MSE课件-数据通信ch05.ppt

1、Transmission medium and physical layer计算机以及其他通信设备用来表示数据的信号可以以计算机以及其他通信设备用来表示数据的信号可以以电磁能量电磁能量的形式从一台设备传输到另一台通信设备。的形式从一台设备传输到另一台通信设备。电磁能量电磁能量是一种电场和磁场震荡的组合形式，是一种电场和磁场震荡的组合形式，包括：包括：能量、语音、无线电波、红外线、可见光、紫外线以能量、语音、无线电波、红外线、可见光、紫外线以及及X射线、伽玛射线和宇宙射线，每种形式都对应电射线、伽玛射线和宇宙射线，每种形式都对应电磁频谱的一部分。磁频谱的一部分。Electromagnetic S

2、pectrum可以在当前的远程通信领域中应用的频段有：可以在当前的远程通信领域中应用的频段有：语音频段：语音频段：通常以电流形式通过双绞线、同轴电缆通常以电流形式通过双绞线、同轴电缆等介质；等介质；无线电波和红外线：无线电波和红外线：可以穿过空气或空间，但需要可以穿过空气或空间，但需要特殊的发送和接收装置；特殊的发送和接收装置；可见光：可见光：是最后一个可用的，通过光缆传输。是最后一个可用的，通过光缆传输。Classes of transmission media传输介质可以分为两大类：传输介质可以分为两大类：有向的：有向的：沿着介质的方向传播并局限于介质内；沿着介质的方向传播并局限于介质内；

3、无向的：无向的：需要一条视线通路，沿直线传播，适用需要一条视线通路，沿直线传播，适用于远距离通信或架设电缆困难的地方。于远距离通信或架设电缆困难的地方。Twisted-Pair CableCoaxial CableFiber-Optic CableTwisted-Pair CableTwisted-Pair Cable一条双绞线包括两根导体一条双绞线包括两根导体(通常是铜的通常是铜的)，每根有不同颜，每根有不同颜色的塑料外皮。色的塑料外皮。塑料外皮着色塑料外皮着色是为了便于区别，还用来指示导线属是为了便于区别，还用来指示导线属于哪一对，以及在一捆导线中与其它导线对的关系于哪一对，以及在一捆导线

4、中与其它导线对的关系双绞线的频率范围对于传输语音和数字信号都适用。双绞线的频率范围对于传输语音和数字信号都适用。Effect of Noise on Parallel Lines来自其他设备的电磁干扰会在导线中产生来自其他设备的电磁干扰会在导线中产生噪声噪声。噪声对于平行导线的干扰程度，根据距离不同会有噪声对于平行导线的干扰程度，根据距离不同会有所不同，从而导致所不同，从而导致负载不平衡负载不平衡以及以及信号益损信号益损。Noise on Twisted-Pair Lines通过每隔一定距离交叉一次，两条导线上总的噪声影通过每隔一定距离交叉一次，两条导线上总的噪声影响就会相同。响就会相同。UT

5、P and STP非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTPUTP：具有易弯曲、易安装、重量轻等优具有易弯曲、易安装、重量轻等优点，且更加独立和灵活，适用于综合布线点，且更加独立和灵活，适用于综合布线; ; 屏蔽双绞线屏蔽双绞线STPSTP：具有较高的数据传输速率和较好的耐具有较高的数据传输速率和较好的耐腐蚀能力；但由于费用相对较高，不易弯曲布线，且腐蚀能力；但由于费用相对较高，不易弯曲布线，且需要配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技需要配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术，所以并未真正得到流行。术，所以并未真正得到流行。 Unshielded Twisted-Pair Cable1是最低档

6、的，是最低档的，5是最高档的，下图是一个有五对线是最高档的，下图是一个有五对线的非屏蔽双绞线。的非屏蔽双绞线。 600 MHz 200 MHz 100 MHz 20 MHz 16 MHz 2 MHzvery lowBandwidthLANsDigital 600 Mbps7 (draft)LANsDigital 200 Mbps6 (draft)LANsDigital 100 Mbps5LANsDigital 20 Mbps4LANsDigital 10 Mbps3T-1 linesAnalog/digital2 Mbps2TelephoneAnalog 100 kbps1UseDigital

7、/AnalogData RateCategoryUTP ConnectorsUTP performanceShielded Twisted-Pair Cable在每一对导线外都有一层金属箔或是网在每一对导线外都有一层金属箔或是网格，使电磁噪声不能穿透进来，以消除来自另一线路格，使电磁噪声不能穿透进来，以消除来自另一线路上不期望的串扰干扰。上不期望的串扰干扰。串扰：串扰：一条线路接收了在另一条线路上传输的信号一条线路接收了在另一条线路上传输的信号时就会发生。时就会发生。Coaxial cableCoaxial cable由于介质的传导方式不同，同轴电缆能够传输比双绞由于介质的传导方式不同，同轴电

8、缆能够传输比双绞线更宽的频率范围的信号。线更宽的频率范围的信号。外层的外层的金属包层金属包层既作为屏蔽层又作为导体的一部分构既作为屏蔽层又作为导体的一部分构成回路。成回路。50 W W50 W W75 W WImpedanceThick EthernetThin EthernetCable TVUseCategory无线电波控制无线电波控制RG编号：编号：表示了一组唯一的物理特性，表示了一组唯一的物理特性，包括内层导体的线路规格、内层绝缘体的厚度和类型、包括内层导体的线路规格、内层绝缘体的厚度和类型、屏蔽层的组成，以及外包装的规格和类型。屏蔽层的组成，以及外包装的规格和类型。RG的每一个级别定

9、义的电缆都适用于一种特定功能。的每一个级别定义的电缆都适用于一种特定功能。BNC connectors卡销式网络连接器卡销式网络连接器BNC：只需推入插口并旋转半圈。只需推入插口并旋转半圈。T型连接器：型连接器：允许在细缆以太网中使用辅助电缆或从允许在细缆以太网中使用辅助电缆或从主干上引出分支。主干上引出分支。终结端子：终结端子：用于总线型拓扑中，在主干电缆端头吸收用于总线型拓扑中，在主干电缆端头吸收电磁波并消除回声反射。电磁波并消除回声反射。Coaxial cable performanceOptical fiber CableBending of light ray折射：折射：当光从一种密

10、度的介质进入另一种密度的介质当光从一种密度的介质进入另一种密度的介质时，由于光的速度发生了变化导致光线改变了方向。时，由于光的速度发生了变化导致光线改变了方向。全反射角：全反射角：使折射角达到使折射角达到90的入射角。的入射角。反射：反射：入射角大于全反射角时发生的现象。入射角大于全反射角时发生的现象。Optical fiber光纤的光纤的中心中心是玻璃或塑料的芯材，是玻璃或塑料的芯材，外面外面填充着密度相填充着密度相对较小的玻璃或塑料材料。对较小的玻璃或塑料材料。两种材料的密度差异两种材料的密度差异必须达到能够使芯材中的光线只必须达到能够使芯材中的光线只能反射回来而不能折射入填充材料的程度。

11、能反射回来而不能折射入填充材料的程度。信息信息被编码成一束以一系列开关状态来代表被编码成一束以一系列开关状态来代表0和和1的光的光线形式。线形式。Propagation modes多模光纤：多模光纤：多束光线从光源经由芯材通过不同的光路多束光线从光源经由芯材通过不同的光路传播，光线在光缆中的传播模式依赖于芯材的结构。传播，光线在光缆中的传播模式依赖于芯材的结构。又可以进一步分为又可以进一步分为阶跃模式阶跃模式和和渐变模式渐变模式。单模光纤：单模光纤：光线沿水平方向传播。光线沿水平方向传播。Multimode Step-Index芯材的密度从中心到边缘都是一致的。芯材的密度从中心到边缘都是一致的

12、。阶跃：阶跃：芯材与边界处填充材料密度的突然变化。芯材与边界处填充材料密度的突然变化。在传播路径上的差异使得不同的光线在不同的时刻到在传播路径上的差异使得不同的光线在不同的时刻到达终点，导致传输的信号被传播延迟达终点，导致传输的信号被传播延迟扭曲扭曲，从而限制，从而限制了数据速率并使阶跃模式在某些要求精确性的应用中了数据速率并使阶跃模式在某些要求精确性的应用中不适用。不适用。Multimode Graded-Index芯材的密度从中心到边缘是变化的，中心密度最大，芯材的密度从中心到边缘是变化的，中心密度最大，向外逐渐变小，到达边界时最小，向外逐渐变小，到达边界时最小，密度的不断变化使密度的不断

13、变化使得光线逐渐弯曲成一条曲线得光线逐渐弯曲成一条曲线。减少了信号通过缆线后的扭曲。减少了信号通过缆线后的扭曲。变化的折射过程使每束光线在一定时间内传播的距离变化的折射过程使每束光线在一定时间内传播的距离不断变化，导致每隔一定距离不同的光线会相交，将不断变化，导致每隔一定距离不同的光线会相交，将接收器放到相交段可获得精确度好得多的重建信号。接收器放到相交段可获得精确度好得多的重建信号。Type 7100 62.5 50CoreSingle-mode125Multimode, graded-index125Multimode, graded-index125Multimode, graded-i

14、ndex125ModeCladdingFiber ConstructionFiber Light Source传输特性：传输特性：利用光导纤维传递光脉冲来进行的利用光导纤维传递光脉冲来进行的, ,有光信有光信号为号为1 1，无光信号为，无光信号为0 0，光信号在光纤中进行，光信号在光纤中进行全反射全反射。光传输系统光传输系统一般由光源、光纤线路和光探测器组成。一般由光源、光纤线路和光探测器组成。光源：光源：采用采用发光二极管发光二极管( (适用于多模光纤适用于多模光纤) )或或半导体半导体激光器激光器( (适用于单模光纤适用于单模光纤) )，在电信号脉冲作用下产，在电信号脉冲作用下产生出光脉冲

15、；生出光脉冲；光纤线路：光纤线路：光脉冲在光纤线路上传送；光脉冲在光纤线路上传送；光探测器：光探测器：利用利用光电二极管光电二极管做成光探测器，将检测做成光探测器，将检测出的光脉冲还原成电脉冲信号。出的光脉冲还原成电脉冲信号。Fiber-optic cable connectors任何一段芯材未能与另一段光纤或是光敏二极管对齐任何一段芯材未能与另一段光纤或是光敏二极管对齐就会导致信号重新反射回发送方，而且两个相连信道就会导致信号重新反射回发送方，而且两个相连信道在大小上的任何差异都会导致信号传播角度的变化。在大小上的任何差异都会导致信号传播角度的变化。Optical fiber perform

16、anceFiber Light Source噪声抑制噪声抑制更小的信号衰减更小的信号衰减更高的带宽更高的带宽光纤的缺点：光纤的缺点：费用费用安装安装/ /维护维护脆弱性脆弱性Radio WavesMicrowavesInfraredWireless transmission waves无线电波、微波、红外线无线电波、微波、红外线Radio Communication Band无线通信波段无线通信波段VHF TV, FM radioSky andline-of-sight30300 MHzUHF TV, cellular phones, paging, satelliteLine-of-sigh

17、t300 MHz3 GHzSatellite communicationLine-of-sight330 GHzLong-range radio navigationLine-of-sight30300 GHz330 MHz300 KHz3 MHz30300 KHz330 KHzCitizens band (CB),ship/aircraft communicationSkyAM radioSkyRadio beacons andnavigational locatorsGroundLong-range radio navigationGroundPropagation Types地表传播、对

18、流层传播、电地表传播、对流层传播、电离层传播、视线传播、空间传播。离层传播、视线传播、空间传播。对流层：对流层：是离地面大约是离地面大约3030英里的大气层，充满空气；英里的大气层，充满空气；电离层：电离层：在对流层之上而在太空之下的大气层，充满在对流层之上而在太空之下的大气层，充满电离的离子。电离的离子。无线电波的传播通无线电波的传播通过大气的最低层进行，紧靠地过大气的最低层进行，紧靠地球表面，信号从发送天线向各球表面，信号从发送天线向各个方向发出后就会沿着地球表个方向发出后就会沿着地球表面呈曲线传播。面呈曲线传播。传播距离取决于信号能量。传播距离取决于信号能量。Propagation Ty

19、pes信号以直线形式从一根天线发送到另一根天线了；信号以直线形式从一根天线发送到另一根天线了；要求接收方和发送方在视线所及的范围内。要求接收方和发送方在视线所及的范围内。信号以一定角度向对流层的较高层次广播，然后反信号以一定角度向对流层的较高层次广播，然后反射回地面。射回地面。可以覆盖更远的距离。可以覆盖更远的距离。更高更高频的无线电波向上频的无线电波向上发射到电离层并由发射到电离层并由该层反射回地面。该层反射回地面。可以较低的能量可以较低的能量传播更远的距离传播更远的距离Propagation methods甚高频信号直接从一根天线直线传输到另甚高频信号直接从一根天线直线传输到另一根天线，天

20、线必须是一根天线，天线必须是有方向的有方向的，并且是，并且是相向的相向的。由于无线电波的传输并不能完全聚焦，因此视线传由于无线电波的传输并不能完全聚焦，因此视线传播实质是不可能的。播实质是不可能的。Radio waves are used for multicast communications, such as radio and television, and paging systems.Terrestrial Microwave微波需要视线传播的发送和接收设备，信号传输的覆微波需要视线传播的发送和接收设备，信号传输的覆盖范围主要依赖于天线的高度盖范围主要依赖于天线的高度( (将塔建在山

21、上将塔建在山上) )。微波一次只能沿一个方向传输，因此需要两种频率来微波一次只能沿一个方向传输，因此需要两种频率来支持双向传输，每种频率都有自己的发送和接收器。支持双向传输，每种频率都有自己的发送和接收器。将天线接收的信息重新转化成可以发送的形将天线接收的信息重新转化成可以发送的形式式( (使用使用新频率新频率或或老频率老频率) )，并转发到下一个天线。，并转发到下一个天线。为大多数当代的全球电话系统提供了基础。为大多数当代的全球电话系统提供了基础。Parabolic Dish Antenna按照抛物面的几何按照抛物面的几何形状制造的，每一形状制造的，每一条和对称轴平行的条和对称轴平行的直线直

22、线( (视线视线) )在经过在经过抛物面反射后都聚抛物面反射后都聚焦在一个叫做焦点焦在一个叫做焦点的共同点上。的共同点上。像一个像一个漏斗漏斗，把大范围内的电波，把大范围内的电波集中起来并将它们定向到一点上。集中起来并将它们定向到一点上。通过这种方式能比采用单点形的天线对信号恢复的通过这种方式能比采用单点形的天线对信号恢复的更多。更多。信号的发出是通过指向碟形面的喇叭天线的。信号的发出是通过指向碟形面的喇叭天线的。Horn Antenna像一个巨大的像一个巨大的勺子勺子，向外传输从杆，向外传输从杆部广播上来，并经曲面形头部偏转后形成一系列紧密部广播上来，并经曲面形头部偏转后形成一系列紧密的平行

23、波束向外发送；接收的传输信号经过勺状头部的平行波束向外发送；接收的传输信号经过勺状头部的聚焦后向下偏转到杆部。的聚焦后向下偏转到杆部。Microwaves are used for unicast communication such as cellular telephones, satellite networks, and wireless LANs.Satellite Communication像有一个轨道卫星作为一个中继站的视线像有一个轨道卫星作为一个中继站的视线微波传播，基本原理和地面微波一样，只是用卫星作微波传播，基本原理和地面微波一样，只是用卫星作为超高天线和转发器，提供远距离

24、通信的能力。为超高天线和转发器，提供远距离通信的能力。Geosynchronous Orbit为保正持续通为保正持续通信信, ,卫星必须与地球同步运行卫星必须与地球同步运行, ,这种卫星称为地球同步卫星。这种卫星称为地球同步卫星。轨道运行速度由卫星离地面的轨道运行速度由卫星离地面的距离决定，所以只有一条位于距离决定，所以只有一条位于距离地面距离地面2200022000英里的位于赤英里的位于赤道平面的道平面的同步轨道同步轨道。为卫星保留的频带在千兆赫区域内，为卫星保留的频带在千兆赫区域内，每一颗卫星使用两个波段，分别用于发送和接收。每一颗卫星使用两个波段，分别用于发送和接收。卫星频带的分配情况见

25、书表卫星频带的分配情况见书表7 72 2。Cellular System蜂窝电话是为在蜂窝电话是为在两个移动设备之间两个移动设备之间、或在、或在一个移动单一个移动单元和固定单元之间元和固定单元之间建立稳定的通信连接而设计的。建立稳定的通信连接而设计的。Cellular Bands移动电话和基站间的模拟通信采用调频技术移动电话和基站间的模拟通信采用调频技术. .824824849MHz849MHz波段：波段：用于移动电话发起的通信。用于移动电话发起的通信。869869894MHz894MHz波段：波段：用于固定电话发起的通信。用于固定电话发起的通信。载波频率之间间隔载波频率之间间隔30KHz30

26、KHz，每个波段可支持，每个波段可支持833833个载波，个载波，但全双工通信需要两个载波频率，因此每个波段有但全双工通信需要两个载波频率，因此每个波段有416416个信道可用个信道可用。为防止干扰，每个蜂窝单元分配的信道与临近单元分为防止干扰，每个蜂窝单元分配的信道与临近单元分配的信道不同，则每个蜂窝单元只能使用配的信道不同，则每个蜂窝单元只能使用4040个信道个信道。蜂窝单元的大小可以根据区域内的人口增大或减小。蜂窝单元的大小可以根据区域内的人口增大或减小。蜂窝单元的传输能量保持在低水平以免干扰其他单元。蜂窝单元的传输能量保持在低水平以免干扰其他单元。Cellular为了从移动电话发出一次

27、呼叫为了从移动电话发出一次呼叫呼叫方输入呼叫方输入7 7位或位或1010位数字位数字( (电话号码电话号码) )，并按下发送，并按下发送移动电话机扫描波段寻找具有最强信号的连接建立通道移动电话机扫描波段寻找具有最强信号的连接建立通道把数据发送到使用这个连接建立信道的最近基站把数据发送到使用这个连接建立信道的最近基站基站将数据发到移动电话交换局基站将数据发到移动电话交换局MTSOMTSOMTSO将数据发送到中央电话站，如果被叫方允许呼叫就将数据发送到中央电话站，如果被叫方允许呼叫就建立一条连接并将结果返回给建立一条连接并将结果返回给MTSOMTSO为这次呼叫分配一个空闲信道并建立这个连接为这次呼

28、叫分配一个空闲信道并建立这个连接移动电话自动调整到新的信道并开始语音通信移动电话自动调整到新的信道并开始语音通信Cellular固定电话拨打移动电话时固定电话拨打移动电话时中央电话站把号码发送给中央电话站把号码发送给MTSOMTSOMTSOMTSO通过一个叫做通过一个叫做页面调整页面调整的过程，向每个蜂窝单元发的过程，向每个蜂窝单元发送查询信号，来寻找移动电话的位置送查询信号，来寻找移动电话的位置一旦移动电话被找到，一旦移动电话被找到，MTSOMTSO就向该移动电话发送一个震就向该移动电话发送一个震铃信号铃信号当移动电话应答时，当移动电话应答时，MTSOMTSO就为本次呼叫分配一个信道，就为本

29、次呼叫分配一个信道，允许开始语音通信允许开始语音通信Cellular谈话过程中移动电话从一个蜂窝单元进入另一个谈话过程中移动电话从一个蜂窝单元进入另一个MTSOMTSO每隔几秒钟就监视一下信号强弱每隔几秒钟就监视一下信号强弱信号强度降低了信号强度降低了MTSOMTSO就寻找一个能更好容纳通信的新单元就寻找一个能更好容纳通信的新单元MTSOMTSO改变承载本次通信的信道改变承载本次通信的信道（从老的信道转换到新的信道上）（从老的信道转换到新的信道上）这种控制很平稳，一般用户察觉不到。这种控制很平稳，一般用户察觉不到。Cellular模拟电路交换式蜂窝模拟电路交换式蜂窝ACSCACSC采用采用AC

30、SCACSC技术进行数字数据传输，需要最大速率在技术进行数字数据传输，需要最大速率在9600960019200bps19200bps之间的调制解调器。之间的调制解调器。蜂窝数字包数据蜂窝蜂窝数字包数据蜂窝CDPDCDPDCDPDCDPD提供了在现有蜂窝网络上开展低速数字业务的提供了在现有蜂窝网络上开展低速数字业务的技术，它是基于技术，它是基于OSIOSI模型的。模型的。为了使用现有数字业务，为了使用现有数字业务，CDPDCDPD使用了使用了三分区域技术：三分区域技术：是指三个使用是指三个使用19.2Kbps19.2Kbps数据速率的蜂窝单元组合成数据速率的蜂窝单元组合成一个一个57.6Kbps

31、57.6Kbps的信道的信道( (通过去掉一些额外开销可以通过去掉一些额外开销可以容纳在容纳在56K56K交换线路上交换线路上) )。在这种方案下美国分成了在这种方案下美国分成了1200012000个三分区域，每个三分区域，每6060个三分区域配合一台路由器。个三分区域配合一台路由器。Cellular这种集成将使地球上任何两个地点之间都可以使这种集成将使地球上任何两个地点之间都可以使用移动电话。用移动电话。使人们能通过小型的、移动的个人计算机发送和使人们能通过小型的、移动的个人计算机发送和接收数据、语音、图像以及视频信息。接收数据、语音、图像以及视频信息。Infrared signals can be used for short-range communication in a closed area using line-of-sight propagation.