物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。

物理層的主要任務描述為确定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：

（1）機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。

（2）電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍。

（3）功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。

（4）過程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。

2.2 數據通信的基礎知識

圖2.1 數據通信系統的模型

（1）局域網通信模型

使用集線器或交換機組建的局域網，計算機A和計算機B通信，計算機A将要傳輸的信息變成數字信号通過集線器或交換機發送給計算機B，這個過程不需要對數字信号進行轉換。

圖2.2 局域網通信模型

（2）廣域網通信模型

為了對計算機傳輸的數字信号進行長距離傳輸，需要把要傳輸的數字信号轉換成模拟信号或光信号。

圖2.3 廣域網通信模型

信道（Channel）是信息傳輸的通道，即信息傳輸時所經過的一條通路，信道的一端是發送端，一端是接收端。一條傳輸介質上可以有多條信道（多路複用）。

圖2.4 物理線路多信道

信道可以分為用來傳輸數字信号的數字信道和用來傳輸模拟信号的模拟信道。

數字信号經過數-模轉換後可以在模拟信道上傳輸，模拟信号經過模-數轉換後可以在數字信道上傳輸。

任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信号時會産生各種失真以及帶來多種幹擾。數字通信的優點就是在接收端隻要能夠從失真的波形識别出原來的信号，那麼這種失真對通信質量就沒有影響。

圖2.5 有失真但可識别

圖2.6 失真太大無法識别

碼元傳輸的速率越高、信号傳輸的距離越遠、噪聲幹擾越大、傳輸媒體質量越差，在信道的接收端，波形的失真就越嚴重。

影響信道上數字信息傳輸速率的因素有兩個：

n 碼元的傳輸速度（受信道能夠通過的頻率範圍影響）

n 每個碼元承載的比特信息量（受信道的信噪比影響）

（1）信道能夠通過的頻率範圍

在信道上傳輸的數字信号其實是使用多個頻率的模拟信号進行多次諧波而成的方波。

圖2.7 數字信号由模拟信号諧波而成

具體的信道所能通過的模拟信号的頻率範圍總是有限的。能夠通過的最高頻率減去最低頻率，就是該信道的帶寬，單位為赫茲（Hz）。

信道帶寬W=最高頻率-最低頻率

如圖2.8所示的電話線，假設其允許頻率範圍從300-3300Hz的模拟信号能夠通過，則該電話線的帶寬為3300-300=3000Hz。

圖2.8 信道帶寬

數字信号經過信道，數字信号中高頻分量（高頻模拟信号）有可能不能通過信道或者衰減，接收端接收到的波形前沿和後沿就變得不那麼陡峭，碼元之間所占用的時間界限也不再明顯，而是前後都拖了“尾巴”。這樣，在接收端收到的信号波形就失去了碼元之間清晰的界限，這種現象叫做“碼間串擾”。

嚴重的碼間串擾将使得本來分得很清楚的一串碼元變得模糊而無法識别。

圖2.9 數字信号高頻帶寬不能通過

碼元速率（波特率Baud,B）：即單位時間内載波參數（相位、振幅、頻率等）變化的次數，單位為波特，常用符号Baud表示，簡寫成B。

波特率指的是信号每秒鐘電平變化的次數，單位是Hz：比如一個信号在一秒鐘内電平發生了365次變化，那麼這個信号的波特率就是365Hz。

比特率：比特率是信号每秒鐘傳輸的數據的位數，我們知道在計算機中，數據都是用0，1表示的，所以比特率也就是每秒鐘傳輸0和1的個數，單位是bps（bit per second）。

帶寬：一般信道都有一個最高的信号頻率（注意不是波特率，頻率是指每秒鐘的周期數，而每個周期都會有幾次電平變化。）和最低的信号頻率，隻有在這兩個頻率之間的信号才能通過這個信道，這兩個頻率的差值就叫做這個信道的帶寬，單位是Hz。

信道的容量：我們知道數據在信道中傳輸會有他們的速度—比特率，這裡面最高的比特率就叫做這個信道的容量，單位是bps。

奈氏準則——在理想低通(無噪聲，帶寬受限)條件下，為了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率為2 W。

圖2.10 以相對較慢的發送速度發送碼元，接收端容易識别

圖2.11 以相對較快的發送速度發送碼元，接收端不容易識别

理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaud

W：理想低通信道(無噪聲，帶寬受限)的帶寬，單位為Hz

Baud：波特，碼元傳輸速率的單位

a、在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾問題（是指在接收端收到的信号的波形失去了碼元之間的清晰界限），使接收端對碼元的識别成為不可能。

b、如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信号高頻分量越多，那麼就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。

c、奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但并沒有對信息傳輸速率給出限制，也就是說沒有對一個碼元可以對應多少個二進制位作出限制。奈氏準則隻是限制碼元傳輸速率，香農定理才真的限制信息傳輸速率。

d、由于碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高數據的傳輸速率，就必須設法使每個碼元能攜帶更多個比特的信息量，這就是需要采用多元制的調制方法。

奈奎斯特定理：理想低通信道(無噪聲，帶寬受限)下的極限數據傳輸率

R=2×W×log2N= B×log2N

R：理想低通信道(無噪聲，帶寬受限) 下的極限數據傳輸率

W：理想低通信道(無噪聲，帶寬受限)的帶寬，單位為Hz

N：是幾種碼元，即碼元的離散電平數目

B：波特，碼元傳輸速率的單位

例題1：在無噪聲的情況下，若某通信鍊路的帶寬為3kHz，采用4個相位，每個相位具有4種振幅的QAM調制技術，則該通信鍊路的最大數據傳輸率是多少？

解答：相位就是一個波形，一橫或一豎，每個相位（波形）有四種調制技術（變化），則有4*4=16種不同的組合，即需要16個波形來表示。2的n次方=16，n=4，則1個碼元（波形）可攜帶4bit信息量。

根據奈氏準則：最高信息傳輸速率= 2×W×log2N

=2×3kHz×log216

=6000碼元/s×4bit/碼元

=24000b/s

例題2：對于某帶寬為4000Hz的低通信道，采用16種不同的物理狀态來表示數據，按照奈奎斯特定理，信道的最大傳輸速率是( )

解答：根據奈奎斯特定理理想低通信道下的極限數據傳輸率=2×W×log2N (單位：b/s)

16種不同的物理狀态，即N=16。所以最大傳輸速率=2×4000×log216=32000b/s=32kb/s

例題3：采用8種相位，每種相位各有兩種幅度的QAM調制方法，在1200Baud的信号傳輸速率下能達到的數據傳輸速率是( )

解答：8種相位（波形）兩種調制方法（變化），總共需要8*2=16種波形來表示，2的n次方=16，n=4，則1個碼元（波形）可攜帶4bit信息量。

根據奈氏準則：最高信息傳輸速率= 2×W×log2N

=B×log2 N

=1200×4bit/碼元

=4800b/s

例題3：一個信道每1/8s采樣一次，傳輸信号共有16種變化狀态，最大數據傳輸率是( )

–什麼是采樣頻率？–

采樣頻率，也稱為采樣速度或者采樣率，定義了每秒從連續信号中提取并組成離散信号的采樣個數，它用赫茲（Hz）來表示。采樣頻率的倒數是采樣周期或者叫作采樣時間，它是采樣之間的時間間隔。通俗的講采樣頻率是指計算機每秒鐘采集多少個信号樣本。

解答：每1/8s采樣一次，即采樣頻率是8Hz，16種變化狀态的信号可攜帶4bit數據，因此最大數據傳輸率為8*4=32b/s

香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲幹擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。

香農公式表明：

信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。

隻要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。

若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。

實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。

（1）模拟信号或連續信号：代表信息的參數的取值是連續的。

圖2.13 模拟信号

圖2.14 模拟信号失真很難糾正

（2）數字信号或離散信号：代表信息的參數的取值是離散的。(取值有跳變)

碼元就是構成一段信号的一個基本波形，一個基本波形可以表示比特0或者1，上圖由兩種碼元表示。

例如計算機傳輸二進制數據111011000110010101001100，就可以使用數字信号進行表示。

一個波形（碼元）承載一個二進制數，碼元共需要有2的1次方=2個波形。

圖2.15 二進制碼元

一個波形（碼元）承載兩位二進制數，碼元共需要有2的2次方=4個波形。

兩位二進制數的取值有00、01、10、11四個取值，對應的十進制數分别是0、1、2、3，這就要求碼元有4個波形。

圖2.16 一碼元攜帶兩比特信息

圖2.17 一碼元攜帶三比特信息

同理，一個波形（碼元）承載四位二進制數，碼元共需要有2的4次方=16個波形。

要想讓一個碼元承載更多信息就需要更多的波形。

數字信号在傳輸過程中由于信道本身的特性及噪聲幹擾會使得數字信号波形産生失真和信号衰減。為了消除這種波形失真和衰減，每隔一定的距離需添加“再生中繼器”，經過“再生中繼器”的波形恢複到發送信号的波形。

圖2.18 數字信号波形恢複

模拟信号沒有辦法消除噪聲幹擾造成的波形失真，所以現在的電視信号逐漸由數字信号替換掉以前的模拟信号。

（未完待續）

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