第3章 物理层中的数据传输
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物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传输服务。一 是要保证数据能正确通过，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 据的方式要能满足点到点、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。
3.物理层管理
对物理层内的一切活动进行管理。也就是说，在将数据发送到 网络之前，本地结点必须处理原始的数据流，把从数据链路层 (第二层)接收的帧转换为用O和1表示的电、光或电磁信号。
2020年7月1日
图3-1 物理层
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
物理层向数据链路层提供的服务
1.物理连接的建立、维持和释放
当数据链路层实体有建立物理连接的请求时，物理层实体使用 有关的接口协议来完成这种连接的建立。在数据信号传输过程 中要维持这个连接，当传输结束后释放这个连接。
2.传输数据
主要内容:
3.1 何谓物理层 3.2 多媒体信息的数字化表示 3.3 数据传输信道 3.4 数字信号的传输 3.5 数据传输方式 3.6 物理层接口与标准 本章小结
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
3.1 何谓物理层
3.1.1 物理层的基本概念 3.1.2 物理层解决的主要问题
段
源3 复
源4 用 器
源5 MUX
时分复用帧
源6
时间
图2.28 TDM子信道示意图
1 23 4 56 12 3 4 5 6
图2.29 TDM原理
图 3-5 时分多路复用的工作原理
目标1
多 目标2 路 复 目标3 用 目标4 器 MUX 目标5
目标6
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
3.3 数据传输信道
3.3.1 信道容量 3.3.2 多路复用技术 3.3.3 有线传输介质 3.3.4 无线传输介质
2020年7月1日
计算机网络与通信
3.3.1 信道容量
Hale Waihona Puke Baidu
第3章 物理层中的数据传输
• 通常，把信道看作是以信号传输介质为基础的信号通路，即 采用狭义信道的概念。信道的作用就是传输信号。信道主要 有频域（Frequency Domain）和时域（Time Domain）两种表
第3章 物理层中的数据传输
• 双绞线一般由2根、4根或8根22～26号绝缘铜导线相互缠绕而成，如 图3-6所示。线对在每厘米长度上相互缠绕的次数决定了其抗干扰的 能力和通信质量。一对线可以作为一条通信线路，每个线对螺旋扭合 的目的是为了使一根导线在传输中辐射的电磁波被另一根导线上发出 的电磁波抵消，从而使各线对之间的电磁干扰达到最小。线对的扭合 程度越高，抗干扰能力越强。
图3-3 物理层信道多路复用原理
2020年7月1日
计算机网络与通信
1.频分多路复用
第3章 物理层中的数据传输
频分多路复用（FDM）的基本工作原理如图3-4所示，基于频带传输方 式将信道的带宽划分为多个子信道，每个子信道为一个频段，然后分 配给多个用户。
图 3-4 频分多路复用的工作原理
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
《计算机网络与通信》课件 第3章 物理层中的数据传输
2020年7月1日
高等教育出版社 刘化君 等编著 《计算机网络与通信》教材配套课件
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
第3章 物理层中的数据传输
本章目标:
在掌握物理层基本概念和功 能、多媒体信息的数字化表 示基础上，重点学习掌握传 输介质、多路复用技术、数 字信号的基带传输、频带传 输、差错控制方法，以及数 据传输方式和同步控制等基 础理论，并熟悉物理层接口 与标准。
2020年7月1日
计算机网络与通信
3.3.3 有线传输介质
• 传输介质也称为传输媒体或 传输媒介，指网络中连接收 发两端的物理通路，也是通 信中实际传送信息的载体。
• 计算机网络中常用的传输介 质可分为有线和无线两大类。 不同的传输介质具有不同的 传输特性，而传输介质的特 性又影响数据的传输质量。 数据传输速率越高且传输距 离越长的传输介质为首选。
计算机网络与通信
2.时分多路复用
第3章 物理层中的数据传输
时分多路复用（TDM）是将信道中用于传输的时间划分为 若干个时隙，每个用户分得一个时隙，在其占有的时隙内， 用户使用通信信道的全部带宽。时分多路复用的工作原理 如图3-5所示。
频率
源1
组 成子 信道 A 的 时隙
源2 多 路
可
用 频
A BCD A BCD A BCD A BCD
2020年7月1日
计算机网络与通信
3.2.2 流信息的数字化表示
第3章 物理层中的数据传输
• 对于音频信号，声音由空气压强的变化产生，它 被转换为在连续时间范围内不断变化的电压，称 之为模拟信号，一般用波形来表示。脉冲编码调 制(PCM)技术是将语音信号转换为数字信号最常 用的一种方法。脉冲编码调制以采样定理为基础， 对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用大 于等于有效信号最高频率或其带宽２倍的采样频 率，通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
【例3.1】若一理想低通信道带宽为6kHz，并通过4个 电平的数字信号，则在无噪声的情况下，信道容量 为
C=2×6×log24kbit/s =24kbit/s 信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道 的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限； 而后者是实际的数据传输速率。这一点可类比交通 公路最大限速与汽车实际运行速度的关系。
• 通过波分复用能够增加单根光纤所能传送的能量。目前 采用干涉滤波器技术，将满足ITU波长的光信号分开或将 不同波长的光信号合成到一根光纤上，可以复用80路或 更多路的光载波信号。这种复用技术称为密集波分复用 (DWDM)。
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
4．码分多址访问（CDMA）
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
3.3.2 多路复用技术
物理层上的多路复用技术是指在数据传输系统中，允许两个或两 个以上的连接或信息流共享一个公共传输介质，把多个信号组合 起来在一条物理信道上进行传输。多路复用技术的实现方法包括 信号复合、传输和分离三个方面。信道多路复用的原理框图如图 3-3所示。在发送端，待发送信号Sk(t)(k=1，2，…，n)进行复用， 并送往信道传输，在接收端经分离后变为输出信号Sk’(t)。理想 情况下，Sk(t)与Sk’(t)应该是完全相同的，实际中可能存在一 定误差。
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
3.1.2 物理层解决的主要问题
1．传输介质与接口的物理特性 2．比特的表示 3．数据速率 4．位同步 5．线路配置 6．物理拓扑 7．传输方式
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
3.2 多媒体信息的数字化表示
3.2.1 块信息的数字化表示 3.2.2 流信息的数字化表示
（状态）。为提高传输的可靠性，通常7位IA5码与1位二进制码配合，
进行字符校验。
为了使汉字能够在计算机中存储和处理，中国国家标准局于1981年5 月颁布了“国家标准信息交换用汉字编码字符集（基本集GB 2312-
1980）”，它采用与ASCII码相容的8位码方案，用两个8位码字符构
成一个汉字内部码。
示方法。
• 信道容量（Channel Capacity）是指通信系统的最大传输速 率，也就是指信道极限传输能力。即在一个给定的环境下， 信道容量是指在1s内信道上所能传输的最大比特数，其单位 是bit/s。实际上任何信道都不是理想的，若把能通过该信道 的频率范围定义为信道带宽，显然，信道带宽总是有限的， 也就是说，所能通过的信号频带是有限的。信道的数据传输 速率受信道带宽的限制。香农和奈奎斯特分别从不同角度描 述了这种限制关系。
3. 波分复用
• 通常把波长分隔多路复用的方法简称为波分复用 (Wavelength Division Multiplexing，WDM)，它是一种 光信号的频分多路复用技术。波分复用主要用于全光纤 组成的计算机网络。为了能在同一时刻进行多路传输， 需将光纤信道划分为多个波段（类似于FDM中的频段）， 每一路信号占用一个波段。
码（ITA2）等。IRA早期以ITU的国际5单位字符编码（IA5）而闻名，
并称之为美国标准信息交换码(ASCII码)。
ASCII码用于计算机内码，是数据通信中的一种常用编码标准。国际5 号码IA5用7位二进制代码表示每个字母、数字、符号及一些常见控制
符。7位二进制代码共有27=128种组合，可以表示128个不同的字符
CDMA是建立在波分复用基础上的，它既利用了每一个波长不同 的信道，又可使不同用户同时使用一个信道，每个用户都采用 不同的标记序列（Signature Sequence），以区别同一信道上 不同用户的特征。也可以说，CDMA是一种直接序列扩频通信 （Direct Sequence Spread Spectrum）技术，即将需传送的 具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的 高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载 波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码作相关处 理，把频带信号还原成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现 信息通信。譬如，以窄带CDMA(IS-95)为例，一个CDMA的呼叫 以标准的9600b/s开始，然后将它扩展到1.23Mbit/s，并与其 他用户的信号合成在一起，在同一个小区内传送。接收时正好 相反，将数字代码从传播信号中分离，即与其他的用户区分开， 还原成9600bit/s的数字信号。
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
3.2.1 块信息的数字化表示
最常见的块信息是指包含文本、数字、符号和图片等信息的文件。通 常发送电子邮件或者检索文件时，需要处理这种类型的信息。
把字符转换成二进制代码的信息编码方案主要有国际基准编码 （International Reference Alphabet，IRA）、EBCDIC码和国际2号
始信号。
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
模拟信号数字化的变化过程包括采样、量化和编码三个步骤
1．采样 采样是模拟信号数字化的第一步。采样的理论基础是采样定理： fs≥2 B或f＝1／T≥2fmax 采样原理如图3-2所示,对语音模拟信号经过采样后，形成PAM脉冲信号。
2020年7月1日
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
信道的最大传输速率要受信道带宽的制约。对于无噪声信 道，奈奎斯特准则给出了这种关系：
C 2B log 2 n 3-2
式中，B为低通信道带宽（Hz），即信道能通过信号的最 高和最低频率之差；n为调制电平数（2的整数倍），即一 个脉冲所表示的有效状态，应用最广的是一个脉冲表示两 种状态，即n=2；C为该信道的最大数据传输速率。
第3章 物理层中的数据传输
• 物理链路: 沿链路发送 和传输数据的位流
• 有线介质(guided media): – 信号沿固体介质传 播: 铜线缆, 光纤
• 无线介质(unguided media): – 信号在大气或外层 空间自由传播, e.g., 无线电
2020年7月1日
计算机网络与通信
1．双绞线
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
【例3.2】信噪比为30dB，带宽为4000Hz的随 机噪声信道的最大数据传输速率为
10lg(S/N)=30，则S/N=1000 C=4000Hz×log2(1+1000) =4000Hz×log2l001 ≈40000bit/s 即数据传输速率不会超过40kbit/s。
2020年7月1日
计算机网络与通信
3.1.1物理层的基本概念
第3章 物理层中的数据传输
• ISO/OSI-RM对物理层的定义是：在物理信道实体之间合理安排 的中间系统，为比特流传输所需物理连接的建立、维持和释放 提供机械性的、电气性的、功能性的和规程性的手段。图3-1 所示表示了对应于传输介质与数据链路层的物理层位置。
图 3-2 PCM原理示意图
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
2．量化
量化是将采样样本幅度按量化级别决定取值的过程。经过量化后 的样本幅度由原来的连续值转换为离散量，波形是一系列离散的 脉冲信号。 3．编码 编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量化级。 如果有K个量化级，则二进制的位数为log2K，形成PCM数字信号。
3.物理层管理
对物理层内的一切活动进行管理。也就是说，在将数据发送到 网络之前，本地结点必须处理原始的数据流，把从数据链路层 (第二层)接收的帧转换为用O和1表示的电、光或电磁信号。
2020年7月1日
图3-1 物理层
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第3章 物理层中的数据传输
物理层向数据链路层提供的服务
1.物理连接的建立、维持和释放
当数据链路层实体有建立物理连接的请求时，物理层实体使用 有关的接口协议来完成这种连接的建立。在数据信号传输过程 中要维持这个连接，当传输结束后释放这个连接。
2.传输数据
主要内容:
3.1 何谓物理层 3.2 多媒体信息的数字化表示 3.3 数据传输信道 3.4 数字信号的传输 3.5 数据传输方式 3.6 物理层接口与标准 本章小结
2020年7月1日
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第3章 物理层中的数据传输
3.1 何谓物理层
3.1.1 物理层的基本概念 3.1.2 物理层解决的主要问题
段
源3 复
源4 用 器
源5 MUX
时分复用帧
源6
时间
图2.28 TDM子信道示意图
1 23 4 56 12 3 4 5 6
图2.29 TDM原理
图 3-5 时分多路复用的工作原理
目标1
多 目标2 路 复 目标3 用 目标4 器 MUX 目标5
目标6
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3.3 数据传输信道
3.3.1 信道容量 3.3.2 多路复用技术 3.3.3 有线传输介质 3.3.4 无线传输介质
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3.3.1 信道容量
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第3章 物理层中的数据传输
• 通常，把信道看作是以信号传输介质为基础的信号通路，即 采用狭义信道的概念。信道的作用就是传输信号。信道主要 有频域（Frequency Domain）和时域（Time Domain）两种表
第3章 物理层中的数据传输
• 双绞线一般由2根、4根或8根22～26号绝缘铜导线相互缠绕而成，如 图3-6所示。线对在每厘米长度上相互缠绕的次数决定了其抗干扰的 能力和通信质量。一对线可以作为一条通信线路，每个线对螺旋扭合 的目的是为了使一根导线在传输中辐射的电磁波被另一根导线上发出 的电磁波抵消，从而使各线对之间的电磁干扰达到最小。线对的扭合 程度越高，抗干扰能力越强。
图3-3 物理层信道多路复用原理
2020年7月1日
计算机网络与通信
1.频分多路复用
第3章 物理层中的数据传输
频分多路复用（FDM）的基本工作原理如图3-4所示，基于频带传输方 式将信道的带宽划分为多个子信道，每个子信道为一个频段，然后分 配给多个用户。
图 3-4 频分多路复用的工作原理
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《计算机网络与通信》课件 第3章 物理层中的数据传输
2020年7月1日
高等教育出版社 刘化君 等编著 《计算机网络与通信》教材配套课件
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第3章 物理层中的数据传输
本章目标:
在掌握物理层基本概念和功 能、多媒体信息的数字化表 示基础上，重点学习掌握传 输介质、多路复用技术、数 字信号的基带传输、频带传 输、差错控制方法，以及数 据传输方式和同步控制等基 础理论，并熟悉物理层接口 与标准。
2020年7月1日
计算机网络与通信
3.3.3 有线传输介质
• 传输介质也称为传输媒体或 传输媒介，指网络中连接收 发两端的物理通路，也是通 信中实际传送信息的载体。
• 计算机网络中常用的传输介 质可分为有线和无线两大类。 不同的传输介质具有不同的 传输特性，而传输介质的特 性又影响数据的传输质量。 数据传输速率越高且传输距 离越长的传输介质为首选。
计算机网络与通信
2.时分多路复用
第3章 物理层中的数据传输
时分多路复用（TDM）是将信道中用于传输的时间划分为 若干个时隙，每个用户分得一个时隙，在其占有的时隙内， 用户使用通信信道的全部带宽。时分多路复用的工作原理 如图3-5所示。
频率
源1
组 成子 信道 A 的 时隙
源2 多 路
可
用 频
A BCD A BCD A BCD A BCD
2020年7月1日
计算机网络与通信
3.2.2 流信息的数字化表示
第3章 物理层中的数据传输
• 对于音频信号，声音由空气压强的变化产生，它 被转换为在连续时间范围内不断变化的电压，称 之为模拟信号，一般用波形来表示。脉冲编码调 制(PCM)技术是将语音信号转换为数字信号最常 用的一种方法。脉冲编码调制以采样定理为基础， 对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用大 于等于有效信号最高频率或其带宽２倍的采样频 率，通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
【例3.1】若一理想低通信道带宽为6kHz，并通过4个 电平的数字信号，则在无噪声的情况下，信道容量 为
C=2×6×log24kbit/s =24kbit/s 信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道 的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限； 而后者是实际的数据传输速率。这一点可类比交通 公路最大限速与汽车实际运行速度的关系。
• 通过波分复用能够增加单根光纤所能传送的能量。目前 采用干涉滤波器技术，将满足ITU波长的光信号分开或将 不同波长的光信号合成到一根光纤上，可以复用80路或 更多路的光载波信号。这种复用技术称为密集波分复用 (DWDM)。
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第3章 物理层中的数据传输
4．码分多址访问（CDMA）
2020年7月1日
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第3章 物理层中的数据传输
3.3.2 多路复用技术
物理层上的多路复用技术是指在数据传输系统中，允许两个或两 个以上的连接或信息流共享一个公共传输介质，把多个信号组合 起来在一条物理信道上进行传输。多路复用技术的实现方法包括 信号复合、传输和分离三个方面。信道多路复用的原理框图如图 3-3所示。在发送端，待发送信号Sk(t)(k=1，2，…，n)进行复用， 并送往信道传输，在接收端经分离后变为输出信号Sk’(t)。理想 情况下，Sk(t)与Sk’(t)应该是完全相同的，实际中可能存在一 定误差。
2020年7月1日
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第3章 物理层中的数据传输
3.1.2 物理层解决的主要问题
1．传输介质与接口的物理特性 2．比特的表示 3．数据速率 4．位同步 5．线路配置 6．物理拓扑 7．传输方式
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
3.2 多媒体信息的数字化表示
3.2.1 块信息的数字化表示 3.2.2 流信息的数字化表示
（状态）。为提高传输的可靠性，通常7位IA5码与1位二进制码配合，
进行字符校验。
为了使汉字能够在计算机中存储和处理，中国国家标准局于1981年5 月颁布了“国家标准信息交换用汉字编码字符集（基本集GB 2312-
1980）”，它采用与ASCII码相容的8位码方案，用两个8位码字符构
成一个汉字内部码。
示方法。
• 信道容量（Channel Capacity）是指通信系统的最大传输速 率，也就是指信道极限传输能力。即在一个给定的环境下， 信道容量是指在1s内信道上所能传输的最大比特数，其单位 是bit/s。实际上任何信道都不是理想的，若把能通过该信道 的频率范围定义为信道带宽，显然，信道带宽总是有限的， 也就是说，所能通过的信号频带是有限的。信道的数据传输 速率受信道带宽的限制。香农和奈奎斯特分别从不同角度描 述了这种限制关系。
3. 波分复用
• 通常把波长分隔多路复用的方法简称为波分复用 (Wavelength Division Multiplexing，WDM)，它是一种 光信号的频分多路复用技术。波分复用主要用于全光纤 组成的计算机网络。为了能在同一时刻进行多路传输， 需将光纤信道划分为多个波段（类似于FDM中的频段）， 每一路信号占用一个波段。
码（ITA2）等。IRA早期以ITU的国际5单位字符编码（IA5）而闻名，
并称之为美国标准信息交换码(ASCII码)。
ASCII码用于计算机内码，是数据通信中的一种常用编码标准。国际5 号码IA5用7位二进制代码表示每个字母、数字、符号及一些常见控制
符。7位二进制代码共有27=128种组合，可以表示128个不同的字符
CDMA是建立在波分复用基础上的，它既利用了每一个波长不同 的信道，又可使不同用户同时使用一个信道，每个用户都采用 不同的标记序列（Signature Sequence），以区别同一信道上 不同用户的特征。也可以说，CDMA是一种直接序列扩频通信 （Direct Sequence Spread Spectrum）技术，即将需传送的 具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的 高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载 波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码作相关处 理，把频带信号还原成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现 信息通信。譬如，以窄带CDMA(IS-95)为例，一个CDMA的呼叫 以标准的9600b/s开始，然后将它扩展到1.23Mbit/s，并与其 他用户的信号合成在一起，在同一个小区内传送。接收时正好 相反，将数字代码从传播信号中分离，即与其他的用户区分开， 还原成9600bit/s的数字信号。
2020年7月1日
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第3章 物理层中的数据传输
3.2.1 块信息的数字化表示
最常见的块信息是指包含文本、数字、符号和图片等信息的文件。通 常发送电子邮件或者检索文件时，需要处理这种类型的信息。
把字符转换成二进制代码的信息编码方案主要有国际基准编码 （International Reference Alphabet，IRA）、EBCDIC码和国际2号
始信号。
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
模拟信号数字化的变化过程包括采样、量化和编码三个步骤
1．采样 采样是模拟信号数字化的第一步。采样的理论基础是采样定理： fs≥2 B或f＝1／T≥2fmax 采样原理如图3-2所示,对语音模拟信号经过采样后，形成PAM脉冲信号。
2020年7月1日
2020年7月1日
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
信道的最大传输速率要受信道带宽的制约。对于无噪声信 道，奈奎斯特准则给出了这种关系：
C 2B log 2 n 3-2
式中，B为低通信道带宽（Hz），即信道能通过信号的最 高和最低频率之差；n为调制电平数（2的整数倍），即一 个脉冲所表示的有效状态，应用最广的是一个脉冲表示两 种状态，即n=2；C为该信道的最大数据传输速率。
第3章 物理层中的数据传输
• 物理链路: 沿链路发送 和传输数据的位流
• 有线介质(guided media): – 信号沿固体介质传 播: 铜线缆, 光纤
• 无线介质(unguided media): – 信号在大气或外层 空间自由传播, e.g., 无线电
2020年7月1日
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1．双绞线
2020年7月1日
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第3章 物理层中的数据传输
【例3.2】信噪比为30dB，带宽为4000Hz的随 机噪声信道的最大数据传输速率为
10lg(S/N)=30，则S/N=1000 C=4000Hz×log2(1+1000) =4000Hz×log2l001 ≈40000bit/s 即数据传输速率不会超过40kbit/s。
2020年7月1日
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3.1.1物理层的基本概念
第3章 物理层中的数据传输
• ISO/OSI-RM对物理层的定义是：在物理信道实体之间合理安排 的中间系统，为比特流传输所需物理连接的建立、维持和释放 提供机械性的、电气性的、功能性的和规程性的手段。图3-1 所示表示了对应于传输介质与数据链路层的物理层位置。
图 3-2 PCM原理示意图
计算机网络与通信
第3章 物理层中的数据传输
2．量化
量化是将采样样本幅度按量化级别决定取值的过程。经过量化后 的样本幅度由原来的连续值转换为离散量，波形是一系列离散的 脉冲信号。 3．编码 编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量化级。 如果有K个量化级，则二进制的位数为log2K，形成PCM数字信号。