中国科学技术大学：《计算机网络 Computer Networks（计算机通信网）》课程教学资源（PPT课件讲稿，2022）Chapter 03 物理层（洪佩琳）

Chapter3物理层 ■3.1从波形到比特 ■3.2传输介质 ■3.3数字调制与多路复用 ■3.4交换技术

Chapter 3 物理层 ◼ 3.1从波形到比特 ◼ 3.2传输介质 ◼ 3.3数字调制与多路复用 ◼ 3.4交换技术

3.1从波形到比特 ■3.1.1 Fourier级数 ■任何正常的周期为T的函数g(t)都可以展开成 Fourier级数，即 1 00 g0=c+∑ansin(2nf0+∑bncos(2nf0

3.1从波形到比特 ◼ 3.1.1 Fourier 级数 ◼ 任何正常的周期为T的函数g(t)都可以展开成 Fourier级数，即

0.50 0.25 Example:8bit的ASCII码 Time- 123456789101112131415 “b”的位模式01100010， Harmonic number 利用傅里叶级数求得 (a) (an2+bn2)1/2 1 harmonic 假定比特率为：a比特/秒 (b) 则周期T=8/a秒 f=1/T=a/8 Hz 2 harmonics A 对于普通话音级线路，截止 频率大约为3000Hz。 4 harmonics 即能通过的最高次谐波 nf=3000 1234 n=3000/(a/8) =24000/a 8 harmonics m△U 12345678 Harmonic number

Example: 8 bit的ASCII码 “b”的位模式 01100010, 利用傅里叶级数求得 (an 2+bn 2) 1/2 假定比特率为：a比特/秒 则周期T=8/a 秒 f=1/T=a/8 Hz 对于普通话音级线路，截止 频率大约为3000 Hz。 即能通过的最高次谐波 nf=3000 n=3000/（a/8） =24000/a

传输速率与信道的带宽成正比 限制信道的带宽就是限制传输速率 a 8/a 1/T n=f截/f1=8f截/a ■带宽与传输速率 bps T(ms) f1 harmonics 300 26.67 37.5 80 ·模拟信道的带宽以赫 兹(Hz)为单位。 600 13.33 75.0 40 ·数字信道的带宽（传 1200 6.67 150.0 20 输速率)以每秒多少 2400 3.33 300.0 10 比特为单位(bps), 4800 1.67 600.0 5 有时候也以字节/秒 9600 0.83 1200.0 2 (B/s) 19200 0.42 2400.0 1 38400 0.21 4800.0 0

传输速率与信道的带宽成正比 限制信道的带宽就是限制传输速率 bps T(ms) f 1 # harmonics 300 26.67 37.5 80 600 13.33 75.0 40 1200 6.67 150.0 20 2400 3.33 300.0 10 4800 1.67 600.0 5 9600 0.83 1200.0 2 19200 0.42 2400.0 1 38400 0.21 4800.0 0 ◼ 带宽与传输速率 ◼ 模拟信道的带宽以赫 兹（Hz）为单位。 ◼ 数字信道的带宽（传 输速率）以每秒多少 比特为单位（bps)， 有时候也以字节/秒 （B/s） a 8/a n=f截/f 1/T 1=8f截/a

3.1.2信道的最大传输速率 Nyquist定理（有限带宽的无噪声信道 如果一个任意的信号通过带宽为B的低通滤波器，那么每 秒采样2B次就能完整地重现通过该滤波器的信号。 ■最大数据传输率=2BIog2V(b/s) Shannon定理 对任何带宽为BHz,信噪比为S/N的信道， 最大数据传输速率=Blog2(1+S/N) (b/s) ■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。 通常信噪比表示形式10log1oS/N,以分贝(dB)为单位， 20分贝的信噪比S/N=100

3.1.2信道的最大传输速率 ◼ Nyquist 定理（有限带宽的无噪声信道） ◼ 如果一个任意的信号通过带宽为B的低通滤波器，那么每 秒采样2B次就能完整地重现通过该滤波器的信号。 ◼ 最大数据传输率=2Blog2V （b/s） ◼ Shannon定理 ◼ 对任何带宽为B Hz，信噪比为S/N的信道， 最大数据传输速率=B log2（1+S/N） （b/s） ◼ 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。 ◼ 通常信噪比表示形式10log10S/N，以分贝（dB）为单位， 20分贝的信噪比S/N=100

Chapter3物理层 ■3.1从波形到比特 ■3.2传输介质 ■3.3数字调制与多路复用 ■3.4交换技术

Chapter 3 物理层 ◼ 3.1从波形到比特 ◼ 3.2传输介质 ◼ 3.3数字调制与多路复用 ◼ 3.4交换技术

3.2传输介质 ■3.2.1双绞线 ■3.2.2同轴电缆 导向性传输媒体 ■3.2.3电力线 ■3.2.4光纤 ■3.2.5无线传输 非导向性传输媒体

3.2传输介质 ◼ 3.2.1双绞线 ◼ 3.2.2同轴电缆 ◼ 3.2.3电力线 ◼ 3.2.4光纤 ◼ 3.2.5无线传输 导向性传输媒体 非导向性传输媒体

电磁波的频谱 紫外线 f (Hz)1 100 102 104106 108 1010 1012 1014 1016 1018102010221024 无线电 微波 红外线 X射线 Y射线 可见光 f(Hz）104 105 106 107 108 109 1010 1011012 10131014 10151016 双绞线 卫星 光纤 同轴电缆 地面微波 海事 调幅 调频移动 无线电无线电 无线电无线电 喝十 电视 波段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 低频 中频 高频 甚高频特高频超高频极高频 巨高频

电磁波的频谱 无线电 微波 红外线 可见光 紫外线 X射线  射线 f (Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 双绞线 同轴电缆 卫星 地面微波 调幅 无线电 调频 无线电 海事 无线电 光纤 电视 f (Hz) 波段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 移动 无线电 低频 中频 高频 甚高频 特高频 超高频 极高频 巨高频

3.2.1双绞线TP(Twisted Pair) 由两条相互绝缘的铜线组成，其典型粗细约 1mm,两条象螺纹一样绞在一起。 Shielded Twisted Pair(sTP)屏蔽双绞线 ·Unshielded Twisted Pair(UTP)无屏蔽双绞线 双绞线的传输距离一般为100M,既可传输模 拟信号，也可传输数字信号

3.2.1双绞线 TP(Twisted Pair) ◼ 由两条相互绝缘的铜线组成，其典型粗细约 1mm，两条象螺纹一样绞在一起。 ◼ Shielded Twisted Pair(STP) 屏蔽双绞线 ◼ Unshielded Twisted Pair(UTP)无屏蔽双绞线 ◼ 双绞线的传输距离一般为100M，既可传输模 拟信号，也可传输数字信号

Categories of Unshielded Twisted Pair The EIA/TIA (Electronic Industry Association/Telecommunication Industry Association)has established standards of UTP. Type Use Category 1 Voice Only (Telephone Wire) Category 2 Data to 4 Mbps (LocalTalk) Category 3 Data to 10 Mbps(Ethernet) Category 4 Data to 20 Mbps(16 Mbps Token Ring) Category 5 Data to 100 Mbps(Fast Ethernet) Category 5e Data to 100 Mbps(Fast Ethernet) Category 6 Data to 250 MHz(Gigabit Ethernet?) Category 7 Data to 600 MHz

Categories of Unshielded Twisted Pair ◼ Type Use ◼ Category 1 Voice Only (Telephone Wire) ◼ Category 2 Data to 4 Mbps (LocalTalk) ◼ Category 3 Data to 10 Mbps (Ethernet) ◼ Category 4 Data to 20 Mbps (16 Mbps Token Ring) ◼ Category 5 Data to 100 Mbps (Fast Ethernet) ◼ Category 5e Data to 100 Mbps (Fast Ethernet) ◼ Category 6 Data to 250 MHz (Gigabit Ethernet?) ◼ Category 7 Data to 600 MHz The EIA/TIA (Electronic Industry Association/Telecommunication Industry Association) has established standards of UTP