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第 2 章 物理层

2.1 通信基础

2.1.1 基本概念

1.数据、信号与码元

通信的目的是传输信息。数据是指传送信息的实体。信号则是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。码元是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为 k 进制码元，而该时长称为码元长度。1 码元可携带若干比特的信息量。

2.信源、信道与信宿

数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。信源是产生和发送数据的源头，信宿是接收数据的终点，信道是信号的传输介质，一个双向通信的线路包含一个发送信道和一个接收信道。

信道分类

• 传输信号形式: 模拟信道和数字信道
• 传输介质: 无线信道和有线信道

从通信双方信息的交换方式看，可分为: 单向通信、半双工通信、全双工通信。

3.速率、波特与带宽

速率是指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量。(码元传输速率(波特率)、信息传输速率(比特率))

2.1.2 信道的极限容量

1.奈奎斯特定理

奈奎斯特定理规定: 在理想低通（没有噪声、带宽有限）信道中, 为了避免码间串扰, 极限码元传输速率为 2W 波特, 其中 W 是信道的频道宽度(单位为Hz)。若用 V 表示每次码元的离散电平数目 (码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元, 若有 16 中不同的码元, 则需要 4 个二进制位, 因此数据传输速率是码元传输速率的 4 倍), 则极限数据率为:

• 理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2 W log2 V (单位为 b/s)

对于奈氏准则，有以下结论:

• 在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若传输速率超过上限，则会出现严重的码间串扰问题，使得接收端不可能完全正确地识别码元。
• 信道的频带越宽(即通过的信号高频分量越多)，就越可用更高的速率有效地传输码元。
• 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未限制信息传输速率，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制。

2.香农定理

香农定理定义:

• 信道的极限数据传输速率 = W log2(1 + S/N) (单位是 b/s)

式中, W 为信道的频率带宽（单位为 Hz）, S 为信道内所传输信号的平均功率, N 为信道内的高斯白噪声功率。S/N 为信噪比, 即信号的平均功率与噪声的平均功率之比, 信噪比 = 10 log10(S/N) (单位为 dB)。

对于香农定理，有以下结论:

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
• 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的。
• 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法实现无差错的传输。
• 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

2.1.3 编码与调制

调制: 将数据转化为模拟信号的过程
编码: 将数据转化为数字信号的过程

1. 数字数据编码为数字信号
   

2. 模拟数据编码为数字信号
   主要包括三个步骤: 采样、量化、编码
   奈奎斯特采样定理: 假设原始信号中的最大频率为 f, 那么采样率 fmax 必须大于或等于最大频率 f 的两倍。

3. 数字数据调制为模拟信号
   数字调制的三种方式: 调幅、调频、调相
   

4. 模拟数据调制为模拟信号
   为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可使用频分复用(FDM)技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式。

2.2 传输介质

2.2.1 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质

传输介质也称传输媒体，是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路。传输介质可分为:①导向传输介质，指铜线或光纤等，电磁波被导向为沿着固体介质传播:②非导向传输介质,指自由空间(空气、真空或海水)，电磁波在非导向传输介质中的传输称为无线传输。

1. 双绞线(最常用的传输介质, 价格便宜)
   

2. 同轴电缆(一般分为 50Ω 同轴电缆和 75Ω 同轴电缆)
   

3. 光纤
   
   

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且具有如下特点:

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
• 抗雷电和电磁干扰性能好，在有大电流脉冲干扰的环境下这尤为重要。
• 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。
• 体积小，重量轻，在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下这特别有利。

4. 无线传输介质
   (1) 无线电波 (穿透力强、传输距离远)
   (2) 微波、红外线、激光 (高带宽的无线通信主要使用技术)

2.2.2 物理层接口的特性

• 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。
• 电气特性。指明在接口电缆的各条线上的电压范围、传输速率和距离限制等。
• 功能特性。指明某条线上出现的某一电平的电压的意义，以及每条线的功能。
• 过程特性，也称规程特性。指明对不同功能的各种可能事件的出现顺序

2.3 物理层设备

2.3.1 中继器 (两个端口(输入与输出),主要功能: 整形、放大并转发信号)

中继器是用来扩大网络规模的最简单的廉价互连设备。中继器两端的网络部分是网段,而不是子网，使用中继器连接的几个网段仍是一个局域网。中继器若出现故障，则对相邻两个网段的工作都产生影响。因为中继器工作在物理层，所以不能连接两个具有不同速率的局域网。
注意:

若某个网络设备有存储转发功能，则认为它能连接两个不同的协议;
若该网络设备无存储转发功能，则认为它不能连接两个不同的协议。
中继器没有存储转发功能，因此它不能连接两个速率不同的网段，
中继器两端的网段一定要使用同一个协议。放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，其原理是放大衰减的信号，
而中继器放大的是数字信号，其原理是整形再生衰减的信号。

2.3.2 集线器 (实质是一个多端口的中继器)

在网络中只起信号放大和转发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，即信息传输的方向是固定的，是标准的共享式设备。
注意:

集线器不能分割冲突域，集线器的所有端口都属于同一个冲突域。
集线器在一个时钟周期内只能传输一组信息，当一台集线器连接的机器数目较多且多台机器经常需要同时通信时，将导致信息冲突，使得集线器的工作效率很差。
例如，一个带宽为10Mb/s的集线器上连接了 8台计算机，当这8台计算机同时工作时，每台计算机所真正拥有的带宽为10/8Mb/s=1.25Mb/s。

第二章
第一节试题
1.

第一节答案

1. D
   

2. A
   

3. B
   

4. D
   

5. B
   

6. A
   

第二节试题
1.

第二节答案

1. B
   

2. C
   

3. C
   

4. B
   

第三节试题
1.
2.
3.
4.

第三节答案

1. A
   

2. C
   

3. D
   

4. A