1、 數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡 笫三講 數(shù)據(jù)通信的基礎知識與物理傳輸媒體 第二章 物理層與數(shù)據(jù)通信基礎 2.1 數(shù)據(jù)通信的基礎知識 2.1.1 通信系統(tǒng)模型 2.1.2 帶寬與傅里葉分析 2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)速率 2.2 物理傳輸媒體 2.2.1 雙絞線 2.2.2 同軸電纜 2.2.3 光纖 2.2.4 無線傳輸媒體* 2.2.5 衛(wèi)星通信*是要求同學了解的2.1.1 通信系統(tǒng)模型圖2.1 通信系統(tǒng)的模型一般點到點的通信系統(tǒng)都可由圖2.1加以概括2.1.1 通信系統(tǒng)模型（介紹）發(fā)送端信源的作用是把各種可能信息轉換成原始電信號 變換器轉換成適合于在信道上傳輸?shù)男盘?信道是信號的傳輸媒體及有關的設

2、備如中繼器等 通過信道傳輸?shù)竭h地的電信號先由接收端的反變換器轉換復原成原始的信號，再送給接收者信宿，而后由信宿將其轉換成各種信息 噪聲源，是信道中噪聲(noise) ，即對信號的干擾以及分散在通信系統(tǒng)其它各處的噪聲的集中表示 2.1.1 通信系統(tǒng)模型（續(xù)）單工(simplex) 通信 一端只發(fā)送，而另一端只接收 圖2.1中給出的是一個單向通信系統(tǒng)的模型 雙工(duplex) 通信 此時信源與信宿合為一體，變換器與反變換器也合為一體 分為：全雙工(full duplex) 和半雙工(half duplex) 2.1.1 通信系統(tǒng)模型（續(xù)）模擬信號 例如電話線（信道）上傳送的按照話音強弱幅度連續(xù)變

3、化的電波就是一種連續(xù)變化的電信號 數(shù)字信號 計算機產(chǎn)生的電信號則是電脈沖序列串，每一瞬間的電壓取值只可能是離散的有限個，比如說是+3v或0v兩種不同的值 按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可以相應地把信道分為兩類：模擬信道數(shù)字信道 2.1.1 通信系統(tǒng)模型（續(xù)）信源和信宿都是計算機或其它數(shù)字終端裝置，即ITU所稱的數(shù)據(jù)終端設備DTE。DTE產(chǎn)生的是數(shù)字信號，接收的也是數(shù)字信號 圖2.2 通過模擬信道進行數(shù)據(jù)通信第二章 物理層與數(shù)據(jù)通信基礎 2.1 數(shù)據(jù)通信的基礎知識 2.1.1 通信系統(tǒng)模型 2.1.2 帶寬與傅里葉分析 2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)速率 2.2 物理傳輸媒體 2.2.1

4、雙絞線 2.2.2 同軸電纜 2.2.3 光纖 2.2.4 無線傳輸媒體* 2.2.5 衛(wèi)星通信*是要求同學了解的2.1.2 帶寬與傅里葉分析若將數(shù)字信號不經(jīng)調制直接放到模擬信道上進行傳輸，會引起信號的失真（distortion，又譯為畸變） 任何實際的模擬信道所能傳輸?shù)男盘柕念l率都有一定的范圍，稱之為該信道通頻帶的寬度或稱為帶寬（bandwidth） 信道的帶寬是由傳輸媒體和有關的附加設備與電路的頻率特性綜合決定的 2.1.2 帶寬與傅里葉分析(續(xù))一個低通信道，若對于從0到某個截止頻率fc的信號通過時振幅不會衰減或衰減很小，而超過此截止頻率的信號通過時就會大大衰減，則此信道的帶寬為fc H

5、z。 一個具有有限持續(xù)時間的數(shù)字信號，可以看作為一個以此有限持續(xù)時間T為周期的周期階梯函數(shù) f(t)。此函數(shù)可展開成傅里葉（Fourier）級數(shù)。2.1.2 帶寬與傅里葉分析（續(xù)）這里，f = 1/T, 是基波頻率。是直流分量。分別是n次諧波的正弦和余弦振幅值。諧波次數(shù)越高，則其頻率也越高。 2.1.2 帶寬與傅里葉分析（續(xù)）圖2.3 信道帶寬和數(shù)字信號失真的關系2.1.2 帶寬與傅里葉分析（續(xù)）圖2.3（a）左邊是八位二進制數(shù)位編碼01100010的數(shù)字信號波形，圖2.3（a）右邊是該波形函數(shù)按傅里葉級數(shù)展開后各次諧波的均方根振幅。 由圖可見，信道的帶寬越寬，則它傳輸數(shù)字信號時失真越小。反之

6、，若信道的帶寬是固定的，則用它來直接傳輸數(shù)字信號的數(shù)據(jù)速率越高則失真越大 2.1.2 帶寬與傅里葉分析（續(xù)）假若信道的帶寬為3 k Hz，用它來直接傳輸數(shù)據(jù)速率為9600 b/s的數(shù)字信號時，發(fā)送8比特的數(shù)據(jù)所需的時間為0.83ms，即T=0.83ms。其基波頻率f = 1/T = 1200 Hz，即1.2 k Hz。3 k Hz帶寬的信道僅能通過2次諧波，如圖2.3中（c）所示，有較大的失真。但是若用來直接傳輸數(shù)據(jù)速率為2400 b/s的數(shù)字信號，此時T = 3.33 ms, f = 300 Hz。3 k Hz帶寬的信道就能通過10次諧波，比圖2.3（e）所示的情況還要好，即失真較小。第二章

7、 物理層與數(shù)據(jù)通信基礎 2.1 數(shù)據(jù)通信的基礎知識 2.1.1 通信系統(tǒng)模型 2.1.2 帶寬與傅里葉分析 2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)速率 2.2 物理傳輸媒體 2.2.1 雙絞線 2.2.2 同軸電纜 2.2.3 光纖 2.2.4 無線傳輸媒體* 2.2.5 衛(wèi)星通信*是要求同學了解的.2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)速率 奈奎斯特公式和香農公式 奈奎斯特公式給出了無熱噪聲（熱噪聲是指由于信道中分子熱運動引起的噪聲，這里假定沒有熱噪聲）時信道帶寬對最大數(shù)據(jù)速率的限制，具體為2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)速率(續(xù))H是信道的帶寬（以Hz為單位），而L表示任何給定時刻數(shù)字信號可能取的離散值的個數(shù)。C則是該

8、信道最大的數(shù)據(jù)速率。例如，若某信道帶寬為4 k Hz，任何時刻數(shù)字信號可取0、1、2和3四種電平之一（即L4），則最大數(shù)據(jù)速率為2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)速率（續(xù)）香農則進一步研究了受噪聲（服從高斯分布）干擾的信道的情況，給出了香農公式：這里，S表示信號功率，N為噪聲功率，S / N則為信噪比。由于實際使用的信道，信噪比都要足夠大，常用10log10（S/N）以及分貝（Decibel，記為dB）為單位來計量，在使用上述公式時要特別注意。例如，信噪比為30 dB、帶寬為4000 Hz的信道最大的數(shù)據(jù)速率為2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)速率（續(xù)）碼元速率指的是每秒信號狀態(tài)變化的次數(shù)，以波特(Baud）

9、作為單位。碼元速率B和數(shù)據(jù)速率C在數(shù)值上是不一定相等的，有如下關系： 例如，若B = 600波特，L 4，則數(shù)據(jù)速率為C 1200 b/s。由于在許多場合下，通常信號只能取兩種不同的狀態(tài)（即L2），此時碼元速率B和數(shù)據(jù)速率C數(shù)值就相等了。在這種情況下，波特和比特/秒這兩個單位也就可以混用了。碼元速率有時又稱為調制速率 本講內容第二章 物理層與數(shù)據(jù)通信基礎 2.1 數(shù)據(jù)通信的基礎知識 2.1.1 通信系統(tǒng)模型 2.1.2 帶寬與傅里葉分析 2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)速率 2.2 物理傳輸媒體 2.2.1 雙絞線 2.2.2 同軸電纜 2.2.3 光纖 2.2.4 無線傳輸媒體* 2.2.5 衛(wèi)星

10、通信*是要求同學了解的2.2 物理傳輸媒體 物理傳輸媒體 medium，在這里指的是通信中實際傳送信息的物理載體，早期有的書中也譯為介質 計算機網(wǎng)絡中采用的物理傳輸媒體可分為導向(guided) 和非導向(unguided)兩大類，俗稱有線和無線 雙絞線、同軸電纜和光纖是常用的三種導向媒體 無線電通信、微波通信、紅外通信、激光通信以及衛(wèi)星傳送信息的載體都是屬于非導向媒體 （無形的，不占用空間 ，統(tǒng)稱為space free的媒體 ）2.2.1 雙絞線雙絞線(twisted pair)特點：最經(jīng)常使用的物理媒體 相對于其它有線物理媒體（同軸電纜和光纖）來說，價格便宜也易于安裝與使用 其性能一般也較

11、差 （指它的傳輸距離、抗干擾性能和帶寬或數(shù)據(jù)速率而言 ）圖2.4 雙絞線2.2.1 雙絞線（續(xù)）圖2.5 大對數(shù)電纜（粗的電纜）2.2.1 雙絞線（續(xù)）雙絞線分類：非屏蔽UTP（Unshielded Twisted Pair） 普通電話線 UTP易受外部的干擾，包括來自環(huán)境噪聲和附近其它雙絞線的干擾。 屏蔽 STP（Shielded Twisted Pair） 抗干擾性能更好，但比UTP昂貴，而且要保證全程屏蔽并且金屬包層良好地接地，安裝也困難 2.2.1 雙絞線（續(xù)）雙絞線實際上是分類(category) 的。類越高則性能也越好，也就是說在一定距離內可傳輸更高數(shù)據(jù)速率的信號，但價格也越貴。下

12、面是常用的幾類雙絞線的性能和主要用途：Category 3：支持數(shù)據(jù)速率可達10Mbps，常用于傳輸話音和普通以太網(wǎng)（Ethernet）Category 5 (100 MHz)：支持數(shù)據(jù)速率可達100Mbps，常用于快速以太網(wǎng)(Fast Ethernet)Category 5e(350 MHz)：數(shù)據(jù)速率可達1000Mbps ，常用于千兆以太網(wǎng)(Gigabit Ethernet)上面的Category 5e就是通常說的超5類線，所有支持的數(shù)據(jù)速率都是指在一定的距離內，如不超過80米?，F(xiàn)在已有更高性能的6類非屏蔽雙絞線(UTP6) ，可用來支持千兆以太網(wǎng)2.2.1 雙絞線（續(xù)）雙絞線的連接器也已

13、標準化，最常用的是RJ（RegisteredJack）11(3 pairs)和RJ45(4 pairs)，如圖2.6所示 圖2.6RJ 45和RJ 11本講內容第二章 物理層與數(shù)據(jù)通信基礎 2.1 數(shù)據(jù)通信的基礎知識 2.1.1 通信系統(tǒng)模型 2.1.2 帶寬與傅里葉分析 2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)速率 2.2 物理傳輸媒體 2.2.1 雙絞線 2.2.2 同軸電纜 2.2.3 光纖 2.2.4 無線傳輸媒體* 2.2.5 衛(wèi)星通信*是要求同學了解的，這些內容在本電子教案中并未講解而是要求同學自己閱讀教材。 2.2.2 同軸電纜同軸電纜（coaxial cable）也像雙絞線那樣由一對導體組成

14、，但它們是按“同軸”的形式構成線對 分類：基帶（baseband ）同軸電纜（阻抗50）寬帶（broadband）同軸電纜（阻抗為75） 圖2.9 同軸電纜2.2.2 同軸電纜（續(xù)）同軸電纜與雙絞線比較，價格貴，但帶寬、數(shù)據(jù)速率高、傳輸距離長和抗干擾能力強 連接器圖2.10 同軸電纜連接器第二章 物理層與數(shù)據(jù)通信基礎 2.1 數(shù)據(jù)通信的基礎知識 2.1.1 通信系統(tǒng)模型 2.1.2 帶寬與傅里葉分析 2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)速率 2.2 物理傳輸媒體 2.2.1 雙絞線 2.2.2 同軸電纜 2.2.3 光纖 2.2.4 無線傳輸媒體* 2.2.5 衛(wèi)星通信*是要求同學了解的2.2.3 光纖

15、 光纖是一根很細的可傳導光線的纖維媒體，其半徑僅幾微米至一、二百微米。制造光纖的材料可以是超純硅、合成玻璃或塑料 用超純硅制成的光纖損耗最小，但制作工藝很難 合成玻璃制成的光纖雖然損耗相對較大，但更為經(jīng)濟，性能也不錯 塑料光纖更便宜，可用于短距離、較大損耗也可接受的場合 每根光纖都有自己的包層，而后一根或多根光纖再由外皮包裹構成光纜 圖2.11 光纜2.2.3 光纖(續(xù))2.12 光纖傳送電信號的過程2.2.3 光纖（續(xù)）光纖相對于如雙絞線和同軸電纜等這類金屬傳導媒體的優(yōu)點 ：輕便 低衰減和大容量 電磁隔離 光纖本身化學性質穩(wěn)定 很有發(fā)展前途。在許多場合，特別是遠距離的通信中，光纖已逐步稱為一

16、種主要的有線物理媒體。 但是光纖之間的連接不易，抽頭分支困難，對于距離不太大、配置又經(jīng)常變動的局域網(wǎng)來說光纖還不會完全取代金屬傳導媒體 2.2.3 光纖（續(xù)）在光纖中光線從光源進入硅或塑料光導體后有兩種不同的傳輸方式多模（multimode）光纖：光線沿著光纖以多種角度不斷被包層反射而向前傳播 單模（single mode）光纖：光線主要沿著光纖的軸心向前傳播 單模光纖中由于減少了反射過程中光能量被包層材料的吸收，損耗小，通常能傳輸更長的距離和達到更高的數(shù)據(jù)速率 單模光纖較多模光纖更細 從雙絞線開始，基帶同軸電纜、寬帶同軸電纜、多模光纖直至單模光纖，性能是由低至高、價格也從廉到貴 第二章 物理

17、層與數(shù)據(jù)通信基礎 2.1 數(shù)據(jù)通信的基礎知識 2.1.1 通信系統(tǒng)模型 2.1.2 帶寬與傅里葉分析 2.1.3 信道的最大數(shù)據(jù)速率 2.2 物理傳輸媒體 2.2.1 雙絞線 2.2.2 同軸電纜 2.2.3 光纖 2.2.4 無線傳輸媒體* 2.2.5 衛(wèi)星通信*是要求同學了解的2.2.5 衛(wèi)星通信衛(wèi)星（satellite）通信：一種特殊的微波通信與一般地面微波通信的不同在于使用地球同步衛(wèi)星作為中繼站來轉發(fā)微波信號圖2.14 衛(wèi)星通信2.2.5 衛(wèi)星通信（續(xù)）國際上衛(wèi)星可使用的頻段：C波段使用3.74.2 GHz的頻段作為上行信道，5.9256.425 GHz的頻段作為下行信道 Ku波段使用

18、11.712.2 GHz作為上行信道，1414.5 GHz作為下行信道 Ka波段 使用17.721.7 GHz作為上行信道，27.530.5 GHz作為下行信道 2.2.5 衛(wèi)星通信（續(xù)）幾個波段的特點：C波段最早被用于商用通信衛(wèi)星，目前已相當擁擠 Ku波段相對來說還不太擁擠，但這個波段的微波易被雨水吸收Ka波段也有類似Ku波段問題，且設備造價昂貴，政府和軍用的通信衛(wèi)星一般使用這個波段 2.2.5 衛(wèi)星通信（續(xù)）衛(wèi)星通信特點：缺點是傳播延遲時間長 衛(wèi)星通信的傳播延遲時間（270 ms）是和端地面站間的距離無關的，因而特別適合于遠距離的通信 2.2.5 衛(wèi)星通信（續(xù)）衛(wèi)星通信的新發(fā)展 ：低成本的微型地面站的出現(xiàn)，又稱甚小口徑終端VSAT（Very Small Aperture Terminal）系統(tǒng) 圖2.15 使用中心站的VSAT2.2.5 衛(wèi)星通信（續(xù)）衛(wèi)星通信的新發(fā)展 ：采用低軌道衛(wèi)星的銥（Iridium）計劃 采用發(fā)射數(shù)十顆低軌道衛(wèi)星的辦法，當某一顆衛(wèi)星移動超出地面某一固