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第二章 物理层 Outline 数据通信的理论基础 导波(引导型即有线)传输介质 无线传输 通信卫星(自己阅读教材) 数字调制与多路复用 有线电话网络与通信交换技术 移动电话系统 有线电视(自己阅读教材) 0 物理层的定义和功能（1） 物理层的定义 ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。 物理层的功能 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。 研究内容 物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。 0 物理层的定义和功能（2） 几点说明 连接方式（点到点，点到多点） 通信方式（单工，半双工，全双工） 位传输方式（串行，并行） 物理层的四个重要特性 机械特性 (mechanical characteristics) 电气特性 (electrical characteristics) 功能特性 (functional characteristics) 规程特性 (procedural characteristics) 0 物理层的定义和功能（3） 机械特性 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。 电气特性 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。 0 物理层的定义和功能（4） 功能特性 主要定义各条物理线路的功能。 线路的功能分为四大类： 数据 控制 定时 地 规程特性 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。 1 数据通信的理论基础 ( 1 ) 主要内容： 信号在通信信道上传输时的数学表示及其所受到的限制。 1.1 傅立叶分析 任何一个周期为T的有理周期性函数 g(t) 可分解为若干项（可能无限多项）正弦和余弦函数之和： g(t) = c + + f = 1/T 基本频率 an, bn n次谐波项的正弦和余弦振幅值 1 数据通信的理论基础 (２) 已知 g(t)，求c, an, bn 1) 将等式两边从０到Ｔ积分可得c c = 2) 用sin(2?kft)乘等式两边，并从０到Ｔ积分，可得an an = 3) 用cos(2?kft)乘等式两边，并从０到Ｔ积分，可得bn bn = 1 数据通信的理论基础 ( 3 ) 1.2 有限带宽信号 (Bandwidth Limited Signals) 对于二进制编其输出电压波形为： g(t) = 1 数据通信的理论基础 ( 4 ) 其傅立叶分析的系数为： an = [cos(?n/4) - cos(3 ?n/4) + cos(6 ?n/4) - cos(7 ?n/4)] bn = [sin(3?n/4) - sin( ?n/4) + sin(7 ?n/4) - sin(6 ?n/4)] c = 3/8 Fig. 2-1 1 数据通信的理论基础 ( 5 ) 信号在信道上传输时的特性： 对不同傅立叶分量的衰减不同，因此引起输出失真； 信道有截止频率fc, 0 ~ fc的振幅不衰减， fc以上的振幅衰减厉害，这主要由信道的物理特性决定， 0 ~ fc称为信道的有效带宽； 实际使用时，可以接入滤波器，限制用户的带宽； 通过信道的谐波次数越多，信号越逼真。 1 数据通信的理论基础 ( 6 ) 波特率（baud）和比特率（bit）的关系： 波特率：信号每秒钟变化的次数，也称调制速率。 比特率：每秒钟传送的二进制位数。 波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系。 例：每个信号值可表示３位，则比特率是波特率的３倍； 每个信号值可表示１位，则比特率和波特率相同。 对于比特率为Ｂbps的信道，发送８位所需的时间为 8/B秒，若 ８位为一个周期Ｔ，则一次谐波的频率是： f1 = B/8 Hz 能通过信道的最高次谐波数目为： N = fc / f1 1 数据通信的理论基础 ( 7 ) 音频线路的截止频率为3000Hz N = fc / f1 = 3000/(B/8) = 24000/B Fig. 2-2 结论：即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率。 1 数据通信的理论基础 ( 8 ) 1.3 信道的最大数据传输速率 1924年，奈魁斯特（H. Nyquist）推导出无噪声有限带宽信道的最大数据传输率公式： 最大数据传输率 = 2Hlog2V (bps) 任意信号通过一个带宽为Ｈ的低通滤波器，则