一、物理层的基本概念（2.1）
2.1.1 核心定义与任务（🔴 重点）
● 定义：物理层位于OSI模型最底层，负责在传输媒体上传输原始比特流，屏蔽不同传输媒体的差异，为数据链路层提供统一接口。
● 核心任务：确定与传输媒体接口的四大特性（必记）：
a. 机械特性：接口硬件的物理规范（如RJ45插头形状、引脚数、排列方式）；
b. 电气特性：接口电缆上的电压范围（如TTL电平：00.8V为0，25V为1；RS-232：±15V表示0/1）；
c. 功能特性：电压/电流的含义（如某引脚高电平表示“数据发送”）；
d. 过程特性：事件的先后顺序（如发送数据前先建立连接，发送后释放连接）。
🔵 易错点提醒：物理层≠传输媒体
● 物理层是“协议/规程”（软件逻辑），传输媒体是“物理通路”（硬件介质，如双绞线、光纤），物理层的作用是屏蔽传输媒体的差异，而非直接控制媒体。

二、数据通信的基础知识（2.2）
2.2.1 数据通信系统模型（🔴 重点）
● 三大部分：源系统（发送端）→ 传输系统（传输网络）→ 目的系统（接收端）；
● 关键组件：
○ 源点：产生原始数据（如计算机输入汉字）；
○ 发送器：将数据转换为信号（如调制解调器将数字信号转为模拟信号）；
○ 接收器：将信号还原为数据（如调制解调器将模拟信号转为数字信号）；
○ 终点：接收并处理数据（如计算机显示汉字）。
2.2.2 核心术语（🔴 重点）
术语 定义 举例
消息（message） 需传输的有效内容（如语音、文字、视频） 一封邮件、一段语音
数据（data） 消息的数字化表示（有意义的符号序列） 二进制比特流10100110
信号（signal） 数据的电气/电磁表现形式 电压变化、光脉冲
码元（symbol） 数字信号的基本波形（离散数值的载体） 二进制码元（0/1对应的波形）
● 信号分类：
○ 模拟信号：参数取值连续（如正弦波、传统电话信号）；
○ 数字信号：参数取值离散（如方波、计算机发送的比特流）。
2.2.3 信道相关概念（🔴 重点 + 🟡 难点）
（1）信道分类（按通信方向）
类型 定义 例子
单工通信 只能单向传输（无反向交互） 广播、电视信号传输
半双工通信 双向传输，但不能同时发送/接收 对讲机、传统对讲机
全双工通信 双向同时传输 电话、以太网通信
（2）基带信号与调制
● 基带信号：来自信源的原始信号（含低频/直流成分，如二进制比特流）；
● 调制分类：
a. 基带调制（编码）：将数字信号转为另一种数字信号（如曼彻斯特编码）；
b. 带通调制：用载波将基带信号搬移到高频段（如调幅、调频、调相），适配远距离传输。
（3）常用编码方式（🔴 重点 + 🔵 易错点）
编码方式 规则 优点 缺点 应用场景
不归零制（NRZ） 正电平=1，负电平=0（或反之） 简单，速率低 无自同步能力（需额外时钟） 早期串口通信
归零制（RZ） 正脉冲=1，负脉冲=0（脉冲后回归零电平） 有自同步能力 带宽利用率低 早期数字通信
曼彻斯特编码 位周期中心跳变：上跳=0，下跳=1（或反之） 自同步能力强，抗干扰 带宽利用率低（速率=2倍基带） 以太网（10Mbit/s）
差分曼彻斯特 位中心必跳变（同步），位开始跳变=0，不跳变=1 自同步能力强，抗干扰更强 实现复杂 令牌环网
🔵 易错点：曼彻斯特编码的“自同步能力”
● 不归零制无法从信号中提取时钟（需额外同步信号），而曼彻斯特编码每比特都有跳变，接收方可通过跳变同步时钟，无需额外时钟线。
（4）带通调制方法（🔴 重点）
● 核心目的：将基带信号（低频）搬移到高频段，适配无线/远距离传输；
● 三种基本调制：
a. 调幅（AM）：载波振幅随基带信号变化（0→低幅，1→高幅）；
b. 调频（FM）：载波频率随基带信号变化（0→低频，1→高频）；
c. 调相（PM）：载波相位随基带信号变化（0→0°，1→180°）；
● 进阶调制：正交振幅调制（QAM）：结合振幅和相位，提升速率（如16QAM=4bit/码元，64QAM=6bit/码元）。
2.2.4 信道的极限容量（🔴 重点 + 🟡 难点）
（1）奈氏准则（无噪声信道）
● 核心结论：在带宽为W（Hz）的低通信道中，码元传输的最高速率为 2W（码元/秒）；
● 公式：码元最大速率 = 2W（Baud）；
● 关键说明：
○ 仅限制“码元速率”，不限制“信息速率”（可通过多进制编码提升信息速率）；
○ 超过该速率会出现码间串扰（相邻码元波形重叠，无法识别）。
（2）香农公式（有噪声信道）
● 核心结论：信道的极限信息传输速率由带宽和信噪比决定；
● 公式：C = W log₂(1 + S/N)（bit/s）；
○ W：信道带宽（Hz）；
○ S/N：信噪比（信号平均功率/噪声平均功率，无量纲）；
○ 信噪比（dB）= 10 log₁₀(S/N)（如S/N=1000→30dB）；
● 关键说明：
○ 香农极限是“绝对上限”，实际速率低于该值（受编码技术限制）；
○ 带宽和信噪比均可提升速率，但带宽提升成本更高，实际中常通过提高信噪比（如放大信号、降噪）优化。
🟡 难点解析：奈氏准则与香农公式的区别
对比维度 奈氏准则 香农公式
适用场景 无噪声信道 有噪声信道
限制因素 带宽（码元速率上限） 带宽+信噪比（信息速率上限）
优化方向 多进制编码（提升每码元比特数） 提高信噪比（放大信号/降噪）
（3）例子计算（必练）
● 例1：带宽3kHz无噪声信道，求码元最大速率和信息速率（二进制编码）；
解：码元速率=2×3k=6k Baud；信息速率=6k×1=6k bit/s；
● 例2：带宽3kHz信道，信噪比30dB，求极限信息速率；
解：S/N=10^(30/10)=1000；C=3k×log₂(1+1000)≈3k×10=30k bit/s。
🔵 易错点：码元速率≠信息速率
● 码元速率（Baud）：单位时间传输的码元数；
● 信息速率（bit/s）：单位时间传输的比特数；
● 关系：信息速率 = 码元速率 × 每码元比特数（如4进制码元→2bit/码元）。

三、物理层下面的传输媒体（2.3）
2.3.1 传输媒体分类（🔴 重点）
● 导引型传输媒体：电磁波沿固体媒体传播（双绞线、同轴电缆、光纤）；
● 非导引型传输媒体：电磁波在自由空间传播（无线电波、微波、红外线、可见光）。
2.3.2 导引型传输媒体（🔴 重点 + 🔵 易错点）
（1）双绞线（TP）
● 结构：两根绝缘铜导线绞合（减少电磁干扰）；
● 分类：
○ 无屏蔽双绞线（UTP）：无屏蔽层，价格低，常用（如5类、超5类）；
○ 屏蔽双绞线（STP）：带铝箔/金属编织屏蔽层，抗干扰强，需接地（如F/UTP、U/FTP）；
● 常用类别与应用：
类别 带宽 典型应用
3类 16MHz 电话、10Mbit/s以太网
5类 100MHz 100Mbit/s以太网（100BASE-T）
超5类 125MHz 1Gbit/s以太网（1000BASE-T）
6类 250MHz 10Gbit/s以太网（短距离）
● 优点：成本低、易安装；缺点：抗干扰弱、传输距离有限（100m内）。
（2）同轴电缆
● 结构：内导体（铜芯）→ 绝缘层→ 外导体（屏蔽层）→ 护套；
● 特点：抗干扰强（外导体屏蔽），带宽比双绞线高；
● 应用：早期有线电视（CATV）、基站回传（现已逐步被光纤替代）。
（3）光纤
● 结构：纤芯（高折射率石英玻璃）→ 包层（低折射率）→ 护套；
● 传输原理：光的全反射（光线从纤芯射向包层，入射角≥临界角时全反射，沿纤芯传输）；
● 分类与对比（🔵 易错点）：
类型 特点 优点 缺点 应用场景
多模光纤（MMF） 纤芯粗（50/62.5μm），多束光线传输 成本低（光源为LED） 色散大（信号展宽），传输距离短（≤2km） 局域网骨干、短距离传输
单模光纤（SMF） 纤芯细（9μm），单束光线传输 色散小，传输距离长（≤100km） 成本高（光源为半导体激光器） 广域网骨干、长距离传输
● 优点：带宽极大（2500030000GHz）、抗干扰强（无电磁干扰）、保密性好、传输损耗小；
● 常用波段：850nm（多模）、1300nm、1550nm（单模，损耗最小）。
2.3.3 非导引型传输媒体（🔴 重点）
（1）无线电波
● 频段：3kHz300GHz，可绕射（穿透障碍物）；
● 应用：广播、电视、移动通信（2G/3G/4G/5G）。
（2）微波
● 频段：300MHz~300GHz，直线传播（视距LOS）；
● 应用：微波接力通信（中继站）、卫星通信（同步卫星/低轨卫星如星链）；
● 问题：多径效应（信号经障碍物反射后多路径到达接收端，导致失真）。
（3）红外线/可见光
● 特点：定向传输，抗干扰强，无需频谱授权；
● 应用：红外遥控、室内可见光通信（Li-Fi）。
🔵 易错点：ISM频段
● 无需授权即可使用的频段（2.4GHz、5.8GHz），用于Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等无线设备。

四、信道复用技术（2.4）
2.4.1 复用的核心思想（🔴 重点）
● 多个用户共享一条物理信道，提高信道利用率（避免单用户占用信道导致空闲）；
● 关键组件：复用器（发送端合并信号）、分用器（接收端分离信号）。
2.4.2 常用复用技术（🔴 重点 + 🟡 难点）
（1）频分复用（FDM）
● 原理：将信道带宽划分为多个互不重叠的子频带，每个用户占用一个子频带；
● 特点：所有用户同时占用不同带宽，无需同步；
● 缺点：子频带间需留保护带（避免串扰），带宽利用率较低；
● 应用：传统无线电广播、有线电视（CATV）。
（2）时分复用（TDM）
● 原理：将时间划分为固定长度的TDM帧，每个用户占用固定序号的时隙；
● 特点：所有用户占用相同带宽，不同时间；
● 缺点：用户无数据时，时隙空闲（信道利用率低）；
● 应用：传统电话网（PCM系统）、TDMA移动通信（2G）。
（3）统计时分复用（STDM）
● 原理：动态分配时隙（按需分配），无数据用户不占用时隙；
● 特点：信道利用率高于TDM（解决时隙空闲问题）；
● 应用：计算机网络中的分组交换（如路由器转发分组）。
（4）波分复用（WDM）
● 原理：光的频分复用，将不同波长的光信号复用到一根光纤中；
● 分类：
○ 密集波分复用（DWDM）：波长间隔小（0.8nm），可复用数百个信道；
○ 粗波分复用（CWDM）：波长间隔大（20nm），复用信道少；
● 应用：光纤骨干网（如运营商长途传输），单根光纤速率可达Tbit/s级。
（5）码分复用（CDM/CDMA）（🟡 难点）
● 核心思想：所有用户同时占用相同带宽和时间，通过独特的码片序列区分；
● 关键特性：
a. 码片序列正交：不同用户的码片序列内积=0（如用户A：00011011，用户B：00101110，内积=0）；
b. 码片序列自相关：自身内积=码片长度，反码内积=-码片长度；
● 工作过程：
○ 发送1：发送自身码片序列；发送0：发送码片反码；
○ 接收端：将接收信号与目标用户码片序列做内积，结果>0→1，<0→0，=0→无数据；
● 优点：抗干扰强、保密性好、容量大；
● 应用：3G移动通信（CDMA2000、WCDMA）。
🟡 难点解析：CDMA内积计算示例
● 用户A码片序列（8bit）：00011011→转换为±1表示：-1-1-1+1+1-1+1+1；
● 接收信号（多个用户叠加）：-1-1+1+1-1-1+1+1；
● 内积计算：[(-1)(-1) + (-1)(-1) + (-1)(+1) + (+1)(+1) + (+1)(-1) + (-1)(-1) + (+1)(+1) + (+1)(+1)] / 8 = (1+1-1+1-1+1+1+1)/8=4/8=0.5>0→接收数据为1。
2.4.3 复用技术对比（🔴 重点）
复用技术 核心区别 带宽利用率 抗干扰性 典型应用
FDM 分带宽 低 中 广播、有线电视
TDM 分时间（固定时隙） 中 中 传统电话网、TDMA通信
STDM 分时间（动态时隙） 高 中 分组交换网
WDM 分波长（光纤） 极高 高 光纤骨干网
CDMA 分码片（同频同时） 高 高 3G移动通信
五、数字传输系统（2.5）
2.5.1 早期数字传输系统的缺点（🔴 重点）
● 速率不统一：北美T1（1.544Mbit/s）、欧洲E1（2.048Mbit/s），互不兼容；
● 准同步：各支路时钟有偏差，复用/分用复杂。
2.5.2 SONET/SDH（同步数字系列）（🔴 重点）
● 核心目的：统一全球数字传输速率标准，支持同步传输；
● 关系：SONET（北美标准）→ SDH（ITU-T国际标准，基于SONET）；
● 速率等级（必记核心速率）：
SONET等级 SDH等级 速率（Mbit/s） 应用场景
OC-1/STS-1 - 51.84 基础速率
OC-3/STS-3 STM-1 155.52 光纤接入骨干
OC-12/STS-12 STM-4 622.08 城域网骨干
OC-48/STS-48 STM-16 2488.32 广域网骨干
OC-192/STS-192 STM-64 9953.28 长途干线
● 优点：同步传输（时钟统一）、兼容性强、支持多业务（语音、数据、视频）。

六、宽带接入技术（2.6）
2.6.1 宽带定义（🔴 重点）
● FCC标准：下行≥25Mbit/s，上行≥3Mbit/s；
● 分类：有线宽带接入（ADSL、HFC、FTTx）、无线宽带接入（5G、Wi-Fi 6）。
2.6.2 有线宽带接入技术（🔴 重点 + 🔵 易错点）
（1）ADSL（非对称数字用户线）
● 核心特点：利用现有电话铜线，非对称速率（下行快、上行慢）；
● 频谱分配：0~4kHz供电话使用，4kHz以上供数据传输；
● 调制技术：离散多音调（DMT）→ 频分复用，将带宽划分为256个小信道；
● 速率：下行最大24Mbit/s，上行最大1.4Mbit/s（实际受线路质量影响）；
● 组成：用户端（ADSL调制解调器+分离器）、端局（DSLAM数字用户线接入复用器）；
● 优点：无需重新布线；缺点：速率受距离限制（≤5km）。
（2）HFC（光纤同轴混合网）
● 核心特点：基于有线电视网（CATV）改造，光纤+同轴电缆；
● 结构：头端→光纤干线→光纤结点→同轴电缆→用户；
● 调制技术：下行（FDM+QAM），上行（TDMA+QPSK）；
● 速率：下行最大1Gbit/s，上行最大100Mbit/s；
● 优点：带宽高；缺点：共享信道（用户多时速率下降）、需改造有线电视网。
（3）FTTx（光纤到…）（🔴 重点）
● 核心特点：光纤直达用户侧，带宽最大，是未来主流；
● 分类：
○ FTTH（光纤到户）：光纤直达家庭（最优，速率最高）；
○ FTTB（光纤到楼）：光纤到楼道，再通过双绞线到家庭；
○ FTTC（光纤到路边）：光纤到路边，再通过同轴电缆到家庭；
● 关键技术：无源光网络（PON）→ 光分路器将一路光纤分为多路，降低成本；
○ EPON（以太网PON）：基于以太网协议，成本低，兼容性好；
○ GPON（吉比特PON）：支持多业务，QoS更好，速率更高；
● 速率：EPON下行1Gbit/s，GPON下行2.5Gbit/s/10Gbit/s。
🔵 易错点：ADSL vs HFC vs FTTx 对比
技术 传输介质 速率 对称性 核心优点 核心缺点
ADSL 电话铜线 中（下行24M） 非对称 利用现有线路，成本低 速率受距离限制
HFC 光纤+同轴电缆 高（下行1G） 非对称 带宽高，改造成本中等 共享信道，用户多时拥塞
FTTx 光纤 极高（1G+） 对称 速率最高，抗干扰强 建设成本高，需重新布线
核心知识点总结（🔴 必记）

  1. 物理层四大特性：机械、电气、功能、过程；
  2. 奈氏准则（码元速率上限=2W）和香农公式（C=Wlog₂(1+S/N)）；
  3. 传输媒体对比：双绞线（成本低）、同轴电缆（抗干扰）、光纤（带宽大）；
  4. 复用技术：FDM（分带宽）、TDM（分时间）、WDM（分波长）、CDMA（分码片）；
  5. 数字传输系统：SONET/SDH核心速率（STM-1=155M，STM-16=2.5G）；
  6. 宽带接入：ADSL（铜线）、HFC（光纤+同轴）、FTTx（光纤，最优）。