China-pub.com 下载 第一部分 数据通信 第2章数据通信基础知识 数据通信是计算机网络的基础，没有数据通信技术的发展，就没有计算机网络的今天。写 这一章的目的是想本书能够由浅入深，使只有少量甚至没有数据通信背景的读者也可以很好地 阅读下去。 本章首先简单介绍数据通信的基本概念和基础理论，然后介绍各种传输介质、多路复用技 术、数据交换技术以及调制解调技术。 2.1基本概念 自古以来人们都在用自已的智慧来解决远距离、快速通信的问题，而衡量人类历史进步的 尺度之一是人与人之间传递信息的能力，尤其是远距离传递消息的能力。例如古代的烽火台 金鼓、旌旗：近代的灯光、旗语；现代的电话、电报、传真和电视等都是传递消息的手段。通 信技术的发展使社会产生了深远的变革，为人类社会带来了巨大的利益。 在当今和未来的信息社会中，通信是人们获取、传递和交换信息的重要手段。随着大规模 集成电路技术、激光技术、空间技术等新型技术的不断发展以及计算机技术的广泛应用，现代 通信技术日新月异。近二三十年来出现的数字通信、卫星通信、光纤通信是现代通信中具有代 表性的新领域。而在这些新领域中，数字通信尤为重要，它是现代通信系统的基础。特别是数 字通信技术和计算机技术的紧密结合可以说是通信发展史上的一次飞跃。本节我们将简单介绍 数字通信的一些基本概念。 2.1.1信号与通信 消息一般是用数据来表示的，而表示消息的数据通常要把它转变为信号进行传递。信号是 消息（或数据）的一种电磁编码，信号中包含了所要传递的消息。 信号一般以时间为自变量，以表示消息（或数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因 变量。信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号。 模拟信号是指信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变量可以 是连续的，也可以是离散的；但其因变量一定是连续的，如图2-1a所示。电视图像信号、语音信 号、温度压力传感器的输出信号以及许多遥感遥测信号都是模拟信号；脉冲振幅调制信号 (PAM)、脉冲相位调制信号(PPM)以及脉冲宽度调制信号(PWM)等也属于模拟信号。 数字信号是指表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号，如图2-1b所
下载 第2章 数据通信基础知识 数据通信是计算机网络的基础，没有数据通信技术的发展，就没有计算机网络的今天。写 这一章的目的是想本书能够由浅入深，使只有少量甚至没有数据通信背景的读者也可以很好地 阅读下去。 本章首先简单介绍数据通信的基本概念和基础理论，然后介绍各种传输介质、多路复用技 术、数据交换技术以及调制解调技术。 2.1 基本概念 自古以来人们都在用自己的智慧来解决远距离、快速通信的问题，而衡量人类历史进步的 尺度之一是人与人之间传递信息的能力，尤其是远距离传递消息的能力。例如古代的烽火台、 金鼓、旌旗；近代的灯光、旗语；现代的电话、电报、传真和电视等都是传递消息的手段。通 信技术的发展使社会产生了深远的变革，为人类社会带来了巨大的利益。 在当今和未来的信息社会中，通信是人们获取、传递和交换信息的重要手段。随着大规模 集成电路技术、激光技术、空间技术等新型技术的不断发展以及计算机技术的广泛应用，现代 通信技术日新月异。近二三十年来出现的数字通信、卫星通信、光纤通信是现代通信中具有代 表性的新领域。而在这些新领域中，数字通信尤为重要，它是现代通信系统的基础。特别是数 字通信技术和计算机技术的紧密结合可以说是通信发展史上的一次飞跃。本节我们将简单介绍 数字通信的一些基本概念。 2.1.1 信号与通信 消息一般是用数据来表示的，而表示消息的数据通常要把它转变为信号进行传递。信号是 消息（或数据）的一种电磁编码，信号中包含了所要传递的消息。 信号一般以时间为自变量，以表示消息（或数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因 变量。信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号。 模拟信号是指信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变量可以 是连续的，也可以是离散的；但其因变量一定是连续的，如图 2 - 1 a所示。电视图像信号、语音信 号、温度压力传感器的输出信号以及许多遥感遥测信号都是模拟信号；脉冲振幅调制信号 （PA M）、脉冲相位调制信号（P P M）以及脉冲宽度调制信号（P W M）等也属于模拟信号。 数字信号是指表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号，如图 2 - 1 b所 第一部分 数 据 通 信
24 第一部分数据通信 China-pub.com 载 示，通常表示为x(T),数字信号的因变量的状态是有限的。计算机数据、数字电话和数字电 视等都是数字信号。 +f x(nl) 1001100111 a)模拟信号 b)数字信号 图21模拟信号和数字信号 虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间并没有存在不可逾越的鸿沟，在一 定条件下它们是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数字信号，而数字 信号也可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号。 通信的任务是将表示消息的信号从发送方（信源）传递到接收方（信宿）。既然信号可分为 模拟信号和数字信号，与之相对应的，通信也可分为模拟通信和数字通信。模拟通信通常是利 用模拟信号来传递消息：而数字通信则是利用数字信号来传递消息。按传送模拟信号而设计的 通信系统称为模拟通信系统，按传送数字信号而设计的通信系统称为数字通信系统。 2.1.2模拟通信 利用模拟信号来传递消息称为模拟通信，普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信。模 拟通信系统的模型如图2-2所示。 信源日 调制器 信道 信道 信宿 噪声源 图2-2模拟通信系统模型 模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。信源所产生的 原始模拟信号一般都要经过调制再通过信道传输（距离很近的有线通信也可以不调制，如市内 电话)。调制器是用发送的消息对载波的某个参数进行调制的设备。解调器是实现上述过程逆变 换的设备。 信道是用来传输表示消息的电信号的介质或通路。它可以是双绞线、同轴电缆、光缆、微 波以及卫星链路等，有时我们将传输介质两端的设备也看作是信道的一部分。 模拟通信系统中的噪声源包括了影响该系统的所有噪声，如脉冲噪声（天电噪声、工业噪 声等)和随机噪声（信道噪声、发送设备噪声、接收设备噪声等）
示，通常表示为 x（n T），数字信号的因变量的状态是有限的。计算机数据、数字电话和数字电 视等都是数字信号。 图2-1 模拟信号和数字信号 虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间并没有存在不可逾越的鸿沟，在一 定条件下它们是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数字信号，而数字 信号也可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号。 通信的任务是将表示消息的信号从发送方（信源）传递到接收方（信宿）。既然信号可分为 模拟信号和数字信号，与之相对应的，通信也可分为模拟通信和数字通信。模拟通信通常是利 用模拟信号来传递消息：而数字通信则是利用数字信号来传递消息。按传送模拟信号而设计的 通信系统称为模拟通信系统，按传送数字信号而设计的通信系统称为数字通信系统。 2.1.2 模拟通信 利用模拟信号来传递消息称为模拟通信，普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信。模 拟通信系统的模型如图2 - 2所示。 图2-2 模拟通信系统模型 模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。信源所产生的 原始模拟信号一般都要经过调制再通过信道传输（距离很近的有线通信也可以不调制，如市内 电话）。调制器是用发送的消息对载波的某个参数进行调制的设备。解调器是实现上述过程逆变 换的设备。 信道是用来传输表示消息的电信号的介质或通路。它可以是双绞线、同轴电缆、光缆、微 波以及卫星链路等，有时我们将传输介质两端的设备也看作是信道的一部分。 模拟通信系统中的噪声源包括了影响该系统的所有噪声，如脉冲噪声（天电噪声、工业噪 声等）和随机噪声（信道噪声、发送设备噪声、接收设备噪声等）。 24第第第一部分第数 据 通 信 下载 f (t) x (nT) t nT a) 模拟信号 b) 数字信号 信源 调制器 信道 信道 噪声源 信宿
Ci通abuh.oM 第2章数据通信基础知识 25 下载 在模拟通信系统中，信道上所传输的信号是模拟信号。例如对载波进行了连续的振幅调制 (AM)、频率调制(FM)或相位调制(PM)而得到的调幅波、调频波或调相波都是模拟信号。 对脉冲进行了连续的振幅调制、相位调制或宽度调制而得到的脉冲调幅波(PM)、脉冲调相波 (PPM)或脉冲调宽波(PWM)也都属于模拟信号。 2.1.3数字通信 利用数字信号来传递消息称为数字通信，计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字 通信。数字通信系统模型如图23所示。数字通信系统由信源、信源编码器、信道编码器、调 制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪声源以及发送端和接收端时钟同步 组成。 器 发送端时钟 接收端时钟 噪声源 图23数字通信系统模型 在数字通信系统中，如果信源发出的是模拟信号，就要经过信源编码器对模拟信号进行采 样、量化及编码，将其变换为数字信号。信源编码有两个主要作用：一个是实现数模转换：另 一个是降低信号的误码率。而信源译码则是信源编码的逆过程。 由于信道通常会遭受各种噪声的干扰（自然的和人为的）以及通信终端设备本身的噪声干 扰，有可能导致接收端接收信号产生错误，即误码。为了能够自动地检测出错误或纠正错误， 可采用检错编码或纠错编码，这就是信道编码：信道译码则是信道编码的逆变换。 从信道编码器输出的数码序列还是属于基带信号。除某些近距离的数字通信可以采用基带 传输外，通常为了与采用的信道相匹配，都要将基带信号经过调制变换成频带信号再传输，这 就是调制器所要完成的工作：而解调则是调制的逆过程。 时钟同步也是数字通信系统的一个重要的不可或缺的部分。由于数字通信系统传递的信号 是数字信号，所以发送端和接收端必须有各自的发送和接收时钟系统。而为了保证接收端正确 接收数字信号，接收端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持同步。 近年来，数字通信无论在理论上还是技术上都有了突飞猛进的发展。数字通信和模拟通信 相比，具有抗干扰能力强、可以再生中继、便于加密、易于集成化等一系列优点。另外，各科 通信业务，无论是话音、电报，还是数据、图像等信号，经过数字化后都可以在数字通信网中 传输、交换并进行处理，这就更显示出数字通信的优越性。下面我们将讨论数字通信系统的主 要特点： (①)抗干扰能力强
在模拟通信系统中，信道上所传输的信号是模拟信号。例如对载波进行了连续的振幅调制 （A M）、频率调制（ F M）或相位调制（ P M）而得到的调幅波、调频波或调相波都是模拟信号。 对脉冲进行了连续的振幅调制、相位调制或宽度调制而得到的脉冲调幅波（ PA M）、脉冲调相波 （P P M）或脉冲调宽波（P W M）也都属于模拟信号。 2.1.3 数字通信 利用数字信号来传递消息称为数字通信，计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字 通信。数字通信系统模型如图 2 - 3所示。数字通信系统由信源、信源编码器、信道编码器、调 制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪声源以及发送端和接收端时钟同步 组成。 图2-3 数字通信系统模型 在数字通信系统中，如果信源发出的是模拟信号，就要经过信源编码器对模拟信号进行采 样、量化及编码，将其变换为数字信号。信源编码有两个主要作用：一个是实现数 /模转换；另 一个是降低信号的误码率。而信源译码则是信源编码的逆过程。 由于信道通常会遭受各种噪声的干扰（自然的和人为的）以及通信终端设备本身的噪声干 扰，有可能导致接收端接收信号产生错误，即误码。为了能够自动地检测出错误或纠正错误， 可采用检错编码或纠错编码，这就是信道编码；信道译码则是信道编码的逆变换。 从信道编码器输出的数码序列还是属于基带信号。除某些近距离的数字通信可以采用基带 传输外，通常为了与采用的信道相匹配，都要将基带信号经过调制变换成频带信号再传输，这 就是调制器所要完成的工作；而解调则是调制的逆过程。 时钟同步也是数字通信系统的一个重要的不可或缺的部分。由于数字通信系统传递的信号 是数字信号，所以发送端和接收端必须有各自的发送和接收时钟系统。而为了保证接收端正确 接收数字信号，接收端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持同步。 近年来，数字通信无论在理论上还是技术上都有了突飞猛进的发展。数字通信和模拟通信 相比，具有抗干扰能力强、可以再生中继、便于加密、易于集成化等一系列优点。另外，各种 通信业务，无论是话音、电报，还是数据、图像等信号，经过数字化后都可以在数字通信网中 传输、交换并进行处理，这就更显示出数字通信的优越性。下面我们将讨论数字通信系统的主 要特点： (1) 抗干扰能力强 第2章第数据通信基础知识第第2 5 下载 信 源 信 源 编 码 器 信 道 编 码 器 调 制 器 信 道 解 调 器 信 道 译 码 器 信 源 译 码 器 信 宿 噪声源 发送端时钟 接收端时钟
26 第一部分数据通信 China-pub.com 下载 模拟通信系统传输的是模拟信号。模拟信号在传输过程中，噪声将叠加在有用的模拟信号 上，接收端很难将信号和噪声分开，因而模拟通信系统的抗干扰能力比较差。相反，数字通信 系统传输的是二进制信号，消息是寓于数字脉冲波形的两种状态之中。在数字通信的接收端对 每一个接收信号进行采样并与某个门槛电平进行比较，只要采样时刻的信号电平不超过门槛电 平，接收端就不会形成错判，可以正确接收数据，而不受噪声的影响。因此数字通信系统比模 拟通信系统的抗干扰能力强。此外，数字通信系统还可以采用许多具有检错或纠错能力的编码 技术，从而进一步提高了系统的抗干扰能力。 (2)可实现高质量的远距离通信 对于模拟通信，噪声是叠加在有用的模拟信号上的。而模拟通信系统中的模拟放大器无法 将有用的信号与噪声分开，只好将有用信号和噪声同时放大。随着传输距离的增加以及模拟放 大器的增多，噪声也会越来越大，因此模拟通信系统中的噪声是有积累的，对远距离通信的质 量造成很大的影响。而数字通信系统则是采用再生中继器的方法。即，传输过程中信号所受到 的噪声干扰经过中继器时就已经被消除，然后再生器恢复出与原始信号相同的数字信号，因而 克服了模拟通信系统中噪声叠加的问题，因此数字通信系统可以实现高质量的远距离通信。现 代数字电话的通话质量要比传统模拟电话的通话质量好得多。 (3)能适应各种通信业务 在数字通信系统中，各种消息（电报、电话、图像和数据等）都可以被变换为统一的二进 制数字信号进行传输，所以数字通信系统能灵活地适应各种通信业务。通常我们把能够同时传 输和处理各种不同业务的数字通信网叫做综合业务数字网(Intergated Services Digital Network, ISDN)。随着高速光纤传输技术、高速数字交换技术以及高性能处理技术的不断发展，ISDN将 会在21世纪得到更广泛的应用。 (4)能实现高保密通信 由于数字通信系统中传输的是数字信号，因而在传输过程中，可以对信号进行各种数字处 理：如存储、转发、复制、加密、检错纠错等。这些处理在模拟通信系统中是不可能实现的。 正因为在数字通信系统中可以对信号进行各种处理，因而也就可以在数字通信系统中采用复杂 的、非线性的的长周期的密码序列对数字信号进行加密，从而使数字通信具有高度的保密性 能适用于很多对保密性要求非常高的场合，如军事应用领域。而模拟通信要实现高度加密是比 较困难的。 (⑤)通信设备的集成化和微型化 数字通信设备大都是由数字电路构成，数字电路比模拟电路更容易集成化。数字信号处理 技术和大规模集成电路技术的发展为数字通信设备的微型化和集成化提供了良好的条件。而随 着数字处理器件和大规模集成电路芯片价格的不断下降，数字传输设备以及相关的交换和处理 设备都将比模拟传输设备便宜得多。 当然，与模拟通信相比，数字通信也有其缺点。数字通信的最大缺点是占用的频带宽。可 以说数字通信的许多优点是以牺牲信道带宽为代价而换来的。以电话为例，一路模拟电话占用 4KHz信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是64Kbps,所需占用的带宽要远远大于 4KHz。数字通信的这一缺点限制了它在某些信道带宽不够大的场合的使用
模拟通信系统传输的是模拟信号。模拟信号在传输过程中，噪声将叠加在有用的模拟信号 上，接收端很难将信号和噪声分开，因而模拟通信系统的抗干扰能力比较差。相反，数字通信 系统传输的是二进制信号，消息是寓于数字脉冲波形的两种状态之中。在数字通信的接收端对 每一个接收信号进行采样并与某个门槛电平进行比较，只要采样时刻的信号电平不超过门槛电 平，接收端就不会形成错判，可以正确接收数据，而不受噪声的影响。因此数字通信系统比模 拟通信系统的抗干扰能力强。此外，数字通信系统还可以采用许多具有检错或纠错能力的编码 技术，从而进一步提高了系统的抗干扰能力。 (2) 可实现高质量的远距离通信 对于模拟通信，噪声是叠加在有用的模拟信号上的。而模拟通信系统中的模拟放大器无法 将有用的信号与噪声分开，只好将有用信号和噪声同时放大。随着传输距离的增加以及模拟放 大器的增多，噪声也会越来越大，因此模拟通信系统中的噪声是有积累的，对远距离通信的质 量造成很大的影响。而数字通信系统则是采用再生中继器的方法。即，传输过程中信号所受到 的噪声干扰经过中继器时就已经被消除，然后再生器恢复出与原始信号相同的数字信号，因而 克服了模拟通信系统中噪声叠加的问题，因此数字通信系统可以实现高质量的远距离通信。现 代数字电话的通话质量要比传统模拟电话的通话质量好得多。 (3) 能适应各种通信业务 在数字通信系统中，各种消息（电报、电话、图像和数据等）都可以被变换为统一的二进 制数字信号进行传输，所以数字通信系统能灵活地适应各种通信业务。通常我们把能够同时传 输和处理各种不同业务的数字通信网叫做综合业务数字网（ I n t e rgated Services Digital Network， I S D N）。随着高速光纤传输技术、高速数字交换技术以及高性能处理技术的不断发展， I S D N将 会在2 1世纪得到更广泛的应用。 (4) 能实现高保密通信 由于数字通信系统中传输的是数字信号，因而在传输过程中，可以对信号进行各种数字处 理：如存储、转发、复制、加密、检错纠错等。这些处理在模拟通信系统中是不可能实现的。 正因为在数字通信系统中可以对信号进行各种处理，因而也就可以在数字通信系统中采用复杂 的、非线性的的长周期的密码序列对数字信号进行加密，从而使数字通信具有高度的保密性， 能适用于很多对保密性要求非常高的场合，如军事应用领域。而模拟通信要实现高度加密是比 较困难的。 (5) 通信设备的集成化和微型化 数字通信设备大都是由数字电路构成，数字电路比模拟电路更容易集成化。数字信号处理 技术和大规模集成电路技术的发展为数字通信设备的微型化和集成化提供了良好的条件。而随 着数字处理器件和大规模集成电路芯片价格的不断下降，数字传输设备以及相关的交换和处理 设备都将比模拟传输设备便宜得多。 当然，与模拟通信相比，数字通信也有其缺点。数字通信的最大缺点是占用的频带宽。可 以说数字通信的许多优点是以牺牲信道带宽为代价而换来的。以电话为例，一路模拟电话占用 4 KHz信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是 64 Kbps，所需占用的带宽要远远大于 4 KHz。数字通信的这一缺点限制了它在某些信道带宽不够大的场合的使用。 26第第第一部分第数 据 通 信 下载
China-bub.com 第2章数据通信基础知识 27 下载 总之，数字通信的优点是主要的。特别是随着微波、卫星、光纤等高带宽信道的广泛使用 数字通信的缺点也越来越不明显，数字通信将是现代通信系统的一个重要发展方向。 2.2数据通信基础理论 这一节的主要目的是讨论数据通信涉及的理论基础，主要内容包括信号的频谱与带宽、信 道的截止频率与带宽以及信道所能支持的最大数据传输率。 2.2.1信号的频谱与带宽 信号是数据的电磁编码，信号中包含了所要传递的数据。信号一般以时间为自变量，以表 示消息（或数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。信号按其自变量时间的取值是 否连续，可分为连续信号和离散信号；按其因变量的取值是否连续，又可分为模拟信号和数字 信号。 信号具有时域和频域两种最基本的表现形式和特性。时域特性反映信号随时间变化的情况。 频域特性不仅含有信号时域中相同的信息量，而且通过对信号的频谱分析，还可以清楚地了解 该信号的频谱分布情况及所占有的频带宽度。为了得到所传输的信号对接收设备及信道的要求 只了解信号的时域特性是不够的，还必须知道信号的频谱分布情况。信号的时域特性表示出信 号随时间变化的情况。如正弦信号就可以表示为： f(r)=A Sin(2+0) 这个正弦信号的振幅为A,频率为了，初始相位为6。幅度、频率以及相位是周期信号∫()的3 个重要特性。信号的频域特性表示出了信号包含的各个频率分量和它们的幅度相位的关系，即 信号随频率变化的情况。法国伟大的数学家吉·傅立叶已经证明：任何一个周期为T的函数∫() 都是由无穷多个正弦函数和余孩函数合成 f(r)=C/2+(a,Sin2znf+b.Cos2)=A.Cos(2+0) 其中： a,=2/osm2) a.-Cos(2xnfdn) c=ffu)dr A=底+医 B.arcig(b./a. 此处f=1/T是基频，a,和b,是n次正弦谐波和余弦谐波的振幅。 在分析信号f(0)的频谱时，只要求出A。、日之值便可确定∫()所对应的频率分量的幅度和相位。 我们常把∫()各次谐波的振幅A,按照频率高低依次排列起来所形成的谱状图形称为信号〔)的频 谱，而信号频谱所覆盖的频率范围称为信号的绝对带宽(bandwidth)。由于信号中的大部分能量
总之，数字通信的优点是主要的。特别是随着微波、卫星、光纤等高带宽信道的广泛使用， 数字通信的缺点也越来越不明显，数字通信将是现代通信系统的一个重要发展方向。 2.2 数据通信基础理论 这一节的主要目的是讨论数据通信涉及的理论基础，主要内容包括信号的频谱与带宽、信 道的截止频率与带宽以及信道所能支持的最大数据传输率。 2.2.1 信号的频谱与带宽 信号是数据的电磁编码，信号中包含了所要传递的数据。信号一般以时间为自变量，以表 示消息（或数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。信号按其自变量时间的取值是 否连续，可分为连续信号和离散信号；按其因变量的取值是否连续，又可分为模拟信号和数字 信号。 信号具有时域和频域两种最基本的表现形式和特性。时域特性反映信号随时间变化的情况。 频域特性不仅含有信号时域中相同的信息量，而且通过对信号的频谱分析，还可以清楚地了解 该信号的频谱分布情况及所占有的频带宽度。为了得到所传输的信号对接收设备及信道的要求， 只了解信号的时域特性是不够的，还必须知道信号的频谱分布情况。信号的时域特性表示出信 号随时间变化的情况。如正弦信号就可以表示为： f (t) =A Sin ( 2 ft + ) 这个正弦信号的振幅为 A，频率为f，初始相位为 。幅度、频率以及相位是周期信号 f (t)的3 个重要特性。信号的频域特性表示出了信号包含的各个频率分量和它们的幅度相位的关系，即 信号随频率变化的情况。法国伟大的数学家吉·傅立叶已经证明：任何一个周期为 T的函数f (t) 都是由无穷多个正弦函数和余弦函数合成： 其中： 此处f = 1/T是基频，an和bn是n次正弦谐波和余弦谐波的振幅。 在分析信号f (t)的频谱时，只要求出An、 n之值便可确定f (t)所对应的频率分量的幅度和相位。 我们常把f (t)各次谐波的振幅 An按照频率高低依次排列起来所形成的谱状图形称为信号 f ( t )的频 谱，而信号频谱所覆盖的频率范围称为信号的绝对带宽（ b a n d w i d t h）。由于信号中的大部分能量 an = 2 T f(t)Sin(2pnftdt) 0 T ò an = 2 T f(t)Cos(2pnftdt) 0 T ò C = f(t)dt 0 T ò An = an 2 +bn 2 n = arctg(bn / an ) f(t) = C/ 2+ (anSin2pnft +bn Cos2pnft) = An Cos(2pnft + n) n=0 ¥ å n=1 ¥ å 第2章第数据通信基础知识第第2 7 下载
28 第一部分数据通信 China-pub.com 载 都集中在一个相对较窄的频带范围之内，因此我们将信号大部分能量集中的那段频带称为有效 带宽，简称带宽。任何信号都有带宽。一般来说，信号的带宽越大，利用这种信号传送数据的 速率就越高，要求传输介质的带宽也越大。下面我们将简单介绍常见信号的频谱和带宽。 声音信号的频谱大致在20Hz~2000kHz的范围（低于20Hz的信号为次声波，高于2000KHz 的信号为超声波)，但用一个窄得多的带宽就能产生可接受话音的重现，因而话音信号的标准频 谱为300Hz~3400Hz,其带宽为3kHz。电视信号的频谱为0~4MHz,因此其带宽为4MHz。 作为一个特殊的例子，单稳脉冲信号的带宽为无穷大。而对于二进制信号，其带宽一般依赖于 信号波形的确切形状以及0、1的次序。信号的带宽越大，它就越忠实地表示着数字序列。 2.2.2信道的截止频率与带宽 根据傅立叶级数我们知道，如果一个信号的所有频率分量都能完全不变地通过信道传输到 接收端，那么在接收端由这些频率分量叠加起来而形成的信号则和发送端的信号是完全一样的， 即接收端完全恢复了发送端发出的信号。但现实世界上，没有任何信道能毫无损耗地通过所有 频率分量。如果所有的傅立叶分量都被等量衰减，那么接收端接收到的信号虽然在振幅上有所 衰减，但并没有发生畸变。然而所有的传输信道和设备对不同的频率分量的衰减程度是不同的 有些频率分量几乎没有衰减，而有些频率分量被衰减了一些，这就是说，信道也具有一定的振 幅频率特性，因而导致输出信号发生畸变。通常情况是频率为0到f心赫兹范围内的谐波在信道传 输过程中不发生衰减（或其衰减是一个非常小的常量），而在此频率之上的所有谐波在传输过 程中衰减很大，我们把信号在信道传输过程中某个分量的振幅衰减到原来的0.707（即输出信号 的功率降低了一半)时所对应的那个频率称为信道的截止频率(cut-off frequency)。 截止频率反映了传输介质本身所固有的物理特性。另一些情况下，则是因为人们有意地在 线路中安装了滤波器以限制每个用户使用的带宽，如图2-4妇所示。有些时候，由于在信道中加入 双通滤波器，因而信道对应着两个截止频率1和2，它们分别被称为下截止频率和上截止频率。 而这两个截止频率之差2-1被称作信道的带宽，如图2-4b所示。 a)单通滤波器 b)双通滤波器 图2-4信道截止频率 如果输入信号的带宽小于信道的带宽，则输入信号的全部频率分量都能通过信道，因而信 道输出端得到的输出波形将是不失真的。但如果输入信号的带宽大于信道的带宽，则信号中某 些频率分量就不能通过信道，这样输出得到的信号将与发送端发送的信号有些不同，即产生了 失真。为了保证数据传输的正确性，必须限制信号的带宽
都集中在一个相对较窄的频带范围之内，因此我们将信号大部分能量集中的那段频带称为有效 带宽，简称带宽。任何信号都有带宽。一般来说，信号的带宽越大，利用这种信号传送数据的 速率就越高，要求传输介质的带宽也越大。下面我们将简单介绍常见信号的频谱和带宽。 声音信号的频谱大致在20 Hz～2000 kHz的范围（低于20 Hz的信号为次声波，高于2000 KHz 的信号为超声波），但用一个窄得多的带宽就能产生可接受话音的重现，因而话音信号的标准频 谱为300 Hz～3400 Hz，其带宽为3 kHz。电视信号的频谱为 0～4 MHz，因此其带宽为4 MHz。 作为一个特殊的例子，单稳脉冲信号的带宽为无穷大。而对于二进制信号，其带宽一般依赖于 信号波形的确切形状以及0、1的次序。信号的带宽越大，它就越忠实地表示着数字序列。 2.2.2 信道的截止频率与带宽 根据傅立叶级数我们知道，如果一个信号的所有频率分量都能完全不变地通过信道传输到 接收端，那么在接收端由这些频率分量叠加起来而形成的信号则和发送端的信号是完全一样的， 即接收端完全恢复了发送端发出的信号。但现实世界上，没有任何信道能毫无损耗地通过所有 频率分量。如果所有的傅立叶分量都被等量衰减，那么接收端接收到的信号虽然在振幅上有所 衰减，但并没有发生畸变。然而所有的传输信道和设备对不同的频率分量的衰减程度是不同的， 有些频率分量几乎没有衰减，而有些频率分量被衰减了一些，这就是说，信道也具有一定的振 幅频率特性，因而导致输出信号发生畸变。通常情况是频率为 0到f c赫兹范围内的谐波在信道传 输过程中不发生衰减（或其衰减是一个非常小的常量），而在此f c频率之上的所有谐波在传输过 程中衰减很大，我们把信号在信道传输过程中某个分量的振幅衰减到原来的 0 . 7 0 7（即输出信号 的功率降低了一半）时所对应的那个频率称为信道的截止频率（ c u t - o ff frequency）。 截止频率反映了传输介质本身所固有的物理特性。另一些情况下，则是因为人们有意地在 线路中安装了滤波器以限制每个用户使用的带宽，如图 2 - 4 a所示。有些时候，由于在信道中加入 双通滤波器，因而信道对应着两个截止频率 f 1和f 2，它们分别被称为下截止频率和上截止频率。 而这两个截止频率之差f 2-f 1被称作信道的带宽，如图2 - 4 b所示。 图2-4 信道截止频率 如果输入信号的带宽小于信道的带宽，则输入信号的全部频率分量都能通过信道，因而信 道输出端得到的输出波形将是不失真的。但如果输入信号的带宽大于信道的带宽，则信号中某 些频率分量就不能通过信道，这样输出得到的信号将与发送端发送的信号有些不同，即产生了 失真。为了保证数据传输的正确性，必须限制信号的带宽。 28第第第一部分第数 据 通 信 下载 A A f f 0.707 fc f1 f2 a) 单通滤波器 b) 双通滤波器
China-bub.com 第2章数据通信基础知识 29 下载 2.2.3信道的最大数据传输率 单位时间内能传输的二进制位数称为数据传输率。数据传输率的提高意味着每一位所占用 的时间的减小，即二进制数字脉冲序列的周期时间会减小，当然脉冲宽度也会减小。 前一节里我们已经知道，即使二进制数字脉冲信号通过带宽有限的理想信道时也会产生波 形失真，而且当输入信号的带宽一定时，信道的带宽越小，输出的波形失真就会越大。换个角 度说，当信道的带宽一定时，输入信号的带宽越大，输出信号的失真就越大，因此当数据传输 率提高到一定程度时（信号带宽增大到一定程度），在信道输出端上的信号接收器根本无法从已 失真的输出信号中恢复出所发送的数字序列。这就是说，即使对于理想信道，有限的带宽也限 制了信道数据传输率。 早在1924年，H.Nyquist(奈奎斯特)就认识到这个基本限制的存在，并推导出表示无噪声 有限带宽信道的最大数据传输率的公式。在1948年，C.Shannon(香农)把奈奎斯特的工作进 步扩展到了信道受到随机噪声干扰的情况。这里我们不加证明地简述这些现在视为经典的结果。 Nyquisti证明，任意连续信号f(1)通过一个无噪声的带宽为B的信道后，其输出信号为一个 带宽为B的时间连续信号g(1)。如果要输出数字信号，还必须以一定的速率对g(:)进行等间隔 的抽样。抽样速度高于每秒2B次是无意义的，因为信号中高于信道带宽B以外的高频分量已被信 道衰减掉。如果g(:)由V个离散化的电平组成，即每次抽样的可能结果为个离散化电平之一 则该信道的最大的数据传输率R为： Rmax=2Blog,'(比特/秒) 例如，一个无噪声带宽为3000Hz的信道不能传送速率超过6000比特/秒的二进制数字信号。 前面我们仅仅考虑了无噪声的理想信道。对于有噪声的信道，情况将会迅速变坏。信道中 热噪声用信号功率与噪声功率之比来度量，信号功率与噪声功率的比值称为信噪比(Signal-to Noise Ratio)。如果我们用S表示信号功率，用N表示噪声功率，则信噪比应被表示为SN。但人 们通常不使用信噪比的绝对值，而是使用101 ogS/N来表示，单位是分贝(dB)。对于SN等于10 的信道，则称其信噪比为10dB；同样的道理，如果信道的SW等于100，则称其信噪比为20dB: 以此类推。Shannon关于有噪声信道最大数据传输率的结论是：对于带宽为BHz,信噪比为SW 的信道，其最大数据传输率Rmax为： Rmax=Blog:(I+SN)(比特/秒) 例如，对于一个带宽为3kHz,信噪比为30B的信道，无论其使用多少个量化电平，也不 管采样速度多快，其数据传输率不可能大于30000比特/秒。Shannon的结论是根据信息论推导 出来的，适用的范围非常广，要想超越这一结论就好比想要发明永动机一样，几乎是不可能的。 值得注意的是，Shannonf的结论仅仅给出了一个理论极限，而实际上，要接近这个极限也是相当 困难的。 2.3传输介质 传输介质通常分为有线介质（或有界介质）和无线介质（或无界介质）。有线介质将信号约 束在一个物理导体之内，如双绞线、同轴电缆和光纤等；而无线介质则不能将信号约束在某个
2.2.3 信道的最大数据传输率 单位时间内能传输的二进制位数称为数据传输率。数据传输率的提高意味着每一位所占用 的时间的减小，即二进制数字脉冲序列的周期时间会减小，当然脉冲宽度也会减小。 前一节里我们已经知道，即使二进制数字脉冲信号通过带宽有限的理想信道时也会产生波 形失真，而且当输入信号的带宽一定时，信道的带宽越小，输出的波形失真就会越大。换个角 度说，当信道的带宽一定时，输入信号的带宽越大，输出信号的失真就越大，因此当数据传输 率提高到一定程度时（信号带宽增大到一定程度），在信道输出端上的信号接收器根本无法从已 失真的输出信号中恢复出所发送的数字序列。这就是说，即使对于理想信道，有限的带宽也限 制了信道数据传输率。 早在1 9 2 4年，H. Nyquist（奈奎斯特）就认识到这个基本限制的存在，并推导出表示无噪声 有限带宽信道的最大数据传输率的公式。在 1 9 4 8年，C. Shannon（香农）把奈奎斯特的工作进一 步扩展到了信道受到随机噪声干扰的情况。这里我们不加证明地简述这些现在视为经典的结果。 N y q u i s t证明，任意连续信号 f（t）通过一个无噪声的带宽为 B的信道后，其输出信号为一个 带宽为B的时间连续信号g（t）。如果要输出数字信号，还必须以一定的速率对 g（t）进行等间隔 的抽样。抽样速度高于每秒 2B次是无意义的，因为信号中高于信道带宽 B以外的高频分量已被信 道衰减掉。如果g（t）由V个离散化的电平组成，即每次抽样的可能结果为 V个离散化电平之一， 则该信道的最大的数据传输率 Rm a x 为： Rmax = 2Blog 2 V（比特/秒） 例如，一个无噪声带宽为3000 Hz的信道不能传送速率超过6 0 0 0比特/秒的二进制数字信号。 前面我们仅仅考虑了无噪声的理想信道。对于有噪声的信道，情况将会迅速变坏。信道中 热噪声用信号功率与噪声功率之比来度量，信号功率与噪声功率的比值称为信噪比（ S i g n a l - t o - Noise Ratio）。如果我们用S表示信号功率，用 N表示噪声功率，则信噪比应被表示为 S/N。但人 们通常不使用信噪比的绝对值，而是使用 1 0 l o g1 0S/N来表示，单位是分贝（ d B）。对于S/N等于1 0 的信道，则称其信噪比为 1 0 d B；同样的道理，如果信道的 S/N等于1 0 0，则称其信噪比为2 0 d B； 以此类推。S h a n n o n关于有噪声信道最大数据传输率的结论是：对于带宽为 BH z，信噪比为S/N 的信道，其最大数据传输率 Rm a x为： Rmax = Blog 2 (1 + S/N）（比特/秒） 例如，对于一个带宽为 3 kHz，信噪比为30 dB的信道，无论其使用多少个量化电平，也不 管采样速度多快，其数据传输率不可能大于 30 000比特/秒。 S h a n n o n的结论是根据信息论推导 出来的，适用的范围非常广，要想超越这一结论就好比想要发明永动机一样，几乎是不可能的。 值得注意的是，S h a n n o n的结论仅仅给出了一个理论极限，而实际上，要接近这个极限也是相当 困难的。 2.3 传输介质 传输介质通常分为有线介质（或有界介质）和无线介质（或无界介质）。有线介质将信号约 束在一个物理导体之内，如双绞线、同轴电缆和光纤等；而无线介质则不能将信号约束在某个 第2章第数据通信基础知识第第2 9 下载
30 第一部分数据通信 China-pub.com 载 空间范围之内。 2.3.1双绞线 双绞线TP(TwistedPair)是目前使用最广，价格相对便宜的一种传输介质。它是由两条相 互绝缘的铜导线组成。其中导线的典型直径为1mm(在0.4mm至1.4mm之间)。这两条线扭绞在 一起，可以减少对邻近线对的电气干扰，因为两条平行的金属线可以构成一个简单的天线，而 双绞线则不会。 由若干对双绞线构成的电缆被称为双绞线电缆。双绞线对可以并排放在保护套中。目前双 绞线电缆广泛应用于电话系统。儿乎所有的电话机都是通过双绞线接到电话局的。在双绞线中 传输的信号在几公里的范围内不需放大，但传输距离比较远时就必须使用放大器。 双绞线既可以传输模拟信号，又能传输数字信号。用双绞线传输数字信号时，其数据传输 率与电缆的长度有关。距离短时，数据传输率可以高一些。在几公里的范围内，双绞线的数据 传输率可达1 DMbps,甚至1 00Mbps,因而可以采用双绞线来构成价格便宜的计算机局域网。 对于双绞线的定义有两个主要来源。一个是EIA(电子工业协会)的TIA(远程通信工业分 会)，即通常所说的EIA/TIA;另一个是IBM。EIA负责“Cat”(即“Category”)系列非屏敲双 绞线(Unshielded Twisted Pair,UTP)标准。IBM负责“Type”系列屏敲双绞线标准，如IBM: Type 1、Type2等。严格地说，电缆标准本身并未规定连接双绞线电缆的连接器类型，然而EIA 和IBM都定义了双绞线的专用连接器。对于Cat3、Cat4和Cat5来说，使用RJ-45(4对8芯)，遵 循EIA-568标准：而对于Type1电缆来说，则使用DB9连接器。大多数以太网在安装时使用基于 EIA标准的电缆，而大多数IBM及令牌环网则倾向于使用符合IBM标准的电缆。下面为EIATIA 电缆规格说明： Catl:适用于电话和低速数据通信： Cat2:适用于ISDN及T1/E1、支持高达16MHz的数据通信； Cat3:适用于10Base-T或100Mbps的100Base-T4、支持高达20MHz的数据通信 Cat5:适用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4支持高达100MHz的数据通信。 双绞线的技术和标准都是比较成熟的，价格也比较低廉，而且双绞线电缆的安装也相对容 易。但双绞线电缆的最大缺点是对电磁干扰比较敏感；另外，双绞线电缆不能支持非常高速的 数据传输。 2.3.2同轴电缆 另一种常用的传输介质是同轴电缆(Coaxial Cable)。同轴电缆中的材料是共轴的，如图2-5 所示，故同轴之名由此而来。外导体是一个由金属丝编织而成的圆形空管，内导体是圆形的金 属芯线。内外导体之间填充着绝缘介质。同轴电缆内芯线的直径一般为1.2mm至5mm,外管的 直径一般为4.4mm至18mm。内芯线和外导体一般都采用铜质材料。同轴电缆可以是单芯的，也 可以将多条同轴电缆安排在一起形成同轴电缆。 广泛使用的同轴电缆有两种。一种是阻抗为50欧姆的基带同轴电缆，另一种是阻抗为75欧 姆的宽带同轴电缆
空间范围之内。 2.3.1 双绞线 双绞线T P（Twisted Pair）是目前使用最广，价格相对便宜的一种传输介质。它是由两条相 互绝缘的铜导线组成。其中导线的典型直径为 1 m m（在0 . 4 m m至1 . 4 m m之间）。这两条线扭绞在 一起，可以减少对邻近线对的电气干扰，因为两条平行的金属线可以构成一个简单的天线，而 双绞线则不会。 由若干对双绞线构成的电缆被称为双绞线电缆。双绞线对可以并排放在保护套中。目前双 绞线电缆广泛应用于电话系统。几乎所有的电话机都是通过双绞线接到电话局的。在双绞线中 传输的信号在几公里的范围内不需放大，但传输距离比较远时就必须使用放大器。 双绞线既可以传输模拟信号，又能传输数字信号。用双绞线传输数字信号时，其数据传输 率与电缆的长度有关。距离短时，数据传输率可以高一些。在几公里的范围内，双绞线的数据 传输率可达1 0 M b p s，甚至1 0 0 M b p s，因而可以采用双绞线来构成价格便宜的计算机局域网。 对于双绞线的定义有两个主要来源。一个是 E I A（电子工业协会）的 T I A（远程通信工业分 会），即通常所说的 E I A / T I A；另一个是I B M。E I A负责“C a t”（即“C a t e g o r y”）系列非屏蔽双 绞线（Unshielded Twisted Pair，U T P）标准。I B M负责“Ty p e”系列屏蔽双绞线标准，如 I B M： Type 1、Type 2等。严格地说，电缆标准本身并未规定连接双绞线电缆的连接器类型，然而 E I A 和I B M都定义了双绞线的专用连接器。对于 C a t 3、C a t 4和C a t 5来说，使用R J-4 5（4对8芯），遵 循E I A - 5 6 8标准；而对于Type 1电缆来说，则使用D B 9连接器。大多数以太网在安装时使用基于 E I A标准的电缆，而大多数 I B M及令牌环网则倾向于使用符合 I B M标准的电缆。下面为 E I A / T I A 电缆规格说明： Cat 1：适用于电话和低速数据通信； Cat 2：适用于I S D N及T 1 / E 1、支持高达1 6 M H z的数据通信； Cat 3：适用于1 0 B a s e - T或1 0 0 M b p s的1 0 0 B a s e - T 4、支持高达2 0 M H z的数据通信； Cat 5：适用于1 0 0 M b p s的1 0 0 B a s e - T X和1 0 0 B a s e - T 4支持高达1 0 0 M H z的数据通信。 双绞线的技术和标准都是比较成熟的，价格也比较低廉，而且双绞线电缆的安装也相对容 易。但双绞线电缆的最大缺点是对电磁干扰比较敏感；另外，双绞线电缆不能支持非常高速的 数据传输。 2.3.2 同轴电缆 另一种常用的传输介质是同轴电缆（ Coaxial Cable）。同轴电缆中的材料是共轴的，如图 2 - 5 所示，故同轴之名由此而来。外导体是一个由金属丝编织而成的圆形空管，内导体是圆形的金 属芯线。内外导体之间填充着绝缘介质。同轴电缆内芯线的直径一般为 1 . 2 m m至5 m m，外管的 直径一般为4 . 4 m m至1 8 m m。内芯线和外导体一般都采用铜质材料。同轴电缆可以是单芯的，也 可以将多条同轴电缆安排在一起形成同轴电缆。 广泛使用的同轴电缆有两种。一种是阻抗为 5 0欧姆的基带同轴电缆，另一种是阻抗为 7 5欧 姆的宽带同轴电缆。 30第第第一部分第数 据 通 信 下载
China-pub.com 第2章数据通信基础知识 31 下载 绝缘材料 屏蔽导体 图2-5同轴电缆 基带同轴电缆主要用于传输数字信号，可以作为计算机局域网的传输介质。基带同轴电缆 的带宽取决于电缆长度。1公里电缆可达到10Mb即s的数据传输率。电缆增长，其数据传输率将会 下降；短电缆可获得较高的数据传输率。 宽带同轴电缆用于传输模拟信号。“宽带”这个词来源于电话业，指比4kHz宽的频带。宽带 电缆技术使用标准的闭路电视技术，可以使用的频带高达900MHz;由于使用模拟信号，可传输 近100公里，对信号的要求也远没有像对数字信号那样高。 同轴电缆的低频串音及抗干扰性不如双绞线电缆，但当频常升高时，外导体的屏蔽作用加 强，同轴电缆所受的外界干扰以及同轴电缆间的串音都将随频率的升高而减小，因而特别适用 于高频传输。一般情况下，同轴电缆的上限工作频率为300MHz,有些质量高的同轴电缆其工作 频率可达90OMHz,因此同轴电缆具有很宽的工作频率范围。当它被用来传输数据时，其数据传 输率可达每秒几百兆位。由于同轴电缆具有寿命长、频带宽、质量稳定、外界干扰小、可靠性 高、维护便利、技术成熟等优点，而且其费用又介于双绞线与光纤之间，在光纤通信没有大量 应用之前，同轴电缆在闭路电视传输系统中一直占主导地位。 2.3.3光纤 随着光通信技术的飞速发展，现在人们已经可以利用光导纤维来传输数据。人们用光脉冲 的出现表示“1”，不出现表示“0”。由于可见光所处的频段为10MHz左右，因而光纤传输系统 可以使用的带宽范围极大。事实上，目前为止的光纤传输技术使得人们可以获得超过50000GHz 的带宽，而且今后还可能更高。当前实际使用的10Gb即s限制是因为光/电以及电/光信号转换的速 度跟不上。在实验室里，短距离可以获得I00Gbps的带宽甚至更高。今后将有可能实现完全的光 交叉和光互连，即构成全光网络，到那时网络的速度将成千上万倍地增加。 光传输系统由三个部分组成：光纤传输介质、光源和检测器。光纤传输介质是超细玻璃或 熔硅纤维。光源是发光二极管(Light Emitting Diode,LED)或激光二极管。这两种二极管在通 电时都发出光脉冲。检测器是光电二极管，遇光时，它产生一个电脉冲。在光纤的一端安装 个LED或激光二极管，另一端安装一个光电二极管，我们就有了一个单向的数据传输系统。 实际上，如果不是利用一个有趣的物理原理，光传输系统会由于光纤的漏光而变得没有实 际价值。当光线从一种介质穿过另一种介质时，如从玻璃到空气，光线会发生折射，如图2-6所 示。当光线在玻璃上的入射角为a,时，则在空气中的折射角为B。折射量取决于两种介质的折射 率。当光线在玻璃上的入射角大于某一临界值时，光线将完全反射回玻璃，而不会漏入空气
图2-5 同轴电缆 基带同轴电缆主要用于传输数字信号，可以作为计算机局域网的传输介质。基带同轴电缆 的带宽取决于电缆长度。1公里电缆可达到1 0 M b p s的数据传输率。电缆增长，其数据传输率将会 下降；短电缆可获得较高的数据传输率。 宽带同轴电缆用于传输模拟信号。“宽带”这个词来源于电话业，指比 4 k H z宽的频带。宽带 电缆技术使用标准的闭路电视技术，可以使用的频带高达 9 0 0 M H z；由于使用模拟信号，可传输 近1 0 0公里，对信号的要求也远没有像对数字信号那样高。 同轴电缆的低频串音及抗干扰性不如双绞线电缆，但当频率升高时，外导体的屏蔽作用加 强，同轴电缆所受的外界干扰以及同轴电缆间的串音都将随频率的升高而减小，因而特别适用 于高频传输。一般情况下，同轴电缆的上限工作频率为 3 0 0 M H z，有些质量高的同轴电缆其工作 频率可达9 0 0 M H z，因此同轴电缆具有很宽的工作频率范围。当它被用来传输数据时，其数据传 输率可达每秒几百兆位。由于同轴电缆具有寿命长、频带宽、质量稳定、外界干扰小、可靠性 高、维护便利、技术成熟等优点，而且其费用又介于双绞线与光纤之间，在光纤通信没有大量 应用之前，同轴电缆在闭路电视传输系统中一直占主导地位。 2.3.3 光纤 随着光通信技术的飞速发展，现在人们已经可以利用光导纤维来传输数据。人们用光脉冲 的出现表示“1”，不出现表示“0”。由于可见光所处的频段为 1 08M H z左右，因而光纤传输系统 可以使用的带宽范围极大。事实上，目前为止的光纤传输技术使得人们可以获得超过 50 000GHz 的带宽，而且今后还可能更高。当前实际使用的 1 0 G b p s限制是因为光/电以及电/光信号转换的速 度跟不上。在实验室里，短距离可以获得 1 0 0 G b p s的带宽甚至更高。今后将有可能实现完全的光 交叉和光互连，即构成全光网络，到那时网络的速度将成千上万倍地增加。 光传输系统由三个部分组成：光纤传输介质、光源和检测器。光纤传输介质是超细玻璃或 熔硅纤维。光源是发光二极管（ Light Emitting Diode，L E D）或激光二极管。这两种二极管在通 电时都发出光脉冲。检测器是光电二极管，遇光时，它产生一个电脉冲。在光纤的一端安装一 个L E D或激光二极管，另一端安装一个光电二极管，我们就有了一个单向的数据传输系统。 实际上，如果不是利用一个有趣的物理原理，光传输系统会由于光纤的漏光而变得没有实 际价值。当光线从一种介质穿过另一种介质时，如从玻璃到空气，光线会发生折射，如图 2 - 6 a所 示。当光线在玻璃上的入射角为 1时，则在空气中的折射角为 1。折射量取决于两种介质的折射 率。当光线在玻璃上的入射角大于某一临界值时，光线将完全反射回玻璃，而不会漏入空气， 第2章第数据通信基础知识第第3 1 下载 铜芯 绝缘材料 屏蔽导体 塑料管
32 第一部分数据通信 China-pub.com 载 这样，光线将被完全限制在光纤中，而几乎无损耗地传播，如图2-66所示。 空气/玻璃 完全内部反射 界面 玻璃 光源 a)光线以不同的角度从玻璃射入空气 b)光线在玻璃内全反射的情况 图2-6光折射原理 在图2-6b中仅给出了一束光在玻璃内部全反射传播的情况。实际上，任何以大于临界值角度 入射的光线，在介质边界都将按全反射的方式在介质内传播，而且不同的光线在介质内部将以 不同的反射角传播，我们可以认为每一束光线都有不同的模式。如果纤芯的直径较粗，则光纤 中可能有许多种沿不同途径同时传播的模式，我们将具有这种特性的光纤称为多模光纤(Mu mode Fiber):如果将光纤纤芯直径减小到光波波长大小的时候，则光纤如同一个波导，光在光 纤中的传播没有反射，而沿直线传播，这样的光纤称为单模光纤(Single--mode Fiber)。 光纤结构是圆柱形，包含有纤芯和包层，如图2-7所示。纤芯直径约5-75um,包层的外直径 约为100~150um,最外层的是塑料，对纤芯起保护作用。纤芯材料是二氧化硅摻以锗和磷，包 层材料是纯二氧化硅。纤芯的折射率比包层的折射率高1（左右，这使得光局限在纤芯与包层的 界面以内向前传播。 有 封套 封套 )1根光纤的侧面图 b)1根光缆（含3根光纤）的剖面图 图27光导纤维 光纤的主要传播特性为损耗和色散。损耗是光信号在光纤中传输时单位长度的衰减，其单 位为dB/km。色散是到达接收端的时延差，即脉冲宽度，其单位是uskm。光纤的损耗会影响传 输的中继距离，色散会影响数据传输率，两者都很重要。自1976年以来，人们发现1.3μm和 1.55um波长的光纤可以获得0.5dB/km至0.2dB/km的衰减率，0.85um波长的光纤的衰减为3dB/km. 多模光纤能使0.85μm波长的光纤的色散从400μm/km减至10μm/km以下。在1.3μm的波长中，单 模光纤的色散近于零，所以单模光纤在使用时，可以同时兼得低损耗和低色散两项优点，无中 继的距离可达50~100km,数据传输率可达2Gbps以上。 单模光纤很昂贵，且需要激光光源，但其传输距离非常远，且能获得非常高的数据传输率
这样，光线将被完全限制在光纤中，而几乎无损耗地传播，如图 2 - 6 b所示。 图2-6 光折射原理 在图2 - 6 b中仅给出了一束光在玻璃内部全反射传播的情况。实际上，任何以大于临界值角度 入射的光线，在介质边界都将按全反射的方式在介质内传播，而且不同的光线在介质内部将以 不同的反射角传播，我们可以认为每一束光线都有不同的模式。如果纤芯的直径较粗，则光纤 中可能有许多种沿不同途径同时传播的模式，我们将具有这种特性的光纤称为多模光纤（ M u l t i - mode Fiber）；如果将光纤纤芯直径减小到光波波长大小的时候，则光纤如同一个波导，光在光 纤中的传播没有反射，而沿直线传播，这样的光纤称为单模光纤（ Single-mode Fiber）。 光纤结构是圆柱形，包含有纤芯和包层，如图 2 - 7所示。纤芯直径约5 ~ 7 5 µ m ，包层的外直径 约为1 0 0～1 5 0 µ m ，最外层的是塑料，对纤芯起保护作用。纤芯材料是二氧化硅掺以锗和磷，包 层材料是纯二氧化硅。纤芯的折射率比包层的折射率高 1（左右，这使得光局限在纤芯与包层的 界面以内向前传播。 图2-7 光导纤维 光纤的主要传播特性为损耗和色散。损耗是光信号在光纤中传输时单位长度的衰减，其单 位为d B / k m。色散是到达接收端的时延差，即脉冲宽度，其单位是 µ s / k m 。光纤的损耗会影响传 输的中继距离，色散会影响数据传输率，两者都很重要。自 1 9 7 6年以来，人们发现 1 . 3 µ m 和 1 . 5 5 µ m 波长的光纤可以获得0 . 5 d B / k m至0 . 2 d B / k m的衰减率，0 . 8 5 µ m 波长的光纤的衰减为3 d B / k m， 多模光纤能使0 . 8 5 µ m 波长的光纤的色散从 4 0 0 µ m / k m 减至1 0 µ m / k m 以下。在1 . 3 µ m 的波长中，单 模光纤的色散近于零，所以单模光纤在使用时，可以同时兼得低损耗和低色散两项优点，无中 继的距离可达5 0～1 0 0 k m，数据传输率可达2 G b p s以上。 单模光纤很昂贵，且需要激光光源，但其传输距离非常远，且能获得非常高的数据传输率。 32第第第一部分第数 据 通 信 下载 空气/玻璃 界面 玻璃 1 1 2 3 3 完全内部反射 光源 a) 光线以不同的角度从玻璃射入空气 b) 光线在玻璃内全反射的情况 芯 封套 封套 外套 外壳 外套 芯 a) 1根光纤的侧面图 b) 1根光缆(含3根光纤)的剖面图
