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1、第二章第二章 物理层物理层第第2 2章章 物理层物理层 基基本本内内容容：计计算算机机网网络络物物理理层层的的基基本本概概念念，数数据据通通信信系系统统的的模模型型、信信道道及及其其传传输输速速率率的的计计算算，常常用用的的传传输输媒媒体体，信信道道复复用技术，物理层的标准举例用技术，物理层的标准举例。计算机网络计算机网络物理层的基本概念物理层的基本概念 信道及其传输速率的计算信道及其传输速率的计算 信道复用技术信道复用技术重点掌握重点掌握：第二章第二章 物理层物理层2.1 2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念物理层物理层考虑的是考虑的是如何在传输媒体上传输数据比特流如何在传输媒体上传输数

2、据比特流，而不是传输媒体或物，而不是传输媒体或物理设备本身。理设备本身。是设备间的物理接口和传输介质上无结构的是设备间的物理接口和传输介质上无结构的比特流的传输规比特流的传输规则。则。尽可能屏蔽尽可能屏蔽传输传输媒体的差异媒体的差异。现行的物理层协议的是通过规定现行的物理层协议的是通过规定DTE和和DCE 之间物理接口特性的标准，之间物理接口特性的标准，来实现物理通路的连接和传输介质上无结构的比特流的传输。来实现物理通路的连接和传输介质上无结构的比特流的传输。DTE(DTE(数据数据终终端端设备设备):具有一定的具有一定的数据数据处处理能力以及理能力以及发发送和接受数据能力送和接受数据能力的的

3、设备设备，如，如计计算机。算机。DCE(DCE(数据数据电电路端接路端接设备设备):在在DTEDTE和和传输线传输线路之路之间间提供提供信号信号变换变换和和编码编码功能功能，并并负责负责建立、保持和建立、保持和释释放数据放数据链链路的路的连连接，如接，如MODEMMODEM。物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性：物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性：（1 1）机械特性）机械特性 接口的形状、尺寸、引线数目、排列顺序等。接口的形状、尺寸、引线数目、排列顺序等。（2 2）电气特性）电气特性 接口电缆上各线的电压范围。接口电缆上各线的电压范围。（3 3）功能特性）功能特性 指

4、明某条线上某一电平的电压代表何种意义。指明某条线上某一电平的电压代表何种意义。（4 4）规程特性）规程特性 指明各种可能事件的出现顺序。指明各种可能事件的出现顺序。第二章第二章 物理层物理层2.2 2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识2.2.1 2.2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念数据（数据（datadata）:是把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被是把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述识别，也可以被描述,是运送信息的实体。是对客观事实进行是运送信息的实体。是对客观事实进行描述与记载的物理符号。可以是数字、文字、语音、图形和描述与记载的物理符号。可

5、以是数字、文字、语音、图形和图像。图像。信息：信息：是人对现实世界事物存在方式和运动状态的某种认识。是数是人对现实世界事物存在方式和运动状态的某种认识。是数据的集合、含义与解释。如对一个企业当前生产各类经营指据的集合、含义与解释。如对一个企业当前生产各类经营指标的分析，可以得出企业生产经营状况的若干信息。标的分析，可以得出企业生产经营状况的若干信息。信号（信号（signalsignal）：）：是数据的具体的物理表现，具有确定的物理描述。是数据的具体的物理表现，具有确定的物理描述。数据的电气的或电磁的表现。数据的电气的或电磁的表现。数据数据可分为可分为模拟数据模拟数据和和数字数据数字数据。模拟数

6、据取连续值，数字数据取离散。模拟数据取连续值，数字数据取离散值。值。在数据被传送之前，要变成适合于传输的电磁信号：在数据被传送之前，要变成适合于传输的电磁信号：或是或是模拟信号模拟信号，或是或是数字信号数字信号。所以，。所以，信号（信号（Signal）是数据的电磁波表示形式是数据的电磁波表示形式。模拟模拟数据和数字数据都可用这两种信号来表示数据和数字数据都可用这两种信号来表示。第二章第二章 物理层物理层模拟数据：模拟数据：取某一区间内的连续值。取某一区间内的连续值。模拟信号：模拟信号：连续变化的物理量。连续变化的物理量。数字数据：数字数据：取某一区间内的有限个离散值。取某一区间内的有限个离散值

7、。数字信号：数字信号：取几个不连续的物理状态来代表数字。取几个不连续的物理状态来代表数字。第二章第二章 物理层物理层数据传输方式数据传输方式信息可通过两种方式传输：信息可通过两种方式传输：模拟方式模拟方式和和数字方式数字方式，这两种，这两种方式均使用电压产生相应的信号。方式均使用电压产生相应的信号。模拟信号的一个优点是它能模拟信号的一个优点是它能对细节进行表示对细节进行表示，但是，但是噪声、噪声、或来自其他源的干扰或来自其他源的干扰，会严重地影响模拟信号，比数字信号，会严重地影响模拟信号，比数字信号更更易于出错易于出错，因此模拟信号，因此模拟信号对于数据发送并不是最佳选择。对于数据发送并不是最

8、佳选择。第二章第二章 物理层物理层一一般般说说来来，模模拟拟数数据据和和数数字字数数据据都都可可以以转转换换为为模模拟拟信信号号或或数数字字信信号号。因因此此我我们们有有以以下下四四种种情情况况：(图图中中的的PCM称称为为脉脉冲冲代代码码调调制制，是是一一种种模模拟数据数字化的方法）拟数据数字化的方法）（1）模拟数据、模拟信号模拟数据、模拟信号。（2）模拟数据、数字信号模拟数据、数字信号。（3）数字数据、模拟信号数字数据、模拟信号。（4）数字数据、数字信号数字数据、数字信号。第二章第二章 物理层物理层基带和频带传输基带和频带传输在网络中，在网络中，数据的传输有两种传输方式：数据的传输有两种传

9、输方式：基带传输基带传输和和频带传输频带传输1 1、基带基带 原始电信号所固有的频带，称为基本频带，简称为基带。在信道原始电信号所固有的频带，称为基本频带，简称为基带。在信道中直接以基带信号进行传送，称为基带传输。中直接以基带信号进行传送，称为基带传输。基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”0”，高，高 电平表示电平表示“1”1”。适用范围：适用范围：低速和高速的各种情况。低速和高速的各种情况。限制：限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要求。求。基

10、带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制调制(modulation)(modulation)。基带传输基带传输易受衰减影响易受衰减影响，也就是一个数字信号随着它从源出发向远处，也就是一个数字信号随着它从源出发向远处传输时将逐渐损失能量。为了补偿信号损失，基带系统使用传输时将逐渐损失能量。为了补偿信号损失，基带系统使用中继器中继器再再生和放大信号生和放大信号，从而使数据传输的距离能超过电缆的最大段长度。一

11、，从而使数据传输的距离能超过电缆的最大段长度。一般来说基带系统是廉价的，而且安装简单。般来说基带系统是廉价的，而且安装简单。第二章第二章 物理层物理层注意：注意：EthernetEthernet 是典型的基带传输系统。在是典型的基带传输系统。在Ethernet Ethernet 中网络中的每个设备都能通过电缆中网络中的每个设备都能通过电缆传输数据传输数据但但一次仅只有一台设备可以传输数一次仅只有一台设备可以传输数据据。例如，假设保存一个文件到服务器，网络。例如，假设保存一个文件到服务器，网络接口卡提交一个使用电缆的请求接口卡提交一个使用电缆的请求;如果当时没如果当时没有其他设备使用电缆传输数据

12、，有其他设备使用电缆传输数据，工作站就可以工作站就可以立即开始传输立即开始传输。如果电缆正在使用中，你就。如果电缆正在使用中，你就必必须等待须等待，然后再试。，然后再试。第二章第二章 物理层物理层2 2、频带传输：频带传输：采用模拟信号传送数据时，往往只占用有限的采用模拟信号传送数据时，往往只占用有限的频带，称其为频带传输。频带，称其为频带传输。信号被调制到不同频率范围。信号被调制到不同频率范围。频带传输：频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路

13、传送的信号。号。调制（调制（Modulation）：）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。行控制，使这些参量随基带脉冲变化。调制解调器调制解调器MODEM（modulation-demodulation)第二章第二章 物理层物理层2.2.2 2.2.2 数据通信系统的模型数据通信系统的模型正正文文数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号公用电话网公用电话网模拟信号模拟信号数字比特流数字比特流正正文文PC机机调制解调器调制解调器调制解调器调制解调器PC机机源点源点输入输入信息信息发送器发送器输入输入数据数据传输系统传输系统发送的信号发送

14、的信号接收的信号接收的信号接收器接收器终点终点输出输出数据数据输出输出信息信息源系统源系统传输系统传输系统目的系统目的系统数据通信系统的模型数据通信系统的模型一个一个 数据通信系统可划分为三大部分，数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（发送即源系统（发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端）端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端）。凡是将计算机或终端与数据传输线路连接起来，达到数据传输、收集、分配、凡是将计算机或终端与数据传输线路连接起来，达到数据传输、收集、分配、存储、处理目的的系统存储、处理目的的系统数据通信系统数据通信系统第二章第二章 物理层物理层源站：源站：产生待传输的

15、数据产生待传输的数据 发送器：发送器：将将信源产生的数据信号变换成适合在信道中传输信源产生的数据信号变换成适合在信道中传输 的信号使信源和信道匹配。的信号使信源和信道匹配。发送设备的变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对发送设备的变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统，发送设备常常又包括编码器与调制器。数字通信系统，发送设备常常又包括编码器与调制器。传输系统：传输系统：传输线路（可能是一条线路，也可能是一个网络系统）传输线路（可能是一条线路，也可能是一个网络系统）接收器：接收器：接收数据，接收数据，完成发送设备的反变换

16、，完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、即进行解调、译码、解码等。从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基解码等。从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基 带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正 确分路。确分路。目的站：目的站：将复原的原始信号转换成相应的数据。将复原的原始信号转换成相应的数据。第二章第二章 物理层物理层调制与解调调制与解调调制：调制：将数字数据转换为模拟信号的过程叫做调制。将数字数据转换为模拟信号的过程叫做调制。解调：解调：将模拟信号转换为数字信号的过程叫做解调。将模拟信号转换为数字信号的过程叫做

17、解调。在公共电话网上，有些地区是数在公共电话网上，有些地区是数字网、有些地区是模拟网，也有字网、有些地区是模拟网，也有的是数字、模拟共存的综合业务的是数字、模拟共存的综合业务网。网。公用电话网公用电话网第二章第二章 物理层物理层2.2.3 2.2.3 信道及其传输速率信道及其传输速率1 1、几个概念、几个概念信信 道（道（channel）信道和电路并不等同，信道一般表示向某一个方向信道和电路并不等同，信道一般表示向某一个方向传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。信道和一条接收信道。信道按所传输的信号可分为信道按所传输的信号可

18、分为模拟信道模拟信道和和数字信道数字信道，信道上传输的信号还有信道上传输的信号还有基带信号基带信号和和宽带信号宽带信号之分。之分。信号的传送通路，由线路及附属设备组成。信号的传送通路，由线路及附属设备组成。宽带信号是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。宽带信号是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。第二章第二章 物理层物理层通信双方的交互方式通信双方的交互方式 单向通信：单向通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。也称单工通只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。也称单工通信。信。在单工信道上信息只能在一个方向传送。发送方不能接收，接受方在单工信道上信息只能在一个方向传送。

19、发送方不能接收，接受方不能发送。信道的全部带宽都用于由发送方到接收方的数据传送。无线不能发送。信道的全部带宽都用于由发送方到接收方的数据传送。无线电广播和电视广播都是单工传送的例子。电广播和电视广播都是单工传送的例子。双向交替通信：双向交替通信：一方发送，另一方接收，过一段时间后再反过来。但不一方发送，另一方接收，过一段时间后再反过来。但不能双方同时发送，也不能同时接收。也称能双方同时发送，也不能同时接收。也称半双工通信半双工通信。在半双工信道上，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接在半双工信道上，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。在一段时间内，信道的全部带宽

20、用于一个方向上的信息传递。航空和航海无收。在一段时间内，信道的全部带宽用于一个方向上的信息传递。航空和航海无线电台以及对讲机等都是这种方式通信的。这种方式要求通信双方都有发送和接线电台以及对讲机等都是这种方式通信的。这种方式要求通信双方都有发送和接收能力，又有双向传送信息的能力，因而比单工通信设备昂贵，但比全双工便宜。收能力，又有双向传送信息的能力，因而比单工通信设备昂贵，但比全双工便宜。在要求不很高的场合，多采用这种通信方式。在要求不很高的场合，多采用这种通信方式。第二章第二章 物理层物理层双向同时通信：双向同时通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也称全双工通信。通信双方可以同时发送和接收

21、信息，也称全双工通信。这是一种可同时进行信息的传递的通信方式。现代的电话通信都是采用这这是一种可同时进行信息的传递的通信方式。现代的电话通信都是采用这种方式。其要求通信双方都有发送和接收设备，而且要求信道能提供双向种方式。其要求通信双方都有发送和接收设备，而且要求信道能提供双向传输的双倍带宽，所以全双工通信设备较昂贵。传输的双倍带宽，所以全双工通信设备较昂贵。第二章第二章 物理层物理层信道带宽：信道带宽：带宽带宽:W=f2-f1 W=f2-f1 单位为单位为 HZHZf1f1 是信道能通过的最低频率是信道能通过的最低频率f2f2 是信道能通过的最高频率是信道能通过的最高频率两者都是两者都是由信

22、道的物理特性决定由信道的物理特性决定的。的。信道的带宽信道的带宽指指信道允许传输信号的频率范围，单位为信道允许传输信号的频率范围，单位为HzHz。信道频率响应曲线上信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的幅度取其频带中心处值的 倍的两个频率之间的区间宽度倍的两个频率之间的区间宽度。为了使信号在传输。为了使信号在传输中的失真小些，则信道要有足够的带宽。中的失真小些，则信道要有足够的带宽。它表示实际信道所能传输信号的频率范围。它表示实际信道所能传输信号的频率范围。信道带宽由传输媒体和有关附加设信道带宽由传输媒体和有关附加设备以及电路的频率特性综合决定。备以及电路的频率特性综合决定。对于信道传输数字

23、数据则表示：对于信道传输数字数据则表示：数字信道的信息传输速率，单位为数字信道的信息传输速率，单位为b/s。第二章第二章 物理层物理层码元：码元：是时间轴上的一个信号编码单元。是时间轴上的一个信号编码单元。并用并用码元速率码元速率表示单位时间内表示单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为T秒，则秒，则码元速率码元速率B=1/T，单位叫单位叫波特波特。数字信道是一种离散信道，它只能传输取离散的数字信号。数字信道是一种离散信道，它只能传输取离散的数字信号。信道的带宽决定了信道的带宽决定了信道中能不失真地传

24、输的脉冲序列的最高速率信道中能不失真地传输的脉冲序列的最高速率。e(t)tT一个脉冲码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。若码元取码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。若码元取0 0和和1 1两个离散值，两个离散值，则一个码元携带则一个码元携带1 1比特（比特（bitbit）的信息。若码元可取的信息。若码元可取4 4个离散值，则一个码个离散值，则一个码元携带元携带2 2比特信息。一般的，一个码元携带的比特信息。一般的，一个码元携带的信息量信息量n n（比特）与码元取的比特）与码元取的离散值个数离散值个数N N具有如下关系：具有如下关系：码元：码元：第二章第二章 物理层物理层通信系统的通

25、信系统的主要性能指标主要性能指标是是有效性有效性和和可靠性可靠性。有有效效性性是是指指在在给给定定信信道道内内所所传传输输的的信信息息内内容容的的多多少少，或或者者说说是是传传输的输的“速度速度”。可靠性可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量质量”。2 2、通信系统的主要性能指标、通信系统的主要性能指标数字通信系统的有效性和可靠性数字通信系统的有效性和可靠性有效性可用传输速率来衡量。有效性可用传输速率来衡量。码元传输速率码元传输速率数字信号传输速率数字信号传输速率可靠性可用差错率来衡量。可靠性可用差错率来衡量。误码率（码元差错率）误码率（码元差错率

26、）误信率（信息差错率）误信率（信息差错率）第二章第二章 物理层物理层（1 1）码元速率）码元速率（RB）数字数据经线路编码后的传输信号在信道上的传输速率称为码元传数字数据经线路编码后的传输信号在信道上的传输速率称为码元传输速率输速率。它是指。它是指每秒传输的码元数每秒传输的码元数，即每秒传输信号波形的变换次数，即每秒传输信号波形的变换次数，单位为：单位为：码元码元/秒，秒，称为：称为：波特（波特（Baud），这是为了纪念电报码的发明这是为了纪念电报码的发明者法国人波特（者法国人波特（BaudotBaudot），），故故码元速率也叫波特率码元速率也叫波特率，或称作调制速率、，或称作调制速率、波形

27、速率、符号速率。波形速率、符号速率。例如，若例如，若1秒内传秒内传2400个码元，则传码率为个码元，则传码率为2400B。1波特为每秒传送波特为每秒传送1个码元。个码元。对于模拟信号的传输，波特率是指调制解调器上输出的对于模拟信号的传输，波特率是指调制解调器上输出的调制信号每秒钟调制载波状态改变的次数。调制信号每秒钟调制载波状态改变的次数。对于数字信号传输，波特率是指线路上每秒钟传送的波对于数字信号传输，波特率是指线路上每秒钟传送的波形个数。形个数。第二章第二章 物理层物理层码元传输速率和信息传输速率之间的关系是：码元传输速率和信息传输速率之间的关系是：B=CM(b/s)C为信息传输速率为信息

28、传输速率B为码元传输速率为码元传输速率M为码元状态数（为码元状态数（M为为2的整数次幂）的整数次幂）第二章第二章 物理层物理层（2 2）信道上的最高码元传输速率）信道上的最高码元传输速率 下图给出了一个数字信号通过实际的下图给出了一个数字信号通过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形。信道和质量很差的信道时的输出波形。第二章第二章 物理层物理层 随着信号的传播，随着信号的传播，信号能量信号能量会逐渐减少，这就是信号的会逐渐减少，这就是信号的衰减衰减。模拟信。模拟信号和数字信号存在着衰减。为了号和数字信号存在着衰减。为了补偿衰减补偿衰减，要经常对数字信号和模拟信号，要经常对数字信号和模拟信号进行

29、进行转发转发，也即使将信号也即使将信号重新放大重新放大，以使它们传播得更远，以使它们传播得更远。1 1、模拟信号的转发：模拟信号的转发：在模拟信号转发过程中会出现这样的问题当在模拟信号转发过程中会出现这样的问题当它被转发时它被转发时信号幅度将增强信号幅度将增强，同时伴随的被累积的同时伴随的被累积的噪声幅度也将增强噪声幅度也将增强，这，这种杂乱无章的增强将种杂乱无章的增强将使得模拟信号变形更加严重使得模拟信号变形更加严重。下图显示了。下图显示了因噪声而变因噪声而变形形并在随后并在随后又被放大又被放大的模拟信号的的模拟信号的波形波形。第二章第二章 物理层物理层 2 2、数字信号的转发：数字信号的转

30、发：相对于模拟信号，数字信号被转发时，实际上是相对于模拟信号，数字信号被转发时，实际上是将原始信号以将原始信号以不变形不变形的、并且的、并且无噪声无噪声的放大形式重新发送，该过程也被称的放大形式重新发送，该过程也被称之为之为波形再生波形再生。再生一个数字信号的设备被称之为。再生一个数字信号的设备被称之为中继器。中继器。网络仅仅收发由网络仅仅收发由精确脉冲精确脉冲所表示的所表示的1 和和0 两种模式，因为两种模式，因为数字传输数字传输要要比比依靠可依靠可变电压的变电压的模拟传输可靠得多模拟传输可靠得多，并且数字发送，并且数字发送几乎不受噪声影响几乎不受噪声影响。所以。所以大部分网络大部分网络仅限

31、于使用数字传输仅限于使用数字传输。也有使用模拟信号传输数据的情况：比如使用也有使用模拟信号传输数据的情况：比如使用调制解调器调制解调器连接两个系统。在连接两个系统。在发送端，调制解调器将发送端，调制解调器将数字信号数字信号调制成调制成模拟信号模拟信号，通过，通过传输模拟信号的电话线传输模拟信号的电话线传传输；在接收端，调制解调器将输；在接收端，调制解调器将模拟信号模拟信号解调成解调成数字信号。数字信号。Modem(调制解调器调制解调器)是是Modulator(调制调制)Demodulator(解调解调)。这个词反映了该设备的功能。这个词反映了该设备的功能。第二章第二章 物理层物理层奈奎斯特奈奎

32、斯特(Nyquist)推导出推导出在理想低通信道下的最高码元传在理想低通信道下的最高码元传在理想低通信道下的最高码元传在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：输速率的公式：输速率的公式：输速率的公式：信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率 2 W Baud信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率奈奎斯特奈奎斯特(NyquistNyquist)公式公式信道容量：信道容量：信道的极限传输能力。信道的极限传输能力。用信道上的最高数据传输率来表示。用信道上的最高数据传输率来表示。W W 是理想低通信道的带宽。是理想低通信道的带宽。表示：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒表示：每

33、赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2 2个码元。个码元。fW第二章第二章 物理层物理层是是1924年贝尔实验室的研究员亨利年贝尔实验室的研究员亨利奈奎斯特推导出在奈奎斯特推导出在理想理想低通信道下有限带宽无噪声信道的极限波特率低通信道下有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为奈氏，称为奈氏定理。定理。奈氏定理指定的信道容量也叫奈氏极限，它由信道的奈氏定理指定的信道容量也叫奈氏极限，它由信道的物理特性决定物理特性决定。超过奈氏极限传送脉冲信号是不可能的，超过。超过奈氏极限传送脉冲信号是不可能的，超过了将会出现码元之间的相互干扰，以致在接收端无法正确判定了将会出现码元之间的相互干扰，以致在接

34、收端无法正确判定发送方所发送的码元是发送方所发送的码元是1 1还是还是0 0。因此。因此要进一步提高波特率，就要进一步提高波特率，就必须改善信道的带宽必须改善信道的带宽。第二章第二章 物理层物理层理想带通信道：理想带通信道：信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率 W BaudW 是是理想带通信道的带宽。是上限频率理想带通信道的带宽。是上限频率f2-f2-下限频率下限频率f1f1。表示：表示：每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率是每秒每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率是每秒1 1个码元。个码元。对于具有理想带通矩形特性的信道（带宽为对于具有理想带通矩形特性的信道（带宽为W），），奈氏准则

35、变为：奈氏准则变为：第二章第二章 物理层物理层v 具有理想低通特性的信道是理想化的信道，和实际使用具有理想低通特性的信道是理想化的信道，和实际使用 的信道有相当大的差别，一个的信道有相当大的差别，一个实际的信道所能传输的最实际的信道所能传输的最 高码元速率，要低于奈氏准则给出的上限数。高码元速率，要低于奈氏准则给出的上限数。v 波特和比特是两个不同的概念。波特和比特是两个不同的概念。了解了这些概念后，我们要强调两点：了解了这些概念后，我们要强调两点：Cmax=2Wlog2M(b/s)信道的极限数据率：信道的极限数据率：第二章第二章 物理层物理层波特率波特率（RB）和比特率和比特率（Rb）的比较

36、的比较波特率是信道的码元传输速率单位，单位为：码元波特率是信道的码元传输速率单位，单位为：码元/秒。码元传输速秒。码元传输速率也称为率也称为调制速率调制速率、波形速率波形速率或或符号速率符号速率。比特率是比特率是信息量的单位信息量的单位信息量的单位信息量的单位，是指每秒传输的数据（编码前的数字数据），是指每秒传输的数据（编码前的数字数据）的二进制位数。单位为比特每秒，即的二进制位数。单位为比特每秒，即bit/sbit/s。如果一个码元携带一个比特的信息，则信息传输率（如果一个码元携带一个比特的信息，则信息传输率（bit/s）和码元传和码元传输率在数值上是相等的。如果一个码元携带输率在数值上是相

37、等的。如果一个码元携带 n 个比特的信息，则信息传个比特的信息，则信息传输率是码元率的输率是码元率的 n 倍。倍。每个码元通常都含有一定每个码元通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即确定的关系，即:C=B log2 M(bps)M：调制信号的状态数调制信号的状态数。例若使例若使1个码元携带个码元携带 n n bit 的信息量，则的信息量，则 M M Baud 的码元传输速率的码元传输速率为为 MnMn (bps)。第二章第二章 物理层物理层例如，有一个带宽为例如，有一个带宽为3kHz的理想低通信道，其码元传输速的理想低通信道，

38、其码元传输速率为率为6000baud。而最高数据速率可随编码方式的不同而有而最高数据速率可随编码方式的不同而有不同的取值。若不同的取值。若1个码元能携带个码元能携带2bit的信息量的信息量，则，则最高的数最高的数据速率为据速率为12000bps（信道容量）信道容量）。这些都是不考虑噪声的。这些都是不考虑噪声的理想情况下的极限值。至于有噪声影响的实际信道，则远理想情况下的极限值。至于有噪声影响的实际信道，则远远达不到这个极限值。远达不到这个极限值。由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能够携带更

39、多个比特的信息量。这就需速率，就必须设法使每一个码元能够携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制（多进制）。要采用多元制（多进制）。第二章第二章 物理层物理层2 2、信道的极限信息传输速率、信道的极限信息传输速率香农香农(Shannon)(Shannon)公式公式（信道容量）（信道容量）（b/s）W 为信道的带宽（为信道的带宽（Hz）；）；S 为信道内所传信号的平均功率；为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。为信道内部的高斯噪声功率。S/N 为信噪比。为信噪比。实际使用中，实际使用中，S S与与N N的比值太大，故常取分贝的比值太大，故常取分贝(db)数。数。例如当例如当

40、=1000时，信噪比为时，信噪比为30dB(信噪比（信噪比（db=10log10（S/N）。）。香香农农公公式式表表明明，信信信信道道道道的的的的带带带带宽宽宽宽或或或或信信信信道道道道中中中中的的的的信信信信噪噪噪噪比比比比越越越越大大大大，则则则则信信信信息息息息的的的的极极极极限限限限传传传传输输输输速率就越高速率就越高速率就越高速率就越高。香农（香农（shannon）提出有高斯白噪声信道的极限数据速率用下述公式计算提出有高斯白噪声信道的极限数据速率用下述公式计算 第二章第二章 物理层物理层香农公式与信号取的离散值个数无关香农公式与信号取的离散值个数无关，也即无论用什么方，也即无论用什么

41、方式调制，只要式调制，只要给定了信号和噪声的平均功率，则单位时间内最给定了信号和噪声的平均功率，则单位时间内最大的信息传输量就确定了大的信息传输量就确定了。例如，信道带宽为例如，信道带宽为3000Hz3000Hz，信噪比为信噪比为30dB30dB，则最大数据速则最大数据速率率30009.9730000bps30009.9730000bps。这是极限值，只有理论上的意义。这是极限值，只有理论上的意义。实际上在实际上在3000Hz3000Hz带宽的电话线上，数据速率能达到带宽的电话线上，数据速率能达到9600bps9600bps就就很不错了。很不错了。在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出

42、错的在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出错的概率增加。概率增加。香农公式指出了：香农公式指出了：只要信息传输速率低于信道的极限信息只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。第二章第二章 物理层物理层下图说明了奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围下图说明了奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围第二章第二章 物理层物理层 如果用一如果用一3V、一一1V、1V和和3V共共4种电平表示不同的码种电平表示不同的码元状态，对于元状态，对于4000 boud的信号传输速率，信息传输速率可的

43、信号传输速率，信息传输速率可以达到多少以达到多少?如果使用如果使用8种码元状态呢种码元状态呢?对于对于4000 boud的信号传输速率，信息传输速率可以达到的信号传输速率，信息传输速率可以达到C=4000log24=8000b/s；如果使用如果使用8种码元状态，信息传输速率可以达到种码元状态，信息传输速率可以达到C=4000log28=12000b/s。第二章第二章 物理层物理层传输媒体传输媒体也称为也称为传输介质或传输媒介传输介质或传输媒介，它就是数据，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为体可分为两大类两大类，即，

44、即导向传输媒体和非导向传输媒体导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体(铜线或铜线或光纤光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。下图是电向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。下图是电信领域使用的电磁波的频谱。信领域使用的电磁波的频谱。2.3 2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体第二章第二章 物理层物理层第二章第二章 物理层物理层计算机网络中采用的传输媒体的主要特性包括：计算机网络中采用的传输媒体的主要特性包括：2.

45、3.1 2.3.1 有线传输媒体有线传输媒体包括包括双绞线、同轴电缆、光缆等双绞线、同轴电缆、光缆等。物理特性物理特性:对传输介质物理结构的描述。对传输介质物理结构的描述。传传输输特特性性:传传输输数数字字信信号号还还是是模模拟拟信信号号,以以及及调调制制技技术术、传传输容量与传输的频率范围。输容量与传输的频率范围。连通特性连通特性:允许点允许点点或多点连接。点或多点连接。地理范围地理范围:最大的传输距离。最大的传输距离。抗干扰性抗干扰性:防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。相对价格相对价格:器件、安装与维护费用。器件、安装与维护费用。第二章第二章 物

46、理层物理层（1）双绞线）双绞线物物理理特特性性：把把两两根根互互相相绝绝缘缘的的铜铜导导线线并并排排放放在在一一起起,然然后后用用规规则则的的方方法法绞绞合合起起来来就就构构成成了了双双绞绞线线。一一对对线线可可以以作作为为一一条条通通信信线线路路,各各个个线线对对螺螺旋旋排排列列的的目目的的是是为为了了使使各各线线对对之之间间及及周周围围的的电电磁磁干干扰扰最最小小。电电话话系系统统中中使使用用双双绞绞线线较较多多，差差不不多多所所有有的的电电话话都都用用双双绞绞线线连连接接到到电电话话交交换换机机。从从用用户户电电话话机机到到交交换换机机的的这这段段线线称称为为用用用用户户户户线线线线或或

47、用用用用户户户户环环环环路路路路(subscriber loop)。局局 域域 网网 中中 所所 使使 用用 的的 双双 绞绞 线线 有有:屏屏 蔽蔽 双双 绞绞 线线，简简 称称STP(Shielded STP(Shielded Twisted Twisted Pair)Pair)和和无无屏屏蔽蔽双双绞绞线线，简简称称UTP(Unshielded Twisted Pair)UTP(Unshielded Twisted Pair)。第二章第二章 物理层物理层屏蔽双绞线是在一对双绞线外面有金属筒缠绕屏蔽双绞线是在一对双绞线外面有金属筒缠绕，有的有的还在几对双绞线的外层用铜编织网包上还在几对双绞线

48、的外层用铜编织网包上，均用作屏蔽均用作屏蔽，最最外层再包上一层具有保护性的聚乙烯塑料。无屏蔽双绞线外层再包上一层具有保护性的聚乙烯塑料。无屏蔽双绞线除少了屏蔽层外除少了屏蔽层外，其余均与屏蔽双绞线相同其余均与屏蔽双绞线相同。第二章第二章 物理层物理层双双 绞绞 线线 传输特性：传输特性：美国美国电电气工气工业协业协会会/电电信工信工业协业协会会（EIA/TIAEIA/TIA）将其定将其定义为义为7 7种型号。局域网中常用种型号。局域网中常用第第5 5类类和和第第6 6类类双双绞线绞线，它它们们都都为为无屏蔽双无屏蔽双绞线绞线，均由均由 4 4对对双双绞线绞线构成一条构成一条电缆电缆。5 5类类

49、双双绞线绞线传输传输速率可达速率可达1O0Mbps1O0Mbps,常用于常用于局域网局域网100Base-T100Base-T的数据的数据传输传输或用作或用作话话音音传输传输等。等。6 6类类双双绞绞线线比比5 5类类双双绞线绞线有更好的有更好的传输传输特性特性，传输传输速率可达速率可达 1000Mbps1000Mbps,可用于可用于100Base-T100Base-T、1000Base-T1000Base-T等局域网中。等局域网中。7 7类类双双绞线绞线也可用于也可用于1000Base-T1000Base-T、千兆千兆以太网中。以太网中。它们之间它们之间的区别在于单位长度的绞合次数不同：的区

50、别在于单位长度的绞合次数不同：3 3类的绞合长度为类的绞合长度为7.5cm 7.5cm 10cm，5类为类为0.6cm 0.6cm 0.85cm。第二章第二章 物理层物理层双双 绞绞 线线 连通性连通性:双绞线既可用于点一点连接双绞线既可用于点一点连接,也可用于多点连接。也可用于多点连接。地地理理范范围围:双双绞绞线线用用做做远远程程中中继继线线时时,最最大大距距离离可可达达1515公公里里;用于用于10Mbps10Mbps局域网时局域网时,与集线器的距离最大为与集线器的距离最大为100m100m。抗抗干干扰扰性性:双双绞绞线线的的抗抗干干扰扰性性取取决决于于一一束束线线中中相相邻邻线线对对的