數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)

笫三講數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識與物理傳輸媒體

第二章

物理層與數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)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(zhuǎn)換成原始電信號變換器轉(zhuǎn)換成適合于在信道上傳輸?shù)男盘栃诺朗切盘柕膫鬏斆襟w及有關(guān)的設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fullduplex)和半雙工(halfduplex)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(yīng)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(shè)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(chǔ)

2.1數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)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

2.1.2帶寬與傅里葉分析若將數(shù)字信號不經(jīng)調(diào)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(guān)的附加設(shè)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fcHz。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帶帶寬與與傅里里葉分分析（（續(xù)））這里，，f=1/T,是基波波頻率率。是直流流分量量。分別是是n次次諧波波的正正弦和和余弦弦振幅幅值。。諧波次次數(shù)越越高，，則其其頻率率也越越高。。2.1.2帶帶寬與與傅里里葉分分析（（續(xù)））圖2.3信道帶帶寬和和數(shù)字字信號號失真真的關(guān)關(guān)系2.1.2帶帶寬與與傅里里葉分分析（（續(xù)））圖2.3（a）左邊邊是八八位二二進制制數(shù)位位編碼碼01100010的數(shù)字字信號號波形形，圖圖2.3（a）右邊邊是該該波形形函數(shù)數(shù)按傅傅里葉葉級數(shù)數(shù)展開開后各各次諧諧波的的均方方根振振幅。。由圖可可見，，信道道的帶帶寬越越寬，，則它它傳輸輸數(shù)字字信號號時失失真越越小。。反之之，若若信道道的帶帶寬是是固定定的，，則用用它來來直接接傳輸輸數(shù)字字信號號的數(shù)數(shù)據(jù)速速率越越高則則失真真越大大2.1.2帶寬與與傅里里葉分分析（續(xù)））假若信信道的的帶寬寬為3kHz，用它它來直直接傳傳輸數(shù)數(shù)據(jù)速速率為為9600b/s的數(shù)字字信號號時，，發(fā)送送8比特的的數(shù)據(jù)據(jù)所需需的時時間為為0.83ms，即T=0.83ms。其基基波頻頻率f=1/T=1200Hz，即1.2kHz。3kHz帶寬的的信道道僅能能通過過2次諧波波，如如圖2.3中（c）所示示，有有較大大的失失真。。但是是若用用來直直接傳傳輸數(shù)數(shù)據(jù)速速率為為2400b/s的數(shù)字字信號號，此此時T=3.33ms,f=300Hz。3kHz帶寬的的信道道就能能通過過10次諧波波，比比圖2.3（e）所示示的情情況還還要好好，即即失真真較小小。第二章章物理層層與數(shù)數(shù)據(jù)通通信基基礎(chǔ)2.1數(shù)據(jù)通通信的的基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2.1.1通信系系統(tǒng)模模型2.1.2帶寬與與傅里里葉分分析2.1.3信道的的最大大數(shù)據(jù)據(jù)速率率2.2物理傳傳輸媒媒體2.2.1雙絞線線2.2.2同軸電電纜2.2.3光纖2.2.4無線傳傳輸媒媒體*2.2.5衛(wèi)星通通信*是要要求同同學了了解的的.2.1.3信道的的最大大數(shù)據(jù)據(jù)速率率奈奎斯斯特公公式和香農(nóng)公公式奈奎斯斯特公公式給出了了無熱熱噪聲聲（熱熱噪聲聲是指指由于于信道道中分分子熱熱運動動引起起的噪噪聲，，這里里假定定沒有有熱噪噪聲））時信信道帶帶寬對對最大大數(shù)據(jù)據(jù)速率率的限限制，，具體體為2.1.3信道的的最大大數(shù)據(jù)據(jù)速率率(續(xù))H是信道道的帶帶寬（（以Hz為單位位），，而L表示任任何給給定時時刻數(shù)數(shù)字信信號可可能取取的離離散值值的個個數(shù)。。C則是該該信道道最大大的數(shù)數(shù)據(jù)速速率。。例如如，若若某信信道帶帶寬為為4kHz，任何何時刻刻數(shù)字字信號號可取取0、1、2和3四種電電平之之一（（即L＝4），則則最大大數(shù)據(jù)據(jù)速率率為2.1.3信道的的最大大數(shù)據(jù)據(jù)速率率（續(xù)續(xù)）香農(nóng)則則進一一步研研究了了受噪噪聲（（服從從高斯斯分布布）干干擾的的信道道的情情況，，給出出了香香農(nóng)公公式：：這里，，S表示信號功功率，N為噪聲功功率，S/N則為信噪比比。由于于實際際使用用的信信道，，信噪噪比都都要足足夠大大，常常用10log10（S/N）以及及分貝（Decibel，記為為dB）為單單位來來計量量，在在使用用上述述公式式時要要特別別注意意。例例如，，信噪噪比為為30dB、帶寬寬為4000Hz的信道道最大大的數(shù)數(shù)據(jù)速速率為為2.1.3信道的的最大大數(shù)據(jù)據(jù)速率率（續(xù)續(xù)）碼元速速率指的是是每秒秒信號號狀態(tài)態(tài)變化化的次次數(shù)，，以波特(Baud）作為為單位位。碼碼元速速率B和數(shù)據(jù)據(jù)速率率C在數(shù)值值上是是不一一定相相等的的，有有如下下關(guān)系系：例如，，若B=600波特，，L＝4，則數(shù)數(shù)據(jù)速速率為為C＝1200b/s。由于于在許許多場場合下下，通通常信信號只只能取取兩種種不同同的狀狀態(tài)（（即L＝2），此此時碼碼元速速率B和數(shù)據(jù)據(jù)速率率C數(shù)值就就相等等了。。在這這種情情況下下，波波特和和比特特/秒這兩兩個單單位也也就可可以混混用了了。碼碼元速速率有有時又又稱為為調(diào)制速速率本講內(nèi)內(nèi)容第二章章物理層層與數(shù)數(shù)據(jù)通通信基基礎(chǔ)2.1數(shù)據(jù)通通信的的基礎(chǔ)礎(chǔ)知識識2.1.1通信系系統(tǒng)模模型2.1.2帶寬與與傅里里葉分分析2.1.3信道的的最大大數(shù)據(jù)據(jù)速率率2.2物理傳傳輸媒媒體2.2.1雙絞線線2.2.2同軸電電纜2.2.3光纖2.2.4無線傳傳輸媒媒體*2.2.5衛(wèi)星通通信*是要要求同同學了了解的的2.2物理傳傳輸媒媒體物理傳傳輸媒媒體medium，在這這里指指的是是通信信中實實際傳傳送信信息的的物理理載體體，早早期有有的書書中也也譯為為介質(zhì)計算機機網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中采采用的的物理理傳輸輸媒體體可分分為導導向(guided)和非導導向(unguided)兩大類類，俗俗稱有有線和和無線線雙絞線線、同同軸電電纜和和光纖纖是常常用的的三種種導向媒體體無線電通通信、微微波通信信、紅外外通信、、激光通通信以及及衛(wèi)星傳傳送信息息的載體體都是屬屬于非導向媒媒體（無形的的，不占占用空間間，統(tǒng)統(tǒng)稱為spacefree的媒體））2.2.1雙絞線雙絞線(twistedpair)特點：最經(jīng)常使使用的物物理媒體體相對于其其它有線線物理媒媒體（同同軸電纜纜和光纖纖）來說說，價格格便宜也也易于安安裝與使使用其性能一一般也較較差（（指它的的傳輸距距離、抗抗干擾性性能和帶帶寬或數(shù)數(shù)據(jù)速率率而言））圖2.4雙絞線2.2.1雙絞線（（續(xù)）圖2.5大對數(shù)電電纜（粗粗的電纜纜）2.2.1雙絞線（（續(xù)）雙絞線分分類：非屏蔽UTP（UnshieldedTwistedPair）普通電話話線UTP易受外部部的干擾擾，包括括來自環(huán)環(huán)境噪聲聲和附近近其它雙雙絞線的的干擾。。屏蔽STP（ShieldedTwistedPair）抗干擾性性能更好好，但比比UTP昂貴，而而且要保保證全程程屏蔽并并且金屬屬包層良良好地接接地，安安裝也困困難2.2.1雙絞線（（續(xù)）雙絞線實實際上是是分類(category)的。類越越高則性性能也越越好，也也就是說說在一定定距離內(nèi)內(nèi)可傳輸輸更高數(shù)數(shù)據(jù)速率率的信號號，但價價格也越越貴。下下面是常常用的幾幾類雙絞絞線的性性能和主主要用途途：Category3：支持數(shù)數(shù)據(jù)速率率可達10Mbps，常用于于傳輸話話音和普普通以太太網(wǎng)（Ethernet）Category5(100MHz)：支持數(shù)數(shù)據(jù)速率率可達100Mbps，常用于于快速以以太網(wǎng)(FastEthernet)Category5e(350MHz)：數(shù)據(jù)速速率可達達1000Mbps，常用于于千兆以以太網(wǎng)(GigabitEthernet)上面的Category5e就是通常常說的超超5類線，所所有支持持的數(shù)據(jù)據(jù)速率都都是指在在一定的的距離內(nèi)內(nèi)，如不不超過80米?，F(xiàn)在在已有更更高性能能的6類非屏蔽蔽雙絞線線(UTP6)，可用來來支持千千兆以太太網(wǎng)2.2.1雙絞線（（續(xù)）雙絞線的的連接器器也已標標準化，，最常用用的是RJ（Registered

Jack））11(3pairs)和和RJ45(4pairs)，如如圖2.6所示示圖2.6RJ45和RJ11本講內(nèi)容容第二章物理層與與數(shù)據(jù)通通信基礎(chǔ)礎(chǔ)2.1數(shù)據(jù)通信信的基礎(chǔ)礎(chǔ)知識2.1.1通信系統(tǒng)統(tǒng)模型2.1.2帶寬與傅傅里葉分分析2.1.3信道的最最大數(shù)據(jù)據(jù)速率2.2物理傳輸輸媒體2.2.1雙絞線2.2.2同軸電纜纜2.2.3光纖2.2.4無線傳輸輸媒體*2.2.5衛(wèi)星通信信*是要求求同學了了解的，，這些內(nèi)內(nèi)容在本本電子教教案中并并未講解解而是要要求同學學自己閱閱讀教材材。2.2.2同軸電纜纜同軸電纜纜（coaxialcable）也像雙雙絞線那那樣由一一對導體體組成，，但它們們是按““同軸””的形式式構(gòu)成線線對分類：基帶（baseband）同軸電電纜（阻阻抗50Ω）寬帶（broadband）同軸電電纜（阻阻抗為75Ω）圖2.9同軸電纜纜2.2.2同軸電纜纜（續(xù)））同軸電纜纜與雙絞絞線比較較，價格格貴，但但帶寬、、數(shù)據(jù)速速率高、、傳輸距距離長和和抗干擾擾能力強強連接器圖2.10同軸電纜纜連接器器第二章物理層與與數(shù)據(jù)通通信基礎(chǔ)礎(chǔ)2.1數(shù)據(jù)通信信的基礎(chǔ)礎(chǔ)知識2.1.1通信系統(tǒng)統(tǒng)模型2.1.2帶寬與傅傅里葉分分析2.1.3信道的最最大數(shù)據(jù)據(jù)速率2.2物理傳輸輸媒體2.2.1雙絞線2.2.2同軸電纜纜2.2.3光纖2.2.4無線傳輸輸媒體*2.2.5衛(wèi)星通信信*是要求求同學了了解的2.2.3光光纖光纖是一根很很細的可可傳導光光線的纖纖維媒體體，其半半徑僅幾幾微米至至一、二二百微米米。制造造光纖的的材料可可以是超超純硅、、合成玻玻璃或塑塑料用超純硅硅制成的的光纖損損耗最小小，但制制作工藝藝很難合成玻璃璃制成的的光纖雖雖然損耗耗相對較較大，但但更為經(jīng)經(jīng)濟，性性能也不不錯塑料光纖纖更便宜宜，可用用于短距距離、較較大損耗耗也可接接受的場場合每根光纖纖都有自自己的包包層，而而后一根根或多根根光纖再再由外皮皮包裹構(gòu)構(gòu)成光纜圖2.11光纜2.2.3光光纖(續(xù)續(xù))2.12光纖傳送送電信號號的過程程2.2.3光光纖（續(xù)續(xù)）光纖相對對于如雙雙絞線和和同軸電電纜等這這類金屬屬傳導媒媒體的優(yōu)點：輕便低衰減和和大容量量電磁隔離離光纖本身身化學性性質(zhì)穩(wěn)定定很有發(fā)展展前途。。在許多多場合，，特別是是遠距離離的通信信中，光光纖已逐逐步稱為為一種主主要的有有線物理理媒體。。但是光纖纖之間的的連接不不易，抽抽頭分支支困難，，對于距距離不太太大、配配置又經(jīng)經(jīng)常變動動的局域域網(wǎng)來說說光纖還還不會完完全取代代金屬傳傳導媒體體2.2.3光纖（續(xù)續(xù)）在光纖中中光線從從光源進進入硅或或塑料光光導體后后有兩種種不同的的傳輸方方式多模（multimode）光纖：光線沿沿著光纖纖以多種種角度不不斷被包包層反射射而向前前傳播單模（singlemode）光纖：光線主主要沿著著光纖的的軸心向向前傳播播單模光纖纖中由于于減少了了反射過過程中光光能量被被包層材材料的吸吸收，損損耗小，，通常能能傳輸更更長的距距離和達達到更高高的數(shù)據(jù)據(jù)速率單模光纖纖較多模模光纖更更細從雙絞線線開始，，基帶同同軸電纜纜、寬帶帶同軸電電纜、多多模光纖纖直至單單模光纖纖，性能能是由低至高高、價格也也從廉到貴貴第二章物理層與與數(shù)據(jù)通通信基礎(chǔ)礎(chǔ)2.1數(shù)據(jù)通信信的基礎(chǔ)礎(chǔ)知識2.1.1通信系統(tǒng)統(tǒng)模型2.1.2帶寬與傅傅里葉分分析2.1.3信道的最最大數(shù)據(jù)據(jù)速率2.2物理傳輸輸媒體2.2.1雙絞線2.2.2同軸電纜纜2.2.3光纖2.2.4無線傳輸輸媒體*2.2.5衛(wèi)星通信信*是要求求同學了了解的2.2.5衛(wèi)星通信信衛(wèi)星（satellite）通信：：一種特殊殊的微波波通信與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衛(wèi)星星作為中中繼站來來轉(zhuǎn)發(fā)微微波信號號圖2.14衛(wèi)星通信信2.2.5衛(wèi)星通信信（續(xù)））國際上衛(wèi)衛(wèi)星可使使用的頻頻段：C波段使用3.7~4.2GHz的頻段作作為上行行信道，，5.925~6.425GHz的頻段作作為下行行信道Ku波段使用11.7~12.2GHz作為上行行信道，，14~14.5GHz作為下行行信道Ka波段使用17.7~21.7GHz作為上行行信道，，27.5～30.5GHz作為下行行信道2.2.5衛(wèi)星通信信（續(xù)））幾個波段段的特點點：C波段最早早被用于于商用通通信衛(wèi)星星，目前前已相當當擁擠Ku波段相對對來說還還不太擁擁擠，但但這個波波段的微微波易被被雨水吸吸收Ka波段也有有類似Ku波段問題題，且設(shè)設(shè)備造價價昂貴，，政府和和軍用的的通信衛(wèi)衛(wèi)星一般般使用這這個波段段2.2.5衛(wèi)星通信信（續(xù)））衛(wèi)星通信信特點：：缺點是傳傳播延遲遲時間長長衛(wèi)星通信信的傳播播延遲時時間（270ms）是和端端地面站站間的距距離無關(guān)關(guān)的，因因而特別別適合于于遠距離離的通信信2.2.5衛(wèi)星通信信（續(xù)））衛(wèi)星通信信的新發(fā)發(fā)展：：低成本的的微型地地面站的的出現(xiàn)，，又稱甚甚