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第三章 数据传输媒体

第三章 数据传输媒体. 3.1 传输损耗 3.2 有损耗条件下的最大传输速率 3.3 传输介质. 模拟信道和数字信道. 按照允许的信号的类型分为 模拟信道和数字信道： 模拟信道 只允许传输波形连续变化的模拟信号， 通信质量可用失真和输出信噪比来衡量。 数字信道 只允许传输离散的数字信号， 数字信道的特性可用差错率及差错序列的统计特性来描述。. 单工、半双工和全双工信道. 按照信道上的信号的传输方向分为： 单工信道 ：信号只能沿一个方向传送，任何时候都不能改变传输方向。 半双工信道 ：信号可沿两个方向交替传送，但同一时间只能沿一个方向传送信号。

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第三章 数据传输媒体

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  1. 第三章 数据传输媒体 3.1 传输损耗 3.2 有损耗条件下的最大传输速率 3.3 传输介质

  2. 模拟信道和数字信道 • 按照允许的信号的类型分为模拟信道和数字信道： • 模拟信道只允许传输波形连续变化的模拟信号，通信质量可用失真和输出信噪比来衡量。 • 数字信道只允许传输离散的数字信号，数字信道的特性可用差错率及差错序列的统计特性来描述。

  3. 单工、半双工和全双工信道 • 按照信道上的信号的传输方向分为： • 单工信道：信号只能沿一个方向传送，任何时候都不能改变传输方向。 • 半双工信道：信号可沿两个方向交替传送，但同一时间只能沿一个方向传送信号。 • 全双工信道：信号可同时沿两个方向传送。相当于两个相反方向的单工信道的组合。

  4. 单工、半双工和全双工信道 数据信号 数据信号 单工通信 发送器 发送器 接收器 接收器 监测信号 监测信号 发送器 发送器 数据信号 半双工通信 监测信号 接收器 接收器 全双工通信 数据信号 发送器 接收器 监测信号 • 三种信道的结构：

  5. 传输损耗 传输损耗： 信号（电磁波）沿通信传输介质传播过程中单位长度上的能量损耗。 单位：dB/km。 克服传输损耗而导致的数据失真必须做到以下三点： ①接收到的信号必须有足够的强度； ②信号必须比收到的噪声维持一个更高的电平； ③在模拟信号传输中，衰减是频率的增量函数。 解决模拟信号传输过程中的①、②问题可用放大器或中继器来增强信号的能量，但同时噪音分量也会增强，以至引起信号畸变；解决数字信号传输过程中的①、②问题可使用中继器，把数字信号恢复为“0、1”的标准电平后继续传输。 解决③的技术手段是使在某个频带内的频率衰减趋于相等或使用高频放大器将高频放大。

  6. 衰减和增益 • 在通信系统中，当信号沿着介质传输时，其能量会受到损失而衰减，称为通信的衰减。 • 衰减导致系统输出端的电功率小于输入端的电功率。因此，应在信道上设置信号放大装置，以增强信号。 • 若通信系统输出端的电功率大于输入端的电功率，则表明信号在系统中得到了增益。

  7. 分 贝 • 通常用分贝来表示衰减和增益。 • 分贝是两个功率电平p1和p2差别的度量，是无量纲的量： D=10lg（p1/p2） 单位：dB

  8. 衰减和增益的计算 例：如果10mW功率的信号加到传输线上，而在某距离上测得的功率是 5mW则在这段线路上的衰减为 Loss=10lg（5/10）=10×（-0.3）= -3（dB） • 分贝有时也用来度量电压或电流的差别： • 因为 P=V2/R 或P=I2R • 所以 D=10lg（P2/P1） = 20lg（V2/V1） = 20lg（I2/I1） （dB） • 使用分贝可方便计算整个系统的衰耗或增益。 • 整个传输线路上的衰减或增益等于各分段线路上的衰减与增益的代数和。

  9. 失真 • 信号通过传输系统时，其波形可能发生畸变，波形的畸变称为失真。 • 如果构成信号的不同分量通过传输系统后，分别受到不同的衰减和不同的时延，就会造成输出信号的频谱与输入信号的频谱的差异，从而在系统的输出端导致信号的失真。 • 由各频率分量随频率的变化引起的失真叫或振幅失真。这种失真主要来源于设备和线路造成的衰减失真。 • 由不同频率分量的传播速度不一致所引起的失真，称为相位失真或时延失真。

  10. 通信的噪声 • 在数据传输过程中，接收到的信号往往与发送的信号不一致。这是因为除了在传输过程中产生的各种畸变之外，还额外混入了一些有害信号。 • 我们把这些额外混入的非期望信号称为噪声。 • 噪声是影响数据传输质量的主要因素。

  11. 噪声的类型 • 噪声的种类很多，也有多种分类方式。 • 若根据噪声的来源进行分类，一般可以分为人为噪声、自然噪声和内部噪声三类。 • 根据噪声产生的原因进行分类，可以分为热噪声、交调噪声、串音和脉冲噪声四类。

  12. 热噪声 • 热噪声是由带电粒子在导电介质中的布朗运动引起的，它存在于任何工作在绝对零度以上的电路或系统中。 • 在通信系统中，电阻器件噪声、天线噪声、馈线噪声以及接收机产生的噪声均可以等效成热噪声。 • 热噪声属于高斯白噪声，其概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是均匀分布的（常数）。 • 热噪声始终存在，不可排除。

  13. 交调噪声 • 不同频率的信号进入通信系统后，由于通信系统的非线性，将在系统的输出端产生这些频率之间的差频信号或倍频信号及其组合。 • 我们将这种附加的频率干扰称为交调噪声。 • 交调噪声可以通过人为校正系统的非线性部分得到补偿。

  14. 串话 • 串话是一个通路的信号在相邻的另一个通路引起的干扰现象。这是由于信号线路之间的电磁感应引起的有害耦合。 • 为了消除线路之间的有害耦合，可以将每一对线拧成一定扭绞节距的线缆。

  15. 脉冲噪声 • 脉冲噪声是由于电火花或其他原因造成的突发振幅很大、持续时间比间隔时间短得多的离散脉冲耦合到信号通路中的干扰。 • 脉冲噪声也称为冲击噪声，它将引起一连串的数据比特出错，它是数据传输差错的主要根源。 • 脉冲噪声产生的干扰很难消除，只能采用差错控制的方法来实现可靠传输。

  16. 有损耗条件下的最大传输速率 • 有噪声条件下的信道最大传输速率，仙农的结论是：在有噪声信道上，若带宽为H，信噪比为S/N，那么最大数据速率M为 • M=Hlog2（1+S/N）bps • 其中H为带宽，单位为赫（HZ），S/N为信一噪比。

  17. 有损耗条件下的最大传输速率 • S／N信噪比是确定一个传输系统性能的最重要参数之一。它是信号的功率与呈现的噪声功率之比。通常以分贝（dB）来作为S/N的单位。 • S/N 愈高，表示信号质量愈高，对远距离通信来说，意味着需要的中间转发器愈少。

  18. 3.3 常用的传输介质 • 硬介质–有线传输介质（导向传输介质）： • 信号的电磁波沿着固定媒体（铜线或光纤）传播。 • 双绞线（twisted pair）：非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP） • 同轴电缆（coaxial cable）：细缆和粗缆 • 光纤（fiber）：单模和多模 • 软介质–无线传输介质（非导向传输介质）： • 信号的电磁波在自由空间中传播。 • 无线电波（wireless radio）：微波、红外线、激光、卫星线路。

  19. 传输介质的特性 • 传输介质的特性对数据传输的质量有决定性的影响。 （1）物理特性：介质的物质构成、几何尺寸、机械特性、 温度性能、化学性能和物理性质。 （2）传输特性：衰减特性、频率特性和适用范围。 （3）连通特性：允许点-点连接或多点连接。 （4）抗干扰特性及干扰性：对外界噪声的承受能力和影响。 （5）地理范围：保证信号不失真的最大传输距离。 （6）相对价格：传输介质的性能与制造成本。

  20. 1. 双绞线TP（Twisted-Pair） • 双绞线电缆是最简单最经济的一种传输介质，由几对扭绞在一起的“线对”组成，一个“线对”为一条通信链路，既可传输模拟信号，也可传输数字信号。

  21. 双绞线电缆 • 双绞线进行绞合的目的是减少相邻导线之间的电磁干扰，绞合的密度越大抗干扰能力越强。 • 双绞线分为有屏蔽双绞线（STP）和无屏蔽双绞线（UTP）两种。STP在数据传输时可减少外界的电磁干扰，相对稳定性较高。 • EIA/TIA568标准中制定了有屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线的技术规范。

  22. RJ-45连接器

  23. EIA/TIA的UTP布线标准 • EIA/TIA为UTP 制定了包括5个类的布线标准： • 1类线：用于电话传输； • 2类线：含4对双绞线，可用于电话传输和最高为4Mbps的数据传输； • 3类线：含4对双绞线，可用于最高为10Mbps的数据传输，适用于10 Base T网络； • 4类线：含4对双绞线，可用于最高为16Mbps的数据传输，适用于Token Ring网络和10 Base T网络； • 5类线：含4对铜芯双绞线，可用于100 Mbps的高速以太网。

  24. EIA/TIA568布线标准 • 双绞线与RJ-45接口的连接顺序： • 注意：1、2是一对，用于发送数据（DTE），3、6是一对，用于接收数据（DTE） 。

  25. 双绞线的性能指标 • 近端串扰（NEXT，Near-End crossTalk）： • 指一对导体的信号在另一对导体上发生的耦合现象。 • 近端串扰与线缆类别、连接方式、信号的频率等有关。 • 衰减： • 信号沿着链路传播损失的能量（dB）。 • 衰减随着频率的升高而增大。 • 特性阻抗： • 链路在 规定的工作频率范围内呈现的电阻。 • 链路的特性阻抗与标准值之差不得超过20Ω。

  26. 2. 同轴电缆（Coaxial Cabel） 外层导体 外绝缘层 内绝缘层 内导体 • 同轴电缆由外绝缘层、外导体、内绝缘层和内导体四个部分组成，绝缘效果较好，误码率较低，是早期局域网中广泛使用的一种传输介质。

  27. 同轴电缆的种类 • 局域网中主要使用50Ω和75Ω两种同轴电缆。 • 后者带宽高，既可传输数字信号，又可传输模拟信号，可以分频； • 前者用于基带传输，分为细缆和粗缆两类。 • 细缆：直径0.25英寸，传输距离约200米（185米）； • 粗缆：直径0.5英寸，传输距离500米

  28. 光缆（Fiber Optical Cabel） • 光缆由许多细如发丝的光导玻璃纤维或塑胶纤维，外加绝缘护套组成，能将外在的干扰彻底隔绝。 • 传输质量稳定，带宽极高，其传输速率远远高于双绞线和同轴电缆，但价格极为昂贵。

  29. 光纤的种类 • 按制作材料划分：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、氟化物光纤 • 按传输模式划分：单模光纤、多模光纤 • 按折射率分布划分：突变型光纤、渐变型光纤、三角形光纤、W型光纤 • 按工作波段不同划分：短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤

  30. 光纤的特性 外套 护套 纤芯(玻璃) 护套(塑料) 包层(玻璃) 包层 纤芯 • 物理特性 • 光纤主要由纤芯和包层组成的双圆柱体（双圆柱体直径不到0.2mm ）外加塑料护套构成。 • 一根光缆可以包含二至几百根光纤。光缆由光纤、加强芯和填充物加上外套构成。

  31. 光纤的工作原理 低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射 • 纤芯为高密度介质，包层为低密度介质。当入射角足够大时，就会发生全反射。

  32. 多模光纤与单模光纤 输入脉冲 输出脉冲 输入脉冲 输出脉冲 • 光纤按传输模式分为多模和单模两种： 多模光纤采用发光二极管（LED）作为光源，价格便宜，传输距离近。单模光纤采用激光（LD）作为光源，价格昂贵，传输距离远。 多模光纤 单模光纤

  33. 常见光纤接头 FC－PC型光尾纤接头外形图 SC－PC型光尾纤接头外形图 FC/PC－SC/PC型光尾纤外形图 ST-PC型光尾纤接头外形图

  34. 光纤的特性 • 传输特性 • 光纤传输的是光信号，只能单向传输。 • 光信号的频率高、频带宽、传输速率高（能超过KMbps ），信道容量大。 • 但光信号也可能由于色散和时散的原因导致时延失真。多模光纤的时散较为严重。 • 连通性 • 光纤通常采用点-点的连接方式。

  35. 光纤的特性 • 传输距离 • 光纤传输衰减小，中继距离远(≥2Km)，覆盖范围广。 • 光纤传输损耗的因素： • 吸收损耗：和光纤材料有关。光波通过光纤时，有一部分光能变成热能，造成光功率损失。 • 散射损耗：指光通过密度或折射率不均匀的物体时，除了光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光这种现象称为光的散射。 • 辐射损耗：光纤应用时弯曲，使光纤内导波模式变为辐射模式所致

  36. 光纤的特性 • 抗干扰性 • 光纤电磁绝缘性能好，不受外界的电磁干扰与噪声的影响； • 光纤无串音干扰，不易被窃取，安全性好。 • 光纤误码率低，在10-5~10-6之间。 • 价格 • 光纤价格远高于其他线缆。

  37. 光纤信道的组成 • 光纤信道的基本部件是光源、光调制器和光探测器。 光发射机 光中继器 光接收机 光源 光调制器 光探测器 判决再生 光源 光探测器 放 大 光纤线路 光纤线路 电端机 电端机

  38. 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，广泛用于小容量光纤信道中。 • 后者的发散角度小(18°~30°)，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10~15dB。

  39. 光源的特性 • 不同光源的光纤性能比较：

  40. 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。

  41. 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。

  42. 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——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。

  43. 无线传输介质 f (Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 (Hz) f  无线电 微波 红外线 X射线 射线 可见光 紫外线 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 双绞线 卫星 光纤 同轴电缆 地面微波 调频 无线电 移动 无线电 调幅 无线电 海事 无线电 电视 波段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 空间及视线 空间及视线 空间 空间 电信领域使用的电磁波的频谱： 地表 对流层 电离层

  44. 无线电波的传播形式 视线传播 电离层反射 地球表面 地球表面 • 地表传播——低频的长波信号沿着地表曲线传播。 • 对流层传播——中波信号通过对流层传播。 • 电离层传播—— 高频的短波信号通过电离层反射进行传播。 • 视线传播—— 微波、红外线等更高频率的信号通过地面中继站接力传播。 • 空间传播——微波信号通过卫星中继进行传播。 地球表面

  45. 无线介质的特点 • 红外线和激光 • 红外线通信和激光通信是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播。 • 方向性强，不受电磁干扰和射频干扰，不易被窃听，安全性较好，难以插入数据和进行干扰。 • 但对雨雾等环境干扰特别敏感，易受天气影响，也不具备穿透能力。

  46. 无线介质的特点 • 地面微波 • 微波通信是利用微波波段的电磁波在视距范围内进行信息传输的一种通信方式。 • 方向性不强，室外全向天线可覆盖1.5~10公里的半径范围，室内全向天线可覆盖250m~5000m的半径范围 ； • 对天气的干扰不敏感，传输质量较高； • 有一定的穿透能力，能穿透几层墙或两层的混凝土楼板； • 微波频率高、工作频带宽，信道容量大。 • 投资省、见效快

  47. 地面微波接力信道的构成 中继站 中继站 终端站 终端站 • 地面微波接力信道由终端站、中继站，以及各站间的电波传播空间构成。站与站的距离一般为50km左右。 • 终端站设在接力线路的两端，是通信线路的起点和终点。终端站之间的通信依靠中继站以接力的方式完成

  48. 模拟微波和数字微波 • 微波通信采用多路复用的工作方式，工作于射频的微波频段。微波信道分两种： • 模拟微波传输模拟信号，主要采用频分复用(FDM-FM) ； • 数字微波传输数字信号，主要采用时分复用(TDM-PCM-DPSK) ； • 一路PCM信号的速率为64kb/s • 一次基群（30路PCM信号）的速率2.048Mb/s • 二次基群的速率为8.448Mb/s • 三次基群的速率为34.368Mb/s

  49. 卫星通信 • 卫星通信是以人造地球卫星作为中继站和地面站之间的微波通信。

  50. 卫星中继信道的组成 • 通信卫星（静止卫星） • 主要任务是实现中继转接，即接受地球站发来的无线电信号，经变频放大处理后，再转发出去。 • 地球站 • 是卫星中继通信双方的收、发信台站。

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