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1 数据通信与计算机网络 第4版 2 数据通信与计算机网络第2章数据通信基础知识 3 第2章数据通信基础知识 教学目的通过本章学习 要求掌握数据通信的必备知识和常用术语 学习内容信息 数据和信号传输方式和传输速率传输损伤和传输质量通信编码传输信道及传输媒体 4 第2章 内容提纲 2 1信息 数据和信号2 2传输方式和传输速率2 3传输损伤和传输质量2 4通信编码2 5传输信道及传输媒体 5 2 1信息 数据和信号2 1 1信息 在通信科学建立初期 对信息并没有公认 完整 统一的定义 1975年有人曾对信息的定义做过统计 共有39种 通信是在源点与终点之间传递信息 信息和消息是两个不同概念的名词 消息是指能向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字 符号 数据 语音和图像等 它具有两个特点为 能被通信双方所理解 可以相互传递 信息是指包含在消息中对通信者有意义的内容 消息是信息的载体 消息中可能包含有信息 6 2 1 1信息 续1 如何衡量消息中所包含的信息呢 消息中包含信息量与接收者在收到此消息前对某事件存在的不确定性有关 1948年 香农在 通信的数学理论 论文中给出了关于信息的度量公式 他把信息定义为熵的减少 即 用来消除不确定性的东西 根据香农理论 一条消息包含信息的多少称为信息量 信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关 如消息表示的事件是必然事件 概率为1 则该消息不含有任何信息量 如消息表示的事件根本不可能发生 概率为0 则该消息含有无穷的信息量 7 2 1 1信息 续2 香农规定 一条消息所荷载的信息量等于它所表示的事件发生的概率P的倒数的对数 2 1 对于一条含有m个符号的消息 每个符号出现的概率不同 当m很大 若第i个符号出现的概率为Pi 共出现了n次 则它具有的信息量是 8 2 1 1信息 续3 整条消息所具有的信息量是所有这样的信息量在不同的i值时之总和 2 2 每个符号包含的平均信息量是 2 3 平均信息量是每个符号所含信息量的统计平均值 其单位为比特 符号 平均信息量又称为熵 9 2 1 2数据 数据是对某一事实的不经解释并赋予一定含义的数字 字母 文字等符号及其组合的原始表达 是消息的一种表示形式 是传达某种意义或信息的实体 当信息被表示为数据时 数据中就包含了信息 因此 信息可以通过解释数据来产生 信息强调 处理 和 使用 两个方面 尤其是 使用 一份资料在使用之前其中的内容隶属于数制范畴 仅当它被使用之后才转化为信息 数据分为模拟数据和数字数据 模拟数据在一段时间内具有连续的值 如声音等 而数字数据则具有离散的值 如文本等 10 2 1 3信号 1 信号的分类信号是数据的具体表示形式 目前常用的是电信号 对数据通信有用的几种分类 连续信号与离散信号 随机信号与确定信号 周期信号与非周期信号 模拟信号与数字信号 11 2 1 3信号 续1 2 信号的特性信号的特性表现在时间特性和频率特性两个方面 时间特性主要指信号随时间变化的特性 信号随时间变化的表现包含了信号的全部信息量 频率特性是指信号可用频谱函数来表示的特性 频谱函数表征信号的各频率成分 以及各频率成分的振幅和相位 12 2 1 3信号 续2 在分析通信系统时 把输入信号称为激励 输出信号称为响应 通信系统的功能和特性是通过怎样的激励而产生怎样的响应来体现的 信号分析的两种方法 时域分析法是利用信号的时间特性 把激励和响应看成是时间函数的分析方法 频域分析法是利用信号的频率特性 把激励和响应经过傅立叶变换 将时间变量变换为频率变量进行分析的分析方法 13 2 1 3信号 续3 3 信号的带宽绝对带宽B 指信号频谱正频谱非零部分所对应的频率范围 零点带宽 指信号在0 的频率范围 14 2 1 3信号 续4 百分比带宽 指在给定频率范围0 内 信号功率占总功率的比值为 定义0 为百分比带宽 通常取 为90 96 和99 等 半功率带宽 设信号频谱在处为最大值 而 且 定义 的频率范围为半功率带宽 注意 信号的带宽与传输系统的带宽是两个概念 传输系统的带宽通常是指系统的频率响应曲线保持在中心处取值的0 707倍以内的频率区间 15 2 1 3信号 续3 4 数据与信号通信系统中的电信号有模拟信号和数字信号 而数据又有模拟数据和数字数据 无论是模拟数据还是数字数据都能编码成模拟信号或数字信号 选择何种编码方式取决于需满足的要求和可能提供的传输媒体和通信设施 数据和信号的四种组合 1 数字数据 数字信号 如0 1 一个 另一个电平 2 数字数据 模拟信号 如ASK FSK和PSK 3 模拟数据 数字信号 如话音信号的PCM调制 4 模拟数据 模拟信号 如AM FM和PM 16 第2章 内容提纲 2 1信息 数据和信号2 2传输方式和传输速率2 3传输损伤和传输质量2 4通信编码2 5传输信道及传输媒体 17 2 2传输方式和传输速率2 2 1传输方式 1 基带传输和频带传输按照传输系统在传输数据信号过程中是否搬移其频谱 传输方式可分两类 基带传输指不搬移信号频谱的传输体制 频带传输指利用调制解调器搬移信号频谱的传输体制 搬移频谱的目的是为了适应信道的频率特性 18 2 2 1传输方式 续1 2 串行传输和并行传输按照传输数据的时空顺序 传输方式可分为两类 串行传输指数据在一个信道上按位依次传输的方式 其特点是 所需线路数少 投资省 线路利用率高 在发送和接收端需要分别进行并 串和串 并转换 收发之间必须实施同步 适用于远距离数据传输 并行传输指数据在多个信道上同时传输的方式 其特点是 在终端装置和线路之间不需要对传输代码作时序变换 需要n条信道的传输设施 故其成本较高 适用于要求传输速率高的短距离数据传输 19 2 2 1传输方式 续2 20 2 2 1传输方式 续3 3 异步传输和同步传输按照发 收两端实现同步的方法 传输方式可分为两类 异步传输被传送的每一个字符一般都附加有1个起始位和1个停止位 起始位与停止位的极性不同 为了保证正确接收 利用一个频率为传输比特率的n 16 倍的时钟 在每一个比特周期的中心采样 21 2 2 1传输方式 续4 同步传输每一个字符使用起止位按位进行传送 数据块以帧作为整体传输 并做到 发 收之间的位同步 每一帧建立同步标志 建立帧同步 区别 异步传输的发送器的接收器的时钟是不同步的 而同步传输两者的时钟是同步的 22 2 2 1传输方式 续5 4 单工 半双工和全双工按照数据信号在信道上的传送方向与时间的关系 传输方式可分为三类 单工指两个站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号 半双工指两个站之间可以在两个方向上传送数据信号 但不能同时进行 又称 双向交替 模式 发 收之间的转向时间为20 50ms 全双工指两个站之间可以在两个方向上同时传送数据信号 23 2 2 1传输方式 续6 单工 半双工和全双工 24 2 2 2传输速率 传输速率指单位时间内传送的信息量 是衡量数据通信系统传输能力的一个重要指标 常用的传输速率有两种 调制速率 或波特率 码元速率 指单位时间内调制信号波形的变换次数 其单位是波特 数据信号速率 或传信率 比特率 指单位时间内通过信道的信息量 其单位是比特 秒 25 2 2 2传输速率 续1 注意 1 上式中 m为并行传输的通路数 Ti为第i路单位调制信号波的时间长度 秒 Ni为第i路调制信号波的状态数 2 常用的数据信号速率的单位还有1kb s 1000b s 1Mb s 1000kb s 1Gb s 1000Mb s 1Tb s 1000Gb s 调制速率与数据信号速率的关系 26 2 2 3频带利用率 频带利用率指单位传输带宽所能实现的传输速率 频带利用率是描述数据传输速率与带宽之间关系的一个指标 在衡量数据通信系统的效率时 既要考虑到传输速率 又要考虑到传输信号所占用频带宽度 因此 真正衡量数据传输系统信息传输效率的是频带利用率 27 第2章 内容提纲 2 1信息 数据和信号2 2传输方式和传输速率2 3传输损伤和传输质量2 4通信编码2 5传输信道及传输媒体 2 3传输损伤和传输质量2 3 1传输损伤 数据信号在数据通信系统的端到端连接的每个环节都可能受到伤害 ITU称之为传输损伤 并推荐用误码 抖动 漂移 滑动和时延来表示 误码 Error 指信号在传输过程中码元发生的差错 即接收与发送数字信号的单个数字之间的差异 抖动 Jitter 指码元出现的时刻随时间频繁地变化 也就是各有效瞬间相对于理想时间位置的短时间偏移 漂移 Wander 指码元各有效瞬间相对于理想时间位置的长期缓慢偏移 28 2 3 1传输损伤 续1 滑动 Slip 指一个信号序列在传输过程中 不可恢复地丢失或增加若干码元 时延 Delay 指信号的各有效瞬间相对于理想时间位置的滞后或推迟 传输损伤的成因 源于外界环境干扰 温 湿度 电气和机械突发干扰 和设备内部的技术缺陷 时钟提取 复接等 设备反常和调节不佳等 来自传输损伤之间的相互影响或转化 29 2 3 1传输损伤 续2 各种传输损伤的产生来源及相互影响 30 31 2 3 2传输质量 1 衰减与增益衰减当信号沿传输媒体传播时 其部分能量转换成热能或被传输媒体所吸收 而导致信号强度不断减弱的现象 dB 注意 分贝是相对差别的度量 系统中某些点的功率电平可用绝对功率来表示 其单位是dBm m表示以1mW为参考的功率单位 信号功率电平也可用相对于某个基准点的电平来表示 其单位是dBr r表示相对的意思 32 2 3 2传输质量 续1 2 失真信号通过传输系统时 其波形可能发生畸变的现象称为失真 衰减失真 或振幅失真 由衰减随频率的变化而引起的失真 衰减失真来源于电缆及系统中的滤波器 相位失真 或群延时失真 由线路的相位 频率特性的非线性或不同频率分量的传播速度不一致所引起的失真 上述失真对数据传输的主要影响是使得码元信号波形展宽 从而引起码间串扰现象 33 2 3 2传输质量 续2 3 畸变数据信号畸变有两种 规则畸变和不规则畸变 规则畸变信号波形按一定的法则有规律地发生代码畸变 偏畸变正偏 使 1 时间伸长 而 0 时间缩短 负偏 使 1 时间缩短 而 0 时间伸长 特性畸变正特性畸变 使短 1 和短 0 两者都伸长 负特性畸变 使短 1 和短 0 两者都缩短 不规则畸变信号波形无规律地发生代码畸变 引起信号波形畸变的主因是衰减和失真 34 2 3 2传输质量 续3 各种类型畸变的图示 35 2 3 2传输质量 续4 4 噪声和干扰噪声在数据信号的传输过程中 所引入的一些额外的非期望信号 噪声有四种类型 1 热噪声由带电粒子在导电媒体中的布朗运动引起的噪声 在 Hz带宽内 从热噪声源所得的噪声功率称为噪声密度 若认为噪声与频率无关 在系统带宽 Hz 内 热噪声功率可表示为 2 12 W 2 13 dBW 2 14 36 2 3 2传输质量 续5 2 交调噪声由多个不同频率的输入信号共用同一传输媒体 而引起输入信号的频率和或差 以及这些频率的多倍数的组合的信号 交调噪声源于通信系统的非线性 3 串音一条信号通路中的信号在另一条信号通路上产生的干扰信号 串音是由通信线路之间存在耦合现象所致 4 脉冲噪声一种突发的振幅很大且持续时间很短 被耦合到信号通路中的非连续的尖峰脉冲引起的干扰信号 脉冲噪声来源于各种自然的和人为的电火花 脉冲噪声对话音通信的危害并不十分显著 然而它却是数据通信差错的主要根源 37 2 3 2传输质量 续6 噪声对数据信号传输的影响 2 3 2传输质量 续7 干扰 环境干扰指大气干扰 如雷电 电离层闪烁等 城区人为干扰 如工业干扰 汽车干扰等 和非恶意的邻道干扰等 人为恶意干扰指带有恶意或敌意的人为干扰 38 39 2 3 2传输质量 续8 5 信噪比信噪比SNR指信号通路某一点上的信号功率与混在信号中的噪声功率之比值 用来描述信号在传输过程中受到噪声影响的度量 dB 2 16 信噪比一般是在接收端测量 40 2 3 2传输质量 续9 6 误码率平均误码率指单位时间内接收到的出错码元数占总码元数的比例 平均误码率与所选择的测量时间的分布和长短有关 在日常维护测试中 ITU规定测试时间为15min 对于二进制传输而言 因码元与比特等价 所以误码率又称误比特率 但多进制传输时 两者不等 2 17 41 2 3 2传输质量 续10 误码秒平均时间百分数ITU T建议用一个相当长的时间 TL 内确定的平均误码率超过某一误码阈值 BERth 和各个时间间隔 T0 的平均百分数来度量误码损伤的严重程度 其中 TL的建议值为一个月 若取T0 1s BERth 0 当BER BERth时 则称为误码秒 ITU要求误码秒平均时间百分数不得超过8 若取T0 1s BERth 1 10 3 当BER BERth时 则称为严重误码秒 ITU要求严重误码秒平均时间百分数低于0 2 42 第2章 内容提纲 2 1信息 数据和信号2 2传输方式和传输速率2 3传输损伤和传输质量2 4通信编码2 5传输信道及传输媒体 43 2 4通信编码 通信编码指数据通信系统的内部信息 二进制数 与各种图形字符 操作控制字符以及识别报文组成和格式控制字符等的外部信息之间的对应关系所作的统一规定 常用的通信编码 国际5号码IA5 即ASCII码 详见表2 1 EBCDIC码和国际电报2号码ITA2 我国汉字编码的国家标准是 信息交换用汉字编码字符集 GB2312 80 汉字转换成二进制编码分 外码 和 内码 汉字的内码一般由两个字节表示 把两个字节的最高位b8置成1 以便区别于ASC 码 44 第2章 内容提纲 2 1信息 数据和信号2 2传输方式和传输速率2 3传输损伤和传输质量2 4通信编码2 5传输信道及传输媒体 45 2 5传输信道及传输媒体2 5 1信道概述 广义信道指将传输媒体和完成各种形式的变换功能的设备都包含在内的信道 根据具体的研究对象和关心的问题 可定义不同类型的广义信道 如调制信道 编码信道等 狭义信道仅指传输信号的任何抽象或具体的通路 46 2 5 1信道概述 续1 信道功能的两面性 它既为信号提供传输通路 又对信号造成损害 这种损害具体反映在信号波形的衰减和畸变上 导致通信出现差错现象 信道和电路是两个不同的概念 信道用来表示某一个方向传送信息的媒体 因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道 信道是电路的逻辑部件 47 2 5 1信道概述 续2 信道的分类1 模拟信道和数字信道按照信道上传输信号的类型 可分为模拟信道允许传输波形连续变化的模拟信号的信道 其传输特性可用等效的四端网络传输函数来表示 模拟信道又可分为恒参信道和变参信道 其质量可用失真和输出信噪比来描述 数字信道只允许传输离散取值的数字信号的信道 其质量可用差错率和差错序列的统计特性来描述 48 2 5 1信道概述 续3 2 单工 半双工和全双工信道按照信道上信号传送方向与时间的关系分为 单工信道半双工信道全双工信道3 专 租 用信道和公用信道按照使用信道的方法分为 专用信道公用信道 49 2 5 1信道概述 续4 4 有线信道和无线信道按照信道采用传输媒体的不同分为有线信道以有形的导向传输媒体 如双绞线 同轴电缆 电力线 光缆 为传输媒体的信道 无线信道以非导向传输媒体 如宇宙空间 为传输媒体的信道 利用现有信道来实现数据传输是一种既经济又可行的方案 但必须了解现有信道的特点 以及它对传输数据信号的影响和限制 50 2 5 2信道容量的计算 1 模拟信道容量的计算对于给定的信道环境 传输速率与误码率有何关系 或者说 在一定的误码率条件下 传输速率是否存在一个极限值 信息论证明了这个极限值的存在 并称其为信道容量 信道容量对于给定的信道环境 在传输差错率 即误码率 趋近于零的情况下 单位时间内可以传输的信息量 或者信道容量是信道在单位时间里所能传输的最大速率 其单位是比特 秒 b s 51 2 5 2信道容量的计算 香农定律指出 在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中 计算信道容量的理论公式为 香农定律指出 式中 B是信道带宽 单位为Hz S N是平均信号噪声功率比 S为信号功率 N为噪声功率 指正态分布的加性高斯白噪声 高斯白噪声在整个频域具有均匀分布的功率谱密度及噪声的概率密度函数服从高斯分布 正态分布 52 2 5 2信道容量的计算 续1 香农公式的重要结论 任何一条信道都有其信道容量 如信源的传输速率小于或等于信道容量 则理论上就存在一种编码方法 使得进行无差错传输 信道容量与带宽和信噪比有关 这意味着增加带宽可以提高信道容量 从而改善通信质量 这就是常用的带宽互换功率的方法 编码和调制是实现带宽与信噪比互换的手段 如果B 则信道容量并不会趋向于无限大 而是趋于常数 这里为单位频带内的噪声功率 如考虑到信道容量是传输的信息量与传输时间之比 则香农公式可改写为 说明B和T之间也存在某种互换关系 53 2 5 2信道容量的计算 2 数字信道容量的计算奈奎斯特认为 即使是理想信道 无噪声 无码间干扰 它的传输能力也是有限的 对于一条有限带宽 无噪声的理想信道信道容量的计算公式 此式表明 对于给定的带宽可以通过增加信号取值的状态数来提高信道容量 但这将会加重接收器的负担 也即在每个信号码元时间内 必须从M个可能的状态中区分出一个来 同时 传输线上的噪声和其他损伤也将会限制M的实际取值 54 2 5 3传输媒体 传输媒体是指发送器与接收器之间的物理通路 可分两大类 导向传输媒体和非导向传输媒体 导向传输媒体指电磁波被导向沿着某一媒体传播 包括双绞线 同轴电缆 电力线和光缆 非导向传输媒体指电磁波在大气层 外层空间或海洋中进行的无线传播 包括短波传输 地面微波 卫星微波和光波传输等 55 2 5 3传输媒体 续1 电信领域使用的电磁波的频谱 56 2 5 3传输媒体 续2 1 导向传输媒体 双绞线把两根具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互樫绞缠在一起形成的线对 双绞线的绞合密度 扭绞方向和绝缘材料直接影响着它的特性阻抗 衰减和近端串扰 通常把多根双绞线再绞合成电缆状 双绞线既可用于模拟传输 也可用于数据传输 其通信距离一般为几到十几公里 商用建筑物电信布线标准EIA TIA 568 A规定了用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准 常用3类线和5类线 其主要区别在于单位长度的绞合次数不同 57 2 5 3传输媒体 续3 双绞电缆的种类 UTP无屏蔽双绞缆FTP屏蔽双绞缆SFTP屏蔽金属箔双绞电缆STP屏蔽双绞电缆 58 2 5 3传输媒体 续4 双绞线的的物理模型是平行输线 它的传输特性可用一次参数 R L C和G 和二次参数 特性阻抗和始末端电压或电流之比值 来表示 近端串扰 指线对间的耦合干扰 是衡量双绞线性能的重要指标 无论是哪种类别的线 衰减都随频率的升高而增大 使用更粗的导线可以降低衰减 但却增加了导线的价格和重量 使用更大的和更精确的绞合度 就可以获得更高的带宽 59 2 5 3传输媒体 续5 常用的绞合线的典型应用 60 2 5 3传输媒体 续6 同轴电缆同轴电缆是一种对地不对称的同轴管 由一个金属园管 外导体 和一根位于金属园管中心的导线 内导体 构成 内导体采用半硬铜线 外导体采用软铜带或铝带纵包而成 内外导体间用介质填充 介质可以是空气或聚乙烯等塑料制成的绝缘材料 同轴电缆具有寿命长 容量大 传输稳定 外界干扰小 维护方便等优点 61 2 5 3传输媒体 续7 同轴电缆的结构 62 2 5 3传输媒体 续8 同轴电缆的特性同轴电缆应用于较高频率范围时 它的一次参数和二次参数可近似计算 特性阻抗衰减常数传输速度 为内导体半径 为外导体半径 是介质的相对介电常数 63 2 5 3传输媒体 续9 同轴电缆的分类有两种 一种是按内 外导体尺寸a b不同 分为中 小和微三种规格 另一种是按特性阻抗的不同 分为基带同轴电缆 50 和宽带同轴电缆 75 前者用来传送基带信号 其距离可达1km 传输速率为10Mb s 后者可作为有线电视的标准传输电缆 传送频分复用的宽带信号 其信号频率可高达300 400MHz 而距离可达100km 在局域网发展初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体 目前基本上都是采用双绞线 同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区 其带宽取决于电缆的质量 2 5 3传输媒体 续10 电力线电力线是指输送电能的电力线路 按结构形式的不同 输电线路分架空输电线路和电缆线路 前者则由线路杆塔和电力线组成 电力线通信的全称是电力线载波通信 是指利用高压电力线 指35kV及以上 中压电力线 指10kV 或低压配电线 380 220V 作为信息传输媒体进行话音或数据传输的一种特殊通信方式 由于输电线路有十分牢固的支撑结构 并架设3条以上的导体 3根导线及1或2根架空地线 所以在输送工频电流的同时 也传送载波信号 既经济又可靠 64 2 5 3传输媒体 续11 电力线通信的特点是投资少 连接方便 传输速率高 安全性好和使用范围广 但目前还存在无法提供高质量的数据传输业务 以及可能发生一些不可预知的麻烦 如家庭电器产生的电磁波干扰 随着技术的进步 这些问题将会逐步得到解决 65 66 2 5 3传输媒体 续12 光缆在通信领域 信息的传输速率相当于每10年提高100倍 光纤通信已成为现代通信技术中的一个十分重要的领域 光纤是一种新型的光波导 其结构一般是双层或多层的同心园柱体 由纤芯 包层和护套组成 67 2 5 3传输媒体 续13 光线在光纤中的折射 由于纤芯折射率大于包层的折射率 使得折射角大于入射角 当入射角足够大时 就会引起全反射 光线重新折回纤芯 从而不断向前传播 68 2 5 3传输媒体 续14 三种实用光纤多模突变光纤 又称阶跃光纤 指光纤的纤芯和包层的折射率沿光纤的径向分布是均匀的 而在两者的交界面上发生突变 此类光纤的带宽较窄 适用于小容量短距离通信 多模渐变光纤指纤芯的折射率是其半径r的函数n r 沿着径向随r的增加而逐渐减小 直到达到包层的折射率值为止 而包层内的折射率又是均匀的 此类光纤带宽较宽 适用于中容量中距离通信 单模光纤指纤芯中仅传输一种最低模式的光波 由于纤芯直径很小 通常为1 10 m 制作工艺难度大 其折射率分布属于突变型 单模光纤的带宽极宽 适用于大容量远距离通信 69 2 5 3传输媒体 续15 实用光纤的传输模式 70 2 5 3传输媒体 续16 光纤通信系统的光源发光二极管LED价格较低 工作温度也较宽 使用寿命长 注入激光二极管发光效率高 可支持较高的传输速率 光纤的接收端采用光敏二极管 当遇到光照射时 它会产生一个电脉冲 由于光敏二极管的典型响应时间为1ns 因而限制传输速率在1Gb s左右 71 2 5 3传输媒体 续17 影响光纤传输质量的因素损耗特性表示光能在光纤中传输所受到衰减程度 dB km 3 12 光纤损耗分为固有损耗和非固有损耗 固有损耗指光纤材料的性质和微观结构引起的吸收损耗和瑞利散射损耗 非固有损耗指杂质吸收 结构不规则引起的散射和弯曲幅射损耗等 72 光纤损耗与波长的关系 2 5 3传输媒体 续18 在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于0 85 1 30和1 55 m 这三个波段具有25000 30000GHz的带宽 73 2 5 3传输媒体 续19 光纤的频带特性频带特性直接影响传输波形的失真情况和传输容量 通常以兆赫千米 MHz km 来表示 频带特性与光纤传光时的色散性能有关 光纤传输的模式理论指出 光能是由若干模式的电磁波传送的 不同模式的电磁波在光纤中的传送速度是不同的 传送速度随模式 波长或材料变化的性质称为光纤的色散特性 色散有两种 模间色散和模内色散 多模光纤中两种色散都有 但以模间色散为主 单模光纤只存在模内色散 色散对传输质量的影响体现在传输波形的畸变 时延差和脉冲展宽 光纤通信无中继最大距离受传输损耗和时延失真的限制 74 2 5 3传输媒体 续20 光纤通信的优点 可供利用的频带宽 理论上为微波通信的104 105倍 传输衰耗很小 在很宽的运用频带范围内 因衰减与频率无关 接收端无需采取均衡措施 防窃听 保密性好 制造原料丰富 且用料极省 易施工和扩容 光纤通信的缺点 连接需用专用设备 目前光电接口较贵 但价格在逐年下降 75 2 5 3传输媒体 续21 除上述三种导向传输媒体外 20世纪初曾采用架空明线 铜线和铝线 其优点是线路损耗低 架设简单 缺点是对外界噪声和干扰较敏感 易受自然条件影响和人为破坏 目前 许多国家都已停止使用 我国也只在农村或边远地区采用 市内明线已被双绞电缆所取代 长途线路则让位于同轴电缆或光缆 76 2 5 3传输媒体 续22 2 无线传输导向传输媒体的不足 施工困难 路远代价大 无动中通 利用自由空间的非导向传输媒体 是以自由空间为传输电磁波的手段 通常称为 无线传输 特别是移动通信方式适用于信息时代的通信需要 无线传输使用的工作频段很广 目前所用的有无线电 微波 红外线以及可见光几个频段 见图2 13 77 2 5 3传输媒体 续23 短波传输短波是指以波长为100m 10m 或频率为3 30MHz 的电磁波 实用短波是1 5 30MHz 短波既可沿地球表面以地波形式传播 也能依靠大气层中的电离层反射 以天波的形式传播 电离层是离地面高度60 450km 受太阳紫外线和X射线作用而存在的由离子 自由电子和中性分子 原子组成的一个区域 据实测 电离层由环绕地球处于不同高度的四个导电层组成 D E F1和F2 对短波传输起主要作用的是F层 且选用夜间工作频率低于白天的工作频率 78 2 5 3传输媒体 续24 电离层的构成 79 2 5 3传输媒体 续25 衡量短波通信的主要指标是通信质量和可通率 通信质量可用信噪比和差错率来表示 模拟通信用信噪比 而数字通信则用差错率 可通率 又称线路利用率 指通信线路接收端的信噪比高于可接受的最低信噪比的时间百分比 如何正确选择短波通信频率 在一定的电离层条件下 存在一个最高可用频率MUF 指实际通信中能被电离层反射回地面的电波最高频率 80 2 5 3传输媒体 续26 MUF是电波返回地面或刚穿出电离层的临界值 考虑电离层结构的变化和保证长期稳定接收 实际选用的短波最佳工作频率是FOT 85 MUF 此时可通率达90 多径传播短波电波通过若干条路径或者不同的传播模式由发信点到达收信点的长度不同 而引起由发信点到达收信点的时间不同的现象 多径时散指不同路径的时延差 它与路径长度 工作频率 昼夜 季节等因素有关 81 2 5 3传输媒体 续27 多径时散对数据通信的影响主要体现在码间干扰上 为了保证传输质量 往往采用限制数据传输速率的措施 引起多径时散的几种主要因素 82 2 5 3传输媒体 续28 衰落指在短波传输过程中 收信电平出现忽高忽低随机变化的现象 衰落按其持续时间的长短分为快衰落 信号起伏持续时间仅几分之一秒 与慢衰落 持续时间可达一小时或更长 除自由空间传播损耗外 还有电离层吸收损耗 地面反射损耗和系统额外损耗等附加损耗 吸收损耗主要在D E层 通常吸收损耗为6 25dB 地面反射损耗与地面状况 电波入射角和工作频率有关 工程计算常取一次地面反射 损耗为20dB 系统额外损耗是指一些尚未被人们完全认识和难以计算的损耗 常用统计方法得到 如中纬度地区系统额外损耗可取15 18dB 83 2 5 3传输媒体 续28 短波通信的主要缺点是传输最引人注意的是可靠性低 通信质量差 但值得注意的是进行远距离通信仅需要不大的发射功率和适中的设备费用 且具有抗毁性强的中继系统 指电离层 和较高的机动性 因而在军事通信和移动通信中有着重要的实用价值 84 2 5 3传输媒体 续29 地面微波微波指在对流层的视距范围内 以波长为1m 1mm 或频率为300MHz 300GHz 的电磁波进行信息传输的一种通信方式 85 2 5 3传输媒体 续30 地面微波传输采用多路复用的工作方式 且工作于射频的微波频段 常用1 40GHz 因受地形和天线高度的限制 两通信站之间的距离一般在40 60km 远距离通信则采用中继方式 因此 多路复用 射频工作和中继接力是地面微波传输的三个最基本的工作特点 视距传播的两个中继站天线之间的最大距离为 86 2 5 3传输媒体 续31 自然环境对微波通信的影响 地形对电波传播的影响 大气对电波传播的影响 传播损耗和电波衰落 87 2 5 3传输媒体 续32 地形对电波传播的影响地形对微波传播带来的影响主要表现在电波的反射 绕射和地面散射等方面 反射的影响是指光滑地面或水面可将天线发射的部分信号能量反射到接收天线处 对主波信号产生干涉 绕射的影响是指地面障碍物 山峰 森林 建筑物等 可能阻挡一部分电波射线 使收信点的接收电平降低 地面散射通常呈乱反射状 这对主波信号影响较小 可以忽略不计 88 2 5 3传输媒体 续33 大气对电波传播的影响对流层是指地面以上大约10km范围内的低空大气层 对流层对电波传播的影响 主要表现在气体分子对电波的共振吸收 雨雾中水滴对电波的散射损耗 以及对流层结构的不均匀性使电波产生折射 反射 散射等现象 其中尤以大气折射的影响最为显著 89 2 5 3传输媒体 续34 不同大气折射的电波传播轨迹 90 2 5 3传输媒体 续35 传播损耗和电波衰落地面微波在对流层传播 因受到对流 平流 湍流及雨 雾 雪等因素的影响 再加上少量的地面反射波 收信点的场强会产生随机性的起伏变化 这种现象称为衰落 引起衰落的原因是多方面的 但其主要原因还在于气象条件的变化和地面效应的影响 其中包括 吸收衰耗 因为任何物质的分子都是由具有固有谐振频率的带电粒子组成的 91 2 5 3传输媒体 续36 雨雾引起的散射衰耗 雨雾中的水滴表面对电波的散射会引起散射衰耗 这种衰耗随波长的缩短 雨雾量的增大而增加 K型衰落 这是多径传播引起的干涉型衰落 其衰落深度随时间而变化 K型衰落除地面效应外 大气中有时会出现大气折射率的突变层 从而使电波产生反射或散射 造成电波的多径传播 还有地面上空的温度受昼夜 季节等影响也会周期性地构成大气逆变层 出现超折射现象 此时也极易发生电波的多径传播 92 2 5 3传输媒体 续37 湍流引起的散射衰落 对流层中往往有一些具有不同温度 湿度和压强的空气团 低空气团的大小一般在60m以下 作无规则地漩涡运动 这就是大气湍流 当电波穿过这些气团时 因使其中的水分子受到激励引起电波向四周散射 形成了散射衰落 这种衰落持续时间较短 一般不会中断通信 为了对付上述衰落现象对微波通信带来的影响 除了提高发射功率 增加天线高度及选择有利地形等措施外 采用分集接收技术和抗衰落天线也是克服多径衰落的最有效的方法 93 2 5 3传输媒体 续38 微波通信的优缺点优点 频带宽 容量大 受外界干扰小 可靠性和稳定性好 易制成高增益 方向性强的天线 通信