Linux网络：物理层 | 数据通信 | 基带频带 | 信源编码 | 射频 | 调制

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前言

• 物理层是指通过传输介质，以及相关的通信协议、标准建立起来的物理线路。

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介绍

• 物理层（或称物理层，Physical Layer）是计算机网络OSI模型中最低的一层。
  • 物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。
  • 简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。局域网与广域网皆属第1、2层。
  • 是整个开放系统的基础。
• 物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。如果您想要用尽量少的词来记住这个第一层，那就是“信号和介质”。
• OSI采纳了各种现成的协议，其中有RS-232、RS-449、X.21、V.35、ISDN、以及FDDI、IEEE802.3、IEEE802.4、和IEEE802.5的物理层协议。
  

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主要功能

  为数据端设备提供传送数据通路、传输数据。
构建数据通路：可以是一段或多段物理介质构造一条完整的数据传输通道；
透明传输：让进行网络通信的各方不用管数据通路中具体的传输介质类型、相关标准以及通信协议的功能；
传输数据：把数据按比特流的顺序从发送端通过物理层接口传送到接收端的物理层
数据编码：为了确保数据比特流能在对应的信道中正常通过，需要对数据编码。不同的传输介质所支持的数据编码类型不一样(如归零码、非归零码、曼彻斯特码、差分曼彻斯特码等)
数据传输管理：物理层具有一定的数据传输管理功能，如基于比特流的数据传输流量控制、差错控制、物理线路的激活和释放等

解决的主要问题:

（1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。

（2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。

（3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。

功能扩展描述

• 为数据端设备提供传送数据的通路，数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。
  • 一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。
  • 所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。
• 传输数据，物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。
  • 一是要保证数据能在其上正确通过，
  • 二是要提供足够的带宽（带宽是指每秒钟内能通过的比特（BIT）数），以减少信道上的拥塞。
  • 传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。
• 完成物理层的一些管理工作。

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组成部分

• 物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。
• 通信用的DTE、DCE、互连设备：
  • DTE即数据终端设备（Data Terminal Equipment），又称物理设备。用于发送和接收数据的设备。如计算机、终端等都包括在内。
  • **DCE是数据通信设备（Data Circuit-terminating Equipment）**或电路连接设备。通常指调制解调器，多路复用器或数字设备 设备，DCE为DTE提供时钟，借此DTE才能工作.
  • 数据传输通常是经过DTE──DCE，再经过DCE──DTE的路径。
  • 互连设备指将DTE、DCE连接起来的装置，如各种插头、插座、LAN中的各种粗、细同轴电缆、T型接、插头，接收器，发送器，中继器等都属物理层的媒体和连接器。

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特性

  由于在OSI之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，而且在数据通信领域中，这些物理规程已被许多商品化的设备所采用，加之，物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按OSI的抽象模型制定一套新的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体接口的机械，电气，功能和规程特性。

  由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂。信号的传输离不开传输介质，而传输介质两端必然有接口用于发送和接收信号。因此，既然物理层主要关心如何传输信号，物理层的主要任务就是规定各种传输介质和接口与传输信号相关的一些特性。

机械特性

  也叫物理特性，指明通信实体间硬件连接接口的机械特点，如接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。这很像平时常见的各种规格的电源插头，其尺寸都有严格的规定。如：已被ISO 标准化了的 DCE接口的几何尺寸 及 插孔芯数和排列方式。

功能特性

  功能特性：是指传输介质中各条线上所出现的某一电平的含义，以及物理接口、各条信号给的用途，包括其功能规定和功能分类。接口信号线功能一般可分为数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线等四类。

规程特性

  规程特性：指接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方式。即在物理连接建立、维持和交换信息时，DTE/DCE双方在各自电路上的动作序列。

电气特性

  电气特性：规定了在物理连接上传输二进制比特流时线路上信号电压的高低，阻抗匹配情况以及传输速率和传输距离限制等参数属性。发送器/接收器处理的信号电平有三类：非平衡型、差分接收器的非平衡型和平衡型。

• 差分传输是指两个在两根线上同幅、反相、同步传输。非差分传输是指一路信号只在一根导线上传输，即单线传输。因非差分传输没有与之等幅、反相的信号线，所容易受到外界信号的干扰，而且为尽量降低线间串扰对有用信息的影响，所以允许的传输距离与速率也较小。

• 非平衡：传输模式则只用一根导线(除地线外)进行非差分信号的传输，信号电平仅由一根信号线上的电平决定。

• 新的非平衡型：又称差分接收器的非平衡型。即发送器采用非平衡工作方式(单线驱动)；接收器采用差分工作方式(双端输入)，接收器最终信号由这两条线的差值(进行减法运算)，所又叫差分接收器。这样干扰和串扰就会以相同振幅、相反相位叠加在这两条输入线上。

• 平衡：此传输模式都是采用一对线(除地线之外)进行差分信号传输的，信号电平由两根线上的电平差决定。 目前最广泛采用的一种物理层接口，发送器采用双线平衡发送方式，接收器采用差分处理方式，也不共用地线。这种方式有较高的抗干扰能力，所以传输速率和距离都较高。

• 以上4个特性实现了物理层在传输数据时，对于信号、接口和传输介质的规定。

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通信硬件

  物理层常见设备有：网卡光纤、CAT-5线（RJ-45接头）、集线器有整波作用、Repeater加强信号、串口、并口等。

• 通信硬件包括通信适配器（也称通信接口）和调制解调器（MODEM）以及通信线路。
  • 从原理上讲，物理层只解决DTE和DCE之间的比特流传输，尽管作为网络节点设备主要组成部分的通信控制装置，其本身内涵在物理层、数据链路层、甚至更高层，在内容上分界并不很分明，但它所包含的MODEM接口、比特的采样发送、比特的缓冲等功能是确切属于物理层范畴的。
• 为了实现PC机与调制解调器或其它串行设备通信，首先必须使用电子线路将PC机内的并行数据转成与这些设备相兼容的比特流。除了比特流的传输之外，还必须解决一个字符由多少个比特组成及如何从比特流中提取字符等技术问题，这就需要使用通信适配。
  • 通信适配器可以认为是用于完成二进制数据的串、并转换及一其它相关功能的电路。
  • 通信适配器按通信规程来划分可分为TTY（Tele Type Writer，电传打字机）、BSC（Birary Synchronous Commuication，二进制同步通信）和HDLC（High－level Data link Control，高级数据链路控制）三种。

PC机通信编程方法

• 包括DOS、WINDOWS和BIOS级PC通信、基于异步通信与器的系统的PC通信以及通信编程方法。
  • BIOS：在PC机的基本输入输出系统（BIOS）中的中断14H提供了异步串行端口的服务功能，通过INT 14H提供的四种功能，可访问串行通信端口，实现连机通信。
• PC通信：Microsoft Windows的应用程序：Terminal，允许用户PC机与其它计算机连接并交换数据；也可以仿真的成为与之交换数据的远程计算机所要求的终端类型。通信过程：
  • 打开终端——使用设置（Settings）菜单设置参数——查阅文件——使用传输（Transfers）菜单接收一个文件——与远程计算机脱机——使用phone菜单挂起调制解调器——使用文件（File）菜单存储文件——退出终端。

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通信子网与资源子网

• 通信子网负责网络通信线路建立和通信处理，为网络用户提供数据传输、转发、加工和转换等通信处理工作，是整个网络数据通信的基础结构。
  • 通信子网又可分为两类：点对点通信线路、广播信道。
  • 广域网主要采用点到点通信线路，局域网与城域网一般采用广播信道。
• 资源子网是由计算机系统、终端系统、联网的外围设备、各种软件资源与信息资源组成。资源子网拥有所有的共享资源及所有的数据。

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数据通信基本概念

• 信息是计算机网络中进行交换的一切原始内容的统称，可以是一串串的数字也可以是各种文字，还可以是多媒体的图形图像和语音。

• 数据是信息的具体表现形式(任何要交换的信息最终都是要以一个个具体的数据来传输),是许多信息通过某种方式组成的集合体。数据有模拟数据和数字数据之分。

• 信号是数据在传输过程中电信号和光信号的表示形式。因数据有模拟数据和数字数据两种类型，所以信号也有模拟信号和数字信号两种。

• 信道是通信双方在物理链路上通过物理层协议建立起来的数据传输通道。物理链路：有线介质和无线介质上的链路。

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数据传输方式

• 串行传输：指的是数据以串行方式一位位地在一条信道上传输。串行传输的典型代表有：计算机串行接口(对应RS-232C标准)、USB接口、SATA(串行ATA)磁盘接口等。
• 并行传输：指的是数据以一组或整个字符的方式在多条并行信道上同时传输。并行传输必须有并行信道，一般适用于计算机和其他高速数据系统的近距离传输。典型代表有：计算机上连接打印机的并口、磁盘ATA(或IDE)接口以及计算机主板上CPU与其他芯片的数据传输。

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数据传输模式

  字符串同步：在串行传输模式中，接收端需要从串行数据比特流中正确的划分出发送的一个个字符，就需要识别信息的开始和结束，并且知道每一位的持续时间，才能从传输线路上正确的取出被传送的数据。所以在串行传输模式中就有字符同步的方式，分同步传输和异步传输两种方式。在并行传输模式中因不涉及同步问题，所以无字符同步问题。

同步传输

• 同步传输是一种以数据块为传输单位(通常是一帧为单位的),一相同的时钟参考进行数据传输模式，又称为区块传输。
  • 在此模式下，每一比特数据的持续传输时间都是相等的，而且在每个字符的传输过程中，两个字符间传输所需等待的时间也是相同的。
  • 同步传输分为面向字符的同步传输，面向比特的同步传输和面向字节的同步传输等几种。

异步传输

• 异步传输是以字符为单位进行数据传输的。
  • 通信双方没有相同的时间参考，每个字符之间是异步的，但一个字符内的每一位还是同步的。
  • 每个字符都需要加入「起」「止」码元以及奇偶校验位3个控制位，所传输效率只有70%。

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数据通信方式

• 单工通信是指永远只能往一个方向发送数据信号，只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传输方向，数据发送方和接受方都是固定的。
• 半双工通信是指信号可以双向传递，但必须是交替进行的，同一时间只能向同一个方向传送。
• 全双工通信是指信号在任何时刻都可以同时双向传递，而且不部影响。它要求至少存在两条信道。
• 注意点：如果通信双方的端口工作模式设置不一致时，则会出现不能成功连接或最终以选择最低要求的工作模式进行通信。

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数据传输速率与信道带宽

  数据传输率是指在一条信道中单位时间内传输的信息调。数据传输速率可用比特率(针对数字数据)和波特率(针对模拟数据)来表示。

• 比特率又称信息传输速率是指单位时间内传输的二进制代码的有效位比特数用Rb表示。[ Rb = 1/T(b/s) ]

• 波特率是指数字信号在调制后对载波的调制速率，也即单位时间内载波参数(如频率相位等)变化的次数，单位为B(Baud)，用RB表示。一个数字脉冲(X进制位)称为一个码元。

  • 波特率也可以理解为在单位时间内传输的码元数。这里的码元可以是二进制也可以是多进制。

• 比特率与波特率的关系，对于数字数据比特率与波特率的关系与数据所采用的进制有关。因为每个码元或符号通常都含有一定比特数的信息量，所以比特率与波特率的关系见下图。
  

• 传输带宽：带宽是指信道中每秒传输的最大信息量，也就是一个信道的最大数据传输速率，单位是位/秒(b/s或bps)。带宽是一种理想状态(不受任何干扰,没有任何衰减)。

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数字信号不失真传输的最大传输速率限制

码间干扰概念：

由于没有被调制的原始基带数字信号的频带可以非常宽(从直流一直到无限高的频率),但数据通信中的电缆传输信道只允许比较低的频率成分通过理想低通信道，高频成分被滤去，就造成了输出波形的失真。

失真的输出波形顶部边圆底部变宽(称为波形拖尾)，使得一个码元的波形展宽到了其他码元位置而影响到其他码元，这种影响就称为码间干扰。

奈奎斯特准则

描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。指的是信道中的数据传输速率必须限制在某个范围之内才能保证不失真。

实验证明在理想低通信道下的最高码元传输速率(无码间干扰的最高波特率)必须满足：最高码元传输速率(MaxRB) = 2W ，式中W是理想低通信道带宽,单位为赫(Hz),MaxRB为最高码元传输速率,单位为Raud(波特)。如低通信道带宽为2000Hz时,最高码元传输速率就为4000 Baud,即每秒传送4000个二进制码元。反过来，根据最大码元传输速率也可算出信道带宽。在理想带通矩形信道下的最高码元传输速率与信道带宽是具有相等值关系的。

香农公式：

• 香农描述了有限信道带宽、有随机热噪声信道(更接近真实环境)的最大传输速率与信道带宽、信噪比(信号平均功率与噪声功率之比)之间的关系。
  • 如下：Rmax = B x log₂(1+S/N)，式中最大数据传输速率Rmax的单位为bps，信道带宽B的单位为Hz，信噪比S/N通常用dB(分贝)表示，可用 10xlog₁₀(S/N) 公式来计算信噪比的分贝数。
  • 基已知S/N=1000,则根据公式可很快得出分贝数表示的信噪比为30dn。
  • 如果再已知信道带宽 B=3000Hz,则Rmax≈30kbps。它表示对于带宽只有3000Hz的通信信道,信噪比在30dB时,无论数据采用二进制或更多的离散电平值表示都不能越过30kbps的数据传输速率。

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基带 / 频带信号 | 传输系统

基带概念相关

• 基带：基本频带：是指信源发出的，没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号所固有的频率带宽（频带）。
  • 频率范围在零频附近（从直流到几百KHz）的这段带宽。
• 基带信号是指信源发出的没有经过调制的原始电信号。基带信号频率较低，信号频谱是从零频率的直流成分开始的。
  • 分为数字基带信号和模拟基带信号。频带也是如此。
• 基带传输是指在信道中直接传输基带信号。
  • 在物理链路上、借助物理层协议、建立起来的数据传输通道中，直接传输从信源发出的、所固有频率带宽的、没有经过调制的原始电信号。

  基带传输由于不调制，所以整个信道只传输一种信号，通信信道利用率低。在基带传输中需要在信源端用编码器对数字信号进行编码，在信宿端用解码器对编码的数据进行解码恢复。近距离传输信号衰减不大一般采用基带传输，大多数的局域网使用基带传输，如以太网、信息环网等。

• 基带传输系统：
  

频带概念相关

• 频带是指：对基带信号调制后所占用的频率带宽，一个信号所有的最高的频率到最低频率之差。
• 频带信号指：经过调制后的基带信号。频带信息被限制在一个特定的频带中。
• 频带传输是指：在信道中传输频带信号。

  频带传输广泛应用于广域网中。在这种网络通信中往往需要同时发送多种信号(如数据信号、路由信号以及各种网络控制信号)。这时可以利用高频率的信号来调制低频率信号，以实现同步传输，也提高了信道利用率。

• 频带传输系统：
  一：
  

二：

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传输系统组成部分解释

载波概念相关

• 载波或者载频（载波频率）是一个物理概念，是一个特定频率的无线电波，单位Hz，是一种可在频率、调幅或相位方面被调制以传输语言、音乐、图象或其它信号的电磁波。
  • 在通信技术上，载波（carrier wave， carrier signal或carrier）是由振荡器产生并在通讯信道上传输的电波，被调制后用来传送语音或其它信息。
  • 载波频率通常比输入信号的频率高，输入信号调制到一个高频载波上，就好像搭乘了一列高铁或一架飞机一样，然后再被发射和接收。
  • 载波是传送信息（话音和数据）的物理基础和承载工具。

模拟信号

• 模拟信号是指在信号随时间连续变化，在模拟信号中，不同时间点位置的信号值可以是连续变化的。
  • 与数字信号相比，模拟信号的处理方法简单，不需要专门的信号处理器，且具有更高的分辨率和信息密度，不存在量化误差，因此可以利用模拟信号较为准确地描述自然界物理量的值。
  • 模拟信号的主要缺点是容易受到噪声干扰，特别是当信号被多次转发，或进行长距离传输之后，这些随机噪声的影响可能会变得十分显著。

信号调制的目的

• 便于无线发射，减少天线尺寸；
• 频分复用，提高通信容量；
• 提高信号抗干扰能力。

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信源编码 | 射频 | 信道编码 | 调制 | 电磁波

  现在都流行“端到端”，我们就以手机通话为例，观察信号从手机到基站的整个过程，来看看基带和射频到底是干什么用的。

  当手机通话接通后，人的声音会通过手机麦克风拾音，变成电信号。这个电信号，是模拟信号，我们也可以称之为原始信号。

声波（机械波）转换成电信号

• 此时，我们的第一个主角——基带，开始登场。基带，英文叫Baseband，基本频带。

  这些信号会通过基带中的AD数模转换电路，完成采样、量化、编码，变成数字信号。具体过程如下如所示：

• 上图中的编码，我们称之为信源编码。

信源编码，说白了，就是把声音、画面变成0和1。在转换的过程中，信源编码还需要进行尽可能地压缩，以便减少“体积”。对于音频视频，有不同的编码格式。

信道编码，和信源编码完全不同。信源编码是减少“体积”。信道编码恰好相反，是增加“体积”。信道编码通过增加冗余信息，对抗信道中的干扰和衰减，改善链路性能。去年联想投票事件里提到的Turbo码、Polar码，LDPC码，还有比较有名的卷积码，全部都属于信道编码。

调制

调制，简单来说，就是让“波”更好地表示0和1。最基本的调制方法，就是调频（FM）、调幅（AM）、调相（PM）。如下图所示，就是用不同的波形，代表0和1。

在上述的基础上，研究出了多种调制方式。例如幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK），还有正交幅度调制，也就是大名鼎鼎的QAM（发音是“夸姆”）。

直观表达各种调制方式，我们会采用一种叫做星座图的工具。星座图中的点，可以指示调制信号幅度、相位的可能状态。

射频1

射频，英文名是Radio Frequency，也就是大家熟悉的RF。从英文字面上来说，Radio Frequency是无线电频率的意思。严格来说，射频是指频率范围在300KHz~300GHz的高频电磁波。大家都知道，电流通过导体，会形成磁场。交变电流通过导体，会形成电磁场，产生电磁波。

电磁波

频率低于100kHz的电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输。频率高于100kHz的电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力。

这种具有远距离传输能力的高频电磁波，我们才称为射频（信号）。

射频2

和基带一样，我们通常会把射频电路、射频芯片、射频模组、射频元器件等产生射频信号的一系列东东，笼统简称为射频。

基带送过来的信号频率很低。而射频要做的事情，就是继续对信号进行调制，从低频，调制到指定的高频频段。例如900MHz的GSM频段，1.9GHz的4G LTE频段，3.5GHz的5G频段。

射频的作用，就像调度员。

为什么射频要做这样的调制。

一方面是如前面所说，基带信号不利于远距离传输。
另一方面，无线频谱资源紧张，低频频段普遍被别的用途占用。而高频频段资源相对来说比较丰富，更容易实现大带宽。再有，你也必须调制到指定频段，不然干扰别人了，就是违法。

在工程实现上，低频也不适合。
根据天线理论，当天线的长度是无线电信号波长的1/4时，天线的发射和接收转换效率最高。电磁波的波长和频率成正比（光速=波长×频率），如果使用低频信号，手机和基站天线的尺寸就会比较大，增加工程实现的难度。尤其是手机侧，对大天线尺寸是不能容忍的，会占用宝贵的空间。

信号经过RF射频调制之后，功率较小，因此，还需要经过功率放大器的放大，使其获得足够的射频功率，然后才会送到天线。信号到达天线之后，经过滤波器的滤波（消除干扰杂波），最后通过天线振子发射出去。

电磁波的传播

基站天线收到无线信号之后

采取的是前面过程的逆过程——滤波，放大，解调，解码。处理之后的数据，会通过承载网送到核心网，完成后面的数据传递和处理。
以上，就是信号大致的变化过程。注意，是大致的过程，实际过程还是非常复杂的，还有一些中频之类的都没有详细介绍。

大致过程画个简单的示意图：

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光速和电磁波

  1887年，赫兹用实验证实了电磁波的存在，并且测出了实验中电磁波频率和波长，从而计算出电磁波的传播速度，发现电磁波的速度确实与光速相同，证明了光的电磁说的正确性。至此，由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论取得了决定性的胜利，电、光、磁的规律也随之统一起来。

关于电的速度

  光的传播速度就是光子的移动速度，而电的传播速度是指电场的传播速度（也有人说是电信号的传播速度，其实是一样的），不是电子的移动速度。导线中的电子每秒能移动几米（宏观速度）就已经是很高的速度了。

  电场的传播速度非常快，在真空中，这个速度的大小约为接近于光速。

   “电”的传播过程大致是这样的：电路接通以前，金属导线中虽然各处都有自由电子，但导线内并无电场，整个导线处于静电平衡状态，自由电子只做无规则的热运动而没有定向运动，当然导线中也没有电流。当电路一接通，电场就会把场源变化的信息，以大约光速的速度传播出去，使电路各处的导线中迅速建立起电场，电场推动当地的自由电子做漂移运动，形成电流。那种认为开关接通后，自由电子从电源出发，以漂移速度定向运动，到达电灯之后，灯才能亮，完全是一种误解。

光速：C，c=299 792 458m/s
电磁波（真空）的速度：30万公里/s

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参考：

• 物理层协议
• 计算机网络笔记(四)——物理层 - Aleph的文章 - 知乎
• 载波与调制信号
• 基带、射频，到底是干什么用的？ - 失效分析设备的文章 - 知乎
• …跑远了兄弟们