1、3.3 传输介质,无线介质（信号在大气或外层空间自由传播） 使用电磁波或光波携带信息 优缺点： 无需物理连接 适用于长距离或不便布线的场合 易受干扰 反射，为障碍物所阻隔 主要类型： 无线电、地面微波 通信卫星 红外线,无线电的频谱范围是1KHz到1GHz，含短波波段(SF)，超高频波段(VHF)及甚高频波段(UHF)，分别属于管制频段及非管制频段。 单频通信（Single Frequency） 载波频率单一，可用频率范围为整个无线电频率 传输速率低，一般在1-10M之间 传输距离近，通常在25m之内，提高发射功率 扩频通信（Spread Spectrum） 信号调制在很宽的频率范围上，使得信
2、号幅值可以很小，甚至小于噪音。易于加密，通常采用跳频技术，需要专门的设备来接收并恢复。 可用频段为（不受管制）：902MHz - 928MHz，2.4GHz - 2.4835GHz, 5.725GHz - 5.825GHz,无线电频率传输(Radio wave),微波系统通过抛物面天线来接受并发送信息，通过信号的折射聚集的方法来提高发射与接收功率，传输距离为数十公里。 地面微波系统 采用点对点式的连接方法 频率范围是4 - 6GHz或21 -23GHz 星载微波系统 覆盖面积大，同步卫星可覆盖1/3地球表面，三颗卫星可覆盖整个地球 星载转发器可以视为集线器以构成星型网络结构 频率范围是11 -
3、 14GHz 通常有时分多址访问(TDMA)与预约带宽(BOD)两种通讯方式前者是共享带宽，通常在256Kbps，后者是独占带宽，可在2Mbps。,微波系统(Microwave),以红外二极管或红外激光管作为发射源，以光电二极管(Photodiode)作为接收设备，但介质是空气而不是光纤。其工作于红外波段，不受频率限制。受白光的影响，黑暗中误码率低。 点到点方式 通过透镜聚焦的红外光线有很强的方向性，但可以通过折射接收。 带宽高，一般为16Mbps，距离远，数十米至数百米。 广播方式 红外线不通过聚焦而直接散射，没有方向性，在有效范围内均能接收到。 带宽低，通常为1Mbps，距离近，数米至数十
4、米。,红外传输(Infrared Light),3.3 传输介质,微波通信 通过地面站之间接力传送 接力站之间距离：50 100 km 速率：每信道 45 Mb/s,地球,地面站之间的直视线路,微波传送塔,3.3 传输介质,地球同步卫星 与地面站相对固定位置 使用三颗卫星即可覆盖全球 传输延迟时间长（270ms） 广播式传输 应用领域： 电视传输 长途电话 专用网络 广域网,35,784 km,地球,3.3 传输介质,激光传输 将激光束调制成光脉冲传输数据 特点： 激光的频率更高，可获得更高的带宽 激光束的方向性好，不受电磁干扰的影响，不怕偷听 受天气影响 只能在短距离通信中使用,3.3 传输
5、介质,红无线通信红外传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的广播通信系统 特点： 红外通信的设备相对便宜，可获得较高的带宽 传输距离有限，而且易受室内空气状态（例如有烟雾等）的影响,3.3 传输介质,短波通信 基站与终端之间通信采用无线链路 应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）,基站覆盖的无线电区域,基站,用户计算机和终端,3.3 传输介质,常用传输介质的比较,3.4 光纤通信,3.4 光纤通信,光纤（Optical Fiber，OF） 依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播 优缺点： 传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（100Gb/s） 传输损耗小，适合长距离传输 抗干扰
6、性能极好、误码率低、保密性好 轻便 价格较高 需要光电转换 纤芯材料： 塑料 二氧化硅（高纯玻璃）,3.4 光纤通信,光纤传输原理光的反射 光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。 纤芯折射率高，玻璃包层折射率低 亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0 光传输系统：光源、介质、光检测 光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管 光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管APD 单向传输，双向需两根光纤 应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接,3.4 光纤通信,多模光纤(MMF)单模光纤(SM
7、F)：光纤的直径接近一个光波波长,3.4 光纤通信,典型的光缆,单芯光缆,多芯光缆,常见规格：纤芯50um缓变型-MMF62.5um缓变型/增强型-MMF8.3um突变型-SMF 包层125um,光纤线路,光纤信道的基本部件是光源、光调制器和光探测器。,光纤线路,光纤信道的组成,电端机,光调制器,光探测器,判决再生,放大,光中继器,光发射机,光接收机,光源,光源,光探测器,电端机,光 源,光源是光纤信道中的关键部件。光源必须有足够的亮度，并能有效地耦合到光纤中去。 光源分为两种：发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)。 前者的光源温度特性好、可靠性高、寿命高达百万小时以上、成本低，广泛用于
8、小容量光纤信道中。 后者的发散角度小(1830)，耦合到光纤中的效率远远高于LED，且射入光纤的功率也比前者大1015dB。,光源的特性,不同光源的光纤性能比较：,光调制器,光调制器是发送装置中的电光转换部件。它把输入的电信号转换为光信号后发射到光纤线路上。 它根据电信号的状态去改变光载波信号的某些特性参数，如光波的振幅、相位，以及偏振等等。,光探测器,光探测器是接收装置中的光电转换部件，它将输入的已调光波解调为电信号。 光探测器中的主要部件是光电二极管，由已调光波控制二极管的开与关，从而实现光电转换。,21,光中继器,在光纤信道中可设置光中继器来扩展传输距离。 光中继器分为两种： 直接中继器
9、是光放大器，它直接将光信号放大，以补偿 传输损耗； 间接中继器先将光信号解调为电信号，经放大、限幅和 再生后，再调制到光载波上。,第四章 信号调制与解调,4.1 基本概念 4.2 数字数据传输 4.3 数据调制与编码技术 4.4 调制解调器 4.5 异步传输与同步传输,4.1 基本概念,1数据（Data）数据是对客观事物的符号描述，可以有不同的形式，如数字、文字、图形、图像、视频、声音等都是数据。数据从形式上可以分为模拟数据和数字数据。 模拟数据：指在某个区间内连续取值的数据，例如，声音、温度和大气压强等都是随时间连续变化的量。 数字数据：指取值在其定义区间是离散的，例如自然数，英文字母、汉字
10、、电子表显示的时间等都是离散的数据。,2信息（Information）信息通常意义上被认为是有一定含义的、经过加工处理的、有价值的数据。数据经过处理仍然是数据，只有经过解释后才有意义，才成为信息。 3信号（Signal）信号是指通信中承载信息的电、磁编码，它是随时间变化的电压、电流或电磁场。相应于数据的分类，信号也可以分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的信号；数字信号是指离散变化的信号。 4信道（Channel）信道是信息从发送端到接收端所经过的传输介质。按通信的信号形式可将信道分为数字信道和模拟信道；按传输介质的类型分类可将信道分为有线信道和无线信道。,4.2 数字数据传输,4
11、.2.1 并行传输 4.2.2 串行传输,0 1 0 1 0 1 1 0,4.2.1 并行传输,在并行传输中，在两个通信设备之间传输数据时有n条通信信道，因此一次可发送一个由n个比特组成的位组。显然，这种传输方式的速度很快，但使用的线路较多，成本较高，因此一般只用于近距离的通信。,并行传输,4.2.2 串行传输,在串行传输中，两个通信设备之间只有一条通信信道，比特是一个一个依次发送的，因此，串行传输的速度只是并行传输的1/n，但成本较低，只有并行传输的1/n。,在一个设备内部的传输通常是并行的，而两个设备之间的通信又是串行的，因此，在发送端和线路之间以及接收端和线路之间的接口处，都需要有转换器
12、（前者为并/串转换，后者是串/并转换）。,串行传输,4.3 数据调制与编码技术,4.3.1 数字数据的数字信号编码 4.3.2 模拟数据的数字信号编码 4.3.3 数字数据的模拟信号调制 4.3.4 模拟数据的模拟信号调制,模拟传输和数字传输所使用的技术,编码与调制的区别 编码：用数字信号承载数字或模拟数据 调制：用模拟信号承载数字或模拟数据,Encoder,Decoder,数字或 模拟数据,数字信号,x(t),g(t),数字或 模拟数据,编码与解码,数字信道,发送方,接收方,g(t),编码,解码,调制与解调,4.3.1 数字数据的数字信号编码,4.3.1.1 单极性编码 4.3.1.2 极化
13、编码 4.3.1.3 双极性编码,4.3.1.1 单极性编码,单极性编码的名称就是指它的电压只有一极，即只使用一个电压值。通常将高电压表示二进制1，而零电压或线路空闲表示二进制0，如下图中的粗实线所示。,单极性编码存在致命的缺点，那就是直流分量和同步问题。,4.3.1.2 极化编码,在极化编码方案中，采用两个电压值，即一个正电压和一个负电压。通过使用两个电压，在大多数极化编码技术中线路上的平均电压值下降了，从而减轻了单极性编码中的直流分量问题。在曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码中，每比特均含有正电压和负电压，从而彻底解决了直流分量和同步问题。,1非归零编码 （1）非归零电压编码（NRZ-L）在N
14、RZ-L编码方案中，信号的电压由它所代表的比特位决定。如一个正电压值代表比特1，而一个负电压值则代表比特0，从而信号的电压就依赖于它所代表的比特，如下图所示。（2）非归零反相编码（NRZ-I）在NRZ-I编码方案中，信号电压的一次反转代表比特1，也就是说从正电压到负电压的一次跳跃或者负电压到正电压的一次跳跃代表比特1，比特0由没有电压变化的信号代表，如下图所示。,2归零编码在归零编码方案中，规定在每个比特的中段，信号都将归零，即比特1由正电压到零的跳变代表，而比特0则由负电压到零的跳变代表，如下图所示。,归零编码的主要缺陷在于每比特位都需要两次信号变化，从而增加了占用的带宽。但是相对于前面介绍
15、的几种编码方式而言，它是最有效的。,3双相位编码 目前对同步问题最好的解决方案就是双相位编码，在当今网络中使用的双相位编码有曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码两种。 （1）曼彻斯特编码（Manchester Encoding） 曼彻斯特编码采用一个负电压到正电压的跳变表示比特1；正电压到负电压的跳变表示比特0，每一个比特的中间均有跳变 （2）差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding） 差分曼彻斯特编码采用每位的起始处有、无跳变表示0和1，若有跳变则为0，若无跳变则为1，而每位的中间跳变只用作同步时钟信号。,4.3.1.3 双极性编码,在数据通信行业中得到广
16、泛应用的双极性编码方案有信号交替反转码（AMI）、8零替换编码（B8ZS）和高密度双极性3零编码（HDB3）。 1信号交替反转码（AMI）在AMI编码方案中，0值电压代表二进制0，二进制1由交替的正负电压代表，如下图所示。,2双极性8零替换编码（B8ZS）B8ZS与AMI不同的地方在于数据流中出现了连续8个以上的0比特时的处理方式。当出现连续8个0时，B8ZS根据前导的比特1（即在连续8个0之前的1）的电压值改变对应比特模式。如果前导比特1是正电压脉冲，则8个比特0被编码成“0，0，0，正，负，0，负，正”。如果前导1比特是负电压脉冲，则8个0比特被编码成“0，0，0，负，正，0，正，负”。,
17、3高密度双极性3零编码（HDB3）在HDB3中，当出现连续4个0时，这4个0将被含有一个或两个脉冲的序列代替，HDB3的替换规则如下表所示。,4.3.2 模拟数据的数字信号编码,模拟数据的数字信号编码是用数字信号来表示模拟数据。比如将人的声音用录音机录制下来并保存到磁盘上就是将模拟数据转换成数字信号的过程。,脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）是模拟数据的数字信号编码技术的重要基础，PCM编码包括采样、量化和编码三个过程，其中采样就是指每隔相等的时间间隔测量一次信号的振幅，从而将模拟信号转换为时间离散的样本序列；量化就是将采样的结果赋予一个特定范围内的整数值的方法；
18、编码则是用一定位数的脉冲码组表示量化后的采样值。PCM的采样原理是：在某时间间隔内，以有效信号的最高频率的两倍以上频率对该信号进行采样，利用这些采样样本就足可恢复原来的模拟信号。例如，带宽为4KHz的语音，其采样频率为每秒8K次，即每125微秒采样一次就足够了。如果采用8位二进制代码对每个量化值进行编码，则语音编码后的数据传输速率为： 8bit8000次采样/秒=64000b/s,4.3.3 数字数据的模拟信号调制,数字数据的模拟信号调制是用模拟信号来代表数字数据的编码技术，例如，通过一条公用电话线将数据从一台计算机传输到另一台计算机时，数据开始是数字的，但是由于电话线只能传输模拟信号，所以数
19、据必须进行转换。也就是数据必须被调制到一个模拟信号上，如下图所示。,有三种基本的方法可以将数字数据调制为模拟信号。 1幅移键控 在ASK中，通过改变同一个频率载波信号的振幅值来表示二进制的“0”或“1”，而振幅改变的同时频率和相位保持不变。有时也用振幅的存在与否表示这两个二进制值。,2频移键控 在FSK中，通过改变载波信号的频率来表示二进制0或1，而最大振幅与相位保持不变。3相移键控 在PSK中，通过改变载波信号的相位来代表二进制0或1，同时最大振幅和频率保持不变。,常用的调制技术采用四个相位，相位偏移值为/2的倍数，这种调制技术称为正交相移键控QPSK（Quadrature Phase-Sh
20、ift Keying），这时一个信号单元可代表2个比特，如下图所示。,标准的9600 b/s调制解调器使用了12个相位角度，其中4个相位具有两种振幅值。这样合成的结果是8个相位8个振幅=16种，这就是正交幅移健控QAM。下图分别显示了振幅和相位的两种合法组合，这些图形称为星座图（Constellation Diagram），其中（a）图为QPSK的星座图，图（b）是采用了12个不同相位的QAM即QAM-16的星座图。,比特率和波特率是数据传输中常用的两个术语。 比特率是每秒传输的比特数； 波特率是用来表示每秒传输的信号单元数，其中信号单元由一些比特组成；在上图3（b）中，使用V=16种不同的振
21、幅和相位的组合，编码后的信号中每个信号单元包含n=4比特。因此，对于标准的9600 b/s调制解调器，它的波特率为9600/4=2400 Baud，也就是说2400个信号单元包含了9600比特。据此可以推论： （调制率）B=（数据率）R/n（信号元素所含比特数）或者说： （比特率）R=nB（波特率）=Blog2 V,数字数据的调制,三种常用的调制技术： 幅移键控ASK （Amplitude Shift Keying） 频移键控FSK （Frequency Shift Keying） 相移键控PSK （Phase Shift Keying） 原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波信号 S
22、(t) = Acos(t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位 调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化,ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1 FSK：用载波的两个不同频率表示0和1 PSK：用载波的起始相位的变化表示0和1,4.3.4 模拟数据的模拟信号调制,模拟数据的模拟信号调制是用模拟信号来表示模拟信息的一种技术，无线电波就是模拟数据的模拟信号调制通信的典型例子。下图是模拟数据的模拟信号调制的示意图。,当信号已经是模拟形式时，使用调制技术的原因主要有两个：首先，实现传输的有效性可能需要较高的频率。例如无线电只能传输调制的信号，而不能直接传输基带信号，否则需要有直径为数
23、千米的天线。其次，通过调制就可以使用频分复用技术，从而可以有效地利用传输介质的带宽。,1幅度调制幅度调制简称调幅，在这种技术中，载波信号的振幅根据调制信号（需要被调制的信号）振幅的改变而调整，载波信号的频率与相位保持不变。调幅信号（被调制后的信号）的带宽等于调制信号带宽的两倍并且以载波频率为中心。音频信号的带宽通常为5KHz，因此一个调幅无线电台至少需要10KHz的带宽。 调幅电台可以采用在530到1700KHz之间的任何频率作为载波信号频率。但是，每个电台的载波频率必须和其它电台的载波频率间隔至少10KHz（一个调幅带宽）来防止干扰。因此如果有一个电台使用的载波频率为1100KHz，那么下一
24、个电台的载波频率就不能低于1110KHz。,2频率调制频率调制简称调频，在调频传输中，载波信号的频率随着调制信号振幅的改变而调整，载波信号的最大振幅和相位都保持不变。 调频信号的带宽是调制信号带宽的10倍，而且与调幅一样以载波信号频率为中心。在立体声广播里的音频信号的带宽大约是15KHz，因此每个调频电台至少需要150KHz带宽。而实际上通常为每个电台预留了200KHz的带宽以便于容纳警戒波段。调频电台可以采用88到108MHz间的任意频率作为载波频率。但为了防止电台之间波段重叠，每两个电台之间必须有至少200KHz的频率差。因此对于88108MHz的范围，虽然有100个可能的调频波段，但实际
25、只能使用其中的50个，如果一个调频电台的载波频率为90MHz，则下一个电台的载波频率至少应用90.2MHz。,3调相在调相传输技术中，载波信号的相位随调制信号的振幅变化而调整，最大振幅和频率保持不变。实际使用时很少采用调相技术，只在某些系统中采用调相来代替调频技术以使硬件更简单。,Modem的中文名叫做调制解调器（是英文modulatordemodulator的缩写）。它是一个能把计算机的二进制信息通过调制变成模拟信号在电话线上传输，并能把电话线上的模拟信号通过解调变成计算机能够识别的二进制信息的硬件设备。 Modem的传输速度是以bps来衡量，Bits Per Second，又叫波特率，它代
26、表每秒传送的数据位数。Modem传送一个字符一般是由3部分组成的。它包括起始位，数据位和停止位。起始位和停止位各占一位，数据位占8位。如果一个速度为14.4Kbps的Modem，传送数据的标准速率为14400/10=1440Byte/秒，即1.4Kbps（字符/秒）。,4.4 调制解调器,调制解调器的组成,Modem一般由基带处理、调制解调、信号放大和滤波、均衡等几部分组成。,调制解调器的分类一,按通信设备分类可分为： 拨号Modem 拨号Modem主要用于公用电话网上传输数据。拨号Modem具有在性能指标较低的环境中进行有效操作的特殊性能。多数拨号Modem具备自动拨号、自动应答和自动拆线等
27、功能。 专线Modem 专线Modem主要用在专用线路或租用线路上，它不必带有自动应答和自动拆线功能。专线Modem的数据传输率比拨号Modem要高。,调制解调器的分类二,按Modem速度分类 传输速率在1200bps以下的为低速Modem，12009600bps之间的为中速Modem，9600bps以上的为高速Modem。 按Modem调制方式分类 一般Modem产品的调制方式有频移键控、差分相移键控、正交幅度调制等。 按Modem内部控制方式分类 分为智能Modem和非智能Modem两类。智能Modem的内部控制逻辑由微处理器实现，它能够接收一系列Modem控制命令（AT命令集）来完成通信
28、过程的控制，并具有自动拨号、重复拨号、选择传输速率等功能。,调制解调器的分类三,按数据传输方式分类 同步Modem 异步Modem,调制解调器的分类四,按Modem与计算机的连接方式分类 外置式Modem 内置式Modem,通信接口及设备,广泛使用的通信设备接口标准有： EIA RS-232C； EIA RS-499； ITU-T建议的X.21等标准。 RS (Recommended Standard)表示推荐标准，232、499等为标识号码，而后缀（如RS-232C中的C）表示该推荐标准被修改过的次数。ITU-T也有一些相应的标准。 与EIA RS-232C兼容的ITU-T V.24建议，与
29、EIA RS-422兼容的ITU-T V.10等。,EIA RS-232C接口,在串行通信中，EIA RS-232C是应用最为广泛的标准。 发送和接收数据的计算机或终端系统，称为数据终端设备（DTE），如计算机。用来实现信息的收集、处理和变换的设备称为数据通信设备（DCE），如调制解调器。,2006-10,计算机网络基础（第二版） 杜煜,62,RS-232C接口的特性,RS-232C使用9针或25针的D型连接器DB-9或DB-25。 目前，绝大多数计算机使用的是9针的D型连接器。RS-232D规定使用25针的D型连接器。 RS-232C采用的信号电平515V代表逻辑“1”，515V代表逻辑“0”。在传输距离不大于15米时，最大速率为19.2kbps。,RS-232C接口各针脚的功能定义,Modem串口针脚连接,练习：,1、写出下面曼彻斯特码代表的数字代码：,2、画出数字代码00101的曼彻斯特码。,3、写出下面差分曼彻斯特码代表的数字代码：,4、画出数字代码00101的差分曼彻斯特码。,1,1,0,1,1,0,1,1,0,0,0,
