网络技术 - 数据传输媒体

1第三章数据传输媒体3.1传输损耗3.2有损耗条件下的最大传输速率3.3传输介质2模拟信道和数字信道按照允许的信号的类型分为模拟信道和数字信道：模拟信道只允许传输波形连续变化的模拟信号，通信质量可用失真和输出信噪比来衡量。数字信道只允许传输离散的数字信号，数字信道的特性可用差错率及差错序列的统计特性来描述。3单工、半双工和全双工信道按照信道上的信号的传输方向分为：单工信道：信号只能沿一个方向传送，任何时候都不能改变传输方向。半双工信道：信号可沿两个方向交替传送，但同一时间只能沿一个方向传送信号。全双工信道：信号可同时沿两个方向传送。相当于两个相反方向的单工信道的组合。4单工、半双工和全双工信道三种信道的结构：发送器数据信号监测信号接收器单工通信数据信号监测信号发送器发送器接收器接收器半双工通信数据信号监测信号发送器接收器发送器数据信号监测信号接收器全双工通信5传输损耗传输损耗：

信号（电磁波）沿通信传输介质传播过程中单位长度上的能量损耗。单位：dB/km。克服传输损耗而导致的数据失真必须做到以下三点：①接收到的信号必须有足够的强度；②信号必须比收到的噪声维持一个更高的电平；③在模拟信号传输中，衰减是频率的增量函数。

解决模拟信号传输过程中的①、②问题可用放大器或中继器来增强信号的能量，但同时噪音分量也会增强，以至引起信号畸变；解决数字信号传输过程中的①、②问题可使用中继器，把数字信号恢复为“0、1”的标准电平后继续传输。解决③的技术手段是使在某个频带内的频率衰减趋于相等或使用高频放大器将高频放大。6衰减和增益在通信系统中，当信号沿着介质传输时，其能量会受到损失而衰减，称为通信的衰减。衰减导致系统输出端的电功率小于输入端的电功率。因此，应在信道上设置信号放大装置，以增强信号。若通信系统输出端的电功率大于输入端的电功率，则表明信号在系统中得到了增益。7分贝通常用分贝来表示衰减和增益。分贝是两个功率电平p1和p2差别的度量，是无量纲的量：D=10lg（p1/p2）

单位：dB8衰减和增益的计算例：如果10mW功率的信号加到传输线上，而在某距离上测得的功率是5mW则在这段线路上的衰减为Loss=10lg（5/10）=10×（-0.3）=-3（dB）分贝有时也用来度量电压或电流的差别：因为P=V2/R或

P=I2R所以D=10lg（P2/P1）=20lg（V2/V1）=20lg（I2/I1）（dB）使用分贝可方便计算整个系统的衰耗或增益。整个传输线路上的衰减或增益等于各分段线路上的衰减与增益的代数和。9失真信号通过传输系统时，其波形可能发生畸变，波形的畸变称为失真。如果构成信号的不同分量通过传输系统后，分别受到不同的衰减和不同的时延，就会造成输出信号的频谱与输入信号的频谱的差异，从而在系统的输出端导致信号的失真。由各频率分量随频率的变化引起的失真叫或振幅失真。这种失真主要来源于设备和线路造成的衰减失真。由不同频率分量的传播速度不一致所引起的失真，称为相位失真或时延失真。10通信的噪声在数据传输过程中，接收到的信号往往与发送的信号不一致。这是因为除了在传输过程中产生的各种畸变之外，还额外混入了一些有害信号。我们把这些额外混入的非期望信号称为噪声。噪声是影响数据传输质量的主要因素。11噪声的类型噪声的种类很多，也有多种分类方式。若根据噪声的来源进行分类，一般可以分为人为噪声、自然噪声和内部噪声三类。根据噪声产生的原因进行分类，可以分为热噪声、交调噪声、串音和脉冲噪声四类。12热噪声热噪声是由带电粒子在导电介质中的布朗运动引起的，它存在于任何工作在绝对零度以上的电路或系统中。在通信系统中，电阻器件噪声、天线噪声、馈线噪声以及接收机产生的噪声均可以等效成热噪声。热噪声属于高斯白噪声，其概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是均匀分布的（常数）。热噪声始终存在，不可排除。13交调噪声不同频率的信号进入通信系统后，由于通信系统的非线性，将在系统的输出端产生这些频率之间的差频信号或倍频信号及其组合。我们将这种附加的频率干扰称为交调噪声。交调噪声可以通过人为校正系统的非线性部分得到补偿。14串话串话是一个通路的信号在相邻的另一个通路引起的干扰现象。这是由于信号线路之间的电磁感应引起的有害耦合。为了消除线路之间的有害耦合，可以将每一对线拧成一定扭绞节距的线缆。15脉冲噪声脉冲噪声是由于电火花或其他原因造成的突发振幅很大、持续时间比间隔时间短得多的离散脉冲耦合到信号通路中的干扰。脉冲噪声也称为冲击噪声，它将引起一连串的数据比特出错，它是数据传输差错的主要根源。脉冲噪声产生的干扰很难消除，只能采用差错控制的方法来实现可靠传输。有损耗条件下的最大传输速率有噪声条件下的信道最大传输速率，仙农的结论是：在有噪声信道上，若带宽为H，信噪比为S/N，那么最大数据速率M为M=Hlog2（1+S/N）bps其中H为带宽，单位为赫（HZ），S/N为信一噪比。16有损耗条件下的最大传输速率S／N信噪比是确定一个传输系统性能的最重要参数之一。它是信号的功率与呈现的噪声功率之比。通常以分贝（dB）来作为S/N的单位。S/N愈高，表示信号质量愈高，对远距离通信来说，意味着需要的中间转发器愈少。17183.3常用的传输介质硬介质–有线传输介质（导向传输介质）：信号的电磁波沿着固定媒体（铜线或光纤）传播。双绞线（twistedpair）：非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）同轴电缆（coaxialcable）：细缆和粗缆光纤（fiber）：单模和多模软介质–无线传输介质（非导向传输介质）：信号的电磁波在自由空间中传播。无线电波（wirelessradio）：微波、红外线、激光、卫星线路。19传输介质的特性传输介质的特性对数据传输的质量有决定性的影响。（1）物理特性：介质的物质构成、几何尺寸、机械特性、温度性能、化学性能和物理性质。（2）传输特性：衰减特性、频率特性和适用范围。（3）连通特性：允许点-点连接或多点连接。（4）抗干扰特性及干扰性：对外界噪声的承受能力和影响。（5）地理范围：保证信号不失真的最大传输距离。（6）相对价格：传输介质的性能与制造成本。201.双绞线TP（Twisted-Pair）双绞线电缆是最简单最经济的一种传输介质，由几对扭绞在一起的“线对”组成，一个“线对”为一条通信链路，既可传输模拟信号，也可传输数字信号。21双绞线电缆双绞线进行绞合的目的是减少相邻导线之间的电磁干扰，绞合的密度越大抗干扰能力越强。双绞线分为有屏蔽双绞线（STP）和无屏蔽双绞线（UTP）两种。STP在数据传输时可减少外界的电磁干扰，相对稳定性较高。EIA/TIA568标准中制定了有屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线的技术规范。22RJ-45连接器23EIA/TIA的UTP布线标准EIA/TIA为UTP制定了包括5个类的布线标准：1类线：用于电话传输；2类线：含4对双绞线，可用于电话传输和最高为4Mbps的数据传输；3类线：含4对双绞线，可用于最高为10Mbps的数据传输，适用于10BaseT网络；4类线：含4对双绞线，可用于最高为16Mbps的数据传输，适用于TokenRing网络和10BaseT网络；5类线：含4对铜芯双绞线，可用于100Mbps的高速以太网。24EIA/TIA568布线标准双绞线与RJ-45接口的连接顺序：注意：1、2是一对，用于发送数据（DTE），3、6是一对，用于接收数据（DTE）。25双绞线的性能指标近端串扰（NEXT，Near-EndcrossTalk）：指一对导体的信号在另一对导体上发生的耦合现象。近端串扰与线缆类别、连接方式、信号的频率等有关。衰减：信号沿着链路传播损失的能量（dB）。衰减随着频率的升高而增大。特性阻抗：链路在规定的工作频率范围内呈现的电阻。链路的特性阻抗与标准值之差不得超过20Ω。262.同轴电缆（CoaxialCabel）

同轴电缆由外绝缘层、外导体、内绝缘层和内导体四个部分组成，绝缘效果较好，误码率较低，是早期局域网中广泛使用的一种传输介质。内导体内绝缘层外层导体外绝缘层27同轴电缆的种类局域网中主要使用50Ω和75Ω两种同轴电缆。后者带宽高，既可传输数字信号，又可传输模拟信号，可以分频；前者用于基带传输，分为细缆和粗缆两类。细缆：直径0.25英寸，传输距离约200米（185米）；粗缆：直径0.5英寸，传输距离500米28光缆（FiberOpticalCabel）光缆由许多细如发丝的光导玻璃纤维或塑胶纤维，外加绝缘护套组成，能将外在的干扰彻底隔绝。传输质量稳定，带宽极高，其传输速率远远高于双绞线和同轴电缆，但价格极为昂贵。29光纤的种类按制作材料划分：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、氟化物光纤按传输模式划分：单模光纤、多模光纤按折射率分布划分：突变型光纤、渐变型光纤、三角形光纤、W型光纤按工作波段不同划分：短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤30光纤的特性

物理特性光纤主要由纤芯和包层组成的双圆柱体（双圆柱体直径不到0.2mm）外加塑料护套构成。一根光缆可以包含二至几百根光纤。光缆由光纤、加强芯和填充物加上外套构成。纤芯

(玻璃)包层(玻璃)

护套纤芯包层外套护套(塑料)31光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射纤芯为高密度介质，包层为低密度介质。当入射角足够大时，就会发生全反射。32输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤光纤按传输模式分为多模和单模两种：

多模光纤采用发光二极管（LED）作为光源，价格便宜，传输距离近。

单模光纤采用激光（LD）作为光源，价格昂贵，传输距离远。33常见光纤接头FC－PC型光尾纤接头外形图SC－PC型光尾纤接头外形图ST-PC型光尾纤接头外形图FC/PC－SC/PC型光尾纤外形图34光纤的特性传输特性光纤传输的是光信号，只能单向传输。光信号的频率高、频带宽、传输速率高（能超过KMbps），信道容量大。但光信号也可能由于色散和时散的原因导致时延失真。多模光纤的时散较为严重。连通性光纤通常采用点-点的连接方式。35光纤的特性传输距离光纤传输衰减小，中继距离远(≥2Km)，覆盖范围广。光纤传输损耗的因素：吸收损耗：和光纤材料有关。光波通过光纤时，有一部分光能变成热能，造成光功率损失。散射损耗：指光通过密度或折射率不均匀的物体时，除了光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光这种现象称为光的散射。辐射损耗：光纤应用时弯曲，使光纤内导波模式变为辐射模式所致36光纤的特性抗干扰性光纤电磁绝缘性能好，不受外界的电磁干扰与噪声的影响；光纤无串音干扰，不易被窃取，安全性好。光纤误码率低，在10-5~10-6之间。价格光纤价格远高于其他线缆。37光纤线路光纤信道的基本部件是光源、光调制器和光探测器。光纤线路光纤信道的组成电端机光调制器光探测器判决再生放大光中继器光发射机光接收机光源光源光探测器电端机38光源光源是光纤信道中的关键部件。光源必须有足够的亮度，并能有效地耦合到光纤中去。光源分为两种：发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)。前者的光源温度特性好、可靠性高、寿命高达百万小时以上、成本低，广泛用于小容量光纤信道中。后者的发散角度小(18°~30°)，耦合到光纤中的效率远远高于LED，且射入光纤的功率也比前者大10~15dB。39光源的特性不同光源的光纤性能比较：

光源LEDLD数据传输速率低高光纤类型多模多模或单模传输距离短长使用寿命长短温度敏感不太敏感非常敏感价格较低昂贵40光调制器光调制器是发送装置中的电光转换部件。它把输入的电信号转换为光信号后发射到光纤线路上。它根据电信号的状态去改变光载波信号的某些特性参数，如光波的振幅、相位，以及偏振等等。41光探测器光探测器是接收装置中的光电转换部件，它将输入的已调光波解调为电信号。光探测器中的主要部件是光电二极管，由已调光波控制二极管的开与关，从而实现光电转换。42光中继器在光纤信道中可设置光中继器来扩展传输距离。光中继器分为两种：直接中继器——是光放大器，它直接将光信号放大，以补偿传输损耗；间接中继器——先将光信号解调为电信号，经放大、限幅和再生后，再调制到光载波上。43电信领域使用的电磁波的频谱：无线传输介质地表对流层电离层空间及视线空间及视线空间空间无线电微波红外线可见光紫外线X射线

射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f

(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移动无线电

44无线电波的传播形式地表传播——

低频的长波信号沿着地表曲线传播。对流层传播——

中波信号通过对流层传播。电离层传播——高频的短波信号通过电离层反射进行传播。视线传播——微波、红外线等更高频率的信号通过地面中继站接力传播。空间传播——

微波信号通过卫星中继进行传播。地球表面地球表面地球表面视线传播电离层反射45无线介质的特点红外线和激光红外线通信和激光通信是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播。方向性强，不受电磁干扰和射频干扰，不易被窃听，安全性较好，难以插入数据和进行干扰。但对雨雾等环境干扰特别敏感，易受天气影响，也不具备穿透能力。46无线介质的特点地面微波微波通信是利用微波波段的电磁波在视距范围内进行信息传输的一种通信方式。方向性不强，室外全向天线可覆盖1.5~10公里的半径范围，室内全向天线可覆盖250m~5000m的半径范围；对天气的干扰不敏感，传输质量较高；有一定的穿透能力，能穿透几层墙或两层的混凝土楼板；微波频率高、工作频带宽，信道容量大。投资省、见效快47地面微波接力信道的构成地面微波接力信道由终端站、中继站，以及各站间的电波传播空间构成。站与站的距离一般为50km左右。终端站设在接力线路的两端，是通信线路的起点和终点。终端站之间的通信依靠中继站以接力的方式完成终端站终端站中继站中继站48模拟微波和数字微波微波通信采用多路复用的工作方式，工作于射频的微波频段。微波信道分两种：模拟微波传输模拟信号，主要采用频分复用(FDM-FM)；数字微波传输数字信号，主要采用时分复用(TDM-PCM-DPSK)；一路PCM信号的速率为64kb/s一次基群（30路PCM信号）的速率2.048Mb/s二次基群的速率为8.448Mb/s三次基群的速率为34.368Mb/s49卫星通信卫星通信是以人造地球卫星作为中继站和地面站之间的微波通信。50卫星中继信道的组成通信卫星（静止卫星）主要任务是实现中继转接，即接受地球站发来的无线电信号，经变频放大处理后，再转发出去。地球站是卫星中继通信双方的收、发信台站。51卫星通信的电波传播卫星通信的工作频段C频段上行下行商用频段Ku频段上行下行Ka频段上行下行卫星通信的电波传播特点传输时间长传输损耗大大气层的影响面式覆盖传播52卫星通信的特点

卫星通信以地球同步卫星作为中继系统来转发微波信号，覆盖面积大，突破了地面微波通信的距离限制，有其独特之处：通信距离远，具有无缝隙覆盖能力；具有灵活性、普遍性及可移动性；具有宽域复杂网络拓扑构成能力；较好的安全性和可靠性；传播时延较大，对距离不敏感；卫星信道的误码率与气候条件、太阳活动、月亮障碍、地面站的相对方位以及使用的频带宽度有关。53蜂窝无线通信

采用多址接入方法：频分多址接入（FDMA）时分多址接入（TDMA）码分多址接入（CDMA）Bluetooth适用于语音和数据应用。Bluetooth运行于无需申请许可证的2.4GHz波段。Bluetooth技术操作范围可达10米或100米。

Bluetooth无线技术能够穿透实心物体。Bluetooth技术是全方向有效的，且不要求将连接设备放置在可见范围内。Bluetooth芯片的成本低于3美元。54Bluetooth蓝牙技术IrDA用于为通常使用电缆进行连接的设备提供无线连接功能。IrDA是一项点到点、窄角度（30°锥形范围）的专门数据传输标准，专为在0至1米的距离之间操作而设，速度为9600bps至16Mbps。IrDA无法穿透实心物体，与其它无线技术相比，其数据交换应用较少。IrDA主要应用于远程控制应用或两台PDA之间的同步操作。55IrDA红外线数据技术无线网络介绍蓝牙技术（Bluetooth）红外技术（IrDA）IEEE802.11家庭射频技术（HomeRF）

什么是蓝牙技术蓝牙是怎样形成的蓝牙的优点与缺点蓝牙通讯技术的用途厂家和消费者的认同度无线网络介绍什么是蓝牙技术所谓蓝牙（Bluetooth）技术，实际上是一种短距离无线通信技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙技术的形成1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣组，以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。芯片霸主Intel公司负责半导体芯片和传输软件的开发，爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发，IBM和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。1999年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三康、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。蓝牙技术的形成蓝牙技术的特点■蓝牙工作在全球开放的2.4GHz

ISM（即工业、科学）频段；■使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频信道在一次连

接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”

到另一个信道；■一台蓝牙设备可同时与其它七台蓝牙设备建立连接；■数据传输速率可达1Mbit/s；■低功耗、通讯安全性好；支持语音传输；■在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求；组网简单方便蓝牙通讯技术的用途蓝牙技术是一种新兴的技术，尚未投入广泛应用，目前许多蓝牙设备还处于实验室试验阶段。但可以肯定的是现在多数具有红外无线数据通讯功能的设备，在将来一样可以使用蓝牙技术来实现无线连接。同时蓝牙技术的网络特点和语音传输技术使它还可以实现红外技术无法实现的某些特定功能，如无线电话、多台设备组网等等。什么是IrDAIrDA是红外数据协会的简称，IrDA制订的一系列红外数据通讯标准形成了红外数据通讯技术的基础。红外通讯技术是一种点对点的数据传输协议，是传统的设备之间连接线缆的替代。它的通讯距离一般在0到1米之间，传输速率最快可达16Mbps，通讯介质为波长为900纳米左右的近红外线。

什么是Wi-Fi1999年9月，电子和电气工程师协会（IEEE）批准了IEEE802.11b规范，这个规范也称为Wi-Fi。IEEE802.11b定义了用于在共享的无线局域网（WLAN）进行通信的物理层和媒体访问控制（MAC）子层。IEEE无线标准的分类IEEE802.11IEEE802.11aIEEE802.11bIEEE802.11e/f/hIEEE802.11gIEEE802.11iIEEE802.16IEEE802.16a

IEEE802.111990年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11无线局域网标准工作组。该标准定义物理层和媒体访问控制(MAC)规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制，工作在2.4000～2.4835GHz频段。IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于难于布线的环境或移动环境中计算机的无线接入，由于传输速率最高只能达到2Mbps，所以，业务主要被用于数据的存取。IEEE

802.11a1999年，IEEE802.11a标准制定完成，该标准规定无线局域网工作频段在5.15～5.825GHz，数据传输速率达到54Mbps/72Mbps(Turbo)，传输距离控制在10～100米。802.11a采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术；可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口；支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。IEEE802.11b1999年9月IEEE802.11b被正式批准，该标准规定无线局域网工作频段在2.4～2.4835GHz，数据传输速率达到11Mbps。该标准是对IEEE802.11的一个补充，采用点对点模式和基本模式两种运作模式，在数据传输速率方面可以根据实际情况在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps的不同速率间自动切换，而且在2Mbps、1Mbps速率时与802.11兼容。802.11b使用直接序列（DirectSequence）DSSS作为协议。802.11b和工作在5GHz频率上的802.11a标准不兼容。由于价格低廉，802.11b产品已经被广泛地投入市场，并在许多实际工作场所运行。IEEE802.11e/f/hIEEE802.11e标准对无线局域网MAC层协议提出改进，以支持多媒体传输，以支持所有无线局域网无线广播接口的服务质量保证QoS机制。IEEE802.11f定义访问节点之间的通信，支持IEEE802.11的接入点互操作协议（IAPP）。IEEE802.11h用于802.11a的频谱管理技术。IEEE802.11gIEEE的802.11g标准是对流行的802.11b（即Wi-Fi标准）的提速（速度从802.11b的11Mb/s提高到54Mb/s）。802.11g接入点支持802.11b和802.11g客户设备。同样，采用802.11g网卡的笔记本电脑也能访问现有的802.11b接入点和新的802.11g接入点。不过，基于802.11g标准的产品目前还不多见。IEEE802.11iIEEE802.11i标准是结合IEEE802.1x中的用户端口身份验证和设备验证，对无线局域网MAC层进行修改与整合，定义了严格的加密格式和鉴权机制，以改善无线局域网的安全性。IEEE802.11i新修订标准主要包括两项内容：“Wi-Fi保护访问”(WPA)技术和“强健安全网络”。Wi-Fi联盟计划采用802.11i标准作为WPA的第二个版本，并于2004年初开始实行。

IEEE802.16为了给本地无线环路WLL提供一个标准，IEEE802委员