或調制速率，表示數字通信系統每秒傳輸的碼元數，單位是 波特（Baud）。碼元既可以是多進制的，也可以是二進制的，碼元速率與進制無關。
2. 信息傳輸速率：又稱比特率，表示數字通信系統每秒傳輸的比特數，單位是 比特/秒（b/s）。

需要注意的是，波特和比特是兩個不同的概念，但波特率與比特率在數量上有一定關系。若一個碼元攜帶n比特的信息量，則波特率M Baud對應的比特率為M*n b/s。這就如同對于同一種物理量，在不同單位尺度下的描述，比如重量可以用千克和斤來表示。

---

如果我的內容對你有幫助，請 點贊 ， 評論 ， 收藏 。創作不易，大家的支持就是我堅持下去的動力！