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2005 zqiangwu@snnu.edu.cn
数据通信与计算机网络
陕西师范大学计算机科学学院
吴 振 强
zqiangwu@snnu.edu.cn
第二章 物理层与数据通信基础
Part II
Syllabus
传输媒体介绍
双绞线
同轴电缆
光纤
无线传输媒体
主要的传输介质
磁介质
磁盘,磁带
双绞线
EIA/TIA-568A CAT.3,CAT.5
同轴电缆
RG-11,RG-58,RG-59
光纤电缆
8.3/125单模,62.5/125多模
无线传输
单频通信,扩频通信
红外通信,微波卫星
物理传输媒体
导向介质
非导向介质
物理层中的传输媒体
有线
同轴电缆
双绞线
光纤
无线
卫星
无线
红外通信
激光通信
微波
分类
Twisted Pair:双绞线
内导体芯线
绝缘
箔屏蔽
铜屏蔽
外套
双绞线(Twisted Pair)
双绞线减少相互间的干扰
电缆常常包括多对双绞线
双绞线分为两类:
屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair)
非屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)
3类UTP:常用来传输话音
5类UTP:可以100Mbps传输数据
超5类UTP:支持的数据速率更高
物理层中的传输媒体
(a) Category 3 UTP.
(b) Category 5 UTP.
双绞线
物理层中的传输媒体
双绞线
平行线的噪声干扰
双绞线的噪声干扰
双绞线小结
一般在一根线内有多对,常在2~1800对之间;
双绞线分为:
UTP(非屏蔽双绞线)成本低,安装容易,易受外部
或附近双绞线的干挠;
STP(屏蔽双绞线):在线的外层加上金属包层来屏蔽
外界的干挠,成本高,安装难度大;
根据1995年的电子工业协会EIA公布的标准EIA-586-A,
其中100 的3类UTP和5类UTP,STP是150 ,其中CAT3
和CAT5的区别在于旋绞次数,CAT5一般是3~4次/英寸,
而CAT3则是3~4次/英尺;
UTP的主要性能参数和用途
EIA/TIA 568B 的标准双绞线
脚位
1
2
3
4
5
6
7
8
颜色
白橙
橙
白绿
蓝
白蓝
绿
白棕
棕
10BaseT/100 BaseT 脚位菜单
脚 位
功 能
简 称
1
传输数据正极(Transmit Data+)
TX+
2
传输数据负极(Transmit Data-)
TX-
3
接收数据正极(Receive Data+)
RX+
4
未使用
_
5
未使用
_
6
接收数据负极(Receive Data-)
RX-
7
未使用
_
8
未使用
_
Cat.6E 550Mhz 4 Pairs UTP(Solid)
GStandards :
UL / CSA Listed CMR, UL, ETL and 3P Verified to
ANSI/TIA/EIA568B.2-1 Cat 6
ISO / IEC-11801 NEMA WC 66 prEN 50288.6.1
六类线技术指标
Coaxial Cable:同轴电缆
同轴电缆
100KHz 500MHz
同轴电缆(coaxial cable)
速度更高,距离更远
从里到外依次为铜芯,绝缘材料,网状导体,塑料外皮,
基带同轴电缆:用于传输数字信号
粗缆
细缆
宽带同轴电缆
传输模拟信号,在CATV中使用.
被分为多个信道,可以传输电视,数据.
型号:RG-8,RG-11 50 阻抗,粗缆 基带10M
500mX5
RG-58/U,RG-58C/U 50 阻抗,细缆 基带10M
RG-59 75 阻抗,CATV粗缆 宽带
RG-62 93 阻抗,ARCnet及IBM370用
基带同轴:细缆保护层为网状,安装简单,成本低,
截断电缆,粗缆成本高,不切断电缆,
用穿刺式
宽带同轴:保护层为铝薄片
同轴电缆
同轴电缆的构成
物理层中的传输媒体
同轴电缆
Coaxial Cable - Transmission Characteristics
Analog
Amplifiers every few km
Closer if higher frequency
Up to 500MHz
Digital
Repeater every 1km
Closer for higher data rates
光纤(Optical Fiber)
光纤传送电信号的过程
单模光纤:直线,距离更长,数据速率更高
多模光纤:折射
光缆
光纤
光纤是宽带网络中多种传输媒介中最理想的一种,它
的特点是传输容量大,传输质量好,损耗小,中继距离长
等.而光纤通信系统的构成如图所示:
光纤的组网范例
光纤
物理特性
物理成份:5~100um芯,超纯 SiO2,成本高,生产工艺难
度大,传输距离远;多塑纤维,成本低,但传输距离短
构成:根据光纤的波长分为多模和单多模光纤;
多模是光线沿着光纤以多种角度不断被包层反射而向前传播,
多模指反射角的多样性;其波长为0.85um,
单模是指光纤的芯缩小到与波长相当,此时相当于光沿直线在
光纤的轴芯上传播.单模光纤由于减少了反射过程中光能量被
包层材料吸收,故损耗小,能传输的更远;但由于要把光纤的
芯拉的更细;1.3um,所以工艺难度大,成本高.(光纤芯直径
是单模8.3um,多模是50um和 62.5um两种)
速度:2.4G,5G,10G在推广,20G正在研制,无中继达
20Km以上;
影响光纤的因素:衰减和色散
传输原理
用1014~1015HZ的光,利用光的折射和全反射原理;
详细材料请参见:
http://www.kepu.com.cn/gb/technology/telecom/fiber/fbr100.html
折射率作为衡
量它的一个
标准.其定
义为:
cos(a) /cos(b)
利用不同的介质密度的差异,引起全反射
传输过程

电信号—驱动器—光源—……光纤信号(光纤)……—
光检波器—放大器—电信号
发送端:发光二极管LED,可见光,多模;注入型激光
二极管ILD,激励性电效应,单模,昂贵,有稳态和激发态
接收端:光检测
PIN检测器,PN结中加纯硅,价格低,灵敏度低
APP检测器,雪崩光电二极管,灵敏度高
光调制:ASK调制,复用技术(WDM,DWDM)
光纤传输的优点:
轻便,低衰减和大容量
Optical Fiber:光纤
芯core
防护层
jacket
覆层
cladding
-glass or plastic core
-Laser or light emitting diode
-Specially designed jacket
-Small size and weight
Angle of
incidence
Angle of
reflection
Fiber Construction
传输模式
Mode
Singlemode
Step-index
Multimode
Graded-index
传输模式---多模突变
Multimode step-index fiber
传输模式---多模渐变
Multimode graded-index fiber
传输模式---单模
Single-mode fiber
物理层中的传输媒体
光缆
根据频率f,波长 ,带宽之间的关系和电磁波理论,
有f =c,f=c/ ;两边对 进行求导,
f=c / 2
这时 f就是带宽.以波长为1.3um的光纤为例计算出光纤
的带宽是30T.
光纤通信的前景
无线传输媒体有卫星,无线电通信,红外线通信,
激光通信,微波通信等;根据ITU-R将无线电划分成若干
波段,其中有低频LF,中频MF,高频HF,甚高频VHF,
超高频UHF,特高频SHF,极高频EHF等.
分析P54的蜂窝式无线电通信
分析目前的WAP(无线应用协议);
采用的是无管制的频率段;
思考题:查询WAP,蓝牙技术(blue-tooth)方面的信息;
无线传输介质
无线网络
电磁波谱
Electromagnetic Spectrum
Frequencies:频率
2GHz to 40GHz
Microwave
Highly directional
Point to point
Satellite
30MHz to 1GHz
Omnidirectional
Broadcast radio
3 x 1011 to 2 x 1014
Infrared
Local
VLF
LF
超低频,低频
MF
HF
中频,高频
VHF
UHF
甚高频,特高频
SHF(Super high frequency)
EHF(Extremely high frequency)
超高频,极高频
卫星通信是利用地球同步轨道卫星进行的通信,大约在地
球上方36000KM的轨上进行的通信,为了提高利用率,把适合
通信的频率划分成不同的频率范围,称为波段,目前常用的有:
C波段:3.7~4.2GHz的频段作为上行信道;
5.925~6.425GHz作为下行频段;
Ku波段:11.7~12.2GHz的频段作为上行信道;
14~14.5GHz作为下行频段;
Ka波段:17.7~21.7GHz的频段作为上行信道;
27.5~30.5GHz作为下行频段;
C波段最早用于商业,目前非常拥挤,Ku波段的微波易被雨
水吸收,由于影响是局部,故需多个中继相互备份来解决;
Ka波段同Ku波段,多用于军事.
卫星通信
卫星通信
利用地球同步卫星为中继转发微波信号
上行信道,下行信道
无距离限制,但传播延时较长:270ms
微波的传播延迟3 s/km
同轴电缆或光纤的传播延迟为53 s/km
VSAT:地面站昂贵
VSAT终端利用小天线通过中心站转接
两个VSAT终端间通过一个中心站Hub通信,传播延时为540ms
Geosynchronous Orbit
无线网络
低轨道卫星通信(铱星计划)
铱星计划被蜂窝系统所淘汰
无线电
低频,中频波段可通过障碍物,沿地表传播,距离有限
高频和甚高频可通过电离层反射,可达到更远的距离
无线电话网:频率重用
地理范围分成若干单元,每个单元进一步分为小单元.每个小单元采用不同的频率.
蜂窝状的结构保证两个相邻的小单元不会使用同一个频率
Terrestrial Microwave:地面微波
Parabolic dish:抛物面"碟状"天线
Focused beam:集成波束
Line of sight:视距
Long haul telecommunications:长距离通信
Higher frequencies give higher data rates
微波(microwave)
微波使用的波段为2G-40G Hz
通过抛物状的天线把能量集中一束,沿直线传播
微波中继站:扩展传输距离
地面微波接力
两个地面站之间传送
距离:50 -100 km
地球
地面站之间的直视线路
微波传送塔
Point-to-point link via satellite microwave
Broadcast link via satellite microwave
Broadcast Radio:广播无线电
Omnidirectional
FM radio
UHF and VHF television
Line of sight
Suffers from multipath interference
Reflections
红外通信(Infrared)
短距离的利用红外线的通信
要求方向性
无需天线
不能穿过建筑物
不需要申请频率分配
无线网络
无线局域网 PC-PC
无线网络
无线局域网 PC-LAN
无线传输媒体
ITU-R划分的无线电波段
极高频EHF
30-300GHz
特高频SHF
3-30GHz
UHF TV
超高频UHF
300-3000MHz
VHF TV
甚高频VHF
30-300M Hz
Shortwave
高频HF
3-30M Hz
AM radio
FM radio
中频MF
300-3000k Hz
低频LF
30-300k Hz
激光通信(laser)
利用光波通信
定向特性
无需申请频率
不能穿过障碍物,受天气(雨雾)影响
频率,波长,带宽
波长(wavelength)为一个周期内信号传输的距离:光速为c
频谱(spectrum):频率范围,按波长划分被称为波段
带宽:
高频段可获得较大的带宽
Thanks!
R&Q