計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用（第二版）課件第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第2章

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1通信的相關(guān)概念

2.1.1通信系統(tǒng)模型

1.通信的基本術(shù)語

通信是通過某種媒體進(jìn)行的信息傳遞。信息是指數(shù)據(jù)中包含的有意義的內(nèi)容。它是通過數(shù)據(jù)來表示的，數(shù)據(jù)是信息的載體。數(shù)據(jù)分為離散型數(shù)據(jù)和連續(xù)型數(shù)據(jù)。信號(hào)是指隨時(shí)間變化的物理量。2.通信系統(tǒng)模型

3.通信系統(tǒng)的組成

（1)信源信源是發(fā)出信息的源，信源分為模擬信源和數(shù)字信源。（2)變換器（3）信道可以是有線的或是無線的，有線和無線均有多種傳輸媒質(zhì)。（4）反變換器進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。（5）信宿信宿是傳輸信息的歸宿（接收端）。（6）噪聲源2.1.2數(shù)據(jù)通信過程

整個(gè)通信過程包括以下五個(gè)階段:（1）通信線路的占用（建立）（2）數(shù)據(jù)傳輸鏈路建立（3）數(shù)據(jù)及控制信息的傳輸（4）數(shù)據(jù)傳輸鏈路的拆除（5）通信線路的釋放2.1.3通信系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

用傳輸速率、信道容量、帶寬以及誤碼率等指標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.傳輸速率傳輸速率是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸信息的數(shù)量。它是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸能力的重要指標(biāo)，分別用數(shù)據(jù)信號(hào)速率和調(diào)制速率來表示。（1）數(shù)據(jù)信號(hào)速率指單位時(shí)間內(nèi)所傳送的二進(jìn)制代碼的有效位數(shù)，單位為：位/秒，記作b/s。

計(jì)算公式為：S=(1/T)log2N(b/s)

（2）調(diào)制速率信號(hào)調(diào)制過程中，單位時(shí)間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)，單位為：Baud。用于表示調(diào)制器之間信號(hào)傳輸?shù)乃俾省?/p>

計(jì)算公式為：B=(1/T)(Baud)2.帶寬帶寬是描述傳輸系統(tǒng)的一個(gè)重要的參數(shù)。信號(hào)的帶寬是指信號(hào)的頻帶寬度。

模擬信道帶寬的單位是：赫茲（Hz），數(shù)字信道帶寬的單位是：比特/秒（bps）按信道頻率范圍的不同，通信信道分為三類：窄帶信道（帶寬為0～300Hz）、音頻信道（帶寬為300Hz～3.4KHz）和寬帶信道（帶寬為3.4KHz以上）。3.離散的信道容量信道容量是一個(gè)極限參數(shù)，指單位時(shí)間內(nèi)信道所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘浚碚餍诺赖淖畲髠鬏斈芰?。單位：?秒（b/s）。信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率是有區(qū)別的，前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，而后者是實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以一般信道容量應(yīng)大于傳輸速率。（1）離散的信道容量對(duì)離散的信道有一個(gè)Nyquist公式，來計(jì)算其信道容量：

C=2×H×log2N(bps)式中，H：信道的帶寬（Hz），N：碼元的離散值個(gè)數(shù)。C：最大數(shù)據(jù)傳輸速率（信道容量）。（2）連續(xù)的信道容量對(duì)連續(xù)的信道有一個(gè)Shannon公式，來計(jì)算其信道容量：C=H×log2(1+S/N)(bps)式中，H：信道的帶寬；S：信號(hào)功率；N：噪聲功率；S/N：信噪比，分貝(dB)?！纠?.1】已知電話信道帶寬約3KHz，若其碼元的離散值個(gè)數(shù)N=16，求信道最大數(shù)據(jù)傳輸速率。解：C=2×3K×log216=24K(b/s)【例2.2】已知某信道信噪比為30dB，帶寬為3KHz，求信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。解：∵10lg(S/N)=30∴S/N=1030/10=1000∴C=3000×log2(1+1000)≈30K(b/s)4.帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率和信道容量的關(guān)系

Shannon定理給出信道帶寬與信道容量之間關(guān)系：C=H×log2(1+S/N)可見，信道帶寬和信噪比越高，則信道容量就越大，傳輸效率也就越高。而無噪聲信道中的最大速率由Nyquist準(zhǔn)則決定：Rmax=2×H×log2N(b/s)式中，Rmax為最大速率，H為信道帶寬，N為信道上傳輸信號(hào)可取的碼元數(shù)。

在模擬信道中，常用帶寬（頻率寬度）表示其傳輸信息的能力，如：電話信道的帶寬為300～3400Hz。而在數(shù)字信道中，常用“最大數(shù)據(jù)傳輸速率”來表示信道的傳輸能力，即為b/s、Kb/s或Mb/s。如：某以太網(wǎng)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是1000Mb/s。帶寬和最大數(shù)據(jù)傳輸速率都是衡量信道傳輸能力的技術(shù)指標(biāo)，加上Shannon計(jì)算公式指出，數(shù)據(jù)的最大傳輸速率（信道容量）與信道帶寬之間存在正比關(guān)系，故在實(shí)際應(yīng)用中，帶寬與最大數(shù)據(jù)傳輸速率（信道容量）并不嚴(yán)格加以區(qū)分，信道容量有時(shí)也稱為帶寬。5.誤碼率與噪聲誤碼率是衡量通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性指標(biāo)，指二進(jìn)制數(shù)據(jù)位傳輸時(shí)出錯(cuò)的概率。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)要求誤碼率低于10-6，即平均每傳送1Mb，才能錯(cuò)1位。若達(dá)不到這個(gè)指標(biāo)，則應(yīng)通過差錯(cuò)控制方法進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。誤碼率的定義：Pe≈Ne/N式中，Pe為誤碼率，Ne表示被傳錯(cuò)的位數(shù)；N表示傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)總位數(shù).

任何非理想信道都會(huì)有噪聲,噪聲分為兩類：熱噪聲和沖擊噪聲。

(1)熱噪聲是內(nèi)部噪聲，幅值較大小。

(2)沖擊噪聲由外界干擾引起，其幅值較大，會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性差錯(cuò)。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，噪聲疊加在信號(hào)上，會(huì)引起某些位的信號(hào)在接收端錯(cuò)誤地被接收，就是誤碼。另外，因傳輸系統(tǒng)帶寬較窄所引起的信號(hào)失真，也會(huì)引起誤碼。6.傳輸延遲

1）發(fā)送和接收設(shè)備存在響應(yīng)時(shí)間2）通信子網(wǎng)存在中間轉(zhuǎn)發(fā)等待時(shí)間3）數(shù)據(jù)發(fā)送和接收處理需要時(shí)間

4）數(shù)據(jù)的通信傳輸過程需要時(shí)間

時(shí)間延遲（Delay）又稱傳輸延遲：

傳輸延遲=電信號(hào)響應(yīng)時(shí)間+發(fā)送和接收處理時(shí)間+中間轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間+通信傳輸時(shí)間2.2通信的基本方式

2.2.1并行通信與串行通信并行通信用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部件之間或近距離設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，而串行通信常有用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與終端設(shè)備之間遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。

計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的并行通信通過計(jì)算機(jī)的并行接口（LPT）進(jìn)行；串行通信則是通過串行接口（COM）進(jìn)行。

1.并行通信所謂并行傳輸，是指至少有8個(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)在兩臺(tái)設(shè)備之間傳輸,發(fā)送端與接收端有8條數(shù)據(jù)線相連，發(fā)送端同時(shí)發(fā)送8個(gè)數(shù)據(jù)位（其中1位用作校檢位），接收端同時(shí)接收8個(gè)數(shù)據(jù)位。

計(jì)算機(jī)內(nèi)部通過總線進(jìn)行的通信就屬于并行通信。微機(jī)支持4個(gè)以上的COM接口和3個(gè)以上的LPT接口。并行接口又稱LPT接口。在USB接口出現(xiàn)之前，LPT并口常用來接打印機(jī)或掃描儀，LPT接口最大速率可達(dá)到1.5Mb/s。2.串行通信所謂串行通信方式，是指發(fā)送端一次只發(fā)送或接收一位數(shù)據(jù)位。因此，所需數(shù)據(jù)線的數(shù)目大大減少，各數(shù)據(jù)位依次通過通信線路傳輸。

因在計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線上傳輸?shù)氖遣⑿袛?shù)據(jù)，如要與外部設(shè)備進(jìn)行串行通信，需在發(fā)送端需把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，在接收端則需將串行數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，較遠(yuǎn)距離的通信常采用串行通信方式。在現(xiàn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，串行通信應(yīng)用較為廣泛。

在計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中，計(jì)算機(jī)之間也是串行傳輸，由網(wǎng)卡負(fù)責(zé)串行數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。如：16位網(wǎng)卡一次可轉(zhuǎn)換16位數(shù)據(jù)，32位網(wǎng)卡一次可轉(zhuǎn)換32位數(shù)據(jù)。現(xiàn)在常用USB（即通用串行總線）接口，傳輸速率快，達(dá)到480Mb/s。已有USB2.0、USB3.1版，傳輸速率達(dá)到1Gb/s。2.2.2單工、半雙工和全雙工通信通信線路由一個(gè)或多個(gè)信道組成，根據(jù)信道在某一時(shí)間信息傳輸?shù)姆较颍ㄐ趴梢苑譃椋?/p>

1.單工通信

2.半雙工通信

3.全雙工通信

1.單工通信

單工通信是指?jìng)魉偷男畔⑹冀K是一個(gè)方向的通信。單工通信存在兩個(gè)信道：即傳輸數(shù)據(jù)用的主信道和監(jiān)測(cè)信號(hào)用的監(jiān)測(cè)信道。如：收聽和收看廣播電視。圖2-5半雙工通信2.半雙工通信是指信息流可以在兩個(gè)方向傳輸，但同一時(shí)刻只限于一個(gè)方向傳輸。對(duì)于半雙工通信，通信的雙方都具備發(fā)送和接收裝置，即每一端既可以是發(fā)送端也可以是接收端，信息流輪流使用發(fā)送和接收裝置。如：對(duì)講機(jī)。圖2-6全雙工通信3.全雙工通信

指同時(shí)可以雙向的通信，即通信的一方在發(fā)送信息的同時(shí)也能接收信息。全雙工通信采用四線制，有兩個(gè)數(shù)據(jù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，適合計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信。

2.2.3廣播式通信與點(diǎn)到點(diǎn)式通信1.廣播式通信在一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過信道發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，所有其它的計(jì)算機(jī)都能“收聽（接收）”到該數(shù)據(jù)包，這種通信就稱為“廣播式通信”，該網(wǎng)絡(luò)就稱為廣播式網(wǎng)絡(luò)。在廣播式網(wǎng)絡(luò)中，所有計(jì)算機(jī)都共享有一個(gè)公共信道（BUS）。如：總線型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、環(huán)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)和集線器（HUB）組建的網(wǎng)絡(luò)等。

2.點(diǎn)到點(diǎn)式通信兩臺(tái)計(jì)算機(jī)可直接通信，若沒有直接連接的線路，它們的通信可通過中間節(jié)點(diǎn)的接收、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)直至目的節(jié)點(diǎn)，這種通信方式就稱為“點(diǎn)到點(diǎn)式通信”，而相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)就稱為點(diǎn)到點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò)。從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)可能有多條路徑，決定數(shù)據(jù)包的路徑需通過路由選擇算法。數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)與路由選擇是點(diǎn)到點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò)與廣播式網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別。如：交換式網(wǎng)絡(luò)和VPN網(wǎng)絡(luò)等。

2.2.4基帶通信與寬帶通信

1.基帶通信

由計(jì)算機(jī)或終端等數(shù)字設(shè)備產(chǎn)生、未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字電信號(hào)通常是矩形波形式，頻率以直流和低頻為主，這種電信號(hào)稱為“基帶（Baseband）信號(hào)”。

在信道中，直接傳輸這種基帶信號(hào)的通信方式就叫做“基帶通信（傳輸）”。

基帶信號(hào)在近距離范圍內(nèi)衰減不大，因此，在計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中，廣泛采用基帶通信方式，如：以太局域網(wǎng)。

在數(shù)據(jù)通信中，表示計(jì)算機(jī)二進(jìn)制的比特序列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)就是矩形脈沖（波）信號(hào)；矩形脈沖信號(hào)的固有頻帶稱做基本頻帶（基帶），矩形脈沖信號(hào)就叫做基帶信號(hào)。在傳輸距離不大遠(yuǎn)的情況下，數(shù)字基帶信號(hào)可以直接傳送，這就稱為數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸。基帶傳輸是一種最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式，又叫數(shù)字傳輸。如：前面講的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中的信號(hào)就是基帶傳輸?shù)摹?/p>

基帶波形

2.寬帶通信（傳輸）

寬帶是指比音頻帶寬更寬的頻帶，它包括大部分電磁波頻譜，借助頻帶傳輸，將信道分成多個(gè)子信道，分別傳送音頻、視頻和數(shù)字信號(hào)，這就稱為寬帶傳輸。利用寬帶進(jìn)行的通信方式稱為寬帶通信。如：CATV、ISDN。寬帶數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為0～400Mb/s，而通常使用的基帶傳輸速率是5Mb/s～10Mb/s。寬帶傳輸可容納全部廣播信號(hào)，并可進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。寬帶傳輸系統(tǒng)多是模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)。

寬帶傳輸中，一個(gè)寬帶信道劃分為多個(gè)邏輯子信道（即多個(gè)傳輸頻道），同時(shí)傳送數(shù)據(jù)、語音以及視頻信號(hào)，頻道之間用頻率區(qū)分。

寬帶傳輸與基帶傳輸?shù)谋容^：

1）能在一個(gè)信道中傳輸聲音、圖像和數(shù)據(jù)信息，使系統(tǒng)具有多種用途；2）一條寬帶信道能劃分為多條邏輯基帶信道，實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，因此信道的容量大大增加；

3）寬帶傳輸?shù)木嚯x比基帶遠(yuǎn)，因?yàn)榛鶐鬏斨苯觽魉蛿?shù)字信號(hào)，傳輸?shù)乃俾试礁?，能夠傳輸?shù)木嚯x越短。

一個(gè)寬帶信道被劃分為許多個(gè)邏輯信道（只是在寬帶信道中劃分，可控制的劃分，劃分之后也不是變成多條線路，實(shí)際還是一條數(shù)據(jù)線），從而可以將各種聲音、圖像和數(shù)據(jù)信息綜合在同一物理信道中傳輸。在多個(gè)邏輯通道中用不同的信號(hào)（模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)）傳輸數(shù)據(jù)。2.3通信中的編碼技術(shù)

2.3.1編碼概念與類型模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)在通過某一介質(zhì)傳輸時(shí)，需要進(jìn)行調(diào)制和編碼，以提高信號(hào)傳輸性能。

1、調(diào)制——指用原始數(shù)據(jù)信號(hào)（如基帶信號(hào)）對(duì)載波信號(hào)波形的某些參量（振幅（A）、頻率（f）和相位（θ））進(jìn)行控制，使這些參量隨基帶信號(hào)變化。

調(diào)制涉及上述一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)的變化，即有振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。

載波是指被調(diào)制以傳輸信號(hào)的波形，一般是正弦波。載波（正弦載波）的頻率，一般遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào)（原始數(shù)據(jù)信號(hào)）的帶寬頻率（故用高頻信號(hào)），否則可能發(fā)生混疊，使傳輸信號(hào)失真。

S(t)=Asin(ωt+θ)A：振幅，ω：角頻率，(rad/s)θ：相位。

載波信號(hào)是把普通數(shù)據(jù)信號(hào)（語音、圖象）加載到一定頻率的高頻信號(hào)上。沒加載普通信號(hào)時(shí)，高頻信號(hào)的波幅是固定的，加載之后，波幅隨著普通信號(hào)變化（調(diào)幅），還有調(diào)相及調(diào)頻。

將源數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到載波信號(hào)（模擬信號(hào)）上，主要作用是：1）減小傳輸中的噪聲；2）頻分復(fù)用，在同一信道中，傳輸多路信號(hào)而不混疊；3）可傳播更遠(yuǎn)的距離，并有利于接收。

2、編碼——指用預(yù)先規(guī)定的方法將原始數(shù)據(jù)信號(hào)編成數(shù)碼（一般是二進(jìn)制碼），或?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成規(guī)定的電脈沖信號(hào)的過程。編碼是數(shù)據(jù)信息從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的過程。解碼則是編碼的逆過程。

編碼可分為幾種類型：1）信源編碼

模擬數(shù)據(jù)信號(hào)通過A／D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)或?yàn)樘岣邤?shù)字信號(hào)有效性的編碼；

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)通過D／A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)或?yàn)樘岣吣M信號(hào)有效性的編碼。

2）信道編碼——為提高可靠性，而采取的差錯(cuò)控制編碼或抗干擾編碼。

3）保密編碼——為通信保密，在信源編碼后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密，然后在接收端解密的編碼。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)信源和信道的不同，數(shù)據(jù)信號(hào)的調(diào)制和編碼有以下四種情況：（l）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)編碼（2）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼（3）模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼（4）模擬數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)編碼2.3.2模擬數(shù)據(jù)的編碼

PCM調(diào)制方法對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行周期性采樣，將模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化，以一定的采樣頻率從這些采樣中重構(gòu)出原始信號(hào)。如：對(duì)音頻模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化編碼，包括三個(gè)階段：采樣（取樣）、量化和編碼。采樣定理公式：Fs(=1/Ts)≥2Fmax或Fs≥2Bs式中：Fs為采樣頻率，Ts為采樣周期，F(xiàn)max為原始信號(hào)的最高頻率,Bs(=Fmax-Fmin)為原始信號(hào)的帶寬。1.取樣指在每隔固定長度的時(shí)間點(diǎn)上，抽取模擬數(shù)據(jù)的瞬時(shí)值，作為從這一次取樣到下一次取樣之間該模擬數(shù)據(jù)的代表值。2.量化把取樣得到的不同的離散幅值，按照一定的量化級(jí)，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值，并取整數(shù)，得到離散信號(hào)的具體數(shù)值。3.編碼將量化后的離散值，轉(zhuǎn)換為一定數(shù)位的二進(jìn)制數(shù)碼。圖2-7

脈沖編碼調(diào)制(PCM)原理

模擬信號(hào)數(shù)字化的三個(gè)步驟：

(1)采樣：按采樣頻率Fs把模擬信號(hào)的值采出；

(2)量化：使連續(xù)模擬信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間軸上的離散值；

(3)編碼：將離散值轉(zhuǎn)換成一定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)碼。2.3.3數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼指用物理信號(hào)（如：電信號(hào)）的波形來表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。通常用不同形式的電信號(hào)波形來表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字信號(hào)是離散的、不連續(xù)的電壓或電流的脈沖序列波型。圖2-8不歸零碼圖2-9曼徹斯特碼及差分曼徹斯特碼(3）差分曼徹斯特碼

以上三種編碼各有優(yōu)缺點(diǎn)，選擇時(shí)應(yīng)注意：第一，脈沖寬度越大，發(fā)送信號(hào)的能量就越大，這對(duì)于提高接收端的信噪比有利；第二，脈沖時(shí)間寬度與傳輸頻帶寬度成反比關(guān)系。在上述編碼中，曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼應(yīng)用較為廣泛，是計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)編碼。2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬編碼

使用模擬通信系統(tǒng)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，需要借助于調(diào)制解調(diào)裝置，把數(shù)字信號(hào)（基帶脈沖）調(diào)制成模擬信號(hào)，使其變?yōu)檫m合于模擬通信線路傳輸?shù)男盘?hào)。經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，已調(diào)信號(hào)通過線路傳輸?shù)浇邮斩?，在接收端?jīng)過解調(diào)，恢復(fù)為原始基帶脈沖信號(hào)。

相應(yīng)于載波信號(hào)的振幅、頻率和相位這三個(gè)特征，數(shù)字信號(hào)的模擬調(diào)制有三種基本調(diào)制方法，即幅度鍵控法ASK、頻移鍵控法FSK和相移鍵控法PSK，（1）幅度鍵控法幅度鍵控（ASK）又叫振幅鍵控，即用數(shù)字的基帶信號(hào)控制正弦載波信號(hào)的振幅。在此方式下，用載波頻率的兩個(gè)不同的幅度，來表示兩個(gè)二進(jìn)制值。圖2-10幅度鍵控（2）頻移鍵控法頻移鍵控（FSK）也叫頻率鍵控，它是用數(shù)字基帶信號(hào)控制正弦載波信號(hào)的頻率f。在此方式下，用載波頻率附近的兩個(gè)不同頻率，來表示兩個(gè)二進(jìn)制值。（3）相移鍵控法

相移鍵控（PSK）也叫相位鍵控。它是用數(shù)字基帶信號(hào)控制正弦載波信號(hào)的相位。又分為絕對(duì)相移鍵控（PSK）和相對(duì)相移鍵控（DPSK）。圖2-11頻移鍵控圖2-12絕對(duì)相移鍵控圖2-13相對(duì)相移鍵控2.4同步技術(shù)與多路復(fù)用技術(shù)

2.4.1同步技術(shù)

1.同步傳輸方式

2.異步傳輸方式圖2-14同步方式的同步結(jié)構(gòu)

異步方式由于每個(gè)字符都附加了起始位和停止位，增加了傳輸開銷，所以，傳輸效率有所下降。但如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，只需重發(fā)一個(gè)字符即可。這種方式控制簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，適合于低速率場(chǎng)合。2.4.2多路復(fù)用技術(shù)

1.頻分多路復(fù)用

2.時(shí)分多路復(fù)用3.波分多路復(fù)用

4.碼分多路復(fù)用

5.空分多路復(fù)用

多路復(fù)用是指兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源共享一個(gè)傳輸信道，就像每個(gè)數(shù)據(jù)源都有自己的信道一樣，在發(fā)送端將若干個(gè)彼此無關(guān)的信號(hào)，合并為一個(gè)能在一個(gè)共用信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號(hào)，在信號(hào)的接收端，將復(fù)合信號(hào)分離出原來的若干個(gè)彼此無關(guān)的信號(hào)。

在一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)中，不論輸入或輸出端的數(shù)量多少，都只需要一條傳輸線路。圖2-16多路復(fù)用原理

實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用有多種方法，多路復(fù)用器的類型也各異。常用的多路復(fù)用技術(shù)有：頻分多路復(fù)用（FDM）、時(shí)分多路復(fù)用（TDM）、統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用（STDM）和波分多路復(fù)用（WDM）等。圖2-17頻分多路復(fù)用

頻分多路復(fù)用技術(shù)適用于模擬信號(hào)。例如，將FDM用在電話系統(tǒng)中，傳輸?shù)拿恳宦氛Z音信號(hào)的頻譜一般在300Hz～3000Hz，僅占用一根傳輸線可用總帶寬的一部分，通常雙絞電纜的可用帶寬是100kHz。一對(duì)雙絞線上采用頻分復(fù)用技術(shù)，可傳輸多達(dá)24路電話信號(hào)。TDM是將物理信道按時(shí)間分成時(shí)間片，輪流分配給多個(gè)信源來使用公共信道。只要各路數(shù)據(jù)傳輸在時(shí)間上能區(qū)分開（不重疊），那么一個(gè)信道就有可能傳輸多路數(shù)據(jù)。WDM的原理同頻分多路復(fù)用相似，主要用于光纖通信。它是利用不同波長的光，在一條光纖上同時(shí)傳輸多路信號(hào)。圖2-18時(shí)分多路復(fù)用圖2-19波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用兩束光波的頻率是不相同的，它們通過或光柵之后，使用了一條共享的光纖傳輸，到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)后，再經(jīng)過或光柵重新分成兩束光波。4.碼分多路復(fù)用碼分多路復(fù)用是指利用各路信號(hào)碼型結(jié)構(gòu)正交性，而實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的一種新型共享信道方法，簡(jiǎn)稱CDM。CDM又稱碼分多址（簡(jiǎn)稱CDMA）,CDM與FDM（頻分多路復(fù)用）和TDM（時(shí)分多路復(fù)用）不同,它既共享信道的頻率,也共享時(shí)間,是一種真正的動(dòng)態(tài)復(fù)用技術(shù)。

CDM的原理是：把每比特時(shí)間被分成m個(gè)更短的時(shí)間槽，稱為碼片（Chip），每個(gè)站點(diǎn)(通道)指定一個(gè)唯一的m位碼片。在碼分多路復(fù)用中，每個(gè)用戶在同一時(shí)間，使用同樣的頻帶進(jìn)行通信，但使用基于碼型的、分割信道的不同的地址碼，這種地址碼每個(gè)用戶分配一個(gè)，各碼不重疊，通信各方之間互不干擾，抗干攏能力增強(qiáng)。碼分多路復(fù)用常用于移動(dòng)通信系統(tǒng)（如：手機(jī)），可提高通信的話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，且能增大通信系統(tǒng)的容量。如：智能手機(jī)、筆記本電腦、個(gè)人

PDA，以及掌上電腦(HPC)等移動(dòng)性計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)通信。在碼分多址（CDMA）通信系統(tǒng)中，用戶之間的信息傳輸是由基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和控制的。為了實(shí)現(xiàn)雙工通信，正向傳輸和反向傳輸各使用一個(gè)頻率，即通常所謂的頻分雙工。

無論正向傳輸或反向傳輸，除了傳輸業(yè)務(wù)信息外，還須傳送相應(yīng)的控制信息。CDMA通信系統(tǒng)既不分頻道又不分時(shí)隙，無論傳送何種信息的信道，都能通過采用不同的碼型來區(qū)分。5.空分多路復(fù)用

空分多路復(fù)用(SDM)指多對(duì)電線或光纖共用1條纜的復(fù)用方式。如：5類線就是4對(duì)雙絞線共用1條纜，多芯光纜在同一根光纖內(nèi)傳輸多路不同波長的光信號(hào)，其原理與頻分多路復(fù)用相似。實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用的前提條件：光纖或電線的直徑小，可將多條光纖或多對(duì)電線做在一條纜內(nèi)，既節(jié)省材料，又便于使用。如：武漢研發(fā)的使用單模七芯光纜的，超大容量（560Tb/s）空分多路復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)。2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)

任意兩個(gè)站點(diǎn)間都直接用專線連接，即不方便,又費(fèi)用高。如有n個(gè)站點(diǎn)，若全連通，即其中任一站點(diǎn)同其他所有站點(diǎn)（n-l個(gè)）都專線相連，則共需要n(n-l)／2條專線。當(dāng)n=6時(shí)，就需要有15條專線。解決方法：設(shè)置一些交換節(jié)點(diǎn)，把各通信站點(diǎn)和交換節(jié)點(diǎn)相連，再把各交換節(jié)點(diǎn)用通信線路相連，構(gòu)成一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。站點(diǎn)間的通信，通過通信網(wǎng)絡(luò)的若干節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)接而成，每個(gè)站點(diǎn)只用一條線路和交換節(jié)點(diǎn)相連。

常用的三種數(shù)據(jù)交換技術(shù)：（1）電路交換（CircuitSwitching）；

（2）存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換（Store-and-ForwardSwitching）；

（3）快速分組交換（FastPacketSwitching）。

交換網(wǎng)絡(luò)2.5.1電路交換電路交換是一種直接交換方式，最早用于電話交換網(wǎng)，由交換機(jī)負(fù)責(zé)在兩個(gè)通信站點(diǎn)之間建立一條物理專用線路。

2.5.2存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換不像電路交換那樣，需要通過呼叫建立起物理的傳輸通路，而是以接力方式，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間逐段傳送，直到目的端。工作原理：使數(shù)據(jù)在中間節(jié)點(diǎn)先存儲(chǔ)，再轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2-21存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換原理

與電路交換相比，存儲(chǔ)交換具有均衡負(fù)荷、建立電路延遲小、可進(jìn)行差錯(cuò)控制等優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)時(shí)性不夠好，網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲較大。在一些實(shí)時(shí)性要求不是很高的場(chǎng)合（如：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)），可采用這種交換方式。1.報(bào)文交換報(bào)文交換以報(bào)文為單位交換信息。其過程是：發(fā)送方先把待傳送的數(shù)據(jù)分為多個(gè)報(bào)文正文，在報(bào)文正文上附加發(fā)、收站地址及其他控制信息，形成一份完整的報(bào)文（Message）。然后，報(bào)文在交換網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)間傳送。報(bào)文交換主要用于公用電報(bào)網(wǎng)中。報(bào)文交換沒有撥號(hào)呼叫，由報(bào)文的報(bào)頭控制到達(dá)目的地。（類似郵政信件系統(tǒng)）每個(gè)報(bào)文包括：報(bào)頭（Header）、報(bào)文正文（Text）和報(bào)尾（Trailer）三部分。報(bào)頭由發(fā)送端地址、接收端地址及其他輔助信息組成。2.分組交換（PacketSwitching）報(bào)文分組交換簡(jiǎn)稱“分組交換”或“包交換”。最早在APRA網(wǎng)上運(yùn)用。這種方式是把報(bào)文分成若干個(gè)長度較短的分組（Packet包），以分組為單位進(jìn)行暫存、處理和轉(zhuǎn)發(fā)。

每個(gè)分組按格式附加上收發(fā)地址、分組編號(hào)、分組的起始、結(jié)束標(biāo)志和差錯(cuò)校驗(yàn)信息等，以供存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)之用。

分組交換技術(shù)規(guī)定了每個(gè)分組的長度。需注意：雖然只是縮短了網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔㈤L度，但實(shí)質(zhì)上，這個(gè)表面上微小的變化。卻極大改善了交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能：

1）降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)容量的要求；

2）可用節(jié)點(diǎn)設(shè)備的主存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)處理，不需訪問外存了，加快了處理速度，降低了傳輸延遲；

3）信息分組較短，使得下一節(jié)點(diǎn)和線路的響應(yīng)時(shí)間也較短，從而提高了傳輸速率；

4）分組較短，在傳輸中出錯(cuò)的概率減小，即使有差錯(cuò)，只需重發(fā)的信息只是一個(gè)分組而非整個(gè)報(bào)文，提高了傳輸效率。

5）在分組交換過程中，多個(gè)分組可在網(wǎng)絡(luò)中的不同鏈路上并發(fā)傳送，因此，這又可提高傳輸效率和線路的利用率。

不足：分組交換在發(fā)送端，要把報(bào)文劃分成若干個(gè)分組（組包），在接收端，要對(duì)分組進(jìn)行重裝（拆包并組成報(bào)文），這將增加信息的處理時(shí)間。在以太網(wǎng)中，分組長度定義為：1500Byte，一般分組長度可選擇：1000～3000Byte。分組交換的主要特點(diǎn)：（1）線路利用率高分組交換以虛電路的形式使用信道，經(jīng)過多個(gè)節(jié)點(diǎn)建立一條物理線路，但該線路并不獨(dú)占，其中的某一段或幾段可被其他分組所用。（見前圖）（2）傳輸可靠性高網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)分組傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)交換機(jī)之間實(shí)施差錯(cuò)校驗(yàn)與重發(fā)，使誤碼率降低。同時(shí)網(wǎng)中的路由機(jī)制使分組自動(dòng)地選擇路由，避開故障點(diǎn)，保障通信不中斷。（3）分組多路通信由于每個(gè)分組都含有控制信息，所以各分組可以單獨(dú)傳送，同時(shí)與多個(gè)終端進(jìn)行通信，把同一信息發(fā)送到不同用戶（群發(fā)）。

存在的問題：大報(bào)文分組、重構(gòu)、包丟失等。

2.5.3快速分組交換快速分組交換（（FastPacketSwitching，簡(jiǎn)稱FPS）是一種協(xié)議簡(jiǎn)化、只有核心網(wǎng)絡(luò)功能的交換技術(shù)，它提供高速、高吞吐量、低時(shí)延的服務(wù)?？焖俜纸M交換包括：幀中繼交換（FR）與信元中繼交換（CR）兩種。

1.幀中繼交換幀中繼(FrameRelay，簡(jiǎn)稱FR)技術(shù)是用簡(jiǎn)化的方法傳送和交換數(shù)據(jù)的一種技術(shù)。幀交換屬于快速分組交換，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)化協(xié)議，只保留核心功能，從而有效提高數(shù)據(jù)傳送速率。

幀中繼將流量控制、糾錯(cuò)等功能留給智能終端去完成，簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)機(jī)之間協(xié)議。其典型應(yīng)用是LAN互聯(lián)和X.25網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

2.ATM信元交換

ATM交換是異步傳輸模式的簡(jiǎn)稱，這種交換方式綜合了分組交換和線路交換的優(yōu)點(diǎn)。

ATM的信息傳輸、復(fù)用和交換以固定長度的信元（53B）為單位。信元的格式統(tǒng)一，種類各不相同，信息流由不同的信元組成。

ATM交換網(wǎng)可達(dá)到155Mb/s以上的傳輸速率。

圖2-22ATM遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)2.6差錯(cuò)控制技術(shù)

2.6.1差錯(cuò)產(chǎn)生的原因與類型在數(shù)據(jù)通信過程中，由于干擾和設(shè)備故障的影響，難免存在傳送的符號(hào)發(fā)生失真的情況。電信號(hào)在傳輸信道上由發(fā)送端傳送到接收端的過程中,其所經(jīng)過的信道為數(shù)據(jù)信號(hào)提供通路的同時(shí)，也會(huì)引入噪聲和干擾，使數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)差錯(cuò)。差錯(cuò)：是指在通信接收端收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送端實(shí)際發(fā)出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。任何一條通信線路尤其是遠(yuǎn)距離通信，都不可避免地存在一定的噪聲干擾，這些噪聲干擾的后果就是導(dǎo)致差錯(cuò)的產(chǎn)生。為了保證通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，降低誤碼率，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)進(jìn)行差錯(cuò)控制是必要的。差錯(cuò)控制：是指采用可靠、有效的編碼，以減少或消除計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)中傳輸差錯(cuò)的方法。

數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)主要是由熱噪聲引起，熱噪聲有兩大類：

1）隨機(jī)熱噪聲是通信信道是固有的、持續(xù)存在的，由線路本身的電子或電氣特性所引起(如：自由電子的布朗熱運(yùn)動(dòng))。特點(diǎn)：在時(shí)間上分布較平穩(wěn)，強(qiáng)度小。

2）沖擊熱噪聲是由外界某種原因突發(fā)產(chǎn)生的熱噪聲，如：云層中閃電、電器開關(guān)打火、汽車點(diǎn)火、電源波動(dòng)等，特點(diǎn)：隨機(jī)性強(qiáng)，強(qiáng)度大。

提高通信可靠性的方法：1）選用優(yōu)質(zhì)的傳輸介質(zhì)和提高信號(hào)功率強(qiáng)度，改善信道傳輸特性。采用最佳的信號(hào)編碼和變換方式，使傳輸信號(hào)特性與信道特性達(dá)到較好的匹配，從而降低原始誤碼率，但這會(huì)增加通信成本。2）在傳輸過程中進(jìn)行差錯(cuò)控制，將傳輸中出現(xiàn)的差錯(cuò)消除在傳輸過程中，以提高可靠性。

2.6.2差錯(cuò)控制的方法在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)，是一串由二進(jìn)制數(shù)字序列構(gòu)成的比特流，當(dāng)它們通過信道傳輸時(shí)，干擾信號(hào)有可能使某個(gè)或某些比特的值發(fā)生變化，使接收時(shí)發(fā)生兩種錯(cuò)誤：將原來的“1”變成了“0”或使“0”變成了“1”，即出現(xiàn)傳輸差錯(cuò)。

任何一種可靠的通信系統(tǒng)，都要能檢出和糾正這些差錯(cuò)。為此，要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)控制的編碼。差錯(cuò)控制包括：檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。

檢測(cè)方法：在數(shù)據(jù)傳輸中將發(fā)送端要傳送的數(shù)字（二進(jìn)制位）序列中，截取出一組一組的k位數(shù)字組成k位碼元信息序列，并根據(jù)編碼算法按一定的規(guī)則產(chǎn)生r個(gè)冗余碼元；然后由冗余碼元和信息碼元構(gòu)成“n位編碼序列”，稱為“碼字”，n位的碼字比信息碼長（因n＝k+r），將碼字送往信道傳輸。接收端收到的n位碼字中，信息元與冗余碼之間也應(yīng)符合上述編碼規(guī)則，并根據(jù)這一規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，從而確定是否有錯(cuò)。其中，r個(gè)冗余碼元稱為校驗(yàn)碼。這種加入r個(gè)冗余碼元的方法還可自動(dòng)糾錯(cuò)。圖2-23差錯(cuò)控制的工作方式2.6.3差錯(cuò)控制編碼--檢錯(cuò)碼與糾錯(cuò)碼

差錯(cuò)控制編碼的目的：使數(shù)據(jù)在傳輸之后，能檢測(cè)和糾正已出現(xiàn)的差錯(cuò)。只具有檢錯(cuò)能力的編碼稱為檢錯(cuò)碼；既能檢錯(cuò)又能自動(dòng)糾錯(cuò)的編碼則稱為糾錯(cuò)碼。在計(jì)算機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)中，采用的差錯(cuò)控制編碼有：奇偶校驗(yàn)碼、海明碼和循環(huán)冗余校驗(yàn)碼等。其中，奇偶校驗(yàn)碼和循環(huán)冗余校驗(yàn)碼較為常用。1.奇偶校驗(yàn)碼

是一種最基本的校驗(yàn)方法。它是通過附加一個(gè)檢驗(yàn)位，來使得碼字中“1”的個(gè)數(shù)，保持為奇數(shù)或偶數(shù)的編碼方法，是一種能力有限的檢驗(yàn)碼。圖2-24奇偶校驗(yàn)碼

采用奇數(shù)的稱為奇校驗(yàn)，反之，稱為偶校驗(yàn)，采用何種校驗(yàn)是事先規(guī)定好的。通常專門設(shè)置一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，用它使這組代碼中”1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。若用奇校驗(yàn)，則當(dāng)接收端收到這組代碼時(shí)，校驗(yàn)“1”的個(gè)數(shù)是否為奇數(shù)，從而確定傳輸代碼的正確性。

奇偶校驗(yàn)位是一種檢錯(cuò)碼，由于不能確定哪一位出錯(cuò)，所以它不能糾錯(cuò)。當(dāng)檢測(cè)到有錯(cuò)誤時(shí)，只能扔掉先前傳送的全部數(shù)據(jù)，然后從頭重新開始傳輸。具體校驗(yàn)方法：

奇校驗(yàn)：讓原有數(shù)據(jù)序列中（包括要加上的一位）1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。如：1000110（0），必須添0，這樣原來有3個(gè)1已經(jīng)是奇數(shù)，添上0之后1的個(gè)數(shù)還是奇數(shù)個(gè)。

偶校驗(yàn)：讓原有數(shù)據(jù)序列中（包括要加上的一位）1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。如：1000110（1），就必須加1，這樣原來有3個(gè)1，要1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)只能添1。奇偶校驗(yàn)只能簡(jiǎn)單判斷數(shù)據(jù)的正確性，當(dāng)一位出錯(cuò)，可以準(zhǔn)確判斷，但如果同時(shí)兩位出錯(cuò)（如：兩個(gè)1變成兩個(gè)0），怎么辦？？

通常兩位或更多位校驗(yàn)碼在傳輸過程中出錯(cuò)的概率比較低，所以，奇偶校驗(yàn)常用在信道干擾不太嚴(yán)重及碼長n不很長時(shí)，特別是在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸（如：計(jì)算機(jī)串行通信中）等場(chǎng)合。

典型實(shí)例：基于ASCII碼的數(shù)據(jù)信號(hào)幀傳輸。

ASCII碼是7位碼，采用第8位作為奇偶校驗(yàn)位。

校驗(yàn)方法：奇校驗(yàn)保證所傳輸每個(gè)字符的8個(gè)位中，1的總數(shù)為奇數(shù)；偶校驗(yàn)則保證每個(gè)字符的8個(gè)位中，1的總數(shù)為偶數(shù)。如果被傳輸字符位中，同時(shí)有奇數(shù)個(gè)(例如1、3、5、