计算机网络第二章 物理层
计算机网络课件第2章 物理层与数据通信基础
– “理想低通信道”就是信号的所有低频分 量，只要其频率不超过某个上限值，都能 够不失真地通过此信道，而频率超过该上 限值的所有高频分量都不能通过该信(带道H宽z)。
– 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W
Baud
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–若一个码元只携带1bit的信息量，则“ 比特/秒”和“波特”在数值上是相等的 。但若使1个码元携带nbit的信息量，1则1 M
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2.3.6 数据通信方式(4/4)
（2）同步传输
– 同步传输是以数据块为单位的数据传输。
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2.4.1 物理层接口特性
1、机械特性
• 规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯 数及排列方式、锁定装置形式等。
2、电气特性
• 规定了在物理连接上导线的电气连接及有关的电路的特性， 一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、DTE-DCE接 口线的信号电平等。
• 地面微波接力通信的特点：
– 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。
– 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比 微波频率低得多，对微波通信的危害比对短
波和米波通信小得多，因而微波传输质量较 高。
– 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微
2020/3/21 波接力通信建设投资少，见效快。
• 双绞线的分类：
– 非屏蔽双绞线 – 屏蔽双绞线
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2.2.1 双绞线(2/2)
非屏蔽双绞线
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屏蔽双绞线
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2.2.2 同轴电缆
• 同轴电缆的特点：
计算机网络课件第2章 物理层与数据通信基础
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2.2 物理传输介质
2.2.1 双绞线 2.2.2 同轴电缆 2.2.3 光纤 2.2.4 无线传输媒体 2.2.5 卫星通信
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2.2.1 双绞线(1/2)
双绞线的特点： 双绞线（Twisted Pair）也称双扭线，是一种最经 常使用的物理媒体。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。
傅立叶（Fourier）级数 ：
一个具有有限持续时间的数字信号，可以看做为一个以
此有限持续时间T为周期的周期阶梯函数g（t）。此函
数可展开成傅立叶（Fourier）级数。
g(1 2 tc )n 1ansi2 n n()fn t 1b nco 2n s)(ft
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2.1.2 带宽与傅立叶分析(2/3)
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2.2.4 无线传输媒体
无线电
无线传输所使用的频段很广 。
地面微波接力通信的特点：
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。
因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频 率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信 小得多，因而微波传输质量较高。
本章提纲
2.1 数据通信的理论基础 2.2 物理传输介质 2.3 数据传输技术 2.4 物理层接口标准举例
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2.1 数据通信的理论基础
2.1.1 数据通信系统模型 2.1.2 带宽与傅立叶分析 2.1.3 信道的最大数据速率
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2.1.1 数据通信系统模型(1/2)
数据通信系统的组成： 源系统（或发送端） 传输系统（或传输网络） 目的系 统（或接收端）
计算机网络-第2章 物理层(1)
• 频带传输： 将基带信号调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调
是“控制载波信号状态”的传输方式，例如：通过电话模拟 信道传输
• 宽带信号：
是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号
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通信系统有关的基本概念
4. 信道的传输模式(通信方式) 通信双方的信息交互方式，按数据流动的方向有三种基本方
第二章 物理层
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1
§ 2.1 物理层的基本概念
1. 问题的提出：如何在连接各种计算机的传输媒体上透明 地传输比特流。（向上屏蔽掉媒体的差异）
2. 用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。 3. 物理层的主要任务可描述为确定与传输媒体的接口的一
些特性，即： （1）机械特性：连接器形状，排列，尺寸等。 （2）电气特性：电压的范围。 （3）功能特性：电压的意义。 （4）规程特性：事件顺序。
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多车道公路是并行传输
通信线路上通常都是串行传输
……100101110100100111010001011010
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§2.2 数据通信的基础知识
一、 数据通信系统的模型
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)和目的系统(或接收端)。
(注意:逻辑概念,与线路的区别)
不同类型的数据和信号在不同类型的信道上传输有4种组合。 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
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通信系统有关的基本概念
3. 数字信号的传输方式
计算机网络 物理层PPT课件
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。
(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。
第2章 物理层
第 2 章 物理层
2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术
2.1 物理层的基本概念
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。
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
2.3.1 导向传输媒体
双绞线
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted
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
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。
计算机通信网 第二章 物理层
90 135
45
180
0
225
270 16-QAM的星座图
315
13
2.2.3码元Code Cell速率
00 0 0 01
跳过
码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元
10 1
1 11
•奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与
外套
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Category 5 twisted pairs consist of two insulated wires gently twisted together. Four such pairs are typically grouped in a plastic sheath护套to protect the wires and keep them together. The wires are twisted together in a helical螺旋状的 form, just like a DNA molecule. Twisting is done because two parallel wires constitute a fine antenna 天线. When the wires are twisted, the waves from different twists cancel out抵偿, so the wire radiates less effectively. 把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可以降低 信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一 根线上发出的电波抵消。
信道带宽H的关系：B=2*H
(Baud)
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《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）。
计算机网络chapter2物理层
• 75Ω电缆– 模拟传输、有线电视、多信道 • 宽带网络：双电缆系统、单电缆系统、顶端器
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2.2.4 Fiber Optics
数据通信：56K->1Gbps50,000Gb/s 多模光纤（multi-mode fiber) 单模光纤（single-mode fiber) 连接方式:
(H) 2.Two level signals (V=2)
• Nyquist 定理(无噪声信道)：
Max速率（b/s) = 2Hlog2V =>Max bps
--H:bandwidth of a low-pass filter
=2x3kxlog22=6kbps
--V:discrete levels of a signal
• 接头/插座，机械方式钳接， 熔接
光源：LED 和 激光 光纤网络 光纤和铜线的比较：
• 带宽高、衰减小、抗干扰、轻、安全性高
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Fiber Optics
(a) Three examples of a light ray from inside a silica fiber impinging on the air/silica boundary at different angles.
T
g(t)c os (2πnft)dt
T0
an2 bn2
c 2
T
g(t)dt
T0
与相应频率处所传 输的能量成正比
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2.1.2 Bandwidth-Limited Signals
A binary signal and its root-mean-square Fourier amplitudes. (b) – (c) Successive approximations to the original signal.
数据通信与计算机网络第五版（习题答案）——第二章物理层
数据通信与计算机网络第五版第二章物理层2-1物理层要解决哪些问题？物理层协议的主要任务是什么？解答：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数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
因此物理层要考虑如何用电磁信号表示“1”或“0”；考虑所采用的传输媒体的类型，如双绞线、同轴电缆、光缆等；考虑与物理媒体之间接口，如插头的引脚数目和排列等；考虑每秒发送的比特数目，即数据率。
物理层协议的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。
2-2规程与协议有什么区别？解答：用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure）。
其实物理层规程就是物理层协议。
只是在“协议”这个名词出现之前人们就先使用了“规程”这一名词。
2-3物理层的接口有哪几个方面的特性？各包含些什么内容？解答：（1）机械特性指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。
常见的各种规格的电源接插件都有严格的标准化的规定。
（2）电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
（3）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。
（4）过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
典，用户目的系统一般也包括以下两个部分：接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。
典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后进行信息输出（例如，把汉字在PC 屏幕上显示出来）。
终点又称为目的站或信宿。
在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。
2-5 请画出数据流1 0 1 0 0 0 1 1的不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形（从高电平开始）。
解答：所求波形图如图所示。