信道的最高码元传输速率＝W.PPT

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第2章 物理层 2.1 物理层基本概念 2.2 数据通信基础知识 2.2.2 数据通信系统模型 调制与解调 基带信号与宽带信号 基带信号是把数字信号1或0直接用两个不同的电压表示，然后送到线路上传输。宽带信号是将基带信号调制后形成的频分复用的模拟信号。 2.2.3 信道及其传输速率 信道的最大符号传输速率 任何实际信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种畸变和干扰，符号传输速率越高或信号传输距离越长，信道输出端的波形畸变越严重，数字信号通过实际信道后不会发生严重失真。 传输速率示例 2.信道的最大符号传输速率——奈奎斯特（）公式 理想低频信道每赫兹带宽的奈奎斯特最大符号传输率为每秒2个符号。 Baud即波特，是符号传输率的单位，1波特表示每秒传输1个符号。 奈奎斯特准则的另一种形式： 理想低通信道每Hz带宽的最大符号传输率为每秒1个符号。 即： 奈奎斯特()公式示例 对于多值信令，奈奎斯特公式变为： ：C= 其实就是二进制传输：C=2W 需要重点强调以下两点： 实际信道能传输的最大符号率明显低于奈奎斯特准则给出的上限值。

波特和比特是两个不同的概念。波特是码元传输速率（每秒传输多少个码元）的单位。码元传输速率又叫调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。 “比特/秒”与“波特” 信息传输速率“比特/秒”与码元传输速率“波特”在数量上有一定的关系。若1个码元只携带1比特信息，“比特/秒”与“波特”在数值上相等。若1个码元携带n比特信息，则M波特的码元传输速率对应的信息传输速率为M?nb/s。 3、信道的极限信息传输速率——香农（）公式 香农（）利用信息论理论，推导出在有限带宽、高斯白噪声干扰下信道的极限无差错信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表示为 C=W log2（1+S/N）b/s W为信道带宽（单位为Hz）； S为信道中传输信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。香农公式表明，信道带宽或信道中的信噪比越大，极限信息传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定有办法实现无差错传输。

如果信道带宽W或者信噪比S/N没有上限（当然实际信道不是这样），那么信道的最大信息传输速率C也没有上限，实际信道上能够达到的信息传输速率比香农的最大传输速率要低得多。奈奎斯特准则和香农公式在数据通信系统中的适用范围 2.3 物理层以下的传输介质 （1）双绞线 （2）同轴电缆 （3）光缆 2.3.2 无线传输介质 （1）地面微波接力通信 （2）卫星通信 （3）红外、毫米波通信 2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用FDM（ ） 2.4.2 时分复用TDM（时分复用） 2.4.3 波分复用WDM（ ） 2.5 物理层标准示例 图2-27 DTE通过DCE连接到通信传输线路上 2.5.2 EIA-232-E接口标准 功能特点： 2.5.3 RS-449接口标准简介 作业与思考题 原理： 在长距离传输时，每隔一定距离需设置一个中继站，将前面的信号放大，再向后传输。适用：微波接力通信可以传输电话、电报、图像、数据等信息。

优点：频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性好、投资少、见效快、灵活等。缺点：相邻站必须在直视范围内，且不能有障碍物；受气候影响大，保密性差，中继站的使用和维护存在问题。原理：利用位于36000公里高空的人造同步卫星作为中继器的一种微波中继通信。特点：通信距离长，费用与距离无关；传输时延大，传输时延相对确定。优点：频带很宽，通信容量大，信号受干扰少；通信比较稳定。缺点：保密性差，成本高。应用：广播电视通信。特点：具有一定的方向性。优点：价格便宜，制造容易，保密性好，不易被截取或截取。缺点：不能穿透硬物。应用：在短距离通信中应用广泛，红外已成为室内无线局域网络的主要选择。 复用：在一条物理信道上传输多路信号（共享信道资源）。多路信号通过复用器合并在一条物理信道上传输，在接收端由解复用器（也叫复用器）分离输出，从而提高通信线路的利用率，降低通信成本。计算机网络中常用的信道复用技术有：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用等。 信道带宽划分：当某物理信道可用带宽超过单个原始信号所需带宽时，可将该物理信道总带宽划分为若干个与单个信号传输带宽相同（或稍宽）的子信道，每个子信道传输一个信号，这就是频分复用。

频谱移位：在对多个原始信号进行频分复用之前，必须通过频谱移位技术将各信号的频谱移位到物理信道频谱的不同段上，使得各信号的带宽互不重叠。然后，对各信号进行不同的频率调制。每个信号都有以其载波频率为中心的一定带宽的信道，为防止相互干扰，采用保护带对各信道进行隔离。频分复用主要用于模拟信号，如果介质所能达到的比特传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，则可采用时分复用（TDM）技术，即将一个物理信道按时间分成若干个时间片，依次分配给多个信号，每个时间片由一个复用信号占用。这样，利用各信号的时间交集，就可以在一个物理信道上传输多个数字信号。时分复用不仅限于数字信号的传输，还可以用于同时交叉传输模拟信号。 （1）同步时分：时分方案中的时间片是分配的，并且是固定的。 （2）异步时分：允许动态分配传输介质的时间片。 ——频分复用在光纤信道上应用的一种变体。它用于在一根光纤上同时传输多个频率非常接近的光载波信号。目前已实现在一根光纤上复用80个甚至更多的光载波信号。 2.4.4 码分复用CDM（Code） ——该技术更常见的名称是码分多址CDMA（Code），是移动通信系统中应用的一种技术；共享时间和频率资源。

在CDMA中，每个位时间被划分为m个短间隔，称为码片，m通常为64或128。每个使用CDMA的站都被分配一个m位码片序列。如果某个站要发送位1，就发送自己的m位码片序列；如果要发送位0，就发送该码片序列的二进制补码。分配给每个站的码片序列不仅要不同，而且要互相正交（码片向量的归一化内积为零）。 2.5.1 DTE和DCE的概念 DTE——数据 数据终端设备 DTE是具有一定的数据处理能力，能发送和接收数据的设备。例如：计算机、终端及各种I/O设备。 DCE——数据——数据电路终端设备 DCE的作用是提供DTE与传输线路之间的信号转换和编码功能，负责建立、维持和释放数据链路的连接。例如：将计算机连接到模拟电话线路的调制解调器。 DTE、DCE、通信线路的连接如图2-27所示。 DTE DTE DCE DCE 用户环境 用户设施 用户设施 通信设施 通信环境 信号线和控制线 信号线和控制线 为DTE和DCE之间的接口建立的标准就是所谓的物理层协议。

EIA 美国电子工业协会。EIA-232的主要特点： 机械特点：采用插头插座的ISO 2110标准，共有25个引脚，分为2排：13、12。插头在DTE上，插座在DCE上。 电气特点：符合CCITT的V.28建议。采用负逻辑，即0代表+3V或更高的电压；1代表-3V或更大的负电压。电缆长度在15m以内，传输速率不超过20kb/s，长度越短，速度越快。 程序特点：符合CCITT的V.24建议。规定事件发生的顺序。 * * 基本内容：计算机网络物理层的基本概念、数据通信系统的模型、信道及其传输速率的计算、常用的传输介质、信道复用技术、物理层标准实例。计算机网络物理层的基本概念 信道及其传输速率的计算 信道复用技术 RS-232接口标准 掌握重点： 物理层考虑的是如何在传输介质上传输数据位流，而不是传输介质或物理设备本身。物理层的主要任务是确定与传输介质接口的一些特性： （1）机械特性 接口的形状、大小、针脚数目、排列顺序等。 （2）电气特性 接口电缆上各线的电压范围。

(3)功能特性表示某条线路上的某一电压电平代表什么。 (4)程序特性表示对不同功能而言各种可能事件的发生顺序。 2.2.1 数据通信的基本概念 数据：承载信息的实体。 信号（）：数据的电或电磁表现形式。 模拟（信号或数据）（）：连续变化的。 数字（信号或数据）（）：值只允许是有限个离散值。 ttt UUU 0 0 0 （a）模拟信号 （b）数字信号1 （c）数字信号2 文本 数字比特流 模拟信号 公用电话网 模拟信号 数字比特流 文本 PC调制解调器 调制解调器 PC 源点 输入信息 发送器 输入数据传输系统 发送信号 接收信号 接收器 端点 输出数据 输出信息 源系统 传输系统 目标系统 数据通信系统模型 数据通信系统可以分为三个部分，即源系统（发送方）、传输系统（传输网络）和目标系统（接收方）。调制：把数字数据转换成模拟信号的过程叫调制。解调：把模拟信号转换成数字信号的过程叫解调。在公用电话网上，有的地方采用数字网，有的地方采用模拟网，有的地方采用数字、模拟相结合的综合业务网。

公用电话网 1、几个概念 信道（） 信道和电路不一样。信道一般指按一定的方向传输信息的媒介。一条通信电路中往往包含一个发送信道和一个接收信道。 信道按传送的信号可分为模拟信道和数字信道，信道上传输的信号又可分为基带信号和宽带信号。 通信双方的交互方式 单向通信：通信只能在一个方向进行，而不能在相反方向进行交互。也叫单工通信。 双向交替通信：一方发送，另一方接收，经过一段时间后再反过来。但双方不能同时发送或接收。也叫半双工通信。 双向同时通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也叫全双工通信。实际信道（带宽受限，有噪声，有干扰和失真） 输入信号波形 输出信号波形（失真不严重） 输入信号波形 实际信道（带宽受限，有噪声，有干扰和失真） 输出信号波形（失真严重） 理想低通信道最大符号传输速率=2W Baud W为理想低通信道的带宽，单位Hz。 不能通过。 可以通过 0频率（Hz） W（Hz） 理想带通特性信道最大符号传输速率=W Baud W为理想带通信道的带宽，单位Hz。 不能通过。 可以通过 0频率（Hz） W（Hz） 不能通过。 理想低通信道：信道的最大符号传输速率=2 W（Baud） 理想带通信道：信道的最大符号传输速率=W（Baud） 信道的符号传输速率也称调制速率、波形速率或符号率。

单位为：码元/秒，称为：波特。 对于模拟信号传输，波特率指每秒调制解调器输出的调制信号的调制载波状态变化的次数。 对于数字信号传输，波特率指线路上每秒传输的波形个数。 C = W log2(1+S/N) 源系统 传输系统 目的系统 传输系统 源点 终点 发送器 接收器 输入信息 输出信息 输入数据 输出数据 发送信号 接收信号 码元传输速率受奈奎斯特准则限制 信息传输速率受香农公式限制 - 计算机网络中使用的传输介质(也叫传输媒体)分为有线和无线两大类，其主要特性包括： 2.3.1 有线传输介质-包括双绞线、同轴电缆、光缆等。 物理特性：对传输介质物理结构的描述。 传输特性：是否传输数字信号还是模拟信号，以及调制技术、传输容量和传输频率范围等。连接特性：允许点对点或多点连接。地理范围：最大传输距离。抗干扰：防止噪声和电磁干扰影响传输数据的能力。相对价格：设备、安装和维护成本。双绞线的物理特性：两根绝缘铜线并排放置，并以规则的方式绞合在一起，形成双绞线对。一对电线可用作通信线。每对电线螺旋排列的目的是尽量减少电线对之间的电磁干扰。

局域网中使用的双绞线有：屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。传输特性：可分为五类，最常用的双绞线是3类和5类，二者都是由4对双绞线组成。3类双绞线的传输速率可达，5类双绞线的传输速率可达。它们的区别在于单位长度内的绞合数：3类绞合长度为7.5cm～10cm，5类绞合长度为0.6cm～0.85cm。连接性：双绞线既可用于点对点连接，也可用于多点连接。地域范围：双绞线作为远距离中继电缆使用时，最大距离可达15公里；用于局域网中时，距集线器的最大距离为100m。抗干扰：双绞线电缆的抗干扰性能取决于一捆电缆中相邻线对的绞合长度和适当的屏蔽。 价格：双绞线电缆价格较其它传输介质低，安装维护方便。 物理特性：由内导体铜芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可为箔状）、绝缘保护外层组成。 内导体绝缘层 外导体屏蔽层 绝缘保护外层 传输特性：根据带宽不同可分为：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带（50欧姆）同轴电缆一般只用于数字信号的传输。宽带（75欧姆）同轴电缆可以采用频分复用技术，将宽带同轴电缆的频带分成多个通信频道，采用多种调制方式，支持多路传输。

宽带同轴电缆还可以只在一个通信信道中用于高速数字通信，这种通信方式称为单信道宽带。 连接性：同轴电缆既支持点对点连接，也支持多点连接。 地域范围：基带同轴电缆的最大距离仅限于几公里，而宽带同轴电缆的最大距离可达几十公里。 抗干扰性：同轴电缆的结构使得它具有很强的抗干扰能力。 价格：同轴电缆的成本介于双绞线和光缆之间，使用和维护方便。 物理特性：光纤是一种直径为8μm至100μm的能传导光波的柔软介质。 各种玻璃和塑料均可用于制造光纤，其中用超高纯度石英玻璃纤维制成的光纤可获得最低的传输损耗。 用折射率较低的包层包覆单根折射率较高的光纤，可组成光纤信道；多根光纤结成一束，则可组成光缆。四芯光缆传输特性：光纤通过全内反射传输一束编码光信号。光通过光纤的全内反射进行传输的过程。由于光纤的折射率高于外包层的折射率，因此在光纤与包层的界面处可以形成光波的全反射。在光纤发射端，主要使用两种光源：发光二极管LED（Light-）和注入激光二极管ILD（Laser Diode）。光纤传输分为单模和多模。

折射角 入射角 包层（折射率低的介质） 纤芯（折射率高的介质） 包层（折射率低的介质） 连接性：光纤最常用的连接方式是点对点连接，在一些实验系统中，也可采用多点连接。 地域范围：光纤信号衰减很小，在不使用中继器的距离内，可实现6km～8km的高速数据传输。 抗干扰：光纤不受外界电磁干扰和噪声的影响，在长距离高速传输中能保持较低的误码率。 价格：目前光纤的价格高于同轴电缆和双绞线。 -利用自由空间作为数据通信的传输媒介。 特点：信号以直线传播。 适用：广泛应用于在电话领域中难以架设或埋设电缆或光缆的地方组成的蜂窝无线电话网。分类：红外通信、激光通信、微波通信（微波通信主要有地面微波中继通信和卫星通信两种方式。