计算机网络 第3章 物理层
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计算机网络 刘 生 23
2018年7月10日8时23分
理想低通信道下的奈氏准则
（1）理想低通信道 对于信号的低频分量，只要其频率不超 过某个上限值，都能够不失真的通过此信 道。而频率超过该上限值的所有高频分量 都不能通过该信道。 （2）奈氏准则 理想低通信道下的最高码元传输率＝2W Baud W:理想低通信的带宽,单位Hz
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32
3.3 基带传输与宽带传输
3.3.1 基带传输概述
•传输计算机系统中的二进制数据最直接的方 式就是采用脉冲信号。脉冲信号一般由直流 信号和基频、低频、高频等多个谐波分量组 成。其中从零开始有一段能量相对集中的频 率范围被称为基本频带（base band，简称基 频或基带）。基带属于脉冲信号的固有频率， 与基带对应的数字信号也被称为基带信号。
3.2.2 数据通信的几个基本概念
3.信道
•信道是沿某一方向传送信息的媒体或介质， 是线路的逻辑部件，一条通信线路至少包含 一条发送信道和一条接收信道。
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
信道的分类 （1）从信息交互方式分类 •单工通信：只有一个方向的通信。 •半双工通信：通信双方都可以发送和接收 信 息，但不能同时发送，也不能同时接收。 •全双工通信：通信双方可以同时发送和同时 接收。
原因：信号的传输效率受到实际的物理信道 的干扰，码元传输速率越高，经过信道传输 后的失真度就越大。
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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
3.2.2 数据通信的几个基本概念
• 不论是数据或信号，其数据值可以是模拟 的，也可以是数字的。根据数据的取值方 式不同，可分为数字数据和模拟数据。根 据信号的参数取值方式不同，信号也可分 为模拟信号与数字信号。
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
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理想低通信道下的奈氏准则
（1）理想低通信道 对于信号的低频分量，只要其频率不超 过某个上限值，都能够不失真的通过此信 道。而频率超过该上限值的所有高频分量 都不能通过该信道。 （2）奈氏准则 理想低通信道下的最高码元传输率＝2W Baud W:理想低通信的带宽,单位Hz
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3.2.1 数据通信系统的模型
1．源系统 •也称为发送方或信源，是发送信号的一端。 •一般包括源站和发送器两个部分。 •源站由计算机或服务器等终端设备产生要传 输的数据。 •发送器是对要传送的数据进行编码或者调制 的设备，如各种调制解调器、计算机网卡。
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3.2.1 数据通信系统的模型
2. 目的系统 •目的系统也称为接收方，是接收信号的一端 •一般包括接收器和目的站或信宿两个部分。 •接收器用来接收传输系统传送的信号，并把 信号转换为可以被目的站设备识别与处理的 数据信息。
•目的站从接收器获取传送来的数字比特流， 然后把信息输出。
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3.3.1 基带传输概述
• 通常将数字数据以基带信号形式直接传输的方 式称为基带传输。
• 基带传输是一种非常基本的数据传输方式，它 适合传输各种速率的数据，且传输过程简单， 设备投资少。 • 基带信号的能量在传输过程中很容易衰减，因 此基带传输较多地用于短距离的数据传输 • 基带信号的传输距离在没有信号再放大的情况 下一般不超过2.5 km。
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3.2.1 数据通信系统的模型
3.传输系统
•传输系统在源系统和目的系统之间，是计算 机网络上的数据传输通道，除了源系统和目 的系统外，网络中的其他部分都属于传输系 统。 •可以是简单的传输线，也可以是在源系统和 目的系统之间复杂的网络系统。
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
1.数据和信号 •数据是表示信息的载体。 •信号则是数据的电气或电磁特性的表现。 2.模拟和数字 •模拟就是随时间在连续变化。 •数字就是在时间上是离散的，不连续的，仅 取几个有限的离散数值。
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•宽带信号：将基带信号调制后，形成频分复 用模拟信号，再进行传输。
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
（4）按传输介质分类 • 有线信道 • 无线信道
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
4. 奈奎斯特准则
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3.1 物理层概述
3．功能特性
•指各条传输线路上出现的某一电平的电压所 代表的意义，包括接口信号线的功能规定， 接口信号线的功能分类。 4．规程特性 •指明利用接口传输比特流过程中各类事件发 生的合理顺序，包括事件的执行顺序与具体 的数据传输方式。
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3.5.2 时分多路复用
3.5.3 波分多路复用 3.5.4 码分多路复用
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章节内容
3.6 接入网技术
3.6.1 电话拨号接入
3.6.2 DSL接入 3.6.3 混合光纤同轴电缆接入 3.6.4 光纤接入 3.6.5 LAN接入
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理想低通信道下的奈氏准则
Baud（波特），码元传输速率的单位。 1波特为每秒传送1个码元。 即每赫带宽的理想低通信道的最高码元 传输速率为每秒2个码元。
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理想带通信道的奈氏准则
（1）理想带通信道 即频率在f1~f2之间的频率分量能够不失真 的通过此信道，而低于f1和高于f2的频率分量 都不能通过该信道。 （2）奈氏准则 理想带通信道下的最高码元传输率＝1W Baud，即每赫带宽的理想带通信道的最高码元 传输速率为每秒1个码元。 实际信道的最高码元传输速率要低于奈氏 准则的上限值。
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数字数据用数字信号传输时的编码 方法
1 0
基 带 数 字 不归零制编码 NRZ
0
0
1 0
0
1
1
1
1-高 0-低
曼彻斯特编码 1 高 低 0 低 高Βιβλιοθήκη Baidu差 分 曼彻斯特编码 1电平不跳变 0电平跳变
信号 时钟
信号
时钟 计算机网络 刘 生 36
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4.奈奎斯特准则
• 波特的概念 波特是码元传输速率的单位，码元传输 速率也称为调制速率或波形速率、符号速 率。 • 信道最大数据传输速率与码元之间的关系：
• 其中，M 为信号状态数量； W为信道带宽。
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3.1 物理层概述
2．电气特性 •规定了在物理线路上传输二进制BIT流时，在 线路上信号使用的电压范围、阻抗匹配及传 输距离和传输速率等参数。
•目前使用的电气特性标准定义的都是接口发 送器和接收器的电器特性，还给出了互连电 缆的相关规程。
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F(t) t 0
图 3-2 模拟信号波形
F(t)
t 0
图 3-3 数字信号波形
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
• 模拟数据、数字数据和模拟信号、数字信 号的关系及其应用场景
• 数据是针对信息而言的，而信号则是针对 传输的
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3.3.1 基带传输概述
3.3.2 数字数据编码方法 3.3.3 宽带传输技术
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章节内容
3.4 传输介质
3.4.1 有线传输介质
3.4.2 无线传输介质 3.4.3 不同传输介质的比较 3.5 多路复用技术 3.5.1 频分多路复用
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
发送 单向通道 (a) 发送 双向通道 接收 (b) 发送 双向通道 接收 (c)
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接收
接收 发送
接收 发送
3.2.2 数据通信的几个基本概念
（2）以传送信号分类 •模拟信道 •数字信道 （3）以传送信号的形式分类 •基带信号：将数字0和1直接用两种不同的电 压表示和传输。
5. 香农公式
• 香农公式表明，信道的带宽以及信道中的 信噪比越大，信息的极限传输速率也就越 高。这意味只要信道的信息传输速率低于 信道的极限信息传输速率，就可能找到某 种办法来实现无差错的传输。
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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
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5. 香农公式
• 香农（Shannon）公式指出信道的极限信息 传输速率 • C=Wlog2(1+S/N) • W：信道的带宽 • S：信道内部所传信号的平均功率 • N：信道内部高斯噪声的功率 • S/N:信道的信噪比
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3.3.2 数字数据编码方法
• 在基带传输系统中要解决的关键问题是数 字数据的编、解码问题。 • 发送端要将二进制数据通过编码(Encoding) 转换为适合在数字信道上传送的基带信号。
• 接收端则要将接收到的基带信号通过解码 ( Decoding)恢复为与发送端相同的二进制数 据
3.2 数据通信基础
• 3.2.1 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
模拟信号
数字比特流
显示 汉字
PC 机
调制解调器 源系统 传输系统 传输 系统
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
举例：
• 假如用带宽为3 kHz的传统电话信道通过调制解调 器来传输模拟信号，受奈奎斯特准则限制，发送 方最多发送6 000个码元。 • 如果信号状态数量 =2，即每个码元携带了1比特 信息，则由式（3-1）可知，此时的电话信道最大 数据传输速率为6 kbps。 • 如果设法将信号状态数量 提高到4，每个码元携 带2比特信息，则此时电话信道最大数据传输速率 为12 kbps。因码元传输率受奈氏准则限制，要提 高信息的传输速率，就必须使每一个码元能携带 更多Bit。
3.6.6 无线接入
3.7 小结
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本章重点
1.数据通信的基础知识
2.传输介质（媒体）
3. 数字传输系统
4.信道复用技术
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5
3.1 物理层概述
• 主要任务：确定与传输媒体的接口的一些 特性。 1．机械特性 • 机械特性定义了传输介质接线器、物理接 口的形状和尺寸、引线数目、排列顺序， 以及连接器与接口之间的固定和锁定装置 等。
滨江学院
NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY
计算机网络
第 3 章 物理层
主讲： 计算机系 刘生
章节内容
第3章 物理层
3.1 物理层概述
3.2 数据通信基础 3.2.1 数据通信系统的模型 3.2.2 数据通信的几个基本概念 3.3 基带传输与宽带传输
4B/5B编码
• 4B/5B编码是将要发送的数据流分为4bit一 组，然后按照4B/5B编码规则转换为相应的 5bit编码，编码的效率可以达到80%
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理想低通信道下的奈氏准则
（1）理想低通信道 对于信号的低频分量，只要其频率不超 过某个上限值，都能够不失真的通过此信 道。而频率超过该上限值的所有高频分量 都不能通过该信道。 （2）奈氏准则 理想低通信道下的最高码元传输率＝2W Baud W:理想低通信的带宽,单位Hz
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3.3 基带传输与宽带传输
3.3.1 基带传输概述
•传输计算机系统中的二进制数据最直接的方 式就是采用脉冲信号。脉冲信号一般由直流 信号和基频、低频、高频等多个谐波分量组 成。其中从零开始有一段能量相对集中的频 率范围被称为基本频带（base band，简称基 频或基带）。基带属于脉冲信号的固有频率， 与基带对应的数字信号也被称为基带信号。
3.2.2 数据通信的几个基本概念
3.信道
•信道是沿某一方向传送信息的媒体或介质， 是线路的逻辑部件，一条通信线路至少包含 一条发送信道和一条接收信道。
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
信道的分类 （1）从信息交互方式分类 •单工通信：只有一个方向的通信。 •半双工通信：通信双方都可以发送和接收 信 息，但不能同时发送，也不能同时接收。 •全双工通信：通信双方可以同时发送和同时 接收。
原因：信号的传输效率受到实际的物理信道 的干扰，码元传输速率越高，经过信道传输 后的失真度就越大。
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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
3.2.2 数据通信的几个基本概念
• 不论是数据或信号，其数据值可以是模拟 的，也可以是数字的。根据数据的取值方 式不同，可分为数字数据和模拟数据。根 据信号的参数取值方式不同，信号也可分 为模拟信号与数字信号。
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
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理想低通信道下的奈氏准则
（1）理想低通信道 对于信号的低频分量，只要其频率不超 过某个上限值，都能够不失真的通过此信 道。而频率超过该上限值的所有高频分量 都不能通过该信道。 （2）奈氏准则 理想低通信道下的最高码元传输率＝2W Baud W:理想低通信的带宽,单位Hz
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3.2.1 数据通信系统的模型
1．源系统 •也称为发送方或信源，是发送信号的一端。 •一般包括源站和发送器两个部分。 •源站由计算机或服务器等终端设备产生要传 输的数据。 •发送器是对要传送的数据进行编码或者调制 的设备，如各种调制解调器、计算机网卡。
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3.2.1 数据通信系统的模型
2. 目的系统 •目的系统也称为接收方，是接收信号的一端 •一般包括接收器和目的站或信宿两个部分。 •接收器用来接收传输系统传送的信号，并把 信号转换为可以被目的站设备识别与处理的 数据信息。
•目的站从接收器获取传送来的数字比特流， 然后把信息输出。
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3.3.1 基带传输概述
• 通常将数字数据以基带信号形式直接传输的方 式称为基带传输。
• 基带传输是一种非常基本的数据传输方式，它 适合传输各种速率的数据，且传输过程简单， 设备投资少。 • 基带信号的能量在传输过程中很容易衰减，因 此基带传输较多地用于短距离的数据传输 • 基带信号的传输距离在没有信号再放大的情况 下一般不超过2.5 km。
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3.2.1 数据通信系统的模型
3.传输系统
•传输系统在源系统和目的系统之间，是计算 机网络上的数据传输通道，除了源系统和目 的系统外，网络中的其他部分都属于传输系 统。 •可以是简单的传输线，也可以是在源系统和 目的系统之间复杂的网络系统。
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
1.数据和信号 •数据是表示信息的载体。 •信号则是数据的电气或电磁特性的表现。 2.模拟和数字 •模拟就是随时间在连续变化。 •数字就是在时间上是离散的，不连续的，仅 取几个有限的离散数值。
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•宽带信号：将基带信号调制后，形成频分复 用模拟信号，再进行传输。
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
（4）按传输介质分类 • 有线信道 • 无线信道
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4. 奈奎斯特准则
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3.1 物理层概述
3．功能特性
•指各条传输线路上出现的某一电平的电压所 代表的意义，包括接口信号线的功能规定， 接口信号线的功能分类。 4．规程特性 •指明利用接口传输比特流过程中各类事件发 生的合理顺序，包括事件的执行顺序与具体 的数据传输方式。
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3.5.2 时分多路复用
3.5.3 波分多路复用 3.5.4 码分多路复用
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章节内容
3.6 接入网技术
3.6.1 电话拨号接入
3.6.2 DSL接入 3.6.3 混合光纤同轴电缆接入 3.6.4 光纤接入 3.6.5 LAN接入
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理想低通信道下的奈氏准则
Baud（波特），码元传输速率的单位。 1波特为每秒传送1个码元。 即每赫带宽的理想低通信道的最高码元 传输速率为每秒2个码元。
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理想带通信道的奈氏准则
（1）理想带通信道 即频率在f1~f2之间的频率分量能够不失真 的通过此信道，而低于f1和高于f2的频率分量 都不能通过该信道。 （2）奈氏准则 理想带通信道下的最高码元传输率＝1W Baud，即每赫带宽的理想带通信道的最高码元 传输速率为每秒1个码元。 实际信道的最高码元传输速率要低于奈氏 准则的上限值。
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数字数据用数字信号传输时的编码 方法
1 0
基 带 数 字 不归零制编码 NRZ
0
0
1 0
0
1
1
1
1-高 0-低
曼彻斯特编码 1 高 低 0 低 高Βιβλιοθήκη Baidu差 分 曼彻斯特编码 1电平不跳变 0电平跳变
信号 时钟
信号
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4.奈奎斯特准则
• 波特的概念 波特是码元传输速率的单位，码元传输 速率也称为调制速率或波形速率、符号速 率。 • 信道最大数据传输速率与码元之间的关系：
• 其中，M 为信号状态数量； W为信道带宽。
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3.1 物理层概述
2．电气特性 •规定了在物理线路上传输二进制BIT流时，在 线路上信号使用的电压范围、阻抗匹配及传 输距离和传输速率等参数。
•目前使用的电气特性标准定义的都是接口发 送器和接收器的电器特性，还给出了互连电 缆的相关规程。
2018年7月10日8时23分
F(t) t 0
图 3-2 模拟信号波形
F(t)
t 0
图 3-3 数字信号波形
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
• 模拟数据、数字数据和模拟信号、数字信 号的关系及其应用场景
• 数据是针对信息而言的，而信号则是针对 传输的
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3.3.1 基带传输概述
3.3.2 数字数据编码方法 3.3.3 宽带传输技术
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章节内容
3.4 传输介质
3.4.1 有线传输介质
3.4.2 无线传输介质 3.4.3 不同传输介质的比较 3.5 多路复用技术 3.5.1 频分多路复用
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3.2.2 数据通信的几个基本概念
发送 单向通道 (a) 发送 双向通道 接收 (b) 发送 双向通道 接收 (c)
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接收
接收 发送
接收 发送
3.2.2 数据通信的几个基本概念
（2）以传送信号分类 •模拟信道 •数字信道 （3）以传送信号的形式分类 •基带信号：将数字0和1直接用两种不同的电 压表示和传输。
5. 香农公式
• 香农公式表明，信道的带宽以及信道中的 信噪比越大，信息的极限传输速率也就越 高。这意味只要信道的信息传输速率低于 信道的极限信息传输速率，就可能找到某 种办法来实现无差错的传输。
2018年7月10日8时23分
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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
2018年7月10日8时23分
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5. 香农公式
• 香农（Shannon）公式指出信道的极限信息 传输速率 • C=Wlog2(1+S/N) • W：信道的带宽 • S：信道内部所传信号的平均功率 • N：信道内部高斯噪声的功率 • S/N:信道的信噪比
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3.3.2 数字数据编码方法
• 在基带传输系统中要解决的关键问题是数 字数据的编、解码问题。 • 发送端要将二进制数据通过编码(Encoding) 转换为适合在数字信道上传送的基带信号。
• 接收端则要将接收到的基带信号通过解码 ( Decoding)恢复为与发送端相同的二进制数 据
3.2 数据通信基础
• 3.2.1 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
模拟信号
数字比特流
显示 汉字
PC 机
调制解调器 源系统 传输系统 传输 系统
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
举例：
• 假如用带宽为3 kHz的传统电话信道通过调制解调 器来传输模拟信号，受奈奎斯特准则限制，发送 方最多发送6 000个码元。 • 如果信号状态数量 =2，即每个码元携带了1比特 信息，则由式（3-1）可知，此时的电话信道最大 数据传输速率为6 kbps。 • 如果设法将信号状态数量 提高到4，每个码元携 带2比特信息，则此时电话信道最大数据传输速率 为12 kbps。因码元传输率受奈氏准则限制，要提 高信息的传输速率，就必须使每一个码元能携带 更多Bit。
3.6.6 无线接入
3.7 小结
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1.数据通信的基础知识
2.传输介质（媒体）
3. 数字传输系统
4.信道复用技术
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3.1 物理层概述
• 主要任务：确定与传输媒体的接口的一些 特性。 1．机械特性 • 机械特性定义了传输介质接线器、物理接 口的形状和尺寸、引线数目、排列顺序， 以及连接器与接口之间的固定和锁定装置 等。
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第 3 章 物理层
主讲： 计算机系 刘生
章节内容
第3章 物理层
3.1 物理层概述
3.2 数据通信基础 3.2.1 数据通信系统的模型 3.2.2 数据通信的几个基本概念 3.3 基带传输与宽带传输
4B/5B编码
• 4B/5B编码是将要发送的数据流分为4bit一 组，然后按照4B/5B编码规则转换为相应的 5bit编码，编码的效率可以达到80%