2、物理层基础：信号与介质、编码方式、物理层标准

各位同学，咱们今天聊聊物理层。说白了，就是设备之间到底怎么“说话”的——是用电、用光，还是用空气？信号长什么样？怎么保证对方能听懂？

我刚开始做嵌入式那会儿，总觉得物理层是硬件工程师的事，软件写好协议栈就行了。结果第一次调RS485总线，设备死活不通，拿示波器一看，波形乱成一团。嗯，从那以后我再也不敢跳过物理层了。

2.1 信号与传输介质

信号分两种：模拟信号和数字信号。模拟信号连续变化，像老式电话线里的语音；数字信号只有高低电平，也就是0和1。咱们设备入网协议里，绝大多数场景用的是数字信号。

传输介质呢，我习惯分成三类：

• 双绞线：便宜、抗干扰还行。RS485、以太网都用它。我见过不少现场布线把双绞线跟强电走同一个线槽，结果通信丢包率飙升——记住，双绞线也要远离干扰源。
• 同轴电缆：抗干扰强，带宽高。早年以太网用粗缆细缆，现在主要用在视频监控和射频领域。
• 光纤：速度极快，距离极远，还不怕电磁干扰。缺点是施工门槛高，接头得用专用工具熔接。

2.2 编码方式：从NRZ到曼彻斯特

信号在介质上传输，不能直接丢一串高低电平就完事。你得考虑时钟同步、直流平衡、抗干扰。这就引出了编码方式。

2.2.1 NRZ（不归零编码）

NRZ最简单：高电平表示1，低电平表示0。每个比特占用一个固定时间窗口。

数据: 1 0 1 1 0 0 1
NRZ:  ─── ─── ─── ─── ─── ─── ───
      高  低  高  高  低  低  高

有什么问题？你想想看，如果连续发一串1，电平一直保持高，接收端怎么知道发了几个1？它得靠时钟来数。但收发双方的时钟不可能完全一致，时间长了就会累积误差，导致采样错位。

2.2.2 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码在每个比特中间都有一次电平跳变。这个跳变既表示数据，又携带时钟信息。

• 从高到低跳变：表示1
• 从低到高跳变：表示0

数据:    1     0     1     1     0     0     1
曼彻斯特: ─┐ ┌─┐ ┌─┐ ─┐ ┌─┐ ─┐ ─┐ ┌─┐ ─┐
         高 低 高 低 高 低 高 低 高 低 高 低 高

你看，每个比特中间都有跳变，接收端可以用这个跳变来同步时钟。而且电平在每两个比特之间都会回到中间值，直流分量也平衡了。

以太网10BASE-T用的就是曼彻斯特编码。我调试过一块老式网卡，用示波器看TX+和TX-之间的差分信号，曼彻斯特的跳变非常清晰，一眼就能看出数据流。

2.3 物理层标准：RS232、RS485、以太网PHY

标准就是大家约定好的“方言”。同一个编码方式，配上不同的电气特性和接口，就成了不同的物理层标准。

2.3.1 RS232

RS232是老牌标准，PC串口就是它。单端信号，用-3V~-15V表示1，+3V~+15V表示0。传输距离一般15米以内，速率最高也就115200bps。

我最早接触设备入网，就是用RS232连PLC。一根三芯线（TX、RX、GND）就能通信，简单粗暴。但缺点也很明显：抗干扰差，不能多点组网。

2.3.2 RS485

RS485用差分信号传输，两根线（A和B）的电压差来决定逻辑状态。抗干扰能力强，传输距离可达1200米，还能挂32个节点（标准负载）。

工业现场总线、楼宇自控、智能仪表，到处都有RS485的身影。我做过一个项目，用RS485挂了20多个温湿度传感器，9600bps跑了一年多，没出过问题。

RS485总线拓扑（典型）：
主机 ──┬── 节点1 ──┬── 节点2 ──┬── 节点3
       │            │            │
      120Ω终端     120Ω终端     120Ω终端

2.3.3 以太网PHY

以太网PHY是物理层收发器，负责把MAC层的数字信号编码成适合网线传输的模拟信号。常见的PHY芯片有RTL8211、KSZ8081等。

以太网PHY支持多种速率：10Mbps、100Mbps、1000Mbps。编码方式也升级了：100BASE-TX用4B/5B编码，1000BASE-T用PAM-5。

我调试过一块板子，PHY芯片的MDIO接口死活读不到寄存器。查了半天，原来是复位引脚没拉够时间——PHY芯片需要至少100ms的复位低电平。嗯，这种细节，数据手册里写得清清楚楚，但就是容易忽略。

2.4 本章知识体系

下面这张图，把物理层的基础脉络串起来了。你对照着看，心里就有谱了。

物理层是整个设备入网协议的基石。信号怎么传、用什么介质、怎么编码、走什么标准，每一步都影响最终通信的可靠性和效率。我建议你动手搭一个简单的RS485网络，用示波器看看波形，比看十遍书都管用。