1、数据通信原理 软件学院 2006,第二讲 信道,信道的概念； 了解传输介质的分类； 熟悉双绞线的概念及相关标准； 了解同轴电缆； 掌握光纤的工作原理； 了解无线传输介质； 熟悉影响信道传输性能的因素； 掌握信息的度量单位； 掌握信道容量的计算方法。,数据通信原理 软件学院 2006,信道的概念,信道是信息传输的通道。 信号必须依靠传输介质进行传输，故狭义上说，传输介质即为信道。 广义上，把包含传输设备在内的整个信号传输的通道称为广义上的信道。,数据通信原理 软件学院 2006,传输介质的分类,可以传播电磁波的物质，主要分为有线介质和无线介质两类。 有线介质又称导向介质，主要有双绞线、同轴电缆、
2、光纤等。 无线介质为可以传播电磁波的自由空间。,数据通信原理 软件学院 2006,双绞线,双绞线一般由两根22-26号绝缘铜导线相互缠绕而成，把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可以降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。,数据通信原理 软件学院 2006,双绞线的连接,RJ-45水晶头,RJ-45接口,数据通信原理 软件学院 2006,双绞线的扭绞程度,双绞线缆是由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的。 典型的双绞线有四对的，也有更多对双绞线放在一个电缆套管里的，称之为双绞线电缆。 在双绞线电缆（也称双扭线电缆）内，不同线对具有不同的扭绞长度，一
3、般地说，扭绞长度在38.1cm至14cm内，按逆时针方向扭绞。相邻线对的扭绞长度在12.7cm以上，一般扭线的越密其抗干扰能力就越强。,数据通信原理 软件学院 2006,屏蔽和无屏蔽双绞线,铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯 套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,数据通信原理 软件学院 2006,双绞线的分类,一类线：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不同于数据传输。 二类线：传输频率为1MHZ，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4MBPS规范令牌传递协议的旧的令牌网。 三类线：指目前在EIA/TIA568
4、标准中指定的电缆，该电缆的传输频率16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输主要用于10BASE-T。 四类线：传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输主要用于基于令牌的局域网和 10BASE-T/100BASE-T。 五类线：传输频率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。 超五类线：利用4对线进行传输，可以用于千兆位以太网。 六类线：传输频率为1MHz250MHz，用于传输速率高于1Gbps的应用。,数据通信原理 软件学院 2006,双绞线的制作,数据通信原理
5、软件学院 2006,双绞线的制作,数据通信原理 软件学院 2006,非屏蔽双绞线,优点： 尺寸小、重量轻、容易弯曲 价格便宜 容易安装和维护 RJ-45连接器牢固、可靠 缺点： 抗干扰能力较弱 传输距离比较短 UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线,数据通信原理 软件学院 2006,屏蔽双绞线,优点： 传输质量较高 电缆尺寸和重量与UTP相当 缺点： 安装不合适有可能引入外界干扰,数据通信原理 软件学院 2006,同轴电缆,10base5 粗同轴电缆,10base2 细同轴电缆,数据通信原理 软件学院 2006,同轴电缆和计算机连接,数据通信原理 软件学院 2006,同轴电缆的特点,优点 传输距
6、离较远，覆盖的地域范围较大 技术非常成熟 缺点 电缆硬，折曲困难，重量重 局域网常用同轴电缆 粗同轴电缆：特征阻抗50 ，直径1cm 细同轴电缆：特征阻抗50，直径0.5cm 同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线,数据通信原理 软件学院 2006,光纤,光纤是一种能引导光束的细（2-125um）且柔软的介质，由纤芯、包层、护套等组成。,包层,纤芯,折射角,入射角,包层 （低折射率的媒体）,纤芯 （高折射率的媒体）,包层 （低折射率的媒体）,数据通信原理 软件学院 2006,多模光纤与单模光纤,多模光纤,数据通信原理 软件学院 2006,单模光纤与多模光纤的比较,数据通信原理 软件学院 2006
7、,光缆的特点,优点： 传输速率高 传输距离远 传输损耗低 抗干扰能力强 缺点： 价格相对较高 安装比较困难 光缆适合于楼宇内部的结构化布线,数据通信原理 软件学院 2006,光纤通信系统的基本组成,光源：光波产生源。 光纤：传输光波的导体。 光发送机：产生光束,将电信号转变成光信号,再将光信号导入光纤。 光接收机：接收从光纤上传输的光信号,并将它转变成电信号,经解码后再作相应处理。,数据通信原理 软件学院 2006,光源,常用光源主要有：发光二极管和半导体激光器,数据通信原理 软件学院 2006,影响导向介质传输性能的主要因素,衰减：电磁信号沿任何介质传输时总会有削弱，距离越大，削弱越严重，这
8、称为衰减，频率越高，信号衰减越严重； 延迟：信号的不同频率成分在电缆中传输速度不同，造成信号的损伤称为延迟失真； 噪声。,数据通信原理 软件学院 2006,无线传输,无线传输所使用的频段很广。,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,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 10
9、18 1020 1022 1024,移动 无线电,数据通信原理 软件学院 2006,重点关注频段,240GHZ ，微波，点到点应用 300MHZ1GHZ，无线电，全向应用 3101131014HZ，红外区，本地点到点应用 微波炉2450MHz,数据通信原理 软件学院 2006,移动通信频率,GSM使用900MHz1800MHz 3G使用1920MHz2170MHz 中国电信cdma2000频率19201935MHz(上行)/21102125MHz(下行)，共15MHz2； 中国联通WCDMA频率19401955MHz(上行)/21302145MHz(下行)，共15MHz2； 中国移动TD-SC
10、DMA频率18001900MHz以及21102025MHz GSM系统包括 GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及 GSM1900MHz等几个频段 。移动公司GSM网络使用的频率资源为：EGSM885-890，930-935是5M，PGSM890-909，935-954是19M，共24M 联通GSM900频段为909-915，954-960，共6M WIFI 2.4GHZ，5GHZ,数据通信原理 软件学院 2006,地面微波接力,数据通信原理 软件学院 2006,地面微波接力的特点,优点： 通信信道的容量很大。 微波通信受外界干扰影响比较小，传输质量较高。 投资少、见
11、效快。 缺点： 相邻站之间必须直视，不能有障碍物。 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。 与电缆通信系统相比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。 对大量中继站的使用和维护，要耗费一定的人力和物 力。,数据通信原理 软件学院 2006,卫星通信,卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。,数据通信原理 软件学院 2006,影响非导向介质传输性能的主要因素,自由空间损耗：随着距离增大，信号逐渐扩散开来，因此，接收到的信号能量减小； 大气吸收：例如，水蒸气主要吸收22GHZ附近信号频率，雨、雾引起电磁波散射，产生衰减； 多径效应：信号从发点到收点经多条反射路径造成干扰； 折射：无线电
12、波在大气层中传播产生折射，影响接收； 噪声。,数据通信原理 软件学院 2006,信息的度量,在信息的传输过程中，信息是以各种具体的信号的形式体现。 能衡量信息多少的物理量叫信息量。 在通信领域，信息量指将信息用符号表示后符号的数量，在计算机中，信息用二进制表示，单位是比特。,数据通信原理 软件学院 2006,码元,码元是信号的单位。 每个码元所携带的信息量依通信系统的不同而各异。 每码元携带的信息量 Ilog2N（N，不同信号的数目）单位是比特。,数据通信原理 软件学院 2006,波特率,波特率，是用码元传输速率RB，单位是波特，记为B，或Baud。 信息的传输速率RbI RB。 波特（Bau
13、d）和比特（bit）是两个不同的概念。 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。 比特是信息量的单位。,数据通信原理 软件学院 2006,比特率与波特率的关系,比特率是信息的传输速率，又称为传信速率，单位为“比特/秒”，波特率是码元的传输速率，单位为“波特”。 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。 若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。,数据通信原理 软件学院 2006,举例,设信号码元时间长度为83310-6秒，当采用
14、4电平传输时，求数据传信速率和调制速率。 解：调制速率1/（83310-6 ） 1200Baud 数据传信速率1200 log24 2400bps,数据通信原理 软件学院 2006,奈氏（Nyquist）准则,即使信道比较理想，码元的传输也不是不受限制的。 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz),数据通信原理 软件学院 2006,奈氏（Nyquist）准则,理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz) 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。 每赫带宽的理想带通信道的
15、最高码元传输速率是每秒 1 个码元。,数据通信原理 软件学院 2006,香农公式,1948年香农Shannon用信息论的理论推导出了带宽受限且具有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率，当用此速率进行传输时，可以做到不产生差错。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) bps W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。,数据通信原理 软件学院 2006,香农公式的含义,信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实
16、现无差错的传输。 虽然带宽与最大传输速率成正比，但当带宽W时，速率C也不会趋于。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。,数据通信原理 软件学院 2006,注意,由于码元的传输速率受奈氏准则制约，故要提高信息的传输速率，就必须设法使每个码元携带更多的信息量； 有香农公式可知，带宽与信噪比确定的信道，无论采取何种先进的编码技术，信息的传输速率也不能超过极限值。,数据通信原理 软件学院 2006,通信系统的性能评价,评价通信系统性能最主要的指标是可靠性和有效性。 有效性，即信息传播的速度。在给定的信道内，希望单位时间能传输更多的消息。 可靠性，即传输质量。指给定信道内接收消
17、息的准确程度。,数据通信原理 软件学院 2006,有效性的衡量,在模拟系统中： 同时路数总带宽/每路信号的有效带宽 在数字系统中： 频带利用率 Rb / W,数据通信原理 软件学院 2006,可靠性的衡量,模拟系统中： 信噪比10log10S/N 数字系统中： 误码率接收错误码元数/总码元数,数据通信原理 软件学院 2006,举例,某数据通信系统调制速率为1200 Baud，采用8电平传输，假设100秒误了1个比特，求误码率。设系统的带宽为600Hz，求频带利用率为多少bit/s.Hz？ 解：数据传信速率1200 log283600bps 误码率1比特/（100秒3600比特/秒）2.810-6 频带利用率3600bps/600Hz=6bit/s.Hz,
