第3章 数据传输信道
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第三章 数据通信网络和处理方法
22
二、通信介质
• 传递信息的物理载体 • 通信介质的种类
– 有线介质、无线介质
• 通信介质的物理特性
– 构造特性材质、导电性、纯度等 – 传输特性：频率特性、容量、传输距离等 – 抗干扰性：热噪声、串扰、雷电脉冲等
23
有线传输介质
• 发送器和接收器之间的物理通路
– 介质的物理性质对信号传输质量有决定性的影 响 – 传输介质对信号传输的影响主要有：
11
调制和解调
• 数/模转换
– 要通过窄带介质（电话线）传送数字信号，必 须将数字信号转化成模拟信号（调制）。 – 宽带介质（5类双绞线、光纤）可以直接传送 数字信号。 – 要使用无线介质传送数字信号，必须将数字信 号转换成模拟信号 – 携带数字信号的模拟信号必须转换成数字信号 （解调），否则接收端计算机无法识别。
4
一、数据通信技术指标
• 数据传输率
– 波特率（Baud）：每秒传输的字节数（B/s） – 比特率（bps） ：每秒传输的位数（b/s）
• 信道划分
– 低速信道：300~9600b/s – 中速信道：9600~256,000b/s – 高速信道：256Kb/s以上
5
通信方式（按数据传输方向划分）
30
无线传输
• 微波
– 波长1米~1毫米的电磁波，传输容量大。 – 雷达微波频率一般在3GHz~10GHz。 – 传播方式
• 微波中继（中继站距离50公里左右，位置越高越好） • 平流层反射（厘米波，500公里左右），容易受到 水雾的影响
– 缺点：容易被干扰、窃听、容易在空气中衰减。
31
无线传输
– 数据分布在地理位置不同的多台主机上 – 任务分散处理，减轻服务器负担 – 每台主机可以保有本地所需的最大数据集合， 也可以查询系统中其他主机的数据 – 系统服务器保存数据全集并发布数据子集 – 优点：全局和局部协调统一，高效、健壮 – 缺点：病毒易传播、数据备份困难、管理复杂
二、通信介质
• 传递信息的物理载体 • 通信介质的种类
– 有线介质、无线介质
• 通信介质的物理特性
– 构造特性材质、导电性、纯度等 – 传输特性：频率特性、容量、传输距离等 – 抗干扰性：热噪声、串扰、雷电脉冲等
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有线传输介质
• 发送器和接收器之间的物理通路
– 介质的物理性质对信号传输质量有决定性的影 响 – 传输介质对信号传输的影响主要有：
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调制和解调
• 数/模转换
– 要通过窄带介质（电话线）传送数字信号，必 须将数字信号转化成模拟信号（调制）。 – 宽带介质（5类双绞线、光纤）可以直接传送 数字信号。 – 要使用无线介质传送数字信号，必须将数字信 号转换成模拟信号 – 携带数字信号的模拟信号必须转换成数字信号 （解调），否则接收端计算机无法识别。
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一、数据通信技术指标
• 数据传输率
– 波特率（Baud）：每秒传输的字节数（B/s） – 比特率（bps） ：每秒传输的位数（b/s）
• 信道划分
– 低速信道：300~9600b/s – 中速信道：9600~256,000b/s – 高速信道：256Kb/s以上
5
通信方式（按数据传输方向划分）
30
无线传输
• 微波
– 波长1米~1毫米的电磁波，传输容量大。 – 雷达微波频率一般在3GHz~10GHz。 – 传播方式
• 微波中继（中继站距离50公里左右，位置越高越好） • 平流层反射（厘米波，500公里左右），容易受到 水雾的影响
– 缺点：容易被干扰、窃听、容易在空气中衰减。
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无线传输
– 数据分布在地理位置不同的多台主机上 – 任务分散处理，减轻服务器负担 – 每台主机可以保有本地所需的最大数据集合， 也可以查询系统中其他主机的数据 – 系统服务器保存数据全集并发布数据子集 – 优点：全局和局部协调统一，高效、健壮 – 缺点：病毒易传播、数据备份困难、管理复杂
CH3Y 数据传输信道
Figure 3.19
Figure 3.
Table 3.1
卫星频带
频带
C Ku Ka
下行
3.7 to 4.2 GHz 11.7 to 12.2 GHZ 17.7 to 21 GHZ
上行
5.925 to 6.425 GHz 14 to 14.5 GHz 27.5 to 31 GHz
Table 3.2
SNR ----- 信号功率与噪声功率的比值 SNR=10log10S/N (dB) SNR越大 , 传输质量越好，误码率越低. 对于确定的信道, SNR 决定数据传输速率的上限 Example: 电力线高速数据传输 1Mbps, 16PSK, 要求 SNR>25dB 9.6Kbps, QPSK , 要求 SNR>16dB
UHF电视、移动电话和微波------视线传播 (figure 3.12） 卫星通信-----空间传播 (figure 3.13） Ɍ地球同步卫星 • 卫星通信频带 (table3.1)
传输介质性能比较
选择介质的五个因素:
费用、速度、信号衰减、电磁干扰、安全性
介质性能比较
(table 3.2)
Example:
多少?
1. 设一个信号通过传输介质段传输后，信号功率衰减一半，衰减为
Solution: A = 10log10 (P2/P1) = 10log10 (0.5) ≈ -3 dB
2. 设一个信号通过放大器，放大到原功率的5倍，增益为多少?
Solution: G= 10log10 (P2/P1) = 10log10 (5) ≈ 7 dB
串音
由于信道之间的有害偶合，一路信号窜入邻近信道，形成干扰。 又称邻道干扰. 存在于多路复用系统中.
数据与计算机通信答案(第3章)
上述两种方案由于每个原色强度过少，色彩单调，图象层次感差，对于数字电视无实 际应用价值。如果可以提高三倍数据率，以每三个连续的 5 比特组分别表示一个像素，三种 颜色各有 32 种强度值，共有 32768 种色彩，这对于计算机显示器而言，色彩并不算丰富，
而对于数字彩色电视机，相当不错了。如果不提高数据率，还可以通过降低分辨率或刷新速 率，来换取色彩数的提高，但这也不实用的方法。
已知视频带宽 B=5MHz，所以有 5=P/105，则每行的像素数 P=5x105=525。 然而，通常 CCIR-M/NTSC 制式每行只约有 450 像素，带宽 B=P/105=450/105=4.3MHz (实 际技术指标 4.2Hz) 。 带宽由 4.2MHz 增加到 5MHz 时，水平分辨率约增加 75 像素，增幅 16.7%。 （2）计算垂直分辨率的增幅 由于信号最高频率 fH=5MHz，即最短的信号周期 1/fH=0.2υs。 又因为每个最短周期包含 2 个像素，则有 225 周期/行。那么，每行扫描时间为 0.2υs×225=45υs。加上水平回扫 11υs，每行往返扫描时间为 56υs ，即 56x10-6 s， 假定每屏 V 行，每秒扫描 30 场（帧、屏），则每秒扫描行数为 30V。 因此对于画面刷新，有 30V×56x10-6 = 1s，V = 595 行/屏。目前 NSTL 制式每行只有 525 行。垂直分辨率增加了 70 行，增幅 13.3%。
cos 2 t = cos t cos t = 1 (cos 2t + cos 0) = 1 (cos 2t + 1)
2
2
所以， f (t) = (10 cos t)2 = 100 cos 2 t = 50 + 50 cos 2t
而对于数字彩色电视机，相当不错了。如果不提高数据率，还可以通过降低分辨率或刷新速 率，来换取色彩数的提高，但这也不实用的方法。
已知视频带宽 B=5MHz，所以有 5=P/105，则每行的像素数 P=5x105=525。 然而，通常 CCIR-M/NTSC 制式每行只约有 450 像素，带宽 B=P/105=450/105=4.3MHz (实 际技术指标 4.2Hz) 。 带宽由 4.2MHz 增加到 5MHz 时，水平分辨率约增加 75 像素，增幅 16.7%。 （2）计算垂直分辨率的增幅 由于信号最高频率 fH=5MHz，即最短的信号周期 1/fH=0.2υs。 又因为每个最短周期包含 2 个像素，则有 225 周期/行。那么，每行扫描时间为 0.2υs×225=45υs。加上水平回扫 11υs，每行往返扫描时间为 56υs ，即 56x10-6 s， 假定每屏 V 行，每秒扫描 30 场（帧、屏），则每秒扫描行数为 30V。 因此对于画面刷新，有 30V×56x10-6 = 1s，V = 595 行/屏。目前 NSTL 制式每行只有 525 行。垂直分辨率增加了 70 行，增幅 13.3%。
cos 2 t = cos t cos t = 1 (cos 2t + cos 0) = 1 (cos 2t + 1)
2
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所以， f (t) = (10 cos t)2 = 100 cos 2 t = 50 + 50 cos 2t
[工学]第3章 信道
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《现代通信原理》
56
习题
书P.69 习题3-3，3-4； 书P.70 习题3-8，3-11；
《现代通信原理》
57
Ⅱ.自然噪声
Ⅲ.内部噪声
51
2. 噪声带宽及信道容量
《现代通信原理》
52
噪声带宽（如何确定？）
∵ 起伏噪声共性 ①可近似为G.W ②经BPF后为窄带G.RP ∴调制信道（经滤波器后）的加性噪声可近似为 ——窄带高斯噪声 噪声带宽≌Bn
Bn
Bn
ω0
P (
n
0
)df
P (
---以两经传播为例分析
设信号经两路径到收端,且两路径具相同传输损耗V0和 一个相对时延差τ, 可用下线性网络表信道模型
V0f(t) V0f(t-t0)
f(t)
V0 V0
V0f(t)
延迟t0
+
延迟t0 +τ
V0f(t-t0 –τ)
f0(t)
《现代通信原理》
40
H(ω) 的获得
设 V0 f (t ) V0 F ( )
《现代通信原理》
43
例题
（1）假设某随参信道具有两条路径，路径 时延差为1ms，试求该信道在哪些频率上传 输衰耗最大？选择哪些频率传输信号最有 利？ （2）设某随参信道的最大多径时延等于 3ms，为避免发生频率选择性衰落，试估算 该信道上传输的数字信号的码元脉冲宽度。
《现代通信原理》
44
4. 分集接收技术（简介）
《现代通信原理》
11
无线信道
（3）传播方式 地面波传播
《现代通信原理》
12
无线信道
56
习题
书P.69 习题3-3，3-4； 书P.70 习题3-8，3-11；
《现代通信原理》
57
Ⅱ.自然噪声
Ⅲ.内部噪声
51
2. 噪声带宽及信道容量
《现代通信原理》
52
噪声带宽（如何确定？）
∵ 起伏噪声共性 ①可近似为G.W ②经BPF后为窄带G.RP ∴调制信道（经滤波器后）的加性噪声可近似为 ——窄带高斯噪声 噪声带宽≌Bn
Bn
Bn
ω0
P (
n
0
)df
P (
---以两经传播为例分析
设信号经两路径到收端,且两路径具相同传输损耗V0和 一个相对时延差τ, 可用下线性网络表信道模型
V0f(t) V0f(t-t0)
f(t)
V0 V0
V0f(t)
延迟t0
+
延迟t0 +τ
V0f(t-t0 –τ)
f0(t)
《现代通信原理》
40
H(ω) 的获得
设 V0 f (t ) V0 F ( )
《现代通信原理》
43
例题
（1）假设某随参信道具有两条路径，路径 时延差为1ms，试求该信道在哪些频率上传 输衰耗最大？选择哪些频率传输信号最有 利？ （2）设某随参信道的最大多径时延等于 3ms，为避免发生频率选择性衰落，试估算 该信道上传输的数字信号的码元脉冲宽度。
《现代通信原理》
44
4. 分集接收技术（简介）
《现代通信原理》
11
无线信道
（3）传播方式 地面波传播
《现代通信原理》
12
无线信道
数据传输信道课件
微波中继通信
通过一系列中继站将信号接力 传递，实现远距离通信。
微波卫星通信
利用人造地球卫星进行微波通 信，覆盖范围广，不受地理条
件限制。
卫星通信
卫星轨道
包括地球同步轨道、中地球轨道、低地球轨 道等。
卫星通信特点
覆盖范围广、通信距离远、容量大、质量高 、灵活性强。
卫星通信系统组成
包括地球站、卫星、控制系统等部分。
应用场景
有线电视网络、无线通信网络等。
时分复用（TDM）原理及应用场景
时分复用原理
将时间轴划分为若干个时隙，每个时隙分配给一个信号或数据流进行传输，接收端按照时隙顺序恢复出原始信号 或数据流。
应用场景
数字电话网络、以太网等。
CHAPTER 07
差错控制与校验码、循环冗 余校验等
差错产生原因及影响
数据传输信道课件
目录
• 数据传输信道基本概念 • 有线传输信道 • 无线传输信道 • 信道噪声与干扰 • 数据调制与解调技术 • 多路复用技术与频分复用、时分复用等 • 差错控制与校验码、循环冗余校验等
CHAPTER 01
数据传输信道基本概念
定义与分类
定义
数据传输信道是信息在通信系统中从发送端传送到接收端所经过的通道，是连 接发送端和接收端的物理媒介。
VS
接收端操作
在接收端，同样使用相同的生成多项式进 行模2除法运算，如果余数为0，则认为 帧在传输过程中没有发生错误；如果余数 不为0，则认为帧在传输过程中发生了错 误。此时，接收端会向发送端发送请求重 传的信号，要求发送端重新发送该帧。如 果连续多次重传仍然出现错误，则可能认 为该帧已经丢失或无法正确传输，需要采 取其他措施进行处理。
《数据传输技术》PPT课件
信道上同时进行传输，如图3.1.2(a)所示。例如,一个采 用8单位二进制码构成一个字符进行并行传输的系统， 需采用8个信道并行传输，一次传送8位，即一个字符， 因此收、发双方不存在字符同步的问题，不需要额外 的措施来实现收发双方的字符同步，这是并行传输的 主要优点。
第3章 数据传输技术
在实用中，需另外加一条控制信号,即“选通”脉冲， 它在数据信号发出之后传送，用以通知接收设备所有 的位已经发送完毕，可对各条信道上的信号进行取样 了。并行传输常用于计算机内部数据总线或PC微机与 打印机接口，但由于使用的线路多，成本较高，不适 宜远距离传输。
第3章 数据传输技术
可见，传输介质是计算机通信与网络的基本组成 部分，在远程传输工程的投资成本中占有很大的比例。 因此，如何利用传输介质是网络技术和应用的一个基 本问题［3］［6］［9］。传输介质可以分为线传输介质(有 线线路)和软传输介质(无线信道)两类。前者包括双绞 线、同轴电缆及光缆等；后者主要包括地面微波、卫 星微波、无线电波及红外传输技术等。
第3章 数据传输技术
1
2
3
4
A
5
B
A
B
6
7
8
(a)
(b)
图3.1.2 传输方式 (a)并行传输；(b)串行传输
第3章 数据传输技术
2.串行传输 串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列 成数据流,以串行的方式在一条信道上传输，如图 3.1.2(b)所示。通常传输顺序为由低位到高位，传完这 个字符再传下一个字符，因此收、发双方必须保持字 符同步，以使接收方能够从接收的数据比特流中正确 区分出与发送方相同的字符，这是串行传输必须解决 的问题。串行传输只需要一条传输信道，易于实现， 是目前远程通信主要采用的一种传输方式。
第3章 数据传输技术
在实用中，需另外加一条控制信号,即“选通”脉冲， 它在数据信号发出之后传送，用以通知接收设备所有 的位已经发送完毕，可对各条信道上的信号进行取样 了。并行传输常用于计算机内部数据总线或PC微机与 打印机接口，但由于使用的线路多，成本较高，不适 宜远距离传输。
第3章 数据传输技术
可见，传输介质是计算机通信与网络的基本组成 部分，在远程传输工程的投资成本中占有很大的比例。 因此，如何利用传输介质是网络技术和应用的一个基 本问题［3］［6］［9］。传输介质可以分为线传输介质(有 线线路)和软传输介质(无线信道)两类。前者包括双绞 线、同轴电缆及光缆等；后者主要包括地面微波、卫 星微波、无线电波及红外传输技术等。
第3章 数据传输技术
1
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A
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B
A
B
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(a)
(b)
图3.1.2 传输方式 (a)并行传输；(b)串行传输
第3章 数据传输技术
2.串行传输 串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列 成数据流,以串行的方式在一条信道上传输，如图 3.1.2(b)所示。通常传输顺序为由低位到高位，传完这 个字符再传下一个字符，因此收、发双方必须保持字 符同步，以使接收方能够从接收的数据比特流中正确 区分出与发送方相同的字符，这是串行传输必须解决 的问题。串行传输只需要一条传输信道，易于实现， 是目前远程通信主要采用的一种传输方式。
第3章-物理层与数据通信基础(071008).doc
第三章物理层与数据通信基础3.1 数据通信的基础知识3.1.0 基础知识●基本术语如果信息的自然状态是模拟的，如语音、图像等，经数字化处理后，用数字信号的形式进行传送就成为数字通信。
如果信息的自然状态是数字的（离散的），如计算机数据，那么不管采用那种形式的信号进行传送，都叫数据通信。
信道是一个逻辑的概念，可表示为向某一方向传输信息的通道。
通过采用多路复用技术，一条2线制的物理信道可以同时传输多路信息。
因此，可以广义的理解为一条物理信道可以包含多条逻辑信道。
从通信过程中发送端所产生的信号形式来看，信号可分为模拟信号（连续变化的，如正弦波或余弦波形式）和数字信号（离散的、脉冲信号形式）两类。
与此相应的，信道可以分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道。
当然，数字信号经过调制后，可以改变成模拟信号在模拟信道传输，模拟信号经过模数变换后，也可以转换成数字信号在数字信道上传输。
●数据传输方式数据通信的基本方式有两种，一种是并行通信，一种是串行通信。
并行通信通常用于计算机系统内部及与外设之间大量频繁的数据传输。
在这种方式中，每个数据编码的各个比特都是同时发送的，因此，数据传输率高。
但在远距离通信时，由于这种通信需要的线路太多，因而通信成本太高，另外，并行线路间电平的相互干扰也会影响传输质量。
因此，一般不采用并行通信。
串行通信就是比特（bit）的逐位传送，对于要进行远距离传输的每个数据编码的各个比特来说，一般按照从低位到高位的顺序依次进行传送。
由于这种方式节省线路成本，因此它是远距离数据通信较好的选择。
●通信制式通信制式（Communication mode）主要是指有关信息传输方向的定义。
1）单工通信。
凡是利用一条物理信道（2线制）只能进行单向信息传输的通信，称之为单工通信。
单工通信多用于早期简单的或测试控制环境下的数据通信，现在已很少采用。
2）半双工通信。
半双工通信是指可以进行双向传输，但由于只有一条物理信道（2线制），因此，同一时刻只限于一个方向传输，这种制式方泛应用于交互式会话通信情况下。
《计算机网络基础》数字通信基础
频率
可
子信道A
用
子信道B
频
子信道C
段
子信道D
时间
图2.24 FDM子信道示意图
二、数据传输方式
频分多路复用FDM
第3章 数据通信基础
19
频分多路复用系统的原理示意图如图所示，它假设有6个输入源，分别输入6路信号到 频分多路器FDM-MUX，多路器将每路信号调制在不同的载波频率上（例如f1，f2，…， f6）。每路信号以其载波频率为中心，占用一定的带宽，此带宽范围称作一个通道， 各通道之间通常用保护频带隔离，以保证各路信号的频带间不发生重叠。
16
• 半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即 两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。当改变传输方向时，要通过开关装置 进行切换。
• 半双工信道适合于会话式通信，比如公安系统使用的“对讲机”和军队使用的“步话 机”。
• 半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信。
方式。
同步字节
数据帧
同步字节
01111110 1011010101101100...1111010110110100 01111110
计算机
计算机
二、数据传输方式
基带传输
第3章第3数章据数通据信通基信础基础
12
• 在数据通信中，表示计算机中二进制数据比特序列的数字数据信号 是典型的矩形脉冲信号。人们把矩形脉冲信号的固有频带称为基本 频带，简称“基带”。这种矩形脉冲信号就叫做基带信号。在数字 通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输。
名校名师精品系列教材
——第三章
数字通信基础
一、数据通信系统
第3章 数据通信基础
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2011年1月3日星期一 14
第3章：内容提纲
3.1 信道概述 3.2 信道容量 3.3 导向传输媒体 3.4 无线传输
2011年1月3日星期一
15
3.3 导向传输媒体
• 传输媒体分两大类：导向传输媒体和非导 向传输媒体 • 导向传输媒体 指有线媒体，电磁波被导 向沿着固体媒体传播，包括双绞线、同轴 电缆、光缆。 • 非导向传输媒体 指无线媒体，电磁波在 自由空间中传播，包括短波、微波、卫星 通信、红外通信等。
4、有线信道和无线信道 • 按照信道采用传输媒体的不同分为 • 有线信道 以有形的导向传输媒体(如双绞线、 同轴电缆、光缆)为传输媒体的信道。 • 无线信道 以非导向传输媒体(如宇宙空间)为 传输媒体的信道。 • 利用现有信道来实现数据传输是一种既经济又 可行的方案，但必须了解现有信道的特点，以 及它对传输数据信号的影响和限制。
2011年1月3日星期一 19
3.3.1 双绞线(续1) 双绞电缆的种类
UTP 无屏蔽双绞缆 2011年1月3日星期一 SFTP 屏蔽金属箔双绞电缆
FTP 屏蔽双绞缆 STP 屏蔽双绞电缆
20
3.3.1 双绞线(续2) • 近端串扰(指线对间的耦合干扰)是衡量双 绞线性能的重要指标。 • 无论是哪种类别的线，衰减都随频率的升 高而增大。使用更粗的导线可以降低衰减， 但却增加了导线的价格和重量。使用更大 的和更精确的绞合度，就可以获得更高的 带宽。
2011年1月3日星期一 9
第3章：内容提纲
3.1 信道概述 3.2 信道容量 3.3 导向传输媒体 3.4 无线传输
2011年1月3日星期一
10
3.2 信道容量
• 对于给定的信道环境，传输速率与误码率有何 关系？或者说，在一定的误码率条件下，传输 速率是否存在一个极限值？信息论证明了这个 极限值的存在，并称其为信道容量。 • 信道容量 对于给定的信道环境，在传输差错 率(即误码率)趋向零的情况下，单位时间内可 以传输的信息量。或者信道容量是信道在单位 时间里所能传输的最大速率。其单位是比特/ 秒(bit/s).
2011年1月3日星期一 11
3.2.1 模拟信道的信道容量 • 香农定律指出：在信号平均功率受限的高斯白 噪声信道中，计算信道容量的理论公式为
C = Blb (1 + S ) N
(b/s) (3-1)
• 上式中，B是信道带宽，以Hz为单位；S/N是平均信号 噪声功率比,S为信号功率，N为噪声功率。这里的噪声 为正态分布的加性高斯白噪声。高斯白噪声在整个频域 具有均匀分布的功率谱密度及噪声的概率密度函数服从 高斯分布(正态分布)。
分米波
微波(Microwave)
超短波 Metri 短波SW c wave
中波MW
长波LW 甚长波 特长波 超长波 极长波
射频波段
1~ 波长λ 0.1 ~ 1mm 1 ~ 10mm 1 ~ 10cm 10~100cm 1 ~ 10m 10~100m 100~1000m 10 10~100km 100~1000km 103~104km k m
108
109
1010 卫星
1011 1012
1013
1014
1015 光纤
1016
地面微波
调幅 海事 无线电 无线电 波段
调频 移动 无线电 无线电 电视
LF
MF
HF
VHF UHF SHF
EHF THF
17
2011年1月3日星期一
表1 电磁波频（波）段的划分
波段名
亚毫米波 Sub mm
毫米波
厘米波
2011年1月3日星期一
• 连接需用专用设备。 • 目前光电接口较贵，但价格在逐年下降。
28
3.3.3 光缆(续2) 光线在光纤中的折射
包层 纤芯 折射角 包层 （低折射率的媒体）
入射角
纤芯 （直径只有2至120µm （1 µm = 10–6m ）高 折射率的媒体）
• 由于纤芯折射率大于包层的折射率，使得折射角大于入射角。 当入射角足够大时，就会引起全反射，光线重新折回纤芯， 从而不断向前传播。
2011年1月3日星期一 23
3.3.2 同轴电缆(续1) 同轴电缆的结构
2011年1月3日星期一
24
3.3.2 同轴电缆(续2) 同轴电缆的特性
• 同轴电缆应用于较高频率范围时，它的一次参数 和二次参数可近似计算。 • 特性阻抗 • 衰减常数 • 传输速度
Z0 = L 138 b = lg C a εr
MF中频
LF低频 VLF甚低频 ULF特低频 SLF超低频 ELF极低
2011年1月3日星期一
18
3.3.1 双绞线
• 把两根互相绝缘的铜导线并排在一起，然后用规则 的方法绞合(twist)起来构成。绞合可减少对相邻导 线的电磁干扰。多根双绞线再绞合成电缆状。 • 双绞线既可用于模拟传输，也可用于数据传输。其 通信距离一般为几到十几公里。 • 带宽依赖于线的粗细和传输距离。 • 商用建筑物电信布线标准EIA/TIA-568-A规定了用 于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标 准。常用3类线和5类线。其主要区别在于单位长度 的绞合次数不同。
2011年1月3日星期一 12
3.2.1 模拟信道的信道容量(续1)
香农公式的重要结论：
(1)任何一条信道都有其信道容量。如信源的传输速率小于或等于信道容量， 则理论上就存在一种编码方法，使得进行无差错传输。 (2)信道容量与带宽和信噪比有关。这意味着增加带宽可以提高信道容量， 从而改善通信质量。这就是常用的带宽互换功率的方法。编码和调制是 实现带宽与信噪比互换的手段。 (3)如果B→∞，则信道容量C并不会趋向于无限大，而是趋于常数 1.44S/n0。 这里 n0为单位频带内的噪声功率。 (4)如考虑到信道容量是传输的信息量与传输时间之比，则香农公式可改写 为I=TBlb(1+S/N)。说明B和T之间也存在某种互换关系。
数据通信与计算机网络 刘润杰
2007年9月
数据通信与计算机网络
第 3 章 数据传输信道
2011年1月3日星期一
2
第 3 章 数据传输信道
教学目的
了解信道的定义和 分类 掌握各种传输媒体 的传输特性 掌握传输媒体对传 输质量的影响
2011年1月3日星期一
学习内容
信道概述 信道容量 导向传输媒体 无线传输
2011年1月3日星期一 29
3.3.3 光缆(续3)
三种实用光纤
• 多模突变光纤(又称阶跃光纤) 指光纤的纤芯和包层的折 射率沿光纤的径向分布是均匀的，而在两者的交界面上发 生突变。此类光纤的带宽较窄，适用于小容量短距离通信。 • 多模渐变光纤 指纤芯的折射率是其半径r的函数n(r)， 沿着径向随r的增加而逐渐减小，直到达到包层的折射率 值为止，而包层内的折射率又是均匀的。此类光纤带宽较 宽，适用于中容量中距离通信。 • 单模光纤 指纤芯中仅传输一种最低模式的光波，由于纤 芯直径很小(通常为1～10μm)，制作工艺难度大。其折射 率分布属于突变型。单模光纤的带宽极宽，适用于大容量 远距离通信。
源 点 编 码 器 调 制 器 载 波 机 传输 系统 狭义 信道 广义信道（调制信道） 广义信道（编码信道）
2011年1月3日星期一 5
载 波 机
解 码 器
解 调 器
终 点
3.1.1 传输信道(续1) • 信道的功能具有两面性：它既为信号提供 传输通路，又对信号造成损害(如衰减和 畸变)。 • 信道和电路是两个不同的概念。它是电路 的逻辑部件。通常用来表示某一个方向传 送信息的媒体，一条通信电路往往包含一 条发送信道和一条接收信道。
2011年1月3日星期一 16
3.3 导向传输媒体(续1)
电信领域使用的电磁波的频谱
0 f (Hz) 10
102
104
106 无线电
108
1010
1012
1014
1016
1018
1020
1022
1024 γ 射线
微波
红外线 可见光 紫外线
X射线
4 f (Hz) 10
105 双绞线
106
107 同轴电缆
2011年1月3日星期一 26
3.3.3 光缆
• 在通信领域，信息的传输速率相当于每10年提高 100倍。光纤通信已成为现代通信技术中的一个十 分重要的领域。 • 光纤是一种新型的光波导。其结构一般是双层或多 层的同心园柱体，由纤芯、包层和护套组成。
护套 包层(d<125µm) 纤芯(d=2-120µm)
2011年1月3日星期一
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3.3.2 同轴电缆
• 同轴电缆是一种对地不对称的同轴管，由一个 金属园管(外导体)和一根位于园管中心的导线 (内导体)所构成。内导体采用半硬铜线，外导 体采用软铜带或铝带纵包而成。内外导体间用 介质填充，介质可以是空气或聚乙烯等塑料制 成的绝缘材料。 • 同轴电缆具有寿命长、容量大、传输稳定、外 界干扰小、维护方便等优点。
3
第3章：内容提纲
3.1 信道概述 3.2 信道容量 3.3 导向传输媒体 3.4 无线传输
2011年1月3日星期一
4
3.1 信道概述
• 广义信道 将传输媒体和完成各种形式的变换功能的 设备都包含在内的信道。根据具体的研究对象和关心的 问题，可定义不同类型的广义信道。如调制信道、编码 信道等。 • 狭义信道 仅指传输媒体的信道。
2011年1月3日星期一 7
3.1.2 信道分类(续1)
2、单工、半双工和全双工信道 • 按照信道上信号传送方向与时间的关系分为： • 单工信道 • 半双工信道 • 全双工信道 3、专(租)用信道和公用信道 • 按照使用信道的方法分为： • 专用信道 • 公用信道
第3章：内容提纲
3.1 信道概述 3.2 信道容量 3.3 导向传输媒体 3.4 无线传输
2011年1月3日星期一
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3.3 导向传输媒体
• 传输媒体分两大类：导向传输媒体和非导 向传输媒体 • 导向传输媒体 指有线媒体，电磁波被导 向沿着固体媒体传播，包括双绞线、同轴 电缆、光缆。 • 非导向传输媒体 指无线媒体，电磁波在 自由空间中传播，包括短波、微波、卫星 通信、红外通信等。
4、有线信道和无线信道 • 按照信道采用传输媒体的不同分为 • 有线信道 以有形的导向传输媒体(如双绞线、 同轴电缆、光缆)为传输媒体的信道。 • 无线信道 以非导向传输媒体(如宇宙空间)为 传输媒体的信道。 • 利用现有信道来实现数据传输是一种既经济又 可行的方案，但必须了解现有信道的特点，以 及它对传输数据信号的影响和限制。
2011年1月3日星期一 19
3.3.1 双绞线(续1) 双绞电缆的种类
UTP 无屏蔽双绞缆 2011年1月3日星期一 SFTP 屏蔽金属箔双绞电缆
FTP 屏蔽双绞缆 STP 屏蔽双绞电缆
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3.3.1 双绞线(续2) • 近端串扰(指线对间的耦合干扰)是衡量双 绞线性能的重要指标。 • 无论是哪种类别的线，衰减都随频率的升 高而增大。使用更粗的导线可以降低衰减， 但却增加了导线的价格和重量。使用更大 的和更精确的绞合度，就可以获得更高的 带宽。
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第3章：内容提纲
3.1 信道概述 3.2 信道容量 3.3 导向传输媒体 3.4 无线传输
2011年1月3日星期一
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3.2 信道容量
• 对于给定的信道环境，传输速率与误码率有何 关系？或者说，在一定的误码率条件下，传输 速率是否存在一个极限值？信息论证明了这个 极限值的存在，并称其为信道容量。 • 信道容量 对于给定的信道环境，在传输差错 率(即误码率)趋向零的情况下，单位时间内可 以传输的信息量。或者信道容量是信道在单位 时间里所能传输的最大速率。其单位是比特/ 秒(bit/s).
2011年1月3日星期一 11
3.2.1 模拟信道的信道容量 • 香农定律指出：在信号平均功率受限的高斯白 噪声信道中，计算信道容量的理论公式为
C = Blb (1 + S ) N
(b/s) (3-1)
• 上式中，B是信道带宽，以Hz为单位；S/N是平均信号 噪声功率比,S为信号功率，N为噪声功率。这里的噪声 为正态分布的加性高斯白噪声。高斯白噪声在整个频域 具有均匀分布的功率谱密度及噪声的概率密度函数服从 高斯分布(正态分布)。
分米波
微波(Microwave)
超短波 Metri 短波SW c wave
中波MW
长波LW 甚长波 特长波 超长波 极长波
射频波段
1~ 波长λ 0.1 ~ 1mm 1 ~ 10mm 1 ~ 10cm 10~100cm 1 ~ 10m 10~100m 100~1000m 10 10~100km 100~1000km 103~104km k m
108
109
1010 卫星
1011 1012
1013
1014
1015 光纤
1016
地面微波
调幅 海事 无线电 无线电 波段
调频 移动 无线电 无线电 电视
LF
MF
HF
VHF UHF SHF
EHF THF
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2011年1月3日星期一
表1 电磁波频（波）段的划分
波段名
亚毫米波 Sub mm
毫米波
厘米波
2011年1月3日星期一
• 连接需用专用设备。 • 目前光电接口较贵，但价格在逐年下降。
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3.3.3 光缆(续2) 光线在光纤中的折射
包层 纤芯 折射角 包层 （低折射率的媒体）
入射角
纤芯 （直径只有2至120µm （1 µm = 10–6m ）高 折射率的媒体）
• 由于纤芯折射率大于包层的折射率，使得折射角大于入射角。 当入射角足够大时，就会引起全反射，光线重新折回纤芯， 从而不断向前传播。
2011年1月3日星期一 23
3.3.2 同轴电缆(续1) 同轴电缆的结构
2011年1月3日星期一
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3.3.2 同轴电缆(续2) 同轴电缆的特性
• 同轴电缆应用于较高频率范围时，它的一次参数 和二次参数可近似计算。 • 特性阻抗 • 衰减常数 • 传输速度
Z0 = L 138 b = lg C a εr
MF中频
LF低频 VLF甚低频 ULF特低频 SLF超低频 ELF极低
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3.3.1 双绞线
• 把两根互相绝缘的铜导线并排在一起，然后用规则 的方法绞合(twist)起来构成。绞合可减少对相邻导 线的电磁干扰。多根双绞线再绞合成电缆状。 • 双绞线既可用于模拟传输，也可用于数据传输。其 通信距离一般为几到十几公里。 • 带宽依赖于线的粗细和传输距离。 • 商用建筑物电信布线标准EIA/TIA-568-A规定了用 于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标 准。常用3类线和5类线。其主要区别在于单位长度 的绞合次数不同。
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3.2.1 模拟信道的信道容量(续1)
香农公式的重要结论：
(1)任何一条信道都有其信道容量。如信源的传输速率小于或等于信道容量， 则理论上就存在一种编码方法，使得进行无差错传输。 (2)信道容量与带宽和信噪比有关。这意味着增加带宽可以提高信道容量， 从而改善通信质量。这就是常用的带宽互换功率的方法。编码和调制是 实现带宽与信噪比互换的手段。 (3)如果B→∞，则信道容量C并不会趋向于无限大，而是趋于常数 1.44S/n0。 这里 n0为单位频带内的噪声功率。 (4)如考虑到信道容量是传输的信息量与传输时间之比，则香农公式可改写 为I=TBlb(1+S/N)。说明B和T之间也存在某种互换关系。
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第 3 章 数据传输信道
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第 3 章 数据传输信道
教学目的
了解信道的定义和 分类 掌握各种传输媒体 的传输特性 掌握传输媒体对传 输质量的影响
2011年1月3日星期一
学习内容
信道概述 信道容量 导向传输媒体 无线传输
2011年1月3日星期一 29
3.3.3 光缆(续3)
三种实用光纤
• 多模突变光纤(又称阶跃光纤) 指光纤的纤芯和包层的折 射率沿光纤的径向分布是均匀的，而在两者的交界面上发 生突变。此类光纤的带宽较窄，适用于小容量短距离通信。 • 多模渐变光纤 指纤芯的折射率是其半径r的函数n(r)， 沿着径向随r的增加而逐渐减小，直到达到包层的折射率 值为止，而包层内的折射率又是均匀的。此类光纤带宽较 宽，适用于中容量中距离通信。 • 单模光纤 指纤芯中仅传输一种最低模式的光波，由于纤 芯直径很小(通常为1～10μm)，制作工艺难度大。其折射 率分布属于突变型。单模光纤的带宽极宽，适用于大容量 远距离通信。
源 点 编 码 器 调 制 器 载 波 机 传输 系统 狭义 信道 广义信道（调制信道） 广义信道（编码信道）
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载 波 机
解 码 器
解 调 器
终 点
3.1.1 传输信道(续1) • 信道的功能具有两面性：它既为信号提供 传输通路，又对信号造成损害(如衰减和 畸变)。 • 信道和电路是两个不同的概念。它是电路 的逻辑部件。通常用来表示某一个方向传 送信息的媒体，一条通信电路往往包含一 条发送信道和一条接收信道。
2011年1月3日星期一 16
3.3 导向传输媒体(续1)
电信领域使用的电磁波的频谱
0 f (Hz) 10
102
104
106 无线电
108
1010
1012
1014
1016
1018
1020
1022
1024 γ 射线
微波
红外线 可见光 紫外线
X射线
4 f (Hz) 10
105 双绞线
106
107 同轴电缆
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3.3.3 光缆
• 在通信领域，信息的传输速率相当于每10年提高 100倍。光纤通信已成为现代通信技术中的一个十 分重要的领域。 • 光纤是一种新型的光波导。其结构一般是双层或多 层的同心园柱体，由纤芯、包层和护套组成。
护套 包层(d<125µm) 纤芯(d=2-120µm)
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22
3.3.2 同轴电缆
• 同轴电缆是一种对地不对称的同轴管，由一个 金属园管(外导体)和一根位于园管中心的导线 (内导体)所构成。内导体采用半硬铜线，外导 体采用软铜带或铝带纵包而成。内外导体间用 介质填充，介质可以是空气或聚乙烯等塑料制 成的绝缘材料。 • 同轴电缆具有寿命长、容量大、传输稳定、外 界干扰小、维护方便等优点。
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第3章：内容提纲
3.1 信道概述 3.2 信道容量 3.3 导向传输媒体 3.4 无线传输
2011年1月3日星期一
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3.1 信道概述
• 广义信道 将传输媒体和完成各种形式的变换功能的 设备都包含在内的信道。根据具体的研究对象和关心的 问题，可定义不同类型的广义信道。如调制信道、编码 信道等。 • 狭义信道 仅指传输媒体的信道。
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3.1.2 信道分类(续1)
2、单工、半双工和全双工信道 • 按照信道上信号传送方向与时间的关系分为： • 单工信道 • 半双工信道 • 全双工信道 3、专(租)用信道和公用信道 • 按照使用信道的方法分为： • 专用信道 • 公用信道