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

笫三講數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識與物理傳輸媒體

2022/11/151本講內(nèi)容第二章

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(xué)了解的，這些內(nèi)容在本電子教案中并未講解而是要求同學(xué)自己閱讀教材。

2022/11/1522.1.0基本概念信息：不同形式表達的知識，通信的目的是交換信息數(shù)據(jù)：信息的載體，可以是數(shù)字、文字、聲音、圖形與圖象等形式。在計算機中，以二進制代碼表示。同學(xué)們所熟悉的數(shù)據(jù)編碼系統(tǒng)有EBCDIC和ASCII碼二者關(guān)系： 數(shù)據(jù)是信息的載體，信息涉及數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋，信號則是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電磁波表示形式。

在計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，計算機系統(tǒng)關(guān)心的是信息所采用的編碼體制（如用ASCII還是EBDIC來表達字母和數(shù)字，采用GIF或BMP表達圖像等）或數(shù)據(jù)形式；而數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)則關(guān)注如何將表示數(shù)據(jù)的二進制比特序列轉(zhuǎn)換成適合于通信系統(tǒng)傳送的信號，包括數(shù)據(jù)如何用電信號表示以及如何傳輸信號。2022/11/1532.1.0基本概念例子：信息(Information)：數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋，如：NETWORK數(shù)據(jù)(Data)：傳遞(攜帶)信息的實體（用ASCII碼表示） 1001110100010110101001010111100111110100101001011信號(Signal)：數(shù)據(jù)的物理量編碼(通常為電編碼)，數(shù)據(jù)以信號的形式傳播2022/11/1542.1.1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2022/11/155數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由信源、信宿和信道三部分組成信源：數(shù)據(jù)的發(fā)送方信宿：數(shù)據(jù)的接收方稱為信宿信道：信源和信宿之間傳送信號的物理通道信號(反)變換器： 把信源所要發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合于在信道上傳輸?shù)男盘枺蛘呦喾?，把從信道上接收的信號轉(zhuǎn)換成信宿所能識別的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)：

泛指計算機網(wǎng)絡(luò)中用于連接各個計算機的物理媒體，特指用來連接各個通信處理設(shè)備的物理介質(zhì)。包括無線與有線兩大類。通信信道： 傳送信號的一條通道，其建立在傳輸介質(zhì)之上，但包括了傳輸介質(zhì)和通信設(shè)備。同一傳輸介質(zhì)上可提供多條信道，一條信道允許一路信號通過。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)）2022/11/1562.1.1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)2022/11/1572.1.1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2022/11/1582.1.1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2022/11/159本講內(nèi)容第二章

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(xué)了解的，這些內(nèi)容在本電子教案中并未講解而是要求同學(xué)自己閱讀教材。2022/11/15102.1.2帶寬與傅里葉分析傅立葉分析在19世紀初期，法國數(shù)學(xué)家吉.傅立葉證明，任何以T

為周期的函數(shù)，如果在上滿足狄利克雷 條件，即在上滿足(1)連續(xù)或只有有限個第一 類間斷點；(2)只有有限個極值點，那么在上就可以分解成傅立葉級數(shù)：2022/11/1511在通信系統(tǒng)中常見的周期信號一般均滿足狄利克雷條件，因此傅立葉級數(shù)分析具有實際意義。將周期函數(shù)按上述方式分解，稱為諧波分析。2.1.2帶寬與傅里葉分析(續(xù))2022/11/15122.1.2帶寬與傅里葉分析（續(xù)）

這里：是直流分量。一個基波分量，基波頻率f=1/T。n個諧波分量，其頻率f=n/T。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。

2022/11/1513把信號分解為正弦或余弦分量是一種最為有效的分析方法，因為對正弦波進行線性時不變運算之后，得到的仍然是一個同頻率的正弦波。由傅立葉分析可知，可以用無限多個正弦波之和來表示一個周期信號。也就是說由傅立葉級數(shù)可以重新合成原始函數(shù)。相應(yīng)地，在分析非周期信號時，起類似作用的是傅立葉變換。在實際應(yīng)用中，由傅立葉變換和傅立葉級數(shù)可得到時域函數(shù)在頻率上的表示，即頻譜2.1.2帶寬與傅里葉分析（續(xù)）2022/11/1514函數(shù)可轉(zhuǎn)化為例1：s(t)為周期函數(shù)，其中2022/11/1515有限帶寬信號2.1.2帶寬與傅里葉分析（續(xù)）2022/11/1516所有的傳輸設(shè)備在傳輸信號的過程中都要損失一些能量。如果信號的所有傅立葉分量被等量衰減，則輸出信號有所衰減但沒有畸變。事實上，所有的傳輸設(shè)備對不同的傅立葉分量的衰減程度不同，因而輸出信號將發(fā)生失真（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

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。2.1.2帶寬與傅里葉分析（續(xù)）2022/11/15172.1.2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(guān)系(b)–(c)Successiveapproximationstotheoriginalsignal.(d)–(e)Successiveapproximationstotheoriginalsignal.2022/11/15182.1.2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，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

2022/11/15192.1.2帶寬與傅里葉分析（續(xù)）例子：假若信道的帶寬為3kHz，用它來直接傳輸數(shù)據(jù)速率為9600b/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=1200Hz，即1.2kHz。3kHz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2400b/s的數(shù)字信號，此時T=3.33ms,f=300Hz。3kHz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。2022/11/1520本講內(nèi)容第二章

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(xué)了解的，這些內(nèi)容在本電子教案中并未講解而是要求同學(xué)自己閱讀教材。2022/11/15212.1.3信道的最大數(shù)據(jù)速率

奈奎斯特公式和香農(nóng)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2022/11/15222.1.3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則是該信道最大的數(shù)據(jù)速率。例如，若某信道帶寬為4kHz，任何時刻數(shù)字信號可取0、1、2和3四種電平之一（即L＝4），則最大數(shù)據(jù)速率為2022/11/15232.1.3信道的最大數(shù)據(jù)速率（續(xù)）香農(nóng)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(nóng)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)來表示信噪比，其單位為分貝(dB)，在使用上述公式時要特別注意。例如，信噪比為30dB、帶寬為4000Hz的信道最大的數(shù)據(jù)速率為2022/11/15242.1.3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）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(guān)系：

例如，若B=600波特，L＝4，則數(shù)據(jù)速率為C＝1200b/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L＝2），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(diào)制速率

2022/11/1525本講內(nèi)容第二章

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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(xué)了解的，這些內(nèi)容在本電子教案中并未講解而是要求同學(xué)自己閱讀教材。2022/11/1526 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(zhì)

計算機網(wǎng)絡(luò)中采用的物理傳輸媒體可分為導(dǎo)向(guided)和非導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)向媒體（無形的，不占用空間，統(tǒng)稱為spacefree的媒體）2022/11/1527本講內(nèi)容第二章

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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(xué)了解的，這些內(nèi)容在本電子教案中并未講解而是要求同學(xué)自己閱讀教材。2022/11/15282.2.1雙絞線雙絞線(twistedpair)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2022/11/15292.2.1雙絞線（續(xù)）圖2.5大對數(shù)電纜（粗的電纜）2022/11/15302.2.1雙絞線（續(xù)）雙絞線分類：非屏蔽UTP（UnshieldedTwistedPair）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（ShieldedTwistedPair）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

2022/11/15312.2.1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(nèi)可傳輸更高數(shù)據(jù)速率的信號，但價格也越貴。下面是常用的幾類雙絞線的性能和主要用途：Category3：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）Category5(100MHz)：支持數(shù)據(jù)速率可達100Mbps，常用于快速以太網(wǎng)(FastEthernet)Category5e(350MHz)：數(shù)據(jù)速率可達1000Mbps，常用于千兆以太網(wǎng)(GigabitEthernet)上面的Category5e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(nèi)，如不超過80米。現(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)2022/11/15322.2.1雙絞線（續(xù)）雙絞線的連接器也已標準化，最常用的是RJ(Registered

Jack)11(3pairs)和RJ45(4pairs)，如圖2.6所示

圖2.6 RJ45和RJ112022/11/1533本講內(nèi)容第二章

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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(xué)了解的，這些內(nèi)容在本電子教案中并未講解而是要求同學(xué)自己閱讀教材。2022/11/15342.2.2同軸電纜同軸電纜（coaxialcable）也像雙絞線那樣由一對導(dǎo)體組成，但它們是按“同軸”的形式構(gòu)成線對分類：基帶（baseband）同軸電纜（阻抗50Ω）寬帶（broadband）同軸電纜（阻抗為75Ω）圖2.9同軸電纜2022/11/15352.2.2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2022/11/1536本講內(nèi)容第二章

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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(xué)了解的，這些內(nèi)容在本電子教案中并未講解而是要求同學(xué)自己閱讀教材。2022/11/15372.2.3光纖光纖是一根很細的可傳導(dǎo)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(gòu)成光纜

圖2.11光纜2022/11/15382.2.3光纖(續(xù))2022/11/15392.12光纖傳送電信號的過程2.2.3光纖(續(xù))2022/11/15402.2.3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(dǎo)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(xué)性質(zhì)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(dǎo)媒體2022/11/15412.2.3光纖（續(xù)）在光纖中光線從光源進入硅或塑料光導(dǎo)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（singlemode）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2022/11/1542本講內(nèi)容第二章

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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(xué)了解的，這些內(nèi)容在本電子教案中并未講解而是要求同學(xué)自己閱讀教材。2022/11/15432.2.5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(zhuǎn)發(fā)微波信號圖2.14衛(wèi)星通信2022/11/15442.2.5衛(wèi)星通信（續(xù)）國際上衛(wèi)星可使用的頻段：C波段使用3.7~4.2GHz的頻段作為上行信道，5.925~6.425GHz的頻段作為下行信道Ku波段使用11.7~12.2GHz作為上行信道，14~14.5GHz作為下行信道Ka波