2第2章物理层

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2.1.4数据通信系统的模型
1 通信模型 数据通信是依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能 单元之间传递数据信息。它可以实现计算机与计算机、计 算机与终端以及终端与终端间的数据信息传递。 一个数据通信系统大致可分为三大部分，即源系统（图中 指计算机生成数据），中间的传输系统（图中为电话交换 网）和目的系统（接收端的计算机）
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2 信道的容量
Baud 是波特，是码元传输速率(波特率)的单位，1 波特为 每秒传送 1 个码元。
W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
能通过
不能通过
频率(Hz)
W (Hz)
0
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2 信道的容量
波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传 输速率也称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。 比特是信息量的单位。 信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量 上却有一定的关系。 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特” 在数值上相等。 若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速 率所对应的信息传输速率为 M n b/s。
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（2）香农定理：信道的极限信息传输速率
课堂练习 对于带宽为3kHz的理想低通信道,若用8种不同的物理 状态表示数据,求按奈奎斯特定理其最大的数据传输率；若 信噪比为20分贝,问香农定理最大限制的数据传输速率是多 少?
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（2）香农定理：信道的极限信息传输速率
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2.1.3数据通信的基本概念
5 同步通信和异步通信
接收端必须判断所收到的信息是1还是0，用什么手段才能 保证对收到的比特流进行判决的时间是准确的呢？ 数据通信可分为同步通信和异步通信两大类： 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。 发送端发送连续的比特流。 异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送 端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送 下一个字节。 异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有 一般精度的时钟来进行数据通信。
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2.1.5基带传输技术
在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据 信号是典型的矩形脉冲信号。 矩形脉冲信号的固有频带称 做基本频带,简称为基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号；在 数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输； 数字基带传输中，不使用调制和解调装置而直接传输数字 基带信号
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（3）Nyquist公式和Shannon公式的比较 C = 2B log2V 用于理想信道 数据传输率随信号抽样的离散值个数增加而增 加。 C = B log2（1+S/N） 用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！） 无论信号抽样的离散值个数增加到多少，此公 式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输 速率上限。 原因：噪声的存在将使抽样的离散值个数不可 能无限增加。
香农公式意义 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速 率就越高。 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。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可 能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上 限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输 速率低不少。
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2 信道的容量(信道的最大传输速率)
（1）概述 码元 即时间轴上的一个信号编码单元。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的 输出端的波形的失真就越严重。 最大采样定理: 如果媒体传输的最大频率为f，那么接收方 只要以每秒2f次的频率进行采样，就能完整地重现信号。 这一定理的另一种表达方式是：只要接受方以1/(2f)秒的时 间间隔进行采样，或者说每个周期采样两次，就能重现信 号。 若媒体传输的最大频率为4000 Hz，则接受方只要每隔 1/8000秒采样一次，就能完整地恢复信号。
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2.1.3数据通信的基本概念
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2.1.3数据通信的基本概念
3 信道上传送的信号可以分为以下两个基本方式： 基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压 来表示，然后送到线路上去传输。 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模 拟信号。
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2.2 数据通信及编码技术
2.2.1信息、数据与信号
数据（Data） 信号（Signal）是数据在传输过程中电信号的表示形式； 简单地讲就是携带信息的传输介质。在通信系统中我们常 常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信 号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式 或特性的传输介质。 数字信号（digital signal）是用两种不同的电平去表示0、1 比特序列的电压脉冲信号表示。 模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化的，也就 是说信号及其振幅、频率、相位等参数随着信息连续变化， 幅度必须是连续的，但在时间上可以是连续的或离散的。
基带传输不需要调制、解调，设备花费少，适用于较小范 围的数据传输。
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2.1.6 频带传输技术
频带传输是一种采用调制、解调技术的传输形式。在发送 端，采用调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数 据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟 信号，以适应在模拟信道上传输；在接收端，通过解调手 段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。
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2 信道的容量
（2） 奈奎斯特定理：最大传输速率= 2W log2V b/s V为离散级数，W为带宽； log2V为一个码元可携带信息 的位数； 一个例子 有一个带宽为3kHz的理想低通信道，其最高的码元传输率 为6000 Baud。如果1个码元携带3bit的信息量，则最高信息 传输率为18000b/s
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2.1 物理层的基本概念
2 向上层提供的服务 物理连接的建立、维护与释放 ； 物理连接分为点-点连接与多点连接 ； 数据传输分为全双工、半双工与单工方式 ； 数据传输分为串行传输方式与并行传输方式 ； 串行传输方式的物理数据服务单元是位； 并行传输方式的物理数据服务单元是N位，N为并 行连接的物理通道数。
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奈氏准则和香农公式 在数据通信系统中的作用范围
源系统 传输系统 目的系统
输 入 信 息
源点
输 入 数 据
发送器
发送的 信号
传输 系统
接收的 信号
接收器 输 出 数 据
终点
码元传输速率受 奈氏准则的限制 信息传输速率受 香农公式的限制
输 出 信 息
码元的传输率受奈氏准则的制约，要提高数据传输率，需 要使一个码元携带更多的bit。 提高信道带宽和信道的信噪比可以提高信道的极限传输率。
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2.1.3数据通信的基本概念
2 从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三个基本 方式：
单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有 反方向的交互。
双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送 信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 有时用单工表示“双向交替通信” 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发 送和接收信息。
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2.1.3数据通信的基本概念
4 在数据通信中，按每次传送的数据位数，通信方式可分为： 串行通信和并行通信。 （1）串行通信 串行通信方式是指数据流在信道上传输时任一时刻信 道上只有一位在传输。 （2）并行通信 并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上 同时进行传输，常用的方式是将组成一个字符的几位二 进制分别通过几个并行的信道同时传输.
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2.1.3数据通信的基本概念
1基本概念
数据(data)——运送信息的实体。 信号(signal)——数据的物理量编码(通常为电编码)，数据 以信号的形式传播。
“模拟的”(analogous)——连续变化的。
“数字的”(digital)——取值是离散数值。 信道——传送信号的通道 调制——把数字数据转换为模拟信号的过程。 解调——把模拟信号转换为数字数据的过程。
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2.1.2 物理层的主要特征
（1） 机械特性 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。 规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。 （2）电气特性 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高 低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。 （3）功能特性 主要定义各条物理线路的功能, 说明某条线上 出现的某一电平的电压表示何种意义。 （4）规程特性 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关 系, 说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 具体的物理层协议是相当复杂的。这是因为物理连接的 方式很多(例如，可以是点到点的，也可以采用多点连接或 广播连接)，而传输媒体的种类也非常之多(如架空明线、 平衡电缆、同轴电缆、光导纤维、双绞线，以及各种波段 的无线信道等)。因此在学习物理层时，应将重点放在掌握 基本概念上。
计算机网络
第2章 物理层
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2.1 物理层的基本概念
2.1.1 物理层的主要任务
1主要任务
物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介 质上传输各种数据的比特流； 计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很 大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通 信技术的差异性； 数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理层， 通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链 路实体
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（2）香农定理：信道的极限信息传输速率
1948年,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且 有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率（信道容量） C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 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。 信噪比S/N是信号功率和噪声功率之比，信噪比常用单位为 分贝(dB)。 信噪比(dB)=10*lg(S/N)(dB)
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（2）香农定理：信道的极限信息传输速率
例1 在话音信道上，设带宽为3100Hz，话音信道上的信噪 比为30分贝，则信道的最大容量是多少？ 解答 30=10*log（S/N），S/N＝103＝1000 C＝3100*log2（1+1000）＝30894 b/s
例2 假定信道带宽为1kHz，最大信息传输率为35kb/s,求该 信道的信噪比为多少分贝。 解答 35kb/s=1kHz*log2(1+S/N) b/s 即 35= log2(1+S/N) S/N = 235 - 1=? 则信噪比为10lg(235 - 1) =? dB
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1 通信模型
数据通信系统 数字比特流 正文 PC 机 模拟信号 公用电话网 模拟信号 数字比特流 正文 调制解调器 传输系统 传输 系统 目的系统 PC 机
调制解调器
源系统
输 入 信 息
源点
输 入 数 据
发送器
发送 的信号
接收 的信号
接收器 输 出 数 据
终点 输 出 信 息
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2.1.6 频带传输技术
频带传输较复杂，传送距离较远，若通过市话系统配备 Modem，则传送距离可不受限制。采用频带传输, 不仅解 决了数字信号可用电话线路传输，而且可以实现多路复用， 提高信道利用率。 宽带传输，指传输介质的频带宽度较宽的信息传输，一般 在300-400MHz左右。将多路基带信号、音频信号和视频信 号经调制后放到同一条电缆的不同频段处进行传输。宽带 传输系统可实现文字、声音和图像的一体化传输。使系统 具有多种用途。(例如：ADSL) ADSL(非对称数字用户环路) 利用电话线的高频部分 （26khz~2Mhz）来进行数字传输的。上行最高640Kbps， 下行最高8Mbps