第 7 章 · 物理层

物理层把比特变成信号搬上介质：怎么表示 0/1、用什么介质、能传多快；其上限（带宽、信噪比）决定上层性能天花板。

7.1 数据编码：怎么表示 0 和 1

比特必须编码成物理信号（电平、光脉冲、电磁波），核心矛盾是同步——接收方怎么知道比特边界。

编码	规则	特点
不归零（NRZ）	高电平=1，低电平=0	简单，但连续 0/1 无法同步
曼彻斯特	每比特中间跳变：高→低=1，低→高=0	自带时钟同步，但带宽翻倍
差分曼彻斯特	看比特边界处是否有跳变表示 0/1	抗极性反转，时钟自同步
4B/5B	4 比特数据映射为 5 比特码	保证足够跳变，开销 25%

• 曼彻斯特：用跳变携带时钟，接收方从中恢复时钟，避免连续相同比特失步。
• 差分曼彻斯特：看「是否有跳变」而非电平高低，两根线接反（极性反转）也能解码。

对比：基带传输直接把数字信号送上介质、占满全部带宽（以太网、光纤）；频带传输先调制到高频载波再送（Wi-Fi、广播、ADSL），能传远但要调制/解调（modem）。

7.2 传输介质

介质	载体	特点	典型距离/速率
双绞线（UTP）	电信号	便宜、易布设，易受电磁干扰	100 m，最高 10 Gbps
同轴电缆	电信号	屏蔽好、抗干扰，早期局域网/有线电视	更长距离
光纤	光信号	带宽极大、抗电磁干扰、损耗极小	数十公里，Tbps 级
无线（电磁波）	电磁波	无需布线、移动方便，但易受干扰/衰减	视频段与功率

对比：双绞线胜成本易用（局域网主流），光纤胜带宽距离（骨干网主流），无线胜移动性（带宽/可靠性/安全性较差）。越远越快越倾向光纤，移动性优先只能无线。

7.3 带宽与两大定理

「带宽」两层含义：信号带宽（频带宽度，Hz）和数据率（每秒比特数，bps）。

奈奎斯特（Nyquist）定理——无噪声理想信道：

$C = 2B \log_2 V$

$B$ 是带宽（Hz），$V$ 是信号离散电平数。给出符号速率上限（每赫兹最多 2 个符号）。

香农（Shannon）定理——有噪声信道：

$C = B \log_2(1 + \text{SNR})$

SNR 是信噪比（$\text{SNR}_{\text{dB}} = 10\log_{10}\text{SNR}$）。给出噪声下的数据率上限。

对比：奈奎斯特管「无噪声时符号能多快」，是硬上限；香农管「有噪声时数据率多高」，更现实。实际速率受二者共同限制，无法突破香农极限。