数据通信基础知识
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第二章 数据通信基础知识
21
Networking techno;ogy
2.3 传输介质
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。常用的 无线通信系统有无线电、微波、卫星、红外线、 激光等等。
例子
一个带宽为 3000Hz 的无噪声信道在传输二进制数字信号
其最大数据传输率不超过6000bps。
第二章 数据通信基础知识
19
Networking techno;ogy
Shannon定理
Shannon（1948）推导出对于带宽为 H，信噪比为
S/N的有噪声信道，其最大数据传输率Rmax为：
Rb RB log2 n
第二章 数据通信基础知识
16
Networking techno;ogy
码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元 码元
码元1 信号 码元2 码元3 码元4 码元5
t
同步脉冲
第二章 数据通信基础知识
17
Networking techno;ogy
信息量的度量
香农规定：一个消息所荷载信息量I，等于它所表示 事件发生的概率P的倒数的对数。 信息量的计算公式：I=loga(1/P)= -loga(P) 信息量的单位： 如果对数以2为底，单位为比特（b）。 如果对数以e为底，单位为奈特（nat)。 如果对数以10为底，单位为哈特莱（Hartley）。 事件发生的概率越高，信息量越少。
(b) 数字信号
分为模拟信号与数字信号。 (a) 模拟信号
通信
通信的任务是将表示消息的信号从发送方传递到
接收方。
分为模拟通信与数字通信。
第二章 数据通信基础知识
1
Networking techno;ogy
2.1.2 模拟通信
包括传输介质和介质两端的传输设备
模拟通信：利用模拟信号来传递消息。
Rmax = H*log 2 (1 + S/N) (bps)
其中信号功率与噪声功率的比值称为信噪比 (Signal-toNoise Ratio)；我们一般使用分贝(dB)来表示信噪比。 S/NdB = 10 log10 S/N
例子：一个带宽为3000Hz信噪比为30dB的信道其 最大数据传输率不超过C=3000*log2(1+1000) ≈30Kbps
第二章 数据通信基础知识
18
Networking techno;ogy
Nyquist定理
Nyquist （ 1924 ）推导出带宽为 H 的理想 ( 无噪声 ) 信 道的最大数据传输率为
Rmax = 2H*log 2V (bps)
其中V为信号电平的量化等级。
公式说明数据传输率随信号编码级数增加而增加。
第二章 数据通信基础知识
20
Networking techno;ogy
结论
若把信息传输速率增加到信息容量以上，哪怕超 过一点，那么被正确接受的概率就会趋于零。 在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农 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真等。 当信噪比太小，不能保证通信质量时，可用增加 带宽来提高信道容量，即以带宽换功率。 无论信号编码分多少级，香农公式给出了信道能 达到的最高传输速率，原因是噪声的存在将使编 码级数不可能无限增加。
第二章 数据通信基础知识
6
Networking techno;ogy
2.2.1 信号的频谱和带宽
傅立叶已经证明：任何一个周期为 T的函数f(t)都是由 f(t) 无穷多个正弦和余弦函数合成，即： f(t)= C/2 (anSin2nft bnCos2nft) An Cos(2nft n) n 1 n 0 其中：
例子：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 信道带宽要远远大于4KHz。
第二章 数据通信基础知识
4
Networking techno;ogy
模拟放大与数字再生
第二章 数据通信基础知识
5
Networking techno;ogy
2.2 数据通信基础理论
有效带宽，简称为带宽(Bandwidth)；
任何信号都有一定的带宽。
第二章 数据通信基础知识
8
Networking techno;ogy
绝对带宽和有效带宽
第二章 数据通信基础知识
9
Networking techno;ogy
常见信号的带宽
话音信号
话音信号的标准带宽为300Hz～3400Hz。
音乐信号（CD音质）
要求的带宽是20Hz ~ 20KHz。
电视信号
电视信号的带宽为几Hz～4MHz。
Байду номын сангаас
单脉冲信号
其带宽为无穷大
二进制信号
一般情况下，其带宽依赖于“0”、“1”序列的顺序
以及具体的数字编码方式。
第二章 数据通信基础知识
10
Networking techno;ogy
任何信号通过信道时都会发生衰减；如果所有
2.2.1 信号的频谱和带宽
频率分量被等量衰减，那么结果信号虽在振幅 上有所衰减，但没有畸变。
然而：信道对不同频率的信号其衰减幅度是不
相同的，因而会发生畸变。一般来说，频率越 高的信号，其衰减幅度越大
2.2.2 信道的截止频率与带宽 2.2.3 信道的最大数据传输率
信源 调制器 信道
解调器
信宿
噪声
实质上是一种信号变换器，由于信源产生的是模拟 信号，所以调制器的功能是将其调制到某个频段以 便进行远距离传输或多路复用。
第二章 数据通信基础知识
2
Networking techno;ogy
数字通信：利用数字信号来传递消息。
信 源 信 源 编 码 器 发送端时钟 信 道 编 码 器 调 制
第二章 数据通信基础知识
22
Networking techno;ogy
2.3.1 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1mm，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。双绞线最常见的应用是电 话系统。 虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息的,但同样 适用于数字信号的传输,特别适用于较短距离的信息 传输。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用导线的 质量、长度、铜线的粗细及传输技术。一般可以在几 公里内达到几兆bps的传输率。 双绞线可分为屏蔽双绞线STP(IBM)和非屏蔽双绞线 UTP（ EIA/TIA）
结论
信道的带宽决定对其通过信号的带宽，因而对 于有限带宽信道必须限制信号的带宽，即限制 信号的数据传输率；否则输出信号就会畸变。
第二章 数据通信基础知识
14
Networking techno;ogy
以01100010为周期信号的频谱
第二章 数据通信基础知识
15
Networking techno;ogy
2.1.3 数字通信 是对传输的数字信号进行检错或纠错编码 , 以便接收方能进行差错检测和纠正。
信 道 译 码 器 信 源 译 码 器
信
道
解
调
信 宿
它使变换后的信号能在传输介质 接收端时钟 信源编码器的主要作用：一是进行模 / 数转换；二是 噪声 中传输，或提高信道的传输效率 降低信号的数码率。 发送端和接收端使用各自的时钟；
第二章 数据通信基础知识
12
Networking techno;ogy
信道截止频率
A
10lg 2 3
A
1 0.707
1 0.707
f fc
(a) µ ¥ Í ¨Â Ë ² ¨Æ ÷
第二章 数据通信基础知识
f f1 f2 (b) f2
Ë « Í ¨Â Ë ² ¨Æ ÷
13
Networking techno;ogy
第二章 数据通信基础知识
7
Networking techno;ogy
基本概念
频域图（频率-最大振幅图）
把f(t)各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列
起来所形成谱状图形,称为信号f(t)的频谱图。
信号带宽
信号频域图所覆盖的频率范围称为信号的带宽 我们将信号大部分能量集中的那段频带称为信号的
第二章 数据通信基础知识
25
Networking techno;ogy
双绞线
第四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最 高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局 域网和10base-T/100base-T。 第五类:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘 材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为 100Mbps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网 络，这是最常用的以太网电缆。 3类和5类UTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。5 类旋得较紧，一般为每英寸3-4转，而3类则一般是每英尺 3-4转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。 另外还有超5类双绞线电缆，通过对其“信道”性能测试 结果表明，与普通5类双绞线电缆比较，它的近端串扰、 衰减和结构回波等主要性能指标都有很大提高。
2 T an f(t)Sin(2 nftdt ) T 0 2 T bn f(t)Cos(2 nftdt ) T 0
C f(t)dt
0 T
2 2 An an bn
n= arctg(bn/ an) 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。
2.2.3 信道的最大数据传输率
基本概念
码元速率
调制速率，波特率，信号单元速率 信号每秒钟传输的脉冲（码元）数： RB 1
T ( Baud )
数据传输率
信息速率 1 信号每秒钟传输的信息量（比特/秒）：Rb log 2 V T V为信号的电平级数
比特率 波特率log2 n 两者的关系：
Networking techno;ogy
2.1 基本概念
是消息或数据的电磁编码。信号的时域特性表 f(t) x(nT)
信号
示为时间t的函数，信号的数学描述一般是以时 间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变 t nT 量。 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1
双绞线
EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。 计算机网络综合布线使用第三、四、五类。这五种 型号如下：
第一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代
初之前的电话线缆），不用于数据传输。 第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速 率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协 议的旧的令牌网。 第三类:指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。 该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速 率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。
第二章 数据通信基础知识
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Networking techno;ogy
双绞线
橘 白
绿 蓝 褐 白 蓝 白 绿白 褐
橘
RJ-45 色序图 下面是 PC 机不经过 HUB 直接通过网线相连的参考图
3 类 UTP 线
Pin#8 Pin#1
第二章 数据通信基础知识
24
Networking techno;ogy
脉冲信号频谱图
信号的脉冲宽度与其带宽成反比，因此信 号的数据率越高，信号的带宽也就越宽。
第二章 数据通信基础知识
11
Networking techno;ogy
2.2.2 信道的截止频率与带宽
信道带宽是指该系统不失真传输信号的频率范围
我们把信号在经过信道时其中某个频率分量的振 幅衰减到原来的0.707(即信号的能量衰减到原来 的一半)时所对应的频率称为信道的截止频率fc。 (cut-off frequency)即低通信道的有效带宽(0~fc） 任何信道都有fc，信道的截止频率或带宽是由其 固有的物理特性决定的。
接收时钟与发送时钟必须保持同步
第二章 数据通信基础知识
3
Networking techno;ogy
数字通信的主要特点
抗干扰能力强，可实现高质量的远距离传输；
能适应各种传输业务； 能实现高保密传输； 传输设备的集成化和微型化；
优点
缺点
占用信道的带宽大；而且需要复杂的同步技术。
21
Networking techno;ogy
2.3 传输介质
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。常用的 无线通信系统有无线电、微波、卫星、红外线、 激光等等。
例子
一个带宽为 3000Hz 的无噪声信道在传输二进制数字信号
其最大数据传输率不超过6000bps。
第二章 数据通信基础知识
19
Networking techno;ogy
Shannon定理
Shannon（1948）推导出对于带宽为 H，信噪比为
S/N的有噪声信道，其最大数据传输率Rmax为：
Rb RB log2 n
第二章 数据通信基础知识
16
Networking techno;ogy
码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元 码元
码元1 信号 码元2 码元3 码元4 码元5
t
同步脉冲
第二章 数据通信基础知识
17
Networking techno;ogy
信息量的度量
香农规定：一个消息所荷载信息量I，等于它所表示 事件发生的概率P的倒数的对数。 信息量的计算公式：I=loga(1/P)= -loga(P) 信息量的单位： 如果对数以2为底，单位为比特（b）。 如果对数以e为底，单位为奈特（nat)。 如果对数以10为底，单位为哈特莱（Hartley）。 事件发生的概率越高，信息量越少。
(b) 数字信号
分为模拟信号与数字信号。 (a) 模拟信号
通信
通信的任务是将表示消息的信号从发送方传递到
接收方。
分为模拟通信与数字通信。
第二章 数据通信基础知识
1
Networking techno;ogy
2.1.2 模拟通信
包括传输介质和介质两端的传输设备
模拟通信：利用模拟信号来传递消息。
Rmax = H*log 2 (1 + S/N) (bps)
其中信号功率与噪声功率的比值称为信噪比 (Signal-toNoise Ratio)；我们一般使用分贝(dB)来表示信噪比。 S/NdB = 10 log10 S/N
例子：一个带宽为3000Hz信噪比为30dB的信道其 最大数据传输率不超过C=3000*log2(1+1000) ≈30Kbps
第二章 数据通信基础知识
18
Networking techno;ogy
Nyquist定理
Nyquist （ 1924 ）推导出带宽为 H 的理想 ( 无噪声 ) 信 道的最大数据传输率为
Rmax = 2H*log 2V (bps)
其中V为信号电平的量化等级。
公式说明数据传输率随信号编码级数增加而增加。
第二章 数据通信基础知识
20
Networking techno;ogy
结论
若把信息传输速率增加到信息容量以上，哪怕超 过一点，那么被正确接受的概率就会趋于零。 在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农 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真等。 当信噪比太小，不能保证通信质量时，可用增加 带宽来提高信道容量，即以带宽换功率。 无论信号编码分多少级，香农公式给出了信道能 达到的最高传输速率，原因是噪声的存在将使编 码级数不可能无限增加。
第二章 数据通信基础知识
6
Networking techno;ogy
2.2.1 信号的频谱和带宽
傅立叶已经证明：任何一个周期为 T的函数f(t)都是由 f(t) 无穷多个正弦和余弦函数合成，即： f(t)= C/2 (anSin2nft bnCos2nft) An Cos(2nft n) n 1 n 0 其中：
例子：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 信道带宽要远远大于4KHz。
第二章 数据通信基础知识
4
Networking techno;ogy
模拟放大与数字再生
第二章 数据通信基础知识
5
Networking techno;ogy
2.2 数据通信基础理论
有效带宽，简称为带宽(Bandwidth)；
任何信号都有一定的带宽。
第二章 数据通信基础知识
8
Networking techno;ogy
绝对带宽和有效带宽
第二章 数据通信基础知识
9
Networking techno;ogy
常见信号的带宽
话音信号
话音信号的标准带宽为300Hz～3400Hz。
音乐信号（CD音质）
要求的带宽是20Hz ~ 20KHz。
电视信号
电视信号的带宽为几Hz～4MHz。
Байду номын сангаас
单脉冲信号
其带宽为无穷大
二进制信号
一般情况下，其带宽依赖于“0”、“1”序列的顺序
以及具体的数字编码方式。
第二章 数据通信基础知识
10
Networking techno;ogy
任何信号通过信道时都会发生衰减；如果所有
2.2.1 信号的频谱和带宽
频率分量被等量衰减，那么结果信号虽在振幅 上有所衰减，但没有畸变。
然而：信道对不同频率的信号其衰减幅度是不
相同的，因而会发生畸变。一般来说，频率越 高的信号，其衰减幅度越大
2.2.2 信道的截止频率与带宽 2.2.3 信道的最大数据传输率
信源 调制器 信道
解调器
信宿
噪声
实质上是一种信号变换器，由于信源产生的是模拟 信号，所以调制器的功能是将其调制到某个频段以 便进行远距离传输或多路复用。
第二章 数据通信基础知识
2
Networking techno;ogy
数字通信：利用数字信号来传递消息。
信 源 信 源 编 码 器 发送端时钟 信 道 编 码 器 调 制
第二章 数据通信基础知识
22
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2.3.1 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1mm，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。双绞线最常见的应用是电 话系统。 虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息的,但同样 适用于数字信号的传输,特别适用于较短距离的信息 传输。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用导线的 质量、长度、铜线的粗细及传输技术。一般可以在几 公里内达到几兆bps的传输率。 双绞线可分为屏蔽双绞线STP(IBM)和非屏蔽双绞线 UTP（ EIA/TIA）
结论
信道的带宽决定对其通过信号的带宽，因而对 于有限带宽信道必须限制信号的带宽，即限制 信号的数据传输率；否则输出信号就会畸变。
第二章 数据通信基础知识
14
Networking techno;ogy
以01100010为周期信号的频谱
第二章 数据通信基础知识
15
Networking techno;ogy
2.1.3 数字通信 是对传输的数字信号进行检错或纠错编码 , 以便接收方能进行差错检测和纠正。
信 道 译 码 器 信 源 译 码 器
信
道
解
调
信 宿
它使变换后的信号能在传输介质 接收端时钟 信源编码器的主要作用：一是进行模 / 数转换；二是 噪声 中传输，或提高信道的传输效率 降低信号的数码率。 发送端和接收端使用各自的时钟；
第二章 数据通信基础知识
12
Networking techno;ogy
信道截止频率
A
10lg 2 3
A
1 0.707
1 0.707
f fc
(a) µ ¥ Í ¨Â Ë ² ¨Æ ÷
第二章 数据通信基础知识
f f1 f2 (b) f2
Ë « Í ¨Â Ë ² ¨Æ ÷
13
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第二章 数据通信基础知识
7
Networking techno;ogy
基本概念
频域图（频率-最大振幅图）
把f(t)各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列
起来所形成谱状图形,称为信号f(t)的频谱图。
信号带宽
信号频域图所覆盖的频率范围称为信号的带宽 我们将信号大部分能量集中的那段频带称为信号的
第二章 数据通信基础知识
25
Networking techno;ogy
双绞线
第四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最 高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局 域网和10base-T/100base-T。 第五类:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘 材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为 100Mbps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网 络，这是最常用的以太网电缆。 3类和5类UTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。5 类旋得较紧，一般为每英寸3-4转，而3类则一般是每英尺 3-4转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。 另外还有超5类双绞线电缆，通过对其“信道”性能测试 结果表明，与普通5类双绞线电缆比较，它的近端串扰、 衰减和结构回波等主要性能指标都有很大提高。
2 T an f(t)Sin(2 nftdt ) T 0 2 T bn f(t)Cos(2 nftdt ) T 0
C f(t)dt
0 T
2 2 An an bn
n= arctg(bn/ an) 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。
2.2.3 信道的最大数据传输率
基本概念
码元速率
调制速率，波特率，信号单元速率 信号每秒钟传输的脉冲（码元）数： RB 1
T ( Baud )
数据传输率
信息速率 1 信号每秒钟传输的信息量（比特/秒）：Rb log 2 V T V为信号的电平级数
比特率 波特率log2 n 两者的关系：
Networking techno;ogy
2.1 基本概念
是消息或数据的电磁编码。信号的时域特性表 f(t) x(nT)
信号
示为时间t的函数，信号的数学描述一般是以时 间t为自变量，以某种物理量（如电压）为因变 t nT 量。 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1
双绞线
EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。 计算机网络综合布线使用第三、四、五类。这五种 型号如下：
第一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代
初之前的电话线缆），不用于数据传输。 第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速 率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协 议的旧的令牌网。 第三类:指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。 该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速 率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。
第二章 数据通信基础知识
23
Networking techno;ogy
双绞线
橘 白
绿 蓝 褐 白 蓝 白 绿白 褐
橘
RJ-45 色序图 下面是 PC 机不经过 HUB 直接通过网线相连的参考图
3 类 UTP 线
Pin#8 Pin#1
第二章 数据通信基础知识
24
Networking techno;ogy
脉冲信号频谱图
信号的脉冲宽度与其带宽成反比，因此信 号的数据率越高，信号的带宽也就越宽。
第二章 数据通信基础知识
11
Networking techno;ogy
2.2.2 信道的截止频率与带宽
信道带宽是指该系统不失真传输信号的频率范围
我们把信号在经过信道时其中某个频率分量的振 幅衰减到原来的0.707(即信号的能量衰减到原来 的一半)时所对应的频率称为信道的截止频率fc。 (cut-off frequency)即低通信道的有效带宽(0~fc） 任何信道都有fc，信道的截止频率或带宽是由其 固有的物理特性决定的。
接收时钟与发送时钟必须保持同步
第二章 数据通信基础知识
3
Networking techno;ogy
数字通信的主要特点
抗干扰能力强，可实现高质量的远距离传输；
能适应各种传输业务； 能实现高保密传输； 传输设备的集成化和微型化；
优点
缺点
占用信道的带宽大；而且需要复杂的同步技术。