笫三讲 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带宽与傅里叶分析（续）)]2cos()2sin([21)(1nftbnftactfnnn这里，f=1/T,是基波频率。0)(2dttfTC是直流分量。TndtnfttfTa0)2sin()(2TndtnfttfTb0)2cos()(2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。2.1.2带宽与傅里叶分析（续）图2.3信道带宽和数字信号失真的关系2.1.2带宽与傅里叶分析（续）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2.1.2带宽与傅里叶分析（续）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。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.2.1.3信道的最大数据速率奈奎斯特公式和香农公式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)/(log22sbLHC2.1.3信道的最大数据速率(续)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L＝4），则最大数据速率为)/(164log422sbkkC2.1.3信道的最大数据速率（续）香农则进一步研究了受噪声（服从高斯分布）干扰的信道的情况，给出了香农公式：这里，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）以及分贝（Decibel，记为dB）为单位来计量，在使用上述公式时要特别注意。例如，信噪比为30dB、带宽为4000Hz的信道最大的数据速率为))(1(log2bpsNSHC)/(400001001log4000)101(log4000210302sbC2.1.3信道的最大数据速率（续）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，L＝4，则数据速率为C＝1200b/s。由于在许多场合下，通常信号只能取两种不同的状态（即L＝2），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LBC2log本讲内容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2.2物理传输媒体物理传输媒体medium，在这里指的是通信中实际传送信息的物理载体，早期有的书中也译为介质计算机网络中采用的物理传输媒体可分为导向(guided)和非导向(unguided)两大类，俗称有线和无线•双绞线、同轴电缆和光纤是常用的三种导向媒体•无线电通信、微波通信、红外通信、激光通信以及卫星传送信息的载体都是属于非导向媒体（无形的，不占用空间，统称为spacefree的媒体）2.2.1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）图2.4双绞线2.2.1双绞线（续）图2.5大对数电缆（粗的电缆）2.2.1双绞线（续）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2.2.1双绞线（续）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2.2.1双绞线（续）双绞线的连接器也已标准化，最常用的是RJ（RegisteredJack）11(3pairs)和RJ45(4pairs)，如图2.6所示图2.6RJ45和RJ11本讲内容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，这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材。2.2.2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50Ω）•宽带（broadband）同轴电缆（阻抗为75Ω）图2.9同轴电缆2.2.2同轴电缆（续）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连接器图2.10同轴电缆连接器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2.2.3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。制造光纤的材料可以是超纯硅、合成玻璃或塑料•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图2.11光缆2.2.3光纤(续)2.12光纤传送电信号的过程2.2.3光纤（续）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2.2.3光纤（续）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：光线主要沿着光纤的轴心向前传播•单模光纤中由于减少了反射过程中光能量被包层材料的吸收，损耗小，通常能传输更长的距离和达到更高的数据速率•单模光纤较多模光纤更细从双绞线开始，基带同轴电缆、宽带同轴电缆、多模光纤直至单模光纤，性能是由低至高、价格也从廉到贵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2.2.5卫星通信卫星（satellite）通信：•一种特殊的微波通信•与一般地面微波通信的不同在于使用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号图2.14卫星通信2.2.5卫星通信（续）