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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
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3.3 导向传输媒体
• 传输媒体分两大类：导向传输媒体和非导 向传输媒体 • 导向传输媒体 指有线媒体，电磁波被导 向沿着固体媒体传播，包括双绞线、同轴 电缆、光缆。 • 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。
4、有线信道和无线信道 • 按照信道采用传输媒体的不同分为 • 有线信道 以有形的导向传输媒体(如双绞线、 同轴电缆、光缆)为传输媒体的信道。 • 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。 • 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。
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3.3.1 双绞线(续1) 双绞电缆的种类
UTP 无屏蔽双绞缆 2011年1月3日星期一 SFTP 屏蔽金属箔双绞电缆
FTP 屏蔽双绞缆 STP 屏蔽双绞电缆
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3.3.1 双绞线(续2) • 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。 • 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。
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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
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3.2 信道容量
• 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。 • 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).
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3.2.1 模拟信道的信道容量 • 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
C = Blb (1 + S ) N
(b/s) (3-1)
• 上式中，B是信道带宽，以Hz为单位；S/N是平均信号 噪声功率比,S为信号功率，N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)。
分米波
微波(Microwave)
超短波 Metri 短波SW c wave
中波MW
长波LW 甚长波 特长波 超长波 极长波
射频波段
1~ 波长λ 0.1 ~ 1mm 1 ~ 10mm 1 ~ 10cm 10~100cm 1 ~ 10m 10~100m 100~1000m 10 10~100km 100~1000km 103~104km k m
108
109
1010 卫星
1011 1012
1013
1014
1015 光纤
1016
地面微波
调幅 海事 无线电 无线电 波段
调频 移动 无线电 无线电 电视
LF
MF
HF
VHF UHF SHF
EHF THF
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表1 电磁波频（波）段的划分
波段名
亚毫米波 Sub mm
毫米波
厘米波
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• 连接需用专用设备。 • 目前光电接口较贵，但价格在逐年下降。
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3.3.3 光缆(续2) 光线在光纤中的折射
包层 纤芯 折射角 包层 （低折射率的媒体）
入射角
纤芯 （直径只有2至120µm （1 µm = 10–6m ）高 折射率的媒体）
• 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。
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3.3.2 同轴电缆(续1) 同轴电缆的结构
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3.3.2 同轴电缆(续2) 同轴电缆的特性
• 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。 • 特性阻抗 • 衰减常数 • 传输速度
Z0 = L 138 b = lg C a εr
MF中频
LF低频 VLF甚低频 ULF特低频 SLF超低频 ELF极低
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3.3.1 双绞线
• 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。 • 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。 • 带宽依赖于线的粗细和传输距离。 • 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。
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3.2.1 模拟信道的信道容量(续1)
香农公式的重要结论：
(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C并不会趋向于无限大，而是趋于常数 1.44S/n0。 这里 n0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I=TBlb(1+S/N)。说明B和T之间也存在某种互换关系。
数据通信与计算机网络 刘润杰
2007年9月
数据通信与计算机网络
第 3 章 数据传输信道
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第 3 章 数据传输信道
教学目的
了解信道的定义和 分类 掌握各种传输媒体 的传输特性 掌握传输媒体对传 输质量的影响
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学习内容
信道概述 信道容量 导向传输媒体 无线传输
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3.3.3 光缆(续3)
三种实用光纤
• 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。 • 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，适用于中容量中距离通信。 • 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1～10μm)，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。
源 点 编 码 器 调 制 器 载 波 机 传输 系统 狭义 信道 广义信道（调制信道） 广义信道（编码信道）
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载 波 机
解 码 器
解 调 器
终 点
3.1.1 传输信道(续1) • 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)。 • 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。
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3.3 导向传输媒体(续1)
电信领域使用的电磁波的频谱
0 f (Hz) 10
102
104
106 无线电
108
1010
1012
1014
1016
1018
1020
1022
1024 γ 射线
微波
红外线 可见光 紫外线
X射线
4 f (Hz) 10
105 双绞线
106
107 同轴电缆
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3.3.3 光缆
• 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。 • 光纤是一种新型的光波导。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(d<125µm) 纤芯(d=2-120µm)
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3.3.2 同轴电缆
• 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。 • 同轴电缆具有寿命长、容量大、传输稳定、外 界干扰小、维护方便等优点。
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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
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3.1 信道概述
• 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，可定义不同类型的广义信道。如调制信道、编码 信道等。 • 狭义信道 仅指传输媒体的信道。
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3.1.2 信道分类(续1)
2、单工、半双工和全双工信道 • 按照信道上信号传送方向与时间的关系分为： • 单工信道 • 半双工信道 • 全双工信道 3、专(租)用信道和公用信道 • 按照使用信道的方法分为： • 专用信道 • 公用信道