传输媒体

请注意，传输媒体不属于计算机网络系统结构的任何一层。如果非要放入计算机网络系统结构，只能放在物理层以下。

在导向传输媒体中，电磁波沿固体媒体传输。常见的导向传输媒体包括同轴电缆、双绞线、光纤和电力线。

同轴电缆

内导体为铜芯线，可为单股实心线或多股绞合线。内导体外为绝缘层，绝缘层外为网状编织的外导体屏蔽层，屏蔽层外为绝缘保护套。从同轴电缆的横截面可以看出，每层都是共同的中心，即同轴电缆的名称。 同轴电缆有两种: ①基带同轴电缆(50Ω)。用于数字传输，过去用于局域网 ②宽带同轴电缆(75Ω)。目前主要用于有线电视的模拟传输 缺点： 同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。

双绞线

双绞线是最古老、最常用的传输媒体。将两根绝缘铜线并排放在一起，然后按一定规则绞合，形成双绞线。 绞合： 来自外部电磁波干扰的可抵抗部分 相邻导线的电磁干扰可以减少 示例： ①双绞线无屏蔽UTP电缆 ②屏蔽双绞线STP电缆 屏蔽双绞线电缆比无屏蔽双绞线电缆增加了金属丝编织屏蔽层，提高了抗电磁干扰能力，价格更贵。 常用绞合线的类别、带宽和典型应用

光纤

光纤很薄，所以必须做成非常坚固的光缆。一根光缆包括一根光纤，包括几十到几百根光纤。加上加固芯和填料，机械强度可以大大提高。必要时，还可以放入远供电线路，最后加入包带层和外护套，可以达到几公斤的抗拉强度，完全满足工程施工的强度要求。 纤芯直径： 多模光纤：50微米，62.5微米 单模光纤：9微米 包层直径： 125微米 工作波长： 0.85微米(衰减较大) 1.30微米(衰减小) 1.55微米(衰减较小) 光纤的优点： ----通信容量大(250000~30000GHz的带宽) ----传输损耗小，远距离传输更经济。 ----具有良好的抗雷电和电磁干扰性能。这在大电流脉冲干扰的环境中尤为重要。 ----无串音干扰，保密性好，不易被窃听。 ----体积小，重量轻。比如1公里长的1000对双绞线电缆重8000公斤左右，长度相同但容量大的一对两芯光缆只重100公斤 光纤缺点： ----切割需要专用设备 ----光电接口更贵

光的工作原理

非导引型传输媒体是指自由空间，可使用的电磁波有无线电波、微波、红外线、可见光。

电磁波的频率范围

我们可以利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息，电磁波的频谱如下所示。其中，只有中间那部分用于我们的电信领域，那段有颜色区域就是可见光的频率范围。 下面的几张图片就国际电信联盟对电磁波频段的划分，其中不用于电信领域的频段分类如下。

无线电波

无线电波的频率范围如下其中，无线电波中的低频和中频频段主要利用地面波进行传输。而高频和甚高频频段主要是靠电离层的反射。

微波通信

微波通信的频率范围是300MHz~300GHz(波长1m~1mm)，但主要使用2~40GH的频率范围。微波在空间主要是直线传播，由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不能经过电离层的反射传播到地面上很远的地方。传统的微波通信主要有两种方式。 ①地面微波接力方式 由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50公里左右。但若采用100米高的天线塔，则传播距离可增大到100公里。为实现远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为接力。 ②卫星通信 常用的卫星通信方法是在地球站之间， 利用位于约3万6干公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。其最大特点是通信距离远。相应地，传播时延也比较大，一般在250~300ms之间。 ③低轨道卫星通信系统已开始在空间部署，并构成了空间高速链路。

红外线

利用红线来传输数据相信大家并不陌生。很多家用电器，(例如：电视、空调等)都配套有红外遥控器。以前的笔记本电脑基本都带有红外接口，可以进行红外通信。 特点： ①点对点无线传输 ②直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短 ③传输速率低(4Mb/s~16Mb/s) 现在笔记本电脑已经取消了红外接口，但很多智能手机还带有红外接口，以方便用户对电视、空调等家用电器进行红外遥控。

可见光

1、不受电磁干扰和噪声影响的传输介质是 A. 屏蔽双绞线 B. 非屏蔽双绞线 C. 光纤 D. 同轴电缆 答案：C

2、我们几乎每天都要使用的Wi-Fi，其信号属于 A. 无线电波 B. 微波 C. 红外线 D. 可见光 答案：B

3、双绞线是用两根绝缘导线绞合而成的，绞合的主要目的是 A. 减少干扰 B. 提高信号传播速率 C. 增大传输距离 D. 增大抗拉强度 答案：A

4、多模光纤传输光信号的原理是 A. 光的折射特性 B. 光的发射特性 C. 光的绕射特性 D. 光的全反射特性 答案：D

5、以下关于单模光纤的说法中，正确的是 A. 光纤越粗，数据传输率越高 B. 如果光纤的直径减小到只有光的一个波长大小，那么光沿直线传播 C. 光源可以使用发光二极管 D. 接收端可使用光电二极管 答案：B

①串行传输是指数据是一个比特一个比特依次发送的。因此，在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可。 ②并行传输是指一次发送n个比特而不是1个比特。因此，在发送端和接收端之间只需要n条数据传输线路。并行传输的优点是传输速度是串行传输的n倍。但也存在一个严重的缺点，即成本高。 思考：在计算机网络中，数据在传输线路上的传输采用的是串行传输还是并行传输？ 答案：这种远距离传输一般采用串行传输。 计算机内部的数据传输常采用并行传输方式，例如CPU与内存之间通过总线进行数据传输，常见的数据总线宽度有8位、16位、32位和64位。

同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是比特1。 ①问题：由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同。在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻累积误差会导致接收端对比特信号的判别错位。因此，需要采取方法使收发双方的时钟保持同步。 ②收发双方时钟同步的方法： ----外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号。接收端按照时钟同步信号的节奏来接收数据。 ----内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如曼彻斯特编码 异步传输：以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的。接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。这里的异步指的是字节之间异步(字节之间的时间间隔不固定)，但是字节中的每个比特仍然要同步(各比特的持续时间是相同的)

单工：又称为单向通信，只需要一条信道。通信双方只有一个数据传输方向。例如，无线电广播采用的就是这种通信方式。 半双工：又称为双向交替通信，需要两条信道(每个方向各一条)。通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行。例如，对讲机采用的就是这种通信方式。 全双工：又称为双向同时通信，需要两条信道(每个方向各一条)。通信双方可以同时发送和接收信息。例如，电话采用的就是这种通信方式。

1、对讲机的通信方式属于 A. 单向通信 B. 双向交替通信 C. 双向同时通信 D. 并行通信 答案：B

2、被用于计算机内部数据传输的是 A. 串行传输 B. 并行传输 C. 同步传输 D. 异步传输 答案：B

3、一次传输一个字符（5~8位组成），每个字符用一个起始码引导，同一个停止码结束，如果没有数据发送，发送方可以连续发送停止码，这种通信方式称为 A. 并行传输 B. 串行传输 C. 同步传输 D. 异步传输 答案：D

编码与调制

不归零编码

所谓不归零，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平。1为正电平，0为负电平。 思考：对于连续的码元，如何判断这是几个码元 回答：这需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步。因此需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步。对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号！由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码。

归零编码

①每个码元传输结束后信号都要归零，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。 ②实际上，归零编码相当于把时钟信号用归零方式编码在了数据之内，这称为自同步信号。 ③但是，归零编码中大部分的数据带宽,都用来传输归零而浪费掉了，编码效率低。

曼彻斯特编码

在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变。负跳变表示比特1，正跳变表示比特0。码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。传统以太网使用曼彻斯特编码。

差分曼彻斯特编码

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。与曼彻斯特编码不同，跳变仅表示时钟，而用码元开始处电平是否发生变化来表示数据。

例子：

题目：若下图为10BaseT网卡接收到的信号波形，则该网卡收到的比特串是 解析： 10BaseT中的10表示带宽为10Mb/s，Base表示基带传输，T表示双绞线 10BaseT以太网使用的是曼彻斯特编码; 每个码元在中间时刻跳变，按此特点找出每个码元; 正跳变表示1还是0，负跳变表示0还是1，可自行假设。 ①我们首先假设正跳变表示1，负跳变表示0。可以看出没有答案符合 ①我们假设正跳变表示0，负跳变表示1。可以看出没有答案A符合

基本调制方法

这是待传输的数字基带信号，也就是来自信源的原始数字信号。我们要使用模拟信道来传输，因此需要将数字基带信号通过调制方法调制成可以在模拟信道中传输的模拟信号。 其中，调幅、调频、调相分别通过控制有无载波、频率、初相位来控制信号 问题：使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。如何能使1个码元包含更多的比特呢? 答：可以采用混合调制的方法。因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率，所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。

混合调制举例----正交振幅调制QAM

QAM-16 这种调制方法所调制出的波形可以有12种相位，每种相位有1或2种振幅可选，我们可在星座图中画出该调制方法产生的码元。 问题：每个码元可以包含几个比特？ 答：可以调制出16种码元(波形)，每种码元可以对应表示4个比特 问题：每个码元与4个比特的对应关系可以随便定义吗? 答：不行，下图所示是我们随便定义的每个码元对应的4个比特。假设ABCDE是接收端收到的码元，这5个码元原本都是表示4个比特0的，由于传输过程中产生失真，导致它们在星座图中并未落在理想位置。接收端会将码元A、B、C解调为0000，这是正确的。码元D被解调为0001(1位错位)。码元E被解调为1111(4位全错)。这就说明每个码元与4个比特的对应关系不能随便定义。 每个码元与4个比特的对应关系应该读采用格雷码，也就是任意两个相邻码元只有1个比特不同。

1、数字基带信号通过（ ）后可在模拟信道进行传输 A. 编码 B. 解调 C. 滤波 D. 调制 答案：D

2、模拟基带信号通过（ ）后可在数字信道进行传输 A. 编码 B. 解调 C. 滤波 D. 调制 答案：A

3、不含同步信息的编码是 I. 不归零编码 II. 曼彻斯特编码 III. 差分曼彻斯特编码 A. 仅I B. 仅II C. 仅II、III D. I、II、III 答案：A

4、下图所示为某比特串的曼彻斯特编码信号波形，则该比特串为 A. 0011 0110 B. 1010 1101 C. 0101 0010 D. 1100 0101 答案：A

5、若某通信链路的数据传输率为4800b/s，采用8相位调制，则该链路的波特率是 A. 600Baud B. 1200Baud C. 1600Baud D. 3200Baud 答案：C

6、采用8种相位，每种相位各有2种幅度的QAM调制方法，在1200Baud的信号传输速率下能达到的数据传输率为 A. 2400b/s B. 3600b/s C. 4800b/s D. 9600b/s 答案：C

问题背景

我们都知道，信号在传输过程中会受到各种因素的影响。如下图所示，输入一个数字信号，当它通过实际的信道后，波形会产生失真。当失真不严重时，在输出端还可根据已失真的波形还原出发送的码元。 当失真严重时，在输出端就很难判断这个信号在什么时候是1和在什么时候是0，信号波形失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。 产生失真的因素: 码元传输速率 信号传输距离 噪声干扰 传输媒体质量

奈氏准则

早在1924年，奈奎斯特就推导出了著名的奈氏准则。在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。 ----理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud = 2W码元/秒 ----理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud = W码元/秒 W：信道带宽(单位为Hz) Baud：波特，即码元/秒 ①码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定关系: ----当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的 ----当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n。 ②要提高信息传输速率（比特率)，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。上节我么你提到的三种基本调制方法属于二元调制，只能产生两种不同的码元，即两种不同的基本波形，因此每个码元只能携带1比特的信息量。混合调制属于多元调制， 例如QAM16可以调制出16种不同的码元，因此每个码元可以携带4比特的信息量。 ③实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。 问题：只要采用更好的调制方法，让码元可以携带更多的比特，岂不是可以无限制地提高信息的传输速率？ 回答：答案是否定的。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。信道中的噪声也会影响接收端对码元的识别。

1948年香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声平扰的信道的极限信息传输速率，具体公式如下所示： c = W × log ⁡ 2 ( 1 + S N ) c = W \times {\log _2}(1 + \frac{S}{N}) c=W×log2​(1+NS​) c c c：信道的极限信息传输速率(单位:： b / s b/s b/s) W W W：信道带宽(单位: H z \rm{Hz} Hz) S S S：信道内所传信号的平均功率 N N N：信道内的高斯噪声功率 S / N S/N S/N：信噪比，使用分贝( d B \rm{dB} dB)作为度量单位。信噪比( d B \rm{dB} dB) = 10 × log ⁡ 10 ( S N ) = 10 \times {\log _{10}}(\frac{S}{N}) =10×log10​(NS​) 从上式中可以看出： 信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。但是在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。 综合来看奈氏准则和香农公式： ①在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制(更好的调制方法)和努力提高信道中的信噪比。 ②自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。

【2014年题35】下列因素中，不会影响信道数据传输速率的是 (D) A.信噪比 B.频率带宽 C.调制速度 D.信号传播速度 解析：从香农公式可以看出，信噪比和频率带宽都会影响信道数据传输速率。从奈氏准则可以看出，调制速度(也就是码元传输速度)和码元所携带的比特数量都会影响信道数据传输速率。而信号的传播速度不影响数据传输速率。

【2009年题34】在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是 (B) A.12kbps B. 24kbps C. 48kbps D. 96kbps 解析： 根据奈氏准则可知，该通信链路的最高码元传输速率 = 2 × 3 k = 6 k ( B a u d ) = 6 k ( 码 元 / 秒 ) = 2 \times 3k = 6k(Baud) = 6k(码元/秒) =2×3k=6k(Baud)=6k(码元/秒) 采用 4 4 4 个相位，每个相位 4 4 4 种振幅的QAM调制技术，可以调制出 4 × 4 = 16 4\times4=16 4×4=16个不同的基本波形(码元) 采用二进制对这 16 16 16 个不同的码元进行编码，需要使用 4 4 4 个比特( l o g 2 16 = 4 log_216 = 4 log2​16=4)。换句话说，每个码元可以携带的信息量为 4 4 4 比特 综合以上可知，该通信链路的最大数据传输速率 = 6 k ( 码 元 / 秒 ) × 4 ( 比 特 / 码 元 ) = 24 k ( 比 特 / 秒 ) = 24 k b p s =6k(码元/秒) \times 4(比特/码元)= 24k(比特/秒)= 24 kbps =6k(码元/秒)×4(比特/码元)=24k(比特/秒)=24kbps

【2011年题34】若某通信链路的数据传输速率为2400bps，采用4相位调制，则该链路的波特率是 (B) A. 600波特 B. 1200波特 C. 4800波特 D. 9600波特 解析： ①采用 4 4 4 相位调制，可以调制出 4 4 4 种相位不同的基本波形(码元)。采用二进制对这 4 4 4 个不同的码元进行编码，需要使用 2 2 2 个比特( l o g 2 4 = 2 log_24 = 2 log2​4=2)。换句话说，每个码元可以携带的信息量为 2 2 2 比特。 ②数据传输速率=波特率(码元传输速率)×每个码元所携带的信息量。 2400 ( 比 特 / 秒 ) = 波 特 率 × 2 ( 比 特 / 码 元 ) 2400(比特/秒)=波特率 \times 2(比特/码元) 2400(比特/秒)=波特率×2(比特/码元)。所以波特率 = 1200 ( 码 元 / 秒 ) = 1200 ( B a u d ) = 1200 ( 波 特 ) =1200(码元/秒) =1200 (Baud)= 1200(波特) =1200(码元/秒)=1200(Baud)=1200(波特)

【2016年题34】若连接R2和R3链路的频率带宽为8kHz，信噪比为30dB，该链路实际数据传输速率约为理论最大数据传输速率的50%，则该链路的实际数据传输速率约是 ( C ) A. 8kbps B. 20kbps C. 40kbps D. 80kbps 解析：