物理层基本概念
《计算机网络（第7版）谢希仁著》第二章物理层要点及习题总结
《计算机⽹络（第7版）谢希仁著》第⼆章物理层要点及习题总结1.物理层基本概念：物理层考虑的是怎样才能再连接各种计算机的传输媒体上传输数据⽐特流，⽽不是指具体的传输媒体2.物理层特性：机械特性，电⽓特性，功能特性，过程特性3.数据通信系统：分为源系统（发送端）、传输系统（传输⽹络）、⽬的系统（接收端）三⼤部分，通信的⽬的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号则是数据的电⽓或电磁的表现，通信系统必备的三⼤要素：信源，信道，信宿4.信号： （1）模拟信号（连续信号） 代表消息的参数的取值是连续的，连续变化的信号，⽤户家中的调制解调器到电话端局之间的⽤户线上传送的就是模拟信号。
（2）数字信号（离散信号），代表消息的参数的取值是离散的。
⽤户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话⽹中继线上传送的就是数字信号。
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就称为码元。
在使⽤⼆进制编码时，只有两种不同的码元，⼀种代表0状态⽽另⼀种代表1状态。
（1码元可以携带的信息量不是固定的，⽽是由调制⽅式和编码⽅式决定的，1码元可以携带n bit的信息量，可以通过进制转换和多级电平）5.信道 （1）基本概念：信道⼀般⽤来表⽰向某⼀个⽅向传送信息的媒体，⼀条通信电路往往包含⼀条发送信道和⼀条接收信道。
（2）通信双⽅的交互⽅式： ①单⼯通信（单向通信）：即只能有⼀个⽅向的通信⽽没有反⽅向的交互，例如：⽆线电⼴播，有线电⼴播 ②半双⼯通信（双向交替通信）：即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）。
这种通信⽅式是⼀⽅发送另⼀⽅接收，过⼀段时间后可以再反过来。
例如：对讲机 ③全双⼯通信（双向同时通信）：即通信的双⽅可以同时发送和接收信息。
例如：打电话 （3）调制和解调 原因：信源的信号常称为基带信号（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。
第2章 物理层 _2
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香农(Shannon)定理给出了带宽受限且有 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) bit/s
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； 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。
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常用的双绞线的类别
双绞线 类别 3 4 5 带宽 16 MHz 20 MHz 100 MHz 低速网络；模拟电话 16Mbps令牌环局域网；短距离的10BASE-T以太 网 10BASE-T以太网；某些100BASE-T快速以太网 典型应用
5E（超5 类）
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100 MHz
250 MHz 600 MHz
100BASE-T快速以太网；某些1000BASE-T千兆以 太网
1000BASE-T千兆以太网；ATM网络 屏蔽双绞线，可能用于今后的万兆以太网
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（2）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（也可以是箔状）以 及绝缘保护外层所组成。
如，无线广播和电视信号传播。
双向交替通信（半双工通信）——信息流可以在两个方 向上传输，但同一时刻仅限于一个方向传输。
如，对讲机。 半双工需要频繁调换信道方向，因此效率低，但可以节省传输线 路。
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。
如，计算机之间的通信。
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模拟数据和数字数据
模拟数据
物理层的基本概念
物理层的基本概念
物理层是计算机网络体系结构中的第一层，也是网络通信的最底层。
它负责通过物理媒介传输比特流，将数据从发送方传输到接收方。
以下是物理层的几个基本概念：
1. 媒体传输：物理层负责选择合适的物理媒介，如铜线、光纤或无线电波，来传输数据。
不同的物理媒介具有不同的传输速率和传输距离限制。
2. 数据编码：在物理层中，数据需要经过适当的编码方式转换为比特流。
常见的编码方式包括不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。
3. 时钟同步：为了确保数据的正确传输，发送方和接收方的时钟需要保持同步。
物理层负责确保数据以正确的速率和时序传输。
4. 数据传输模式：物理层定义了数据的传输模式，可以是单工模式、半双工模式或全双工模式。
单工模式只允许数据在一个方向上传输，半双工模式允许数据在两个方向上交替传输，全双工模式允许数据在两个方向上同时传输。
5. 物理地址：物理层使用物理地址来唯一标识网络中的设备。
这些地址通常由网络适配器（网卡）提供，如MAC地址。
6. 基带与宽带传输：基带传输指的是将原始比特流直接传输到物理媒介上，适用于短距离数字通信。
宽带传输则指的是将数
据进行调制，转换为模拟信号再进行传输，适用于长距离传输和高速信号传输。
物理层的主要任务是确保数据在发送方和接收方之间可靠、高效地传输。
它提供了一些基本的传输机制和规范，为更高层的网络协议提供可靠的通信基础。
什么是计算机网络物理层常见的计算机网络物理层技术有哪些
什么是计算机网络物理层常见的计算机网络物理层技术有哪些计算机网络物理层是计算机网络体系结构中的基础层次，其主要功能是提供各种物理传输介质上的数据传输和接收。
物理层通过电气信号、电磁波、光信号等方式，将数据从发送方传输到接收方，并确保数据的可靠传输。
本文将介绍计算机网络物理层的基本概念以及常见的物理层技术。
一、计算机网络物理层的基本概念计算机网络物理层是计算机网络体系结构中的最底层，它直接与各种物理传输介质进行数据传输和接收。
物理层的主要任务包括编码、调制解调、传输介质选择以及物理连接等。
1. 编码编码是指将数字信号转换为模拟信号或数字信号的过程。
传输的数据在计算机中以二进制形式表示，而大多数物理传输介质是通过模拟信号传输的，因此需要进行编码转换。
常见的编码方式有非归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。
2. 调制解调调制解调是物理层中常见的一项技术，它将数字信号转换为适合传输的模拟信号。
发送方通过调制将数字信号转换为模拟信号，接收方通过解调将模拟信号转换为数字信号。
调制解调的常见方式有频移键控调制（FSK）、相位键控调制（PSK）、振幅键控调制（ASK）等。
3. 传输介质选择传输介质是指计算机网络中用于数据传输的物理媒介，常见的传输介质包括双绞线、同轴电缆、光纤等。
选择适合的传输介质对于物理层的性能和数据传输速率至关重要。
4. 物理连接物理连接是指将计算机网络中的各个节点通过传输介质进行连接的过程。
物理连接可以通过直接连接、交换机、集线器等实现。
物理连接的稳定性对于数据传输的可靠性和网络性能有着重要的影响。
二、常见的计算机网络物理层技术计算机网络物理层涉及到多种技术，下面将介绍一些常见的物理层技术。
1. 以太网以太网是一种常见的局域网技术，它使用双绞线或光纤作为传输介质，通过载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议进行数据传输。
以太网具有数据传输速率快、成本低廉等特点，广泛应用于局域网和广域网。
第3章：物理层
地球表面
电离 层
地球表面
《计算机网络》第3章 物理层
（2）蜂窝无线通信 小区制：每个小区设立一个基站(覆盖半径1～20km)。基站 之间通过电缆、光缆或微波与移动交换中心连接。
第一代蜂窝移动通信（1G）系统属于模拟移动通信。 第二代蜂窝移动通信（2G，80年代中期）系统为数字移动通信。 第三代蜂窝移动通信（3G，90年代中期）系统将地面、卫星移动通信 网和固定通信网互连。
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《计算机网络》第3章 物理层
模拟信号波型
V(t)
0
t
数字信号波型
V(t)
0
t
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《计算机网络》第3章 物理层
3.2.2 数据传输类型与通信方式
网络中两台计算机通信的过程
通信子网
路由器E 路由器A 主机A 路由器C
路由器F 路由器B 主机B 路由器D
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《计算机网络》第3章 物理层
网络通信系统设计中要解决的几个基本问题：
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《计算机网络》第3章 物理层
3.3.2 模拟数据编码方法
传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适 用于传输音频范围（300Hz～3400Hz）的模拟信号， 无法直接传输计算机的数字信号； 为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数 字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟 信号； 将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称 为调制，将调制设备称为调制器（modulator）； 将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称 为解调，将解调设备称为解调器（demodulator）； 同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器 （modem）。
第二章物理层
频率 4 频率 3 频率 2 频率 1
时间
非对称数字用户线路（ADSL）
ADSL是一种实现宽带接入互联网的技术，采 用频分复用技术把普通的电话线分成了电话、上 行和下行三个相对独立的信道。提供最高1Mbps 的上行速度和最高24Mbps的下行速度。 （0Hz~1.1MHz频段划分成256个4.3kHz的子频带。 4kHz、20kHz~138kHz、138kHz~1.1MHz）
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
包层 （低折射率的媒体）
（光纤由石英玻璃拉成细丝，其直径只有8-100um）
光纤的特点： 重量轻：一公里长只有几十克重； 传输速率高：短距离（几十公里）可达2Gbps 长距离可达几百Mbps 误码率低，低于10-10 （双绞线：10-5~6 同轴电缆：10-7-9） 不受电磁干扰，保密性好，传输损耗极低 衰减少,在6-8公里距离内不使用中继器
选择某一角频率的正佘弦信号做为载波
对基带数字信号的三种调制方法 （模拟数据编码方法）
基带信号 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。 调相(PM) 载波的初始相位随基带数字信号而变化。 正交振幅调制 QAM 0 1 0 0 1 1 1 0 0
通信方式
1. 串行传输与并行传输 串行传输：低位先传，远距离 并行传输：并排传送，近距离 2. 同步传输和异步传输 同步传输：使用同时钟，高效率，同步控制装置 异步传输：不同时钟，起始位和停止位，效率低 传输时字符间异步，字符内各位同步
通信方式
3.单工/半双工/全双工
精选第6章物理层1资料
计算机网络技术基础
6.2.5 数据的通信方式
1.并/串行通信
并行通信是指数据以成组 的方式在多个并行信道上同时 进行传输。 特点：速度快，常用于计算机 内部总线以及并行口通信。使 用线路多，费用高，仅适合于 近距离和高速率的通信。
物理层的协议定义了物理层与物理传输媒体之间的 接口，主要包括四个特性：机械特性、 电气特性 、 功能特性 、规程特性。
计算机网络技术基础
6.2数据通信的基本知识
6.2.1信息、数据与信号 1. 信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种
认识，也是人们通过通信系统传递的内容。信息的载 体可以是数字、文字、语音、图形、图像和动画等。 2. 在网络中传输的二进制代码被称为数据，因此可以认 为数据是信息的载体，是信息的表现形式，而信息是 数据的具体含义。 数据的形式有两种：模拟数据和数 字数据。
频带信号是基带信号经过调制后形成的频分复用模拟信号。 所谓频带传输，是指在模拟信道上传输数字信号的方法。采用频 带传输方式时，发送端和接收端都要安装调制解调器。
计算机网络技术基础
4．同步和异步传输 （1）异步方式
异步传输方式一般以字符为单位传输，每传送一个字符（7 或8位）都要在前面加1个起始位，极性为“0”，表示字符代码的 开始；在后面加1～2个停止位，极性为“1”，表示字符代码的结 束。接收方根据起始位和停止位来判断一个字符的开始和结束， 从而使通信双方实现同步。
FSK是通过改变载波信号频率的方法来表示数字 数据“1”和“0”的，用频率f1表示数据“1”，用频率f2 表示数据“0”，而载波信号的参数A和φ不变。
计算机网络原理 物理层的基本概念
计算机网络原理物理层的基本概念
物理层为传输二进制比特流数据而建立、连接、释放物理连接提供机械的、电气的、功能的、规程性的特性。
这种物理连接可以通过中继系统，每次都在物理层内进行二进制比特流数据的编码传输。
这种物理连接允许进行全双工或者半双工的二进制比特传输的通信方式。
物理层服务数据单元（即二制比特流）的传输可通过同步方式进行。
物理层向上毗邻数据链路层，向下直接与传输介质相连接。
它起着数据链路层和传输介质之间的逻辑接口作用。
通信子网分为点到点通信线路通信子网与广播信道通信子网：广域网主要采用点到点通信线路；局域网与城域网一般采用广播信道。
由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线路，另一类是基于广播信道。
物理层考虑的是如何在传输媒体上传输数据比特流，而不是传输媒体或物理设备本身。
物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的4个特性：
●机械特性接口的形状、尺寸、引线数目、排列顺序等。
●电气特性接口电缆上各线的电压范围。
●功能特性指明某条线上某一电平的电压代表何种意义。
●规程特性指明各种可能事件的出现顺序。
物理层的标准
物理层的标准一、物理层的基本概念物理层是通信网络体系结构中的最底层，负责传输原始比特流，是实现通信的物理介质和硬件设备，包括网络线缆、收发器、光模块、无线设备等。
物理层的主要任务是建立、维护和释放物理连接，确保原始数据的传输。
二、物理层标准化的重要性物理层标准化对于通信网络的互操作性和互通性至关重要。
通过标准化，不同厂商的设备可以实现统一的物理层接口和传输规范，确保设备之间的兼容性和互操作性。
这有助于降低设备采购成本、简化网络管理和维护，提高网络的可靠性和性能。
此外，物理层标准化还能促进技术创新和市场发展，推动通信行业的进步。
三、常见的物理层标准1.Ethernet标准：以太网是目前应用最广泛的局域网技术，其物理层标准包括10BASE-T（使用双绞线）、100BASE-TX（使用双绞线）、1000BASE-T （使用双绞线）、10GBASE-T（使用光纤）等。
这些标准规定了不同传输速率和距离的要求。
2.光纤技术标准：光纤技术广泛应用于长途通信和高速数据传输。
常见的光纤技术标准包括单模光纤和多模光纤，以及不同波长和传输速率的光纤技术规范。
3.无线通信标准：无线通信技术中，常见的物理层标准包括WiFi （802.11系列）、WiMAX（802.16系列）、ZigBee（802.15.4）、蓝牙（802.15.1）等。
这些标准规定了无线信号的频段、调制方式、传输速率等参数。
4.其他物理层标准：除了上述标准外，还有许多针对特定应用领域的物理层标准，如工业自动化领域的现场总线标准、智能交通系统中的通信协议等。
四、物理层标准的制定过程物理层标准的制定通常由国际标准化组织（ISO）、电气和电子工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）等机构完成。
这些组织通过收集业界需求、组织专家讨论、开展实验验证等方式，制定出统一的物理层标准。
标准的制定过程中还需考虑各种因素，如传输介质、信号处理技术、传输距离和传输速率等，以确定最佳的技术参数。
计算机网络第3章 物理层
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3.2 数据通信基础知识 基本概念： 数据通信：依照一定协议，利用数据传输技术在两个终端之 间传递数据信息的一种通信方式和通信业务。
数据(Data)：传递（携带）信息的实体。 模拟(Analog)数据：用连续变化形式表示的数据。 数字(Digital)数据：用不连续变化形式表示的数据。 信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），是数据 的电气或电磁表现，数据以信号的形式传播。 模拟信号：是指随时间连续变化的信号，时间上连续，包 含无穷多个值。 数字信号：是指其值用离散状态（即所谓的“二进制信号 ”） 表示的信号。时间上离散，仅包含有限数目的 预定值。 2015/7/7 page 6
基带信号：将数字信号1或0直接用不同的电压来表示，然后送
到线路上去传输。 宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。 经过调制的基带信号在不同频段，可以在一条电缆 中同时传输多路信号而不会发生相互干扰，提高
线路利用率。
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信号种类图示： t
用电平的高低分 别表示0或1
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由于计算机和终端设备之间的数据通信一般是双向的，所以把 这两个设备合在一起形成我们通常所说的调制解调器（Modem）。 调制解调器提供全双工的数字信道。
数据
调制器
解调器
数据
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电话 线 RS232电缆线 COM1或COM2 串行口
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构成：本地回路、交换局、干线
双绞线
光纤、微波、同轴
双绞线
端局
长途局
2-1 物理层基本概念和传输媒体
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物理层的传输媒体（1）
v交叉方式：联线一边是568A标准，另一边568B 标准 v适用场合：两主机或交换机直接相连
EIA/TIA568A连接标准
工作站 工作站
针号： 1 一端：白绿 另端：白橙
2 绿 橙
3 白橙 白绿
4 蓝 蓝
5 6 白蓝 橙 白蓝 绿
7 白棕 白棕
8 棕 棕
(b)采用EIA/TIA568A连接标准交叉方式
功能特性
过程特性
物理层的基本概念
【物理层标准举例—EIA-232接口标准】
r1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963年提 出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出 RS-232-C。用于DTE/DCE之间的接口。RS—推荐标 准，232—标识号码，E—标准已被修改过的次数。
DCE-A
EIA-232/V.24 接口
调制解调器
网络 串行比特传输
调制解调器
EIA-232/V.24 接口
rDCE将DTE传过来的数据按比特顺序逐个发往传输线路， 或从传输线路收下串行的比特流交给DTE。 r为了减轻数据处理设备用户的负担，必须对DCE与DTE 的接口进行标准化。这种接口标准就是物理层协议。
注意：有些网卡或交换机能自适应直通和交叉方式
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物理层的传输媒体（1）
物理层的传输媒体（1）
屏蔽双绞线：内部与非屏蔽双绞线电缆一样是双绞铜
线，外层由铝箔包着。
rSTP在抗干扰方面优于UTP，但相对要贵一些。 r屏蔽双绞线除了用于IBM网络产品安装，并未普遍
流行起来。
物理层的传输媒体（2）
【同轴电缆】 【结构】：
物理层的传输媒体（3）
2.1物理层基本概念
2.1物理层基本概念2.1物理层基本概念接⼝特性典型的数据通信模型数据通信相关术语通信⽅式：单⼯通信半双⼯通信全双⼯通信传输⽅式：串⾏并⾏传输同步吗同步异步物理层物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据⽐特流，⽽不是指具体的传输媒体。
物理层主要任务:确定与传输媒体接⼝有关的⼀些特性，即定义标准接⼝特性机械特性——定义物理连接的特性，规定物理连接时所采⽤的规格、接⼝形状、引线数⽬、引脚数量等等。
例如，定义⼀个插座⼏个孔，⼀个路由器⼏条天线。
电⽓特性——规定传输⼆进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等例如，某⽹络在物理层规定,信号的电平⽤+10V~+15V表⽰描述⼀个物理⼆进制0，⽤-10V ~-15V表⽰⼆进制1，电线长度限于15m以内题⽬中多为选择哪个属于什么特性，⼀般出现了数字，那基本上就是电⽓特性了功能特性——指明某条线上出现的某⼀电平表⽰何种意义，接⼝部件的信号线的⽤途。
描述⼀个物理层接⼝引脚处于⾼电平时的含义时，就像电饭煲的到达某个温度就跳闸，表⾯饭熟了规程特性(过程特性）—— 定义各条物理线路的⼯作规程和时序关系。
典型的数据通信模型数据通信相关术语通信的⽬的：传送消息（消息∶语⾳、⽂字、图像、视频等)。
数据data ∶传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号︰数据的电⽓/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
数字信号/离散信号:代表消息的参数的取值是离散的。
模拟信号/连续信号∶代表消息的参数的取值是连续的。
信源︰产⽣和发送数据的源头。
信宿∶接收数据的终点。
信道︰信号的传输媒介。
⼀般⽤来表⽰向某⼀个⽅向传送信息的介质。
因此⼀条通信线路往往包含两条信道，⼀条发送信道，⼀条接收信道。
分类：数据通信：指在不同计算机之间传输表⽰信息的⼆进制数0、1序列的过程。
设计数据通信系统要考虑的3个问题采⽤单⼯通信/半双⼯/全双⼯通信⽅式?采⽤串⾏通信/并⾏通信⽅式?采⽤同步通信/异步通信⽅式?通信⽅式：如何邀请你来散步？单⼯通信⼴播：⼀个⼈说话，⼤家听只有⼀个⽅向的通信⽽没有反⽅向的交互，仅需要⼀条信道。
《计算机网络》谢希仁第二章物理层复习资料
第二章物理层2.1 物理层的基本概念用于物理层的协议也常称为物理层规程物理层的主要任务：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∙功能特性∙过程特性数据在计算机内部多采用并行传输方式，但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输。
2.2 数据通信的基础知识2.2.1数据通信系统的模型由原系统（发送端、发送方）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端，接收方）组成信号的分类：模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。
2.2.2有关信道的几个基本概念双方信息交互的方式●单工通信（单项通信）●双半工通信（双向交替通信）●全双工通信（双向同时通信）来自信源信号常称为基带信号（即基本频带信号）调制：基带调制（编码）：数字信号->数字信号带通调制（需要使用载波）：数字信号->模拟信号常用编码方式●不归零制：正电平代表1，负电平代表0●归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0●曼切斯特编码（常用）：位周期中心的向上跳变代表0，向下跳变代表1.●差分曼切斯特编码：在每一位中心处始终都有跳变。
位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1.基本的带通调制方法：⏹调幅（AM）⏹调频（FM）⏹调相（PM）2.2.3信道的极限容量奈氏准则(理想条件下）：在任何信道中，在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就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。
香农公式(带宽受限、高斯白噪声)指出：信道的极限信息传输速率 C 可表达为C = W log2(1+S) (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信噪比=10 log10 (SN) (dB）提高信息传输速率的方法：●提高信道带宽●提高信噪比●提高每个码元携带的信息量2.3 物理层下面的传输媒体2.3.1导引型传输媒体1.双绞线（双扭线）2.同轴电缆50Ω同轴电缆——LAN/数字传输常用70Ω同轴电缆——有线电视/模拟传输常用3.光缆2.3.2非导引型传输媒体1.无线传输2.短波通信3.无线电微波2.4 信道复用技术●频分复用FDM：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源●时分复用TDM（等时信号）：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。
第二章 物理层
• 任何周期函数都可以由（无限个）正弦函数和余弦函数合成。 • 周期信号的傅立叶展开式
基本概念
信道的带宽
– 根据傅立叶分析理论：
• 标准的正弦波或余弦波只有一个频率； • 非标准正弦波或余弦波都是由若干个不同频率的正弦波和/或余 弦波叠加而成的； • 方波是由无穷多个不同频率的正弦波和余弦波叠加而成的。
(b)
数据通信方式
单工、半双工与全双工通信
发送 单向通道 接收
(a)
发送 接收 接收 发送
双向通道
(b)
发送 接收 接收 发送
双向通道
(c)
数据通信方式
同步通信与异步通信
数据通信方式
假设T=0.5mm，T′=0.6mm，则第6位出现错误
数据通信方式
位同步
– 外同步法 – 内同步法
字符同步
– 同步式(synchronous) – 异步式(asynchronous)
– 在数据的发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上 传输的模拟信号，称为调制(modulation)； – 在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号， 称为解调制(demodulation)。
频带传输技术
调制解调器工作原理
频带传输技术
调制解调器全双工通信原理
电话交换网通频带 下频带 0 1 0 上频带 1
模拟数据编码方法
混合调制 – QAM (Quadrature Amplitude Modulation) »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。
计算机网络 第二章物理层
在电话语音信道上
• 采用二值信号编码，波特率等于比特率。 • 假设比特率为b，发送8比特所需要得时间T=8/b秒，因而
一次谐波的频率即基频f =1/T=b/8Hz。 • 话音信道的截止频率约为3000 Hz，采用二值信号编码，
则话音信道能通过的最大谐波次数为： 3000/f =24000/b次。
• 在接受端要想辨认传来的信号，信道必须允许信号的十次 谐波通过，所以话音信道的极限信号传输速率为2400波特。
• 数据传输速率是指每秒钟传输的二进制位数，单位为比 特/秒（bit/s=b/s=bps）。又称位速率或比特率。
（注：1Kbps=1000bps，1Mbps=1000Kbps， 1Gbps=1000Mbps，1Byte/s=1Bps=8bps）
波特率和比特率
• 波特率RB与比特率Rb的关系：Rb=RB·log2V
• 几 比个 。低次谐波振幅的平方根√—an—2 +—bn—2 与相应频率处的能量成正 • 有限带宽的信道会对所传信号各次谐波的振幅作不等量的衰减及
相位延迟。 • 要保证信号的传输质量，信道的带宽必须适应或高于信号的带宽。
• (a)为原始二进制 信号和它前15次 谐波的平方根振 幅。
(b)~(e)为前几次 谐波的合成。
距离 最后的信号（还包括噪声）
距离
几个基本概念
• 信道带宽（bandwidth）是指信道上所能传输的电信号 的频率范围，单位为赫兹（Hz）。
• 信号的带宽是指信号的能量按频率分布最集中的区域， 单位为赫兹（Hz）。
• 信号传输速率是指每秒钟传送的信号数量（码元数）， 单位为波特（Baud）。也叫码元速率或波特率。
• 任何持续时间有限(T)的非周期为函数g(t),可以把它想象 成一个周期为T的函数,从而分解成无数个正旋和余旋函 数
物理层的基本概念
现代计算机网络中的物理设备和传输介质的种类繁多，而 通信手段也越来越丰富，物理层在数据链路层和传输介质之间 起了屏蔽和隔离作用，使数据链路层感觉不到这些差异，这样 就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务， 而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。
信宿(也称受信者或接收终端)是将复原的原始信号转换成相应 的信息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音，终 端或计算机将对方传来的电信号还原成文本数据或图像数 据等。
2.2 数据通信的基本知识
有关信道的基本概念
通信方式是指数据在信道上传输所采取的方式。通常有三种分类 方法，按数据代码传输的顺序分为：串行传输和并行传输； 按数据传输的同步方式分为：同步传输和异步传输；按数据 传输的流向和时间关系分为：单工、半双工和全双工传输。
源系统
传输系统
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
接收器
终点
接收
输
输
的信号
出
出
数
信
据
息
2.2 数据通信的基本知识
信息源(简称信源)的作用是把待传输的数据转换成原始电信号， 如电话系统中的电话机、网络系统中的终端或计算机等都 可看成是信源。
信道是信号传输的通路，信道中自然会叠加上噪声。
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码 间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
2.2 数据通信的基本知识
常用的编码方式
比特流 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 不归零制
第二章 物理层
7
2.1.4物理层协议举例
1.DTE设备与DCE设备 数据终端设备（Data Terminal Equipment ，DTE ）是具有一定数据处理能力和数据发送接收能力的 设备，包括各种I/O设备和计算机。由于大多数的 数据处理设备的传输能力有限，直接将相距很远的 两个数据处理设备连接起来是不能进行通信的，所 以要在数据处理设备和传输线路之间加上一个中间 设备，即数据线路端接设备（Data Circuitterminating Equipment ，DCE）。DCE在DTE和传 输线路之间提供信号变换和编码的功能。
谢希仁22数据通信的基础知识221数据通信系统的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器pc机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息pc机数据通信基础知识基本概念?信息?人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识?表示信息的形式可以是数值文字图形图像声音等?数据?把事件的某些属性规范化后的表现形式?信号?是数据的具体的物理表现
16
4.1 物理层的基本概念
2.1.4物理层协议举例
2.RS-232接口特性 4）过程特性 （5）当DTE-A要发送数据时，将其引脚4“请求发
送”置为“ON”。DCE-A响应将其引脚5“允许发送 ”置为“ON”。然后DTE-A通过引脚2“发送其数据 ”。DCE-A将数字信号转换为模拟信号向DCE-B发送 过去。 （6）DCE-B将收到的模拟信号转换为数字信号，经 过引脚3“接收数据”向DTE-B发送。
绪”置为ON，同时通过引脚2“发送数据”向DCE-A 传送电话号码信号。 （2）DCE-B将引脚22“振铃提示”置为ON，表示通 知DTE-B有入呼叫信号到达。DTE-B就将其引脚 20“DTE就绪”置为ON。DCE-B接着产生载波信号， 并将引脚6“DCE就绪”置为“ON”，表示已做好准 备接收数据。
物理层一
33
1．异步传输方式
异步传输方式特点是一个字符一个字符传输， 每个字符由四个部分组成：起始位（占1位）， 数据位（占5～8位），奇偶校验位（占1位， 也可以没有校检位），停止位（占1位或1位半 或2位），每传送一个字符都是以起始位开始， 以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔 要求。 一帧数据的格式如图3-21所示。
（a）单工传送
（b）半双工传送 图 3-20 三种传送方式
（c）全双工传送
32
3.3.2 异步传输和同步传输
在传送数字信号时，接收端必须有与数据位脉 冲相同的频率的时钟来逐位将数据读入寄存器。 这种在接收端使数据位与时钟在频率和相位上 保持一致的机制成为同步。实现这种同步的技 术称为同步方式。 根据在接收端获取同步信号的方法不同，同步 方式分为字符同步方式和位同步方式，也称异 步传输方式和同步传输方式。
30
3.3 通信方式与交换方式
3.3.1数据通信方式 串行通信中，数据通常是在两个站（如终端和 微机）之间进行传送，按照同一时刻数据流的 方向可分成三种基本传送模式，这就是全双工、 半双工和单工传送。如图3-20所示。
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数据通信方式
发 送 器 接 受 器 发 器 送 接 受 发 器 送 接 受 发 器 送 接 受 发 器 送 接 受
物理层的主要任务描述为确定与 传输媒体的接口的一些特性，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。 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。
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Z全双工：数据可以双向同时传输（例：电话）
需要具有两条物理上独立的传输线路； 或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用
于不同方向的信号传输。
5
单工方式： 发送器
接收器
半双工方式： 发送器/ 接收器
不可同时 可同时
发送器/ 接收器
12
2
5 模拟传输v.s.数字传输
不同类型的信号在不同类型的信道上传输 有4种情况： 数据：模拟数据 数字数据
信号：模拟信号 数字信号
信道：模拟信道 数字信道
13
模拟信号和数字信号
Z模拟信号
时间上连续，包含无穷多个信号值
Z数字信号
时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的 是二值信号
传输方式
速率/ 工作频带
宽带 基带
≤1Gb/s
基带
10Mb/s
传输距离
模拟: 10km 数字: 500m
<3km
性能 较好 较好
75Ω 同轴电缆
宽带
≤450MHz
100km
较好
光纤 微波 卫星
基带 宽带 宽带
40Gb/s 20km以上 很好
4-6GHz 1-10GHz
几百km 18000km
好 很好
码），数据以信号的形式在介质中传播。
模拟信号、数字信号
Z 信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）。 Z 比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的
比特数（即数据传送速率）。 Z 码元（Code cell）：时间轴上的一个信号编码单元。
2
1. 数据通信系统的模型
通信的三个要素：信源、信宿和信道
Z 数字通信
在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输
Z 模拟通信
在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输
数字通信的优点
Z 抗噪声（干扰）能力强 Z 可以控制差错，提高了传输质量 Z 便于用计算机进行处理 Z 易于加密、保密性强 Z 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活 Z 计算机通信采用模拟信道的例子：电话线拨号上网。
信源
发送器
信道
接收器
信宿
源系统
噪声
目的系统
任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信 号产生干扰，称为“噪声”。
外界：闪电、串扰、电气设备 内部：介质特性（衰减、延迟－与频率有关）
3
基带/频带/宽带传输
Z基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号 直接在信道上传送。 例如：以太网（局域网）
Z频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再 传送，接收方需要解调。 例如：通过电话网络传输数据
Z宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几 百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：闭路电视的信号传输
4
2. 信道的方向
单/双工通信——单/双向传输 Z单工：数据单向传输（例：无线电广播）
Z用于理想信道 Z数据传输率随信号编码级数增加而增加。
C = W log2（1+S/N）
Z用于有噪声信道 Z无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有
噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。 ZThat is：噪声的存在将使编码级数不可能无限增
加。 10
4 常用的传输介质
传输介质
双绞线 50Ω 同轴电缆
8
Shannon公式：用于有噪声干扰信道
C = W log2 （1+S/N）
C: 传输率，单位b/s W: 带宽，单位Hz S/N: 信噪比
例：电话话路信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000， 则 C = 3100×log2（1+2000）≈ 34kb/s
即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。
t
t
a） 模拟信号
b） 数字信号
14
数字信道和模拟信道
数字信道：以数字脉冲形式（离散信号） 传输数据的信道。
Z计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输 ZADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网
模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据 的信道。
ZCATV、无线电广播、电话拨号线路
15
数字通信与模拟通信
16Байду номын сангаас
模拟传输和数字传输所使用的技术
模拟数据，模拟信号
话音
模拟
移频,调制
模拟数据，数字信号
模拟
数字
PCM编码
数字数据，模拟信号
数字 1010
模拟 调制
数字数据，数字信号
数字
数字
1010
数字编码
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编码与调制的区别
Z编码：用数字信号承载数字或模拟数据 Z调制：用模拟信号承载数字或模拟数据
价格 低
较低 较低 较高 中等
高
应用
模拟/数字 信号传输 基带数字信
号
模拟电视、 数据及音频
远距离高速 数据传输
远程通信
远程通信
11
屏蔽双绞线(STP)
以铝箔屏蔽以减少干 扰和串音，应用较少
非屏蔽双绞线(UTP)
双绞线外无任何屏蔽 层，应用广泛
常用的双绞线：3类（16Mb/s） 和5类（155Mb/s）两种
例如：当波特率为9600时 若M=2，数据传输率为9600b/s 若M=16，数据传输率为38.4kb/s
7
Nyquist公式：用于无噪声理想信道
理想低通信道：
C = 2W log2 M
理想带通信道：
C = 数据传输率，单位b/s W = 带宽，单位Hz M = 信号编码级数
C = W log2 M
第2章 物理层
本章内容
Z信道及传输能力 Z传输介质 Z数字与模拟传输 Z编码与调制的概念 Z多路复用技术 Z物理层协议的要点
数据通信与计算机网络 面向专业：信通系 授课教师：刘剑毅
1
基本概念
物理层的术语
Z 数据（Data）：传递（携带）信息的实体。 Z 信息（Information）：是数据的内容或解释。 Z 信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编
全双工方式：
发送器/ 接收器
A站
发送器/ 接收器
B站
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1
3 传码率与传信率
Z波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率 为每秒传送的码元数。
Z比特/秒：传信率的单位。
Z传码率与传信率的换算：
二进制：相等；
M进制：
Rbit = Rbaud log2M
上式中： M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率
信信噪噪比比的的单单位位也也可可用用分分贝贝((ddBB))表表示示：：SS//NNddBB==1100lloogg1100SS//NN 所所以以，，若若SS//NNddBB==3300ddBB，，则则SS//NN==11000000。。
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Nyquist公式和Shannon公式的比较
C = 2W log2M