第2章物理层-资料
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[电脑基础知识]第二章 物理层
![[电脑基础知识]第二章 物理层](https://img.taocdn.com/s1/m/981fe7ad02768e9951e738f5.png)
最基本的二元制调制方法有以下几种：
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。
对基带数字信号的几种调制方法
基带信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 调幅 调频 调相
数据通信主要技术指标：
时间
时分复用
频率
B 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
时分复用
频率
C 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
时分复用
时分复用可能会造成线路资源的浪费
使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突 发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
用户
Aa
a
Bb b
C
cc
D
d
时分复用 t
①
t②
每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。
TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽
度。
时分复用
频率
A 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
信号传输类型：
基带传输： 频带传输： 宽带传输：
数据通信：
串行：在传递数据时，依序送出或接收一个 bit
并行：数据在同一时间内，由多条数据线传送 与接收
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。
对基带数字信号的几种调制方法
基带信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 调幅 调频 调相
数据通信主要技术指标：
时间
时分复用
频率
B 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
时分复用
频率
C 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
时间
时分复用
时分复用可能会造成线路资源的浪费
使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突 发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
用户
Aa
a
Bb b
C
cc
D
d
时分复用 t
①
t②
每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。
TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽
度。
时分复用
频率
A 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
信号传输类型：
基带传输： 频带传输： 宽带传输：
数据通信：
串行：在传递数据时，依序送出或接收一个 bit
并行：数据在同一时间内，由多条数据线传送 与接收
计算机网络基础第二章 物理层
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
几个术语
数据(data)——运送消息的实体。
基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号
基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。 带通信号——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）。
数字数据的调制方法
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)。 最基本的二元制调制方法有以下几种：
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。
2.3 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， 是数据传输系统中在发送器和接收器间 的物理通路，有两大类：导向传输媒体 和非导向传输媒体
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用
频率 D 在 TDM 帧中 的位置不变
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
几个术语
数据(data)——运送消息的实体。
基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号
基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。 带通信号——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）。
数字数据的调制方法
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)。 最基本的二元制调制方法有以下几种：
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。
2.3 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， 是数据传输系统中在发送器和接收器间 的物理通路，有两大类：导向传输媒体 和非导向传输媒体
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用
频率 D 在 TDM 帧中 的位置不变
第2章章节 ：数据通信基础跟物理层基础资料
模拟通信、数字通信
• 按照一次传输的数据位数:
串行通信、并行通信
• 按照信号传送的方向与时间的关系
单工通信、半双工、全双工通信
• 按照数据的同步方式:
同步通信、异步通信
7
按照信道传输信号类型分： 模拟通信与数①抗干扰能力强、无噪声积累。（使用转发器而不是放大器） ②便于加密处理。 ③便于存储、处理和交换。 ④设备便于集成化、微型化。
• 每个比特的中间有一次电平跳变； 利用电平跳变可以产生 收发双方的同步信号；
• 差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是：
– 每比特的值来决定每一个开始边界是否发生跳变; – 一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不发生跳变表示
传输二进制1。
• 差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的变种,实现相对复杂, 但抗噪声能力较强。
发送
单向通道
(a)
接收
发送 接收
双向通道
接收 发送
(b)
发送 接收
双向通道
接收 发送
(c)
10
按照数据的同步方式分： 同步通信与异步通信
• 同步技术: 要求通信的收发双方在时间基 准上保持一致.
• 数据通信的同步分为: 位同步----同步通信 字符同步----异步通信
11
位同步----同步通信
• 位同步:要求接收端根据发送端发送数据的时
E、举例：一个无噪音的信道带宽为3kHz,传输四进 制（四电平）信号，它的最大传输速率为多少？
23
Rb =2H * log2 V （bps）
要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携 带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制(又称为多 进制)的编码方法。
24
• 按照一次传输的数据位数:
串行通信、并行通信
• 按照信号传送的方向与时间的关系
单工通信、半双工、全双工通信
• 按照数据的同步方式:
同步通信、异步通信
7
按照信道传输信号类型分： 模拟通信与数①抗干扰能力强、无噪声积累。（使用转发器而不是放大器） ②便于加密处理。 ③便于存储、处理和交换。 ④设备便于集成化、微型化。
• 每个比特的中间有一次电平跳变； 利用电平跳变可以产生 收发双方的同步信号；
• 差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是：
– 每比特的值来决定每一个开始边界是否发生跳变; – 一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不发生跳变表示
传输二进制1。
• 差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的变种,实现相对复杂, 但抗噪声能力较强。
发送
单向通道
(a)
接收
发送 接收
双向通道
接收 发送
(b)
发送 接收
双向通道
接收 发送
(c)
10
按照数据的同步方式分： 同步通信与异步通信
• 同步技术: 要求通信的收发双方在时间基 准上保持一致.
• 数据通信的同步分为: 位同步----同步通信 字符同步----异步通信
11
位同步----同步通信
• 位同步:要求接收端根据发送端发送数据的时
E、举例：一个无噪音的信道带宽为3kHz,传输四进 制（四电平）信号，它的最大传输速率为多少？
23
Rb =2H * log2 V （bps）
要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携 带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制(又称为多 进制)的编码方法。
24
计算机网络知识精讲 第二章 物理层
第二章物理层(一) 通信基础1. 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念2. 奈奎斯特定理与香农定理3. 编码与调制4. 电路交换、报文交换与分组交换5. 数据报与虚电路(二) 传输介质1. 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质2. 物理层接口的特性(三) 物理层设备1. 中继器2. 集线器2.1 通信基础2.1.1 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念（1）信道：向某一个方向传送信息的媒体。
（2）信号：数据的电磁或电气表现。
（3）带宽：媒介中信号可使用的最高频率和最低频率之差，或者说是频带的宽度，Hz；另一定义是信道中数据的传送速率，bps。
（4）码元：在使用时间域（简称时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
（5）波特：单位时间内传输的码元数。
（6）比特率：单位时间内传输的比特数。
（7）信源（8）信宿计算机网络的性能计算1. 速率比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。
一个比特就是二进制数字中的一个1 或0。
速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。
速率的单位是b/s（bps），kb/s, Mb/s, Gb/s 等“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s (bit/s)，bps。
更常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s （103 b/s）兆比每秒，即Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即Gb/s（109 b/s）太比每秒，即Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K = 210 = 1024M = 220, G = 230, T = 240。
3. 时延(delay 或latency)传输时延（发送时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
计算机网络习题集(第二章 物理层)
第二章物理层练习题一、填空题1从双方信息交互的方式来看，通信有以下三个基本方式：（）通信、（）通信和（）通信。
(第二章物理层知识点: 通信的方式答案: 单工、半双工、全双工。
)2 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率为每秒（）个码元。
(第二章物理层知识点: 信道的容量答案:2)3 为了提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量，即采用（）的调制方法。
(第二章物理层知识点:信道的信息传输速率答案:多进制)4 常用的传输介质有（）、（）、（）和（）。
(第二章物理层知识点:传输媒体答案: 双绞线、同轴电缆、光纤、无线5 物理层的主要任务是确定与传输介质有关的特性，即（）特性、（）特性、（）特性和（）特性。
(第二章物理层知识点:物理层的主要任务答案: 机械、电气、功能、规程)6常用的物理层标准有（）、（）。
(第二章物理层知识点:物理层的主要任务答案: RS-232、X.21)7 物理层的任务就是透明地传送( )。
(第二章物理层知识点:物理层的主要任务答案: 比特流)8 物理层上所传数据的单位是( )。
(第二章物理层知识点:物理层的主要任务答案: 比特)9 （）特性用来说明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
(第二章物理层知识点:物理层的主要任务答案:机械特性)10 ( ) 特性用来说明在接口电缆的哪条线上出现的电压应为什么范围，即什么样的电压表示1或0。
(第二章物理层知识点:物理层的主要任务答案:电气特性)11 ( ) 特性说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
(第二章物理层知识点:物理层的主要任务答案:功能特性)12 ( ) 特性说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
(第二章物理层知识点:物理层的主要任务答案:规程特性)13 ( ) 通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
(第二章物理层知识点: 通信的方式答案: 单工)14 ( ) 通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。
计算机网络教程课件第2章 物理层
幅度调制（幅移键控ASK）
频率调制（频移键控FSK）
相位调制 （绝对相移键控和相对相移键控）
4．模拟数据的数字信号编码
• 常把模拟数据转换为数字信号来传输
➢因为数字信号传输具有失真小、误码率低、价 格低和传输速率高等特点
• 将模拟数据转换为数字信号最常见的方法：
➢脉 冲 编 码 调 制 PCM （ Pulse Code Modulation）技术
它包括3个步骤：采样、量化和编码
• PCM的理论基础是奈奎斯特（Nyquist）采样定 理：
➢若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只 要采样频率大于等于有效信号最高频率或其带 宽的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部 信息，可以从这些采样中重新构造出原始信号。
➢基 带 同 轴 电 缆 （ 用 于 局 域 网 传 输 数 字 信 号 的 50Ω的粗缆和50Ω的细缆）
➢宽带同轴电缆（用于宽带传输模拟信号的75Ω 电缆）。
• 普通双绞线可以传输低频与中频信号，同轴电缆 可以传输低频到特高频信号，光纤可以传输可见 光信号
• 特点
2.2.3 光纤
1．光纤的通信原理
不归零码NRZ（non-return to zero）
• 可分为单极性不归零码和双极性不归零码
• 编码规则、判决门限、同步方式 • 计算机串口与调制解调器之间采用的是不归零码
0 10 1 00 1 1 0 1
(a) 0.5
判决门限
0
tБайду номын сангаас
0 10 1 00 1 1 0
(b)
0
t
归零码
• 可分为单极性归零码和双极性归零码 • 编码规则、同步方式、比较
雨天等气候的影响，信号将严重衰减
计算机网络(谢希仁)_第2章
课件制作人：谢希仁
2.2.2 有关信道的几个基本概念（重点）
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，如电视。 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)，如对讲机。 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，如打电话 。
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, 即无噪声有限带宽为W的信道，电平的个数为M, 其最大的数据传输速率C为: C=2W log2M 。 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。 如果信道的频带越宽，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。
几个术语
数据(data)——通信的目的是传送消息，如话音、文字图像等 ，数据就是运送消息的实体。 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。如脉冲信号 “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）的波形表示离 散的数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
UDP 种类图
Category Bandwidth Data Rate Digital/Analog Use
1
very low
< 100 kbps
Analog
Telephone
2 3
4
< 2 MHz 16 MHz
2.2.2 有关信道的几个基本概念（重点）
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，如电视。 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)，如对讲机。 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，如打电话 。
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, 即无噪声有限带宽为W的信道，电平的个数为M, 其最大的数据传输速率C为: C=2W log2M 。 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。 如果信道的频带越宽，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。
几个术语
数据(data)——通信的目的是传送消息，如话音、文字图像等 ，数据就是运送消息的实体。 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。如脉冲信号 “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）的波形表示离 散的数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
UDP 种类图
Category Bandwidth Data Rate Digital/Analog Use
1
very low
< 100 kbps
Analog
Telephone
2 3
4
< 2 MHz 16 MHz
第二章 物理层
USB）接口
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。
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。
计算机网络课后题答案第二章
第二章物理层2-01 物理层要解决什么问题？物理层的主要特点是什么？（1）物理层要解决的主要问题：①.物理层要尽可能屏蔽掉物理设备、传输媒体和通信手段的不同，使上面的数据链路层感觉不到这些差异的存在，而专注于完成本曾的协议与服务。
②.给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力。
为此，物理层应解决物理连接的建立、维持和释放问题。
③.在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。
（2）物理层的主要特点：①.由于在OSI 之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，而且在数据通信领域中，这些物理规程已被许多商品化的设备锁采用。
加之，物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按OSI 的抽象模型制定一套心的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体接口的机械、电气、功能和规程特性。
②.由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂。
2-02 规程与协议有什么区别？答：在数据通信的早期，对通信所使用的各种规则都称为“规程”（procedure），后来具有体系结构的计算机网络开始使用“协议”（protocol）这一名词，以前的“规程”其实就是“协议”，但由于习惯，对以前制定好的规程有时仍常用旧的名称“规程”。
2-03 试给出数据通信系统的模型并说明其主要组成构件的作用。
答：一个数据通信系统可划分为三大部分：源系统（或发送端）、传输系统（或传输网络）、和目的系统（或接收端）。
源系统一般包括以下两个部分：源点：源点设备产生要传输的数据。
例如正文输入到PC 机，产生输出的数字比特流。
发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。
例如，调制解调器将PC 机输出的数字比特流转换成能够在用户的电话线上传输的模拟信号。
接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。
例如，调制解调器接收来自传输线路上的模拟信号，并将其转换成数字比特流。
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调频
调相
一种正交调制 QAM
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。
(r, )
由于4 bit 编码共有16 种不同的组
r
合，因此这 16 个点中的每个点可对
应于一种 4 bit 的编码。 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。
模拟的和数字的数据、信号
模拟数据 模拟数据 数字数据 数字数据
放大器 调制器
PCM 编码器
调制器
数字 发送器
模拟信号 数字信号 模拟信号 数字信号
2.2.2 有关信道的几个基本概念
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。 基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来 表示，然后送到线路上去传输。 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟 信号。
2.4.1 模拟传输系统
长途干线采用频分复用 FDM 的传输方式 FDM (Frequency Division Multiplexing)
目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模 拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这 一段几公里长的用户线上。
2.4.2 调制解调器
用户环路 模拟信号 A D/A
V.90 56 kb/s 调制解调器
三种常用的编码方法
光缆
光缆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，如果入射角足够大，就会出现全反射， 即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光 也就沿着光纤传输下去。
发送的 0 基带信号
1
0
0
1
1
1
0
0
t
接收到的 失真信号
t
采样时刻
t
还原后 0
1
0
0
1
0
1
0
0
的数据
出现差错
数据经过模拟传输系统后会出现差错
1、调制解调器的作用
调制解调器（modem）包括： 调制器：把要发送的数字信号转换为频率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传 送。 解调器：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字 信号。
绝缘层 铜线
聚氯乙烯 套层
屏蔽层 绝缘层
铜线
什么是近端串扰
当电流在一条导线中流通时，会产生一定的电磁场，干 扰相邻导线上的信号。频率越高这种影响就越大。双绞线就 是利用两条导线绞合在一起后，因为相位相差180度的原因 而抵消相互间的干扰的。绞距越紧则抵消效果越佳，也就越 能支持较高的数据传输速率。
2.3.2 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
地面微波接力通信
优点： 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道 的容量很大；微波传输质量较高；建设投资少，见效快。 缺点： 相邻站之间必须直视，不能有障碍物； 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响； 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差； 对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。
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。
2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型 2.2.2 有关信道的几个基本概念 2.2.3 信道的最高码元传输速率 2.2.4 信道的极限信息传输速率
2.2.4 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。
调制器的作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形 变换成适合于模拟信道传输的波形 。 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的 模拟信号恢复成原来的数字信号。
2、几种最基本的调制方法
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。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 基带信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 调幅
近端串扰是指在与发送端处于同一边的接收端处所感应 到的从发送线对感应过来的串扰信号。在串扰信号过大时， 接收器将无法判别信号是远端传送来的微弱信号还是串扰信 号。
2.3.1 导向传输媒体
同轴电缆：由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外 导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。
50 同轴电缆 75 同轴电缆
输出信号波形 (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 (失真严重)
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)
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。
香农公式表明
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。
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。
2.3 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，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传 输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传 播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒 体中电磁波的传输常称为无线传输。
输入脉冲
输出脉冲
多模光纤与单模光纤
当光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤可使光线
一直向前传播而不产生多次反射，这样的光纤称为单模光纤。 单模光纤的纤芯和细，造价较高，且光源昂贵，但损耗较小， 适合远距离传输。
输入脉冲
单模光纤
输出脉冲
光纤的特点
1、通信容量大。 2、传输损耗小，中继距离长，远距离传输经济。 3、抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的 环境下尤为重要。 4、无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。 5、体积小，重量轻。 6、光纤对接需专用设备，光电接口也较贵。
2.2.1 数据通信系统的模型
数据通信系统
数字比特流 模拟信号
模拟信号 数字比特流
正文 PC 机 调制解调器
公用电话网
调制解调器
正文 PC 机
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
几个术语
数据(data)——运送信息的实体。 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous)——连续变化的。 “数字的”(digital)——取值是离散数值。 调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。 解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。
D/A
交换机 1 A/D
2/4
V.34 33.6 kb/s 调制解调器
A/D
产生量化噪声
数字信号 数字信号
交换机 2
产生量化噪声
用户环路
D/A
模拟信号
B
A/D
4/2
D/A
V.34 33.6 kb/s 调制解调器
产生量化噪声
产生量化噪声的地方（续）
使用 V.90 调制解调器（56 kb/s）
仅在此处 产生量化噪声
光纤
包层 纤芯
折射角 包层 （低折射率的媒体）
入射角
纤芯 （高折射率的媒体）
包层 （低折射率的媒体）
光纤的工作原理
低折射率 高折射率 (包层) (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
只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一临界角
度，就可产生全反射。因此可存在许多不同入射角度的光线 在一条光纤中传输。这种光纤称为多模光纤。光在多模光纤 中传输会逐渐展宽，只适合于近距离的传输。
能通过
0
W (Hz)
不能通过
频率(Hz)另一种形Fra bibliotek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)
每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1个码元。
不能通过
0
能通过 W (Hz)
不能通过
频率(Hz)
波特(Baud)和比特(bit)
调相
一种正交调制 QAM
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。
(r, )
由于4 bit 编码共有16 种不同的组
r
合，因此这 16 个点中的每个点可对
应于一种 4 bit 的编码。 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。
模拟的和数字的数据、信号
模拟数据 模拟数据 数字数据 数字数据
放大器 调制器
PCM 编码器
调制器
数字 发送器
模拟信号 数字信号 模拟信号 数字信号
2.2.2 有关信道的几个基本概念
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。 基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来 表示，然后送到线路上去传输。 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟 信号。
2.4.1 模拟传输系统
长途干线采用频分复用 FDM 的传输方式 FDM (Frequency Division Multiplexing)
目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模 拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这 一段几公里长的用户线上。
2.4.2 调制解调器
用户环路 模拟信号 A D/A
V.90 56 kb/s 调制解调器
三种常用的编码方法
光缆
光缆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，如果入射角足够大，就会出现全反射， 即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光 也就沿着光纤传输下去。
发送的 0 基带信号
1
0
0
1
1
1
0
0
t
接收到的 失真信号
t
采样时刻
t
还原后 0
1
0
0
1
0
1
0
0
的数据
出现差错
数据经过模拟传输系统后会出现差错
1、调制解调器的作用
调制解调器（modem）包括： 调制器：把要发送的数字信号转换为频率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传 送。 解调器：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字 信号。
绝缘层 铜线
聚氯乙烯 套层
屏蔽层 绝缘层
铜线
什么是近端串扰
当电流在一条导线中流通时，会产生一定的电磁场，干 扰相邻导线上的信号。频率越高这种影响就越大。双绞线就 是利用两条导线绞合在一起后，因为相位相差180度的原因 而抵消相互间的干扰的。绞距越紧则抵消效果越佳，也就越 能支持较高的数据传输速率。
2.3.2 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
地面微波接力通信
优点： 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道 的容量很大；微波传输质量较高；建设投资少，见效快。 缺点： 相邻站之间必须直视，不能有障碍物； 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响； 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差； 对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。
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。
2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型 2.2.2 有关信道的几个基本概念 2.2.3 信道的最高码元传输速率 2.2.4 信道的极限信息传输速率
2.2.4 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。
调制器的作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形 变换成适合于模拟信道传输的波形 。 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的 模拟信号恢复成原来的数字信号。
2、几种最基本的调制方法
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。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 基带信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 调幅
近端串扰是指在与发送端处于同一边的接收端处所感应 到的从发送线对感应过来的串扰信号。在串扰信号过大时， 接收器将无法判别信号是远端传送来的微弱信号还是串扰信 号。
2.3.1 导向传输媒体
同轴电缆：由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外 导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。
50 同轴电缆 75 同轴电缆
输出信号波形 (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 (失真严重)
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)
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。
香农公式表明
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。
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。
2.3 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，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传 输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传 播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒 体中电磁波的传输常称为无线传输。
输入脉冲
输出脉冲
多模光纤与单模光纤
当光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤可使光线
一直向前传播而不产生多次反射，这样的光纤称为单模光纤。 单模光纤的纤芯和细，造价较高，且光源昂贵，但损耗较小， 适合远距离传输。
输入脉冲
单模光纤
输出脉冲
光纤的特点
1、通信容量大。 2、传输损耗小，中继距离长，远距离传输经济。 3、抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的 环境下尤为重要。 4、无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。 5、体积小，重量轻。 6、光纤对接需专用设备，光电接口也较贵。
2.2.1 数据通信系统的模型
数据通信系统
数字比特流 模拟信号
模拟信号 数字比特流
正文 PC 机 调制解调器
公用电话网
调制解调器
正文 PC 机
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
几个术语
数据(data)——运送信息的实体。 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous)——连续变化的。 “数字的”(digital)——取值是离散数值。 调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。 解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。
D/A
交换机 1 A/D
2/4
V.34 33.6 kb/s 调制解调器
A/D
产生量化噪声
数字信号 数字信号
交换机 2
产生量化噪声
用户环路
D/A
模拟信号
B
A/D
4/2
D/A
V.34 33.6 kb/s 调制解调器
产生量化噪声
产生量化噪声的地方（续）
使用 V.90 调制解调器（56 kb/s）
仅在此处 产生量化噪声
光纤
包层 纤芯
折射角 包层 （低折射率的媒体）
入射角
纤芯 （高折射率的媒体）
包层 （低折射率的媒体）
光纤的工作原理
低折射率 高折射率 (包层) (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
只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一临界角
度，就可产生全反射。因此可存在许多不同入射角度的光线 在一条光纤中传输。这种光纤称为多模光纤。光在多模光纤 中传输会逐渐展宽，只适合于近距离的传输。
能通过
0
W (Hz)
不能通过
频率(Hz)另一种形Fra bibliotek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)
每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1个码元。
不能通过
0
能通过 W (Hz)
不能通过
频率(Hz)
波特(Baud)和比特(bit)