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

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）

这里，f=1/T,是基波频率。是直流分量。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

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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

本讲内容第二章物理层楚与数据悲通信基采础2.1数据通信陪的基础知纱识2.1燃.1通信系统恐模型2.1汇.2带宽与傅异里叶分析2.1峰.3信道的最筑大数据速北率2.2物理传输圣媒体2.2停.1双绞线2.2.礼2同轴电来缆2.2.驳3光纤2.2.喉4无线传麦输媒体*2.2.歉5卫星通小信*是要求碗同学了解者的2.2物理传甜输媒体物理传青输媒体med呼ium，在这里抗指的是通骨信中实际伪传送信息乎的物理载卸体，早期畜有的书中圾也译为介质计算机网名络中采用巷的物理传础输媒体可博分为导向(gui盾ded)和非导锐向(un凉gui镇ded导)两大类驱，俗称锐有线和晨无线双绞线、盲同轴电缆姨和光纤是展常用的三灭种导向媒画体无线电通阅信、微波筛通信、红脚外通信、吃激光通信透以及卫星耗传送信息输的载体都贤是属于非导向睛媒体（无形恶的，不测占用空帽间，甩统称为spa熔ce杯fre歇e的媒体世）2.2染.1双绞线双绞线(twi拳sted深pai泡r)特点：最经常丈使用的灵物理媒路体相对于慢其它有勒线物理壳媒体（养同轴电小缆和光为纤）来求说，价灰格便宜跟也易于和安装与赵使用其性能去一般也酸较差兽（指它尼的传输仔距离、不抗干扰传性能和违带宽或芽数据速倘率而言视）图2.4双绞线2.2化.1双绞线（痛续）图2.5大对数吃电缆（屯粗的电盏缆）2.2止.1双绞线生（续）双绞线分辱类：非屏蔽UTP（Uns系hie唇lde错dT我wis泥ted厚Pa恶ir）普通电话缓线UTP易受外部签的干扰，勾包括来自具环境噪声身和附近其使它双绞线抓的干扰。屏蔽STP（Shi昆eld志ed倘Twi冒ste逗dP奔air）抗干扰咱性能更魔好，但献比UTP昂贵，错而且要借保证全箭程屏蔽跪并且金袄属包层折良好地效接地，墓安装也溜困难2.2.神1双绞线针（续）双绞线呀实际上龙是分类(ca碗teg耀ory属)的。类越助高则性能愤也越好，恨也就是说揭在一定距贫离内可传死输更高数终据速率的天信号，但吨价格也越泪贵。下面锻是常用的群几类双绞旧线的性能废和主要用冠途：Cate澡gory伟3：支持数哪据速率可蓝达10M贷bps，常用点于传输镇话音和锯普通以英太网（Ethe辟rnet）Cate沈gory否5(辣100柱MHz)：支持苍数据速寄率可达100M株bps，常用于乱快速以太葵网(Fas俯tEt鹊hern筝et)Cat厚ego转ry煎5e(森350集MH院z)：数据速缺率可达100币0Mb珠ps，常用览于千兆雀以太网(Gi酷gab魂it犁Eth韵ern洁et)上面的Cat遍ego膛ry慕5e就是通挽常说的窄超5类线，妨所有支宗持的数节据速率支都是指宽在一定容的距离胶内，如置不超过80米。现薪在已有斩更高性副能的6类非屏蔽逐双绞线(UT搏P6)，可用熟来支持将千兆以坟太网2.2.哨1双绞线（必续）双绞线的鹅连接器也谋已标准化它，最常用钓的是RJ答（Reg层iste微red巷Jack爸）11(筒3pa饥irs)言和RJ4同5(4阅pair冠s)，如迅图2.6旧所示图2.6禁RJ茄45和RJ1辣1本讲内费容第二章物理层与议数据通信执基础2.1数据通裙信的基丧础知识2.1.趣1通信系拉统模型2.1.周2带宽与傅笛里叶分析2.1.溪3信道的唐最大数豪据速率2.2物理传买输媒体2.2.茅1双绞线2.2.骂2同轴电缆2.2雪.3光纤2.2域.4无线传输夹媒体*2.2想.5卫星通信*是要艺求同学今了解的糊，这些零内容在鹿本电子羞教案中淘并未讲旧解而是类要求同挽学自己来阅读教厦材。2.2湾.2同轴电缆同轴电缆（coax大ial坊cabl岸e）也像奴双绞线炸那样由汽一对导车体组成言，但它斗们是按坐“同轴雕”的形填式构成赌线对分类：基带（bas籍eba羞nd）同轴脱电缆（全阻抗50Ω）宽带（broa柱dban茄d）同轴电纠缆（阻抗忌为75Ω）图2.9同轴电缆2.2.种2同轴电齐缆（续晶）同轴电餐缆与双泉绞线比害较，价氏格贵，央但带宽那、数据跌速率高锡、传输锄距离长辽和抗干做扰能力港强连接器图2.10同轴电内缆连接音器第二章物理层解与数据峰通信基毅础2.1数据通信它的基础知托识2.1.策1通信系统井模型2.1锤.2带宽与割傅里叶染分析2.1.假3信道的跃最大数庆据速率2.2物理传输和媒体2.2.旷1双绞线2.2药.2同轴电缆2.2.闷3光纤2.2佛.4无线传们输媒体*2.2瓣.5卫星通沾信*是要求辞同学了解个的2.2.践3光纤光纤是一根很刘细的可传在导光线的口纤维媒体小，其半径枝仅几微米慢至一、二书百微米。勉制造光纤势的材料可朽以是超纯茅硅、合成秧玻璃或塑真料用超纯硅丸制成的光糟纤损耗最模小，但制塌作工艺很神难合成玻璃辣制成的光替纤虽然损矮耗相对较活大，但更召为经济，喉性能也不政错塑料光省纤更便遭宜，可苏用于短案距离、贺较大损束耗也可嘴接受的工场合每根光业纤都有把自己的瓦包层，者而后一驼根或多租根光纤严再由外达皮包裹纱构成光缆图2.11光缆2.2.花3光纤木(续)2.12光纤传送卫电信号的虎过程2.2.去3光纤屈（续）光纤相匙对于如迎双绞线更和同轴薪电缆等羞这类金租属传导湖媒体的优点：轻便低衰减徐和大容声量电磁隔辉离光纤本身决化学性质煌稳定很有发恩展前途练。在许止多场合炮，特别摘是远距殃离的通墓信中，暂光纤已摔逐步称授为一种床主要的葛有线物陶理媒体段。但是光咐纤之间懂的连接澡不易，艘抽头分凝支困难猜，对于料距离不恰太大、先配置又她经常变伪动的局确域网来忆说光纤者还不会训完全取累代金属恩传导媒楼体2.2益.3光纤（续菌）在光纤中烧光线从光制源进入硅母或塑料光足导体后有脏两种不同暮的传输方宏式多模（mult帝imod故e）光纤：光线沿访着光纤以敏多种角度运不断被包辛层反射而江向前传播单模（sin威gle乘mo蒙de）光纤：光线主道要沿着光零纤的轴心篮向前传播单模光纤酿中由于减沟少了反射蜘过程中光杜能量被包到层材料的厚吸收，损雷耗小，通仙常能传输瓣更长的距惕离和达到鹅更高的数伤据速率单模光葡纤较多覆模光纤询更细从双绞线晃开始，基冶带同轴电脆缆、宽带驴同轴电缆咬、多模光沾纤直至单训模光纤，亭性能是由低至宾高、价格也从廉到贵第二章物理层与昂数据通信京基础2.1数据通信俗的基础知晒识2.1.村1通信系统使模型2.1.辛2带宽与傅烛里叶分析2.1.遵3信道的但最大数柏据速率2.2物理传输颜媒体2.2友.1双绞线2.2.稀2同轴电因缆2.2.听3光纤2.2.缘瑞4无线传兔输媒体*2.2.惰5卫星通隙信*是要求怜同学了解览的2.2.蛛5卫星通抄信卫星（sate茂llit渡e）通信蔬：一种特殊惭的微波通旷信与一般塔地面微你波通信炒的不同藏在于使催用地球藏同步卫予星作为矮中继站识来转发甘微波信省号图2.1泉4卫星通夺信2.2.职5卫星通信测（续）国际上卫刺星可使用斧的频段：C波段使用3.7~宅4.2渔GHz的频段控作为上涝行信道逐，5.9武25~厨6.4雪25宣GHz的频段迹作为下戏行信道Ku波段使用11.7们~12.精2GH争z作为上营行信道花，14~1爆4.5土GHz作为下红行信道Ka波段使用17.暴7~2液1.7仇GH并z作为上析行信道尽，27.5～30.债5G鸟Hz作为下荐行信道2.2超.5卫星通习信（续钱）几个波段捧的特点：C波段最闯早被用爬于商用痕通信卫棉星，目足前已相柄当拥挤Ku波段相烧对来说企还不太录拥挤，庸但这个则波段的粘微波易文被雨水六吸收Ka波段也袋有类似Ku波段问题访，且设备催造价昂贵籍，政府和怜军用的通岔信卫星一运般使用这财个波段2.2.息5卫星通孝信（续讯）卫星通信罗特点：缺点是娘传播延妙迟时间蜓长卫星通甩信的传勤播延迟北时间（270六ms）是和鞭端地面秩站间的枝距离无钉关的，六因而特灶别适合盘于远距稼离的通密信2.2.耽5卫星通攻信（续炭）卫星通配信的新闪发展益：低成本羊的微型割地面站受的出现覆，又称伙甚小口替径终端VSAT（Ver粥yS外mal钻lA凡per搭tur病eT绿erm喜ina轨l）系统图2.15使用中殊心站的VSAT2.2.启5卫星通信妄（续）卫星通何信的新响发展略：采用低轨忙道卫星的拍铱（Irid捕ium）计划采用发临射数十办颗低轨走道卫星象的办法昨，当某区一颗卫蜓星移动韵超出地职面某一程固定点疮的视野么时，保锯证有另张一颗卫渴星进入锡来代替