第四章 物理层

4.1 物理层的功能与作用

物理层是网络分层模型的最低层，负责定义数据在物理媒介上的传输方式。其主要功能包括：

• 比特流传输：将数据以比特流形式在设备间传输。
• 物理接口定义：明确传输媒介的特性，例如电压、电流、连接器类型。
• 数据编码与调制：将比特转换为适合传输的物理信号。
• 同步：确保发送方和接收方的比特流步调一致。

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4.2 信号的传输

4.2.1 电气信号

• 特点：通过电压变化传递信息。
• 优点：实现成本低，适合短距离传输。
• 缺点：易受电磁干扰，衰减明显。

4.2.2 光信号

• 特点：利用光的强弱或相位变化进行信息传输。
• 优点：速度快，抗电磁干扰。
• 缺点：传输设备复杂，维护成本较高。

4.2.3 无线信号

• 特点：通过电磁波进行传输，例如射频、微波、红外。
• 优点：适合移动场景，无需物理连接。
• 缺点：易受障碍物阻挡和环境干扰。

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4.3 传输媒介

4.3.1 电缆

• 类型：
  • 双绞线：常用于局域网，抗干扰能力较强。
  • 同轴电缆：常用于电视信号传输，带宽高。
• 特点：成本低，适合短到中距离传输。

4.3.2 光纤

• 类型：
  • 单模光纤：适合长距离高速传输。
  • 多模光纤：适合短距离和局域网应用。
• 特点：高带宽，抗干扰能力强，传输距离远。

4.3.3 无线传播

• 媒介：空气、真空。
• 应用：Wi-Fi、蓝牙、蜂窝网络。
• 特点：灵活性高，但信号衰减较快。

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4.4 数据传输方式

4.4.1 时分复用（TDM）

• 将时间划分为多个时隙，不同信号在不同的时隙中传输。
• 优点：无需频率分配，适合数字信号。
• 缺点：对同步要求较高。

4.4.2 频分复用（FDM）

• 将带宽划分为多个频率通道，不同信号占用不同的频段传输。
• 优点：无需同步，适合模拟信号。
• 缺点：需要带宽大。

4.4.3 码分复用（CDM）

• 使用不同的编码将多路信号复用到同一信道。
• 优点：抗干扰能力强。
• 缺点：实现复杂度较高。

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4.5 物理层设备

4.5.1 网卡（Network Interface Card, NIC）

• 连接计算机和网络的硬件设备。
• 功能：实现数据帧的发送和接收，提供物理层和数据链路层接口。

4.5.2 调制解调器（Modem）

• 将数字信号转换为模拟信号（调制），或将模拟信号转换为数字信号（解调）。
• 应用：广泛用于DSL、拨号网络等。

4.5.3 中继器（Repeater）

• 放大和重传信号以延长传输距离。
• 限制：只能扩展同一类型的信号（如电信号或光信号）。