计算机网络原理：物理层

在互联网的世界里，数据就像快递包裹一样需要从一个地方送到另一个地方。路由算法和路由协议就像是快递员的导航系统和交通规则，帮助数据找到最快的路，确保它们能够准确无误地到达目的地。没有它们，数据就会迷失方向，网络也就无法正常工作。

一、数据通信基础

1.1、数据通信基本概念

消息，人类对感知的描述。

信息，对事物状态或存在方式的不确定性表述。

通信，在一点精确或近似地再生另一点的信息。

信号，在传输通道中传递信息的载体。

信道，传递信号的介质。

数据，对客观事物的性质状态以及相互关系等进行记载的符号及其组合，通常可以是数字、文字、图像等，也可以是其他抽象的符号。

1.2、数据通信系统模型

1.2.1、数据通信系统的构成

计算机网络是一种典型的数据通信系统。通信系统的作用是将消息从信源传送到一个或多个目的地。

通信系统是实现信息传输的一切技术设备和传输介质的集合。通信系统的组成根据通信业务、信道类型、信号种类、传输方式等可有多种形式，但不管其具体的应用和结构如何，任何一种通信系统的核心都应该包括信源、发送设备、信道、接收设备、信宿和噪声源等部分，如下图所示。

其中，各部分的功能如下：

信源：将消息转换为信号的设备，如电话机、摄像机、计算机等。
发送设备：将信源产生的信号进行适当变换的装置，使之适合于在信道中传输。变换的方式主要包括编码和调制。
信道：信号传输的媒介，总体上可以分为有线信道和无线信道两大类，具体的类型包双绞线、同轴电缆、光纤、大气层、外层空间等。
接收设备：完成发送设备的反变换，即进行译码和解调，还原原始的发送信号。
信宿：信号的终点，将信号转换为供人们能识别的消息。
噪声：自然界和通信设备中所固有的，对通信信号产生干扰和影响的各种信号。噪声对通信系统是有害的，但又无法完全避免。

注：以上是通信系统的一般模型，数据通信系统的模型是其中的一种类型，其中的信源和信宿被限定为能够产生、存储和处理二进制数据的设备，如计算机、智能终端等，区别于传统的电话通信系统、广播电视通信系统。

1.2.2、数据通信系统的功能

完整的数据通信系统必须完成一些关键任务：

接口及信号产生。保证终端（信源和信宿）与传输系统间的信息交互，产生能在信道上传播，并能被接收器转换还原成数据的信号。
信道的利用。信道通常会被多个通信设备共享，需要有某种技术或机制为多个用户合理分配传输系统的总传输力，充分利用传输设施，如多路复用技术等。
同步。发送器和接收器之间达成约定，接收器能够正确判断信号开始和结束的时间点，同时知道每个信号单元的持续时间。
差错检测与纠正。能够发现通信系统中各种原因造成的信号失真，并纠正由此引起的数据差错。
寻址与路由。当两个以上设备共享传输设施时，终端系统必须有独立的地址标识，传输系统能够保证终端系统能唯一地收到具有该标识信息的数据；如果传输系统本身是具有多条路径的网络，某条特定的路径能被选择出来进行数据传输。
网络管理。数据通信设施作为非常复杂的系统，不能自动创建和运行，需要各种管理功能来规划、设置、监控、调度和维护。
安全保证。数据能够在源点和终点间不被改变地传输，且不被其他非法用户获取。

1.2.3、模拟通信和数字通信

通信系统根据信号种类可分为模拟通信系统和数字通信系统。两者的区别在于信道中传输的是模拟信号还是数字信号。

模拟信号是指信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变量可以是连续的，也可以是离散的；但其因变量一定是连续的，如上图a所示。传统的电视图像信号、电话语音信号、各种传感器的输出信号以及许多遥感遥测信号都是模拟信号。
数字信号是指表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号，如上图b所示，数字信号的因变量的状态是有限的。计算机数据、数字电话和数字电视等都是数字信号。

虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间并没有存在不可逾越的鸿沟，在一定条件下它们是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、量化和编码等步骤变成数字信号，而数字信号也可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号。由于数字通信相比与模拟通信有着许多优势，因此目前的数据通信系统更多的是采用数字信号的传输技术。

需要指出的是，数字通信系统与数据通信系统的概念并不完全相同，数字通信系统是指信道中传输的信号是离散的数字信号，而数据通信系统是指在信源和信宿端处理的是二进制数据，在信道中传输的信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。

1.2.4、数据通信方式

为了适应不同的通信环境、通信要求和经济成本，数据在通信系统中的传输有着多种方式：

按数据传输的方向，可分为单向通信、双向交替通信和双向同时通信；
按二进制数据传输的时空顺序，可分为并行通信和串行通信；
按发送方和接收方对数据保持步调一致的措施，可分为异步通信和同步通信。

下面具体介绍这些数据传输方式。

单向通信、双向交替通信和双向同时通信

单向通信，又称单工通信，即任何时间都只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互，无线电广播就属于这种类型。

双向交替通信，又称半双工通信，即通信的双方都可以发送息，但双方不能同时发送（或同时接收），这种通信方式往往是一方发送另一方接收，比如无线对讲机系统。

双向同时通信，又称全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收信息，电话网、计算机网络均属于全双工通信系统。

并行通信和串行通信

在计算机内部各部件之间、计算机与各种外部设备之间、计算机与计算机之间，按二进制数据传输的时空顺序不同，存在着并行通信和串行通信两种通信方式。

并行通信是为一个字节的每一位(bit)都设置一个传输通道，全部位(bit)同时进行传送。并行通信模式传输速度快，但消耗材料多，造价高，所以不适用于长距离的传输。一般只在计算机内部元器件之间采用并行传输方式，如计算机与存储器的总线传输。

串行通信只为信息传输设置一条通道，数据的一个字节中每一位(bit)依次在这条通道上传输。串行通信节省设备线路开销，但速度相对并行通信慢，一般应用于长距离数据传输。例如，计算机与键盘、鼠标、移动存储介质等外围设备间数据传送，以及更远距离的通信过程。在计算机设备中，常用的RS-232接口和USB接口就属于串行通信的接口方式。

异步通信和同步通信

数据通信系统能否可靠而有效地工作，在很大程度上依赖于是否能很好的实现同步。同步技术是指通信系统中实现收发两端动作统一、保持收发步调一致的过程。简单来说，就是接收方按照送方发送信息的重复频率和起止时间来接收数据。异步和同步本质上都属于同步技术，常用的数据传输同步方式有异步式同步（简称异步）和同步式同步（简称同步），两者的区别在于发送端和接收端的时钟是独立的还是同步的。

异步数据传输以字符为单位独立进行发送，一次传输一个字符，每个字符用5~8位来表示，在每个字符前增加1个起始位，以指明字符的开始，每个字符后增加1个或2个停止位，以指明字符的结束；无字符发送时，发送方就一直发送停止位。接收方以字符为单位接收数据，并根据起始位和停止位判断字符的开始和结束。异步传输不需要在收发两端间传输时钟信，所以实现起来比较简单；但是传输效率较低，只适用于低速数据传输系统。

同步数据传输以数据块为单位进行发送。每个数据块内包含有多个字符，每个字符用5~8个位表示；在每个数据块的前增加一个起始标志，以指明数据块的开始，在其后增加一个结束标志，以指明数据块的结束。接收方根据起始标志和结束标志以数据块为单位进行接收。同步传输方式的传输效率高，开销小，但收发双方需建立同步时钟，实现和控制比较复杂。同步传输方式适合于高速数据传输系统。

二、物理介质

2.1、导引型传输介质

导引型传输介质，又可称为有线信道，以导线作为传输介质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。这一类信道使用的传输介质包括用电线传输电信号的架空明线、双绞线电缆、同轴电缆、光纤等。

2.1.1、架空明线

架空明线是指平行且相互分离或绝缘的架空裸线线路，通常采用铜线或铝线等金属导线。对于常用的铜线和铝线，长距离传输的最高允许频率为150 kHz 左右，可以复用16路语音信号；短距离传输时，传输频率可达300kHz左右，可再增加复用12路语音信号。

架空明线的优点是传输损耗较低，但缺点是易受天气和外界电磁干扰，对外界噪声敏感，带宽有限。架空明线现已基本被淘汰。

2.1.2、双绞线

将两根相互绝缘的铜线并排绞合在一起可以减少对相邻导线的电磁干扰，这样的一对线称为双绞线。多对双绞线封装到护套之内构成双绞线电缆，简称双绞线。双绞线既可以应用于模拟传输也可以应用于数字传输，通信距离一般为几千米到十几千米。

双绞线电缆封装时在护套与线对之间增加一层金属丝编制的屏蔽层，可以提高双绞线的抗电磁干扰能力，这类双绞线电缆称为屏蔽双绞线(STP)。相应地，没有这层屏蔽层的双绞线电缆称为非屏蔽双绞线(UTP)。显然，屏蔽双绞线性能要优于非屏蔽双绞线，但价格高，且安装工艺要求高、复杂。因此，在现代数据通信网络（如局域网）中，普遍使用的是非屏蔽双绞线。

1995年，美国电子工业协会EIA在更新的EIA/TIA-568-A中，规定了5个种类的 UTP 标准，其中3类UTP主要应用于电话网络，而5类UTP是目前局域网中最常用的。不同类别双绞线的主要差异之一是单位长度的绞合次数。例如，3 类线绞合长度是 7.5~10 cm，而5类线的绞合长度为0.6~0.85 cm。另外，5类线相比3类线在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度都经过精心设计，并在生产过程中加以严格控制，使得干扰在一定程度上得以抵消，从而提高了传输速率。

典型UTP类别、带宽及其典型应用如下表所示。

UTP类别	带宽/MHz	典型应用
3	16	低速网络，电话网络
4	20	10Base-T以太网
5	100	10Base-T以太网，100Base-T快速以太网
5E（超5类）	100	100Base-T快速以太网，1000Base-T千兆位以太网
6	250	1000Base-T千兆位以太网，ATM网络

双绞线主要于基带传输。无论哪类双绞线，衰落都随频率的升高而增大。使用更粗的导线可以降低衰落，但会增加导线成本和重量。信号应当有足够大的振幅，以便在噪声干扰下能够在接收端被正确地检测出来。双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系。

2.1.3、同轴电缆

同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是空心圆柱形网状编织金属导体，内导体是金属导线（通常为铜线），两者之间填充绝缘实心介质。网状编织导体同时也起到屏蔽网的作用，可以有效抵抗电磁干扰。实际应用中，同轴电缆的外导体是接地的，对外界干扰具有较好的屏蔽作用，所以同轴电缆具有较好的抗电磁干扰性能。为了增加容量，可以将多根同轴电缆封装到个大的保护套内，构成多芯同轴电缆。

早期的局域网曾广泛使用同轴电缆作为传输信道，随着技术的发展，同轴电缆在局域中已不再使用，已被双绞线所取代，但是，同轴电缆在有线电视网络中应用很普遍。同轴电缆的带宽取决于电缆质量，同轴电缆的带宽接近1GHz。同轴电缆主要用于频带传输，如有线电视网络。

2.1.4、光纤

光纤的基本原理是利用了光的全反射现象。光纤是由两种折射率不同的导光介质复合纤维制成，内层（纤维中心）称为纤芯，纤芯外包另一种折射率的介质，称为包层。由于纤芯的折射率大于包层的折射率，因此，进入纤芯的光波会在两层边界产生折射，折射的光会再次被折射，以此类推，经过多次反射，光波可以着光纤传输到很远距离。如果纤芯和包层是两种均匀介质，折射率只在两种介质的边界发突变，则光波只在边界发生折射，这种光纤称为阶跃（折射率）型光纤，这也是最早出现的光纤类型。如果光纤的折射率不是突变的，而是沿半径增大方向逐渐减小，光波在其中的传输路径是随折射率的变化而逐渐弯曲的，这种光纤称为梯度（折射率）型光纤。当然，梯度型光纤的制造艺要求高于阶跃型光纤。

按照光纤内光波传输模式的不同，光纤可以分为多模光纤和单模光纤两类。光纤与其他传输介质相比拥有很多优点。

光纤通信容量非常大，最高可达100Gbits。
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。
无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
体积小，重量。这在现有电缆管道拥塞不堪的情况下特别有利。例如，1km长的1000 对双绞线电缆约重8000 kg,，而同样长度但容量大得多的一对两芯光缆仅重100kg。但要把两根光纤精确地连接起来，需要使用专用设备。

为了使光纤传输的衰减尽量小，以便传输更远的距离，在光纤通信中通常选择在光纤信道中传输损耗最小的波长光波。。

2.2、非导引型传输介质

对于导引型传输媒介，若通信线路要通过一些高山或岛屿，有时就很难施工。即使是在城市中，挖开马路铺设电缆也不是一件容易的事。当通信距离很远时，铺设电缆或光纤既昂贵又费时。但利用无线电在自由空间的传播就可以较快地实现多种通信。由于这种通信方式不使用各种导引型传输媒介，因此就将自由空间称为“非导引型传输媒介”，又称为无线信道。

不同频率或波长的电磁波其带宽与传输特性不同，因此，适用于不同的通信系统。在实际应用中，电磁波按频率划分为若干频段，用于不同目的或场合的无线通信，如下表所示。

频段	名称	典型应用
3~30 Hz	极低频（ELF）	远程导航，水下通信
30~300 Hz	超低频（SLF）	水下通信
300~3 000 Hz	特低频（ULF）	远程导航
3k~30k Hz	甚低频（VLF）	远程导航，水下通信，声呐
30k Hz
30k~300k Hz	低频（LF）	导航，水下通信，无线电标
300k~3 000k Hz	中频（MF）	广播，海事通信，测向，救险，海岸警卫
3 000k~30M Hz	高频（HF）	远程广播，电报，电话，传真，搜救，飞机于战船通信，船岸通信，业余无线电
30M Hz
30M~300M Hz	甚高频（VHF）	电视、调频广播，陆地交通，空中交通管制，出租汽车，警察，导航，飞机通信
300M~3G Hz	特高频（UHF）	电视，蜂窝网，微波链路，无线电探空仪，导航，卫星通信，GPS，监视雷达，无线电高度计
3G~30G Hz	超高频（SHF）	卫星通信，无线电高度计，微波链路，机载雷达，气象雷达，公用陆地移动通信
30G~300G Hz	极高频（EHF）	雷达着陆系统，卫星通信，移动通信，铁路业务
300G Hz
300G~3T Hz	亚毫米波（0.1~1mm）	尚未划分，实验应用
43T~430T Hz	红外线（7~0.7 $\mu m$ ）	光通信系统
430T~750T Hz	可见光（0.7~0.4 $\mu m$ ）	光通信系统
750T~3 000T Hz	紫外线（0.4~0.1 $\mu m$ ）	光通信系统

电磁波会在整个空间中传播，为了避免不同通信系统之间相互干扰，国际电信联盟（ITU）负责定期召开世界无线电通信大会(The World Radiocommunication Conference, WRC)，制定有关无线电频率使用的国际协议。各国在此基础上，再分别制定本国的无线电频率使用规则。我国的无线电频率规划与管理目前由工信部无线电管理局负责。

电磁波在外层空间的传播（如两艘飞船之间的通信），为自由空间传播，在近地空间的传播会受到地面和大气层的影响。根据电磁波频率、通信距离与位置的不同，电磁波的传播可以分为地波传播、天波传播（或称电离层反射波）和视线传播。

地波传播。频率较低(2 MHz以下）的电磁波趋于沿地球表面传播，有一定的绕射能力，这种传播方式称为地波传播。在低频和甚低频段，地波传播距离可以超过数百米或数千千米。
天波传播。太阳的紫外线和宇宙射线辐射会使大气电离，从而在距离地表60~400 km 的高度形成电离层。频率较高（在2~30 MHz)的电磁波会被电离层反射。这一频段的电磁波经过电离层的一次反射，最大距离可以达到约4000 km，反射回地面的电磁波会被地面再次反射，并被电离层再次反射回地面，如此往复多次反射，电磁波可以传播 10000km 以上。这种利用电离层反射的传播方式称为天波传播。由于电离层的密度和厚度随时间随机变化，如白天与夜间有很大差异，反射电磁波的频率范围也随时间变化，即信道特征会随时间随机变化，因此，天波传播信道（或称电离层射信道）是典型的随参信道。
视线传播。频率高于30 MHz的电磁波将穿透电离层，不会被反射回来，并且沿地面绕射能力也弱。因此，这类电磁波通常采用视线无障碍的点对点直线传播，称为视线传播或视距传播。由于地球曲率的影响，视线传播的距离有限，为了增大视线传播的距离，可以通过增加发射天线的高度来实现。

三、信道与信道容量

计算机网络可以传输的消息种类很多，如文本、声音、图像、视频等，任何类型消息的传输都需要将其转换为某种特定类型的信号，然后通过在特定传输介质中的传播来完成。信道就是信号在通信系统中传输的通道，由信号从发射端（信源）传播到接收端（信宿）所经过的传输介质构成。无线通信的信道就是电磁波传播所通过的空间，有线通信的信道就是导向性缆线。

3.1、信道分类与模型

信道的定义区分为广义信道和狭义信道。狭义信道就是信号的传输介质（即物理介质）；广义信道包括号传输介质和通信系统的一些变换装置，如发送设备、接收设备、天线、调制器等。通常，在讨论通信的一般原理时，采用广义信道；在研究信道的一般特性时，主要考虑狭义信道。一般情况下，将广义信道简称为信道。下面主要介绍广义信道及其对应的信道模型。

广义信道的定义除了包括传输介质，还包括传输信号的相关设备。按照功能划分，可将广义信道划分为调制信道和编码信道两类，广义信道的分类与组成如下图所示。

3.1.1、调制信道

调制信道是指信号从调制器的输出端传输到解调器的输入端经过的部分。

对于调制和解调的研究者来说，信号在调制信道上经过的传输介质和变换设备都对信号做出了某种形式的变换，研究者只关心这些变换的输入和输出关系，并不关心实现这一系列变换的具体物理过程。

调制信道、输入信号、输出信号存在以下特点。

信道总具有输入信号端和输出信号端。
信道一般是线性的，即输入信号和对应的输出信号之间满足线性叠加原理。
信道是因果的，即输入信号经过信道后，相应的输出信号响应具有延时。
信道使通过的信号发生畸变，即输入信号经过信道后，相应的输出信号会发生衰减。
信道中存在噪声，即使输入信号为零，输出信号仍然会具有一定功率。

如果信号通过信道发生的畸变是时变的，这种信道称为随机参数信道，简称为随参信道；如果畸变与时间无关，这种信道称为恒定参数信道，简称为恒参信道。通常，比较常见的架空明线、电缆、波导、中长波地波传播、超短波及微波视距传播、卫星中继、光导纤维以及光波视距传播等传输介质构成的信道均属于恒参信道，其他介质构成的信道属于随参信道。

3.1.2、编码信道

编码信道是指数字信号由编码器输出端传输到译码器输入端经过的部分，包括其中的所有变换装置与传输介质。

从编译码的角度来看，编码器输出的数字序列经过编码信道上的系列变换之后，在译码器的输入端成为另一组数字序列。研究者通常只关心这两组数字序列之间的变换关系，而并不关心这一列变换发生的具体物理过程，甚至并不关心信号在调制信道上的具体变化。

编码信道是包括调制信道及调制器、解调器在内的信道，与调制信道模型有明显的不同：调制信道对信号的影响是，使调制信号发生“模拟”变化，而编码信道对信号的影响则是，一种数字序列的变换，即把一种数字序列变换为另一种数字序列。因此，有时把调制信道看成是一种“模拟”信道，而把编码信道看成是一种数字信道。

编码信道可分为无记忆编码信道和有记忆编码信道。无记忆编码信道是指信道中码元的差错发生是相互独立的，即当前码元的差错与其前后码元的差错没有依赖关系；有记忆编码信道是指信道中码元差错的发生不是独立的，即当前码元的差错与其前后码元的差错是有联系的。通过信道编码可以实现对编码信道数据传输过程中的差错检测或纠正。

3.2、信道传输特性

不同类型的信道对信号传输的影响差异较大，恒参信道的传输特性变化小、缓慢，可以视为恒定，不随时间变化；随参信道的传输特性是时变的。

下面分别讨论恒参信道与随道信道的传输特性。

3.2.1、恒参信道

各种有线信道和部分无线信道，如微波视线传播链路和卫星链路等，都属于恒参信道。理想的恒参信道是一个理想的无失真传输信道，其对信号传输的影响可以概括如下

对信号幅值产生固定的衰减。
对信号输出产生固定的时延。

满足上述特性的理想恒参信道的信号传输称为无失真传输。恒参信道也并非总是如此“理想”，当实际信道的传输特性偏离了理想信道特性时，就会产生失真（或称畸变）。

3.2.2、随道信道

随参信道的传输特性随时间随机快速变化。许多无线信道都是随参信道，如依靠地波和天波传播的无线电信道、部分视距传播信道以及各种散射信道等。随参信道的共同特如下。

信号的传输衰减，随时间随机变化。
信号的传输时延，随时间随机变化。
存在多径传播现象。

3.3、信道容量

信道的传输特性在很大程度上决定了信道的传输性能，例如，带宽、传输速率和信道容量等。信道的带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。传输速率描述信道单位时间内传输码元（或符号）或信息的能力，前者用码元速率（或符号速率）描述，单位Baud，后者用传信率（或称信息速率）来描述，单位为 bit/s（位／秒。一般情况下，经常用信道容量来描述或衡量信道的传输能力。

信道容量是指信道无差错传输信息的最大平均信息速率。广义信道可以分为调制信道和编码信道，而信息论中将信道划分为连续信道和离散（或数字）信道。调制信道是一种连续信道，即输入和输出信号都是取值连续的；编码信道是一种离散信道，输入与输出信号都是取值离散的时间函数。

信道容量用于描述信道传输能力的理论上限，实际信道很难达到这一上限传输能力，但可以通过改进调试技术、编码方案等尽可能接近这一理论值。

下面分别讨论连续信道与离散信道的信道容量。

3.3.1、连续信道容量

根据奈奎斯特第一准则，对于理想无噪声的基带传输系统，最大频带利用率为2Baud/Hz。显然，如果传输M进制基带信号，则理想无噪声信道的信道容量为

C=2B \ log_{2}{M}

式中， C为信道容量，单位为bit/s; B为信道带宽，单位为Hz；M为进制数，即信号状态数。该式就是著名的奈奎斯特公式，给出了理想无噪声信道的信道容量。

理想无噪声信道几乎是不存在的，所以奈奎斯特公式给出的信道容量是不可能达到的。实际信道都会受到不同程度的噪声干扰，著名的香农(Shannon)公式给出了有噪声连续信道的信道容量计算公式。

假设带宽为B (Hz)的连续信道，输入信号的功率为S，信道加性高斯白噪声的功率为N，则著名的香农公式给出了该连续信道的信道容量为

C=B \ log_{2}{(1+\frac{S}{N})}

式中，S/N 为信噪比，即信号功率与噪声功率之比。信噪比通常会以分贝（dB）为单位，换算关系为

(\frac{S}{N})_{dB}=10 log_{10}{(\frac{S}{N})_{功率}}

例如，若 $(\frac{S}{N})_{功率}=10$ ，则 $(\frac{S}{N})_{dB}=10dB$ ；若 $(\frac{S}{N})_{功率}=100$ ，则 $(\frac{S}{N})_{dB}=20dB$ ；若 $(\frac{S}{N})_{功率}=1000$ ，则 $(\frac{S}{N})_{dB}=30dB$ 。

香农公式表明，当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时（即 S/N 确定），对于具有一定带宽的信道，理论上存在最大平均信息速率上限。

已知某信道带宽为8kH，信噪比为30 dB，试求该信道的信道容量C。

因为 $(\frac{S}{N})_{功率}=10^{\frac{(\frac{S}{N})_{dB}}{10}}=1000$ ，所以 $C=B \ log_{2}{(1+\frac{S}{N})}=8*10^3 \ log_{2}{(1+1000)} \approx 80kbit/s$ 。

3.3.2、离散信道容量

离散信道容量可以用两种方式度量：一种是每个符号能够传输的最大平均信息量表示的信道容量C；另一种是单位时间内能够传输的最大平均信息量表示的信道容量 $C_t$ 。当信道每秒能够传输的符号（或码元）数已知时，两种方式很容易转换，因此，两种方法实质上是一致的。

四、基带传输

信源可以分为模拟信源和数字信源，模拟信源（如电话机）发出的原始电信号是模拟基带信号，数字信源（如计算机）发出的基带信号是数字基带信号。

模拟基带信号可以通过信源编码转换为数字基带信号。模拟基带信号可以在模拟通信系统上直接传输，也可以通过信源编码转换为数字基带信号在数字通信系统上传输。

数字信号在数字通信系统中的传输主要有两种方式：基带传输和频带传输。接下来，主要介绍基带传输基本概念。

4.1、基带传输基本概念

在信道中直接传输基带信号，称为基带传输，实现基带传输的系统称为基带传输系统。

在信道中直接传输数字基带信号，称为数字基带传输，相应的系统称为数字基带传输系统。

数字基带传输系统主要由信号形成器、信道、接收滤波器、抽样判决器以及同步提取等部分组成。数字基带传输系统的基本结构如下图所示。

信号形成器的作用是把原始的数字基带信号变换为适合信道传输特性的数字基带信号。数字基带传输系统的输入是数字信源发出的数字基带信号或者是模拟信源发出的模拟基带信号经过信源编码后得到的数字基带信号。这些数字基带信号有时不适合在信道中直接传输，往往需要进行码型变换和波形变换，以匹配信道传输特性，获得最佳传输性能。

接收滤波器的作用是滤除噪声，得到有利于抽样判决的基带波形。

抽样判决器的作用是基于同步提取从信号中提取定时脉冲，对接收滤波器输出的基带波形进行抽样判决，再生数字基带信号。

基带信号比较适合在具有低通特性的有线信道中传输，通常不适合在无线信道中传输。信道的传输特性会引起波形失真，并会受噪声的影响，因此，信道中的信号传播一定距离后，信号质量就会有所下降，甚至出现传输误码现象。

4.2、数字基带传输编码

下面介绍几种常见的信号码型和传输码型。

4.2.1、常见的信号码型

数字基带信号的码型有很多种，比较多见的是利用矩形脉冲信号的幅值编码二进制数字数据，包括单极不归零码(NRZ)、双极不归零码、单极归零码(RZ)、双极归零码、差分码和多元码等。

4.2.1.1、单极不归零码

单极不归零码（Not Return to Zero，NRZ）的信号波形如下图所示：

二进制数字符号0和1分别用零电平和正电平（当然，也可以用负电平）表示。脉冲幅值要么是正电平、要么是零电平，只有一个极性，因此称为“单极”；所谓“不归零”是指在整个脉冲持续时间内，电平保持不变，且脉冲持续期结束时也不要求必须回归0电平。

这种码型易于产生，但不适合长距离传输。

4.2.1.2、双极不归零码

双极不归零码的信号波形如下图所示

二进制数字符号0和分别用负电平和正电平（当然，也可以反过来）表示。双极不归零码在0和1等概率出现的情况下，不会产生直流分量，有利于在信道中传输，且抗干扰能力强。

ITU-T的V.24 接口标准和 EIA（美国电工协会）的RS-232C接口标准中均采用双极不归零码。

4.2.1.3、单极归零码

单极归零码（Return to Zero，RZ）的信号波形如下图所示

二进制数字符号0和1别用零电平和正电平表示。与单极不归零码不同的是，在每个正脉冲持续期的中间时刻，电平要由正电平回到零电平。假设脉冲持续期（即脉冲周期）为 $T_b$ ，则每个正脉冲在 $\frac{T_b}{2}$ 时刻，电平回到零电平。

码元不为零的时间占一个码元周期的百分比称为占空比。在归零码中，若码元不为零时间为 $\frac{T_b}{2}$ ，码元周期为 $T_b$ ，则该单极归零码的占空比为50%。

4.2.1.4、双极归零码

双极归零码的信号波形如下图所示

二进制数字符号0和1分别用负电平和正电表示。如同单极归零码，每个正、负脉冲周期的中间时刻，电平都要回到零电平。双极归零码的占空比也为50%。

双极归零码如同双极不归零码，在0和1等概率出现的情况下，不产生直流分量，有利于在信道中传输，且抗干扰能力强。另外，归零码（包括单极归零码和双极归零码）均有利于时钟信号的提取，便于同步。

4.2.1.5、差分码

差分码又称为相对码（与之对应的 NRZ、RZ等称为绝对码），差分码的信号波形如下图所示。

差分码不是利用脉冲幅值的绝对电平来表示二进制数字符号0和1，而是利用电平的变化与否来表示信息。上图中，相邻脉冲用电平跳变表示1，无跳变表示0。

4.2.2、常见的传输码型

前面介绍的几种编码是将二进制数字数据映射为脉冲信号，可以在信道中直接传输。但是，有些数字基带信号并不适合在信道中直接传输，比如含有直流分量的数字基带信号（如单极NRZ码）可能造成信号畸变，并且当出现连续的0或者1的基带数字信号时，接收端难以提取同步信号。因此，实际的基带传输系统需要对数字基带信号的基本码型进行变换，变换为适合传输的数字基带传输码型。

下面介绍几种常用的基带传输码型。

4.2.2.1、AMI码

AMI (Alternative Mark Inversion)码的全称是信号交替反转码，用3种电平进行编码，零电平编码二进制信息0，二进制信息1（传号）则交替用正电平和负电平表示。

AMI码的编码规则是：信息码中的0编码为AMI传输码中的0（零电平）；信号码中的1交替编码为AMI传输码中的＋1（正脉冲）和-1（负脉冲）。

参考例6.2, AMI码的信号波形如图6.14所示。以下信息码对应的AMI (RZ) 码的信号波形如下

AMI 码的优点是，由于采用正、负脉冲交替编码信息1，不会产生直流分量的积累，有利于进行基带传输。另外，AMI 码的编译码电路实现简单，并且可以利用正、负脉冲交替变化的规律检测误码。但是，当信息码中出现大量连续的0位串时，AMI码的信号电平会长时间保持不变，这样会造成定时信息提取困难。

AMI码是ITU-T 建议采用的传输码型之—。

4.2.2.2、双相码

双相码(Biphase Code)又称为曼彻斯特(Manchester)码。双相码只有正、负两种电平，每位持续时间的中间时刻要进行电平跳变，双相码就是利用该跳变编码信息，正（高）电平跳到负（低）电平表示1，负电平跳到正电平表示0。双相码利用了两个脉冲编码信息码中的一位，相当于双极码中的两位，即利用2位编码信息码中的1位。相当于信息码中的1编码为双极非归零码的10，信息码中的0编码为双极非归零码的01。双相码在每位周期中间时刻都会有电平跳变，因此便于提取定时信息，且不会生直流分量，但带宽比信息码大1倍。

双相码的另一种码型是差分双相码，也称为差分曼彻斯特码。差分双相码的每位周期的中间时刻也要进行电平跳变，但该跳变仅用于同步，而利用每位开始处是否存在电平跳变编码信息。其中，开始处有跳变表示1，无跳变表示0。

双相码可以实现在传输数据的同时提供准确的同步信号，但由于带宽开销大，因此适合近距离数据传输。如10 Mbit/s 的以太网采用曼彻斯特码，IEEE802.5令牌环网采用差分曼彻斯特码。

双相码和差分双相码的信号波形如下图所示。

4.2.2.3、米勒码

米勒码（Mile Code）是—种双相码的变形，也称为延迟调制码。米勒码的编码规则如下。

1)信息码中的1编码为双极非归零码的01或者10。

2)信息码连1时，后面的1要交替编码，即前面的1如果编码为01，后面的1就编10，反之亦然。

3)信息码中的0编码为双极非归零码的00或者11，即码元中间不跳。

4)信息码单个0时，其前沿、中间时刻、后沿均不跳变。

5)信息码连0时，两个0码元间隔跳变，即前一个0的后沿（后一个0 的前沿）跳变。

米勒码的信号波形如下图所示。

从米勒码的波形中可以看出，当信息码中出现单个0时，米勒码会对应出现2个码元周期的波形，这个性质可以用来对米勒码进行宏观检错。另外，对比米勒码和双相码可以发现，双相码的每个下降沿均对应米勒码的一个电平跳变。因此，利用双相码的下降沿触发双稳电路，就可以输出米勒码。

米勒码最初主要用于气象卫星通信和磁记录。

4.2.2.4、CMI码

CMI (Coded Mark Inversion)码即传号反转码，是一种双极性二电平码，并且也是将息码的1位映射为双极不归零码的2位。CMI 码的编码规则是，信息码的0编码为双极不归零码的01，信息码的1交替编码为双极不归零码的11和00。

CMI码的信号波形如下图所示。

CMI 码的波形具有较多的电平跳变，有利于定时信息的提取。另外，10作为禁用码型，可用于宏观检错。CMI 码已经被 ITU-T推荐为PCM四次群的接口码型，并且在速率低8.448 Mbit/s的光纤传输系统中有时也用CMI 码作为传输码型。

不难看出，双相码、米勒码和 CMI 码均利用两位二进制码编码信息码中的一位二进信息，这类码型也概括称为1B2B码。

4.2.2.5、nBmB码

nBmB 码将 n 位二进制信息码作为一组，映射成m位二进制新码组，其中 m> n。

由于m＞n, 因此 $2^m$ 个码的新码组中只会用到 $2^n$ 个，多出 $(2^m-2^n)$ 个码。这样，可以从 $2^m$ 个码中优选出 $2^n$ 个码作为有效码，以获得良好的编码性能，其余码则作为禁用码，用于检错。

例如，快速以太网(100BASE-TX和100BASE-FX)的传输码采用的是4B5B编码。这样只需从 $2^5=32$ 个码中优选 $2^4=16$ 个码，以便保证足够的同步信息，并且可以利用剩余的16个禁用进行差错检测。

事实上，在光纤数字传输系统中，通常选择m=n+1构造编码，如1B2B码、2B3B码、3B4B码、5B6B码等。

当然， nBmB码在带来良好的同步和检错能力的同时，也增加了对带宽的需求。

4.2.2.6、nBmT码

nBmT码将n位二进制信息码作为一组，映射成m位三进制新码组，且m≤n。

为了提高传输效率和频带利用率，某些高速远程传输系统会将二进制信息码每若干位成一组，然后映射为需要较少位数的三进制码进行传输。

例如，4B3T码就是对1B1T码的改进。4B3T 码将4位二进制码映射为3位三进制码，这样，在相同的码元速率下，4B3T 码的数据传输速率就大于1B1T 码，可以提高频带利用率。因此，诸如4B3T码、8B6T码等都比较适合较高速率的数据传输系统。

五、频带传输

基带信号具有低通特性，可以在具有低通特性的信道中进行传输。然而，许多信道（如无线信道）由于不具有低通特性，因此在这些信道中不能直接传输基带信号。相反，这些信道具备带通特性，因此只能利用基带信号去调制与对应信道传输特性相匹配的载波信号，通过在信道中传送经过调制的载波信号实现将基带信号所携带信息传送出去，因此需要引入频带传输这一信号传输方式。

5.1、频带传输基本概念

利用模拟基带信号调制载波，称为模拟调制；利用数字基带信号调制载波，称为数字调制。计算机网络以数字通信为主，因此这里主要介绍数字调制。

数字调制就是利用数字基带信号控制（或影响）载波信号的某些特征参量，使载波信号的这些参量的变化反映数字基带信号的信息，进而将数字基带信号变换为数字通带信号的过程。相应地，在数据接收端需要将调制到载波信号中的数字基带信号“卸载”下来，还原数字基带信号，这一过程称为数字解调。

数字频带传输系统就是实现调制、传输与解调的传输系统。频带传输也称为通带传输或载波传输。数字调制系统的基本结构如下图所示。

频带传输系统通常选择正弦波信号作为载波，可以表示为

y(t)=a \ cos(2\pi ft+ \varphi)

载波信号的基本特征参数是幅值 a、频率f和相位 φ。因此，数字调制的基本方法就是利用数字基带信号调制或控制载波信号的某个（或某些）参数的变化，或者说，利用载波信号的某个（或某些）参数的不同状态来表示数字基带信号所携带的信息。

二进制数字基带信号的基本信息是二进制的0和1，因此，数字调制的基本方法就是利用0或1控制或者选择载波的不同幅值、频率或相位，即利用两种不同的幅值、频率或相位来分别表示基本信息0或1，这种调制方法称为键控法。如果调制载波的幅值，则称为幅移键控(ASK) ；如果调制载波的频率，则称为频移键控(FSK) ；如果调制载波的相位，则称为相移键控(PSK)。

二进制数字键控是数字调制的基本方式，下面首先介绍二进制数字调制的原理及其性能。

5.2、频带传输中的三种调制方式

5.2.1、二进制数字调制

5.2.2、多进制数字调制

5.2.3、正交幅值调制QAM

六、物理层接口规程

6.1、物理层接口概述

物理层在为数据终端设备提供传输数据的通路、传输数据以及完成物理层的一些管理工作的过程中，定义了建立、维护和拆除物理链路的规范和标准，同时也定义了物理层接口的通信标准，即物理层接口的四大特性（分别为机械特性、电气特性、功能特性以及规程特性）。

物理层接口协议主要是解决主机、工作站等数据终端设备与通信线路上通信设备之间的接口问题。按照 ISO的术语，将这两种设备分别称为数据终端设备(Data Terminal Equip ment, DTE，)，如计算机，和数据电路终端设备(Data Circuit-Terminating Equipment DCE)，如调制解调器。

物理层接口规范主要是对 DTE 设备与 DCE 设备之间的接口的定义。典型的物理层接口协议有 IRDA 物理层、USB 物理层、RS-232、ERA-422、RS-449、RS-485、DSL、ISDN、IEEE 1394 interface 等。

6.2、物理层接口特性

物理层接口规范的定义包含4个特性，涉及对于信号、接口和传输介质等特性的规定具体如下

机械特性。也叫物理特性，指明通信实体间硬件连接接口的机械特点。比如，接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。这很像平时常见的各种规格的电源插头，其尺寸都有严格的规定。
电气特性。规定了在物理连接上导线的电气连接及有关电路的特性。一般包括接收器和发送器电路特性的说明、信号的电平、最大传输速率的说明、与互连电缆相关的规则、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数等。
功能特性。指明物理接口各条信号线的用途。包括接口信号线功能的规定方法以及接口信号线的功能分类，具体分为数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线等4类。
规程特性。即通信协议，指明利用接口传输比特流的全过程，以及各项用于传输的事件发生的合法顺序。包括事件的执行顺序和数据传输方式，即在物理连接建立、维持和交换信息时DTE、DCE双方在各自电路上的动作序列等。