2. 物理层（一）：信号与介质、RS-232/RS-485 电气特性、编码方式

各位同学，咱们今天正式进入物理层。说实话，很多做上层协议开发的工程师，一听到“物理层”就头大，觉得不就是一堆电平、线缆、噪声嘛，跟软件没啥关系。但我在实际项目中踩过的坑告诉我——物理层不稳，上层全是白搭。你想想看，TCP 重传再牛，底下的比特流都歪了，那还传个啥？

2.1 信号与传输介质：比特到底怎么“跑”起来的？

物理层的核心任务就一个：把 0 和 1 变成能在介质上传播的物理信号。说白了，就是给数字找个“肉身”。

信号分两种：

• 模拟信号：连续变化，像老式电话线上的语音。抗干扰差，但带宽利用率高。
• 数字信号：离散跳变，方波。我们嵌入式通信里用的基本都是这个。

传输介质呢？我按项目经验排个序：

2.2 RS-232 与 RS-485：老当益壮的串行接口

这两个标准，做嵌入式的没人不知道。但你真的吃透它们的电气特性了吗？

2.2.1 RS-232：点对点的“老大哥”

RS-232 是早期 PC 串口的标配。它的电气特性很“暴力”：

• 逻辑 1：-3V ~ -15V（负电压）
• 逻辑 0：+3V ~ +15V（正电压）
• 传输距离：约 15 米（再远就悬了）
• 速率：通常 115200 bps 以内

为什么用负电压？为了抗干扰。信号摆幅大，噪声容限就高。但代价是功耗大，而且只能点对点。

2.2.2 RS-485：差分信号的“多面手”

RS-485 是我个人最喜欢的接口之一。它用差分信号传输：

• 逻辑 1：A 线比 B 线高 200mV 以上
• 逻辑 0：B 线比 A 线高 200mV 以上
• 共模电压范围：-7V ~ +12V
• 传输距离：可达 1200 米
• 支持多点：最多 32 个节点（标准）

差分信号的好处很明显——共模噪声被抵消了。你想想看，两根线受到的干扰几乎一样，一减就没了。这也是为什么 RS-485 能在工业现场活得好好的。

2.3 编码方式：NRZ 与曼彻斯特编码

信号有了，介质有了，接下来怎么把比特流变成波形？这就是编码干的事。

2.3.1 NRZ（不归零编码）

NRZ 是最简单的编码：

• 高电平 = 1，低电平 = 0
• 没有中间状态，电平在整个位周期内不变

优点：带宽利用率高。缺点：没有时钟同步。如果连续发一串 1 或 0，接收端就不知道每个 bit 的边界在哪了。

我记得有个项目用 NRZ 传长串 0x00，结果接收端时钟漂移，数据全错。后来加了曼彻斯特编码才搞定。

2.3.2 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码在每个 bit 中间都有跳变：

• 从高到低 = 1
• 从低到高 = 0

这个跳变既是数据，也是时钟。接收端可以从跳变中恢复时钟，不需要额外的时钟线。以太网（10BASE-T）和 RFID 都在用。

代价呢？带宽翻倍。原来传 1 个 bit 的时间，现在只能传半个 bit 的信息。但换来的是可靠的同步，值不值？看场景。

2.4 本章知识结构图

下面这张图把物理层核心要素串起来了，方便你理解整体脉络：