第3讲 物理层(1)

(2) 信噪比

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 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。
计算机网络原理
3
物理层
主讲：赵玉娟 E-mail：zhaoyujuan@haut.edu.cn
2012~2013第一学期
学习目标

了解描述物理层接口的基本特性，了解数据 通信基础知识。

重点理解数据通信模型、通信模式和传输方 式，理解信道极限容量计算，以及物理层下 面的各种通信介质及工作原理。
目 录

1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏 准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间 串扰，码元的传输速率的上限值。
码元传输的速率有上限，否则会出现码间串扰的问题， 使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。 信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越 多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间 串扰。
1015 光纤
1016
地面微波
调幅 海事 无线电 无线电 波段
调频 移动 无线电 无线电 电视
LF
MF
HF
VHF UHF SHF
EHF THF
4 物理层下面的传输媒体

导向传输媒体
双绞线
屏蔽双绞线
STP (Shielded Twisted Pair) UTP (Unshielded Twisted Pair)

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。
数字信号通过实际的信道

有失真，但可识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形

失真大，无法识别
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
发送信号波形
接收信号波形
(1) 信道能够通过的频率范围
2 数据通信系统的模型

基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，变换后 的信号仍为基带信号。 带通调制：把基带信号的频率范围搬移到较高的频 段以便在信道中传输，这时的信号称为带通信号。 基本的带通调制方法：
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。


调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。

在基带传输中，需要对数字信号进行编码来表示数据。
为什么？
2 数据通信系统的模型

基带信号为什么需要调制
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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行 调制(modulation)。

调制的分类：
基带调制 带通调制
调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变
化。
2 数据通信系统的模型
基带信号
调幅 0 1 0 0 1 1 1 0 0
调频
调相
2 数据通信系统的模型

例：正交振幅调制 QAM
(Quadrature Amplitude Modulation)
(r, ) r
可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。
Q & A
2 数据通信系统的模型

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)。

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。
2 数据通信系统的模型

ห้องสมุดไป่ตู้
电信号也叫信号，信号的每秒钟变化的次数叫频率， 单位赫兹（HZ）。信号的频率有高有低，就象声音 有高有低一样，低频到高频的范围叫频带，不同的 信号有不同的频带。

几个术语： 数据(data) ——运送消息的实体。 信号(signal) ——数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous) ——代表消息的参数的取 值是连续的。 “数字的”(digital) ——代表消息的参数的取值 是离散的。 码元(code)—— 在使用时间域（或简称为时域）的 波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波 形。

基带信号的分类：
根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号 和模拟基带信号（相应地，信源也分为数字信源和模拟信 源。）其由信源决定。
2 数据通信系统的模型

近传输距离大多采用基带传输方式 原因：由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从 而信号内容不会发生变化。 例如：从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是 基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如以太 网、令牌环网。常见的网络设计标准10BaseT使用的 就是基带信号。
指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 指明在接口电缆的各条线上出现的电 压的范围。
功能特性
过程特性
指明某条线上出现的某一电平的电压 表示何种意义。
指明对于不同功能的各种可能事件的
出现顺序。
目 录
1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 信道的极限容量 4 物理层下面的传输媒体
2 数据通信系统的模型
数据通信系统 输入 汉字 数字比特流 模拟信号 公用电话网 PC 机 调制解调器 源系统 传输系统 传输 系统 模拟信号 数字比特流 显示 汉字
调制解调器
目的系统
PC 机
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
2 数据通信系统的模型
电信领域使用的电磁波的频谱
0 f (Hz) 10
102
104
106
108
1010
1012
1014
1016
1018
1020
1022
1024 射线
无线电
微波
红外线 可见光 紫外线
X射线
4 f (Hz) 10
105 双绞线
106
107 同轴电缆
108
109
1010 卫星
1011 1012
1013
1014
包层 （低折射率的媒体）
光纤的工作原理
低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
多模光纤与单模光纤
多模光纤
输入脉冲 输出脉冲
输入脉冲
单模光纤
输出脉冲
4 物理层下面的传输媒体

非导向传输媒体
无线传输所使用的频段很广。 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的
无屏蔽双绞线
同轴电缆
50 75
同轴电缆
同轴电缆
光缆
4 物理层下面的传输媒体

各种电缆
无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP
聚氯乙烯 套层
绝缘层
铜线
聚氯乙烯 屏蔽层 铜线 绝缘层 套层
同轴电缆
绝缘保护套层 外导体屏蔽层 绝缘层 内导体
光线在光纤中的折射
包层 纤 芯 折射角 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 （高折射率的媒体） 入射角
1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 信道的极限容量 4 物理层下面的传输媒体
物理层
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机 的传输媒体上传输比特流，而不是指具体的 传输媒体。 屏蔽差异，为数据链路层服务。

1 物理层基本概念

物理层的主要任务为确定与传输媒体的接口有关的 一些特性：
机械特性 电气特性
基带传输
频带传输
宽带传输
2 数据通信系统的模型

什么是基带信号？
基带信号(BasebandSignal)发出的没有经过调制（进行 频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信 号频谱从零频附近开始，具有低通形式。通俗地讲，基带 信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我 们说话的声波就是基带信号。
香农公式表明


C = W log2(1+S/N) b/s
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。 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。 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。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。
信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频 带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。
计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。 基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术完成的。
2 数据通信系统的模型

宽带传输
通过借助频带传输，可以将链路容量分解成两个
或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号， 这就是宽带传输。
若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行 解调时要正确识别每一种状态就越困难。
2 数据通信系统的模型

频带传输
远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电
话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟 信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频 段的数字基带信号。
频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟
通信质量较差。 微波在空间主要是直线传播。
地面微波接力通信 卫星通信
小 结
介绍了描述物理层接口的基本特性，介绍了数据 通信基础知识，重点理解数据通信模型、通信模式和 传输方式，理解信道极限容量计算，以及物理层下面 的各种通信介质及工作原理。 重点内容：数据通信系统基本模型，单/双工工 作模式、基带/频带/宽带传输、信道极限等。


请注意

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比 不能再提高了，并且码元传输速率也达到 了上限值，那么还有办法提高信息的传输 速率。这就是用编码的方法让每一个码元 携带更多比特的信息量。
目 录
1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 信道的极限容量 4 物理层下面的传输媒体
4 物理层下面的传输媒体
一个宽带信道可以被划分为多个逻辑基带信道。
这样就能把声音、图像和数据信息的传输综合在 一个物理信道中进行。
宽带传输一定是采用频带传输技术的， 但频带
传输不一定就是宽带传输。
目 录
1 物理层基本概念 2 数据通信系统模型 3 信道的极限容量 4 物理层下面的传输媒体
3 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信 号时会产生各种失真以及带来多种干扰。