计算机网络通信原理概论ppt课件

.,1,第三章传输信道,.,2,第三章传输信道,信道的定义、模型和分类信道的噪声和信噪比信道的容量常用的传输介质及特性,.,3,信道的定义,信道是指以传输介质为基础的信号通道。构成信道的传输介质可以是有线介质，也可以是无线介质。抽象地看，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。通常，我们将信号的传输介质的这部分信道称为狭义信道。如有线信道、无线信道等。如果信道不仅包括传输介质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。如：调制信道、编码信道。,.,4,信道的一般组成,通常，我们将广义信道简称为信道，它通常由以下几个部分组成：,.,5,调制信道,调制信道是从研究调制与解调的基本问题出发而定义的，它的范围从调制器的输出端到解调器的输入端。从调制与解调的角度看，这部分信道只不过是对已调信号进行了某种变换，我们只须关心变换的最终结果，而无须关心形成这个结果的中间变换过程。因此，定义调制信道有利于研究调制与解调问题。调制信道通常用于模拟通信中。,.,6,调制信道的共性,有一对（或多对）输入端和输出端；绝大多数的信道都是线性的，即满足线性叠加原理；信号通过信道具有固定的或时变的延迟时间和损耗；即使没有信号输入，输出端仍可能有一定的输出（噪声）。,.,7,调制信道的模型,调制信道可以用一个二端口(或多端口)线性时变网络来表示，这个网络便称为调制信道模型:,输入信号,输出信号,.,8,调制信道的模型,对于二端口的调制信道模型，其输出eo(t)与输入ei(t)的关系有:eo(t)=K(t)ei(t)+N(t)其中，K(t)为传输函数，是一种乘性干扰，反映了信道特性对信号的影响；N(t)为加性干扰，反映了加性噪声对信号的影响。根据传输函数K(t)是否恒定，将调制信道分为：恒参信道：传输函数K(t)不随时间变化(或变化缓慢)随参信道：传输函数K(t)随时间快速随机变化,.,9,恒参信道,信道的特性主要由传输介质决定，如果传输介质是基本不随时间变化的，所构成的广义信道通常属于恒参信道；如由双绞线电缆、同轴电缆、光缆、微波视距传播、人造卫星中继、以及光波视距传播等传输介质构成的广义信道都属于恒参信道。,.,10,随参信道,如果传输介质随时间随机快变化，则构成的广义信道通常属于随参信道。如陆地移动信道、短波电离层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射信道等都属于随参信道。,.,11,编码信道,编码信道是针对编码和译码问题的研究而定义的。它的范围是从编码器的输出端到译码器的输入端所包含的所有转换器和传输介质。从编码和译码的角度看看，编码器输出的是某一数字序列，而译码器输入的也是一数字序列，而且，它们通常是相同的数字序列。编码信道是一种数字信道或离散信道。通常用于数字通信中。,.,12,编码信道的特性,编码信道输入的是离散的时间信号，输出的也是离散的时间信号，对信号的影响则是将输入数字序列变成另一种输出数字序列。由于信道噪声或其他因素的影响，将导致输出数字序列发生错误。如果编码信道中码元传输出错的事件在统计上是独立的，则该信道称为无记忆编码信道；反之，如果编码信道中码元传输出错的事件不是独立的，而是先后关联的，则该信道称为有记忆编码信道。,.,13,调制器,解调器,编码信道的模型,编码信道的模型可用数字信号的转移概率来描述，常见的二进制无记忆编码信道如下图所示：其中，P(0/0)和P(1/1)为正确转移概率，P(1/0)和P(0/1)为错误转移概率。根据概率性质可知P(0/0)+P(1/0)=1，P(1/1)+P(0/1)=1,0,0,1,1,.,14,信道的其它分类方法,模拟信道和数字信道单工、半双工、全双工信道专用（租用）信道和公共交换信道有线信道和无线信道,.,15,模拟信道和数字信道,按照允许的信号的类型分为模拟信道和数字信道：模拟信道只允许传输波形连续变化的模拟信号，通信质量可用失真和输出信噪比来衡量。数字信道只允许传输离散的数字信号，数字信道的特性可用差错率及差错序列的统计特性来描述,.,16,单工、半双工和全双工信道,按照信道上的信号的传输方向分为：单工信道：信号只能沿一个方向传送，任何时候都不能改变传输方向。半双工信道：信号可沿两个方向交替传送，但同一时间只能沿一个方向传送信号。全双工信道：信号可同时沿两个方向传送。相当于两个相反方向的单工信道的组合。,.,17,单工、半双工和全双工信道,三种信道的结构：,.,18,专用信道和公共交换信道,按信道的使用方法分为：专用信道是指连接两点或多点的固定线路。它可以是用户自己铺设的，也可以是租用的。公共交换信道是一种通过交换机转接可为大量用户服务的信道。在计算机通信网中主要采用这种信道。,.,19,有线信道和无线信道,按照信道采用的传输介质分类：有线传输信道（导向传输介质）：信号的电磁波沿着固定媒体（铜线或光纤）传播。双绞线（twistedpair）：UTP、STP同轴电缆（coaxialcable）：细缆和粗缆光纤（fiber）：单模和多模无线传输信道（非导向传输介质）：信号的电磁波在自由空间中传播。无线电波（wirelessradio）：微波、红外线、激光、卫星线路。,.,20,第三章传输信道,信道的定义、模型和分类信道的噪声和信噪比信道的容量常用的传输介质及特性,.,21,信道的噪声,在数据传输过程中，接收到的信号往往与发送的信号不一致。这是因为除了在传输过程中产生的各种畸变之外，还额外混入了一些有害信号。我们把这些额外混入的非期望信号称为噪声。噪声是影响数据传输质量的主要因素。,.,22,噪声的类型,噪声的种类很多，也有多种分类方式。若根据噪声的来源进行分类，一般可以分为人为噪声、自然噪声和内部噪声三类。根据噪声产生的原因进行分类，可以分为热噪声、交调噪声、串音和脉冲噪声四类。,.,23,热噪声,热噪声是由带电粒子在导电介质中的布朗运动引起的，它存在于任何工作在绝对零度以上的电路或系统中。在通信系统中，电阻器件噪声、天线噪声、馈线噪声以及接收机产生的噪声均可以等效成热噪声。热噪声属于高斯白噪声，其概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是均匀分布的（常数）。热噪声始终存在，不可排除。,.,24,交调噪声,不同频率的信号进入通信系统后，由于通信系统的非线性，将在系统的输出端产生这些频率之间的差频信号或倍频信号及其组合。我们将这种附加的频率干扰称为交调噪声。交调噪声可以通过人为校正系统的非线性部分得到补偿。,.,25,串音,串音是一个通路的信号在相邻的另一个通路引起的干扰现象。这是由于信号线路之间的电磁感应引起的有害耦合。为了消除线路之间的有害耦合，可以将每一对线拧成一定扭绞节距的线缆。,.,26,脉冲噪声,脉冲噪声是由于电火花或其他原因造成的突发振幅很大、持续时间比间隔时间短得多的离散脉冲耦合到信号通路中的干扰。脉冲噪声也称为冲击噪声，它将引起一连串的数据比特出错，它是数据传输差错的主要根源。脉冲噪声产生的干扰很难消除，只能采用差错控制的方法来实现可靠传输。,.,27,信噪比,信噪比是信道上同一点上信号功率和噪声功率之比，记为S/N，通常用分贝数表示。设信号的平均功率为Ps，噪声的平均功率为Pn，则信噪比的分贝表达式为：S/NdB=10log10(Ps/Pn)实际上，在信道各处的信噪比是不会相同的。通常，人们在信号接收端测量信噪比。信噪比越大，信号功率相对噪声功率在信号与噪声的混合波形中所占比例越大，恢复原始信号就越容易。,.,28,第三章传输信道,信道的定义、模型和分类信道的噪声和信噪比信道的容量常用的传输介质及特性,.,29,信道的容量,定义：在传输差错率任意趋近于零的情况下，信道在单位时间内可以传输的最大信息量，即信道在单位时间里所能传输信息的最大速率。单位：比特/秒,.,30,有扰模拟信道的信道容量,香农(Shannon)定律：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，信道容量为C=Blog2(1+S/N)(b/s)其中：C为信道容量，B为信道带宽，S/N为平均信号噪声功率比。,.,31,例：计算模拟信道的信道容量,例：设电话语音信道的带宽为3000Hz，通过该信道传输数字数据，信道上只存在加性高斯白噪声，信噪比为20dB。因为信噪比的分贝值：20dB=10lg(S/N)所以平均信号噪声功率比为：S/N=100则该信道的容量为：C=Blog2(1+S/N)=3000log2(1+100)19975(b/s),.,32,模拟信道的特性,根据香农公式可得出以下结论：对任何一个模拟信道，如果信息源的信息传输速率R小于等于信道容量C，则在理论上存在一种方法，使得信息源输出能以任意小的差错率通过信道进行传输；如果RC，那么无差错传输在理论上是不可能的。,.,33,模拟信道的特性,根据香农公式可知：信道容量C与带宽B和信噪比S/N有关。若C固定，则B与S/N可互为替换，宽带系统呈现出较好的抗干扰能力。若信道容量C=I/T，则I=TBlog2（1+S/N），其中，I为传输的信息量，T为传输时间。此式表明：当S/N一定时，B和T之间存在某种转换关系。,.,34,典型的数字信道,典型数字信道是平稳、无记忆、对称、离散的信道，可为二进制或多进制。对称：指任何数码正确传输和错误传输的概率与其他数码一样；无记忆：接收到的第i个码元仅与发送的第i个码元有关，与前面的其他码元无关；平稳：对任何码元来说，正确或错误传输的概率与发生时间无关。,.,35,无噪声数字信道的信道容量,根据奈奎斯特(Nyquist)准则，带宽为B的信道，所能传送的信号的最高码元速率为2B波特(Baud)。因此，理想无噪声数字信道的最大数据传输速率为：C=2Blog2L(b/s)其中：B为信道带宽(Hz)，L为一个码元能够表示的有效状态数,.,36,例：计算数字信道的信道容量,问题：对于带宽为3kHz的信道，设有16种不同的物理状态来表示数据，则按奈奎斯特定理，最大限制的数据速率是多少?解答：B=3000Hz，L=16C=2Blog2L=23000log216=24000bps,.,37,有扰数字信道的信道容量,对于有噪声的、平稳对称的二进制数字信道，设Pe为码元传错的概率，则传输正确的概率为1-Pe。当发送“1”比特和“0”比特的概率均为0.5时，收到一个码元，所能得到的最大信息量为：1+Pelog2Pe+(1-Pe)log2(1-Pe)（bit）其中后两项是传输差错引起的信息量损失。则，信道容量为C=2B1+Pelog2Pe+(1-Pe)log2(1-Pe)（b/s）设误码率Pe=10-4，则C=2B0.9985（bit/s）,.,38,第三章传输信道,信道的定义、模型和分类信道的噪声和信噪比信道的容量常用的传输介质及特性,.,39,常用的传输介质,有线传输介质（导向传输介质）：信号的电磁波沿着固定媒体（铜线或光纤）传播。双绞线（twistedpair）：UTP、STP同轴电缆（coaxialcable）：细缆和粗缆光纤（fiber）：单模和多模无线传输介质（非导向传输介质）：信号的电磁波在自由空间中传播。无线电波（wirelessradio）：微波、红外线、激光、卫星线路。,.,40,传输介质的特性,传输介质的特性对数据传输的质量有决定性的影响。（1）物理特性：介质的物质构成、几何尺寸、机械特性、温度性能、化学性能和物理性质。（2）传输特性：衰减特性、频率特性和适用范围。（3）连通特性：允许点-点连接或多点连接。（4）抗干扰特性及干扰性：对外界噪声的承受能力和影响。（5）地理范围：保证信号不失真的最大传输距离。（6）相对价格：传输介质的性能与制造成本。,.,41,1.双绞线TP(Twisted-Pair),双绞线电缆是最简单最经济的一种传输介质，由几对扭绞在一起的“线对”组成，一个“线对”为一条通信链路，既可传输模拟信号，也可传输数字信号。,.,42,双绞线电缆,双绞线进行绞合的目的是减少相邻导线之间的电磁干扰，绞合的密度越大抗干扰能力越强。双绞线分为有屏蔽双绞线（STP）和无屏蔽双绞线（UTP）两种。STP在数据传输时可减少外界的电磁干扰，相对稳定性较高。EIA/TIA568标准中制定了有屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线的技术规范,.,43,RJ-45连接器,.,44,EIA/TIA的UTP布线标准,EIA/TIA为UTP制定了包括5个类的布线标准：1类线：用于电话传输；2类线：含4对双绞线，可用于电话传输和最高为4Mbps的数据传输；3类线：含4对双绞线，可用于最高为10Mbps的数据传输，适用于10BaseT网络；4类线：含4对双绞线，可用于最高为16Mbps的数据传输，适用于TokenRing网络和10BaseT网络；5类线：含4对铜芯双绞线，可用于100Mbps的高速以太网。,.,45,EIA/TIA568布线标准,双绞线与RJ-45接口的连接顺序：注意：1、2是一对，用于发送数据(DTE)，3、6是一对，用于接收数据(DTE)。,.,46,双绞线的性能指标,近端串扰（NEXT，Near-EndcrossTalk）：指一对导体的信号在另一对导体上发生的耦合现象。近端串扰与线缆类别、连接方式、信号的频率等有关。衰减：信号沿着链路传播损失的能量（dB）。衰减随着频率的升高而增大。特性阻抗：链路在规定的工作频率范围内呈现的电阻。链路的特性阻抗与标准值之差不得超过20。,.,47,2.同轴电缆(CoaxialCabel),同轴电缆由外绝缘层、外导体、内绝缘层和内导体四个部分组成，绝缘效果较好，误码率较低，是早期局域网中广泛使用的一种传输介质。,.,48,同轴电缆的种类,局域网中主要使用50和75两种同轴电缆。后者带宽高，既可传输数字信号，又可传输模拟信号，可以分频；前者用于基带传输，分为细缆和粗缆两类。细缆：直径0.25英寸，传输距离约200米（185米）；粗缆：直径0.5英寸，传输距离500米,.,49,光缆（FiberOpticalCabel),光缆由许多细如发丝的光导玻璃纤维或塑胶纤维，外加绝缘护套组成，能将外在的干扰彻底隔绝。传输质量稳定，带宽极高，其传输速率远远高于双绞线和同轴电缆，但价格极为昂贵。,.,50,光纤的种类,按制作材料划分：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、氟化物光纤按传输模式划分：单模光纤、多模光纤按折射率分布划分：突变型光纤、渐变型光纤、三角形光纤、W型光纤按工作波段不同划分：短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤,.,51,光纤的特性,物理特性光纤主要由纤芯和包层组成的双圆柱体（双圆柱体直径不到0.2mm）外加塑料护套构成。一根光缆可以包含二至几百根光纤。光缆由光纤、加强芯和填充物加上外套构成。,.,52,光纤的工作原理,纤芯为高密度介质，包层为低密度介质。当入射角足够大时，就会发生全反射。,.,53,单模光纤,多模光纤与单模光纤,多模光纤,光纤按传输模式分为多模和单模两种：多模光纤采用发光二极管（LED）作为光源，价格便宜，传输距离近。单模光纤采用激光（ILD）作为光源，价格昂贵，传输距离远。,.,54,常见光纤接头,FCPC型光尾纤接头外形图,SCPC型光尾纤接头外形图,ST-PC型光尾纤接头外形图,FC/PCSC/PC型光尾纤外形图,.,55,光纤的特性,传输特性光纤传输的是光信号，只能单向传输。光信号的频率高、频带宽、传输速率高（能超过KMbps），信道容量大。但光信号也可能由于色散和时散的原因导致时延失真。多模光纤的时散较为严重。连通性光纤通常采用点-点的连接方式。,.,56,光纤的特性,传输距离光纤传输衰减小，中继距离远(2Km)，覆盖范围广。光纤传输损耗的因素：吸收损耗：和光纤材料有关。光波通过光纤时，有一部分光能变成热能，造成光功率损失。散射损耗：指光通过密度或折射率不均匀的物体时，除了光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光这种现象称为光的散射。辐射损耗：光纤应用时弯曲，使光纤内导波模式变为辐射模式所致,.,57,光纤的特性,抗干扰性光纤电磁绝缘性能好，不受外界的电磁干扰与噪声的影响；光纤无串音干扰，不易被窃取，安全性好。光纤误码率低，在10-510-6之间。价格光纤价格远高于其他线缆。,.,58,光纤线路,光纤信道的基本部件是光源、光调制器和光探测器。,光纤线路,光纤信道的组成,电端机,光调制器,光探测器,判决再生,放大,光中继器,光发射机,光接收机,光源,光源,光探测器,电端机,.,59,光源,光源是光纤信道中的关键部件。光源必须有足够的亮度，并能有效地耦合到光纤中去。光源分为两种：发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)。前者的光源温度特性好、可靠性高、寿命高达百万小时以上、成本低，广泛用于小容量光纤信道中。后者的发散角度小(1830)，耦合到光纤中的效率远远高于LED，且射入光纤的功率也比前者大1015dB。,.,60,光源的特性,不同光源的光纤性能比较：,.,61,光调制器,光调制器是发送装置中的电光转换部件。它把输入的电信号转换为光信号后发射到光纤线路上。它根据电信号的状态去改变光载波信号的某些特性参数，如光波的振幅、相位，以及偏振等等。,.,62,光探测器,光探测器是接收装置中的光电转换部件，它将输入的已调光波解调为电信号。光探测器中的主要部件是光电二极管，由已调光波控制二极管的开与关，从而实现光电转换。,.,63,光中继器,在光纤信道中可设置光中继器来扩展传输距离。光中继器分为两种：直接中继器是光放大器，它直接将光信号放大，以补偿传输损耗；间接中继器先将光信号解调为电信号，经放大、限幅和再生后，再调制到光载波上。,.,64,电信领域使用的电磁波的频谱：,无线传输介质,地表,对流层,电离层,.,65,无线电波的传播形式,地表传播低频的长波信号沿着地表曲线传播。对流层传播中波信号通过对流层传播。电离层传播高频的短波信号通过电离层反射进行传播。视线传播微波、红外线等更高频率的信号通过地面中继站接力传播。空间传播微波信号通过卫星中继进行传播。,地球表面,.,66,无线介质的特点,红外线和激光红外线通信和激光通信是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播。方向性强，不受电磁干扰和射频干扰，不易被窃听，安全性较好，难以插入数据和进行干扰。但对雨雾等环境干扰特别敏感，易受天气影响，也不具备穿透能力。,.,67,无线介质的特点,地面微波微波通信是利用微波波段的电磁波在视距范围内进行信息传输的一种通信方式。方向性不强，室外全向天线可覆盖1.510