第二章 物理层

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信道的极限信息传输速率
➢ 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。
双绞线
卫星
光纤
同轴电缆
地面微波
海事 调幅 无线电 无线电
调频 移动 无线电 无线电
电视
波段
LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF
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1.导引传输媒体
（1）双绞线
把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法 绞合(twist)起来就构成了双绞线。
从用户电话机到交换机的这段线称为用户线或用户环路 (subscriber loop)。
输入脉冲
单模光纤
输出脉冲
42
图2-13 四芯光缆剖面的示意图
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图2-5是电信领域使用的电磁波的频谱。
f (Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024
无线电 微波
红外线
X射线
射线
可见光 紫外线
f (Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016
➢多模光纤：只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一 个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入 射的光线在一条光纤中传输。 (如下页图 所示)。
多模光纤
输出脉冲
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➢ 单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤 就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生 多次反射。 (如下页图 所示)。
在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法。如曼彻斯特 (Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。
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② 75 同轴电缆
75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆。 在计算机通信中，“宽带系统” 是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。
一般采用双电缆系统和单电缆系统的方式进行连接。 ③93 同轴电缆
源系统
传输系统
目的系统
输 源点 入 信 息
输 发送器 发送的
传输 系统
接收的 接收器
入
信号
信号
数
码元传输速率受
据
奈氏准则的限制
信息传输速率受
香农公式的限制
终点
输
输
出
出
数
信
据
息
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（4） 传输方式
串行传输：物理连接上的传输方式，即一个比特一个比特 地按照时间顺序传输。 并行传输：采用多个比特同时传输的方式(计算机内部)。
频率(Hz)
➢ 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码 元。
➢ Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1个 码元(码元/秒) 。
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另一种形式的奈氏准则
理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud
W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz)
不能通过
0
能通过 W (Hz)
公用电话网
源系统
传输系统
模拟信号 数字比特流 正文
调制解调器 PC 机 目的系统
输 源点 输 发送器
发送
传输 系统
入
入
的信号
信
数
息
据
接收
接收器 输
终点
输
的信号
出
出
数
信
据
息
6
源系统一般包括以下两个部分： ① 源站。 ② 发送器。 目的系统一般包括以下两个部分： ① 接收器。 ② 目的站。
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（4） 传输方式
➢ 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
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2.3 物理层下面的传输媒体
33
（3）同轴电缆
同轴电缆由内导体铜质芯线(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(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组 成(参见下页图)。
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同轴电缆
绝缘保护套层 外导体屏蔽层
绝缘层 内导体
35
通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为三类： ① 50 同轴电缆：又称为基带同轴电缆。
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➢基本原理
光线在光纤中的折射
包层
纤芯
折射角
入射角
包层 （低折射率的媒体）
纤芯 （高折射率的媒体）
包层 （低折射率的媒体）
39
➢基本原理
图2-11画出了光波在纤芯中传播的示意图。
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
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➢光纤类别:多模光纤与单模光纤
输入脉冲
➢ 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。
下页图给出了一个数字信号通过实际的信道和质量很差的 信道时的输出波形。
15来自百度文库
失真不严重
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
输入信号波形
输出信号波形 (失真不严重)
失真严重
质量很差的信道
输入信号波形
输出信号波形 (失真严重) 16
下页图是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。
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（2）双绞线的比较
无屏蔽双绞线 UTP
屏蔽双绞线 STP
聚氯乙烯 套
绝缘层
铜线
层
聚氯乙烯 套层
常
类别
带宽
典型应用
用
3
16MHZ
低速网络；模拟电话
双
4
20MHZ
短距离的10BASE-T以太网
绞
5
100MHZ
10BASE-T以太网；某些100BASE-T快速以太网
10
①常用编码方式
01110001 归零制
不归零制
曼彻斯特 差分
曼彻斯特
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基带(baseband)信号和带通(band pass)信号
基带信号（即基本频带信号）像计算机输出的代表各种文字或图像 文件的数据信号都属于基带信号。
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。因此必须对基带信号进行 调制(modulation)。
调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化，即相移键 控PSK (Phase-Shift Keying)。
13
②基本调制方法
基带信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 调幅 调频 调相
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（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。
7
几个术语
指话音、文字、 图像和视频等。
➢ 数据(data)——运送消息的实体，有意义的符号序列。 ➢ 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
“模拟信号”(analogous)——连续变化的。 “数字信号”(digital)——取值是离散数值。 ➢ 调制——把数字数据转换为模拟信号的过程。 ➢ 解调——把模拟信号转换为数字数据的过程。
S/N为信噪比
22
香农公式表明
➢ 信道的带宽或信道中的信噪比S/N越大，则信息的极限传输速 率就越高。
➢ 信噪比为S/N，一般用分贝(dB)作为度量单位。 信噪比(dB)=10log10(S/N)
➢ 当S/N=10时，信噪比为10 dB； ➢ 当S/N=1000时，信噪比为30 dB；
23
香农公式表明
93 同轴电缆也是基带同轴电缆，物理结构类似于50 细同轴电缆。
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（4）光纤
光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层 构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 ~ 100 m。正 是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。
当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将 大于入射角(如下页图所示)。
原因
➢ 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超 过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对 码元的正确判决（即识别）成为不可能。
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奈氏(Nyquist)准则
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud
W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
能通过
0
W (Hz)
不能通过
第2章 物 理 层
物理层的基本概念 数据通信的基础知识 物理层下面的传输媒体( 重点) 信道复用技术 数字传输系统 互联网接入技术
1
1
重点
物理层下面的传输媒体 信道复用技术 互联网接入技术
难点
互联网接入技术
2
2
2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识
重点：数据通信的基本概念。 难点：信道的极限容量。
➢ 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。
➢ 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。
➢ 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。
24
奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作 用范围
3
1. 物理层基本概念
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一 些特性，即：
机械特性 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。
电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范 围。
功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何 种意义。
过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺 序。
①将计算机与交换机连接 一端(T568B) ：
白橙，橙，白绿，蓝，白蓝，绿，白棕，棕。 另一端(T568B) ：
白橙，橙，白绿，蓝，白蓝，绿，白棕，棕。 ②将计算机与计算机直接相连 一端(T568B) ：
白橙，橙，白绿，蓝，白蓝，绿，白棕，棕。 另一端(T568A) ：
白绿，绿，白橙，蓝，白蓝，橙，白棕，棕。
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2. 数据通信的基础知识
（1） 数据通信系统的模型
两个PC机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网 进行通信。如图2-1所示，一个数据通信系统
可划分为三大部分，即
• 源系统(或发送端) • 传输系统(或传输网络) • 目的系统(或接收端)
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数据通信系统
数字比特流 模拟信号
正文 PC 机
调制解调器
带通信号(在计算机网络中常叫做宽带信号)——把基带信号经过载 波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输 （即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
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②基本调制方法
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化，即幅移键控 ASK (Amplitude-Shift Keying)。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化，即频移键控 FSK (Frequency-Shift Keying)
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（2） 编码与调制
通常人们将数字数据转换成数字信号的过程称为编码(coding); 而将数字数据转换成模拟信号的过程称为调制(modulation)。
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①常用编码方式
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。 曼彻斯特编码：位周期中心的上跳变代表0，位周期中心的下跳 变代表1。 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边 界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。
重点：导引型传输媒体和非导引型传 输媒体
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物理层下面的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中 在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可分为两大类，即导引传输媒体和非导引传输媒体。 导引型传输媒体指固定媒体（铜线或光纤），非导引型媒体常 称为无线传输。图2-5是电信领域使用的电磁波的频谱。
不能通过
频率(Hz)
➢ 每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。
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要强调以下两点
➢ 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏 准则所给出的上限数值。
➢ 波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码 元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。 比特是信息量的最小单位。
线
5E-超5
100MHZ
100BASE-T快速以太网；
的
类
某些1000BASE-T吉比特以太网
类
6
250MHZ
1000BASE-T吉比特以太网；ATM网络
别
7
600MHZ
只使用STP，可用于10吉比特以太网
屏蔽层
铜线
绝缘层
绞合度不同的双绞线
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在利用RJ45的双绞线制作网线时，在下列两种情况下的网线两端 的排列方式：
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要注意
➢ 信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量 上却有一定的关系。
➢ 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特” 在数值上相等。
➢ 若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则
M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。