计算机网络第二章课件.ppt

1、授课教师 马常霞03-04学年二学期1 计算机网络计算机网络IntranetIntranetEthernetInternetInternet授课教师 马常霞03-04学年二学期2第二章第二章 物理层物理层学习要点：学习要点：数据传输基础数据传输基础 数据编码数据编码多路复用多路复用主要传输媒体主要传输媒体交换交换授课教师 马常霞03-04学年二学期3第二章第二章 物理层物理层2.12.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 （选学）（选学）2.1.1 2.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号傅里叶分析和有限带宽信号 2.1.2 2.1.2 信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率 2.2 2.2

2、 传输媒体传输媒体 2.2.1 2.2.1 双绞线双绞线2.2.2 2.2.2 同轴电缆同轴电缆2.2.3 2.2.3 光缆光缆 授课教师 马常霞03-04学年二学期4第二章第二章 物理层物理层2.2.4 2.2.4 无线传输无线传输2.3 数据编码技术数据编码技术2.4.1 2.4.1 模拟信号传输模拟数据模拟信号传输模拟数据 2.4.2 2.4.2 模拟信号传输数字数据模拟信号传输数字数据2.4.3 2.4.3 数字信号传输数字数据数字信号传输数字数据2.4.4 2.4.4 数字信号传输模拟数据数字信号传输模拟数据2.4 多路复用多路复用技术技术2.4.1 2.4.1 频分多路复用频分多路

3、复用 2.4.2 2.4.2 时分多路复用时分多路复用2.4.3 2.4.3 波分多路复用波分多路复用2.5 2.5 电话线路及相关的数字化技术电话线路及相关的数字化技术2.5.1 2.5.1 电话线路电话线路2.5.2 2.5.2 在电话系统干线上采用的数字化技术在电话系统干线上采用的数字化技术授课教师 马常霞03-04学年二学期5第二章第二章 物理层物理层2.6 物理层标准举例物理层标准举例2.6.1 2.6.1 EIA-232 EIA-232 接口标准接口标准2.6.2 RS-4492.6.2 RS-449标准标准授课教师 马常霞03-04学年二学期6第二章第二章 物理层物理层l物理层考

4、虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流，而不是指连接计算机的具体体上传输数据的比特流，而不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体。现有的计算机网络中的物理设备或具体的传输媒体。现有的计算机网络中的物理设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段的物理设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同的方式。物理层的作用正是要尽可能地也有许多不同的方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使其上面的数据链路层感觉不到这屏蔽掉这些差异，使其上面的数据链路层感觉不到这些差异。些差异。l在物理连接上的传输方式一般都是串行传输

5、，即一个在物理连接上的传输方式一般都是串行传输，即一个一个比特按照时间顺序传输。当然在某些情况下也可一个比特按照时间顺序传输。当然在某些情况下也可以采用多个比特的并行传输方式。出于经济上的考虑，以采用多个比特的并行传输方式。出于经济上的考虑，远距离的传输通常都是串行传输。远距离的传输通常都是串行传输。授课教师 马常霞03-04学年二学期7第二章第二章 物理层物理层l物理层是物理层是OSI 模型的最低层，涉及网络物理设模型的最低层，涉及网络物理设备之间的接口，其目的是向高层提供透明的二备之间的接口，其目的是向高层提供透明的二进制位流传输。进制位流传输。l物理接口的设计涉及信号电平、信号宽度、传物

6、理接口的设计涉及信号电平、信号宽度、传送方式（半双工或全双工）、物理连接的建立送方式（半双工或全双工）、物理连接的建立和拆除、接插件引脚的规格和作用等。总之，和拆除、接插件引脚的规格和作用等。总之，物理层提供为建立、维护和拆除物理链路所需物理层提供为建立、维护和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和过程特征。的机械、电气、功能和过程特征。授课教师 马常霞03-04学年二学期82.12.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识l数据传输总是通过某种传输媒体在发送设备和接收设备之间进行。数据传输总是通过某种传输媒体在发送设备和接收设备之间进行。传输媒体可以划分为导线的或无导线的两类。无论属于哪一种类

7、传输媒体可以划分为导线的或无导线的两类。无论属于哪一种类别，通信都以电磁波的形式发生。使用导线媒体，波的传播被限别，通信都以电磁波的形式发生。使用导线媒体，波的传播被限制到一条物理通路；导线媒体的例子有双绞线、同轴电缆和光导制到一条物理通路；导线媒体的例子有双绞线、同轴电缆和光导纤维。无导线媒体提供发射电磁波的手段，但不约束传播的通路；纤维。无导线媒体提供发射电磁波的手段，但不约束传播的通路；无导线传播的例子有通过空气、真空和海水的通信。无导线传播的例子有通过空气、真空和海水的通信。l术语直达链路用以指称在两个设备之间这样的一种通路，信号直术语直达链路用以指称在两个设备之间这样的一种通路，信号

8、直接地从发送设备传播到接收设备，在它们之间没有中介设备。如接地从发送设备传播到接收设备，在它们之间没有中介设备。如果一个传输媒体被说成是点到点的，那就意味着，第一，仅仅有果一个传输媒体被说成是点到点的，那就意味着，第一，仅仅有两个设备共享媒体；第二，媒体在两个设备之间提供了一条直达两个设备共享媒体；第二，媒体在两个设备之间提供了一条直达链路。在多点导线配置中，有多于两个以上的设备共享同一个媒链路。在多点导线配置中，有多于两个以上的设备共享同一个媒体。体。授课教师 马常霞03-04学年二学期92.12.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识l传输可以是单工、半双工或全双工的。在传输可以是单工、

9、半双工或全双工的。在单工传输单工传输中，信号仅在中，信号仅在一个方向上传输；一个站是发送设备，另一个站是接收设备。在一个方向上传输；一个站是发送设备，另一个站是接收设备。在半双工操作半双工操作中，两个站都可发送，但在任一特定的时刻都只允许中，两个站都可发送，但在任一特定的时刻都只允许一个站发送，另一个站则是在接收。在一个站发送，另一个站则是在接收。在全双工操作全双工操作中，两个站可中，两个站可以同时发送。在后一种情况下，媒体同时在两个方向上运载信号。以同时发送。在后一种情况下，媒体同时在两个方向上运载信号。l表示成时间的函数，电磁信号可以是连续的，也可以是离散的。表示成时间的函数，电磁信号可以

10、是连续的，也可以是离散的。连续信号的强度随时间平滑变化，也就是说，在信号中无断裂或连续信号的强度随时间平滑变化，也就是说，在信号中无断裂或不连续。不连续。离散信号离散信号的强度在某个时间周期内维持一个常量级，然的强度在某个时间周期内维持一个常量级，然后改变到另一个常量级。后改变到另一个常量级。连续信号连续信号可以表示语音，离散信号可以可以表示语音，离散信号可以表示二进制的表示二进制的1和和0。最简单的信号种类是周期信号，同样的信号。最简单的信号种类是周期信号，同样的信号模式随时间反复出现。模式随时间反复出现。授课教师 马常霞03-04学年二学期10 2.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的

11、基础知识 2.1.1 2.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号傅里叶分析和有限带宽信号l1919世纪初叶，法国数学家吉世纪初叶，法国数学家吉傅里叶证明：任何正常的周期为傅里叶证明：任何正常的周期为T T的的函数函数g(t)g(t)都可以由无限个正弦和余弦函数合成：都可以由无限个正弦和余弦函数合成：(2-1)(2-1)这里这里f=1/Tf=1/T，T T是是g(t)g(t)的周期，的周期，a an n和和b bn n是正弦和余弦函数是正弦和余弦函数n n次谐波的次谐波的振幅。这种分解叫做振幅。这种分解叫做傅里叶分析傅里叶分析，等式右方的级数称为傅里叶级，等式右方的级数称为傅里叶级数。数。g(t)g(

12、t)应是一个正常的周期函数，是指它满足在每个周期的积应是一个正常的周期函数，是指它满足在每个周期的积分和不连续点的数目都为有限这样一个不太严格的限制条件。通分和不连续点的数目都为有限这样一个不太严格的限制条件。通过傅氏级数可以重新合成原函数，即已知周期过傅氏级数可以重新合成原函数，即已知周期T T和振幅，通过式和振幅，通过式(2-1)(2-1)求和能够得到时间函数求和能够得到时间函数g(t)g(t)。l一个一个持续时间有限的数据信号持续时间有限的数据信号可以想象成它一遍又一遍地无限重可以想象成它一遍又一遍地无限重复整个模式，即假定从复整个模式，即假定从T T到到2 2T T的区间模式等同于区间

13、的区间模式等同于区间0 0到到T T，从从2 2T T到到3 3T T的区间模式又等同于区间的区间模式又等同于区间T T到到2 2T T，如此等等。如此等等。授课教师 马常霞03-04学年二学期112.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.1 2.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号傅里叶分析和有限带宽信号将式将式(2-1)(2-1)两边同乘两边同乘sin(2sin(2 kftkft)，然后从然后从0 0到到T T积分，可得振幅积分，可得振幅a an n，因因为：为：和式中，除和式中，除a an n外，外，b bn n消失。类似地，用消失。类似地，用coscos(2(2 kft

14、kft)乘式乘式(2-1)(2-1)两边，两边，然后从然后从0 0到到T T积分，可得振幅积分，可得振幅b bn n。另外，直接对式另外，直接对式(2-1)(2-1)两边从两边从0 0到到T T积分，即可得到积分，即可得到C C。执行上述运算的结果如下：执行上述运算的结果如下：授课教师 马常霞03-04学年二学期122.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.1 2.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号傅里叶分析和有限带宽信号 现在我们再回到一个现在我们再回到一个持续时间有限的数据信号持续时间有限的数据信号的条件。的条件。假定传送一个假定传送一个8比特字节编码的比特字节编码的AS

15、CII字符字符“b“，待传待传的位模式是的位模式是01100010。图。图2-4(a)左边示出了计算机发送左边示出了计算机发送该字符时的输出电压，对此信号对应的周期函数该字符时的输出电压，对此信号对应的周期函数g(t)进进行傅氏变换可得到下列系数：行傅氏变换可得到下列系数：授课教师 马常霞03-04学年二学期132.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.1 2.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号傅里叶分析和有限带宽信号l若干个低次谐波幅度的方均根值示于图若干个低次谐波幅度的方均根值示于图2-1(a)的右部。计算这些方均根值的右部。计算这些方均根值是因为它们的平方与相应频率的谐

16、波所传送的能量成正比。计算振幅的是因为它们的平方与相应频率的谐波所传送的能量成正比。计算振幅的方均根值公式是：方均根值公式是：例如，图示中的一次谐波振幅的方均根值为例如，图示中的一次谐波振幅的方均根值为0.244，2次谐波振幅的方均次谐波振幅的方均根值为根值为0.503，3至至8次谐波振幅的方均根值分别为次谐波振幅的方均根值分别为0.197，0.160，0.118，0.168，0.035和和0。授课教师 马常霞03-04学年二学期142.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.1 2.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号傅里叶分析和有限带宽信号 授课教师 马常霞03-04学年二学

17、期15 2.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.1 2.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号傅里叶分析和有限带宽信号l所有传输设施在传输信号过程中都将损失一些能量。如果所有傅所有传输设施在传输信号过程中都将损失一些能量。如果所有傅里叶分量被等量衰减，那么结果信号虽在振幅上有所衰减，但没里叶分量被等量衰减，那么结果信号虽在振幅上有所衰减，但没有畸变，在我们的示例中即可在接收端得到与图有畸变，在我们的示例中即可在接收端得到与图2-1(a)完全相同完全相同的标准方波。然而，实际的传输设施对不同的傅里叶分量衰减程的标准方波。然而，实际的传输设施对不同的傅里叶分量衰减程度不同，因而输出

18、信号发生畸变，通常频率度不同，因而输出信号发生畸变，通常频率0到到fc(截止频率，以截止频率，以赫兹即赫兹即HZ为单位为单位)范围内的谐波在传输过程中无衰减，而截止频范围内的谐波在传输过程中无衰减，而截止频率以上的所有谐波在传输过程中衰减极大。这种现象既可由传输率以上的所有谐波在传输过程中衰减极大。这种现象既可由传输媒体的物理特性引起，也可能是由于人们有意在线路中安装了一媒体的物理特性引起，也可能是由于人们有意在线路中安装了一个滤波器来限制每个用户使用的带宽。个滤波器来限制每个用户使用的带宽。l现在让我们看一看如果带宽低到仅允许最低几次谐波通过，亦即现在让我们看一看如果带宽低到仅允许最低几次谐

19、波通过，亦即式式(2-1)(2-1)只取前几项近似值，图只取前几项近似值，图2-1(2-1(a)a)中的信号将是什么样子。中的信号将是什么样子。图图2-1(2-1(b)b)画出了信道仅允许画出了信道仅允许1 1次谐波通过时的情形。类似地，图次谐波通过时的情形。类似地，图2-1(2-1(c)-(e)c)-(e)为信道带宽较宽时得到的频谱及合成函数。为信道带宽较宽时得到的频谱及合成函数。授课教师 马常霞03-04学年二学期162.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.1 2.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号傅里叶分析和有限带宽信号l发送字符所需的时间发送字符所需的时间T取决于编

20、码方法和信号取决于编码方法和信号频率频率(每秒信号值，比如电压每秒信号值，比如电压,改变的次数改变的次数)。每。每秒信号变化的次数以波特秒信号变化的次数以波特(baud)度量。一个以度量。一个以b波特传送信号的线路，其传送二进制数据的波特传送信号的线路，其传送二进制数据的速率不一定是速率不一定是b比特比特/s，因为每个信号可以运载因为每个信号可以运载几个比特。例如，若使用几个比特。例如，若使用0、1、2、3、4、5、6和和7共共8个电平级，则每个信号值可代表个电平级，则每个信号值可代表3个比个比特，因而这种条件下比特率将是波特数的特，因而这种条件下比特率将是波特数的3倍。倍。授课教师 马常霞0

21、3-04学年二学期172.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.1 2.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号傅里叶分析和有限带宽信号l让我们再回到以传送让我们再回到以传送1 1个字符个字符8 8位组时间长度为周期位组时间长度为周期T T的傅氏分析。的傅氏分析。假定比特率为假定比特率为b b比特比特/s s，发送发送8 8比特信息所需的时间就是比特信息所需的时间就是(8/8/b b)秒秒，故单值函数故单值函数g(t)g(t)的的1 1次谐波的频率即次谐波的频率即f=1/Tf=1/T是是(b/8b/8)周期周期/秒秒(周期周期/秒也称赫兹即秒也称赫兹即H HZ Z)。普通的电话线路

22、常称话音级线路，截止频率大普通的电话线路常称话音级线路，截止频率大约为约为30003000H HZ Z，这就意味着允许通过的最高简单正弦或余弦周期信这就意味着允许通过的最高简单正弦或余弦周期信号的频率是号的频率是30003000H HZ Z，根据根据(2-1)(2-1)，角频率，角频率=2=2 nfnf，现在现在nfnf=3000=3000，f=b/8f=b/8，因此，允许通过最高次谐波的次数大约是因此，允许通过最高次谐波的次数大约是(因为不是锐截因为不是锐截止止)对于一些常用的数据传输的比特率、基本周期、对于一些常用的数据传输的比特率、基本周期、1 1次谐波频率和次谐波频率和最高谐波次数之间

23、的关系如表最高谐波次数之间的关系如表2-12-1所示。所示。授课教师 马常霞03-04学年二学期18 2.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.1 2.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号傅里叶分析和有限带宽信号 授课教师 马常霞03-04学年二学期19 2.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.1 2.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号傅里叶分析和有限带宽信号l从这些数字可以清楚地看出：如果在一条话音从这些数字可以清楚地看出：如果在一条话音级线路上以级线路上以9600bit/s的速率传输数据，最高次的速率传输数据，最高次谐波的次数仅为谐波的次数仅为2，图，图

24、2-1(a)所示的波形将变为所示的波形将变为图图2-1(c)所示波形，故不可能精确地收到原位所示波形，故不可能精确地收到原位串，显然，即使传输设备完全没有噪声，数据串，显然，即使传输设备完全没有噪声，数据传输高于传输高于38.4Kbit/s时也不可能得到二进制信时也不可能得到二进制信号。限制带宽就是限制数据传输率，即使对理号。限制带宽就是限制数据传输率，即使对理想的信道也是如此。不过，想的信道也是如此。不过，存在多电平的复杂存在多电平的复杂编码法，用它可得到较高的数据传输率。编码法，用它可得到较高的数据传输率。授课教师 马常霞03-04学年二学期20 2.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输

25、的基础知识 2.1.2 2.1.2 信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率 l早在早在1924年，奈魁斯特年，奈魁斯特(Nyguist,H)就认识到信道对于就认识到信道对于数据传输率的限制，并推导出了一个数据传输率的限制，并推导出了一个有限带宽无噪声有限带宽无噪声信道的最大数据传输率表达式信道的最大数据传输率表达式。奈魁斯特证明，如果。奈魁斯特证明，如果一个任意的信号通过带宽为一个任意的信号通过带宽为H的低通滤波器，那么每的低通滤波器，那么每秒采样秒采样2H次就能完整地重现通过这个滤波器的信号。次就能完整地重现通过这个滤波器的信号。以每秒高于以每秒高于2H次的速度对此线路采样是无意义的，因次

26、的速度对此线路采样是无意义的，因为高频的分量已被滤波器滤掉，无法再恢复了。为高频的分量已被滤波器滤掉，无法再恢复了。如果如果被传信号电平分为被传信号电平分为V级，奈氏定理表明：最大数据传级，奈氏定理表明：最大数据传输率输率=2HlbV(bit/s)。例如，一个无噪声的例如，一个无噪声的3KHZ信道不信道不能以高于能以高于6000bit/s的速率传输二元的速率传输二元(即两级即两级)电平信号。电平信号。授课教师 马常霞03-04学年二学期21 2.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.2 2.1.2 信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率 l到目前为止，我们仅考虑了无噪声信

27、道。如果有噪声到目前为止，我们仅考虑了无噪声信道。如果有噪声存在，情形会急剧变坏。噪声通常以信号功率和噪声存在，情形会急剧变坏。噪声通常以信号功率和噪声功率之比来度量，这个比值叫做信噪比。如果用功率之比来度量，这个比值叫做信噪比。如果用S表示表示信号功率，信号功率，N表示噪声功率，则信噪比为表示噪声功率，则信噪比为S/N。通常，通常，我们并不使用信噪比本身，而是使用我们并不使用信噪比本身，而是使用10lg S/N，其单位其单位为分贝为分贝(dB)，如果如果S/N为为10，则是，则是10dB，S/N为为100则则是是20dB，S/N为为1000是是30dB，依此类推。立体声放大依此类推。立体声放

28、大器生产厂家常用两端的器生产厂家常用两端的3dB点来定义带宽点来定义带宽(频率范围频率范围)，在这两点之间的频率范围内，其产品是线性的；在在这两点之间的频率范围内，其产品是线性的；在3dB点以外，放大系数减半（点以外，放大系数减半（10lg 2 3）。授课教师 马常霞03-04学年二学期22 2.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.2 2.1.2 信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率 l通信系统中所遇到的噪声可以分为两类：通信系统中所遇到的噪声可以分为两类：系统外的系统外的噪声；噪声；系统内部产生的噪声。第类噪声还可进一系统内部产生的噪声。第类噪声还可进一步分为人为和

29、非人为干扰。人为干扰可由电机的点火步分为人为和非人为干扰。人为干扰可由电机的点火系统、换流器、开关接触不良、荧光灯等引入。非人系统、换流器、开关接触不良、荧光灯等引入。非人为干扰包括各种形式的大气噪声。雷电或来自银河系为干扰包括各种形式的大气噪声。雷电或来自银河系的宇宙辐射是主要的大气噪声，后者又是射电天文学的宇宙辐射是主要的大气噪声，后者又是射电天文学所研究的信号源。所研究的信号源。l限制通信系统性能的基本因素是系统本身内部的噪声。限制通信系统性能的基本因素是系统本身内部的噪声。这类噪声基本上有两种成因，即任何温度在绝对零度这类噪声基本上有两种成因，即任何温度在绝对零度以上的物体中的电子均有

30、随机的热运动。真空器件中以上的物体中的电子均有随机的热运动。真空器件中的电流或半导体器件内的越结电流中均有统计起伏的的电流或半导体器件内的越结电流中均有统计起伏的变化。变化。授课教师 马常霞03-04学年二学期23 2.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.2 2.1.2 信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率 l19481948年，仙农年，仙农(Shannon,C.E)Shannon,C.E)把奈魁斯特的结论进一步扩展到把奈魁斯特的结论进一步扩展到受随机受随机(热热)噪声影响的信号。他的关于噪音信道的主要结论是：噪声影响的信号。他的关于噪音信道的主要结论是：对任何带宽为

31、对任何带宽为H H HzHz、信噪比为、信噪比为S/NS/N的信道：的信道：最大数据传输速率（最大数据传输速率（b/s)=Hlogb/s)=Hlog2 2(1+S/N)(1+S/N)仙农公式仙农公式表明，信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息表明，信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。从仙农公式可看出，若信道带宽的极限传输速率就越高。从仙农公式可看出，若信道带宽H H或信或信噪比噪比S/NS/N没有上限（实际的信道当然不可能是这样的），那么信没有上限（实际的信道当然不可能是这样的），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。仙农的结论是应用信息论道的极限信息传输速率

32、也就没有上限。仙农的结论是应用信息论原理推导出来的，适用范围很广。要想超越这一结论可以认为想原理推导出来的，适用范围很广。要想超越这一结论可以认为想要发明永动机。应该注意的是，这是一个上限。实际上要接近仙要发明永动机。应该注意的是，这是一个上限。实际上要接近仙农极限也是很困难的农极限也是很困难的。授课教师 马常霞03-04学年二学期24 2.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识 2.1.2 2.1.2 信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率 l自从仙农公式发表以后，各种新的信号处理和调制的自从仙农公式发表以后，各种新的信号处理和调制的方法不断出现，其目的都是为了接近仙农公式所给出

33、方法不断出现，其目的都是为了接近仙农公式所给出的传输速率极限。在实际信道上能够达到的信息传输的传输速率极限。在实际信道上能够达到的信息传输速率要比仙农的极限传输速率低不少。这是因为在实速率要比仙农的极限传输速率低不少。这是因为在实际的信道中，信号还要受到其他的一些损伤，如各种际的信道中，信号还要受到其他的一些损伤，如各种系统外的噪声干扰以及在传输和处理中产生的其他失系统外的噪声干扰以及在传输和处理中产生的其他失真等。这些因素在仙农公式的推导过程中并未考虑。真等。这些因素在仙农公式的推导过程中并未考虑。授课教师 马常霞03-04学年二学期25 2.1 2.1 数据传输的基础知识数据传输的基础知识

34、 2.1.2 2.1.2 信道的最大数据传输率信道的最大数据传输率 l由于波特率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就由于波特率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个信号码元能携带更多个比特的信息量。这就需必须设法使每一个信号码元能携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制的调制方法。例如，当采用要采用多元制的调制方法。例如，当采用1616元制时，一个码元可元制时，一个码元可携带携带4 4个比特的信息。一个标准电话话路的频带为个比特的信息。一个标准电话话路的频带为300300 34003400HzHz，即带宽为即带宽为31003100HzHz。在这频带中接近理想

35、信道的也就是靠中间的一在这频带中接近理想信道的也就是靠中间的一段，其带宽约为段，其带宽约为24002400HzHz左右。如使信号的传输速率为左右。如使信号的传输速率为24002400波特，波特，通过通过4 4位位/波特调制，则信息的传输速率可达到波特调制，则信息的传输速率可达到96009600bit/sbit/s。从仙从仙农公式可以很容易地计算出在这种情况下所需信噪比的最低值。农公式可以很容易地计算出在这种情况下所需信噪比的最低值。但应注意，对于实际的信道所需的信噪比要比这个最低值还要高但应注意，对于实际的信道所需的信噪比要比这个最低值还要高不少。不少。l对于对于3.13.1kHzkHz带宽的

36、标准电话信道，如果信噪比带宽的标准电话信道，如果信噪比S/N=2500S/N=2500，那么由那么由仙农公式可以知道，无论采用何种先进的编码技术，信息的传输仙农公式可以知道，无论采用何种先进的编码技术，信息的传输速率一定不可能超过由仙农公式算出的极限数值，即速率一定不可能超过由仙农公式算出的极限数值，即3500035000bit/sbit/s左右。目前的编码技术水平与此极限数值相比，差距已经很小了。左右。目前的编码技术水平与此极限数值相比，差距已经很小了。授课教师 马常霞03-04学年二学期26 2.2 2.2 传输媒体传输媒体l传输介质是在数据传输系统中位于发送设备和接收设传输介质是在数据传

37、输系统中位于发送设备和接收设备之间的物理通路。数据传输的特征和质量是由介质备之间的物理通路。数据传输的特征和质量是由介质的特征和信号的特征两个方面决定的。在导线介质的的特征和信号的特征两个方面决定的。在导线介质的情况下，介质本身在确定传输限制方面起更重要的作情况下，介质本身在确定传输限制方面起更重要的作用。对于非导线介质，由发射天线产生的信号带宽在用。对于非导线介质，由发射天线产生的信号带宽在确定传输特征方面比介质更为重要。由天线发射的信确定传输特征方面比介质更为重要。由天线发射的信号的一个关键特性是方向性。一般说来，低频信号是号的一个关键特性是方向性。一般说来，低频信号是全向的，亦即从天线发

38、出的信号在所有的方向上传播。全向的，亦即从天线发出的信号在所有的方向上传播。在高频的发射中，信号可以被集中到一个定向的射束。在高频的发射中，信号可以被集中到一个定向的射束。l在现实的世界中，有多种物理介质可用于实际的传输，在现实的世界中，有多种物理介质可用于实际的传输，每一种物理介质在带宽、延迟、成本和安装维护难度每一种物理介质在带宽、延迟、成本和安装维护难度上都不相同。上都不相同。授课教师 马常霞03-04学年二学期27 2.2 2.2 传输媒体传输媒体 2.2.1 2.2.1 双绞线双绞线l无论是传输模拟数据还是传输数字数据，最普通的传无论是传输模拟数据还是传输数字数据，最普通的传输介质是

39、双绞线。双绞线由两条互相绝缘的铜线组成，输介质是双绞线。双绞线由两条互相绝缘的铜线组成，其典型粗细为直径其典型粗细为直径1mm，这两条线像螺纹一样拧在一这两条线像螺纹一样拧在一起，这样可以减少邻近线路的电气干扰。双绞线最常起，这样可以减少邻近线路的电气干扰。双绞线最常见的应用是电话系统。几乎所有的电话都通过双绞线见的应用是电话系统。几乎所有的电话都通过双绞线连接到电话局。双绞线传输信号可以几公里不需要放连接到电话局。双绞线传输信号可以几公里不需要放大，更远的距离就要使用中继设备了。当有许多双绞大，更远的距离就要使用中继设备了。当有许多双绞线并行走线太长时，例如在一座公寓里连往电话局的线并行走线

40、太长时，例如在一座公寓里连往电话局的所有导线应扎成束，并包封在护套中。在电话线架设所有导线应扎成束，并包封在护套中。在电话线架设在地面电线杆子上的地区，常常可以看到直径为几厘在地面电线杆子上的地区，常常可以看到直径为几厘米的线束。米的线束。授课教师 马常霞03-04学年二学期282.2 2.2 传输媒体传输媒体2.2.1 2.2.1 双绞线双绞线l双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输距离，但在许双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输距离，但在许多情况下，几公里范围内的传输速率可以达到几兆多情况下，几公里范围内的传输速率可以达到几兆bps，由于其性能较好又价格便宜，双绞线很有可能还要被由于其性能较好又

41、价格便宜，双绞线很有可能还要被持续使用多年。持续使用多年。l双绞线可以分为两种：非屏蔽和屏蔽。非屏蔽双绞线双绞线可以分为两种：非屏蔽和屏蔽。非屏蔽双绞线电缆由多对双绞线和一个塑料外皮构成。如图电缆由多对双绞线和一个塑料外皮构成。如图2-2所示。所示。非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP)易受外部干扰，包括来自环境噪音易受外部干扰，包括来自环境噪音与附近的双绞线；但由于其价格低廉且易于安装和使与附近的双绞线；但由于其价格低廉且易于安装和使用，所以应用非常广泛。在建筑物内部，作为局域网用，所以应用非常广泛。在建筑物内部，作为局域网传输介质而被普遍使用的传输介质而被普遍使用的UTP电缆的最大长度一般限电

42、缆的最大长度一般限制在制在100米之内。米之内。授课教师 马常霞03-04学年二学期292.2 2.2 传输媒体传输媒体2.2.1 2.2.1 双绞线双绞线 授课教师 马常霞03-04学年二学期302.2 2.2 传输媒体传输媒体2.2.1 2.2.1 双绞线双绞线l屏蔽双绞线电缆的内部与非屏蔽双绞线电缆一屏蔽双绞线电缆的内部与非屏蔽双绞线电缆一样是双绞铜线，外层由铝箔包着，如图样是双绞铜线，外层由铝箔包着，如图2-3所所示。屏蔽双绞线示。屏蔽双绞线(STP)在抗干扰方面优于在抗干扰方面优于UTP，但它相对来讲要贵一些，并且需要配有支持屏但它相对来讲要贵一些，并且需要配有支持屏蔽功能的特殊连接

43、器和相应的安装技术。屏蔽蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。屏蔽双绞线在低速时提供良好的性能。屏蔽双绞线双绞线在低速时提供良好的性能。屏蔽双绞线除了用于除了用于IBM网络产品安装网络产品安装(当今主要采用当今主要采用16Mbps速率速率)外，并未普遍流行起来。外，并未普遍流行起来。授课教师 马常霞03-04学年二学期312.2 2.2 传输媒体传输媒体2.2.1 2.2.1 双绞线双绞线 授课教师 马常霞03-04学年二学期322.2 2.2 传输媒体传输媒体2.2.1 2.2.1 双绞线双绞线l19911991年，美国电子工业协会年，美国电子工业协会(EIA)EIA)颁布了颁布了EIA-56

44、8EIA-568标准，即商业大标准，即商业大楼的通信布线标准。楼的通信布线标准。EIA-568-AEIA-568-A有三种有三种UTPUTP电缆。电缆。3 3类类：UTPUTP电缆及其端接设备的传输特性定义为电缆及其端接设备的传输特性定义为1616MHMHZ Z。4 4类类：UTPUTP电缆及其端接设备的传输特性定义为电缆及其端接设备的传输特性定义为2020MHMHZ Z。5 5类类：UTPUTP电缆及其端接设备的传输特性定义为电缆及其端接设备的传输特性定义为100100MHMHZ Z。3 3类类UTPUTP电缆对应于在大多数办公楼里大量使用的话音级电缆；电缆对应于在大多数办公楼里大量使用的话

45、音级电缆；在有限的距离内，经过适当的设计，数据速率可以达到在有限的距离内，经过适当的设计，数据速率可以达到1616MbpsMbps。5 5类类是数字级电缆，现正成为新建大楼的预装设施；在一定的范是数字级电缆，现正成为新建大楼的预装设施；在一定的范围内，经过适当的设计，围内，经过适当的设计，5 5类电缆可以达到类电缆可以达到100100MbpsMbps速率。速率。3 3类和类和5 5类类UTPUTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。5 5类旋类旋得较紧，一般为每英寸得较紧，一般为每英寸3-43-4转，而转，而3 3类则一般是每英尺类则一般是每英尺3-43

46、-4转；旋转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。得越紧，价格越贵，但性能也好得多。授课教师 马常霞03-04学年二学期33 2.2 2.2 传输媒体传输媒体 2.2.2 2.2.2 同轴电缆同轴电缆l同轴电缆由绕同一轴线的两个导体所组成。如图同轴电缆由绕同一轴线的两个导体所组成。如图2-42-4所示，它以所示，它以硬铜线为芯，外裹一层绝缘材料，这层绝缘体外面又被密集的网硬铜线为芯，外裹一层绝缘材料，这层绝缘体外面又被密集的网状导体所环绕，网外又覆盖一个保护性塑料层。状导体所环绕，网外又覆盖一个保护性塑料层。授课教师 马常霞03-04学年二学期34 2.2 2.2 传输媒体传输媒体 2.2.2

47、 2.2.2 同轴电缆同轴电缆l同轴电缆的这种结构，使它具有比双绞线更好的抗干同轴电缆的这种结构，使它具有比双绞线更好的抗干扰性能。它可以传输比双绞线更长的距离，连接更多扰性能。它可以传输比双绞线更长的距离，连接更多的工作站。同轴电缆的带宽取决于电缆长度，的工作站。同轴电缆的带宽取决于电缆长度，1km的的电缆可以达到电缆可以达到1Gb/s至至2Gb/s的数据传输速率。同轴电的数据传输速率。同轴电缆曾在电路系统中广泛使用，现在已大量被光纤所代缆曾在电路系统中广泛使用，现在已大量被光纤所代替。但是，现在同轴电缆仍被广泛地用于有线电视和替。但是，现在同轴电缆仍被广泛地用于有线电视和某些局域网。有两种

48、广泛使用的同轴电缆。一种是某些局域网。有两种广泛使用的同轴电缆。一种是50 电缆，用于基带数字传输，另一种是电缆，用于基带数字传输，另一种是75 电缆，用电缆，用于宽带模拟传输。于宽带模拟传输。“宽带宽带”这个词来源于电话业，指这个词来源于电话业，指比比4KHZ宽的频带；然而在计算机网络中，宽的频带；然而在计算机网络中，“宽带电缆宽带电缆”是指使用模拟信号传输数字数据的较宽频带的电缆。是指使用模拟信号传输数字数据的较宽频带的电缆。授课教师 马常霞03-04学年二学期35 2.2 2.2 传输媒体传输媒体 2.2.2 2.2.2 同轴电缆同轴电缆l基带电缆使用数字信号，在这种情况下，信号占据整个

49、频宽，电基带电缆使用数字信号，在这种情况下，信号占据整个频宽，电缆上只有一个信道。基带电缆主要用于局域以太网，并使用曼彻缆上只有一个信道。基带电缆主要用于局域以太网，并使用曼彻斯特编码，数据速率一般是斯特编码，数据速率一般是10Mbps。宽带电缆使用标准的有线宽带电缆使用标准的有线电视技术，频带可高达电视技术，频带可高达300450MHZ。由于使用模拟信号，传由于使用模拟信号，传输距离可以达到输距离可以达到100公里。为了在模拟网上传输数字信号，需要公里。为了在模拟网上传输数字信号，需要在接口处安放一个电子设备，用以把进入网络的比特流转换为模在接口处安放一个电子设备，用以把进入网络的比特流转换

50、为模拟信号，并把网络输出的信号再转换成比特流。取决于这些电子拟信号，并把网络输出的信号再转换成比特流。取决于这些电子设备的类型，设备的类型，1bps占据大约占据大约1HZ的带宽。使用先进的调制技术，的带宽。使用先进的调制技术，可以达到每赫兹多个比特。宽带系统又分为多个信道，电视广播可以达到每赫兹多个比特。宽带系统又分为多个信道，电视广播通常占用通常占用6MHZ信道。每个信道可用于模拟电视、信道。每个信道可用于模拟电视、CD质量声音质量声音(1.4Mb/s)或或3Mb/s的数字比特流。电视和数据可在一条电缆上混的数字比特流。电视和数据可在一条电缆上混合传输合传输。授课教师 马常霞03-04学年二