数据通信的基础知识与物理传输媒体

数据通信与计算机网络

笫三讲数据通信的基础知识与物理传输媒体

第二章

物理层与数据通信基础

2.1数据通信的基础知识

2.1.1

通信系统模型

2.1.2带宽与傅里叶分析

2.1.3信道的最大数据速率

2.2物理传输媒体

2.2.1双绞线

2.2.2同轴电缆

2.2.3光纤

2.2.4无线传输媒体* 2.2.5卫星通信*是要求同学了解的

2.1.1通信系统模型图2.1通信系统的模型一般点到点的通信系统都可由图2.1加以概括2.1.1通信系统模型

（介绍）发送端信源的作用是把各种可能信息转换成原始电信号变换器转换成适合于在信道上传输的信号信道是信号的传输媒体及有关的设备如中继器等通过信道传输到远地的电信号先由接收端的反变换器转换复原成原始的信号，再送给接收者信宿，而后由信宿将其转换成各种信息噪声源，是信道中噪声(noise)，即对信号的干扰以及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表示2.1.1通信系统模型（续）单工(simplex)通信一端只发送，而另一端只接收图2.1中给出的是一个单向通信系统的模型双工(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分为：全双工(fullduplex)和半双工(halfduplex)2.1.1通信系统模型（续）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是模拟信号还是数字信号，可以相应地把信道分为两类：模拟信道数字信道2.1.1通信系统模型（续）信源和信宿都是计算机或其它数字终端装置，即ITU所称的数据终端设备DTE。DTE产生的是数字信号，接收的也是数字信号图2.2通过模拟信道进行数据通信第二章

物理层与数据通信基础

2.1数据通信的基础知识

2.1.1通信系统模型

2.1.2带宽与傅里叶分析

2.1.3信道的最大数据速率

2.2物理传输媒体

2.2.1双绞线

2.2.2同轴电缆

2.2.3光纤

2.2.4无线传输媒体* 2.2.5卫星通信*是要求同学了解的

2.1.2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（distortion，又译为畸变）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2.1.2带宽与傅里叶分析(续)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。2.1.2带带宽与与傅里里叶分分析（（续））这里，，f=1/T,是基波波频率率。是直流流分量量。分别是是n次次谐波波的正正弦和和余弦弦振幅幅值。。谐波次次数越越高，，则其其频率率也越越高。。2.1.2带带宽与与傅里里叶分分析（（续））图2.3信道带带宽和和数字字信号号失真真的关关系2.1.2带带宽与与傅里里叶分分析（（续））图2.3（a）左边边是八八位二二进制制数位位编码码01100010的数字字信号号波形形，图图2.3（a）右边边是该该波形形函数数按傅傅里叶叶级数数展开开后各各次谐谐波的的均方方根振振幅。。由图可可见，，信道道的带带宽越越宽，，则它它传输输数字字信号号时失失真越越小。。反之之，若若信道道的带带宽是是固定定的，，则用用它来来直接接传输输数字字信号号的数数据速速率越越高则则失真真越大大2.1.2带宽与与傅里里叶分分析（续））假若信信道的的带宽宽为3kHz，用它它来直直接传传输数数据速速率为为9600b/s的数字字信号号时，，发送送8比特的的数据据所需需的时时间为为0.83ms，即T=0.83ms。其基基波频频率f=1/T=1200Hz，即1.2kHz。3kHz带宽的的信道道仅能能通过过2次谐波波，如如图2.3中（c）所示示，有有较大大的失失真。。但是是若用用来直直接传传输数数据速速率为为2400b/s的数字字信号号，此此时T=3.33ms,f=300Hz。3kHz带宽的的信道道就能能通过过10次谐波波，比比图2.3（e）所示示的情情况还还要好好，即即失真真较小小。第二章章物理层层与数数据通通信基基础2.1数据通通信的的基础础知识识2.1.1通信系系统模模型2.1.2带宽与与傅里里叶分分析2.1.3信道的的最大大数据据速率率2.2物理传传输媒媒体2.2.1双绞线线2.2.2同轴电电缆2.2.3光纤2.2.4无线传传输媒媒体*2.2.5卫星通通信*是要要求同同学了了解的的.2.1.3信道的的最大大数据据速率率奈奎斯斯特公公式和香农公公式奈奎斯斯特公公式给出了了无热热噪声声（热热噪声声是指指由于于信道道中分分子热热运动动引起起的噪噪声，，这里里假定定没有有热噪噪声））时信信道带带宽对对最大大数据据速率率的限限制，，具体体为2.1.3信道的的最大大数据据速率率(续)H是信道道的带带宽（（以Hz为单位位），，而L表示任任何给给定时时刻数数字信信号可可能取取的离离散值值的个个数。。C则是该该信道道最大大的数数据速速率。。例如如，若若某信信道带带宽为为4kHz，任何何时刻刻数字字信号号可取取0、1、2和3四种电电平之之一（（即L＝4），则则最大大数据据速率率为2.1.3信道的的最大大数据据速率率（续续）香农则则进一一步研研究了了受噪噪声（（服从从高斯斯分布布）干干扰的的信道道的情情况，，给出出了香香农公公式：：这里，，S表示信号功功率，N为噪声功功率，S/N则为信噪比比。由于于实际际使用用的信信道，，信噪噪比都都要足足够大大，常常用10log10（S/N）以及及分贝（Decibel，记为为dB）为单单位来来计量量，在在使用用上述述公式式时要要特别别注意意。例例如，，信噪噪比为为30dB、带宽宽为4000Hz的信道道最大大的数数据速速率为为2.1.3信道的的最大大数据据速率率（续续）码元速速率指的是是每秒秒信号号状态态变化化的次次数，，以波特(Baud）作为为单位位。码码元速速率B和数据据速率率C在数值值上是是不一一定相相等的的，有有如下下关系系：例如，，若B=600波特，，L＝4，则数数据速速率为为C＝1200b/s。由于于在许许多场场合下下，通通常信信号只只能取取两种种不同同的状状态（（即L＝2），此此时码码元速速率B和数据据速率率C数值就就相等等了。。在这这种情情况下下，波波特和和比特特/秒这两两个单单位也也就可可以混混用了了。码码元速速率有有时又又称为为调制速速率本讲内内容第二章章物理层层与数数据通通信基基础2.1数据通通信的的基础础知识识2.1.1通信系系统模模型2.1.2带宽与与傅里里叶分分析2.1.3信道的的最大大数据据速率率2.2物理传传输媒媒体2.2.1双绞线线2.2.2同轴电电缆2.2.3光纤2.2.4无线传传输媒媒体*2.2.5卫星通通信*是要要求同同学了了解的的2.2物理传传输媒媒体物理传传输媒媒体medium，在这这里指指的是是通信信中实实际传传送信信息的的物理理载体体，早早期有有的书书中也也译为为介质计算机机网络络中采采用的的物理理传输输媒体体可分分为导导向(guided)和非导导向(unguided)两大类类，俗俗称有有线和和无线线双绞线线、同同轴电电缆和和光纤纤是常常用的的三种种导向媒体体无线电通通信、微微波通信信、红外外通信、、激光通通信以及及卫星传传送信息息的载体体都是属属于非导向媒媒体（无形的的，不占占用空间间，统统称为spacefree的媒体））2.2.1双绞线双绞线(twistedpair)特点：最经常使使用的物物理媒体体相对于其其它有线线物理媒媒体（同同轴电缆缆和光纤纤）来说说，价格格便宜也也易于安安装与使使用其性能一一般也较较差（（指它的的传输距距离、抗抗干扰性性能和带带宽或数数据速率率而言））图2.4双绞线2.2.1双绞线（（续）图2.5大对数电电缆（粗粗的电缆缆）2.2.1双绞线（（续）双绞线分分类：非屏蔽UTP（UnshieldedTwistedPair）普通电话话线UTP易受外部部的干扰扰，包括括来自环环境噪声声和附近近其它双双绞线的的干扰。。屏蔽STP（ShieldedTwistedPair）抗干扰性性能更好好，但比比UTP昂贵，而而且要保保证全程程屏蔽并并且金属属包层良良好地接接地，安安装也困困难2.2.1双绞线（（续）双绞线实实际上是是分类(category)的。类越越高则性性能也越越好，也也就是说说在一定定距离内内可传输输更高数数据速率率的信号号，但价价格也越越贵。下下面是常常用的几几类双绞绞线的性性能和主主要用途途：Category3：支持数数据速率率可达10Mbps，常用于于传输话话音和普普通以太太网（Ethernet）Category5(100MHz)：支持数数据速率率可达100Mbps，常用于于快速以以太网(FastEthernet)Category5e(350MHz)：数据速速率可达达1000Mbps，常用于于千兆以以太网(GigabitEthernet)上面的Category5e就是通常常说的超超5类线，所所有支持持的数据据速率都都是指在在一定的的距离内内，如不不超过80米。现在在已有更更高性能能的6类非屏蔽蔽双绞线线(UTP6)，可用来来支持千千兆以太太网2.2.1双绞线（（续）双绞线的的连接器器也已标标准化，，最常用用的是RJ（Registered

Jack））11(3pairs)和和RJ45(4pairs)，如如图2.6所示示图2.6RJ45和RJ11本讲内容容第二章物理层与与数据通通信基础础2.1数据通信信的基础础知识2.1.1通信系统统模型2.1.2带宽与傅傅里叶分分析2.1.3信道的最最大数据据速率2.2物理传输输媒体2.2.1双绞线2.2.2同轴电缆缆2.2.3光纤2.2.4无线传输输媒体*2.2.5卫星通信信*是要求求同学了了解的，，这些内内容在本本电子教教案中并并未讲解解而是要要求同学学自己阅阅读教材材。2.2.2同轴电缆缆同轴电缆缆（coaxialcable）也像双双绞线那那样由一一对导体体组成，，但它们们是按““同轴””的形式式构成线线对分类：基带（baseband）同轴电电缆（阻阻抗50Ω）宽带（broadband）同轴电电缆（阻阻抗为75Ω）图2.9同轴电缆缆2.2.2同轴电缆缆（续））同轴电缆缆与双绞绞线比较较，价格格贵，但但带宽、、数据速速率高、、传输距距离长和和抗干扰扰能力强强连接器图2.10同轴电缆缆连接器器第二章物理层与与数据通通信基础础2.1数据通信信的基础础知识2.1.1通信系统统模型2.1.2带宽与傅傅里叶分分析2.1.3信道的最最大数据据速率2.2物理传输输媒体2.2.1双绞线2.2.2同轴电缆缆2.2.3光纤2.2.4无线传输输媒体*2.2.5卫星通信信*是要求求同学了了解的2.2.3光光纤光纤是一根很很细的可可传导光光线的纤纤维媒体体，其半半径仅几几微米至至一、二二百微米米。制造造光纤的的材料可可以是超超纯硅、、合成玻玻璃或塑塑料用超纯硅硅制成的的光纤损损耗最小小，但制制作工艺艺很难合成玻璃璃制成的的光纤虽虽然损耗耗相对较较大，但但更为经经济，性性能也不不错塑料光纤纤更便宜宜，可用用于短距距离、较较大损耗耗也可接接受的场场合每根光纤纤都有自自己的包包层，而而后一根根或多根根光纤再再由外皮皮包裹构构成光缆图2.11光缆2.2.3光光纤(续续)2.12光纤传送送电信号号的过程程2.2.3光光纤（续续）光纤相对对于如双双绞线和和同轴电电缆等这这类金属属传导媒媒体的优点：轻便低衰减和和大容量量电磁隔离离光纤本身身化学性性质稳定定很有发展展前途。。在许多多场合，，特别是是远距离离的通信信中，光光纤已逐逐步称为为一种主主要的有有线物理理媒体。。但是光纤纤之间的的连接不不易，抽抽头分支支困难，，对于距距离不太太大、配配置又经经常变动动的局域域网来说说光纤还还不会完完全取代代金属传传导媒体体2.2.3光纤（续续）在光纤中中光线从从光源进进入硅或或塑料光光导体后后有两种种不同的的传输方方式多模（multimode）光纤：光线沿沿着光纤纤以多种种角度不不断被包包层反射射而向前前传播单模（singlemode）光纤：光线主主要沿着着光纤的的轴心向向前传播播单模光纤纤中由于于减少了了反射过过程中光光能量被被包层材材料的吸吸收，损损耗小，，通常能能传输更更长的距距离和达达到更高高的数据据速率单模光纤纤较多模模光纤更更细从双绞线线开始，，基带同同轴电缆缆、宽带带同轴电电缆、多多模光纤纤直至单单模光纤纤，性能能是由低至高高、价格也也从廉到贵贵第二章物理层与与数据通通信基础础2.1数据通信信的基础础知识2.1.1通信系统统模型2.1.2带宽与傅傅里叶分分析2.1.3信道的最最大数据据速率2.2物理传输输媒体2.2.1双绞线2.2.2同轴电缆缆2.2.3光纤2.2.4无线传输输媒体*2.2.5卫星通信信*是要求求同学了了解的2.2.5卫星通信信卫星（satellite）通信：：一种特殊殊的微波波通信与一般地地面微波波通信的的不同在在于使用用地球同同步卫星星作为中中继站来来转发微微波信号号图2.14卫星通信信2.2.5卫星通信信（续））国际上卫卫星可使使用的频频段：C波段使用3.7~4.2GHz的频段作作为上行行信道，，5.925~6.425GHz的频段作作为下行行信道Ku波段使用11.7~12.2GHz作为上行行信道，，14~14.5GHz作为下行行信道Ka波段使用17.7~21.7GHz作为上行行信道，，27.5～30.5GHz作为下行行信道2.2.5卫星通信信（续））几个波段段的特点点：C波段最早早被用于于商用通通信卫星星，目前前已相当当拥挤Ku波段相对对来说还还不太拥拥挤，但但这个波波段的微微波易被被雨水吸吸收Ka波段也有有类似Ku波段问题题，且设设备造价价昂贵，，政府和和军用的的通信卫卫星一般般使用这这个波段段2.2.5卫星通信信（续））卫星通信信特点：：缺点是传传播延迟迟时间长长卫星通信信的传播播延迟时时间（270ms）是和端端地面站站间的距距离无关关的，因因而特别别适合于于远距离离的通信信2.2.5卫星通信信（续））卫星通信信的新发发展：：低成本的的微型地地面站的的出现，，又称甚甚