傳輸介質差錯交換

2.4數據傳輸技術內容數據傳輸的電平標準數據傳輸方式編碼與調制信道復用傳輸介質1在長途通信中，常常用到一些帶寬很大的傳輸介質，如同軸電纜、衛(wèi)星、地面微波和光纖等。為有效利用傳輸系統(tǒng)，采用多路復用技術。將多個信號共享同一線路，即多路信號在同一物理信道中傳輸。從而降低通信電纜的安裝和維護成本。

解復用器共享信道復用器多路復用技術FDM(頻分復用)TDM(時分復用）終端終端復用器將多路信號組合后經信道傳輸，再經解復用器分解為原有的信號，放回到相應的傳輸通路上。2頻分復用(FDM)FrequencyDivisionMultiplexing基本條件：

傳輸介質的可用帶寬超過各路給定信號所需帶寬的總和。如果在介質上同時傳輸多路信號，每路信號以不同的載波頻率進行調制，而且各個載波頻率完全獨立即載波形成的信號不互相重疊，則各路信號可以成功地在介質上傳輸。原理：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道（頻段），每個用戶占用一個頻段。頻率通道之間留有防護頻帶。子信道A可用頻段子信道B子信道C子信道D3頻分復用CH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復用f適用于模擬信號傳輸

4時分復用TimeDivisionMultiplexing原理：將物理信道按時間分割成小的時間片，每個時間片分為若干個時隙，每個用戶占用一個時隙傳輸數據，在任意時刻，整個通路上只有一個特定用戶的信號，即每個用戶交替使用單一信道，多個信號從宏觀上同時進行傳輸時分多路復用器時分多路復用器1234561234561234561234565同步時分復用SynchronousTDM采用的是（信道的）固定時間分配方式。原理：將時間分成若干個時隙，每個時隙分配給固定的用戶，在任意時刻整個通路上只有一個特定用戶的信號。無論用戶使用與否，時隙不會被其它用戶占用。A2A1A3原始信號D2D1D3數字化信號MUX復用后數據時隙1234D3D2D1適用于數字信號傳輸6異步時分復用AsynchronousTDM同步TDM的缺點：無論用戶有無數據發(fā)送，其他用戶都不能占用該通道，造成信道浪費。異步時分復用：可動態(tài)分配時隙，避免信道空閑基本原理：某一用戶申請進行數據傳輸時再分配時隙，時隙與用戶之間無一一對應的關系，任何時隙可被用于傳輸任一路信號ABCD待發(fā)數據t1t2A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步

TDM信道浪費ABCD待發(fā)數據t1t2A1B1C2B2周期1周期2異步TDM可用由于時隙的分配是不固定的，在這種復用方式下要求傳輸的信號必須加上標識符，以便接收端不同的設備分別讀取。7數字載波標準T-標準T1:24路PCM（脈沖編碼調制信號）速率1.544Mb/s北美、日本E-標準E1:32路PCM速率2.048Mb/s歐洲、中國在程控數字交換系統(tǒng)中，為提高傳輸速率和交換容量，通常采用PCM（脈沖編碼調制信號）復用方式。用數字信號傳輸語音和數據的時分復用標準。8每125us為一個時間片（時分復用幀），每時間片分為32個通道（時隙）---供30個用戶輪流使用每通道（時隙）占用125us/32=3.90625us每通道（時隙）一次傳送8位二進制數據，即每個二進制位占用3.90625/8=0.48828125usE1速率=1/0.48828125=2.048Mb/s

或：E1速率=(32x8bit)/125us=2.048Mb/sE1標準（復用32路話音信號）E1的時分復用幀：30路話音數據信道+2路控制信道0121631125us=32時隙

=2.048Mbps幀同步信令信道9T1標準（復用多路話音信號）24話路每話路的取樣脈沖用7bit編碼+一位校驗位=8bit24路的編碼+1bit幀同步碼=每幀193bitT1速率：193/125us=193*8000=1.544Mb/schannel#1channel#2.......channel#24定幀位193bits8bit125us10

對于TDM來說，“時隙”越短，則每個“時分復用幀”內可以包含的“時隙”數目就越多，劃分的子信道就越多。在TDM中，由于每路信號可以使用信道的全部可用帶寬，因此時分復用技術更加適用于傳遞占用信道帶寬較寬的數字基帶信號，所以常用于基帶局域網中。11傳輸介質(媒體)是數據傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收機之間的物理通路，信號在介質中以電磁波的形式進行傳輸。傳輸介質的特性對信道甚至整個傳輸系統(tǒng)設計有決定性的影響。?有線介質雙絞線同軸電纜光纖?無線介質無線電、微波和衛(wèi)星12一般從以下幾個方面對傳輸介質進行評價：物理特性：材料、導電率等傳輸特性：傳輸信號的種類（模擬或數字）、傳輸量連通特性：連接方式（點對點或多點連接）抗干擾特性：防噪聲和電磁干擾的能力成本（價格）：介質本身和安裝維護費用地理范圍：網上各點間的最大距離13

由相互絕緣的兩根銅線按一定密度絞合組成，每根銅線直徑約1mm；一根或多根雙絞線封裝在護套內形成雙絞線電纜相互絞合起來的目的是減少和鄰近其它線路之間的電磁干擾，提高傳輸質量。有較強的抗干擾能力雙絞線（TwistedPair)—最常用的傳輸介質內導體芯線絕緣箔屏蔽銅屏蔽外套根據護套內有沒有屏蔽層可分為無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)14屏蔽雙絞線

(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)屏蔽以減少干擾3類、5類雙絞線沒有任何附加屏蔽15物理特性：銅質，良好的傳導率傳輸特性：可傳輸模擬信號和數字信號

模擬信號:5-6km需加放大器，補償衰減；常用于話音的模擬傳輸數字信號:每2-3km需要加裝一臺中繼器，以補償長距離傳輸時高頻分量的衰減，也就是對數字信號進行整形。連通性：可用于點到點、多點連接，多用于點到點地理范圍：10Mb/s—100m抗干擾性：低頻時高于或同于同軸電纜；大于10kHz時，低于同軸電纜價格：成本低,密度高、節(jié)省空間安裝容易（綜合布線系統(tǒng)）16屏蔽雙絞線(STP，ShieldedTwistedPair)：

抗干擾性好，性能高，用于遠程中繼線時，最大距離可以達到十幾公里。但成本較高，一直沒有廣泛使用。非屏蔽雙絞線(UTP，UnshieldedTwistedPair)：

傳輸距離一般為100米，性價比高，目前被廣泛使用

美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(ElectronicIndustriesAssociation)和電信工業(yè)協(xié)會TIA發(fā)布的EIA/TIA-568標準(91年)：

UTP分為1、2、3、4、5五類，常用3類線和5類線。17

雙絞線電纜定義了五種不同質量的型號。這五種型號如下：

1)第一類：主要用于傳輸語音（一類標準主要用于八十年代初之前的電話線纜），不用于數據傳輸。

2)第二類：傳輸頻率為1MHz，用于語音傳輸和最高傳輸速率4Mbps的數據傳輸，常見于舊的令牌網。

3)第三類:指目前在ANSI和EIA/TIA568標準中指定的電纜。該電纜的傳輸頻率為16MHz,用于語音傳輸及最高傳輸速率10Mbps的數據傳輸，主要用于10base-T。

4)第四類:該類電纜的傳輸頻率為20MHz,用于語音傳輸和最高傳輸速率16Mbps的數據傳輸，主要用于基于令牌的局域網10base-T/100base-T。

5)第五類:該類電纜增加了繞線密度,外套一種高質量的絕緣材料,傳輸頻率為100MHz,用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的數據傳輸，主要用于100base-T和10base-T網絡，這是最常用的以太網電纜。

18同軸電纜基帶同軸電纜傳輸數字基帶信號特性阻抗：50寬帶同軸電纜一條電纜同時傳輸不同頻率的多路模擬信號，采用頻分復用特性阻抗：75模擬傳輸：主要用來傳輸電視信號。有線電視每個電視頻道分配6MHz，一般可以傳輸120路電視節(jié)目同軸電纜抗干擾能力強，支持多點連接，但物理可靠性差，基本被非屏蔽雙絞線取代。

銅芯絕緣層外導體屏蔽層保護套主要應用于有線電視網、電視天線饋線和局域網。同等條件下，同軸電纜對高頻信號衰減小，對外輻射小，利于高頻信號的傳輸。19●光纖-----光導纖維光纖通信歷史僅20/30年：60年，美MAINMAN發(fā)明紅寶石激光器66年，英籍華人高錕（C.K.KAO）博士提出石英玻璃制光纖70年，美國康寧公司制出了損耗為20dB光纖傳輸光束的細微而柔韌的介質，通常為透明的石英玻璃纖維靠光波承載信息進行通信，有光脈沖：1，無光脈沖：020速率高，通信容量大

光頻率很高---108MHz，數據傳輸率可達幾Gbps，光通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠大于目前其它傳輸媒體傳輸損耗小，適合長距離傳輸：傳輸距離可達幾十公里抗干擾性能好：

不受電磁干擾影響，因抽頭困難，無光泄漏，保密性好輕便：體積小，重量輕。例如：1公里長的1000對雙絞線重8000kg,同樣長度但容量大得多的一對光纖僅重100kg價格較高：

光纖接口較貴，抽頭困難光纖的特點21光纖傳輸電信號過程驅動器光源光檢測器放大器電信號電信號光信號光纖發(fā)光二極管或半導體激光器光電二極管用光纖傳輸電信號，在發(fā)送端先將其轉換成光信號，在接收端由光檢測器還原成電信號。22光纖傳輸原理——利用光的反射

光從一種介質入射到另一種介質時會產生折射。折射量取決于兩種介質的折射率。當入射角≥臨界值時產生全反射，不會泄漏，沒有能量損失，可達長距離高速傳輸的目的。

光纖：纖芯-折射率高、玻璃包層-折射率低入射角折射角纖芯（高折射率）包層（低折射率）23光線在纖芯中傳播入射角足夠大，出現全反射，光線遇到包層時折射回纖芯。此過程不斷反復，光線就沿著光纖傳輸下去。現代工藝生產的超低損耗光纖傳輸數公里基本上無損耗24當光纖的直徑減小到光波長的數量級，光纖幾乎沒有空間供光線進行來回反射，光就會沿軸向傳輸，這種傳輸方式的光纖稱為單模光纖。光纖的分類---按傳輸模式分單模光纖和多模光纖單模SMFh1h2單束光線沿直線傳播輸出信號輸入信號單模光纖25特點：直徑很?。?-10μm）光源使用半導體激光器，激光定向性好由于只有一個軸向傳輸光信號，不會失真，損耗小傳輸距離較長（在2.5Gbps速率傳輸幾十公里不用中繼），傳輸容量和帶寬大設備復雜，價格貴（半導體激光器）26多模光纖所謂"模"是指以一定角速度進入光纖的一束光。多模MMF輸入信號輸出信號波長

:850,1300nmh2h1芯/封套特性多束光線以不同的反射角傳播直徑為50-75μm（典型的為62.5μm）使用發(fā)光二極管，產生可見光，定向性差，是通過在光纖的石英玻璃媒體中不斷反射向前傳播通過多角度反射光信號，可有多個傳輸路徑，每個路徑長度不同，通過光纖的時間也不同，導致光信號在傳輸過程中出現擴散和失真，影響傳輸距離和速率傳輸容量、帶寬、距離較小設備簡單，價格低（發(fā)光二極管），使用較廣泛27輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖多模光纖輸入脈沖輸出脈沖28●典型的光纜玻璃封套塑料外套玻璃內芯單芯光纜多芯光纜玻璃內芯塑料外套玻璃封套外殼29視線距離內利用無線電進行傳輸的一種形式頻率范圍為300MHz-3000GHz，波長已到分米級微波沿直線傳播，因地球表面為曲面，傳播距離有限，約為50km。通過增高天線高度，傳播距離可增至100km。遠距離通信需在無線信道終端間建立中繼站，將信號放大再傳送，稱為“接力”微波傳輸質量較穩(wěn)定，但易受雨雪等惡劣天氣和不利地形影響微波通信30地面微波接力兩個地面站之間傳送距離：50-100km地球地面站之間的直視線路

微波傳送塔（中繼站）31微波通信的特殊形式，以人造衛(wèi)星為微波中繼站衛(wèi)星接收地面發(fā)送站的信號后，以廣播方式用不同的頻率發(fā)回地面站接收。衛(wèi)星的信道頻帶寬，采用頻分復用分成若干子信道，分上行信道（地面站到衛(wèi)星）、下行信道（衛(wèi)星到地面站）優(yōu)點：容量大，距離遠，干擾小，誤碼率較小，通信較穩(wěn)定可靠缺點：傳播時延長270ms，保密性較差，造價高衛(wèi)星通信32與地面站相對固定位置使用3個衛(wèi)星覆蓋全球傳輸延遲時間長22,300公里地球地球同步衛(wèi)星

發(fā)出的電磁波能輻射到地球上的18000km通信覆蓋區(qū)，在赤道上空放置3顆相隔120。的衛(wèi)星，即可實現全球通信33

常用的介質使用方式：局域網由雙絞線連接到桌面，光纖（包括單膜和多膜，視距離遠近而定）作為通信干線，衛(wèi)星微波用于跨國界和對偏遠地區(qū)傳輸。34

2.5差錯控制與校驗差錯控制技術檢錯碼糾錯碼35產生差錯的原因：噪聲2）突發(fā)噪聲：由于外界因素的沖擊噪聲引起如太陽黑子、電子風暴、電源抖動和電磁干擾等。會影響一串碼元。1）隨機噪聲：由于信道固有的白噪聲引起。白噪聲是一種功率頻譜密度為常數的隨機信號或隨機過程。此信號在各個頻段上的功率是一樣的。白噪聲引起的某位碼元的差錯是孤立的，與前后碼元無關。可以通過提高信道的信噪比來減少。減小差錯的措施改善通信線路的質量，降低誤碼率；采用差錯控制技術檢錯與糾錯36差錯控制編碼發(fā)送數據前按規(guī)則在數據位上附加冗余位再發(fā)送接收端利用相同規(guī)則對信息位和冗余位間關系進行檢測，判斷是否出錯出錯處理：檢錯法----反饋重發(fā)糾錯法----前向糾錯37差錯控制的基本方法檢錯法：接收方檢測到差錯時，設法通知發(fā)送方重發(fā)，直至收到正確的碼字。相應的差錯控制技術是—反饋重發(fā)技術原理：首先在發(fā)送端將信息進行檢錯編碼，然后將檢錯碼經信道發(fā)送至接收端。接收端譯碼后判斷是否有錯，若有錯，要求發(fā)送端重傳，直至傳送正確；若無錯，則發(fā)送無錯確認信號給發(fā)送端。糾錯法：接收方不但能檢測到差錯，而且能自動地糾正差錯。相應的差錯控制技術是—前向糾錯技術。原理：首先在發(fā)送端將信息進行糾錯編碼，然后將糾錯碼經信道發(fā)送至接收端，接收端譯碼后若發(fā)現錯誤則自動糾正錯誤，而不需要重傳信息，但是該方法比較復雜，實現比較困難。38差錯控制編碼有兩種：

檢錯碼：采用這種編碼，接收端能夠檢測出所收到的碼字是否出錯，但無法知道該碼字的哪些位出錯。糾錯碼：采用這種編碼，接收端不僅能檢測出所收到的碼字是否出錯，而且能夠知道碼字的哪些位出錯。從而只要將出錯位反相，就能糾正錯誤。39檢錯碼奇偶校驗碼ParityChecking循環(huán)冗余校驗碼CRC,CyclicRedundancyCheck40規(guī)則：在原始數據中增加一個附加比特位，使結果中1的個數為奇數(奇校驗)或偶數(偶校驗)。增加位稱奇偶校驗位。奇偶校驗（ParityChecking）例：原始數據=1100010，采用偶校驗。若接收方收到的數據奇偶結果不正確，可知傳輸中發(fā)生錯誤。則增加校驗位后數據為11100010接收端接收的數據為11100011----1的個數為5（奇數）----錯誤11100010----1的個數為4（偶數）----正確41奇偶校驗分類垂直奇偶校驗

以字符作為校驗單元水平奇偶校驗

以一組字符中對應位作為校驗單元水平垂直奇偶校驗

前兩種校驗方式相結合42水平垂直奇偶校驗

字符1234567校驗位（偶）

位101011010

位210011111

位311111001

位410001011

位500110101

位611111111

位711111111校驗位(偶)10000010043對于突發(fā)錯誤（多比特位被損壞），檢測不出來。采用奇偶校驗方式只能校驗單比特錯例：1100010（偶校驗）-----11100010若接收端接收的數據為11100111----1的個數為6（偶數）----認為正確44編碼思想------將位串看成系數為0或1的多項式循環(huán)冗余校驗CRC----通過多項式除法檢測錯誤發(fā)送的數據看成一個多項式的系數

數據：

bn-1bn-2…b1b0多項式：

bn-1xn-1+bn-2xn-2+

…+b1x1+

b0x010010101x7+x4+x2+1例如45檢錯思想收發(fā)方約定生成多項式G(x)發(fā)送方在要傳輸的數據的末尾加上校驗碼再發(fā)送帶校驗碼的數據的多項式能被G(x)整除接收方收到后，用G(x)除多項式，若余數為0，則傳輸無錯；若有余數，則傳輸有錯46要發(fā)送的數據為m位，其多項式為P(x)發(fā)送方和接收方約定一個生成多項式G(x)，設該生成多項式的最高次冪為r階。在原要發(fā)送數據后添加r個0，相應多項式M(x)=xrP(x)按模2除法用G(x)去除M(x)，得余式R(x)M(x)+R(x)（按模2加法），即為要傳送的帶校驗碼數據對應多項式T(x)T(x)=M(x)+[M(x)MOD2G(x)]

T(x)對應數據是在原數據塊末尾加上R(x)所對應數據T(x)為所對應的要發(fā)送的數據校驗碼計算方法47CRC示例：待校驗數據1110011G(x)=x4+x2+1,即10101

1110011

0000101011

10101傳送序列11100110110余數

0110

10011

101011

10101

110101

11110

101011

10110

101011

00110

000000

01101

000000要發(fā)送的數據為m位，其多項式為P(x)發(fā)送方和接收方約定一個生成多項式G(x)，r=4在原要發(fā)送數據后添加r個0，得多項式M(x)用G(x)去除M(x)48接收端：設接收端接收的數據對應的多項式為T′(x)

，將T′(x)

除以G(x)，若余數為0，則認為沒有錯，否則認為有錯。也就是T′(x)=

T(x)

則余式為0，若T′(x)

≠T(x)

余式不為049傳輸無錯誤11100110110101011

10101為零

0000

10011

101011

10101

110101

11111

101011

10101

101011

00000

000000

01101

000000接收的數據如果為11001110110？50傳輸有錯誤11001110110101011

10101不為0

0101

11001

101011

10101

110001

11011

101011

11101

101011

10000

101010

11001

10101151

CRC具有很強的檢驗檢錯能力，但校驗碼的生成和差錯檢測需要用到復雜的計算，用軟件實現比較麻煩，且速度慢，現在可以用簡單的硬件來實現，是計算機通信中使用最普通的一種方法。它的檢錯能力與G(x)的構成密切相關。G(x)的最高次冪次數越高，檢錯的能力就越強。目前有四種被定為國際標準。52糾錯碼

糾錯碼可檢測出哪位錯并糾正。糾錯碼有多種：海明碼，卷積碼，BCH碼等海明碼是海明（H.W.Hamming）于1950年提出的一種碼制，在發(fā)送數據前，將數據按海明碼制形成海明碼，然后發(fā)送，到達接收方后根據接收到的海明碼糾錯53海明碼由數據位及校驗位交叉排列組合而成例：數據為m0m1m2m3m4m5m6m7

海明碼為