计算机网络笔记二 传输媒体
第2章 传输媒体
2.1 简介
传输媒体包括：数字信道和模拟信道
2.1.1 数字信道
可以直接传输数字信号。但二进制数据流变成数字信号前需要进行编码。
例如：同轴电缆、短距离的双绞线、光纤
- 数字信号的表达和传输
- 低电平（例如：0v或者-15V）
- 高电平（例如：+5v或者+15V）
例如：需要传输1000100111，即8个码元（传输1Bit称为1个码元），按照电平直接生成的信号（称为基带信号）如下：
- 直接传输数字信号存在的问题
（1）不能准确判断数据开始
如果平时没有数据时，信道为低电平，开始的传输的数字信号"0"也是低电平，接收方无法知道。如果平时没有数据时，信道为高电平，开始的传输的数字信号"1"也是高电平，接收方无法知道。
（2）传输特殊数据时不能准确识别
发送方和接收方时钟不一致，发送方连续发送多个"0"或者连续发送多个"1"时，接收方收到的个数会出现偏差（例如多1个或者少1个）。
111111111111111111111111111111111111111
000000000000000000000000000000000000000
3. 发收信号同步编码
（1）在发送数据（帧）的前后加特殊信号让接收方识别
先发送包含0和1的特殊组合让接收方识别，然后发送数据（帧）。在发送数据结束后，再发送包含0和1的特殊组合告诉接收方结束。
特殊比特 | 帧 | 特殊比特 |
（2）对传输的数据进行编码
编码的方法包括：曼彻斯特编码、4B5B编码、7B8B编码等。
曼彻斯特(Manchester)编码：发送"0"先高电平然后低电平；发送"1"先低电平然后高电平。
特点：每个码元信号中间有电平变化。
存在的问题：传输效率只有50%。这种编码用在10Mb/s的以太网上，传输数据只能达到5Mb/s。
4B5B编码：将5位32种(25)组合种取出16种作为传输4位数字信号的编码。映射方式如下表所示：&A'crb1H
中国通信人博客_`DN~!oM'Y j$M0L
4B5B编码传输效率可以达到80%。
2.1.2模拟信道
模拟信道（例如：电话线、电视线、双绞线）可以直接传输模拟信号，不能直接传输数字信号，否则会出现信号失真。
- 模拟信道传输数字信号
如果在模拟信道传输数字信号，需要进行模数转换。即：将数字信号转换成模拟信号（称为调制），然后在模拟信道传输模拟信号，到达目的地再将模拟信号转换为数字信号（称为解调）。
- 调制和解调
(1) 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
(2) 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
(3) 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
(4) 正交振幅调制 QAM
由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。
例如：传输"01001110"只需要传输2个波。
2.2 传输媒体
传输媒体包括导向传输媒体和非导向传输媒体。常用的导向传输媒体包括：双绞线、光纤和同轴电缆，非导向传输媒体指的是自由空间，传输的是各种类型的无线电波。电信领域它们使用的电磁波的频谱如下：
2.2.1 导向传输媒体
1. 双绞线
把相互绝缘的铜导线按照一定规则绞合起来就构成双绞线。双绞的目的就是抗电磁干扰。
双绞线包含无屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）。
按照双绞线的绞合度不同，双绞线又可分成3、4、5、5E（超5类）、6、7类，带宽从16MHz~600MHz。
- 双绞线作为数字信道，可直接传输数字信号，一般不超过100M。
- 双绞线作为模拟信道，可传输模拟信号，传输的距离较远。
2. 光缆
（1） 光纤通信
光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲进行通信。有光脉冲表示1，没有光脉冲0。由于可见光频率高，所以传输的带宽以其他媒体高得多，一般带宽为250000~300000GHz。
光纤分成多模光纤与单模光纤。
多模光纤比单模光纤光纤的直径大，可以采用比较便宜的发光二极管产生光脉冲，但光线的角度比较大，所以容易衰减。
单模光纤纤芯很细，其直径只有几um，制造成本较高，并需要采用昂贵的半导体激光器产生光脉冲。但传输的距离远，在2.5Gb/s传输速率下可传输几十公里。
（2） 光缆
光缆包含1~几百根光纤，加上加强芯和填充物，外加包带和外套而成。必要时，可包括远供电源线，完全可以满足施工对强度的要求。
光纤通信的优点：
- 传输距离远，传输速率高；
- 抗雷电和电磁干扰能力强；
- 不易被截取和窃听，保密性好；
- 体积小，重量轻。
光纤通信的缺点：
由于计算机只能接收电信号，所以光纤连接计算机时需要进行光电转换。
3. 同轴电缆
（1）构成
（2）主要特点： 抗干扰、带宽可达1GHz。在早期局域网中使用，目前主要用于居民小区有线电视。
2.2.2非导向传输媒体
2.3 信道复用技术
2.3.1 频分复用和时分复用
1. 频分复用
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
2. 时分复用
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
（1）使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
（2）统计时分复用 STDM
2.3.2 波分复用和码分复用
1. 波分复用 WDM
波分复用就是光的频分复用。
2. 码分复用 CDMA
每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
【例】
令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。
把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。
令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。
两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：
任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。
一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。
2.4 数字传输系统
2.4.1 PCM
脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。
由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。
E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。
当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。
2.4.2 同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH
线路速率 (Mb/s) | SONET 符号 | ITU-T 符号 | 表示线路速率 的常用近似值 |
51.840 | OC-1/STS-1 | ¾ | |
155.520 | OC-3/STS-3 | STM-1 | 155 Mb/s |
466.560 | OC-9/STS-9 | STM-3 | |
622.080 | OC-12/STS-12 | STM-4 | 622 Mb/s |
933.120 | OC-18/STS-18 | STM-6 | |
1244.160 | OC-24/STS-24 | STM-8 | |
2488.320 | OC-48/STS-48 | STM-16 | 2.5 Gb/s |
4976.640 | OC-96/STS-96 | STM-32 | |
9953.280 | OC-192/STS-192 | STM-64 | 10 Gb/s |
39813.120 | OC-768/STS-768 | STM-256 | 40 Gb/s |
