计算机网络与通信

计算机网络与通信,第二章物理层与数据通信基础,驱动问题,2.1数据通信的基础知识1、数据通信的相关概念2、几个公式2.2传输媒体1、有哪些传输媒体？2、各自有什么特点？,2.1数据通信的基础知识,通信系统模型带宽与傅里叶分析信道的最大数据速率,1通信系统模型,通信是通过某种媒体进行的信息传递。【古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警等方式进行信息传递。今天，随着科学水平的飞速发展，相继出现了无线电，固话，手机，互联网甚至可视电话等各种通信方式。】,通信系统的模型,信源是发出信息的源，其作用是把各种可能消息转换成原始电信号。信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续幅度的模拟信号;数字信源输出离散的数字信号。,因语声、图像等原始的消息不能以电磁波来传送，所以需要通过变换器将原始的非电消息变换成电信号，并再对这种电信号进一步转换，使其变换成适合某种具体信道传输的电信号。这种电信号同样载有原有的信息。例如电话机的送话器，就是将语声变换成幅度连续变化的电话信号，再进一步转换后送到信道上去。,信道是指传输信号的通道，可以是有线的，也可以是无线的，有线和无线均有多种传输媒质。信道既给信号以通路，也对信号产生各种干扰和噪声。传输媒质的固有特性和干扰直接关系到通信的质量。,反变换器的基本功能是完成变换器的反变换，即进行解调、译码、解码等等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始信号来。对于多路复用信号，接收设备还具有解除多路复用和实现正确分路的功能,信宿是传输信息的归宿，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。,噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。会影响原有信号的状态，造成传输信号变形，甚至导致误码。,单工(Simplex)通信一端只发送，而另一端只接收双工(Duplex)通信此时信源与信宿合为一体，变换器与反变换器也合为一体全双工(FullDuplex)半双工(HalfDuplex),模拟信号例如电话线（信道）上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波就是一种连续变化的电信号数字信号计算机产生的电信号则是电脉冲序列串，每一瞬间的电压取值只可能是离散的有限个，比如说是+3v或0v两种不同的值按照信道中传输的信号分类：模拟信道数字信道,数据通信：发送方将要发送的数据转换成信号通过物理信道传送到数据接收方的过程。一般指数字计算机或其他数字终端装置间的通信。数据通信系统由信源、信宿和信道三部分组成。信源和信宿都是计算机或其它数字终端装置,DTE数据终端设备DTE产生的是数字信号，接收的也是数字信号。DCE数据线路端接设备DCE为DTE提供了入网的连接点，通常被认为是通信子网中的设备。数据通信可以通过数字信道来实现，也可以通过模拟信道来实现。调制解调,2带宽与傅里叶分析,若将数字信号不经调制直接放到模拟信道上进行传输，会引起信号的失真任何实际的模拟信道所能传输的信号的频率都有一定的范围，称之为该信道通频带的宽度或称为带宽（bandwidth）信道的带宽是由传输媒体和有关的附加设备与电路的频率特性综合决定的,一个低通信道，若对于从0到某个截止频率fc的信号通过时振幅不会衰减或衰减很小，而超过此截止频率的信号通过时就会大大衰减，则此信道的带宽为fcHz。一个具有有限持续时间的数字信号，可以看作为一个以此有限持续时间T为周期的周期阶梯函数f(t)。此函数可展开成傅里叶（Fourier）级数。,这里，f=1/T,是基波频率。,是直流分量。,分别是n次谐波的正弦和余弦振幅值。谐波次数越高，则其频率也越高。,图2.3信道带宽和数字信号失真的关系,图2.3（a）左边是八位二进制数位编码01100010的数字信号波形，图2.3（a）右边是该波形函数按傅里叶级数展开后各次谐波的均方根振幅。由图可见，信道的带宽越宽，则它传输数字信号时失真越小。反之，若信道的带宽是固定的，则用它来直接传输数字信号的数据速率越高则失真越大。,假若信道的带宽为3kHz，用它来直接传输数据速率为9600b/s的数字信号时，发送8比特的数据所需的时间为0.83ms，即T=0.83ms。其基波频率f=1/T=1200Hz，即1.2kHz。3kHz带宽的信道仅能通过2次谐波，如图2.3中（c）所示，有较大的失真。但是若用来直接传输数据速率为2400b/s的数字信号，此时T=3.33ms,f=300Hz。3kHz带宽的信道就能通过10次谐波，比图2.3（e）所示的情况还要好，即失真较小。,3信道的最大数据速率,奈奎斯特公式奈奎斯特公式给出了无热噪声（热噪声是指由于信道中分子热运动引起的噪声，这里假定没有热噪声）时信道带宽对最大数据速率的限制，具体为,H是信道的带宽（以Hz为单位），而L表示任何给定时刻数字信号可能取的离散值的个数。C则是该信道最大的数据速率。,例如，若某信道带宽为4kHz，任何时刻数字信号可取0、1、2和3四种电平之一（即L4），则最大数据速率为,香农公式进一步研究了受噪声（服从高斯分布）干扰的信道的情况,S表示信号功率，N为噪声功率，S/N则为信噪比。由于实际使用的信道，信噪比都要足够大，常用10log10（S/N）即分贝（Decibel，记为dB）为单位。【dB=10log10（S/N）】,例如，信噪比为30dB、带宽为4000Hz的信道最大的数据速率为,练习,2.6对于带宽为4kHz的信道，若有8种不同的物理状态来表示数据，信噪比为30dB。问:按奈奎斯特定理，最大限制的数据速率是多少？按香农定理最大限制的数据速率是多少？,码元速率指的是每秒信号状态变化的次数，以波特(Baud）作为单位。码元速率B和数据速率C在数值上是不一定相等的，有如下关系：,例如，若B=600波特，L4，则数据速率为C1200b/s。由于在许多场合下，通常信号只能取两种不同的状态（即L2），此时码元速率B和数据速率C数值就相等了。在这种情况下，波特和比特/秒这两个单位也就可以混用了。码元速率有时又称为调制速率.,2.2物理传输媒体,物理传输媒体指的是通信中实际传送信息的物理载体，也叫介质。物理传输媒体可分为导向(guided)；有线非导向(unguided)；无线本节介绍：双绞线同轴电缆光纤无线传输媒体*卫星通信,1双绞线,双绞线(twistedpair)特点：最经常使用的物理媒体相对于其它有线物理媒体（同轴电缆和光纤）来说，价格便宜也易于安装与使用其性能一般也较差（指它的传输距离、抗干扰性能和带宽或数据速率而言）,双绞线分类：非屏蔽UTP（UnshieldedTwistedPair）普通电话线UTP易受外部的干扰，包括来自环境噪声和附近其它双绞线的干扰。屏蔽STP（ShieldedTwistedPair）抗干扰性能更好，但比UTP昂贵，而且要保证全程屏蔽并且金属包层良好地接地，安装也困难,双绞线实际上是分类(category)的。类越高则性能也越好，也就是说在一定距离内可传输更高数据速率的信号，但价格也越贵。下面是常用的几类双绞线的性能和主要用途：Category3：支持数据速率可达10Mbps，常用于传输话音和普通以太网（Ethernet）Category5(100MHz)：支持数据速率可达100Mbps，常用于快速以太网(FastEthernet)Category5e(350MHz)：数据速率可达1000Mbps，常用于千兆以太网(GigabitEthernet)上面的Category5e就是通常说的超5类线，所有支持的数据速率都是指在一定的距离内，如不超过80米。现在已有更高性能的6类非屏蔽双绞线(UTP6)，可用来支持千兆以太网,双绞线的连接器也已标准化，最常用的是RJ（RegisteredJack）11(3pairs)和RJ45(4pairs)，,2同轴电缆,同轴电缆（coaxialcable）也像双绞线那样由一对导体组成，但它们是按“同轴”的形式构成线对分类：基带（baseband）同轴电缆（阻抗50）宽带（broadband）同轴电缆（阻抗为75）,同轴电缆与双绞线比较，价格贵，但带宽、数据速率高、传输距离长和抗干扰能力强连接器,3光纤,光纤是一根很细的可传导光线的纤维媒体，其半径仅几微米至一、二百微米。用超纯硅制成的光纤损耗最小，但制作工艺很难合成玻璃制成的光纤虽然损耗相对较大，但更为经济，性能也不错塑料光纤更便宜，可用于短距离、较大损耗也可接受的场合,每根光纤都有自己的包层，而后一根或多根光纤再由外皮包裹构成光缆,2.12光纤传送电信号的过程,光纤相对于如双绞线和同轴电缆等这类金属传导媒体的优点：轻便低衰减和大容量电磁隔离光纤本身化学性质稳定很有发展前途。在许多场合，特别是远距离的通信中，光纤已逐步称为一种主要的有线物理媒体。但是光纤之间的连接不易，抽头分支困难，对于距离不太大、配置又经常变动的局域网来说光纤还不会完全取代金属传导媒体,在光纤中光线从光源进入硅或塑料光导体后有两种不同的传输方式多模（multimode）光纤：光线沿着光纤以多种角度不断被包层反射而向前传播单模（singlemode）光纤：光线主要沿着光纤