Ch2数据通信基础知识
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– 并行（parallel）通讯，每个 字符的二进制位使用多条数据 线同时进行传输，传输速度相 对要快些，但传输距离相对不 能太远，计算机内部数据传输 一般都是采用这种方法，标准 打印口是属并行端口
17
• 异步方式和同步方式
– 异步传输以字符为独立的传输单位。
– 同步传输时，数据块以稳定的比特流的形式传输
• 中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于100m
高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。
41
红外线
• 红外系统采用发光射二极管LED、激光二极 管ILD发射的红外线来进行站与站之间的数 据交换。
• 点到点红外系统 • 广播式红外系统
42
*2.4 编码与调制
2.4.1 数字－数字编码 2.4.2 模拟－数字编码 2.4.3 数字－模拟调制 2.4.4 模拟－模拟调制
• 描述带宽也常常把“比特/秒”省略。
– 例如，带宽是 10 M，实际上是 10 Mb/s。 – 这里的 M 是 106。
23
信道带宽的描述
带宽(broad width)与信道可以允许通过的信号的最高频 率与最低频率有关
24
2.3 传输介质
2.3.1 双绞线 2.3.2 同轴电缆 2.3.3 光纤 2.3.4 无线介质
14
数字信号通过实际的信道
• 失真不严重
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
输入信号波形
• 失真严重 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
输出信号波形 (失真不严重)
输入信号波形
输出信号波形 (失真严重)
15
2.1.3 传输
• 传输是指将信号从发送传到接收端，并且在接收 端进行恢复
• 全双工通信——通信的双 方可以同时发送和接收信 息。
20
2.2 数据通信基础理论
• 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(PAL或NTSC制式)
– 电视信号的带宽约为4.2MHz
• 二进制信号(数字信号)
– 在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡， 还会被雨水吸收。
39
无线电波（2）
40
微波
• 微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息 传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在1GHz至 20GHz左右。
• 由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天 线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。
• 模拟传输和数字传输
• 数字传输的优点
– 数字器件的体积和价格的降低
– 数据转发器，减少错误累计
– 多路复用简单、高效
– 安全和保密
– 综合性
16
2.1.4 传输方式
• 并行传输和串行传输
– 串行（serial）通讯，每个字 符的二进制位按位排列进行传 输，速度慢，但传输距离相对 较远，鼠标口和USB口都是串 行端口；
光源 信号衰减
端接 造价
单模光纤
长 高 激光 小 较难 高
多模光纤
短 低 发光二极管 大 较易 低
36
光纤的特点
• 优点
– 高带宽、高数据率 – 安全、可靠 – 抗腐蚀 – 衰减小
37
2.3.4 无线介质
• 无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束 在一物理导体内
• 无线介质实际上就是无线传输系统，主要包括 – 无线电 – 微波 – 红外线和激光 – 卫星通信
第二章 数据通信基础
2.1 概念和术语 2.2 数据通信基础理论 2.3 传输介质 2.4 编码与调制 2.5 复用 2.6 调制解调器 2.7 物理层接口
1
数据通信系统
数字比特流 模拟信号
模拟信号 数字比特流
正文 PC 机 调制解调器
公用电话网
调制解调器
正文 PC 机
源系统
传输系统
目的系统
输 源点 输 发送器
18
异步传输举例
字符内部的各个比特采用固定的时间模式，每个字符独立传输， 字符之间间隔任意，用独特的起始位和终止位来限定每个字符。 传输效率较低
线路空闲
起
终
起
始
止
始
位 1 1 1 0 1 0 1 0位
位
线路空闲
一个字符
下一字符
19
• 单工通信——只能有一个 方向的通信而没有反方向 的交互。
• 半双工通信——通信的双 方都可以发送信息，但不 能双方同时发送(当然也 就不能同时接收)。
– 一般说来，任何数字信号都具有无限带宽，但它们不得不 被近为有限带宽信号
– 数字信号的带宽依赖于“0”、“1”序列以及编码方式
21
计算机网络中的速率
• 计算机网络中信号的速率涉及三种：
– 传播速率；调制速率；数据传输率
• 信号的传播速率是常量
– 传播速率，是一个常量，与光速联系
• 调制速率也称为码元速率、波形速率或信号速率
43
2.4.1 数字—数字编码
例如：计算机到打印机
44
曼彻斯特和差分曼彻斯特编码
45
2.4.2 模拟—数字编码
如何在不损失信号质量的前提下，将信息 从无穷多的连续值转换为有限个离散值
46
脉冲幅度调制PAM
脉冲振幅调制（PAM, Pulse Amplitude Modulation）
47
脉冲编码调制PCM
• 数字数据
– 计算机存储的文本文件（例如：*.doc） – 编解码后的多媒体文件（例如：*.mp3）
8
2.1.2 信号
• 信号
–信号是数据的电子或电磁编码，数据必须经过 编码转换为电信号后才能在传输介质中传输
– 模拟信号与数字信号
9
模拟信号和数字信号
10
模拟的和数字的数据、信号
模拟数据 模拟数据
5
2.1 概念和术语
2.1.1 数据 2.1.2 信号 2.1.3 传输 2.1.4 传输方式
6
2.1.1 数据
• 信息：客观事物属性和相互关系的表征
• 数据：信息的表现
信息是在人们之间传递的知识，数据是信息的具 体表现形式，其本身是各种各样的物理符号或它 们的组合
7
• 模拟数据
– 音频（例如：无线广播） – 视频（例如：电视）
• 脉冲编码调制PCM就是将脉冲振幅调制 PAM所产生的采样结果变成完全数字化的 信号。
• 三个过程
– 脉冲幅度调制PAM – 量化（A/D转换） – 编码（数字—数字编码）
48
模拟数据编码为数字信号
• 脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）
– 是用于模拟数据编码为数字信号的技术
双绞线
卫星
光纤
同轴电缆
地面微波
海事 调幅 无线电 无线电
调频 移动 无线电 无线电
电视
波段
LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF
4
极低频 ELF (Extremely Low Frequency) 3-30Hz 超低频 SLF (Super Low Frequency) 30-300Hz 特低频 ULF (Ultra Low Frequency) 300-3000Hz 甚低频 VLF (Very Low Frequency) 3-30KHz 低频 LF ( Low Frequency) 30-300KHz 中频 MF (Medium Frequency) 300-3MHz 高频 HF (High Frequency) 3-30MHz 甚高频 VHF (Very High Frequency) 30-300MHz 特高频 UHF (Ultra High Frequency) 300-3000MHz 超高频 SHF (Super High Frequency) 3-30GHz 极高频 EHF (Extremely High Frequency) 30-300GHz
25
2.3.1 双绞线
• 屏蔽双绞线STP（IBM） • 非屏蔽双绞线UTP（ EIA/TIA）
– 1类——用于电话通信，一般不适合传输数据。 – 2类——可用于传输数据，最大数据率为4Mbps。 – 3类——用于以太网，最大数据率为10Mbps。 – 4类——用于令牌环网，最大数据率为16Mbps。 – 5类——用于快速以太网，最大数据率为100Mbps。 – 6类——用于吉比特以太网，最大数据率为1Gbps。
信双方按照通信协议传输信息，并能理解这些 通信协议
12
信道
• 信道与电路并不等同，信道表示信号的通路，一 般是用来表示向某一个方向传输信息的媒体
–一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道
• 信道与传输介质也是有区别的
–传输介质是指用于连接两个或多个网络节点的物理传 输线路
• 通信信道建立在传输介质之上
发送
传输 系统
入
入
的信号
信
数
息
据
接收器
终点
接收
输
输
的信号
出
出
数
信
据
息
2
物理层的基本概念
• 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的 接口的一些特性，即：
– 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
– 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的 电压的范围。
– 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电 压表示何种意义。
– 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。
3
电信领域使用的电磁波的频谱
f (Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024
无线电 微波
红外线
X射线
射线
可见光 紫外线
f (Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016
• 无线介质只能传输模拟信号（高频载波信号）
38
无线电波（1）
• 无线电通信就是利用地面发射的无线电波通过电离 层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。
– 无线电通信使用的频率一般在3MHz 至1GHz。
• 无线电波的传播特性与频率有关。
– 在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能 量随着传播距离的增大而急剧递减。
–包括传输介质和通信设备
13
差错率/误码率
由于噪声的影响和信道带宽的限制，信号可能 发生失真.
差错率/误码率：传输比特总数与其中出错比 特数的比值 Pe = 出错比特数传输/比特总数 例： 传输10000bit, 有2bit出错，
Pe ＝ 2/10000 差错率越高表示信道的质量越差
信道的差错率与信号的传输速率和传输距离成正比
– 使用激光源 – 内芯直径较小
• 直径为8～10μm
• 多模光纤（multi-mode fiber）
– 使用发光二极管
– 内芯直径稍大（外径为125 μm ）
• 直径为62.4μm
34
输入脉冲
多模光纤与单模光纤
多模光纤
输出脉冲
输入脉冲
单模光纤
输出脉冲
35
单模光纤与多模光纤的比较
项目 距离 数据传输率
– 指的是每秒种发送信号的数目，单位为波特(baud)
• 数据传输率为每秒种发送的二进制位数
– 单位为bps，读作每秒位。
• 调制速率与数据传输率之间的关系为： C = B log2 N (bps)
– 其中：C为数据传输率； – B为调制速率； – N为一个信号可能取值的个数
22
计算机网络的带宽
• 计算机网络的带宽是指网络可通过的最 高数据率，即每秒多少比特。
26
双绞线图示
无屏蔽双绞线 UTP
屏蔽双绞线 STP
聚氯乙烯 套层
绝缘层 铜线
聚氯乙烯 套层
屏蔽层 绝缘层
铜线
27
双绞线图示及UTP-5的线序
28
2.3.2 同轴电缆
• 基带电缆（10 Mbps）
– 粗缆
• 非中继传输距离500米
• 需要使用收发器和收发电缆
源自文库
• AUI接口
– 细缆（便宜的同轴电缆）
放大器 调制器
PCM 编码器
模拟信号 数字信号
数字数据 数字数据
调制器
数字 发送器
模拟信号
数字信号
11
通信的基本要求
• 通信的双方完成一次通信需要满足三个基 本要求：
–一是双方有通信的愿望 –二是通信的双方之间有信息传递的信道，也即
是说通信要经过传输介质以及有关的传输设备 –三是通信双方要遵循通信的规则和约定，即通
• 非中继传输距离185米
• BNC接口
• 宽带电缆（CATV电缆）
– Cable Modem（宽带接入）
29
同轴电缆图示
同轴电缆 50 同轴电缆 75 同轴电缆
30
2.3.3 光纤
• 带宽
– 频率范围：180~370 THz – 数据率：160*10Gbps = 1.6Tbps
• 原因：光/电、电/光转换的速度跟不上 • 光电子技术/光子技术
• 通过光纤中光的波长
– 0.85μm/1.3μm/1.55 μm (250~ 300THz)
31
包层 纤 芯
光反射原理
折射角 包层 （低折射率的媒体）
入射角
纤芯 （高折射率的媒体）
包层 （低折射率的媒体）
32
光纤及光缆构成
33
单模光纤和多模光纤
• 单模光纤（single-mode fiber）
17
• 异步方式和同步方式
– 异步传输以字符为独立的传输单位。
– 同步传输时，数据块以稳定的比特流的形式传输
• 中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于100m
高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。
41
红外线
• 红外系统采用发光射二极管LED、激光二极 管ILD发射的红外线来进行站与站之间的数 据交换。
• 点到点红外系统 • 广播式红外系统
42
*2.4 编码与调制
2.4.1 数字－数字编码 2.4.2 模拟－数字编码 2.4.3 数字－模拟调制 2.4.4 模拟－模拟调制
• 描述带宽也常常把“比特/秒”省略。
– 例如，带宽是 10 M，实际上是 10 Mb/s。 – 这里的 M 是 106。
23
信道带宽的描述
带宽(broad width)与信道可以允许通过的信号的最高频 率与最低频率有关
24
2.3 传输介质
2.3.1 双绞线 2.3.2 同轴电缆 2.3.3 光纤 2.3.4 无线介质
14
数字信号通过实际的信道
• 失真不严重
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
输入信号波形
• 失真严重 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
输出信号波形 (失真不严重)
输入信号波形
输出信号波形 (失真严重)
15
2.1.3 传输
• 传输是指将信号从发送传到接收端，并且在接收 端进行恢复
• 全双工通信——通信的双 方可以同时发送和接收信 息。
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2.2 数据通信基础理论
• 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(PAL或NTSC制式)
– 电视信号的带宽约为4.2MHz
• 二进制信号(数字信号)
– 在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡， 还会被雨水吸收。
39
无线电波（2）
40
微波
• 微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息 传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在1GHz至 20GHz左右。
• 由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天 线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。
• 模拟传输和数字传输
• 数字传输的优点
– 数字器件的体积和价格的降低
– 数据转发器，减少错误累计
– 多路复用简单、高效
– 安全和保密
– 综合性
16
2.1.4 传输方式
• 并行传输和串行传输
– 串行（serial）通讯，每个字 符的二进制位按位排列进行传 输，速度慢，但传输距离相对 较远，鼠标口和USB口都是串 行端口；
光源 信号衰减
端接 造价
单模光纤
长 高 激光 小 较难 高
多模光纤
短 低 发光二极管 大 较易 低
36
光纤的特点
• 优点
– 高带宽、高数据率 – 安全、可靠 – 抗腐蚀 – 衰减小
37
2.3.4 无线介质
• 无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束 在一物理导体内
• 无线介质实际上就是无线传输系统，主要包括 – 无线电 – 微波 – 红外线和激光 – 卫星通信
第二章 数据通信基础
2.1 概念和术语 2.2 数据通信基础理论 2.3 传输介质 2.4 编码与调制 2.5 复用 2.6 调制解调器 2.7 物理层接口
1
数据通信系统
数字比特流 模拟信号
模拟信号 数字比特流
正文 PC 机 调制解调器
公用电话网
调制解调器
正文 PC 机
源系统
传输系统
目的系统
输 源点 输 发送器
18
异步传输举例
字符内部的各个比特采用固定的时间模式，每个字符独立传输， 字符之间间隔任意，用独特的起始位和终止位来限定每个字符。 传输效率较低
线路空闲
起
终
起
始
止
始
位 1 1 1 0 1 0 1 0位
位
线路空闲
一个字符
下一字符
19
• 单工通信——只能有一个 方向的通信而没有反方向 的交互。
• 半双工通信——通信的双 方都可以发送信息，但不 能双方同时发送(当然也 就不能同时接收)。
– 一般说来，任何数字信号都具有无限带宽，但它们不得不 被近为有限带宽信号
– 数字信号的带宽依赖于“0”、“1”序列以及编码方式
21
计算机网络中的速率
• 计算机网络中信号的速率涉及三种：
– 传播速率；调制速率；数据传输率
• 信号的传播速率是常量
– 传播速率，是一个常量，与光速联系
• 调制速率也称为码元速率、波形速率或信号速率
43
2.4.1 数字—数字编码
例如：计算机到打印机
44
曼彻斯特和差分曼彻斯特编码
45
2.4.2 模拟—数字编码
如何在不损失信号质量的前提下，将信息 从无穷多的连续值转换为有限个离散值
46
脉冲幅度调制PAM
脉冲振幅调制（PAM, Pulse Amplitude Modulation）
47
脉冲编码调制PCM
• 数字数据
– 计算机存储的文本文件（例如：*.doc） – 编解码后的多媒体文件（例如：*.mp3）
8
2.1.2 信号
• 信号
–信号是数据的电子或电磁编码，数据必须经过 编码转换为电信号后才能在传输介质中传输
– 模拟信号与数字信号
9
模拟信号和数字信号
10
模拟的和数字的数据、信号
模拟数据 模拟数据
5
2.1 概念和术语
2.1.1 数据 2.1.2 信号 2.1.3 传输 2.1.4 传输方式
6
2.1.1 数据
• 信息：客观事物属性和相互关系的表征
• 数据：信息的表现
信息是在人们之间传递的知识，数据是信息的具 体表现形式，其本身是各种各样的物理符号或它 们的组合
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• 模拟数据
– 音频（例如：无线广播） – 视频（例如：电视）
• 脉冲编码调制PCM就是将脉冲振幅调制 PAM所产生的采样结果变成完全数字化的 信号。
• 三个过程
– 脉冲幅度调制PAM – 量化（A/D转换） – 编码（数字—数字编码）
48
模拟数据编码为数字信号
• 脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）
– 是用于模拟数据编码为数字信号的技术
双绞线
卫星
光纤
同轴电缆
地面微波
海事 调幅 无线电 无线电
调频 移动 无线电 无线电
电视
波段
LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF
4
极低频 ELF (Extremely Low Frequency) 3-30Hz 超低频 SLF (Super Low Frequency) 30-300Hz 特低频 ULF (Ultra Low Frequency) 300-3000Hz 甚低频 VLF (Very Low Frequency) 3-30KHz 低频 LF ( Low Frequency) 30-300KHz 中频 MF (Medium Frequency) 300-3MHz 高频 HF (High Frequency) 3-30MHz 甚高频 VHF (Very High Frequency) 30-300MHz 特高频 UHF (Ultra High Frequency) 300-3000MHz 超高频 SHF (Super High Frequency) 3-30GHz 极高频 EHF (Extremely High Frequency) 30-300GHz
25
2.3.1 双绞线
• 屏蔽双绞线STP（IBM） • 非屏蔽双绞线UTP（ EIA/TIA）
– 1类——用于电话通信，一般不适合传输数据。 – 2类——可用于传输数据，最大数据率为4Mbps。 – 3类——用于以太网，最大数据率为10Mbps。 – 4类——用于令牌环网，最大数据率为16Mbps。 – 5类——用于快速以太网，最大数据率为100Mbps。 – 6类——用于吉比特以太网，最大数据率为1Gbps。
信双方按照通信协议传输信息，并能理解这些 通信协议
12
信道
• 信道与电路并不等同，信道表示信号的通路，一 般是用来表示向某一个方向传输信息的媒体
–一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道
• 信道与传输介质也是有区别的
–传输介质是指用于连接两个或多个网络节点的物理传 输线路
• 通信信道建立在传输介质之上
发送
传输 系统
入
入
的信号
信
数
息
据
接收器
终点
接收
输
输
的信号
出
出
数
信
据
息
2
物理层的基本概念
• 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的 接口的一些特性，即：
– 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
– 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的 电压的范围。
– 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电 压表示何种意义。
– 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。
3
电信领域使用的电磁波的频谱
f (Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024
无线电 微波
红外线
X射线
射线
可见光 紫外线
f (Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016
• 无线介质只能传输模拟信号（高频载波信号）
38
无线电波（1）
• 无线电通信就是利用地面发射的无线电波通过电离 层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。
– 无线电通信使用的频率一般在3MHz 至1GHz。
• 无线电波的传播特性与频率有关。
– 在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能 量随着传播距离的增大而急剧递减。
–包括传输介质和通信设备
13
差错率/误码率
由于噪声的影响和信道带宽的限制，信号可能 发生失真.
差错率/误码率：传输比特总数与其中出错比 特数的比值 Pe = 出错比特数传输/比特总数 例： 传输10000bit, 有2bit出错，
Pe ＝ 2/10000 差错率越高表示信道的质量越差
信道的差错率与信号的传输速率和传输距离成正比
– 使用激光源 – 内芯直径较小
• 直径为8～10μm
• 多模光纤（multi-mode fiber）
– 使用发光二极管
– 内芯直径稍大（外径为125 μm ）
• 直径为62.4μm
34
输入脉冲
多模光纤与单模光纤
多模光纤
输出脉冲
输入脉冲
单模光纤
输出脉冲
35
单模光纤与多模光纤的比较
项目 距离 数据传输率
– 指的是每秒种发送信号的数目，单位为波特(baud)
• 数据传输率为每秒种发送的二进制位数
– 单位为bps，读作每秒位。
• 调制速率与数据传输率之间的关系为： C = B log2 N (bps)
– 其中：C为数据传输率； – B为调制速率； – N为一个信号可能取值的个数
22
计算机网络的带宽
• 计算机网络的带宽是指网络可通过的最 高数据率，即每秒多少比特。
26
双绞线图示
无屏蔽双绞线 UTP
屏蔽双绞线 STP
聚氯乙烯 套层
绝缘层 铜线
聚氯乙烯 套层
屏蔽层 绝缘层
铜线
27
双绞线图示及UTP-5的线序
28
2.3.2 同轴电缆
• 基带电缆（10 Mbps）
– 粗缆
• 非中继传输距离500米
• 需要使用收发器和收发电缆
源自文库
• AUI接口
– 细缆（便宜的同轴电缆）
放大器 调制器
PCM 编码器
模拟信号 数字信号
数字数据 数字数据
调制器
数字 发送器
模拟信号
数字信号
11
通信的基本要求
• 通信的双方完成一次通信需要满足三个基 本要求：
–一是双方有通信的愿望 –二是通信的双方之间有信息传递的信道，也即
是说通信要经过传输介质以及有关的传输设备 –三是通信双方要遵循通信的规则和约定，即通
• 非中继传输距离185米
• BNC接口
• 宽带电缆（CATV电缆）
– Cable Modem（宽带接入）
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同轴电缆图示
同轴电缆 50 同轴电缆 75 同轴电缆
30
2.3.3 光纤
• 带宽
– 频率范围：180~370 THz – 数据率：160*10Gbps = 1.6Tbps
• 原因：光/电、电/光转换的速度跟不上 • 光电子技术/光子技术
• 通过光纤中光的波长
– 0.85μm/1.3μm/1.55 μm (250~ 300THz)
31
包层 纤 芯
光反射原理
折射角 包层 （低折射率的媒体）
入射角
纤芯 （高折射率的媒体）
包层 （低折射率的媒体）
32
光纤及光缆构成
33
单模光纤和多模光纤
• 单模光纤（single-mode fiber）