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1、数据通信与计算机网络（第 3 版）课 件杨心强 陈国友编著电子工业出版社 2007 年 6 月1课件制作人声明n本课件共制作11个 Powerpoint 文件(每章一个)。教师可根据教学需要，自行修改或增删此课件内容，但不能自行出版销售。n对于课件中出现的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。课件制作人 杨心强，陈国友2007年6月2数据通信与计算机网络第 3 章数据传输信道3第 3 章 数据传输信道教学目的n了解信道的定义和分类n掌握各种传输媒体的传输特性n掌握传输媒体对传输质量的影响学习内容信道概述信道容量导向传输媒体无线传输4第3章：内容提纲3.1 信道概述3.2 信道容量3.
2、3 导向传输媒体3.4 无线传输53.1 信道概述n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。n狭义信道 仅指传输媒体的信道。广义信道（编码信道）狭义信道广义信道（调制信道）63.1.1 传输信道(续1)n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)。n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。73.1.2 信道分类1、模拟信道和数字信道n模拟信道 允许传输波形连
3、续变化的模拟信号的信道。其传输特性可用等效的四端网络传输函数 来表示。模拟信道又可分为恒参信道和变参信道。其质量可用失真和输出信噪比来衡量。n数字信道 只允许传输离散取值的数字信号的信道。其质量可用差错率和差错序列的统计特性来衡量。83.1.2 信道分类(续1)2、单工、半双工和全双工信道n按照信道上信号传送方向与时间的关系分为：n单工信道n半双工信道n全双工信道3、专(租)用信道和公用信道n按照使用信道的方法分为：n专用信道n公用信道93.1.2 信道分类(续2)4、有线信道和无线信道n按照信道采用传输媒体的不同分为n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
4、。n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。n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。10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113.2 信道容量n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。n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
5、/秒(bit/s).123.2.1 模拟信道的信道容量n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(3-1)(b/s)n上式中，是信道带宽，以Hz为单位；是平均信号噪声功率比,为信号功率，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)。133.2.1 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
6、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 并不会趋向于无限大，而是趋于常数 。这里 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 。说明B和T之间也存在某种互换关系。143.2.2 数字信道的信道容量n奈奎斯特认为，即使是理想信道（无噪声、无码间干扰），它的传输能力也是有限的。对于一条有限带宽、无噪声的理想信道信道容量的计算公式(3-5)n上式表明，对于给定的带宽可以通过增加信号取值的状态数来提高信道容量。但这将会加重接收器的负担。也即在每个信号码元时间内，必须
7、从M个可能的状态中区分出一个状态来。同时，传输线上的噪声和其他损伤也将会限制的实际取值。15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163.3 导向传输媒体n传输媒体分两大类：导向传输媒体和非导向传输媒体n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。n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。173.3 导向传输媒体(续1)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)fLFMFHFV
8、HF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱183.3.1 双绞线n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。n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。n带宽依赖于线的粗细和传输距离。n商用建筑物电信布线标准
9、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。193.3.1 双绞线(续1)双绞电缆的种类UTP 无屏蔽双绞缆FTP 屏蔽双绞缆SFTP 屏蔽金属箔双绞电缆STP 屏蔽双绞电缆203.3.1 双绞线(续2)n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。n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。213.3.1 双绞线(续3)常用的绞合线的类别、带宽和典型应用绞合线类别带宽典型应用
10、316 MHz低速网络；模拟电话420 MHz短距离的10BASE-T以太网5100 MHz10BASE-T以太网；某些100BASE-T快速以太网5E(超5类)100 MHz100BASE-T快速以太网；某些1000BASE-T吉比特以太网6250 MHz1000BASE-T吉比特以太网；ATM网络7600 MHz可能用于今后的10吉比特以太网223.3.2 同轴电缆n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。n同轴电
11、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。233.3.2 同轴电缆(续1)同轴电缆的结构243.3.2 同轴电缆(续2)同轴电缆的特性n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。n特性阻抗 n衰减常数 n传输速度 为内导体半径，为外导体半径，是介质的相对介电常数 253.3.2 同轴电缆(续3)n同轴电缆按其特性阻抗的不同，主要分为两类：一类是基带同轴电缆(50)。这种同轴电缆用来传送基带信号，其距离可达1km，传输速率为10Mb/s。另一类是宽带同轴电缆(75)。这种同轴电缆可作为有线电视的标准传输电缆，传送频分复用的宽带信号。宽带同轴电缆用于传送模拟
12、信号时，其信号频率可高达300-400MHz，而距离可达100km。n在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体。但随着技术的进步，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz。263.3.3 光缆n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。n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(d125m)纤芯(d=2-120m)273.3.3 光缆(续1)n光纤通信
13、的优点：n频带宽，容量大。n传输衰耗很小。n在很宽的运用频带范围内，因衰减与频率无关，接收端无需采取均衡措施。n抗干扰能力强，保密性好。n制造原料丰富，且用料极省。n体积小，重量轻，便于施工、扩容。n光纤通信的缺点：n连接需用专用设备。n目前光电接口较贵，但价格在逐年下降。283.3.3 光缆(续2)光线在光纤中的折射 纤芯（直径只有2至120m（1 m=106m）高折射率的媒体）折射角入射角 包层（低折射率的媒体）包层纤芯n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。293.3.3 光缆(续3)三种实用光纤n多模
14、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。n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。n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110m)，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。303.3.3 光缆(续4)实用光纤的传输模式313.3.3 光缆(续5)光纤通信系统的光源n发光二极
15、管LED 价格较低，工作温度也较宽，使用寿命长。n注入激光二极管 发光效率高，可支持较高的传输速率。n光纤的接收端采用光敏二极管。当遇到光照射时，它会产生一个电脉冲。由于光敏二极管的典型响应时间为1ns，因而限制传输速率在1Gb/s左右。323.3.3 光缆(续6)影响光纤传输质量的因素n损耗特性表示光能在光纤中传输所受到衰减程度。(dB/km)(3-12)n光纤损耗分为固有损耗和非固有损耗。n固有损耗指光纤材料的性质和微观结构引起的吸收损耗和瑞利散射损耗。n非固有损耗指杂质吸收、结构不规则引起的散射和弯曲幅射损耗等。33光纤损耗与波长的关系3.3.3 光缆(续7)在光纤通信中常用的三个波段的
16、中心分别位于0.85，1.30和1.55 m，这三个波段具有25000-30000GHz的带宽。343.3.3 光缆(续8)n频带特性直接影响传输波形的失真情况和传输容量。通常以兆赫千米(MHzkm)来表示。n频带特性与光纤传光时的色散性能有关。光纤传输的模式理论指出：光能是由若干模式的电磁波传送的，不同模式的电磁波在光纤中的传送速度是不同的。这种传送速度随模式、波长或材料变化的性质称为光纤的色散特性。色散有两种：模间色散和模内色散。多模光纤中两种色散都有，但以模间色散为主。单模光纤只存在模内色散。色散对传输质量的影响体现在传输波形的畸变(时延差和脉冲展宽)。353.3.3 光缆(续9)n光纤
17、通信无中继最大距离受到传输损耗和时延失真两个方面因素的限制。如不考虑时延失真的影响，最大无中继距离可由下式确定：n除上述三种导向传输媒体外，20世纪初曾采用架空明线(铜线和铝线)。其优点是线路损耗低，架设简单。缺点是对外界噪声和干扰较敏感，易受自然条件影响和人为破坏。目前，许多国家都已停止使用，我国也只在农村或边远地区采用，市内明线已被双绞电缆所取代，长途线路则让位于同轴电缆或光缆。(km)(3-13)36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373.4 无线传输n导向传输媒体的不足：施工困难、路远代价大，无动中通。n利用自由空间的非导向传输媒体，
18、是以自由空间为传输电磁波的手段，通常称为“无线传输”。特别是移动通信方式适用于信息时代的通信需要。n无线传输使用的工作频段很广，目前所用的有无线电、微波、红外线以及可见光几个频段(见图3-2)。383.4.1 短波传输n短波是指以波长为100m10m(或频率为330MHz)的电磁波。实用短波是1.530MHz。短波既可沿地球表面以地波形式传播，也能以天波的形式靠大气层中的电离层反射传播。n电离层是离地面高度60450km，受太阳紫外线和X射线作用而存在的由离子、自由电子和中性分子、原子组成的一个区域。n据实测，电离层由环绕地球处于不同高度的四个导电层组成：D、E、F1和F2。对短波传输起主要作
19、用的是F层，且选用夜间工作频率低于白天的工作频率。393.4.1 短波传输(续1)电离层的构成403.4.1 短波传输(续2)n衡量短波通信的指标是通信质量和可通率。通信质量对不同的传输对象不同，如模拟通信用输出信噪比，而数字通信则用差错率。可通率(又称线路利用率)指通信线路接收端的信噪比高于可接受的最低信噪比的时间百分比。n如何正确选择短波通信频率？在一定的电离层条件下，存在一个最高可用频率MUF(指实际通信中能被电离层反射回地面的电波最高频率)。(3-15)(0)(0)入射角临界频率413.4.1 短波传输(续3)nMUF是电波返回地面或刚穿出电离层的临界值。考虑电离层结构的变化和保证长期
20、稳定接收，实际选用的短波工作频率是FOT=(85%)MUF。此时可通率达90%。n多径传播 短波电波通过若干条路径或者不同的传播模式由发信点到达收信点的长度不同，而引起由发信点到达收信点的时间不同的现象。n多径时散 指不同路径的时延差。它与路径长度、工作频率、昼夜、季节等因素有关。423.4.1 短波传输(续4)n多径时散 指不同路径的时延差。它与路径长度、工作频率、昼夜、季节等因素有关。n多径时散对数据通信的影响主要体现在码间干扰上。为了保证传输质量，往往采用限制数据传输速率的措施。引起多径时散的几种主要因素 433.4.1 短波传输(续5)n衰落 指在短波传输过程中，收信电平出现忽高忽低随
21、机变化的现象。衰落按其持续时间的长短分为快衰落(信号起伏持续时间仅几分之一秒)与慢衰落(持续时间可达一小时或更长)。n短波通信的主要缺点是传输最引人注意的是可靠性低、通信质量差。但值得注意的是进行远距离通信仅需要不大的发射功率和适中的设备费用，且具有抗毁性强的中继系统(指电离层)，因而它在军事通信和移动通信中有着重要的实用价值。443.4.2 地面微波n微波 指在对流层的视距范围内，以波长为1m1mm(或频率为300MHz300GHz)的电磁波进行信息传输的一种通信方式。453.4.2 地面微波(续1)微波通信的优缺点n优点：频带宽、容量大。受外界干扰小，可靠性和稳定性好。通信效果较好。具有较
22、大的灵活性。投资省、见效快。n缺点：中继站选点较复杂，对施工、维护带来不便。易受自然环境的影响。属于暴露式通信，易被截获窃听，通信保密性差。463.4.2 地面微波(续2)n地面微波传输采用多路复用的工作方式，且工作于射频的微波频段(常用140GHz)。因受地形和天线高度的限制，两通信站之间的距离一般在4060km。远距离通信则采用中继方式。因此，多路复用、射频工作和中继接力是地面微波传输的三个最基本的工作特点。n视距传播的两个中继站天线之间的最大距离d(km)(3-16)调整系数，经验值为3/4473.4.2 地面微波(续3)电波在自由空间中的传播n自由空间是指具有理想均匀介质的空间，其相对
23、介电常数 。电波在这种空间中传播，不会产生阻挡、反射、折射、吸收及散射等现象。n电波在自由空间的传播损耗为(3-20)483.4.2 地面微波(续4)地形对电波传播的影响n地形对微波传播带来的影响主要表现在电波的反射、绕射和地面散射等方面。障碍物对电波传播的影响 根据电磁波波动性理论的惠更斯原理，利用菲涅尔区的概念可以解释电波的反射、绕射等现象。在自由空间里，收信点接收的能量是各菲涅尔区能量相互干涉的结果。在实际的微波线路中，存在障碍物阻挡电波传播，而造成阻挡损耗V(dB)。此时，实际的接收电平应是自由空间条件下的接收电平减去阻挡损耗。493.4.2 地面微波(续5)平坦地形对电波的反射 处于
24、平坦地形的两通信点，此时收信点收到的是直射波和满足反射条件的地面反射波。用几何方法可求得此合成场强的有效值为 (3-26)当考虑平坦地形对电波的反射影响时，实际接收电平应是自由空间条件下求得的接收电平减去反射损耗V(dB)。503.4.2 地面微波(续6)对流层大气折射对电波传播的影响n对流层是指地面以上大约10km范围内的低空大气层。对流层对电波传播的影响，主要表现在气体分子对电波的共振吸收、雨雾中水滴对电波的散射损耗，以及对流层结构的不均匀性使电波产生折射、反射、散射等现象，其中尤以大气折射的影响最为显著。n考虑到大气折射使电波传播轨迹产生弯曲，其结果造成折射衰减V(dB)。因此，实际接收
25、电平应是自由空间条件下求得的接收电平减去折射损耗V(dB)。513.4.2 地面微波(续7)不同大气折射的电波传播轨迹 523.4.2 地面微波(续8)地面微波在对流层传播中的衰落 地面微波在对流层传播，因受到对流、平流、湍流及雨、雾、雪等因素的影响，再加上少量的地面反射波，会使收信点的场强产生随机性的起伏变化(衰落)。引起衰落的原因是多方面的，但其主要原因还在于气象条件的变化和地面效应的影响。地面微波在对流层中的衰耗包括：吸收衰耗。基于任何物质的分子都是由具有固有谐振频率的带电粒子所组成(图3-18)。533.4.2 地面微波(续9)雨雾引起的散射衰耗。雨雾中的水滴表面对电波的散射会引起散射
26、衰耗。这种衰耗随波长的缩短，雨雾量的增大而增加(图3-19)K型衰落。这是一种多径传播引起的干涉型衰落。其衰落深度随时间而变化。K型衰落除地面效应外，大气中有时会出现大气折射率的突变层，从而使电波产生反射或散射，造成电波的多径传播。还有地面上空的温度受昼夜、季节等影响也会周期性地构成大气逆变层，出现超折射现象，此时也极易发生电波的多径传播。543.4.2 地面微波(续10)湍流引起的散射衰落。对流层中往往有一些具有不同温度、湿度和压强的空气团(低空气团的大小一般在60m以下)作无规则地漩涡运动，这就是大气湍流。当电波穿过这些气团时，因使其中的水分子受到激励引起电波向四周散射，形成了散射衰落。这
27、种衰落持续时间较短，一般不会中断通信。n为了对付上述衰落现象对微波通信带来的影响，除了提高发射功率、增加天线高度及选择有利地形等措施外，采用分集接收技术和抗衰落天线也是克服多径衰落的最有效的方法。553.4.3 卫星微波n卫星通信是在地面微波中继通信和空间技术基础上发展起来的一种新的通信方式。因采用微波波段，俗称卫星微波。目前卫星微波在多种通信领域得到了广泛的应用。n卫星通信的特点是：覆盖区域大、通信距离远。具有多址联接能力。频带宽、容量大。通信机动灵活。通信稳定可靠。建站费用与距离无关。n卫星通信的工作频段应选择在电波能穿越电离层的特高频或微波频段，它的最佳频段范围为1GHz10GHz。目前
28、常用的是C、Ku 和Ka 频段。563.4.3 卫星微波(续1)地球同步卫星的配置 573.4.3 卫星微波(续2)卫星微波的传播特点 传播时延长，从一个地球站经卫星到另一个地球站的电波传播传播时间约需240280ms(一般取270ms)。传播损耗大，达200dB左右。受大气层的影响大。“面覆盖”式的传播信道。583.4.3 卫星微波(续3)VSATn卫星通信领域的新发展是建立一种低成本的具有高度软件控制功能的微型站VSAT。它有两个特点：地球站通信设备结构紧凑牢固，全固态化，尺寸小、功耗低，安装方便；组网方式灵活多样。已被广泛应用于多种领域以及边远地区的通信。593.4.4 光波传输n紫外线
29、、可见光和红外线都属于光波的范畴。光波的波长在310260104 m，频率在3101251016Hz，其电磁频谱的分布情况见图3-23。n光波通信目前有以下三种分类：按照光源特性的不同，分为激光通信和非激光通信。按照传输媒体的不同，分为大气激光通信和光纤通信。按照传输波段的不同，光波通信分为可见光通信、红外线(光)通信和紫外线(光)通信。603.4.2 光波传输(续1)n大气激光通信可传输语音、文字、数据、图像等信息。它具有抗干扰性好、设备轻便、保密性强、机动性等优点，但使用时收、发天线相互对准较为困难，通信距离限于视距范围，易受气候影响，尤其在恶劣气候条件下会造成通信中断。不同波长的激光在大气中有不同的衰减，必须合理地选择工作波长。n红外线和紫外线被广泛用于短距离通信。它具有方向性、便宜和易于制造的优点。但不能穿透固体物质是红外应用上的一个特点。红外和紫外幅射都存在工作窗口，只有选择此窗口波段才能使大气吸收最小。61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62谢谢大家Any Question?63