第3章数据传输信道PPT讲稿.ppt
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1、第3章数据传输信道1第1页,共62页,编辑于2022年,星期一数据通信与计算机网络第 3 章数据传输信道2第2页,共62页,编辑于2022年,星期一第 3 章 数据传输信道教学目的n了解信道的定义和分类n掌握各种传输媒体的传输特性n掌握传输媒体对传输质量的影响学习内容n信道概述n信道容量n导向传输媒体n无线传输3第3页,共62页,编辑于2022年,星期一第3章:内容提纲3.1 信道概述3.2 信道容量3.3 导向传输媒体3.4 无线传输4第4页,共62页,编辑于2022年,星期一3.1 信道概述n广义信道 将传输媒体和完成各种形式的变换功能的设备都包含在内的信道。根据具体的研究对象和关心的问题
2、,可定义不同类型的广义信道。如调制信道、编码信道等。n狭义信道 仅指传输媒体的信道。广义信道(编码信道)狭义信道广义信道(调制信道)5第5页,共62页,编辑于2022年,星期一3.1.1 传输信道(续1)n信道的功能具有两面性:它既为信号提供传输通路,又对信号造成损害(如衰减和畸变)。n信道和电路是两个不同的概念。它是电路的逻辑部件。通常用来表示某一个方向传送信息的媒体,一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。6第6页,共62页,编辑于2022年,星期一3.1.2 信道分类1、模拟信道和数字信道n模拟信道 允许传输波形连续变化的模拟信号的信道。其传输特性可用等效的四端网络传输函数 来表
3、示。模拟信道又可分为恒参信道和变参信道。其质量可用失真和输出信噪比来衡量。n数字信道 只允许传输离散取值的数字信号的信道。其质量可用差错率和差错序列的统计特性来衡量。7第7页,共62页,编辑于2022年,星期一3.1.2 信道分类(续1)2、单工、半双工和全双工信道n按照信道上信号传送方向与时间的关系分为:n单工信道n半双工信道n全双工信道3、专(租)用信道和公用信道n按照使用信道的方法分为:n专用信道n公用信道8第8页,共62页,编辑于2022年,星期一3.1.2 信道分类(续2)4、有线信道和无线信道n按照信道采用传输媒体的不同分为n有线信道 以有形的导向传输媒体(如双绞线、同轴电缆、光缆
4、)为传输媒体的信道。n无线信道 以非导向传输媒体(如宇宙空间)为传输媒体的信道。n利用现有信道来实现数据传输是一种既经济又可行的方案,但必须了解现有信道的特点,以及它对传输数据信号的影响和限制。9第9页,共62页,编辑于2022年,星期一第3章:内容提纲3.1 信道概述3.2 信道容量3.3 导向传输媒体3.4 无线传输10第10页,共62页,编辑于2022年,星期一3.2 信道容量n对于给定的信道环境,传输速率与误码率有何关系?或者说,在一定的误码率条件下,传输速率是否存在一个极限值?信息论证明了这个极限值的存在,并称其为信道容量。n信道容量 对于给定的信道环境,在传输差错率(即误码率)趋向
5、零的情况下,单位时间内可以传输的信息量。或者信道容量是信道在单位时间里所能传输的最大速率。其单位是比特/秒(bit/s).11第11页,共62页,编辑于2022年,星期一3.2.1 模拟信道的信道容量n香农定律指出:在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中,计算信道容量的理论公式为(3-1)(b/s)n上式中,是信道带宽,以Hz为单位;是平均信号噪声功率比,为信号功率,为噪声功率。这里的噪声为正态分布的加性高斯白噪声。高斯白噪声在整个频域具有均匀分布的功率谱密度及噪声的概率密度函数服从高斯分布(正态分布)。12第12页,共62页,编辑于2022年,星期一3.2.1 模拟信道的信道容量(续1)香农公
6、式的重要结论:(1)任何一条信道都有其信道容量。如信源的传输速率小于或等于信道容量,则理论上就存在一种编码方法,使得进行无差错传输。(2)信道容量与带宽和信噪比有关。这意味着增加带宽可以提高信道容量,从而改善通信质量。这就是常用的带宽互换功率的方法。编码和调制是实现带宽与信噪比互换的手段。(3)如果B,则信道容量 并不会趋向于无限大,而是趋于常数 。这里 为单位频带内的噪声功率。(4)如考虑到信道容量是传输的信息量与传输时间之比,则香农公式可改写为 。说明B和T之间也存在某种互换关系。13第13页,共62页,编辑于2022年,星期一3.2.2 数字信道的信道容量n奈奎斯特认为,即使是理想信道(
7、无噪声、无码间干扰),它的传输能力也是有限的。对于一条有限带宽、无噪声的理想信道信道容量的计算公式(3-5)n上式表明,对于给定的带宽可以通过增加信号取值的状态数来提高信道容量。但这将会加重接收器的负担。也即在每个信号码元时间内,必须从M个可能的状态中区分出一个状态来。同时,传输线上的噪声和其他损伤也将会限制的实际取值。14第14页,共62页,编辑于2022年,星期一第3章:内容提纲3.1 信道概述3.2 信道容量3.3 导向传输媒体3.4 无线传输15第15页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3 导向传输媒体n传输媒体分两大类:导向传输媒体和非导向传输媒体n导向传输媒体 指有线媒体,电
8、磁波被导向沿着固体媒体传播,包括双绞线、同轴电缆、光缆。n非导向传输媒体 指无线媒体,电磁波在自由空间中传播,包括短波、微波、卫星通信、红外通信等。16第16页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3 导向传输媒体(续1)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(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1
9、018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱17第17页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.1 双绞线n把两根互相绝缘的铜导线并排在一起,然后用规则的方法绞合(twist)起来构成。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。多根双绞线再绞合成电缆状。n双绞线既可用于模拟传输,也可用于数据传输。其通信距离一般为几到十几公里。n带宽依赖于线的粗细和传输距离。n商用建筑物电信布线标准EIA/TIA-568-A规定了用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准。常用3类线和5类线。其主要区别在于单位长度的绞合次数不同。18第18页,共62页,编辑于2022年,星期一3
10、.3.1 双绞线(续1)双绞电缆的种类UTP 无屏蔽双绞缆FTP 屏蔽双绞缆SFTP 屏蔽金属箔双绞电缆STP 屏蔽双绞电缆19第19页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.1 双绞线(续2)n近端串扰(指线对间的耦合干扰)是衡量双绞线性能的重要指标。n无论是哪种类别的线,衰减都随频率的升高而增大。使用更粗的导线可以降低衰减,但却增加了导线的价格和重量。使用更大的和更精确的绞合度,就可以获得更高的带宽。20第20页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.1 双绞线(续3)常用的绞合线的类别、带宽和典型应用绞合线类别带宽典型应用316 MHz低速网络;模拟电话420 MHz短距离的10
11、BASE-T以太网5100 MHz10BASE-T以太网;某些100BASE-T快速以太网5E(超5类)100 MHz100BASE-T快速以太网;某些1000BASE-T吉比特以太网6250 MHz1000BASE-T吉比特以太网;ATM网络7600 MHz可能用于今后的10吉比特以太网21第21页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.2 同轴电缆n同轴电缆是一种对地不对称的同轴管,由一个金属园管(外导体)和一根位于园管中心的导线(内导体)所构成。内导体采用半硬铜线,外导体采用软铜带或铝带纵包而成。内外导体间用介质填充,介质可以是空气或聚乙烯等塑料制成的绝缘材料。n同轴电缆具有寿命长、
12、容量大、传输稳定、外界干扰小、维护方便等优点。22第22页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.2 同轴电缆(续1)同轴电缆的结构23第23页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.2 同轴电缆(续2)同轴电缆的特性n同轴电缆应用于较高频率范围时,它的一次参数和二次参数可近似计算。n特性阻抗 n衰减常数 n传输速度 为内导体半径,为外导体半径,是介质的相对介电常数 24第24页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.2 同轴电缆(续3)n同轴电缆按其特性阻抗的不同,主要分为两类:一类是基带同轴电缆(50)。这种同轴电缆用来传送基带信号,其距离可达1km,传输速率为10Mb/s。另
13、一类是宽带同轴电缆(75)。这种同轴电缆可作为有线电视的标准传输电缆,传送频分复用的宽带信号。宽带同轴电缆用于传送模拟信号时,其信号频率可高达300-400MHz,而距离可达100km。n在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体。但随着技术的进步,在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz。25第25页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.3 光缆n在通信领域,信息的传输速率相当于每10年提高100倍。光纤通信已成为现代通信技术中的一个十分重要的领域。n光纤是
14、一种新型的光波导。其结构一般是双层或多层的同心园柱体,由纤芯、包层和护套组成。护套包层(d125m)纤芯(d=2-120m)26第26页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.3 光缆(续1)n光纤通信的优点:n频带宽,容量大。n传输衰耗很小。n在很宽的运用频带范围内,因衰减与频率无关,接收端无需采取均衡措施。n抗干扰能力强,保密性好。n制造原料丰富,且用料极省。n体积小,重量轻,便于施工、扩容。n光纤通信的缺点:n连接需用专用设备。n目前光电接口较贵,但价格在逐年下降。27第27页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.3 光缆(续2)光线在光纤中的折射 纤芯(直径只有2至120m(
15、1 m=106m)高折射率的媒体)折射角入射角 包层(低折射率的媒体)包层纤芯n由于纤芯折射率大于包层的折射率,使得折射角大于入射角。当入射角足够大时,就会引起全反射,光线重新折回纤芯,从而不断向前传播。28第28页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.3 光缆(续3)三种实用光纤n多模突变光纤(又称阶跃光纤)指光纤的纤芯和包层的折射率沿光纤的径向分布是均匀的,而在两者的交界面上发生突变。此类光纤的带宽较窄,适用于小容量短距离通信。n多模渐变光纤 指纤芯的折射率是其半径r的函数n(r),沿着径向随r的增加而逐渐减小,直到达到包层的折射率值为止,而包层内的折射率又是均匀的。此类光纤带宽较宽
16、,适用于中容量中距离通信。n单模光纤 指纤芯中仅传输一种最低模式的光波,由于纤芯直径很小(通常为110m),制作工艺难度大。其折射率分布属于突变型。单模光纤的带宽极宽,适用于大容量远距离通信。29第29页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.3 光缆(续4)实用光纤的传输模式30第30页,共62页,编辑于2022年,星期一3.3.3 光缆(续5)光纤通信系统的光源n发光二极管LED 价格较低,工作温度也较宽,使用寿命长。n注入激光二极管 发光效率高,可支持较高的传输速率。n光纤的接收端采用光敏二极管。当遇到光照射时,它会产生一个电脉冲。由于光敏二极管的典型响应时间为1ns,因而限制传输速
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