第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)一、數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí) 1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 1.2有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念 1.3信道的最高碼元傳輸速率 1.4信道的極限信息傳輸速率二、通信線路 2.1導(dǎo)向傳輸媒體 2.2非導(dǎo)向傳輸媒體三、模擬傳輸與數(shù)字傳輸 3.1模擬傳輸系統(tǒng) 3.2調(diào)制解調(diào)器 3.3數(shù)字傳輸系統(tǒng)四、信道復(fù)用技術(shù) 4.1頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 4.2波分復(fù)用 4.3碼分復(fù)用五、同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH六、信息交換技術(shù) 6.1線路交換 6.2報(bào)文交換 6.3分組交換 6.4三種數(shù)據(jù)交換技術(shù)的比較 6.5其他數(shù)據(jù)交換技術(shù)七、數(shù)據(jù)傳輸八、差錯(cuò)控制與校驗(yàn) 8.1基本概念 8.2常用的差錯(cuò)控制編碼本章前測(cè)試題第一題

利用電話線拔號(hào)上網(wǎng)時(shí)使用的Modem的主要作用是什么?第二題

試列舉出你知道的通信傳輸介質(zhì)？第三題

試分析為什么IP電話比普通電話便宜。第四題靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的區(qū)別？一、數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào)正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機(jī)幾個(gè)術(shù)語(yǔ)數(shù)據(jù)(data)——運(yùn)送信息的實(shí)體。信號(hào)(signal)——數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。“模擬的”(analogous)——連續(xù)變化的?！皵?shù)字的”(digital)——取值是離散數(shù)值。調(diào)制——把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程。解調(diào)——把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào)模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)

PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字發(fā)送器1.2有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念單向通信（單工通信）——只能有一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交互。雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。發(fā)送端接收端報(bào)文信息監(jiān)測(cè)信號(hào)收發(fā)裝置收發(fā)裝置報(bào)文信息雙向同時(shí)通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。基帶(baseband)信號(hào)就是將數(shù)字信號(hào)1或0直接用兩種不同的電壓來(lái)表示，然后送到線路上去傳輸。寬帶(broadband)信號(hào)則是將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)。收發(fā)裝置收發(fā)裝置報(bào)文信息報(bào)文信息1.3信道的最高碼元傳輸速率任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來(lái)多種干擾。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道失真不嚴(yán)重失真嚴(yán)重實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號(hào)波形輸出信號(hào)波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號(hào)波形(失真嚴(yán)重)奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2

個(gè)碼元。Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個(gè)碼元。

理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaudW是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)不能通過(guò)能通過(guò)0頻率(Hz)W(Hz)另一種形式的奈氏準(zhǔn)則每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒

1

個(gè)碼元。理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率=WBaudW是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz)不能通過(guò)能通過(guò)0頻率(Hz)W(Hz)不能通過(guò)要強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準(zhǔn)則給出上限數(shù)值。波特(Baud)和比特(bit)是兩個(gè)不同的概念。波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€(gè)碼元）。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率。比特是信息量的單位。

要注意信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有一定的關(guān)系。若1個(gè)碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。若1個(gè)碼元攜帶nbit的信息量，則MBaud的碼元傳輸速率所對(duì)應(yīng)的信息傳輸速率為M

nb/s。1.4信道的極限信息傳輸速率香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無(wú)差錯(cuò)的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。

香農(nóng)公式表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒(méi)有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒(méi)有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)碼元傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制二、通信線路無(wú)線電微波紅外線可見(jiàn)光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波調(diào)幅無(wú)線電調(diào)頻無(wú)線電海事無(wú)線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移動(dòng)無(wú)線電電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜2.1導(dǎo)向傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無(wú)屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光導(dǎo)纖維各種電纜銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無(wú)屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜無(wú)屏蔽雙絞線

UTP電纜下表是UTP電纜的常見(jiàn)類型，10BaseT局域網(wǎng)中主要使用3類和5類線，它們的有效傳輸距離一般在100m左右。另外還有超5類雙絞線電纜，通過(guò)對(duì)其“信道”性能測(cè)試結(jié)果表明，與普通5類雙絞線電纜比較，它的近端串?dāng)_、衰減和結(jié)構(gòu)回波等主要性能指標(biāo)都有很大提高。雙絞線的制作分為工作站至工作站和工作站至集線器兩種：工作站至集線器的雙絞線，其8芯線一一對(duì)應(yīng)；工作站至工作站的雙絞線，按照?qǐng)D2-1所示的連線制作。圖2-1雙絞電纜返回本節(jié)同軸電纜典型的同軸電纜（CoaxialCable）由一根內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線外加絕緣層、密集網(wǎng)狀編織導(dǎo)電金屬屏蔽層以及外包裝保護(hù)塑橡材料組成，其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2同軸電纜表2-4是在網(wǎng)絡(luò)工程施工中常常用到的一些IEEE802.310BaseT系列網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?jīng)驗(yàn)，僅供讀者參考。返回本節(jié)光線在光纖中的折射折射角入射角包層（低折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖多模光纖和5類雙絞線的衰減與頻率關(guān)系如圖2-3所示，當(dāng)傳輸頻率超過(guò)100MHz時(shí)，5類雙絞線隨著頻率的增加衰減愈來(lái)愈大；而光纖在300MHz以內(nèi)，衰減基本不變。

圖2-3光纖與電纜頻率與衰減關(guān)系光纜的結(jié)構(gòu)大致可分為纜芯（CableCore）和保護(hù)層（Sheath）兩大部分，四芯光纜剖面示意圖如2-4所示。圖2-4四芯光纜剖面示意圖返回本節(jié)2.2非導(dǎo)向傳輸媒體2.2.1無(wú)線電短波通信。2.2.2地面微波接力通信。2.2.3紅外線和激光。2.2.4衛(wèi)星通信

2.2.5VSAT衛(wèi)星通信2.2.1無(wú)線電短波通信在一些電纜光纖難于通過(guò)或施工困難的場(chǎng)合，例如，高山、湖泊或島嶼等，即使在城市中挖開(kāi)馬路敷設(shè)電纜有時(shí)也很不劃算，特別是通信距離很遠(yuǎn)，對(duì)通信安全性要求不高，敷設(shè)電纜或光纖既昂貴又費(fèi)時(shí)，若利用無(wú)線電波等無(wú)線傳輸介質(zhì)在自由空間傳播，就會(huì)有較大的機(jī)動(dòng)靈活性，可以輕松實(shí)現(xiàn)多種通信，抗自然災(zāi)害能力和可靠性也較高。返回本節(jié)2.2.2地面微波接力通信無(wú)線電數(shù)字微波通信系統(tǒng)在長(zhǎng)途大容量的數(shù)據(jù)通信中占有及其重要的地位，其頻率范圍為300MHz～300GHz。微波通信主要有兩種方式：地面微波接力通信和衛(wèi)星通信。微波在空間主要是直線傳播，并且能穿透電離層進(jìn)入宇宙空間，它不像短波那樣經(jīng)電離層反射傳播到地面上其他很遠(yuǎn)的地方，由于地球表面是個(gè)曲面，因此其傳播距離受到限制且與天線的高度有關(guān)，一般只有50km左右，長(zhǎng)途通信時(shí)必須建立多個(gè)中繼站，中繼站把前一站發(fā)來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后再發(fā)往下一站，類似于“接力”，如果中繼站采用100m高的天線塔，則接力距離可增大到100km。返回本節(jié)2.2.3紅外線和激光

紅外線通信和激光通信就是把要傳輸?shù)男盘?hào)分別轉(zhuǎn)換成紅外光信號(hào)和激光信號(hào)直接在自由空間沿直線進(jìn)行傳播，它比微波通信具有更強(qiáng)的方向性，難以竊聽(tīng)、插入數(shù)據(jù)和進(jìn)行干擾，但紅外線和激光對(duì)雨霧等環(huán)境干擾特別敏感。

返回本節(jié)2.2.4衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信就是利用位于3萬(wàn)6千公里高空的人造地球同步衛(wèi)星作為太空無(wú)人值守的微波中繼站的一種特殊形式的微波接力通信。衛(wèi)星通信可以克服地面微波通信的距離限制，其最大特點(diǎn)就是通信距離遠(yuǎn)，且通信費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)。

衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)是:衛(wèi)星通信的頻帶比微波接力通信更寬，通信容量更大，信號(hào)所受到的干擾也較小，誤碼率也較小，通信比較穩(wěn)定可靠。

衛(wèi)星通信的缺點(diǎn)是：傳播時(shí)延較長(zhǎng)。

返回本節(jié)2.2.5VSAT衛(wèi)星通信

VSAT（VerySmallApertureTerminal，甚小口徑地球終端）是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)并于90年代得到廣泛應(yīng)用的新一代數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)。VSAT網(wǎng)通常由一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、一個(gè)大型主站和大量的VSAT小站組成，能單雙向傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像、視頻等多媒體綜合業(yè)務(wù)。VSAT具有很多優(yōu)點(diǎn)，如：設(shè)備簡(jiǎn)單、體積小、耗電少、組網(wǎng)靈活、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便、通信效率高等，尤其適用于大量分散的業(yè)務(wù)量較小的用戶共享主站，所以許多部門和企業(yè)多使用VSAT網(wǎng)來(lái)建設(shè)內(nèi)部專用網(wǎng)。圖2-5VSAT網(wǎng)絡(luò)組成返回本節(jié)三、模擬傳輸與數(shù)字傳輸

3.1模擬傳輸系統(tǒng)

長(zhǎng)途干線最初采用頻分復(fù)用FDM的傳輸方式FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)目前我國(guó)長(zhǎng)途通信線路已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，因而現(xiàn)在的模擬通信電路就只剩下從用戶電話機(jī)到市話交換機(jī)之間的這一段幾公里長(zhǎng)的用戶線上。3.2調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模擬傳輸系統(tǒng)后會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。出現(xiàn)差錯(cuò)010010100還原后的數(shù)據(jù)t接收到的失真信號(hào)010011100t發(fā)送的基帶信號(hào)t采樣時(shí)刻調(diào)制解調(diào)器的作用調(diào)制解調(diào)器(modem)包括：調(diào)制器(MOdulator)：把要發(fā)送的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率范圍在300~3400Hz之間的模擬信號(hào)，以便在電話用戶線上傳送。解調(diào)器(DEModulator)：把電話用戶線上傳送來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。調(diào)制器的主要作用就是個(gè)波形變換器，它把基帶數(shù)字信號(hào)的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ?。解調(diào)器的作用就是個(gè)波形識(shí)別器，它將經(jīng)過(guò)調(diào)制器變換過(guò)的模擬信號(hào)恢復(fù)成原來(lái)的數(shù)字信號(hào)。若識(shí)別不正確，則產(chǎn)生誤碼。在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯(cuò)檢測(cè)和糾正的設(shè)施幾種最基本的調(diào)制方法調(diào)制就是進(jìn)行波形變換（頻譜變換）。最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。

對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相一種正交調(diào)制QAMQAM(QuadratureAmplitudeModulation)數(shù)字調(diào)制器。r(r,)可供選擇的相位有12種，而對(duì)于每一種相位有1或2種振幅可供選擇。由于4bit編碼共有16種不同的組合，因此這16個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于一種4bit的編碼。若每一個(gè)碼元可表示的比特?cái)?shù)越多，則在接收端進(jìn)行解調(diào)時(shí)要正確識(shí)別每一種狀態(tài)就越困難。調(diào)制解調(diào)器的速率目前調(diào)制解調(diào)器的信息傳輸速率已很接近于香農(nóng)的信道容量極限了。要提高信息傳輸速率，只能設(shè)法提高信噪比。在電話的用戶線上，最大的噪聲來(lái)自模擬到數(shù)字的模數(shù)轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的量化噪聲。產(chǎn)生量化噪聲的地方

（經(jīng)過(guò)A/D變化的地方）

A2/4A/DA/DD/AD/A數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)交換機(jī)1交換機(jī)2V.3433.6kb/s調(diào)制解調(diào)器BD/AA/D4/2V.3433.6kb/s調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生量化噪聲產(chǎn)生量化噪聲使用V.34調(diào)制解調(diào)器（33.6kb/s）

產(chǎn)生量化噪聲產(chǎn)生量化噪聲用戶環(huán)路模擬信號(hào)用戶環(huán)路模擬信號(hào)產(chǎn)生量化噪聲的地方（續(xù)）

（經(jīng)過(guò)A/D變化的地方）

使用V.90調(diào)制解調(diào)器（56kb/s）

A2/4A/DA/D交換機(jī)因特網(wǎng)服務(wù)提供者V.9056kb/s調(diào)制解調(diào)器D/AV.9056kb/s調(diào)制解調(diào)器數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)至因特網(wǎng)（數(shù)字信號(hào)）用戶環(huán)路模擬信號(hào)僅在此處產(chǎn)生量化噪聲僅在此處產(chǎn)生量化噪聲調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類：同步通信要求接收端時(shí)鐘頻率和發(fā)送端時(shí)鐘頻率一致。發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流。異步通信時(shí)不要求接收端時(shí)鐘和發(fā)送端時(shí)鐘同步。發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后，可經(jīng)過(guò)任意長(zhǎng)的時(shí)間間隔再發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。

異步通信的通信開(kāi)銷較大，但接收端可使用廉價(jià)的、具有一般精度的時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)同步字符接收端發(fā)送端校驗(yàn)位同步字符接收端發(fā)送端停止位數(shù)據(jù)位起始位3.3數(shù)字傳輸系統(tǒng)現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)均采用脈碼調(diào)制PCM(PulseCodeModulation)體制。

采樣周期Tt信號(hào)t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原時(shí)分復(fù)用為了有效地利用傳輸線路，可將多個(gè)話路的PCM信號(hào)用時(shí)分復(fù)用TDM(TimeDivisionMultiplexing)的方法裝成時(shí)分復(fù)用幀，然后發(fā)送到線路上。中國(guó)采用歐洲體制，以E1為一次群。美國(guó)和日本等國(guó)采用北美體制，以T1為一次群。E1的時(shí)分復(fù)用幀2.048Mb/s傳輸線路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1…………時(shí)分復(fù)用幀TCH0CH1CH2…CH15CH16CH17CH30CH31CH0…8bitt時(shí)分復(fù)用幀時(shí)分復(fù)用幀T=125ms15個(gè)話路15個(gè)話路四、信道復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)的基本原理是：各路信號(hào)在進(jìn)入同一個(gè)有線的或無(wú)線的傳輸媒質(zhì)之前，先采用調(diào)制技術(shù)把它們調(diào)制為互相不會(huì)混淆的已調(diào)制信號(hào)，然后進(jìn)入傳輸媒質(zhì)傳送到對(duì)方，在對(duì)方再用解調(diào)（反調(diào)制）技術(shù)對(duì)這些信號(hào)加以區(qū)分，并使它們恢復(fù)成原來(lái)的信號(hào)，從而達(dá)到多路復(fù)用的目的。4.1頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用頻分復(fù)用(FDM-----FrequenlyDivisionMultiplexing)：所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源。時(shí)分復(fù)用(TDM-----time-divisionmultiplexing)：所有用戶在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。頻分復(fù)用頻率時(shí)間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCBCBCAAAABCDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成

線路資源的浪費(fèi)ABCDaabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶同步時(shí)分多路復(fù)用技術(shù):

STDM，SynchronizationTime-DivisionMultiplexing）這種技術(shù)按照信號(hào)的路數(shù)劃分時(shí)間片，每一路信號(hào)具有相同大小的時(shí)間片。時(shí)間片輪流分配給每路信號(hào)，該路信號(hào)在時(shí)間片使用完畢以后要停止通信，并把物理信道讓給下一路信號(hào)使用。當(dāng)其他各路信號(hào)把分配到的時(shí)間片都使用完以后，該路信號(hào)再次取得時(shí)間片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種方法叫做同步時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)。

異步時(shí)分多路復(fù)用技術(shù):

（ATDM，AsynchronismTime-DivisionMultiplexing）異步時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)，也叫做統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)（STDM，StatisticTime-DivisionMultiplexing）。指的是將用戶的數(shù)據(jù)劃分為一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)單元，不同用戶的數(shù)據(jù)單元仍按照時(shí)分的方式來(lái)共享信道；但是不再使用物理特性來(lái)標(biāo)識(shí)不同用戶，而是使用數(shù)據(jù)單元中的若干比特，也就是使用邏輯的方式來(lái)標(biāo)識(shí)用戶。

統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用

STDM用戶ABCDabcdttttt3個(gè)STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm4.2波分復(fù)用WDM在同一根光纖中同時(shí)讓兩個(gè)或兩個(gè)以上的光波長(zhǎng)信號(hào)通過(guò)不同光信道各自傳輸信息,稱為光波分復(fù)用技術(shù)。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km4.3碼分復(fù)用CDM常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。

碼片序列(chipsequence)每個(gè)站被指派一個(gè)惟一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時(shí)，就發(fā)送序列00011011，發(fā)送比特0時(shí)，就發(fā)送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特點(diǎn)每個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。碼片序列的正交關(guān)系令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個(gè)不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：(2-4)碼片序列的正交關(guān)系舉例令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-4)式就可看出這兩個(gè)碼片序列是正交的。任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是–1。正交關(guān)系的另一個(gè)重要特性CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm個(gè)碼片tS站發(fā)送的信號(hào)SxT站發(fā)送的信號(hào)Tx總的發(fā)送信號(hào)Sx+Tx規(guī)格化內(nèi)積S

Sx規(guī)格化內(nèi)積S

Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端六、信息交換技術(shù)

回顧一下電路交換的特點(diǎn)

兩部電話機(jī)只需要用一對(duì)電線就能夠互相連接起來(lái)。

更多的電話機(jī)互相連通5部電話機(jī)兩兩相連，需10對(duì)電線。N部電話機(jī)兩兩相連，需N(N–1)/2對(duì)電線。當(dāng)電話機(jī)的數(shù)量很大時(shí)，這種連接方法需要的電線對(duì)的數(shù)量與電話機(jī)數(shù)的平方成正比。

使用交換機(jī)當(dāng)電話機(jī)的數(shù)量增多時(shí)，就要使用交換機(jī)來(lái)完成全網(wǎng)的交換任務(wù)?！?/p>

交換機(jī)“交換”的含義在這里，“交換”(switching)的含義是：轉(zhuǎn)接——把一條電話線轉(zhuǎn)接到另一條電話線，使它們連通起來(lái)。從通信資源的分配角度來(lái)看，“交換”就是按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路的資源。

6.1線路交換使用線路（電路）交換（CircuitSwitching）方式，就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)站之間建立一條專用的通信線路。最普通的線路交換例子是電話系統(tǒng)。線路交換方式的通信包括三種狀態(tài)：（1）線路建立（2）數(shù)據(jù)傳送（3）線路拆除返回本節(jié)AB142356線路交換的過(guò)程線路交換舉例A和B通話經(jīng)過(guò)四個(gè)交換機(jī)通話在A到B的連接上進(jìn)行((((交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA線路交換舉例C和D通話只經(jīng)過(guò)一個(gè)本地交換機(jī)通話在C到D的連接上進(jìn)行((((交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA電路交換傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)效率低計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)具有突發(fā)性。這導(dǎo)致通信線路的利用率很低。6.2報(bào)文交換

報(bào)文交換比線路交換有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）線路效率較高，因?yàn)樵S多報(bào)文可以分時(shí)共享一條節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的通道。（2）不需要同時(shí)使用發(fā)送器和接收器來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)可以在接收器可用之前，暫時(shí)存儲(chǔ)這個(gè)報(bào)文。（3）在線路交換網(wǎng)上，當(dāng)通信量變得很大時(shí)，就不能接受某些呼叫。（4）報(bào)文交換系統(tǒng)可以把一個(gè)報(bào)文發(fā)送到多個(gè)目的地。（5）根據(jù)報(bào)文的長(zhǎng)短或其他特征能夠建立報(bào)文的優(yōu)先權(quán)，使得一些短的、重要的報(bào)文優(yōu)先傳遞。（6）報(bào)文交換網(wǎng)可以進(jìn)行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。

返回本節(jié)AB142356報(bào)文交換的過(guò)程6.3分組交換

分組交換（PacketSwitching）試圖兼有報(bào)文交換和線路交換的優(yōu)點(diǎn)，而使兩者的缺點(diǎn)最少。分組交換與報(bào)文交換的工作方式基本相同，形式上的主要差別在于，分組交換網(wǎng)中要限制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位的長(zhǎng)度。如何管理這些分組流呢?目前有兩種方法：數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路。在數(shù)據(jù)報(bào)中，每個(gè)數(shù)據(jù)包被獨(dú)立地處理，就像在報(bào)文交換中每個(gè)報(bào)文被獨(dú)立地處理那樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)一個(gè)路由選擇算法，為每個(gè)數(shù)據(jù)包選擇一條路徑，使它們的目的地相同。

AB142356報(bào)文分組交換的過(guò)程在虛電路中，數(shù)據(jù)在傳送以前，發(fā)送和接收雙方在網(wǎng)絡(luò)中建立起一條邏輯上的連接，但它并不是像電路交換中那樣有一條專用的物理通路，該路徑上各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有緩沖裝置，服從于這條邏輯線路的安排，也就是按照邏輯連接的方向和接收的次序進(jìn)行輸出排隊(duì)和轉(zhuǎn)發(fā)，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)就不需要為每個(gè)數(shù)據(jù)包作路徑選擇判斷，就好像收發(fā)雙方有一條專用信道一樣。

返回本節(jié)報(bào)文分組交換的原理（一）在發(fā)送端，先把較長(zhǎng)的報(bào)文劃分成較短的、固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)段。1101000110101010110101011100010011010010假定這個(gè)報(bào)文較長(zhǎng)不便于傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文分組交換的原理（二）每一個(gè)數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組。首部首部首部分組

1分組

2分組

3請(qǐng)注意：現(xiàn)在左邊是“前面”分組交換的原理（三）分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

3分組首部的重要性每一個(gè)分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網(wǎng)中的結(jié)點(diǎn)交換機(jī)根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)交換機(jī)。用這樣的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，最后分組就能到達(dá)最終目的地。分組交換的原理（四）接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞窟€原成報(bào)文。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

3收到的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分組交換的原理（五）最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成為原來(lái)的報(bào)文。這里我們假定分組在傳輸過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)差錯(cuò)，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)也沒(méi)有被丟棄。報(bào)文1101000110101010110101011100010011010010分組交換網(wǎng)的示意圖H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1向H5發(fā)送分組H2向H6發(fā)送分組注意分組路徑的變化！結(jié)點(diǎn)交換機(jī)主機(jī)注意分組的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組結(jié)點(diǎn)交換機(jī)主機(jī)在結(jié)點(diǎn)交換機(jī)

A

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在結(jié)點(diǎn)交換機(jī)

C

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在結(jié)點(diǎn)交換機(jī)

E

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口最后到達(dá)目的主機(jī)

H5注意結(jié)點(diǎn)交換機(jī)有多個(gè)端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速鏈路結(jié)點(diǎn)交換機(jī)123412341

2

3

412

3

41

2

3

4結(jié)點(diǎn)交換機(jī)在結(jié)點(diǎn)交換機(jī)中的輸入和輸出端口之間沒(méi)有直接連線。結(jié)點(diǎn)交換機(jī)處理分組的過(guò)程是：把收到的分組先放入緩存（暫時(shí)存儲(chǔ)）；查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找出到某個(gè)目的地址應(yīng)從哪個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)；把分組送到適當(dāng)?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。

主機(jī)和結(jié)點(diǎn)交換機(jī)的作用不同主機(jī)是為用戶進(jìn)行信息處理的，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送分組，從網(wǎng)絡(luò)接收分組。結(jié)點(diǎn)交換機(jī)對(duì)分組進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，最后把分組交付給目的主機(jī)。分組交換的優(yōu)點(diǎn)高效動(dòng)態(tài)分配傳輸帶寬，對(duì)通信鏈路是逐段占用。靈活以分組為傳送單位和查找路由。迅速不必先建立連接就能向其他主機(jī)發(fā)送分組；充分使用鏈路的帶寬。可靠完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；自適應(yīng)的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。分組交換帶來(lái)的問(wèn)題分組在各結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需要排隊(duì)，這就會(huì)造成一定的時(shí)延。分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開(kāi)銷。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)原理

并非完全新的概念在20世紀(jì)40年代，電報(bào)通信也采用了基于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)原理的報(bào)文交換(messageswitching)。報(bào)文交換的時(shí)延較長(zhǎng)，從幾分鐘到幾小時(shí)不等。現(xiàn)在報(bào)文交換已經(jīng)很少有人使用了。6.4三種數(shù)據(jù)交換技術(shù)的比較

三種數(shù)據(jù)交換技術(shù)總結(jié)如下：（1）線路交換：在數(shù)據(jù)傳送之前需建立一條物理通路，在線路被釋放之前，該通路將一直被一對(duì)用戶完全占有。（2）報(bào)文交換：報(bào)文從發(fā)送方傳送到接收方采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式。

（3）分組交換：此方式與報(bào)文交換類似，但報(bào)文被分成組傳送，并規(guī)定了分組的最大長(zhǎng)度，到達(dá)目的地后需重新將分組組裝成報(bào)文。

圖三種交換方式的比較返回本節(jié)6.5其他數(shù)據(jù)交換技術(shù)

（1）利用數(shù)字語(yǔ)音插空技術(shù)（DSI，DigitalSpeechInterpolation）能提高線路交換的傳輸能力。（2）幀中繼（FrameRelay）是對(duì)目前廣泛使用的X.25分組交換通信協(xié)議的簡(jiǎn)化和改進(jìn)。（3）異步傳輸模式（ATM，AsynchronousTransferMode）是線路交換與分組交換技術(shù)的結(jié)合，能最大限度地發(fā)揮線路交換與分組交換技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有從實(shí)時(shí)的語(yǔ)音信號(hào)到高清晰度電視圖像等各種高速綜合業(yè)務(wù)的傳輸能力。返回本節(jié)七、數(shù)據(jù)傳輸

1．基帶方式對(duì)于碼型的選擇，通常要考慮以下的因素：對(duì)于傳輸頻帶低端受限的信道，線路傳輸碼型的頻譜中不應(yīng)含有直流分量；

信號(hào)的抗噪聲干擾能力強(qiáng)，產(chǎn)生誤碼時(shí)，在譯碼中產(chǎn)生的誤碼擴(kuò)散或誤碼增值??；便于從信號(hào)中提取位同步定時(shí)信息；盡量減少基帶信號(hào)頻譜中高頻分量，以節(jié)省傳輸頻帶，并減小串?dāng)_；編譯碼的設(shè)備應(yīng)盡量簡(jiǎn)單?？朔粴w零制編碼缺點(diǎn)的一種編碼方案是曼徹斯特（Manchester）編碼（見(jiàn)圖7-1（b）），它是一種自同步編碼方式，包括數(shù)據(jù)信息和時(shí)鐘信息。

另一種曼徹斯特編碼的變種叫做差分曼徹斯特編碼（見(jiàn)圖7-1（c）），它的編碼規(guī)則是：若碼元為1，則其前半個(gè)碼元的電平與上一個(gè)碼元的后半個(gè)碼元的電平一樣；但若碼元為0，則其前半個(gè)碼元的電平與上一個(gè)碼元的后半個(gè)碼元的電平相反。不論碼元是１或０，在每個(gè)碼元的正中間時(shí)刻，一定要有一次電平的轉(zhuǎn)換。差分曼徹斯特編碼需要較復(fù)雜的技術(shù)，但可以獲得較好的抗干擾性能。圖7-1常用數(shù)字信號(hào)編碼2．4B/5B編碼在光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI，F(xiàn)iberDistributedDataInterface）中采用了獨(dú)特的4B/5B編碼。這種編碼的特點(diǎn)是將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)流每４bit作為一個(gè)組，然后按照4B/5B編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)5bit碼。5bit碼共有32種組合，但只采用其中的24種，16種對(duì)應(yīng)4bit碼的16種，8種用作控制碼，以表示幀的開(kāi)始和結(jié)束、光纖線路的狀態(tài)（靜止、空閑、暫停）等。標(biāo)準(zhǔn)4B/5B編碼對(duì)照表見(jiàn)表2-1，用于100MbpsFDD1PMD的4B/5B編碼控制碼表見(jiàn)表2-2?，F(xiàn)用不歸零編碼畫(huà)出4bit碼和5bit碼的對(duì)應(yīng)波形，5bit碼經(jīng)差分編碼后，轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，如圖7-2所示。

圖7-24B/5B編碼方式返回本節(jié)3.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)編碼

通過(guò)調(diào)制振幅、頻率和相位等載波特性或者這些特性的某種組合，來(lái)對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼。最基本的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)→模擬信號(hào)調(diào)制方式有以下三種（如圖7-3所示）。（1）幅移鍵控方式（ASK，Amplitude-ShiftKeying）（2）頻移鍵控方式（FSK，F(xiàn)requency-ShiftKeying）（3）相移鍵控方式（PSK，Phase-ShiftKeying）圖7-3對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法返回本節(jié)4.模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼

脈沖編碼調(diào)制（PCM，PulseCodeModulation）是波形編碼中最重要的一種方式，在光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信等均獲得了極為廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)大多采用PCM體制。PCM最初并不是用來(lái)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的，采用它是為了解決電話局之間中繼線不夠，使一條中繼線不只傳送一路而是可以傳送幾十路電話。PCM過(guò)程主要由采樣、量化與編碼三個(gè)步驟組成。

返回本節(jié)8.1基本概念

差錯(cuò)控制編碼就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行抗干擾編碼，目的是為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的容錯(cuò)性和可靠性，它在發(fā)送端被傳輸?shù)男畔⒋a元序列中，以一定的編碼規(guī)則附加一些校驗(yàn)碼元，接收端利用該規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的譯碼，譯碼的結(jié)果有可能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)或糾正差錯(cuò)。

在差錯(cuò)控制碼中，檢錯(cuò)碼是指能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)差錯(cuò)的編碼，糾錯(cuò)碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能夠自動(dòng)糾正差錯(cuò)的編碼。當(dāng)然，檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力是用信息量的冗余和降低系統(tǒng)的效率為代價(jià)來(lái)?yè)Q取的。返回本節(jié)八、差錯(cuò)控制與校驗(yàn)8.2常用的差錯(cuò)控制編碼

1．奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼是一種最簡(jiǎn)單也是最基本的檢錯(cuò)碼，一維奇偶校驗(yàn)碼的編碼規(guī)則是把信息碼元先分組，在每組最后加一位校驗(yàn)碼元，使該碼中1的數(shù)目為奇數(shù)或偶數(shù)，奇數(shù)時(shí)稱為奇校驗(yàn)碼，偶數(shù)時(shí)稱為偶校驗(yàn)碼。2．循環(huán)冗余碼循環(huán)冗余碼（CRC，CyclicRedundancyCode）校驗(yàn)（Check）是目前在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信及存儲(chǔ)器中應(yīng)用最廣泛的一種校驗(yàn)編碼方法，它所約定的校驗(yàn)規(guī)則是：讓校驗(yàn)碼能為某一約定代碼所除盡；如果除得盡，表明代碼正確；如果除不盡，余數(shù)將指明出錯(cuò)位所在位置。表8.1水平奇偶校驗(yàn)位碼字偶校驗(yàn)位12345678910110011100011201101010101311011000011400111000100511101111010表8.2垂直奇偶校驗(yàn)位碼字123456789101100111000120110101010311011000014001110001051110111101偶校驗(yàn)位1111100101表8.3水平垂直奇偶校驗(yàn)位碼字偶校驗(yàn)位12345678910110011100011201101010101311011000011400111000100511101111010偶校驗(yàn)位11111001011循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC的檢錯(cuò)技術(shù)。假設(shè)待傳送的數(shù)據(jù)M=1010001101（共kbit）。我們?cè)贛的后面再添加供差錯(cuò)檢測(cè)用的nbit冗余碼一起發(fā)送。冗余碼的計(jì)算用二進(jìn)制的模

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運(yùn)算進(jìn)行2n乘M的運(yùn)算，這相當(dāng)于在M后面添加n個(gè)0。得到的(k+n)bit的數(shù)除以事先選定好的長(zhǎng)度為(n+1)bit的數(shù)P，得出商是Q而余數(shù)是R，余數(shù)R比除數(shù)P至少要少1個(gè)比特。冗余碼的計(jì)算舉例設(shè)n=5,P=110101，模2運(yùn)算的結(jié)果是：商Q=110101