第二章物理层(1)

T
电平变化信号(2电平传输1bit)
s(t)=
V1V0 when b(n)=0 V0V1 when b(n)=1
发送 T
T
接收 R
V1 V0 VV20VV31
V1 V0
2.2.2 带宽与数据传输速率
重点：带宽、数据速率、信噪比的关系 傅立叶分析
任何正常的周期为T的函数g（t）都可以由无限个 正弦和余弦函数合成
程特性
介质驱动
SAP
信道编/解码 介质驱动
本章内容
数据通信方式 传输介质 物理接口
介质接口
传输介质 • 模拟信道 • 数字信道 • 数字通信网
3
2.2 数据通信理论
信号的幅频特性
时域信号—频域信号
时域信号变化越剧烈，对应的频域就越宽 s(t) S(f) t: 时间；f:频率
s(t)
将N bit送上信道所需的时间
若传输速率为R bps
则 Tr= N/R = N*Tb
10 000 bits
10M b/s信道 1ms 100 k b/s信道
1ms
10M b/s的以太网、100k b/s的信道上， 将10000bit的数据送上信道，分别需要
10000/10*106 = 10-3 (s) = 1 (ms) 10000/100*103 = 0.1(s) = 100 (ms)
带宽
信号能变多快
编码效率
每个变化能装多少数据
信噪比
能量的限制
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2.2.3传输参数
与数学计算有关的参数 Bit Rate（bit速率）
每秒传输的bit数，bits per seconds (b/s)
Tb : bit 信号持续时间(秒) Bit 速率： r = 1/Tb (b/s) 1Kb/s = 1000 b/s
time Tb
1Mb/s = 1 000 Kb/s = 1 000 000 b/s
1Gb/s = 1 000 Mb/s = 1 000 000 Kb/s = 1 000 000 000 b/s
注意与计算机中存储容量的差异 (1KB=210=1024B)
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2.2.3传输参数
Transmission Time （传输时间）Tr
大楼间敷设的电缆为300米，传输延迟为 ▪ Tp1=300/3*108=10-6s＝1us
跨洋海底电缆3000公里，传输延迟为 ▪ Tp2=3000*103/3*108=10-2s=10ms
s(t)
S(f)
t S(f)
t
f
信道的幅频特性
离散频谱
连续频谱
f
任何信道，对不同频率的信号有不同的衰减
H(f)
低通信道
带通信道
0 3400Hz f(Hz)
f0 f(Hz)
经信道传输后的信号
Si 信道 So
信号经过新道传输后 So(f) = Si(f)*H(f)
信号频谱在信道频谱范围内，才能通过信道，频谱外的信号被
奈奎斯特定理 —— 有限带宽无噪声信道
最大数据传输速率D = 2 H log2V（bit/s）
H—铜线带宽 2—基频为带宽一半，即有一个谐波 V—信号电平级数量 log2V —一个信号变化可以表示多少位数据变化
例：H=3 kHz，V=2（二进制信号） 则：最大速率 = 6 kbps
可以用提高编码效率的方式，在有限带宽中多 传数据－－提高数据传输速率
计算机通信网
2012
第二章 物理层
物理层功能 数据通信理论 传输介质（直接相连的介质） 通信系统（非直接相连的介质） 接口规范
2
2.1 物理层功能
服务
00110011110
提供无结构bit 流传输
协议
物理层可能出 现bit传输差错
物理接口的机械、 SAP
电气、功能和规 信道编/解码
则：最大速率 = 30 kbps 提高编码效率不是最终的解决方案，在噪声影响下，最大
速率是路的尽头
若想提高信道速率
无噪信道：不可能无限制增加信号个数
接收方难以区分差别细微的信号(经过信道的信号有畸变)
有噪信道：不可能无限制增加信道Biblioteka Baidu宽
噪声能量与信道带宽成正比
12
信道的数据传输速率
影响因素
衰减
2.2.1信号与传输
频带传输
数字信号调制到高频余弦波上进行传输
调幅信号 调频信号 调相信号
A1 A0
5
2.2.1信号与传输
数字信号
b(n)={0,1} 序列，n=…,1,2,3,…
b(n)
基带传输
发送
传输信号为电平(电压或电流)表示比特T值
2级电平信号(1电平传输1bit)
s(t)=
V0 when b(n)=0 V1 when b(n)=1
4级电平信号(1电平传输2bit)
发送 T
T
V0 when b(2n)b(2n+1)=00
s(t)= V1 when b(2n)b(2n+1)=01 V2 when b(2n)b(2n+1)=10
发送 T
V3 when b(2n)b(2n+1)=11
例：8B6T编码下（8位数据用6个信号编制） D ＝ 2H×8/6＝8kbps
11
信道的最大数据传输速率
B
香农定理 —— 随机噪声信道
最大数据传输速率 = H log2（1+S/N）(bps) 带通信道 f(Hz) H—铜线带宽，S/N—信噪比（dB） 例：H=3 kHz，S/N=30 dB（模拟电话系统）
教材第74 页图2-1
谐波数越 多，信号 波形失真 越小，信 号识别越 容易
9
数据传输速率与谐波数
限制带宽（f）就是限制数据传输速率（b）
限制带宽就是限制谐波数量 谐波数信号识别精度 信号识别精度信号中承载的数据量 信号中承载的数据量数据传输速率
7
6
3
5
4
2
3
2
1
1
0
0
10
最大数据传输速率与编码
注意：基频（f =1/T）和N次谐波的振幅
有限带宽信号
信号非等量衰减 —— 信号畸变 截断频率 —— 滤波器，高次谐波损失 波特率、比特率 —— 信号编码（电平级）
采用0、1 （二进制码）编码时，波特率 = 比特率
7
谐波数与信号失真
信号畸变程度与谐波数
8
谐波数与信号失真
信号畸变 程度与谐 波数
time time
15
2.2.3传输参数
Propagation delay (传播延迟)
信号在信道上传播的时间 设信道长度为D米，信号传播的速度为V，信号传播时间
Tp = D/V
信号(电磁波)传播速度：光速 c=3*108 米/秒
注：铜线、铜轴电缆中，V略小于光速 (0.7~0.9)
例：