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