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计算机网络与通信-物理层 第2章 物理层 2.1 数据通信基础 数据通信 随着计算机技术发展特别是计算机间通信需求而新兴的一种通信系统。 广义的通信 用任何方法，通过任何媒体将信息从一地送到另一地，从广义上讲都可称为通信。 1.傅立叶分析 任何正常的周期为T的函数g(t)都可以由无限个正弦和余弦函数合成。 2.有限带宽信号 例：ASCII字符“b”对应于二进制编其输出信号波形为： 有限带宽信号(cont.) 例：ASCII字符“b”对应于二进制编其傅立叶分析的系数为： 有限带宽信号(cont.) 所有传输设施在传输过程中都会损失一些能量。 通常情况，在0-fc的振幅不会衰减，传输过程中振幅不会明显减弱的这一段频率范围称为带宽。 带宽是传输介质的物理特性，取决于介质的材料构成、厚度和长度。 数字信号通过实际的信道 失真不严重 失真严重 比特率与波特率 比特率和波特率是数据通信中常用的两个术语 比特率是每秒钟传输的比特数。 波特率表示传输硬件的工作速率，也就是每秒钟硬件产生的电信号变化的次数。是每秒钟传输的信号单元数，其中信号单元由一些比特组成。波特率决定了发送信号所需的带宽。 硬件改变其状态的极限速率就是硬件的带宽。 比特率与波特率的关系： 比特率=波特率 X 信号单元的比特数 3. 信道的最大数据传输率 任何通信信道都不是理想的，也就说，信道带宽总是有限的。由于信道带宽的限制、信道干扰的存在，信道的数据传输率总会有一个上限。 1924年，H. Nyquist就推导出具有理想低通矩形特性的信道，在无噪声情况下的最高速率与带宽关系的公式： 最大数据传输率(bps) = 2Hlog2V H — 信道的带宽（Hz） V — 信号所能表示的离散值 奈氏(Nyquist)准则 奈奎斯特采样定理对数据传输的最大速率给出了一个理论的上限. 如果传输系统使用V种不同电压，奈奎斯特定理指出，在带宽为H的传输系统上，以每秒比特数表示的最大数据传输速率D为：D=2 H log 2V 奈奎斯特定理给出了一个实际无法达到的绝对最大值。实际上，工程师已经观察到实际通信系统总是被一些称为噪声的干扰所限制，而不可能达到极限传输速率。 1948年香农（Claude Shannon）推广了奈奎斯特的结果，指出了在噪声的影响下，传输系统所能达到的最大数据传输速率。 信道的极限信息传输速率－香农定理 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了有限带宽，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 = H log2(1+S/N) b/s H —信道的带宽（以 Hz 为单位）； S —信道内所传信号的平均功率； N —信道内部的高斯噪声功率。 通常信噪比S/N并不直接表示，工程师大多使用10log10 S/N，它的单位为分贝，缩写为dB。 例如， S/N=100，对应的分贝值则为20dB。 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。 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 H 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。 带宽 带宽：是指信号具有的频带宽度，单位是Hz（或KHz、MHz等）。 例如，音频电话线路，支持300Hz———3300Hz频带，即它的带宽为： 3300Hz－300Hz ＝ 3000Hz 指容纳信号的范围 讨论通信链路的带宽时，一般指链路上每秒所能传送的比特数。 以太网的带宽为100Mbps 带宽 常用的带宽单位是 Kbps，即 Kb/s （103 b/s） Mbps，即 Mb/s（106 b/s） Gbps， 即 Gb/s（109 b/s） Tbps， 即 Tb/s（1012 b/s） 请注意：在计算机界，数据量的表示 K = 210 , M = 220, G = 230, T = 240。 2.2 传输介质 双绞线 屏蔽双绞线STP 非屏蔽双绞线UTP 同轴电缆 光纤 1. 有导向传输介质－双绞线 把两根互相绝缘的铜导线并排放置，再用规则的方法绞合起来。绞合的导线可以减少相邻线对的相互干扰。多对绞合导线构成了双绞线电缆。 双绞线可用于模拟传输和数字传输。 价格低，安装方便，但带宽窄，抗干扰性能较差。 屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair） 非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair） 双绞线分类 用于话音传输 1类: