1、計算機網絡與通信計算機網絡與通信 第二章第二章 物理層與數據物理層與數據 通信根底通信根底 驅動問題驅動問題 l數據通信的根底知識數據通信的根底知識 l1、數據通信的相關概念、數據通信的相關概念 l2、幾個公式、幾個公式 l傳輸媒體傳輸媒體 l1、有哪些傳輸媒體？、有哪些傳輸媒體？ l2、各自有什么特點？、各自有什么特點？ 2.1 數據通信的根底知識數據通信的根底知識 l通信系統模型通信系統模型 l帶寬與傅里葉分析帶寬與傅里葉分析 l信道的最大數據速率信道的最大數據速率 1 通信系統模型通信系統模型 l通信是通過某種媒體進行的信息傳遞。通信是通過某種媒體進行的信息傳遞。 l【古代，人們通過驛站

2、、飛鴿傳書、【古代，人們通過驛站、飛鴿傳書、 烽火報警等方式進行信息傳遞。今天，烽火報警等方式進行信息傳遞。今天， 隨著科學水平的飛速開展，相繼出現隨著科學水平的飛速開展，相繼出現 了無線電，固話，了無線電，固話， ，互聯網甚至可，互聯網甚至可 視視 等各種通信方式。】等各種通信方式。】 通信系統的模型通信系統的模型信源信源是發出信息的源，是發出信息的源， 其作用是把各種可能其作用是把各種可能 消息轉換成原始電信消息轉換成原始電信 號。信源可分為模擬號。信源可分為模擬 信源和數字信源。模信源和數字信源。模 擬信源輸出連續幅度擬信源輸出連續幅度 的模擬信號的模擬信號; ;數字信數字信 源輸出離散

3、的數字信源輸出離散的數字信 號。號。 因語聲、圖像等原始的因語聲、圖像等原始的 消息不能以電磁波來傳消息不能以電磁波來傳 送，所以需要通過變換送，所以需要通過變換 器將原始的非電消息變器將原始的非電消息變 換成電信號，并再對這換成電信號，并再對這 種電信號進一步轉換，種電信號進一步轉換， 使其變換成適合某種具使其變換成適合某種具 體信道傳輸的電信號。體信道傳輸的電信號。 這種電信號同樣載有原這種電信號同樣載有原 有的信息。例如有的信息。例如 機的機的 送話器，就是將語聲變送話器，就是將語聲變 換成幅度連續變化的換成幅度連續變化的 信號，再進一步轉換后信號，再進一步轉換后 送到信道上去。送到信道

4、上去。 信道是指傳輸信號的 通道，可以是有線的， 也可以是無線的，有 線和無線均有多種傳 輸媒質。信道既給信 號以通路，也對信號 產生各種干擾和噪聲。 傳輸媒質的固有特性 和干擾直接關系到通 信的質量。 反變換器的根本功能反變換器的根本功能 是完成變換器的反變是完成變換器的反變 換，即進行解調、譯換，即進行解調、譯 碼、解碼等等。它的碼、解碼等等。它的 任務是從帶有干擾的任務是從帶有干擾的 接收信號中正確恢復接收信號中正確恢復 出相應的原始信號來。出相應的原始信號來。 對于多路復用信號，對于多路復用信號， 接收設備還具有解除接收設備還具有解除 多路復用和實現正確多路復用和實現正確 分路的功能分

5、路的功能 信宿信宿是傳輸信息的歸是傳輸信息的歸 宿，其作用是將復原宿，其作用是將復原 的原始信號轉換成相的原始信號轉換成相 應的消息。應的消息。 噪聲源是信道中的噪噪聲源是信道中的噪 聲以及分散在通信系聲以及分散在通信系 統其他各處的噪聲的統其他各處的噪聲的 集中表示。集中表示。會影響原會影響原 有信號的狀態，造成有信號的狀態，造成 傳輸信號變形，甚至傳輸信號變形，甚至 導致誤碼。導致誤碼。 l單工單工(Simplex) 通信通信 l一端只發送，而另一端只接收一端只發送，而另一端只接收 l雙工雙工(Duplex) 通信通信 l此時信源與信宿合為一體，變換器與反變此時信源與信宿合為一體，變換器與

6、反變 換器也合為一體換器也合為一體 l全雙工全雙工(Full Duplex) l半雙工半雙工(Half Duplex) l模擬信號模擬信號 l例如例如 線信道上傳送的按照話音強弱幅線信道上傳送的按照話音強弱幅 度連續變化的電波就是一種連續變化的電度連續變化的電波就是一種連續變化的電 信號信號 l數字信號數字信號 l計算機產生的電信號那么是電脈沖序列串，計算機產生的電信號那么是電脈沖序列串， 每一瞬間的電壓取值只可能是離散的有限每一瞬間的電壓取值只可能是離散的有限 個，比方說是個，比方說是+3v或或0v兩種不同的值兩種不同的值 l按照信道中傳輸的信號分類：按照信道中傳輸的信號分類： l模擬信道模

7、擬信道 l數字信道數字信道 l數據通信：發送方將要發送的數據轉數據通信：發送方將要發送的數據轉 換成信號通過物理信道傳送到數據接換成信號通過物理信道傳送到數據接 收方的過程。一般指數字計算機或其收方的過程。一般指數字計算機或其 他數字終端裝置間的通信。他數字終端裝置間的通信。 l數據通信系統由信源、信宿和信道三數據通信系統由信源、信宿和信道三 局部組成。局部組成。 l信源和信宿都是計算機或其它數字終信源和信宿都是計算機或其它數字終 端裝置端裝置 lDTE數據終端設備數據終端設備 lDTE產生的是數字信號，接收的也是數字信號產生的是數字信號，接收的也是數字信號 。 lDCE數據線路端接設備數據線

8、路端接設備 lDCE為為DTE提供了入網的連接點，通常被認為提供了入網的連接點，通常被認為 是通信子網中的設備。是通信子網中的設備。 l數據通信可以通過數字信道來實現，也可數據通信可以通過數字信道來實現，也可 以通過模擬信道來實現。以通過模擬信道來實現。 l調制調制 l解調解調 2 帶寬與傅里葉分析帶寬與傅里葉分析 l假設將數字信號不經調制直接放到模擬假設將數字信號不經調制直接放到模擬 信道上進行傳輸，會引起信號的失真信道上進行傳輸，會引起信號的失真 l任何實際的模擬信道所能傳輸的信號的任何實際的模擬信道所能傳輸的信號的 頻率都有一定的范圍，稱之為該信道通頻率都有一定的范圍，稱之為該信道通 頻

9、帶的寬度或稱為帶寬頻帶的寬度或稱為帶寬bandwidth l信道的帶寬是由傳輸媒體和有關的附加信道的帶寬是由傳輸媒體和有關的附加 設備與電路的頻率特性綜合決定的設備與電路的頻率特性綜合決定的 l一個低通信道，假設對于從一個低通信道，假設對于從0到某個截止頻到某個截止頻 率率fc的信號通過時振幅不會衰減或衰減很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小，而超過此截止頻率的信號通過時就會 大大衰減，那么此信道的帶寬為大大衰減，那么此信道的帶寬為fc Hz。 l一個具有有限持續時間的數字信號，可以一個具有有限持續時間的數字信號，可以 看作為一個以此有限持續時間看作為一個

10、以此有限持續時間T為周期的周為周期的周 期階梯函數期階梯函數 f(t)。此函數可展開成傅里葉。此函數可展開成傅里葉 Fourier級數。級數。 )2cos()2sin( 2 1 )( 1 nftbnftactf n n n 這里，f = 1/T, 是基波頻率。 0 )( 2 dttf T C 是直流分量。 T n dtnfttf T a 0 )2sin()( 2 T n dtnfttf T b 0 )2cos()( 2 分別是n次諧波的正弦和余弦振幅值。 諧波次數越高，那么其頻率也越高。 圖2.3 信道帶寬和數字信號失真的關系 l圖圖a左邊是八位二進制數位編碼左邊是八位二進制數位編碼 0110

11、0010的數字信號波形，圖的數字信號波形，圖a右邊右邊 是該波形函數按傅里葉級數展開后各次諧是該波形函數按傅里葉級數展開后各次諧 波的均方根振幅。波的均方根振幅。 l由圖可見，信道的帶寬越寬，那么它傳輸由圖可見，信道的帶寬越寬，那么它傳輸 數字信號時失真越小。反之，假設信道的數字信號時失真越小。反之，假設信道的 帶寬是固定的，那么用它來直接傳輸數字帶寬是固定的，那么用它來直接傳輸數字 信號的數據速率越高那么失真越大信號的數據速率越高那么失真越大 。 l假假設信道的帶寬為假假設信道的帶寬為3 k Hz3 k Hz，用它來直接傳，用它來直接傳 輸數據速率為輸數據速率為9600 b/s9600 b/

12、s的數字信號時，發送的數字信號時，發送8 8 比特的數據所需的時間為，即。其基波頻率比特的數據所需的時間為，即。其基波頻率f f = 1/T = 1200 Hz= 1/T = 1200 Hz，即，即1.2 k Hz1.2 k Hz。3 k Hz3 k Hz帶寬帶寬 的信道僅能通過的信道僅能通過2 2次諧波，如圖中次諧波，如圖中c c所示，所示， 有較大的失真。有較大的失真。 l但是假設用來直接傳輸數據速率為但是假設用來直接傳輸數據速率為2400 b/s2400 b/s 的數字信號，此時的數字信號，此時T = 3.33 ms, f = 300 HzT = 3.33 ms, f = 300 Hz。

13、 3 k Hz3 k Hz帶寬的信道就能通過帶寬的信道就能通過1010次諧波，比圖次諧波，比圖 e e所示的情況還要好，即失真較小。所示的情況還要好，即失真較小。 3 信道的最大數據速率信道的最大數據速率 l奈奎斯特公式奈奎斯特公式 l奈奎斯特公式給出奈奎斯特公式給出 了無熱噪聲熱噪了無熱噪聲熱噪 聲是指由于信道中聲是指由于信道中 分子熱運動引起的分子熱運動引起的 噪聲，這里假定沒噪聲，這里假定沒 有熱噪聲時信道有熱噪聲時信道 帶寬對最大數據速帶寬對最大數據速 率的限制，具體為率的限制，具體為 )/(log2 2 sbLHC H是信道的帶寬以是信道的帶寬以Hz 為單位，而為單位，而L表示任表示

14、任 何給定時刻數字信號可何給定時刻數字信號可 能取的離散值的個數。能取的離散值的個數。 C那么是該信道最大的那么是該信道最大的 數據速率。數據速率。 l例如，假設某信道帶寬為例如，假設某信道帶寬為4 k Hz，任何時刻，任何時刻 數字信號可取數字信號可取0、1、2和和3四種電平之一即四種電平之一即 L4，那么最大數據速率為，那么最大數據速率為 )/(164log42 2 sbkkC l香農公式香農公式 l進一步研究了受噪聲服從高斯分布干進一步研究了受噪聲服從高斯分布干 擾的信道的情況擾的信道的情況 )(1 (log 2 bps N S HC S表示信號功率，N為噪聲功率，S / N那么為信噪

15、比。由于實際使用的信道，信噪比都要足夠大， 常用10log10S/N即 分貝Decibel，記為dB 為單位。【dB= 10log10S/N 】 l例如，信噪比為例如，信噪比為30 dB、帶寬為、帶寬為4000 Hz的信的信 道最大的數據速率為道最大的數據速率為 )/(400001001log4000)101 (log4000 2 10 30 2 sbC 練習練習 l2.6 對于帶寬為對于帶寬為4k Hz的信道，假設有的信道，假設有 8種不同的物理狀態來表示數據，信噪種不同的物理狀態來表示數據，信噪 比為比為30 dB。問。問:按奈奎斯特定理，最按奈奎斯特定理，最 大限制的數據速率是多少？按香

16、農定大限制的數據速率是多少？按香農定 理最大限制的數據速率是多少？理最大限制的數據速率是多少？ l碼元速率 l指的是每秒信號狀態變化的次數，以波特 (Baud作為單位。碼元速率B和數據速率 C在數值上是不一定相等的，有如下關系： LBC 2 log l例如，假設例如，假設B = 600波特，波特，L 4，那么，那么 數據速率為數據速率為C 1200 b/s。 l由于在許多場合下，通常信號只能取兩種由于在許多場合下，通常信號只能取兩種 不同的狀態即不同的狀態即L2，此時碼元速率，此時碼元速率B 和數據速率和數據速率C數值就相等了。在這種情況數值就相等了。在這種情況 下，波特和比特下，波特和比特/

17、秒這兩個單位也就可以秒這兩個單位也就可以 混用了。碼元速率有時又稱為調制速率混用了。碼元速率有時又稱為調制速率 . 2.2 物理傳輸媒體物理傳輸媒體 l物理傳輸媒體物理傳輸媒體 l指的是通信中實際傳送信息的物理載體，也叫指的是通信中實際傳送信息的物理載體，也叫 介質。介質。 l物理傳輸媒體可分為物理傳輸媒體可分為 l導向導向(guided)；有線；有線 l非導向非導向(unguided) ；無線；無線 l本節介紹：本節介紹： l雙絞線雙絞線 同軸電纜同軸電纜 光纖光纖 無線傳輸媒體無線傳輸媒體* 衛星通衛星通 信信 1 雙絞線雙絞線 l雙絞線雙絞線(twisted pair)特點：特點： l最

18、經常使用的物理媒體最經常使用的物理媒體 l相對于其它有線物理媒體同軸電纜相對于其它有線物理媒體同軸電纜 和光纖來說，價格廉價也易于安裝和光纖來說，價格廉價也易于安裝 與使用與使用 l其性能一般也較差其性能一般也較差 指它的傳輸距離、指它的傳輸距離、 抗干擾性能和帶寬或數據速率而言抗干擾性能和帶寬或數據速率而言 l雙絞線分類：雙絞線分類： l非屏蔽非屏蔽UTPUnshielded Twisted Pair l普通普通 線線 lUTP易受外部的干擾，包括來自環境易受外部的干擾，包括來自環境 噪聲和附近其它雙絞線的干擾。噪聲和附近其它雙絞線的干擾。 l屏蔽屏蔽 STPShielded Twisted

19、 Pair l抗干擾性能更好，但比抗干擾性能更好，但比UTP昂貴，而昂貴，而 且要保證全程屏蔽并且金屬包層良好且要保證全程屏蔽并且金屬包層良好 地接地，安裝也困難地接地，安裝也困難 l雙絞線實際上是分類雙絞線實際上是分類(category) 的。類越高那么性能也越的。類越高那么性能也越 好，也就是說在一定距離內可傳輸更高數據速率的信號，好，也就是說在一定距離內可傳輸更高數據速率的信號， 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：途： lCategory 3：支持數據速率可達：支持數據速率可達10Mbps，常用于傳輸話，常用于傳輸話

20、 音和普通以太網音和普通以太網Ethernet lCategory 5 (100 MHz)：支持數據速率可達：支持數據速率可達100Mbps， 常用于快速以太網常用于快速以太網(Fast Ethernet) lCategory 5e(350 MHz)：數據速率可達：數據速率可達1000Mbps ，常，常 用于千兆以太網用于千兆以太網(Gigabit Ethernet) l上面的上面的Category 5e就是通常說的超就是通常說的超5類線，所有支持的類線，所有支持的 數據速率都是指在一定的距離內，如不超過數據速率都是指在一定的距離內，如不超過80米。現在已米。現在已 有更高性能的有更高性能的6

21、類非屏蔽雙絞線類非屏蔽雙絞線(UTP6) ，可用來支持千兆，可用來支持千兆 以太網以太網 l雙絞線的連接器也雙絞線的連接器也 已標準化，最常用已標準化，最常用 的是的是RJ Registered Jack 11(3 pairs)和和 RJ45(4 pairs)， 2 同軸電纜同軸電纜 l同軸電纜同軸電纜coaxial cable也像雙絞線也像雙絞線 那樣由一對導體組成，那樣由一對導體組成， 但它們是按但它們是按“同軸同軸 的形式構成線對的形式構成線對 l分類：分類： l基帶基帶baseband 同軸電纜阻抗同軸電纜阻抗50 l寬帶寬帶broadband 同軸電纜阻抗為同軸電纜阻抗為 75 l同

22、軸電纜與雙絞線比較，價格貴，但同軸電纜與雙絞線比較，價格貴，但 帶寬、數據速率高、傳輸距離長和抗帶寬、數據速率高、傳輸距離長和抗 干擾能力強干擾能力強 l連接器連接器 3 光纖光纖 l光纖是一根很細的可傳導光線的纖維媒體，光纖是一根很細的可傳導光線的纖維媒體， 其半徑僅幾微米至一、二百微米。其半徑僅幾微米至一、二百微米。 l用超純硅制成的光纖損耗最小，但制作工用超純硅制成的光纖損耗最小，但制作工 藝很難藝很難 l合成玻璃制成的光纖雖然損耗相對較大，合成玻璃制成的光纖雖然損耗相對較大， 但更為經濟，性能也不錯但更為經濟，性能也不錯 l塑料光纖更廉價，可用于短距離、較大損塑料光纖更廉價，可用于短距離、較大損 耗也可接受的場合耗也可接受的場合 l每根光纖都有自己的包層，而后一根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成光纜或多根光纖再由外皮包裹構成光纜 2.12 光纖傳送電信號的過程 l光纖相對于如雙絞線和同軸電纜等這類金屬傳導光纖相對于如雙絞線和同軸電纜等這類金屬傳導 媒體的優點媒體的優點 ： l輕便輕便 l低衰減和大容量低衰減和大容量 l電磁隔離電磁隔離 l光纖本身化學性質穩定光纖本身化學性質穩定