第2章-6ed 物理层2014.10

1、1 第第2章章 物理层物理层 2 第第 2 2 章章 物物 理理 层层 第第2 2章知识点结构章知识点结构 物理层的基本概念物理层的基本概念 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 数字传输系统数字传输系统 信道的多路复用技术信道的多路复用技术 宽带接入技术宽带接入技术 传输介质的主要类型传输介质的主要类型 3 v了解：物理层的基本概念了解：物理层的基本概念 v掌握：数据通信的基础知识掌握：数据通信的基础知识 v掌握：传输介质类型掌握：传输介质类型 v掌握：信道复用技术掌握：信道复用技术 v了解：了解：数字传输系统数字传输系统 v了解：宽带接入技术了解：宽带接入技术 本章学习要求本章学习要求 4

2、 第第1 1讲讲 内容内容 物理层的基本概念物理层的基本概念 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 传输介质传输介质 5 vQ:Q:传输媒体是物理层吗？传输媒体是物理层吗？ v物理层不是指与计算机相连的具体物理物理层不是指与计算机相连的具体物理 设备或传输媒体。传输媒体中传输的是设备或传输媒体。传输媒体中传输的是 信号，并不知道信号代表什么意思。信号，并不知道信号代表什么意思。 v但物理层由于规定了电气特性，因此能但物理层由于规定了电气特性，因此能 识别所传送的识别所传送的比特流；比特流； 2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 6 v物理层的作用是屏蔽硬件设备和传输介物理层的作用是屏蔽硬件

3、设备和传输介 质的差异；质的差异； v该层负责该层负责比特流比特流从一个节点到另一个节从一个节点到另一个节 点的透明传送。点的透明传送。 v物理连接的建立、维护与释放。物理连接的建立、维护与释放。 2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 7 v物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口 的一些特性，的一些特性，即： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的 电压的范围。 功能特性指明某条线上出现的某一电平的电 压表示何种意义。 规程特性指明对于不同功能的各种可能事件 的出

4、现顺序。 传输方式的转换：并行串行。 什么是通信什么是通信(communication)？ v广而言之，通信就是信息的广而言之，通信就是信息的(远距离远距离)传递与交换。传递与交换。 v现代通信现代通信使用使用电波或光波传递信息电波或光波传递信息的技术，也称为电信的技术，也称为电信 （telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、），如电报、电话、传真、电子邮件、 QQ等，电视也可看作是一对多的单向通信等，电视也可看作是一对多的单向通信 v通信的发展历史：通信的发展历史： 1836年，英国建成第一条电报线路年，英国建成第一条电报线路(Morse电报电报) 1876年，美国

5、人年，美国人A.G.Bell研制成可供实用的电话研制成可供实用的电话 20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信 1918年，出现收音机和无线电广播年，出现收音机和无线电广播 1938年，第一个电视台开始播出年，第一个电视台开始播出 1940s 出现彩色电视出现彩色电视 1960s 出现计算机网络出现计算机网络 2.2 数据通信的基本知识数据通信的基本知识 对通信系统的一般要求对通信系统的一般要求 v远距离：传输距离要远远距离：传输距离要远 v低成本：传输成本要低低成本：传输成本要低 v高速度：从发生到接收的延迟时间要短高速度：从发生到接收的延

6、迟时间要短 v可靠：传输的信息不能有错误可靠：传输的信息不能有错误 v方便：任何时间和地点都能通信方便：任何时间和地点都能通信 v安全：传输的信息要保密，不能泄漏。安全：传输的信息要保密，不能泄漏。 2.2.1 2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 v通信的三要素： 信信 道道信源信源(宿宿)信宿信宿(源源) 信信 号号 信信 号号 n 举例举例: 信道的任务是迅速、可靠而信道的任务是迅速、可靠而 准确地将信号从信源传输到准确地将信号从信源传输到 信宿信宿 被传输的信息都必须以被传输的信息都必须以 某种电某种电(或光或光)信号的形信号的形 式才能进行传输式才能进行传输 发送信息发送

7、信息 的设备的设备 接收信息接收信息 的设备的设备 有线电话有线电话移动电话移动电话计算机通信计算机通信 信源信源/信宿信宿电话座机电话座机手机手机计算机计算机 信号形式信号形式话音经电话机转话音经电话机转 换成为变化的电换成为变化的电 流信号流信号 话音经电话机转换成话音经电话机转换成 为压缩编码后的数字为压缩编码后的数字 信号信号 编码并打包后的数字信编码并打包后的数字信 号号 信道构成信道构成电话线和中继器电话线和中继器 等传输设备等传输设备 无线电波、基站等无线电波、基站等双绞线、集线器、路由双绞线、集线器、路由 器、光纤等器、光纤等 11 图图 2-12-1 输 入 信 息 传输 系

8、统输 入 数 据 发送 的信号 接收 的信号 输 出 数 据 源点终点发送器接收器 调制解调器 PC 机 公用电话网 调制解调器 数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文 正文 数据通信系统 源系统目的系统传输系统 输 出 信 息 PC 机 12 常用几个术语常用几个术语 v数据数据( (data)data)运送消息（或信息）的实体；赋予一运送消息（或信息）的实体；赋予一 定含义的数字、字母、文字等符号及其组合。定含义的数字、字母、文字等符号及其组合。 v信号信号( (signal)signal)数据的电气的或电磁的表现，有电数据的电气的或电磁的表现，有电 信号和光信号。或者信号和光信号。或

9、者信号信号是数据在传输过程中电信是数据在传输过程中电信 号的表示形式；号的表示形式； 13 信息、数据和信号信息、数据和信号 雪 六角形 凉 白色 信息数据信号 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号 v通信系统中被传输的信息必须转换成某种通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号电信号(或光信号或光信号) 才能进行传输。才能进行传输。 t 数字信号数字信号 信号信号 强度强度 模拟信号模拟信号 信号信号 强度强度 t n 电信号电信号(或光信号或光信号) 有两种形式：有两种形式： n 模拟信号模拟信号形式形式: 通过通过连续连续变化的物理变化的物理 量（如信号的幅度）来表示信息，例量（如信号的

10、幅度）来表示信息，例 如人们打电话或者播音员播音时声音如人们打电话或者播音员播音时声音 经话筒经话筒(麦克风麦克风)转换得到的电信号；转换得到的电信号； n 数字信号数字信号形式形式: 使用有限个状态使用有限个状态(一般一般 是是2个状态个状态)来表示（编码）信息来表示（编码）信息离离 散的数值散的数值，例如电报机、传真机和计，例如电报机、传真机和计 算机发出的信号都是数字信号。算机发出的信号都是数字信号。 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 15 v码元码元(code)(code)在使用时间域（或简称为时在使用时间域（或简称为时 域）的波形表示数字信号时，代表不同离散域）的波形表示数字信

11、号时，代表不同离散 数值的基本波形。数值的基本波形。 v 在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元， 一种代表一种代表0 0状态而另一种代表状态而另一种代表1 1状态，但状态，但1 1码元码元 不一定对应于不一定对应于1 1比特。比特。 16 v调制调制将发送端的将发送端的数字数字信号信号转换转换成成模模 拟拟信号的过程；进行波形变换。信号的过程；进行波形变换。 v解调解调将接收端的模拟信号将接收端的模拟信号还原还原成数成数 字信号的过程。字信号的过程。 模拟的和数字的数据、信号模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号 放大器 调制器 模拟数据数字信号

12、PCM 编码器 数字数据模拟信号调制器 数字数据数字信号 数字 发送器 数字通信的优点数字通信的优点 抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高；抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高； 灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可 传输；传输； 传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理 ； 数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高 数字电路容易用超大规模集成电路实现，有利于通信设备数字电路容易用超大规模集成

13、电路实现，有利于通信设备 的小型化、微型化，也降低了功耗的小型化、微型化，也降低了功耗 。 数字数字 调制调制 数字数字 解调解调 编码器编码器 解码器解码器 电磁波电磁波 电视信号电视信号 发射器发射器 电视信号电视信号 接收器接收器 载波载波 载波载波 电视图像电视图像 及其伴音及其伴音 电视机电视机 人造卫星人造卫星 数字通信技术数字通信技术 模拟模拟 信号信号 模拟模拟 信号信号 数字通信技术应用举例（数字通信技术应用举例（1） v卫星电视和数字有线电视：用数字通信技术传输模拟音视频信号卫星电视和数字有线电视：用数字通信技术传输模拟音视频信号 数字信号经调制和复数字信号经调制和复 用后

14、由天线发送至卫用后由天线发送至卫 星，再由卫星进行转星，再由卫星进行转 发，被卫星地面接收发，被卫星地面接收 站所接收；或者经过站所接收；或者经过 光纤和同轴电缆进行光纤和同轴电缆进行 传输传输 电视台的节目在传输之电视台的节目在传输之 前，先要把图像和伴音前，先要把图像和伴音 信号进行数字化，还要信号进行数字化，还要 进行数据压缩进行数据压缩 地面站对接收到的信号地面站对接收到的信号 进行解调、解码后（或进行解调、解码后（或 同轴电缆送来的数字信同轴电缆送来的数字信 号经机顶盒处理后）恢号经机顶盒处理后）恢 复为模拟信号，再送到复为模拟信号，再送到 用户电视机上播放用户电视机上播放 20 数

15、字电视（数字电视（Digital television, or DTVDigital television, or DTV）含义）含义 并不是指我们家中的电视机，而是指采用数字信号传并不是指我们家中的电视机，而是指采用数字信号传 送图像和声音的整个电视系统。它从节目采编、压缩、送图像和声音的整个电视系统。它从节目采编、压缩、 传输到接收电视节目的全过程都采用数字信号处理。传输到接收电视节目的全过程都采用数字信号处理。 其具体传输过程是：由电视台送出的图像及声音其具体传输过程是：由电视台送出的图像及声音 信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号，信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信

16、号， 经过卫星、地面无线广播或有线电视网等方式传送，经过卫星、地面无线广播或有线电视网等方式传送， 最后由数字机顶盒接收后，通过数字解调和数字视音最后由数字机顶盒接收后，通过数字解调和数字视音 频解码处理还原出原来的图像及伴音，显示在电视机频解码处理还原出原来的图像及伴音，显示在电视机 上。由于全过程均采用数字技术处理，因此，数字电上。由于全过程均采用数字技术处理，因此，数字电 视可以实现信号无损传输，体现为在电视机端收视效视可以实现信号无损传输，体现为在电视机端收视效 果好。果好。 数字通信技术应用举例（数字通信技术应用举例（2） v长途电话系统的中继通信长途电话系统的中继通信 PCM 编码

17、器编码器 PCM 解码器解码器 PCM 编码器编码器 PCM 解码器解码器 多多 路路 复复 用用 器器 分分 路路 器器 光纤传输线路光纤传输线路 (中继线和长途线中继线和长途线) （本地电话局）（本地电话局）（本地电话局）（本地电话局） （用户线）（用户线）（用户线）（用户线） 数字通信技术数字通信技术 模拟传输技术模拟传输技术模拟传输技术模拟传输技术 模拟声音信号在需要进模拟声音信号在需要进 行远距离传输之前，先行远距离传输之前，先 使用使用PCM编码器变换编码器变换 为数字信号形式（此过为数字信号形式（此过 程称为程称为“数字化数字化”） 接收方所在地区的交换接收方所在地区的交换 局使

18、用解码器把数字信局使用解码器把数字信 号还原成模拟声音信号号还原成模拟声音信号 后，由用户线传输至接后，由用户线传输至接 听方的电话机听方的电话机 数字信号经调制和复数字信号经调制和复 用后，通过光纤传输用后，通过光纤传输 到接收方所在地区的到接收方所在地区的 交换局，再经解调和交换局，再经解调和 分路处理，恢复为数分路处理，恢复为数 字信号字信号 22 1 1、信道信道( (channel)channel)是数据信号传输的必经之路，由相是数据信号传输的必经之路，由相 应的传输线路和传输设备组成。应的传输线路和传输设备组成。 2.2.2 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念 23 2

19、2、数据通信方式、数据通信方式 v并行通信与串行通信并行通信与串行通信 v单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信 v同步通信和异步通信同步通信和异步通信 24 单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信 发送接收单向通道 双向通道 双向通道 (a) (b) (c) 发送 接收 发送 接收 接收 发送 接收 发送 25 v单工通信单工通信只能有一个方向的通信而没有反只能有一个方向的通信而没有反 方向的交互。例如：广播、电视节目、寻呼方向的交互。例如：广播、电视节目、寻呼 系统、发报机、键盘。系统、发报机、键盘。 v半双工通信半双工通信通信的双方都可以发送信息，通信的双方都可以发送

20、信息， 但不能双方同时发送但不能双方同时发送( (当然也就不能同时接当然也就不能同时接 收收) )。例如：对讲机。例如：对讲机 v全双工通信全双工通信通信的双方可以同时发送和接通信的双方可以同时发送和接 收信息。例如：手机、电话。收信息。例如：手机、电话。 数字信号如何传输？数字信号如何传输？ v近距离传输：近距离传输：直接直接(基带基带)传输传输 例如：例如：USB移动硬盘移动硬盘 主机主机 ；以太网数据传输；以太网数据传输 v远距离传输：远距离传输：载波传输载波传输 例如：数字有线电视；电话拨号上网；例如：数字有线电视；电话拨号上网；ADSL上网上网 v什么是什么是载波载波？ 研究发现，高

21、频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其研究发现，高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其 他信号传送得更远。因此若把高频振荡的他信号传送得更远。因此若把高频振荡的正弦波信号正弦波信号作为携作为携 带信息的带信息的载波，载波，把数字信号放在把数字信号放在(调制调制在在)载波上传输，则可比载波上传输，则可比 直接传输的距离远得多。直接传输的距离远得多。 27 v（1 1）基带传输与数字信号编码）基带传输与数字信号编码 v基带信号基带信号（即基本频带信号）（即基本频带信号）来自信源的信号。来自信源的信号。 像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信

22、号都属于基带信号。号都属于基带信号。 v基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流 DCDC成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直 流分量。因此必须对基带信号进行流分量。因此必须对基带信号进行调制（编码）。调制（编码）。 3、数字信号的两种调制、数字信号的两种调制 28 v基带调制：仅对基带信号的基带调制：仅对基带信号的波形进行变换波形进行变换， 使它能够与信道特性相适应，变换后的信号使它能够与信道特性相适应，变换后的信号 仍然是基带信号。仍然是基带信号。 v数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号数字数

23、据可以由多种不同形式的电脉冲信号 的波形来表示。的波形来表示。- -数字数据的数字数据的数字信号编码数字信号编码。 v编码的方法：编码的方法： 见下页见下页 29 数字信号编码方法：数字信号编码方法：参见参见P P41 41 图 图2-22-2 30 v（2 2）频带传输与模拟信号编码）频带传输与模拟信号编码 v 由于基带传输不适合于远距离传输，因此在远由于基带传输不适合于远距离传输，因此在远 距离传输中采用距离传输中采用频带传输。频带传输。 v带通信号（频带信号、模拟信号）带通信号（频带信号、模拟信号）把基带信号把基带信号经经 过载波调制过载波调制后的信号，把基带信号的频率范围搬移后的信号，

24、把基带信号的频率范围搬移 到较高的频段，并转换成到较高的频段，并转换成模拟信号模拟信号，以便在，以便在模拟信模拟信 道道中传输中传输。 v带通调制：使用带通调制：使用载波载波对数字信号进行调制。对数字信号进行调制。 v调制的方法：调制的方法：数字数据的数字数据的模拟信号编码模拟信号编码 31 最基本的带通调制方法最基本的带通调制方法 v数字调制数字调制/解调技术（调幅；调频；调相）解调技术（调幅；调频；调相） 解决信号传得远的问题。解决信号传得远的问题。 调幅调幅(AM)(AM)：载波的振幅随基带数字信号而：载波的振幅随基带数字信号而 变化。变化。 调频调频(FM)(FM)：载波的频率随基带数

25、字信号而：载波的频率随基带数字信号而 变化。变化。 调相调相(PM)(PM)：载波的初始相位随基带数字信：载波的初始相位随基带数字信 号而变化。号而变化。 三种带通调制方法三种带通调制方法 幅度调制幅度调制 频率调制频率调制 调制信号调制信号 相位调制相位调制 载波信号载波信号 (高频正弦波高频正弦波) 调制后的调制后的 载波信号载波信号 传输传输 信号信号 解调器解调器 载波信号载波信号 调制后的调制后的 载波信号载波信号 传输传输 信号信号 调制器调制器 载波信号载波信号 实现信号调制与解调的设备分别称为实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器调制器”和和“解调器解调器”： 参见参见P P

26、41 41 图 图2-32-3 信信 道道信源信源(宿宿)信宿信宿(源源) 调制后调制后 的载波的载波 信号信号 接收到接收到 的载波的载波 信号信号 调制调制 (解调解调)器器 (调制调制) 解调器解调器 载波载波载波载波 结论：远距离通信必须使用结论：远距离通信必须使用MODEM 通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调器，通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调器， 它们通常做在一起，称为调制解调器它们通常做在一起，称为调制解调器(MODEM)。 信源信号通过信源信号通过调调 制器制器 调整载波调整载波 的某个参数的某个参数(幅幅 度、频率或相位度、频率或相位) 到达目的

27、地后，使用到达目的地后，使用 解调器解调器把载波所携带把载波所携带 的信号检测出来，恢的信号检测出来，恢 复为原始信号的形式复为原始信号的形式 经过调制后的载波经过调制后的载波 信号，携带着被传信号，携带着被传 输的信号在信道中输的信号在信道中 进行长距离传输进行长距离传输 34 2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量 v任何实际的信道都不是理想的，在传输信号任何实际的信道都不是理想的，在传输信号 时会产生各种失真以及带来多种干扰。时会产生各种失真以及带来多种干扰。 v失真的原因？失真的原因？ 码元传输的速率越高，或信号传输的距码元传输的速率越高，或信号传输的距 离越远，或噪声干扰越大，或传

28、输介质质离越远，或噪声干扰越大，或传输介质质 量越差，在接收端的波形的失真就越严重。量越差，在接收端的波形的失真就越严重。 35 数字信号通过实际的信道数字信号通过实际的信道 v有失真，但可识别 v失真大，无法识别 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 发送信号波形接收信号波形 发送信号波形 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 接收信号波形 36 1、信道能够通过的频率范围信道能够通过的频率范围 v19241924年，奈奎斯特年，奈奎斯特(Nyquist)(Nyquist)就推导出了著名的就推导出了著名的奈奈 氏准则氏准则。他给出了在假定的理想条件（无噪声）下，。他给出了在假

29、定的理想条件（无噪声）下， 为了避免为了避免码间串扰码间串扰（即码元之间的相互干扰），（即码元之间的相互干扰），码码 元的传输速率的上限值。元的传输速率的上限值。 v在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则 就会出现就会出现码间串扰码间串扰的问题，使接收端对码元的判断的问题，使接收端对码元的判断 （即识别）成为不可能。（即识别）成为不可能。 影响数据速率的因素？影响数据速率的因素？ 有限带宽、信号电有限带宽、信号电 平数、通道的质量（噪声）平数、通道的质量（噪声） 37 2、奈氏准侧奈氏准侧 无噪声通道无噪声通道 无噪声的理想信道中，根据奈奎斯特

30、定理来计算无噪声的理想信道中，根据奈奎斯特定理来计算理理 论上的最大论上的最大数据传输速数据传输速率率，它描述了有限带宽、无噪，它描述了有限带宽、无噪 声的理想信道的最高码元速率与信道带宽的关系。简声的理想信道的最高码元速率与信道带宽的关系。简 而言之，如果系统的带宽为而言之，如果系统的带宽为W，则最高码元速率为，则最高码元速率为2W。 最大最大数据传输速数据传输速率率= =最高码元速率（码元最高码元速率（码元/ /秒）秒） loglog2 2L L （单位：（单位：bpsbps） L L：表示数据的信号电平数量：表示数据的信号电平数量 公式：公式：C=2WC=2W* *loglog2 2L

31、L （ （bpsbps） 38 3 3、信噪比、信噪比SNRSNR： 信号的平均功率信号的平均功率S S和噪声的平均功率和噪声的平均功率N N 之比。即之比。即S/NS/N 在通信系统中，信噪比一般用在通信系统中，信噪比一般用分贝分贝dBdB 作为度量单位，定义为：作为度量单位，定义为： SNRSNRdB dB =10log10 =10log10SNR SNR 其中，其中，SNR=S/NSNR=S/N 39 4 4、香农容量定理、香农容量定理 -有噪声通道有噪声通道 香农香农(Shannon)(Shannon)用信息论的理论用信息论的理论19481948年推年推 导出了带宽受限且有高斯白噪声干

32、扰的信道的导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的 极限极限、无差错的无差错的信息传输速率。即香农公式，信息传输速率。即香农公式， 给出了噪声通道理论上的信息传输给出了噪声通道理论上的信息传输速率的极限速率的极限。 传输速率传输速率C=C=带宽带宽W Wloglog2 2（ （1+SNR1+SNR） 单位：单位：bpsbps。 40 2.3 传输媒体及其类型传输媒体及其类型 传输介质传输介质是网络中连接收发双方的物理通是网络中连接收发双方的物理通 路，也是通信中实际传送信息的载体；路，也是通信中实际传送信息的载体； 可分为两大类：可分为两大类： 有线（导向）传输介质有线（导向）传输介质: :将

33、信号约束在一个物理导将信号约束在一个物理导 体之内，如双绞线、同轴电缆和光纤等。体之内，如双绞线、同轴电缆和光纤等。 无线（非导向）传输介质：不能将信号约束在某无线（非导向）传输介质：不能将信号约束在某 个空间范围之内，如无线电波、红外线、激光等。个空间范围之内，如无线电波、红外线、激光等。 2.3.1 有线传输介质有线传输介质 v双绞线双绞线 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) v同轴电缆同轴电缆 50 同轴电缆同轴电缆 75 同轴电缆同轴电缆 v光缆光缆 42 1

34、 1、双绞线、双绞线 由按规则螺旋结构排列的由按规则螺旋结构排列的2 2根、根、4 4根或根或8 8根绝缘导线根绝缘导线 组成；组成； v一对导线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排一对导线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排 列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小；列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小； v模拟信号传输和数字信号传输都可以使用双绞线，模拟信号传输和数字信号传输都可以使用双绞线， 距离为几到十几公里。传输数字信号时，它的传输距离为几到十几公里。传输数字信号时，它的传输 速率与电缆的长度有关。速率与电缆的长度有关。 v局域网中所使用的双绞线分为两类：局域网中所使用的双绞线分

35、为两类： 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 （STPSTP）与非屏蔽双绞线（）与非屏蔽双绞线（UTPUTP）；）； 双绞线的基本结构双绞线的基本结构 铜线 铜线 聚氯乙烯 套层 聚氯乙烯 套层 屏蔽层绝缘层 绝缘层 无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP 44 非屏蔽双绞线（UTP ） vUTP是局域网布线中最常见的一类电缆 它价格便宜，轻便柔韧，易于安装； vUTP依靠成对的绞合导线使电磁干扰和射频 干扰最小化,没有外加屏蔽层； v塑料防护层内部的每一根线都与另外一根相 缠绕减少数据信号的干扰。 45 UTP v双绞线线皮的颜色通常为橙色、棕色、蓝色、绿色双绞线线皮的颜色通常为橙色、棕色、蓝色、绿色 。

36、 46 UTP标准 v第1类（Category 1） v第2类（Category 2） v第3类（Category 3） v第4类（Category 4） v第5类（Category 5） v超5类 v其应用参见 表2-1 47 屏蔽双绞线（STP） vSTP是由两对或者多对铜绞线外层包着柔韧 的绝缘层，然后是金属箔屏蔽层，最外层是 塑料防护层 。 48 双绞线的特性双绞线的特性 v物理特性：铜质线芯，传导性能良好物理特性：铜质线芯，传导性能良好 v传输特性：可用于传输特性：可用于传输模拟信号和数字信号传输模拟信号和数字信号 v地理范围：对于地理范围：对于LAN，速率为，速率为100Kb/s时

37、，可传输时，可传输 1km；速率为；速率为10100Mb/s时，可传输时，可传输100m v抗干扰性：低频抗干扰性：低频10kHz以下的强于同轴电缆，高频以下的强于同轴电缆，高频 10100kHz弱于同轴电缆弱于同轴电缆 v相对价格：比同轴电缆盒光纤便宜得多。相对价格：比同轴电缆盒光纤便宜得多。 49 RJ-45水晶接头 v制作网线所需要的RJ45水晶接头的前端有8 个平行排列的金属触点； v在水晶接头的另一侧有一个弹性的塑料卡栓， 用来将制作好的双绞线固定在RJ45插座上。 50 双绞线与连接器的安装 vTIA/EIA 568A标准规定线对顺序为：标准规定线对顺序为： 1-绿白、绿白、2-绿

38、、绿、3-橙白、橙白、4-蓝、蓝、5-蓝白、蓝白、6-橙、橙、7- 棕白、棕白、8-棕棕 vTIA/EIA 568B标准规定线对顺序为：标准规定线对顺序为： 1-橙白、橙白、2-橙、橙、3-绿白、绿白、4-蓝、蓝、5-蓝白、蓝白、6-绿、绿、7- 棕白、棕白、8-棕棕 51 2、同轴电缆 v同轴电缆由内导体、绝缘层、外屏蔽层及外同轴电缆由内导体、绝缘层、外屏蔽层及外 部保护层组成；部保护层组成； v同轴介质的特性参数由内导体、外屏蔽层及同轴介质的特性参数由内导体、外屏蔽层及 绝缘层的电参数与机械尺寸决定；绝缘层的电参数与机械尺寸决定； v同轴电缆的特点是同轴电缆的特点是抗干扰能力较强；抗干扰能

39、力较强； v同轴电缆根据带宽可以分为两类：基带同轴同轴电缆根据带宽可以分为两类：基带同轴 电缆与宽带同轴电缆。电缆与宽带同轴电缆。 52 同轴电缆结构 外导体屏蔽层 绝缘层 绝缘保护套层 内导体 同轴电缆 53 n50 50 同轴电缆基带同轴电缆，主要用于传送同轴电缆基带同轴电缆，主要用于传送 基带数字信号。基带数字信号。 n75 75 同轴电缆宽带同轴电缆，主要用于频分同轴电缆宽带同轴电缆，主要用于频分 多路的模拟信号发送，多路的模拟信号发送， n例如例如: :有线电视系统有线电视系统CATVCATV中的电缆，采用频分中的电缆，采用频分 复用的宽带信号。复用的宽带信号。 同轴电缆分类 54

40、v粗同轴电缆粗同轴电缆 粗同轴电缆又称为粗缆，其中心为铜导体或敷铜箔膜的粗同轴电缆又称为粗缆，其中心为铜导体或敷铜箔膜的 铝导体。粗同轴电缆中导体的直径相对较大，信号的传铝导体。粗同轴电缆中导体的直径相对较大，信号的传 输距离较远，具有较高的可靠性和较强的抗干扰能力。输距离较远，具有较高的可靠性和较强的抗干扰能力。 连接器为：连接器为：AUI AUI v细同轴电缆细同轴电缆 细同轴电缆又称为细缆，其中心为铜导体或敷铜箔膜的细同轴电缆又称为细缆，其中心为铜导体或敷铜箔膜的 铝导体。与粗缆相比较细同轴电缆中导体的直径相对较铝导体。与粗缆相比较细同轴电缆中导体的直径相对较 小，信号的传输距离较粗缆近

41、。小，信号的传输距离较粗缆近。 连接器为：连接器为：BNCBNC 5050 同轴电缆基带同轴电缆的分类同轴电缆基带同轴电缆的分类 55 v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。 v连接器 56 3、光纤 v光纤是传输介质中性能最好、应用前途最广泛的光纤是传输介质中性能最好、应用前途最广泛的 一种；一种； v光纤是一种直径为光纤是一种直径为5050100m100m的柔软、的柔软、能传导光能传导光 波波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤， 其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤的纤其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作

42、的光纤的纤 芯可以得到最低的传输损耗；芯可以得到最低的传输损耗； v在折射率较高的纤芯外面，用折射率较低的包层在折射率较高的纤芯外面，用折射率较低的包层 包裹起来，外部包裹涂覆层，这样就可以构成一包裹起来，外部包裹涂覆层，这样就可以构成一 条光纤；条光纤； 57 光纤结构与传输原理光纤结构与传输原理 光线在纤芯中传输的方式是不断地全光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射。反射。 58 光纤的特性光纤的特性 v物理特性：在计算机网络中均采用物理特性：在计算机网络中均采用 两根光纤组成传两根光纤组成传 输系统，体积小，重量轻；输系统，体积小，重量轻； v传输特性：传输特性：光纤通过内部的光纤通过内部

43、的全反射全反射来传输一束经过来传输一束经过 编码的光信号；编码的光信号； v地理范围：在地理范围：在68km的距离内可以不采用中继器传的距离内可以不采用中继器传 输，适合在建筑物之间通过点到点的链路链接输，适合在建筑物之间通过点到点的链路链接LAN； v抗干扰性：不受噪声或电磁影响，能够提供良好的抗干扰性：不受噪声或电磁影响，能够提供良好的 安全性、保密性。安全性、保密性。 v价格：目前比其他的都贵。价格：目前比其他的都贵。 59 光纤的传输模式光纤的传输模式 v单模 单模光纤的纤芯直径极细，约为510微米，使用 激光传送表示二进制信息的光信号。 v多模 多模光纤的纤芯直径较大，通常为62.5

44、微米，使 用发光二极管（LED）传送产生的光信号。 60 输入脉冲 输出脉冲单模光纤 多模光纤与单模光纤 输入脉冲 输出脉冲 多模光纤 61 光缆中的光纤数 v单芯 v双芯 v多芯 62 室内单芯光缆 63 室内双芯光缆 64 室内多芯光缆 65 v无线传输介质通过电磁波传输信号；无线传输介质通过电磁波传输信号； v既可以传输数字信信号，又可以传输模拟信号；既可以传输数字信信号，又可以传输模拟信号； v无线传输可使用的频段很广，现已利用好几个波段无线传输可使用的频段很广，现已利用好几个波段 进行通信，如短波波段、微波波段。进行通信，如短波波段、微波波段。 v一般可以分为三组：一般可以分为三组：

45、 无线电波无线电波 微波（如地面微波接力通信和卫星通信）微波（如地面微波接力通信和卫星通信） 红外线红外线 2.3.2 非导向传输媒体 无线通信无线通信 v原理：原理：数字数字( (或模拟或模拟) )信号信号使用电磁波使用电磁波调制后进行传输。调制后进行传输。 1041051061071081091010101110121013101410151016 Hz 双绞线双绞线 同轴电缆同轴电缆 AM广播广播FM广播和广播和TV 卫星卫星 地面微波地面微波 光纤光纤 紫外线紫外线红外线红外线可见光可见光 微波微波 无线电波无线电波 超短波超短波中波中波短波短波 电磁波的种类与频率范围电磁波的种类与频

46、率范围 无线电波无线电波: :10104 4 101011 11 (Hz) (Hz) 中波：中波： 0.3 0.3 3 (MHz) 3 (MHz) 短波：短波： 3 3 30 (MHz) 30 (MHz) 超短波：超短波： 30 30 300 (MHz) 300 (MHz) 微波：微波： 0.3 0.3 300 (GHz) 300 (GHz) 红外线：红外线： 101011 11 101014 14 (Hz) (Hz) 可见光：可见光： 101014 14 (Hz) (Hz) 紫外线：紫外线： 101014 14 101016 16 (Hz) (Hz) 无线广播无线广播 电视、通信电视、通信

47、通信通信 67 无线电波无线电波 1、频率范围：3KHz-1GHz之间 2、大部分无线电波是全方向的，会向 各个方向传播，传输距离长； 3、用于多播通信，如收音机、电视、 无绳电话、寻呼系统； 4、缺点是容易受其他同频率或波段信 号干扰。 微波通信微波通信 v微波：微波：300MHz300GHz范围内的范围内的 电磁波，波长为电磁波，波长为1 m1mm。 n 特点：特点： n单向的、直线传播，不能单向的、直线传播，不能 沿地球表面传播（无绕射沿地球表面传播（无绕射 性），性），传播距离受限制，传播距离受限制， 需要每隔几十公里设立一需要每隔几十公里设立一 个中继站个中继站 n容量大、可靠性高容

48、量大、可靠性高 n建设费用低建设费用低 n抗灾能力强抗灾能力强 n 应用：长途电话、蜂窝移动电应用：长途电话、蜂窝移动电 话 、 全 数 字 高 清 晰 度 电 视话 、 全 数 字 高 清 晰 度 电 视 （HDTV）、）、无线局域网无线局域网等。等。 卫星通信卫星通信 n 卫星通信卫星通信: : 中继站在人造地球卫星上的中继站在人造地球卫星上的 一种微波通信一种微波通信 n 优点：通信距离远、频带宽、容量大、优点：通信距离远、频带宽、容量大、 抗干扰强、通信稳定抗干扰强、通信稳定 n 缺点：造价高、技术复杂、有较大延时、缺点：造价高、技术复杂、有较大延时、 同步轨道卫星数目仅同步轨道卫星数

49、目仅180180颗。颗。 赤道上方高度为赤道上方高度为35800公里的地方为公里的地方为地球同地球同 步轨道步轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的卫星的运行周期与地球自转一圈的 周期相同周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不，在地面上看这种卫星好似静止不 动。一颗同步轨道卫星覆盖约动。一颗同步轨道卫星覆盖约120， 3颗颗 同步定点轨道卫星同步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部可以覆盖地球的几乎全部 面积，进行二十四小时的全天候通信。面积，进行二十四小时的全天候通信。 70 红外波红外波 1 1、频率范围：、频率范围：300GHz-400THz300GHz-400THz之间之间 2 2、适用于

50、封闭式区域短距离通信，使、适用于封闭式区域短距离通信，使 用视线传播；用视线传播； 3 3、频率高，不能穿透墙体，防止了系、频率高，不能穿透墙体，防止了系 统之间的干扰，不易在室外使用，统之间的干扰，不易在室外使用， 4 4、应用：如遥控器、键盘上的红外接、应用：如遥控器、键盘上的红外接 口、鼠标等。口、鼠标等。 传输介质的类型与特点传输介质的类型与特点 介质类型介质类型特点特点应用应用 有有 线线 通通 信信 双绞线双绞线成本低，易受外部高频电磁波成本低，易受外部高频电磁波 干扰，误码率较高；传输距离干扰，误码率较高；传输距离 有限有限 固定电话本地回路、固定电话本地回路、 计算机局域网计算

51、机局域网 同轴电缆同轴电缆传输特性和屏蔽特性良好，可传输特性和屏蔽特性良好，可 作为传输干线长距离传输载波作为传输干线长距离传输载波 信号，但成本较高信号，但成本较高 固定电话中继线路、固定电话中继线路、 有线电视接入有线电视接入 光缆光缆传输损耗小，通讯距离长，容量大，传输损耗小，通讯距离长，容量大， 屏蔽特性非常好，不易被窃听，重屏蔽特性非常好，不易被窃听，重 量轻，便于运输和铺设。缺点是精量轻，便于运输和铺设。缺点是精 确连接两根光纤很困难确连接两根光纤很困难 电话、电视等通信电话、电视等通信 系统的远程干线，系统的远程干线， 计算机网络的干线计算机网络的干线 无无 线线 通通 信信 自

52、由空间自由空间 使用微波、红外线、激光等，使用微波、红外线、激光等，建设建设 费用低，抗灾能力强，容量大，无费用低，抗灾能力强，容量大，无 线接入使得通信更加方便线接入使得通信更加方便. .但易被但易被 窃听、易受干扰窃听、易受干扰 广播，电视，移动广播，电视，移动 通信系统，计算机通信系统，计算机 无线局域网无线局域网 72 第第2 2讲讲 内容内容 信道复用技术信道复用技术 数字传输系统数字传输系统 宽带接入技术宽带接入技术 怎样降低传输成本？怎样降低传输成本？ v分析：分析： 通信系统中，传输线路的建设和维护成本占整个系通信系统中，传输线路的建设和维护成本占整个系 统成本的相当大的份额；

53、统成本的相当大的份额； 一条传输线路（铜线、光纤、无线电波）的容量通一条传输线路（铜线、光纤、无线电波）的容量通 常远远超过传输常远远超过传输1路用户信号所需的能力。路用户信号所需的能力。 v降低成本采用的技术降低成本采用的技术多路复用技术多路复用技术(Multiplexing) 多路信号使用同一条传输线同时进行传输多路信号使用同一条传输线同时进行传输 v方法：方法： v频分多路复用（频分多路复用（FDM） v时分多路复用（时分多路复用（TDM） v波分多路复用（波分多路复用（WDM） v码分多路复用（码分多路复用（CDM） 74 2.4 信道复用技术信道复用技术 v为了提高信道传输数据的效率

54、，在同一信道上，同为了提高信道传输数据的效率，在同一信道上，同 时传输多个有限带宽信号的方法被称为时传输多个有限带宽信号的方法被称为多路复用多路复用。 v多路复用技术的实质是：发送方将多个用户的数据多路复用技术的实质是：发送方将多个用户的数据 信号通过复用器汇集，并将汇集的数据通过一条物信号通过复用器汇集，并将汇集的数据通过一条物 理线路传送到接收方；理线路传送到接收方； v接收方通过分用器将数据分离成各个单独的数据，接收方通过分用器将数据分离成各个单独的数据， 然后分发给接收方的多个相应用户。然后分发给接收方的多个相应用户。 2.2.4.14.1（多路）复用技术的概念（多路）复用技术的概念

55、75 +( )+ A1A2 B1B2 C1C2 A1A2 B1B2 C1C2 共享信道 (a) 使用单独的信道 (b) 使用共享信道 复用分用 复用器的作用：把各用户的数据合起来使用一个复用器的作用：把各用户的数据合起来使用一个 共享信道来进行通信。共享信道来进行通信。 分用器的作用：把高速信道传送过来的数据进行分用器的作用：把高速信道传送过来的数据进行 分用，分别送交到相应的用户。分用，分别送交到相应的用户。 76 2.4.2 多路复用技术的分类多路复用技术的分类 频分复用频分复用FDMFDM 时分复用时分复用TDMTDM（同步时分和异步时分）（同步时分和异步时分） 波分复用波分复用WDMW

56、DM 码分复用码分复用CDMCDM DEMUX MUX 共享的传输信道共享的传输信道 载波频率载波频率f1 调制调制 调制调制 载波频率载波频率fn 载波频率载波频率f1 解调解调 解调解调 载波频率载波频率fn f 1、频分多路复用、频分多路复用(Frequency Division Multiplexing, FDM) v思想：将每个通信终端发送的信号思想：将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波调制在不同频率的载波上，通上，通 过频分多路复用器过频分多路复用器(MUX)将它们复合成为一个信号，然后在同一将它们复合成为一个信号，然后在同一 传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器

57、传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器(DEMUX) 把不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备。把不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备。 v工作原理：工作原理： 将不同频率将不同频率 的载波信号的载波信号 合成在一起合成在一起 使用一组滤波器使用一组滤波器 分解出不同频率分解出不同频率 的载波信号的载波信号 78 v特点：特点：每一个用户分配到一定的频带后，在通信过每一个用户分配到一定的频带后，在通信过 程中自始至终都占用这个频带。因此，所有用户在程中自始至终都占用这个频带。因此，所有用户在 同样的时间占用不同的带宽资源。同样的时间占用不同的带宽资源。 v应用：应用： 适合用

58、于适合用于模拟信号模拟信号的频分传输，主要应用有广的频分传输，主要应用有广 播和有线电视（播和有线电视（CATVCATV），载波电话通信系统。在，载波电话通信系统。在 数据通信系统中，应和调制解调技术结合使用。数据通信系统中，应和调制解调技术结合使用。 v优缺点：优缺点：技术比较成熟，但不够灵活。技术比较成熟，但不够灵活。 频分多路复用举例频分多路复用举例1 v广播电台节目的发送与接收广播电台节目的发送与接收 频分多路复用频分多路复用 分路器分路器 (带通滤波器带通滤波器) 信号信号 发射发射 信号信号 接收接收 n 常见广播电台使用的载波频率常见广播电台使用的载波频率 n 中波中波 900

59、KHz(南京经济台南京经济台) 中波中波1008 KHz (南京新闻台南京新闻台) n 短波短波 15.28 MHz(英国英国BBC) 短波短波 15.29 MHz(VOA美国之音美国之音) n 调频调频104.3MHz (南京体育台南京体育台) 调频调频105.8MHz(南京音乐台南京音乐台) 频分多路复用举例频分多路复用举例2 n 电视节目的发送与接收电视节目的发送与接收 频道频道载波频率载波频率(MHz)(MHz)频道频道载波频率载波频率(MHz)(MHz)频道频道载波频率载波频率(MHz)(MHz) 1 187.7587.755 5123.25123.259 9230.25230.25

60、 2 295.7595.75 6 6206.25206.251010238.25238.25 3 3103.75103.757 7214.25214.251111246.25246.25 4 4115.25115.258 8222.25222.251212254.25254.25 多多 路路 复复 用用 器器 解调器解调器 在天空中传输的在天空中传输的 电磁波器电磁波器 电视信号电视信号 发射器发射器 电视信号电视信号 接收器接收器 电视节目电视节目 调制器调制器 载波载波1 电视图像电视图像 及其伴音及其伴音 调制器调制器 载波载波2 电视图像电视图像 及其伴音及其伴音 调制器调制器 载波载