《現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課件第2章

第2章通信子網(wǎng)基本技術(shù)2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.2物理傳輸介質(zhì)2.3差錯(cuò)控制技術(shù)2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.5物理層接口2.6接入技術(shù)習(xí)題2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1.1信道與信號(hào)在通信系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)分為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(具有離散值，如字符串等)和模擬數(shù)據(jù)(在某時(shí)間間隔中具有連續(xù)的值，如音頻數(shù)據(jù))兩種類型。在數(shù)據(jù)通信時(shí)，要將數(shù)據(jù)編碼(變換)為電信號(hào)的形式，從一點(diǎn)傳到另一點(diǎn)。由于有兩種不同的數(shù)據(jù)類型，因此電信號(hào)相應(yīng)有兩種基本形式：數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)。模擬信號(hào)是一種連續(xù)變化的電信號(hào)(如語音信號(hào))，而數(shù)字信號(hào)是一種離散的信號(hào)(如計(jì)算機(jī)內(nèi)部脈沖信號(hào))。用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行的傳輸稱為數(shù)字傳輸，用模擬信號(hào)進(jìn)行的傳輸稱為模擬傳輸。圖2-1為這兩種信號(hào)的典型表示。圖2-1信號(hào)的表示(a)數(shù)字信號(hào)；(b)模擬信號(hào)信道是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃ㄍㄐ旁O(shè)備和傳輸介質(zhì)。信道可以按不同的方法分類，按傳輸媒體來分，可以分為有線信道(如電纜、光纖)和無線信道(如微波、無線電)；按傳輸信號(hào)類型可分為模擬信道和數(shù)字信道；按使用權(quán)可分為專用信道和公用信道等。對(duì)于不同信道，其特性和使用方法有所不同。無論是模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，都可以用模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)來傳輸。一般來說，模擬數(shù)據(jù)是時(shí)間的函數(shù)，并且占有一定的頻譜范圍，可以直接用占有相同頻譜范圍的電磁波信號(hào)來表示。最好的例子是聲音數(shù)據(jù)，作為聲波，聲音數(shù)據(jù)的頻率范圍在20Hz～20?kHz之間，然而大多數(shù)語音能量的范圍要窄得多。聲音信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)頻譜是300～3400?Hz，對(duì)于清楚地傳播聲音來說，這個(gè)頻譜是完全足夠的，電話設(shè)備恰恰是這樣做的。為了使所有的聲音以300～3400?Hz頻率輸入，需要產(chǎn)生有相同頻率幅度的電磁信號(hào)。反過來，用相反的過程把電磁波轉(zhuǎn)換為原來的聲音。2.1.2模擬通信利用模擬信號(hào)來傳遞數(shù)據(jù)的過程稱為模擬通信，普通電話、廣播、電視等都屬于模擬通信。模擬通信系統(tǒng)一般由信源、調(diào)制器、信道、解調(diào)器、信宿以及噪聲源(干擾源)組成(如圖2-2所示)。信源所產(chǎn)生的原始信號(hào)通常都要經(jīng)過調(diào)制后進(jìn)入信道傳輸(如距離很近可以不用調(diào)制)。調(diào)制器的作用是用發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)載波的某個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，解調(diào)器是調(diào)制的逆變換過程。噪聲源包括影響傳輸系統(tǒng)的所有噪聲，如脈沖噪聲、隨機(jī)噪聲等。圖2-2模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信的信號(hào)源既可以是模擬數(shù)據(jù)，也可以是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。對(duì)于模擬數(shù)據(jù)，直接用連續(xù)變化的電磁波來傳輸，典型的例子是電話系統(tǒng)的語音傳輸。而對(duì)于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，利用調(diào)制解調(diào)，通過載波頻率把一串二進(jìn)制電壓脈沖調(diào)制為模擬信號(hào)來傳輸，典型的例子就是計(jì)算機(jī)利用調(diào)制解調(diào)器通過電話網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？傊?，在模擬通信系統(tǒng)中，信道上傳輸?shù)男盘?hào)一定是模擬信號(hào)。2.1.3數(shù)字通信利用數(shù)字信號(hào)來傳遞數(shù)據(jù)的過程稱為數(shù)字通信，計(jì)算機(jī)通信、數(shù)字電話、數(shù)字電視等都屬于數(shù)字通信。數(shù)字通信系統(tǒng)一般由信源、編碼器、信道、解碼器、信宿以及發(fā)送端和接收端時(shí)鐘同步組成(如圖2-3所示)。發(fā)送端信源所產(chǎn)生的原始信號(hào)通常要經(jīng)過編碼器編碼后進(jìn)入信道傳輸，在接收端經(jīng)解碼器解碼還原。圖2-3數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信的信源可以是模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。如果是模擬信號(hào)，通過編碼器對(duì)其進(jìn)行采樣、量化和編碼，將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再放在數(shù)字信道上傳輸，在接收方再經(jīng)解碼器解碼還原成模擬信號(hào)。這個(gè)過程就是所謂的模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸，編/解碼過程就是模/數(shù)(A/D)、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換。IP電話是最好的例子。當(dāng)然，對(duì)于二進(jìn)制形式的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，可以直接用兩種電平來表示。為了改變其傳播特性，通常對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后再進(jìn)行傳輸。數(shù)字通信中還有一個(gè)不可缺少的部分是時(shí)鐘同步。由于數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，所以發(fā)送端和接收端必須有各自的發(fā)送和接收時(shí)鐘。而為了保證接收端正確接收數(shù)據(jù)，接收端的接收時(shí)鐘必須與發(fā)送端的發(fā)送時(shí)鐘保持一致。2.1.4傳輸特性與傳輸方式盡管模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都可以在合適的信道上進(jìn)行傳輸，但模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間還是有區(qū)別的。模擬傳輸是一種不考慮內(nèi)容的傳輸模擬信號(hào)的方法，信號(hào)可以表示模擬數(shù)據(jù)(例如聲音)或表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(如調(diào)制前的數(shù)據(jù))。無論是哪種情況，在傳輸一定的距離后，模擬信號(hào)都將衰減。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，模擬傳輸系統(tǒng)要有放大器，用它使信號(hào)放大再生。但是使用放大器也使噪音分量增加，信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變。與此相反，數(shù)字傳輸與信號(hào)內(nèi)容無關(guān)。但是傳輸過程發(fā)生的衰減會(huì)危及數(shù)據(jù)的完整性，數(shù)字信號(hào)只能在一個(gè)有限的距離內(nèi)傳輸，為了獲得更大的傳輸距離，通常使用中繼器，它把數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為1的模式和0的模式，然后重新傳輸這種新的信號(hào)，以克服衰減。對(duì)于遠(yuǎn)程通信，數(shù)字信號(hào)發(fā)送不像模擬信號(hào)發(fā)送那樣用途廣泛和實(shí)用，例如數(shù)字信號(hào)發(fā)送不可能采用衛(wèi)星系統(tǒng)和微波系統(tǒng)。然而，無論在價(jià)格方面還是在質(zhì)量方面，數(shù)字傳輸比模擬傳輸優(yōu)越得多，具體表現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

1．抗干擾能力強(qiáng)模擬通信系統(tǒng)在傳輸模擬信號(hào)過程中，噪聲將疊加在有用的模擬信號(hào)上，接收端很難將信號(hào)和噪聲分開，因而模擬通信系統(tǒng)的抗干擾能力比較差。相反，數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制信號(hào)，數(shù)據(jù)介于數(shù)字脈沖波形的兩種狀態(tài)之中。在數(shù)字通信的接收端對(duì)每一個(gè)接收信號(hào)進(jìn)行采樣并與某個(gè)門檻電平進(jìn)行比較，只要采樣時(shí)刻的信號(hào)電平不超過門檻電平，接收端就不會(huì)形成錯(cuò)判，可以正確接收數(shù)據(jù)，而不受噪聲的影響。因此數(shù)字通信系統(tǒng)比模擬通信系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)。此外，數(shù)字通信系統(tǒng)還可以采用許多具有檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力的編碼技術(shù)，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

2．實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的遠(yuǎn)距離通信由于模擬通信時(shí)，噪聲是疊加在有用的模擬信號(hào)上的，而通信系統(tǒng)中的模擬放大器無法將有用的信號(hào)與噪聲分開，因此只好將有用信號(hào)和噪聲同時(shí)放大。隨著傳輸距離的增加以及模擬放大器的增多，噪聲也會(huì)越來越大，因此模擬通信系統(tǒng)中的噪聲是有積累的，對(duì)遠(yuǎn)距離通信的質(zhì)量造成很大的影響。而數(shù)字通信系統(tǒng)則采用再生中繼器的方法，即傳輸過程中信號(hào)所受到的噪聲干擾經(jīng)過中繼器時(shí)就已經(jīng)被消除，然后再生器恢復(fù)出與原始信號(hào)相同的數(shù)字信號(hào)，因而克服了模擬通信系統(tǒng)中噪聲疊加的問題，因此數(shù)字通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的遠(yuǎn)距離通信?，F(xiàn)代數(shù)字電話的通話質(zhì)量要比傳統(tǒng)模擬電話的通話質(zhì)量好得多。

3．適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)在數(shù)字通信系統(tǒng)中，各種數(shù)據(jù)(電報(bào)、電話、圖像和語音等)都可以被變換為統(tǒng)一的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，所以數(shù)字通信系統(tǒng)能靈活地適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)。通常把能夠同時(shí)傳輸和處理各種不同業(yè)務(wù)的數(shù)字通信網(wǎng)叫做綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN，IntergatedServicesDigitalNetwork)。隨著高速光纖傳輸技術(shù)、高速數(shù)字交換技術(shù)以及高性能處理技術(shù)的不斷發(fā)展，ISDN將得到更廣泛的應(yīng)用。

4．保密性強(qiáng)由于數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因而在傳輸過程中，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種數(shù)字處理，如存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、復(fù)制、加密、檢錯(cuò)糾錯(cuò)等。這些處理在模擬通信系統(tǒng)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。正因?yàn)樵跀?shù)字通信系統(tǒng)中可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理，因而也就可以在數(shù)字通信系統(tǒng)中采用復(fù)雜的、非線性的、長(zhǎng)周期的密碼序列對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行加密，從而使數(shù)字通信具有高度的保密性。當(dāng)然，數(shù)字通信也有缺點(diǎn)，最大缺點(diǎn)是占用的頻帶寬，可以說數(shù)字通信的許多優(yōu)點(diǎn)是以犧牲信道帶寬為代價(jià)而換來的。以電話為例，一路模擬電話占用4kHz信道帶寬，而一路數(shù)字電話所需要的數(shù)據(jù)傳輸率是64kb/s，所需占用的帶寬要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4kHz。數(shù)字通信的這一缺點(diǎn)限制了它在某些信道帶寬不夠大的場(chǎng)合的使用?？傊?，數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)是主要的。特別是隨著微波、衛(wèi)星、光纖等高帶寬信道的廣泛使用，數(shù)字通信將是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。數(shù)據(jù)在信道上的傳送方式可以分為單工方式、半雙工方式和全雙工方式三種。單工方式：指數(shù)據(jù)信號(hào)僅沿一個(gè)方向傳輸，發(fā)送方只能發(fā)送不能接收，接收方只能接收而不能發(fā)送。為使雙方能單工通信，還需一根線路用于控制。因此，單工通信的信號(hào)傳輸鏈路一般由兩條電線組成，一個(gè)用于傳輸數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于傳送控制信號(hào)，通常又稱為二線制。半雙工方式：指信號(hào)可以沿兩個(gè)方向傳送，但同一時(shí)刻一個(gè)信道只允許單方向傳送。半雙工方式適用于終端與終端之間的會(huì)話式通信。全雙工方式：指數(shù)據(jù)可以同時(shí)沿相反的兩個(gè)方向傳送。實(shí)現(xiàn)的方法可以采用兩線制，也可以采用頻率分割法，使傳輸信道分為高頻信道和低頻信道。2.1.5帶寬與數(shù)據(jù)傳輸率在通信模型中我們已經(jīng)看到，信號(hào)由發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)過信道傳輸。信號(hào)是時(shí)間的函數(shù)，但也可以表示為頻率的函數(shù)。根據(jù)傅立葉信號(hào)分析理論，任何信號(hào)都是由各種頻率的成分組成，其中每一成分都是正弦波(或余弦波)。舉例來說，假如某信號(hào)按傅立葉變換后為

顯然此信號(hào)是由頻率成分正好為f，3f，5f的正弦波疊加而成的。一般情況下，模擬信號(hào)的頻譜(頻率的取值情況、范圍)是離散的，即頻域函數(shù)s(f?)是離散的，相反數(shù)字信號(hào)的頻譜是連續(xù)的。圖2-4給出了式(2-1)信號(hào)的頻譜，s(f?)軸表示對(duì)應(yīng)頻率成分的幅值，信號(hào)頻譜中最高頻率與最低頻率成分的差稱為信號(hào)的絕對(duì)帶寬，圖2-4(a)描述的是帶寬為4f的一個(gè)例子。圖2-4(b)給出了一個(gè)數(shù)字信號(hào)及其對(duì)應(yīng)頻譜圖的例子，可見數(shù)字信號(hào)的帶寬為無窮大，但信號(hào)的大部分能量集中在0～4/T的相對(duì)較窄的頻帶里，這個(gè)頻帶稱為信號(hào)的有效頻帶，簡(jiǎn)稱帶寬。一般來說，信號(hào)的帶寬越大，利用這種信號(hào)傳送數(shù)據(jù)的速率就越高，要求傳輸介質(zhì)的帶寬也越大。圖2-4信號(hào)及其頻譜(a)?s(t)信號(hào)的頻譜圖；(b)數(shù)字信號(hào)及其頻譜聲音信號(hào)的頻譜大致在20Hz～2000?kHz的范圍(低于20?Hz的信號(hào)為次聲波，高于2000?kHz的信號(hào)為超聲波)，但用一個(gè)窄得多的帶寬就能產(chǎn)生可接收話音的重現(xiàn)，因而話音信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)頻譜為300～3400?Hz，其帶寬為3?kHz。電視信號(hào)的頻譜為0～4?MHz，因此其帶寬為4?MHz。根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)可知，如果一個(gè)信號(hào)的所有頻率分量都能完全不變地通過信道傳輸?shù)浇邮斩?，那么在接收端由這些頻率分量疊加起來而形成的信號(hào)則和發(fā)送端的信號(hào)是完全一樣的。但實(shí)際上，沒有任何信道能毫無損耗地通過所有頻率分量。如果所有的分量都被等量衰減，那么接收端接收到的信號(hào)雖然在振幅上有所衰減，但并沒有發(fā)生畸變。然而實(shí)際卻是所有的信道和傳輸設(shè)備對(duì)信號(hào)的不同頻率分量的衰減程度是不同的。也就是說，信道也具有一定的振幅頻率特性，因而導(dǎo)致輸出信號(hào)發(fā)生畸變。一般情況下，頻率為0～fcHz范圍內(nèi)的諧波在信道傳輸過程中不發(fā)生衰減(或衰減是一個(gè)非常小的常量)，而在此fc頻率以上的所有諧波在傳輸過程中衰減很大。我們把信號(hào)在信道傳輸過程中某個(gè)分量的振幅衰減到原來的0.707時(shí)所對(duì)應(yīng)的那個(gè)頻率稱為信道的截止頻率fc，相應(yīng)地，該信道的帶寬為fc。截止頻率反映了信道本身所固有的物理特性。另一種情況，人們有意在線路中安裝了濾波器以限制每個(gè)用戶使用的帶寬，如圖2-5(a)所示。有些時(shí)候，由于在信道中加入雙通濾波器，因而信道對(duì)應(yīng)兩個(gè)截止頻率f1和f2，它們分別被稱為下截止頻率和上截止頻率，而這兩個(gè)截止頻率之差f2－f1稱為信道的帶寬，如圖2-5(b)所示。圖2-5信道截止頻率(a)單通濾波器；(b)雙通濾波器如果輸入信號(hào)的帶寬小于信道的帶寬，則輸入信號(hào)的全部頻率分量都能通過信道，因而信道輸出端得到的輸出波形將是不失真的。但如果輸入信號(hào)的帶寬大于信道的帶寬，則信號(hào)中某些頻率分量就不能通過信道，這樣輸出得到的信號(hào)將與發(fā)送端發(fā)送的信號(hào)有些不同，即產(chǎn)生了失真。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，在信道帶寬固定的前提下，必須限制信號(hào)的帶寬。信道在單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)稱為數(shù)據(jù)傳輸率。數(shù)據(jù)傳輸率的提高意味著傳輸每一位所占用的時(shí)間的減少。由上面介紹已知，即使二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)通過帶寬有限的理想信道時(shí)也會(huì)產(chǎn)生失真，而且當(dāng)輸入信號(hào)的帶寬一定時(shí)，信道的帶寬越小，輸出信號(hào)的失真就會(huì)越大。換個(gè)角度說，當(dāng)信道的帶寬一定時(shí)，輸入信號(hào)的帶寬越大，輸出信號(hào)的失真就越大，因此當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率提高到一定程度時(shí)(信號(hào)帶寬增大到一定程度)，在信道輸出端上的信號(hào)接收器根本無法從已失真的輸出信號(hào)中恢復(fù)出所發(fā)送的數(shù)字序列。這就是說，即使對(duì)于理想信道，有限的帶寬也限制了信道數(shù)據(jù)傳輸率。2.1.6數(shù)據(jù)編碼

1．?dāng)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼成數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)是一系列離散的、不連續(xù)的電壓脈沖，每一脈沖稱為一個(gè)信號(hào)碼元。編碼技術(shù)就是從數(shù)據(jù)比特到信號(hào)碼元的變換，即二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過將每一數(shù)據(jù)比特編碼為信號(hào)碼元來傳輸。簡(jiǎn)單的做法是在比特和信號(hào)碼元之間建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。如：二進(jìn)制的0用低電平表示，而二進(jìn)制的1用高電平表示，如圖2-6(a)所示。此種技術(shù)稱為單極性不歸0(NRZ)編碼技術(shù)，這是最容易實(shí)現(xiàn)的編碼。圖2-6數(shù)字信號(hào)編碼(a)單級(jí)性不歸0制編碼(NRZ)；(b)曼徹斯特編碼；(c)差分曼徹斯特編碼不歸0制NRZ編碼有缺點(diǎn)，它難以決定一位的結(jié)束和另一位的開始，需要有某種方法來使發(fā)送器和接收器進(jìn)行定時(shí)或同步。克服上述缺點(diǎn)的另一個(gè)編碼技術(shù)是曼徹斯特編碼，如圖2-6(b)所示，這種編碼通常用于局部網(wǎng)絡(luò)傳輸。在曼徹斯特編碼方式中，每一位的中間有一個(gè)跳變。位中間的跳變既作為時(shí)鐘，又作為數(shù)據(jù)，從高到低的跳變表示1，從低到高的跳變表示0。另一種是差分曼徹斯特編碼，如圖2-6(c)所示，在這種編碼下，位中間的跳變僅提供時(shí)鐘定時(shí)，用每位周期開始時(shí)有無跳變來表示0(1)的編碼。對(duì)于曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼，由于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)包含于信號(hào)數(shù)據(jù)流中，所以還被稱為自同步編碼。曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼已被某些局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)采用。但是，這種編碼方式的缺點(diǎn)是在每比特的持續(xù)時(shí)間內(nèi)將可能出現(xiàn)多達(dá)兩次跳變，這意味著若要達(dá)到10?Mbit/s的數(shù)據(jù)速率會(huì)使得線路上信號(hào)狀態(tài)每秒變化20?M次，即20?MBaud(波特)，我們稱這種編碼技術(shù)的編碼效率只有50%。對(duì)于高速網(wǎng)絡(luò)，比如說要達(dá)到100?Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，則要求線路有200?MBaud，這往往價(jià)格過于昂貴或者受到技術(shù)上的限制，因而人們又采取了各種編碼效率更高的編碼方法。以4B/5B編碼為例，實(shí)際上是用5?bit的碼組來編碼4?bit的輸入數(shù)據(jù)，這就是4B/5B名稱的由來。這種編碼方式的一個(gè)特點(diǎn)是每個(gè)5?bit組碼中不含多于3個(gè)“0”，或者不會(huì)少于2個(gè)“1”。具體將5?bit碼組轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的波形采用了不歸零制(NRZI，NonReturntoZero，Invertonones)方式，且在每個(gè)碼比特“1”持續(xù)時(shí)間的開始處有電平跳變，具體波形在表2-1的最后一列給出。NRZI實(shí)際上也是一種差分的形式，因而和差分曼徹斯特編碼一樣具有較好的抗干擾性，增加了接收的可靠性。由于一個(gè)5?bit碼組中至少有兩個(gè)“1”，這就保證了在碼組5?bit的持續(xù)時(shí)間內(nèi)至少有兩次電平跳變出現(xiàn)，可供接收端用來檢測(cè)出位同步信號(hào)，而不會(huì)出現(xiàn)若干連續(xù)的“0”或連續(xù)的“1”，使得在線路上電平長(zhǎng)時(shí)間始終恒定而失去位同步。另外一方面，從表2-1中也可以看到，4B/5B的編碼效率已經(jīng)提高到80%。換句話說，若要達(dá)到100?Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，只要求在線路上每秒鐘信號(hào)狀態(tài)變化最多125次，即125?MBaud。這種4B/5B編碼方法已廣泛應(yīng)用于光纖傳輸?shù)?00?Mbit/s以太網(wǎng)中。表2-14B/5B編碼與NRZI波形

2．?dāng)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼成模擬信號(hào)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的編碼(調(diào)制)技術(shù)有調(diào)幅(ASK)、調(diào)頻(FSK)、調(diào)相(PSK)三種技術(shù)，如圖2-7所示。在ASK中，兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)由載頻的兩個(gè)不同的振幅來表示。通常一個(gè)振幅為0代表二進(jìn)制數(shù)0，即一個(gè)二進(jìn)制數(shù)用載波的存在且有恒定振幅來表示，而另一個(gè)則用載波的不存在表示。在FSK中，用載波頻率附近的兩個(gè)不同頻率來表示兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)。這種調(diào)制比ASK方式不容易受干擾影響。圖2-7三種調(diào)制技術(shù)(a)?ASK；(b)?FSK；(c)?PSK在PSK中，振幅和頻率為常量，用不同的相位波形來表示兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)。相位調(diào)制又分為絕對(duì)相位調(diào)制和相對(duì)相位調(diào)制兩種。絕對(duì)相位調(diào)制中，數(shù)字“0“和“1”的載波起始相位不同，如可以用θ＝0°代表“0”，θ＝180°代表“l(fā)”，也可以反過來。相對(duì)相位調(diào)制中，載波不產(chǎn)生相移代表數(shù)字“0”，載波有180°相移代表數(shù)字“1”。

3．模擬數(shù)據(jù)編碼成數(shù)字信號(hào)實(shí)際上，將模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)稱為模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)更為確切，即模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化。一旦模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，可以按以下三種方式傳輸：

(1)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以用NRZ編碼成數(shù)字信號(hào)后傳輸。

(2)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行諸如差分曼徹斯特編碼后，進(jìn)行數(shù)字傳輸。

(3)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采用ASK、PSK、FSK調(diào)制技術(shù)編碼后，進(jìn)行模擬傳輸。編碼解碼技術(shù)是實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的基礎(chǔ)。

1)脈碼調(diào)制(PCM)

PCM技術(shù)基于取樣理論：“如果信號(hào)f(t)在均勻時(shí)間間隔，以高于最高的明顯信號(hào)頻率的兩倍速率取樣，那么樣本包含了原信號(hào)的所有信息。用一個(gè)低通濾波器可從樣本重現(xiàn)出函數(shù)f(t)”。比如聲音數(shù)據(jù)頻率一般在4?kHz以下，只要每秒采樣8000次即可完全描述聲音信號(hào)的特征。假定信號(hào)帶寬為B，以2B速率取樣，則樣本可用其幅度與原信號(hào)值成正比的窄脈沖表示，此即為脈幅調(diào)制PAM，如圖2-8(b)所示。在圖2-8(c)中，我們可以看到每一個(gè)PAM脈沖用一個(gè)3比特的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來近似表示，這樣就可以用8＝23個(gè)電平值近似表示PAM脈沖?？傊琍CM過程如下：對(duì)于連續(xù)時(shí)間幅度的模擬信號(hào)，經(jīng)PAM取樣后，變?yōu)殡x散時(shí)間連續(xù)幅度信號(hào)(PAM窄脈沖)；PAM脈沖經(jīng)過量化后，變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)(PCM脈沖)；對(duì)PCM脈沖進(jìn)行編碼(即不同幅度的脈沖對(duì)應(yīng)不同的比特流)，最后得到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。圖2-8PCM編碼(a)原始信號(hào)；(b)PAM脈沖；(c)PCM脈沖；(d)?PCM輸出

2)增量調(diào)制(DM)在DM中，對(duì)于模擬數(shù)據(jù)，在每一個(gè)取樣時(shí)刻上移或下移一個(gè)量化電平(電平的一個(gè)數(shù)量單位)，如圖2-9(a)所示，使得原信號(hào)由一階梯函數(shù)近似表示。在階梯函數(shù)中，若某取樣時(shí)刻上移則產(chǎn)生一個(gè)1，若下移則產(chǎn)生一個(gè)0。從而得到圖2-9(b)所示的DM輸出，即將模擬信號(hào)數(shù)字化為DM編碼。圖2-9DM編碼(a)原信號(hào)及階梯函數(shù)；(b)?DM編碼當(dāng)有128個(gè)量化電平(電平大小可為128種)或7比特編碼(27＝128)時(shí)，通過PCM可得到很好的話音再現(xiàn)。若話音信號(hào)占有4?kHz的帶寬，則每秒取樣8000次，PCM編碼的數(shù)據(jù)率為8000×7＝56kb/s。大量研究表明，基于PCM技術(shù)的一些相關(guān)改進(jìn)會(huì)優(yōu)于與DM相關(guān)的技術(shù)。

4．模擬數(shù)據(jù)編碼成模擬信號(hào)我們已經(jīng)知道調(diào)制就是將輸入信號(hào)與頻率為fc的載波結(jié)合起來，以產(chǎn)生通常帶寬中心位于fc的信號(hào)的過程。對(duì)于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，當(dāng)只有模擬傳輸可用時(shí)，需要將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變?yōu)槟M信號(hào)。若模擬數(shù)據(jù)不加變換地在原頻譜上經(jīng)信道傳輸(稱為模擬基帶傳輸)，有很多局限性(基帶傳輸占有信道的全部帶寬)，為有效地傳輸，就要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一些處理，即調(diào)制，以變?yōu)轭l帶傳輸。2.1.7數(shù)據(jù)通信方式

1．?dāng)?shù)據(jù)同步傳輸數(shù)據(jù)通信中，通信雙方要交換數(shù)據(jù)，需要有高度的協(xié)同動(dòng)作。通常，數(shù)據(jù)經(jīng)信道一次一比特的傳播。這些比特的計(jì)時(shí)(速率、持續(xù)時(shí)間、間隔)對(duì)于接收方和發(fā)送方來說必須相同，這就是同步問題。所謂同步，就是接收方要按照發(fā)送方發(fā)送每個(gè)碼元的起止時(shí)刻和速率來接收數(shù)據(jù)，否則，收發(fā)之間會(huì)產(chǎn)生誤差，即使是很小的誤差，隨著時(shí)間增加的逐步累積，也會(huì)造成傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出錯(cuò)。通常采用的同步技術(shù)有：同步方式和異步方式。

1)異步方式在這種方式中，每傳送一個(gè)字符(5位或8位)都在每個(gè)字符碼前加一個(gè)起始位，以表示字符代碼的開始，在字符代碼和校驗(yàn)碼后面加一個(gè)停止位，表示字符結(jié)束。異步方式實(shí)現(xiàn)比較容易，因?yàn)槊總€(gè)字符都加上了同步信息，計(jì)時(shí)的漂移不會(huì)產(chǎn)生大的積累，但每個(gè)字符需要多占2～3位的開銷，適用于低速終端設(shè)備。由于這種方式的字符發(fā)送是獨(dú)立的，所以稱為面向字符的異步傳輸方式。

2)同步方式同步方式的每個(gè)字符前后并不附加起止位作為字符的邊界，而是在發(fā)送字符之前先發(fā)送一組同步字符，通常為8位或16位，使收發(fā)雙方進(jìn)入同步。同步字符之后，可以連續(xù)發(fā)送任意多個(gè)字符，直到控制字符指出這一組字符傳送結(jié)束。在同步傳送時(shí)，發(fā)送方和接收方將整個(gè)字符組作為一個(gè)單位傳送，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。所以這種方法一般用在高速傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，如計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。為防止收發(fā)雙方之間的計(jì)時(shí)漂移，其時(shí)鐘必須以某種方式同步，一種可能的方法是在收發(fā)之間提供另外一條時(shí)間鏈路，另一種可能的方法是將時(shí)間信號(hào)摻入數(shù)據(jù)信號(hào)中。起止標(biāo)識(shí)、同步標(biāo)識(shí)等稱為控制信息，用于控制數(shù)據(jù)的傳輸同步。數(shù)據(jù)塊加上控制信息稱為幀。若數(shù)據(jù)塊被當(dāng)作字符，則這樣的幀被稱為面向字符的幀。若數(shù)據(jù)塊被看做是比特流，則稱為面向比特的幀。異步傳輸通常是面向字符的，同步傳輸可能是面向字符的也可能是面向比特的。

2．?dāng)?shù)據(jù)差錯(cuò)控制我們已經(jīng)知道，數(shù)據(jù)傳輸并不是無差錯(cuò)過程，因而需要有控制這些差錯(cuò)的方法。常見的差錯(cuò)控制技術(shù)有：奇偶校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)、海明碼等。由發(fā)送方選擇差錯(cuò)控制技術(shù)，形成含差錯(cuò)控制信息的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，傳送到接收方后，接收方按此技術(shù)分析收到的數(shù)據(jù)是否正確。有的差錯(cuò)控制技術(shù)在確認(rèn)收到的數(shù)據(jù)有誤后，還能自動(dòng)糾錯(cuò)。對(duì)于不能糾錯(cuò)的，可以采用要求重發(fā)技術(shù)，等等。有關(guān)差錯(cuò)控制詳見本章2.3節(jié)。

2.1.8多路復(fù)用技術(shù)在通信系統(tǒng)中，一些高容量的同軸電纜、地面微波、衛(wèi)星設(shè)施以及光纜，其可傳輸?shù)念l率帶寬很寬，為了高效合理地利用資源，通常采用多路復(fù)用技術(shù)，使多路數(shù)據(jù)信號(hào)共同使用一條線路進(jìn)行傳輸，即利用一個(gè)物理信道同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)，如圖2-10所示。圖2-10多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用器(MUX)將來自多個(gè)輸入線的多路數(shù)據(jù)組合、調(diào)制成一路復(fù)用數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)信號(hào)送上高容量的數(shù)據(jù)鏈路；多路分配器(DEMUX)接收復(fù)用的數(shù)據(jù)流，依照信道分離還原為多路數(shù)據(jù)，并將它們送到適當(dāng)?shù)妮敵鼍€路上。多路復(fù)用技術(shù)通常分為兩類：頻分多路復(fù)用(FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing)和時(shí)分多路復(fù)用(TDM，TimeDivisionMultiplexing)，如圖2-11所示。圖2-11多路復(fù)用技術(shù)(a)頻分多路復(fù)用；(b)時(shí)分多路復(fù)用

1．頻分多路復(fù)用(FDM)頻分復(fù)用的典型例子有許多，如無線電廣播、無線電視中將多個(gè)電臺(tái)或電視臺(tái)的多組節(jié)目對(duì)應(yīng)的聲音、圖像信號(hào)分別載在不同頻率的無線電波上，同時(shí)在同一無線空間中傳播，接收者根據(jù)需要接收特定的某種頻率的信號(hào)收聽或收看。同樣，有線電視也基于同一原理?？傊?，頻分復(fù)用把線路或空間的頻帶資源分成多個(gè)頻段(帶)，將其分別分配給多個(gè)用戶，每個(gè)用戶終端的數(shù)據(jù)通過分配給它的子通路(頻段)傳輸，主要用于電話和電纜電視(CATV)系統(tǒng)。在FDM中，各個(gè)頻段(帶)都有一定的帶寬，稱之為邏輯信道(有時(shí)簡(jiǎn)稱為信道)。為了防止相鄰信道信號(hào)頻率覆蓋造成的干擾，在相鄰兩個(gè)信號(hào)的頻率段之間設(shè)立一定的“保護(hù)”帶，保護(hù)帶對(duì)應(yīng)的頻譜末被使用，以保證各個(gè)頻帶互相隔離不會(huì)交疊。

2．時(shí)分多路復(fù)用(TDM)時(shí)分多路復(fù)用是指將傳輸信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行分割，使不同的信號(hào)在不同時(shí)間內(nèi)傳送，即將整個(gè)傳輸時(shí)間分為許多時(shí)間間隔(稱為時(shí)隙、時(shí)間片等，英文為slottime)，每個(gè)時(shí)間片被一路信號(hào)占用。換句話說，TDM是通過在時(shí)間上交叉發(fā)送每一路信號(hào)的一部分來實(shí)現(xiàn)一條線路傳送多路信號(hào)的。線路上的每一時(shí)刻只有一路信號(hào)存在，而頻分多路復(fù)用同時(shí)傳送若干路不同頻率的信號(hào)。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)是有限個(gè)離散值，所以適合于采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)，而模擬信號(hào)的傳輸一般采用頻分多路復(fù)用。TDM又分為同步時(shí)分復(fù)用(STDM)和異步時(shí)分復(fù)用(ATDM)。

1)同步時(shí)分復(fù)用同步時(shí)分復(fù)用采用固定時(shí)間片分配方式，即將傳輸信號(hào)的時(shí)間按特定長(zhǎng)度連續(xù)地劃分成特定時(shí)間段，再將每一時(shí)間段劃分成等長(zhǎng)度的多個(gè)時(shí)隙(時(shí)間片)，每個(gè)時(shí)隙以固定的方式分配給各路數(shù)字信號(hào)，各路數(shù)字信號(hào)在每一時(shí)間段都順序分配到一個(gè)時(shí)隙。通常，與復(fù)用器相連接的是低速設(shè)備(如終端)，復(fù)用器將低速設(shè)備送來的在時(shí)間上連續(xù)的低速率數(shù)據(jù)壓縮到對(duì)應(yīng)時(shí)隙，使其變?yōu)樵跁r(shí)間上間斷的高速時(shí)分?jǐn)?shù)據(jù)，以達(dá)到多路低速設(shè)備復(fù)用高速鏈路的目的。因此，與復(fù)用器相連的低速設(shè)備數(shù)目及速率受復(fù)用器及復(fù)用傳輸速率的限制。由于在同步時(shí)分復(fù)用方式中，時(shí)隙預(yù)先分配且固定不變，因而無論時(shí)間片擁有者是否傳輸數(shù)據(jù)都占有一定時(shí)隙，形成了時(shí)隙浪費(fèi)，其時(shí)隙的利用率很低。為了克服STDM的缺點(diǎn)，引入了異步時(shí)分復(fù)用技術(shù)。

2)異步時(shí)分復(fù)用異步時(shí)分復(fù)用技術(shù)又被稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用(STDM)或智能時(shí)分復(fù)用(ITDM)，它能動(dòng)態(tài)地按需分配時(shí)隙，避免每個(gè)時(shí)間段中出現(xiàn)空閑時(shí)隙。

ATDM就是只有某一路用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)才把時(shí)隙分配給它，當(dāng)用戶暫停發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不給它分配線路資源(時(shí)隙)。線路的空閑時(shí)隙可用于其他用戶的數(shù)據(jù)傳輸，所以每個(gè)用戶的傳輸速率可以高于平均速率(即通過多占時(shí)隙)，最高可達(dá)到線路總的傳輸能力(即占有所有的時(shí)隙)。2.2物理傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送方和接收方之間的物理通路。傳輸介質(zhì)的特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信質(zhì)量有很大影響，這些特性包括：

(1)物理描述：說明傳輸介質(zhì)的特征。

(2)傳輸特性：使用模擬信號(hào)發(fā)送還是數(shù)字信號(hào)發(fā)送，調(diào)制技術(shù)、傳輸容量及傳輸?shù)念l率范圍。

(3)連通性：點(diǎn)到點(diǎn)或者多點(diǎn)連接。

(4)地理范圍：網(wǎng)上各結(jié)點(diǎn)間和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的最大距離。

(5)抗干擾性：防止噪音對(duì)傳輸數(shù)據(jù)影響的能力。

(6)相對(duì)價(jià)格：以元件、安裝和維護(hù)的價(jià)格為基礎(chǔ)。2.2.1雙絞線雙絞線是最古老但又是最常用的傳輸介質(zhì)。把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合起來就構(gòu)成了雙絞線。采用絞合起來的結(jié)構(gòu)是為了減少對(duì)相鄰的導(dǎo)線的電磁干擾。使用雙絞線最多的地方就是電話系統(tǒng)，差不多所有的電話都用雙絞線連接到電話交換機(jī)。模擬傳輸和數(shù)字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾到十幾公里。距離太長(zhǎng)時(shí)就要加放大器以便將衰減了的信號(hào)放大到合適的數(shù)值(對(duì)于模擬傳輸)，或者加上中繼器以便將失真了的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行整形(對(duì)于數(shù)字傳輸)。傳輸率與電纜長(zhǎng)度有關(guān)，距離短時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸率可以高一些。在幾公里范圍內(nèi)，雙絞線的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)10?Mb/s，甚至100?Mb/s，因此一般利用雙絞線構(gòu)造計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)是很好的選擇。為了提高雙絞線的抗電磁干擾的能力，可以在雙絞線的外面再加上一個(gè)用金屬絲編織成的屏蔽層，這就是屏蔽雙絞線，簡(jiǎn)稱STP(ShieldedTwistedPair)。它的價(jià)格當(dāng)然比無屏蔽雙絞線(UTP，UnshieldedTsistedPair)要貴一些。

1991年，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA，ElectronicIndustriesAssociation)和電信工業(yè)協(xié)會(huì)(TIA)聯(lián)合發(fā)布了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA-568，它的名稱是“商用建筑物電信布線標(biāo)準(zhǔn)”，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于室內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的標(biāo)準(zhǔn)。隨著局域網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳送速率的不斷提高，EIA/TIA在1995年將布線標(biāo)準(zhǔn)更新為EIA/TIA-568-A。此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了5個(gè)種類的UTP標(biāo)準(zhǔn)(從1類線到5類線)。對(duì)傳送數(shù)據(jù)來說，最常用的UTP是3類線(Category3)和5類線(Category5)。

5類線與3類線的最主要的區(qū)別就是一方面大大增加了每單位長(zhǎng)度的絞合次數(shù)，另一方面，線對(duì)間的絞合度和線對(duì)內(nèi)兩根導(dǎo)線的絞合度都經(jīng)過了精心的設(shè)計(jì)，并在生產(chǎn)中加以嚴(yán)格的控制，使干擾在一定程度上得以抵消，從而提高了線路的傳輸特性。EIA/TIA-568標(biāo)準(zhǔn)隨著技術(shù)的發(fā)展在不斷修訂，1998年4月6類線的標(biāo)準(zhǔn)問世。表2-2是特性阻抗為100??的UTP中的3類線和5類線以及150??的STP的衰減比較。從表2-2中看出，衰減都隨傳輸率提高而增大。除衰減特性外，雙絞線的近端串?dāng)_(NECT，Near-EndCrossTalk)也是一個(gè)重要的指標(biāo)。此外，雙絞線數(shù)據(jù)傳輸率與數(shù)字信號(hào)編碼方法有很大關(guān)系。2.2.2同軸電纜同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅芯線(單股實(shí)心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層(也可以是單股的)以及塑料保護(hù)外層所組成(見圖2-12)。由于外導(dǎo)體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，因此被廣泛用于較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。將計(jì)算機(jī)連接到同軸電纜要比與雙絞線連接麻煩得多。一種連接方法是使用特制的插入式分接頭(稱收發(fā)器)，用螺絲將兩根針扎入電纜的內(nèi)導(dǎo)線使其充分接觸；另一種則必須先把電纜剪斷，然后再進(jìn)行連接，利用T型連接器將計(jì)算機(jī)接入電纜。保持電纜接頭處的接觸良好，是使用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)時(shí)必須加以特別注意的事項(xiàng)。通常按特性阻抗數(shù)值的不同，將同軸電纜分為兩類。圖2-12同軸電纜的結(jié)構(gòu)

1．50?Ω同軸電纜

50?Ω同軸電纜也稱為基帶電纜，用于數(shù)字通信中傳送基帶數(shù)字信號(hào)。理論上，用這種同軸電纜以10?Mb/s的速率將數(shù)字信號(hào)傳送1?km是完全可行的。一般說來，傳輸速率越高，所能傳送的距離就越短。在局域網(wǎng)中廣泛使用這種同軸電纜作為物理介質(zhì)。在傳輸基帶數(shù)字信號(hào)時(shí)，通常使用曼徹斯特(Manchester)編碼或差分曼徹斯特編碼。

2．75?Ω同軸電纜這種同軸電纜主要用于模擬傳輸系統(tǒng)，它是有線電視系統(tǒng)(CATV)中標(biāo)準(zhǔn)的傳輸電纜。在這種電纜上傳送的信號(hào)采用了頻分復(fù)用的寬帶信號(hào)。因此，75?Ω同軸電纜又稱為寬帶同軸電纜。這里的“寬帶”是指采用了頻分復(fù)用和模擬傳輸技術(shù)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)。寬帶同軸電纜用于傳送模擬信號(hào)時(shí)，其頻率可達(dá)300～450?MHz或更高，而傳輸距離可達(dá)100?km。但在傳送數(shù)字信號(hào)時(shí)，必須將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。在接收時(shí)，則要把收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。一般說來，每秒傳送1比特需要1～4?Hz的帶寬，這當(dāng)然和編碼方式有關(guān)。通常一條帶寬為300?MHz的電纜可以支持150?Mb/s的數(shù)據(jù)率。寬帶電纜通常被劃分為若干個(gè)獨(dú)立信道，例如，每一個(gè)6?MHz的信道可以傳送一路模擬電視信號(hào)，有線電視信號(hào)傳輸就是典型例子。由于在寬帶系統(tǒng)中要用到放大器來放大模擬信號(hào)，而這種放大器只能單向工作，因此在寬帶電纜的雙工傳輸中，一定要有數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收兩條分開的數(shù)據(jù)通路。采用雙電纜系統(tǒng)和單電纜系統(tǒng)都可以達(dá)到這個(gè)目的。雙電纜系統(tǒng)的示意圖如圖2-13(a)所示。電纜的拓?fù)湟话銥闃湫?。兩套電纜是一樣的，分別供計(jì)算機(jī)發(fā)送和接收信號(hào)用。由于發(fā)送和接收采用的是不同的電纜，因此可以采用同樣的頻率。端頭的作用是將從發(fā)送電纜發(fā)過來的信息轉(zhuǎn)換到接收電纜，使得各計(jì)算機(jī)能從接收電纜上收到發(fā)送給它的信息。在簡(jiǎn)單的情況下，端頭是無源的。但當(dāng)電纜較長(zhǎng)時(shí)，可在端頭和電纜線路中增加一個(gè)放大器，使接收電纜上的信號(hào)有足夠的強(qiáng)度。圖2-13(b)為單電纜系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在同一條電纜上進(jìn)行雙向通信。方法是把電纜頻帶分成兩部分，各計(jì)算機(jī)使用低頻段發(fā)送信息，端頭收到后進(jìn)行變頻，將信息在高頻段轉(zhuǎn)發(fā)出去，然后各計(jì)算機(jī)再接收這些信息。圖2-13寬帶網(wǎng)絡(luò)(a)雙電纜系統(tǒng)；(b)單電纜系統(tǒng)2.2.3光纜光纜是利用光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱為光纖)傳遞光脈沖來進(jìn)行通信的。有光脈沖相當(dāng)于1，而沒有光脈沖相當(dāng)于0。由于可見光的頻率非常高，約為108MHz的量級(jí)，因此一個(gè)光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前其他各種傳輸介質(zhì)的帶寬。光纜是光纖通信的傳輸介質(zhì)，在發(fā)送端有光源，可以采用發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器，它們?cè)陔娒}沖的作用下能產(chǎn)生出光脈沖，在接收端利用光電二極管做成光檢測(cè)器，在檢測(cè)到光脈沖后還原出電脈沖。光纖通常是由非常透明的石英玻璃抽成細(xì)絲作為纖芯，主要由纖芯和包層構(gòu)成的雙層通信圓柱體。纖芯用來傳導(dǎo)光波。包層較纖芯有較低的折射率。當(dāng)光線從高折射率的介質(zhì)射向低折射率的媒體時(shí)，其折射角將大于入射角(見圖2-14(a))。因此，如果入射角足夠大，就會(huì)出現(xiàn)全反射，即光線碰到包層時(shí)就會(huì)折射回纖芯。這個(gè)過程不斷重復(fù)，光也就沿著光纖傳輸下去。圖2-14(b)畫出了光波在纖芯中傳播的示意圖?，F(xiàn)代的生產(chǎn)工藝可以制造出超低損耗的光纖，即做到光線在纖芯中傳輸數(shù)千米而基本上沒有什么衰耗。這一點(diǎn)成為光纖通信得到飛速發(fā)展的最關(guān)鍵因素。在圖2-14(b)中只畫了一條光線。實(shí)際上，只要射到光纖表面的光線的入射角大于某一個(gè)臨界角度，就可以產(chǎn)生全反射。因此，可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖。但是，若光纖的直徑減小到只有一個(gè)光的波長(zhǎng)，則光纖就像一根波導(dǎo)那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會(huì)像圖2-14(b)畫的那樣多次反射。這樣的光纖就稱為單模光纖。單模光纖的光源要使用昂貴的半導(dǎo)體激光器，而不能使用較便宜的發(fā)光二極管。但單模光纖的衰耗較小，在2.5?Gb/s的高速率下可傳輸數(shù)10km而不必采用中繼器。圖2-14光纖的傳播原理(a)入射角與折射角；(b)光波在纖芯中傳播由于光纖非常細(xì)，連包層一起，其直徑也不到0.2?mm。因此必須將光纖做成很結(jié)實(shí)的光纜。一根光纜少則只有一根光纖，多則可包括數(shù)十至數(shù)百根光纖，再加上加強(qiáng)芯和填充物就可以大大提高其機(jī)械強(qiáng)度。必要時(shí)還可放入遠(yuǎn)供電源線。最后加上包帶層和外護(hù)套，就可以使抗拉強(qiáng)度達(dá)到幾公斤，完全可以滿足工程施工的強(qiáng)度要求。圖2-15為四芯光纜剖面圖。圖2-15四芯光纜剖面圖光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有其他的一些特點(diǎn)：傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)?？估纂姾碗姶鸥蓴_性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。體積小，重量輕。這在現(xiàn)有電纜管道已擁塞不堪的情況下特別有利。例如，1?km長(zhǎng)的1000對(duì)雙絞線約重8000?kg，而同樣長(zhǎng)度但容量大得多的一對(duì)光纖僅重100?kg。光纖也有一些缺點(diǎn)，這就是要將兩根光纖精確地連接需要專用設(shè)備。目前光電接口還比較昂貴，但價(jià)格是在逐年下降的。當(dāng)采用光纖連網(wǎng)時(shí)，常常將一段段點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路串接起來構(gòu)成一個(gè)環(huán)路，通過T型接頭連接到計(jì)算機(jī)。

T型接頭有兩種：無源的和有源的。無源的T型接頭由于完全是無源的，因此連接非常可靠。它里面有一個(gè)光電H極管(供接收用)和一個(gè)激光H極管LED(供發(fā)送用)，都熔接在主光纖上，即使光電二極管或激光二極管出了故障，也只會(huì)使連接的計(jì)算機(jī)處于脫機(jī)狀態(tài)，而整個(gè)光纖還是連通的，但是在每一個(gè)接頭處光線會(huì)有些損失。因此整個(gè)的光纖環(huán)路的長(zhǎng)度受到了限制。有源的T型接頭實(shí)際上就是一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器(如圖2-16所示)。進(jìn)入的光信號(hào)通過光電二極管變成電信號(hào)，再生放大后，再經(jīng)過激光二極管LED變成光信號(hào)繼續(xù)傳送。轉(zhuǎn)發(fā)器的使用使得每?jī)蓚€(gè)計(jì)算機(jī)之間的距離可長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米。轉(zhuǎn)發(fā)器的缺點(diǎn)是：一旦T型頭出了故障，整個(gè)光纖環(huán)路即斷開不能工作。現(xiàn)在，純光的信號(hào)再生器已開始使用。由于需要進(jìn)行光/電和電/光轉(zhuǎn)換，因此其工作帶寬大大增加。圖2-16使用轉(zhuǎn)發(fā)器的光纖環(huán)路2.2.4無線傳輸介質(zhì)

1．無線傳輸所使用的頻段無線傳輸所使用的頻段很廣。圖2-17是電磁波的頻譜及相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。人們現(xiàn)在已經(jīng)利用了無線電、微波、紅外線以及可見光這幾個(gè)波段進(jìn)行通信。紫外線和更高的波段目前還不能用于通信。圖2-17還給出了ITU對(duì)波段的命名。例如，LF波長(zhǎng)從1?km到10?km(對(duì)應(yīng)于30?kHz到300?kHz)。LF、MF和HF分別是低頻、中頻和高頻。更高的頻段中的V(Very)、U(Ultra)、S(Super)和E(Extremely)分別對(duì)應(yīng)為甚高頻、特高頻、超高頻和極高頻，最高的一個(gè)頻段是T(Tremendously)，尚無命名。在低頻LF的下面其實(shí)還有幾個(gè)更低的頻段，如甚低頻VLF、特低頻ULF、超低頻SLF和極低頻ELF等，因都不用于一般的通信，故未畫在圖中。圖2-17電磁波的頻譜及應(yīng)用領(lǐng)域短波通信主要依靠電離層的反射。但電離層的不穩(wěn)定所產(chǎn)生的衰落現(xiàn)象使得短波信道的通信質(zhì)量較差。因此，當(dāng)必須使用短波無線電臺(tái)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，一般都采用低速傳輸，即速率為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模擬話路傳幾十至幾百比特/秒。只有在采用復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)技術(shù)后，才能使數(shù)據(jù)的傳輸速率達(dá)到幾千比特/秒。微波通信在數(shù)據(jù)通信中占有重要地位。微波的頻率范圍為300?MHz～300?GHz，但主要使用2～40?GHz的頻率范圍。微波在空間是直線傳播，由于微波會(huì)穿透電離層而進(jìn)入宇宙空間，因此它不像短波那樣可以經(jīng)電離層反射傳播到地面上很遠(yuǎn)的地方。這樣，微波通信就有兩種主要的方式，即地面微波接力通信和衛(wèi)星通信。下面將簡(jiǎn)單介紹這兩種方式。

2．地面微波接力通信由于微波在空間是直線傳播，而地球表面是個(gè)曲面，因此其傳播距離受到限制，一般只有50?km左右。但若采用100?m高的天線塔，則傳播距離可增大到100?km。為實(shí)現(xiàn)微波遠(yuǎn)距離通信，必須在通信的兩個(gè)站之間建立若干個(gè)中繼站。中繼站把前一站送來的信號(hào)經(jīng)過放大后再發(fā)送到下一站，故稱為“接力”。大多數(shù)長(zhǎng)途電話業(yè)務(wù)使用4～6?GHz的頻率范圍。目前各國(guó)大量使用的微波設(shè)備信道容量多為960路、1200路、1800路和2700路。我國(guó)多為960路。微波接力通信可傳輸電話、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等信息。其主要特點(diǎn)是：微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大。因?yàn)楣I(yè)干擾和天電干擾的主要頻譜成分比微波頻率低得多，對(duì)微波通信的危害比對(duì)短波和米波通信小得多，因而微波傳輸質(zhì)量較高。微波接力通信的可靠性較高。微波接力通信與相同容量和長(zhǎng)度的電纜載波通信比較，建設(shè)投資少，見效快。當(dāng)然，微波接力通信也存在一些缺點(diǎn)：相鄰站之間必須直視，不能有障礙物阻擋。微波的傳播有時(shí)也會(huì)受到惡劣氣候的影響。與電纜通信系統(tǒng)比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差。對(duì)大量的中繼站的使用和維護(hù)要耗費(fèi)一定的人力和物力。

3．衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信是利用位于36?000千米高空的人造同步地球通信衛(wèi)星作為中繼器的一種微波接力通信。通信衛(wèi)星就是在太空的無人值守的微波通信的中繼站。衛(wèi)星通信的最大特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，且通信費(fèi)用與通信距離無關(guān)。同步衛(wèi)星發(fā)射出的電磁波能輻射到地球上的廣闊地區(qū)，其通信覆蓋區(qū)的跨度達(dá)18?000多千米。只要在地球赤道上空的同步軌道上等距離地放置3顆相隔120°的衛(wèi)星，就能基本上實(shí)現(xiàn)全球的通信。和微波接力通信相似，衛(wèi)星通信的頻帶很寬，通信容量很大，信號(hào)所受到的干擾也較小，通信比較穩(wěn)定。為了避免產(chǎn)生干擾，衛(wèi)星之間相隔如果不小于2°，那么整個(gè)赤道上空只能放置180個(gè)同步衛(wèi)星，好在人們想出來可以在衛(wèi)星上使用不同的頻段來進(jìn)行通信。因此總的通信容量還是很大的。目前常用的三個(gè)頻段如表2-3所示。一個(gè)典型的通信衛(wèi)星通常有12～20個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的頻帶寬度為36～50?MHz。一個(gè)50?Mb/s的轉(zhuǎn)發(fā)器可用來傳輸50?Mb/s速率的數(shù)據(jù)，或是800路64?kb/s的數(shù)字化話音信號(hào)。如果兩個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器使用不同的極化方式，那么即使使用同樣的頻率也不會(huì)產(chǎn)生干擾。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域中，甚小口徑地面站(VSAT)已被大量使用。這種小站的天線直徑往往不超過1?m，因而每一個(gè)小站的價(jià)格較便宜。在VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)中，需要有一個(gè)比較大的中心站來管理整個(gè)衛(wèi)星通信網(wǎng)。對(duì)于某些VSAT系統(tǒng)，所有小站之間的數(shù)據(jù)通信都要經(jīng)過中心站進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于能夠進(jìn)行電話通信的VSAT系統(tǒng)，小站之間的通信在呼叫建立階段要通過中心站。但在連接建立之后，兩個(gè)小站之間的通信就可以直接通過衛(wèi)星進(jìn)行，而不必再經(jīng)過中心站。衛(wèi)星通信的另一個(gè)特點(diǎn)就是它具有較大的傳播時(shí)延。由于各地球站的天線仰角并不相同，因此，不管兩個(gè)地面站之間的地面距離是多少，從一個(gè)地面站經(jīng)衛(wèi)星到另一個(gè)地面站的傳播時(shí)延在250～300?ms之間，這一點(diǎn)和其他通信有較大的差別。要強(qiáng)調(diào)指出，衛(wèi)星信道的傳播時(shí)延較大并不等于說用衛(wèi)星信道傳送數(shù)據(jù)的時(shí)延較大。這是兩個(gè)不同的概念。因?yàn)閭魉蛿?shù)據(jù)的總時(shí)延主要由以下三個(gè)部分組成。傳播時(shí)延：這是電磁波在信道中傳播所需要的時(shí)間，取決于電磁波在信道上的傳播速率以及所傳播的距離。發(fā)送時(shí)延：這是發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間，取決于數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)在信道上的發(fā)送速率。數(shù)據(jù)的發(fā)送速率也常稱為數(shù)據(jù)在信道上的傳輸速率，它和電磁波在信道上的傳播速率是兩個(gè)完全不同的概念，不可弄混。重發(fā)時(shí)延：實(shí)際的信道總存在一定的誤碼率。誤碼率是傳輸中錯(cuò)碼數(shù)與總碼數(shù)之比?？偟膫鬏敃r(shí)延與誤碼率有很大的關(guān)系，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)中出了差錯(cuò)就要重新傳送，因而增加了總的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。衛(wèi)星通信非常適合于廣播通信，因?yàn)樗母采w面很廣。但從安全方面考慮，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的保密性是較差的。2.3差錯(cuò)控制技術(shù)2.3.1差錯(cuò)檢測(cè)與校正控制技術(shù)概括地說，傳輸中的差錯(cuò)都是由于噪聲所引起的。噪聲有兩大類，一類是信道所固有的、持續(xù)存在的隨機(jī)熱噪聲；另一類是由于外界特定的、短暫原因所造成的沖擊噪聲。熱噪聲引起的差錯(cuò)稱為隨機(jī)錯(cuò)，造成某碼元的差錯(cuò)是孤立的，和前后碼元沒有關(guān)系。由于在物理信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)，總要保證達(dá)到相當(dāng)大的信噪比，以盡可能減少熱噪聲的影響，因而由它導(dǎo)致的隨機(jī)錯(cuò)通常較少。沖擊噪聲的幅度可以相當(dāng)大，不可能靠提高信號(hào)幅度來避免其造成的差錯(cuò)，它是傳輸中產(chǎn)生差錯(cuò)的重要原因。沖擊噪聲雖然持續(xù)的時(shí)間很短，但在一定的數(shù)據(jù)速率條件下，仍然會(huì)影響到一串碼元。例如，一個(gè)沖擊噪聲(如一次電火花)持續(xù)時(shí)間為10?ms，但對(duì)于4800?bit/s的數(shù)據(jù)速率來說，就可能對(duì)連續(xù)48位數(shù)據(jù)造成影響，使它們產(chǎn)生差錯(cuò)。這種差錯(cuò)呈突發(fā)狀，稱為突發(fā)錯(cuò)誤。從突發(fā)錯(cuò)誤發(fā)生的一個(gè)碼元到有錯(cuò)的最后一個(gè)碼元間所有碼元的個(gè)數(shù)，稱為該突發(fā)錯(cuò)誤的突發(fā)長(zhǎng)度。衡量一個(gè)信道質(zhì)量的重要參數(shù)是誤碼率：

Pe=通常用10的負(fù)若干次方來標(biāo)志信道的誤碼率Pe。例如，在一條線路中，誤碼率若為10－5，則意味著平均十萬位中有一位出錯(cuò)。在數(shù)據(jù)通信中，一般不允許不加差錯(cuò)控制措施，直接用這樣的信道來傳輸數(shù)據(jù)。差錯(cuò)控制最常用的方法是差錯(cuò)控制編碼。要發(fā)送的數(shù)據(jù)稱為信息位，在向信道發(fā)送之前，先按照某種關(guān)系加上一定的冗余位(這個(gè)過程稱為差錯(cuò)控制編碼過程)，構(gòu)成一個(gè)碼字再發(fā)送。接收端收到碼字后查看信息位和冗余位，并檢查它們之間的關(guān)系(校驗(yàn)過程)，以發(fā)現(xiàn)傳輸過程中是否有差錯(cuò)發(fā)生。差錯(cuò)控制編碼又可分為查錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼，前者是指能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的編碼，后者是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能自動(dòng)糾正差錯(cuò)的編碼。衡量編碼性能好壞的一個(gè)重要參數(shù)是編碼效率R，它是碼字中信息位所占的比例。若碼字中信息位為k位，編碼時(shí)外加冗余位為r位，則編碼后得到的碼字長(zhǎng)為n＝k＋r位。我們有顯然，編碼效率越高，即R越大，則信道中用來傳送信息碼元的有效利用率就越高。下面我們各舉一種檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼的例子。

1．定比碼定比碼是指每個(gè)碼字中均含有相同數(shù)目的“1”(碼字長(zhǎng)一定，“1”的數(shù)目一定后，所含“0”的數(shù)目也就必然相同)，它是一種檢錯(cuò)碼。正由于每個(gè)碼字中“1”的個(gè)數(shù)與“0”的個(gè)數(shù)比保持恒定，故得此名，有時(shí)也稱為恒比碼。若n位碼字中“1”的個(gè)數(shù)恒定為m，還可稱為“n中取m”碼。這種碼在檢測(cè)時(shí)，只要計(jì)算接收碼字中“1”的數(shù)目，就能知道是否出現(xiàn)差錯(cuò)。在國(guó)際無線電報(bào)通信中廣泛采用的就是7中取3定比碼。這種碼字長(zhǎng)為7位，規(guī)定總有3個(gè)“1”。因此，共有＝(7×6×5)/(3×2×1)＝35種碼字，可用來分別代表26個(gè)英文字母和其他符號(hào)。又如，我國(guó)用電傳機(jī)傳輸漢字電碼時(shí)用阿拉伯?dāng)?shù)字的組合來代表漢字，這時(shí)采用的所謂“保護(hù)電碼”，實(shí)際上是一種5中取3定比碼，＝(5×4×3)/(3×2×1)＝10,共有10種碼字，如表2-4所示。定比碼(n中取m)的編碼效率為對(duì)于7中取3定比碼來說：而5中取3的編碼效率則為lb10/5＝0.66。一般來說，定比碼的編碼效率不高，但它能檢測(cè)出全部奇數(shù)位錯(cuò)以及部分偶數(shù)位錯(cuò)。實(shí)際上，除了碼字中“1”變成“0”和“0”變成“1”成對(duì)出現(xiàn)的差錯(cuò)外，所有其他差錯(cuò)都能被檢測(cè)出來，其檢錯(cuò)能力還是很強(qiáng)的。定比碼能比較簡(jiǎn)單地用來傳輸類似鍵盤設(shè)備產(chǎn)生的字母和符號(hào)。若信源產(chǎn)生的是隨機(jī)的二進(jìn)制數(shù)字序列，就不能采用定比碼了。

2．正反碼正反碼是一種簡(jiǎn)單的糾錯(cuò)碼，其中冗余位的個(gè)數(shù)與信息個(gè)數(shù)相同，而且兩者或者完全相同，或者完全相反，由信息位中“1”的個(gè)數(shù)來決定。例如，電報(bào)通信中常用5單位電碼編成正反碼的規(guī)則如下：k＝5，r＝k＝5，n＝k＋r＝10。當(dāng)信息位中有奇數(shù)個(gè)“1”時(shí)，冗余位就是信息位的簡(jiǎn)單重復(fù)；當(dāng)信息位中有偶數(shù)個(gè)“1”時(shí)，冗余位是信息位的反碼。具體來說，若信息位為01011，則碼字為0101101011；若信息位為10010，則碼字為1001001101。接收端的校驗(yàn)方法為：先將接收碼字中信息位和冗余位按位半加，得到一個(gè)k位的合成碼組(對(duì)上述具體的碼長(zhǎng)為10的正反碼來說，就是得到一個(gè)5位的合成碼組)。若接收碼字中的信息位中有奇數(shù)個(gè)“1”，則就取合成碼組為校驗(yàn)碼組；若接收碼字中信息位中有偶數(shù)個(gè)“1”，則取合成碼組的反碼作為校驗(yàn)碼組。最后，根據(jù)校驗(yàn)碼組查看表2-5，就能判斷是否有差錯(cuò)及糾正部分差錯(cuò)。正反碼的編碼效率較低，只有1/2，但其差錯(cuò)控制能力還是較強(qiáng)的，如上述長(zhǎng)度為10的正反碼，能檢測(cè)出全部?jī)晌徊铄e(cuò)和大部分兩位以上的差錯(cuò)，并且還具有糾正一位差錯(cuò)的能力。由于正反碼的編碼效率較低，因而只能用于信息位較短的場(chǎng)合。2.3.2奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼是通過增加冗余位使得碼字中“1”的個(gè)數(shù)保持奇數(shù)或偶數(shù)的編碼方法，是一種檢錯(cuò)碼，在使用時(shí)又可分為垂直奇偶校驗(yàn)、水平奇偶校驗(yàn)和水平垂直奇偶校驗(yàn)等幾種。垂直奇偶校驗(yàn)將整個(gè)發(fā)送的信息塊分為定長(zhǎng)p位的若干段(比如說q段)，每段后面按“1”的個(gè)數(shù)為奇或偶數(shù)的規(guī)律加上一位奇偶位，如圖2-18所示。圖2-18垂直奇偶校驗(yàn)圖2-19水平奇偶校驗(yàn)圖2-20水平垂直奇偶校驗(yàn)在接收端收到每個(gè)碼字后，按監(jiān)督關(guān)系式算出S2、S1和S0，若全為“0”則認(rèn)為無錯(cuò)。若不全為“0”，在一位錯(cuò)的情況下，可查表2-7來判定是哪一位錯(cuò)，從而糾正之。例如碼字0010101傳輸中發(fā)生一位錯(cuò)，在接收端收到的為0011101，代入監(jiān)督關(guān)系式可算得S2＝0、S1＝1和S0＝1，由表2-7可查得S2S1S0＝011對(duì)應(yīng)于a3錯(cuò)，因而可將0011101糾正為0010101。上述海明碼的編碼效率為4/7。若k＝7，按2r≥k＋r＋1可算得r至少為4，此時(shí)編碼效率為7/11。信息位長(zhǎng)度越長(zhǎng)則編碼效率越高。海明碼只能糾正一位錯(cuò)，在糾正傳輸中出現(xiàn)突發(fā)性差錯(cuò)時(shí)可以采用上述方法。將連續(xù)p個(gè)碼字排成一個(gè)矩陣，每行一個(gè)碼字，如圖2-21中所示的例子，發(fā)送順序?yàn)?0010111010010…11111110110011。如果發(fā)生突發(fā)長(zhǎng)度小于等于p的突發(fā)錯(cuò)誤，那么在p個(gè)碼字中最多每個(gè)碼字有一位有差錯(cuò)，正好由海明碼糾正。圖2-21海明碼用于突發(fā)錯(cuò)誤的情況

2.3.4循環(huán)冗余碼雖然海明碼的編碼效率比正反碼高，但比起奇偶校驗(yàn)碼卻要低得多。一般來說，糾錯(cuò)碼的編碼效率總不及檢錯(cuò)碼的編碼效率，因而在通信網(wǎng)絡(luò)中用得更多的還是檢錯(cuò)碼。奇偶校驗(yàn)碼作為一種檢錯(cuò)碼雖然簡(jiǎn)單，但是漏檢率太高。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信中用的最廣泛的檢錯(cuò)碼是一種漏檢率低得多也便于實(shí)現(xiàn)的循環(huán)冗余碼(CRC，CyclicRedundancyCode)。

CRC碼又稱為多項(xiàng)式碼。這是因?yàn)槿魏我粋€(gè)由二進(jìn)制數(shù)位串組成的代碼都可以和一個(gè)只含有0和1兩個(gè)系數(shù)的多項(xiàng)式建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。例如，代碼1011011對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式為x6＋x4＋x3＋x＋1，而多項(xiàng)式x5＋x4＋x2＋x對(duì)應(yīng)的代碼為110110。并且，CRC碼在發(fā)送端編碼和接收端校驗(yàn)時(shí)都可以利用一事先約定的生成多項(xiàng)式G(x)來進(jìn)行。k位要發(fā)送的信息位可對(duì)應(yīng)于一個(gè)(k－1)次多項(xiàng)式K(x)，r位冗余位對(duì)應(yīng)于一個(gè)(r－1)次多項(xiàng)式R(x)。由k位信息位后面加上r位冗余位組成n＝k＋r位的碼字，對(duì)應(yīng)于一個(gè)(n－1)次多項(xiàng)式T(x)＝xr×K(x)＋R(x)例如：信息位1010001→K(x)＝x6＋x4＋1冗余位1101→R(x)＝x3＋x2＋1碼字10100011101→T(x)＝x4×K(x)＋R(x)＝x10＋x8＋x4＋x3＋x2＋1圖2-22CRC碼的編碼電路2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)通信最簡(jiǎn)單的形式是在兩個(gè)用某種傳輸介質(zhì)直接連接的設(shè)備之間進(jìn)行通信，但這是不現(xiàn)實(shí)的，通常要經(jīng)過有中間結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)來把數(shù)據(jù)從源地發(fā)往目的地，以此實(shí)現(xiàn)通信。這些中間結(jié)點(diǎn)并不關(guān)心數(shù)據(jù)內(nèi)容，其目的是提供一個(gè)交換設(shè)備，用它把數(shù)據(jù)從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)目的地，如圖2-24所示。圖2-24一般交換網(wǎng)絡(luò)通常將希望通信的設(shè)備稱為站，而將提供通信的設(shè)備稱為結(jié)點(diǎn)，這些結(jié)點(diǎn)以某種方式用傳輸鏈路相互連接起來。這些結(jié)點(diǎn)和鏈路的集合稱為通信網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)站都連接到一個(gè)結(jié)點(diǎn)上。如果所連接的設(shè)備是計(jì)算機(jī)和終端，那么就是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。常用的交換技術(shù)有三種：電路交換(線路交換)、報(bào)文交換和分組交換(包交換)。2.4.1電路交換電路交換(CircuitSwitching)是一種直接的交換方式，它為一對(duì)需要進(jìn)行通信的站之間提供一條臨時(shí)的專用傳輸鏈路，它既可以是物理鏈路又可以是邏輯鏈路(使用時(shí)分或頻分復(fù)用技術(shù))。這條鏈路是由結(jié)點(diǎn)內(nèi)部電路對(duì)結(jié)點(diǎn)間傳輸路徑經(jīng)過適當(dāng)選擇、連接而完成的，由多個(gè)結(jié)點(diǎn)和多條結(jié)點(diǎn)間的傳輸路徑組成的鏈路。目前公用電話網(wǎng)廣泛使用的交換方式是電路交換。電路交換的通信包括三個(gè)階段，結(jié)合圖2-24解釋如下。

(1)電路建立：通過源站點(diǎn)連接請(qǐng)求完成交換網(wǎng)中對(duì)應(yīng)的所需逐個(gè)結(jié)點(diǎn)的接續(xù)(連接)過程，以建立起一條由源站到目的站的傳輸鏈路。例如：A、D間要完成通信，其過程為A向結(jié)點(diǎn)4申請(qǐng)，通常從A到4的鏈路是專用線，結(jié)點(diǎn)4在4—1、4—5、4—7三條傳輸路徑中選擇一條作為通路，如選擇4—5，并在結(jié)點(diǎn)4內(nèi)部建立A—4路徑與4—5路徑間的連接。依此類推，之后結(jié)點(diǎn)5內(nèi)部建立4—5和5—3路徑之間的連接，最后結(jié)點(diǎn)3內(nèi)部建立5—3路徑和3—D路徑之間的連接，最終完成A—D之間傳輸?shù)逆溌窞锳—4—5—3—D。

(2)數(shù)據(jù)傳輸：現(xiàn)在信號(hào)可以從A經(jīng)建立的鏈路傳送到D，通常為全雙工傳輸。

(3)電路拆除：在完成數(shù)據(jù)傳輸后，由源站或目的站提出終止通信，各節(jié)點(diǎn)相應(yīng)拆除該電路的對(duì)應(yīng)連接，釋放由該電路占用的結(jié)點(diǎn)和信道資源。電路交換具有下列特點(diǎn)：

(1)呼叫建立時(shí)間長(zhǎng)且存在呼損。在電路建立階段，在兩站間建立一條專用鏈路需要花費(fèi)一段時(shí)間，這段時(shí)間稱為呼叫建立時(shí)間。在電路建立過程中由于交換網(wǎng)繁忙等原因而使建立失敗，對(duì)于交換網(wǎng)則要拆除已建立的部分電路，用戶需要掛斷重?fù)埽@稱為呼損。

(2)電路連通后提供給用戶的是“透明通路”，即交換網(wǎng)對(duì)用戶信息的編碼方法、信息格式以及傳輸控制程序等都不加以限制，但對(duì)通信雙方而言，必須做到雙方的收發(fā)速度、編碼方法、信息格式、傳輸控制等一致才能完成通信。

(3)一旦電路建立后，數(shù)據(jù)以固定的數(shù)據(jù)率傳輸，除通過傳輸鏈路的傳播延遲以外，沒有別的延遲，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲是可以忽略的，適用于實(shí)時(shí)大批量連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。

(4)線路利用率低。電路建立、數(shù)據(jù)傳輸直至通信鏈路拆除為止，鏈路是專用的，再加上通信建立時(shí)間、拆除時(shí)間和呼損，其利用率較低。2.4.2報(bào)文交換在數(shù)據(jù)交換是相對(duì)較為連續(xù)的數(shù)據(jù)流時(shí)(如話音)，電路交換是一種適宜的、易于使用的技術(shù)。數(shù)據(jù)通信還使用一種報(bào)文交換(MessageSwitching)方式。在報(bào)文交換網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)通常為一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，它有足夠的存儲(chǔ)，以便在報(bào)文進(jìn)入時(shí)進(jìn)行緩沖存儲(chǔ)。結(jié)點(diǎn)接收一個(gè)報(bào)文之后，報(bào)文暫存放在結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)設(shè)備之中，等輸出線路空閑時(shí)，再根據(jù)報(bào)文中所附的目的地址轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)合適的結(jié)點(diǎn)，如此往復(fù)，直到報(bào)文到達(dá)目的站。所以報(bào)文交換也稱為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)(StoreandForward)。在報(bào)文交換中，每一個(gè)報(bào)文由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和報(bào)頭組成，報(bào)頭中含有源地址和目標(biāo)地址。結(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)頭中的目標(biāo)地址為報(bào)文進(jìn)行路徑選擇，并且對(duì)收發(fā)的報(bào)文進(jìn)行相應(yīng)的處理，如差錯(cuò)檢查和糾錯(cuò)，調(diào)節(jié)輸入/輸出速度，進(jìn)行數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)換，進(jìn)行流量控制，甚至可以進(jìn)行編碼方式的轉(zhuǎn)換等。所以報(bào)文交換是在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的一段鏈路上逐段傳輸?shù)?，不需要在兩個(gè)主機(jī)間建立多個(gè)結(jié)點(diǎn)組成的電路通道。與電路交換相比，報(bào)文交換方式不要求交換網(wǎng)為通信雙方預(yù)先建立一條專用的數(shù)據(jù)通路，因此就不存在建立電路和拆除電路的過程。如圖2-24所示，如果主機(jī)A要求發(fā)送一個(gè)報(bào)文給主機(jī)E，主機(jī)A首先將報(bào)文發(fā)送到結(jié)點(diǎn)4；結(jié)點(diǎn)4根據(jù)報(bào)文附加的目標(biāo)地址選擇結(jié)點(diǎn)5(或7)為轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)報(bào)文的下一個(gè)結(jié)點(diǎn)；結(jié)點(diǎn)5(或7)接收并存儲(chǔ)所收到的報(bào)文，當(dāng)輸出線路有空時(shí)，把該報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到它所選擇的下一個(gè)結(jié)點(diǎn)6；結(jié)點(diǎn)6收到報(bào)文后交給主機(jī)E，完成報(bào)文傳輸。報(bào)文交換中每個(gè)結(jié)點(diǎn)都對(duì)報(bào)文進(jìn)行“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”，報(bào)文數(shù)據(jù)在交換網(wǎng)中是按接力方式發(fā)送的。通信雙方事先并不知道報(bào)文所要經(jīng)過的傳輸路徑，并且各個(gè)結(jié)點(diǎn)不被特定報(bào)文所獨(dú)占。總之，報(bào)文交換具有下列特征：

(1)源站A和目標(biāo)站E在通信時(shí)不需要建立一條專用的通路，因此就不需要結(jié)點(diǎn)4、5、6或4、7、6同時(shí)空閑。

(2)與電路交換相比，報(bào)文交換沒有建立線路和拆除線路所需的等待和時(shí)延。

(3)線路利用率高，結(jié)點(diǎn)間可根據(jù)線路情況選擇不同的速度傳輸，能高效地傳輸數(shù)據(jù)。

(4)要求結(jié)點(diǎn)具備足夠的報(bào)文數(shù)據(jù)存放能力，一般結(jié)點(diǎn)由微機(jī)或小型機(jī)擔(dān)當(dāng)。

(5)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿撸總€(gè)結(jié)點(diǎn)在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)中都進(jìn)行檢錯(cuò)、糾錯(cuò)等差錯(cuò)控制。缺點(diǎn)：由于采用了對(duì)完整報(bào)文的存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)，結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延較大，不適用于交互式通信(如電話通信)。由于每個(gè)結(jié)點(diǎn)都要把報(bào)文完整地接收、存儲(chǔ)、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)、轉(zhuǎn)發(fā)，因而產(chǎn)生了結(jié)點(diǎn)延遲，并且報(bào)文交換對(duì)報(bào)文長(zhǎng)度沒有限制，報(bào)文可以很長(zhǎng)，這樣就有可能使報(bào)文長(zhǎng)時(shí)間占用某兩結(jié)點(diǎn)之間的鏈路，不利于實(shí)時(shí)交互通信。2.4.3分組交換分組交換(PacketSwitching)即包交換，是針對(duì)報(bào)文交換的缺點(diǎn)而提出的一種改進(jìn)方式。分組交換屬于“存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)”交換方式，但它不像報(bào)文交換那樣以報(bào)文為單位進(jìn)行交換、傳輸，而是以更短的、標(biāo)準(zhǔn)的“報(bào)文分組”(Packet)為單位進(jìn)行交換傳輸。每個(gè)分組包含數(shù)據(jù)和呼叫控制信號(hào)，把它作為一個(gè)整體加以轉(zhuǎn)接。這些數(shù)據(jù)、呼叫控制信號(hào)以及可能附加的差錯(cuò)控制信息是按規(guī)定的格式排列的分組。假如A站有一份比較長(zhǎng)的報(bào)文要發(fā)送給C站。則它首先將報(bào)文按規(guī)定長(zhǎng)度劃分成若干分組，每個(gè)分組附加上地址及糾錯(cuò)等其他信息，然后將這些分組順序發(fā)送到交換網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)4。分組交換又可采用兩種方式：數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換和虛電路傳輸分組交換。

1．?dāng)?shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換交換網(wǎng)把進(jìn)網(wǎng)的任一個(gè)分組都當(dāng)作單獨(dú)的“小報(bào)文”來處理，而不管它屬于哪個(gè)報(bào)文的分組，就像報(bào)文交換中把一份報(bào)文進(jìn)行單獨(dú)處理一樣。如A站將報(bào)文分成3個(gè)分組(P1，P2，P3)，按序連串地發(fā)送給結(jié)點(diǎn)4，結(jié)點(diǎn)4每接收一個(gè)分組都先存儲(chǔ)下來，并分別對(duì)它們進(jìn)行單獨(dú)的路徑選擇和其他處理過程。例如它可能將P1報(bào)文發(fā)送給結(jié)點(diǎn)5，P2發(fā)送給結(jié)點(diǎn)1，P3發(fā)往結(jié)點(diǎn)7，這種選擇主要取決于結(jié)點(diǎn)4在處理每一個(gè)分組時(shí)各鏈路的負(fù)荷情況以及路徑選擇的原則和策略。由于每個(gè)分組都帶有地址和分組序列，雖然它們不一定經(jīng)過同一條路徑，但最終都能到達(dá)同一目的結(jié)點(diǎn)2。這些分組到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)2的順序也可能被打亂，目的結(jié)點(diǎn)2可以負(fù)責(zé)對(duì)分組進(jìn)行排序和重裝，目的站C也可以完成這些排序和組裝工作。上述這種分組交換方式簡(jiǎn)稱為數(shù)據(jù)報(bào)傳輸方式，作為基本傳輸單位的“小報(bào)文”被稱為數(shù)據(jù)報(bào)(Datagram)。

2．虛電路傳輸分組交換所謂虛電路，就是兩個(gè)用戶的終端設(shè)備在開始互相發(fā)送和接收數(shù)據(jù)之前需要通過通信網(wǎng)絡(luò)建立邏輯上的連接。一旦這種連接建立，直至用戶不需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)清除這種連接。其主要的特點(diǎn)是：所有分組都必須沿著事先建立的虛電路傳輸，存在一個(gè)虛呼叫建立階段和拆除階段。與電路交換相比，并不意味著實(shí)體間存在像電路交換方式那樣的專用線路，而是選定了特定路徑進(jìn)行傳輸，分組所途經(jīng)的所有結(jié)點(diǎn)都對(duì)這些分組進(jìn)行存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)，這是與電路交換的實(shí)質(zhì)上的區(qū)別。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于數(shù)據(jù)量較大的通信傳輸率高，分組傳輸時(shí)延短，且不容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組丟失；缺點(diǎn)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴性大。數(shù)據(jù)報(bào)方式將一個(gè)數(shù)據(jù)分組當(dāng)作一份獨(dú)立的報(bào)文看待，每一個(gè)數(shù)據(jù)分組都含有源地址和目標(biāo)地址信息，交換結(jié)點(diǎn)須為每一個(gè)數(shù)據(jù)分組獨(dú)立地尋找路徑，因此一份報(bào)文包含的不同分組可能沿著不同的路徑到達(dá)終點(diǎn)，而在網(wǎng)絡(luò)終點(diǎn)需要重新排序。數(shù)據(jù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于短報(bào)文數(shù)據(jù)率傳輸率比較高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的適應(yīng)能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是時(shí)延大。圖2-25是這三種交換的比較。圖2-25三種交換的比較(a)電路交換；(b)報(bào)文交換；(c)分組交換2.4.4信元交換異步傳輸模式ATM中采用的是信元交換和復(fù)用技術(shù)。我們可以把信元看成是具有固定長(zhǎng)度的小分組。每個(gè)信元長(zhǎng)度固定只有53個(gè)字節(jié)，其中48個(gè)字節(jié)為信息字節(jié)，開頭的5個(gè)字節(jié)則為信頭，載有信元的地址信息和其他一些控制信息。由于信元短且長(zhǎng)度固定，因而有利于類似于電路交換那樣通過硬件來實(shí)現(xiàn)交換，簡(jiǎn)化了ATM交換機(jī)，使其可達(dá)到較高的交換速率；另一方面它和分組交換類似，在建立的連接上并不獨(dú)占信道，提高了信道的利用率。因此，在有些資料中稱其為分組交換與電路交換的結(jié)合。在ATM網(wǎng)絡(luò)中，由于長(zhǎng)的分組信元被切成很多信元，因而較長(zhǎng)的分組信息不會(huì)拖延較短的分組信息，這就使ATM能夠同時(shí)為均勻比特率(CBR)業(yè)務(wù)(如語音、電視)和可變比特率(VBR)業(yè)務(wù)(如數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))所復(fù)用。2.5物?理?層?接?口2.5.1物理層的基本概念物理層的任務(wù)是保證在各種計(jì)算機(jī)的傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。大家知道，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備和傳輸介質(zhì)的種類非常繁多，而通信手段也有許多。物理層的作用就是要盡可能地屏蔽掉這些差異，使其上面的數(shù)據(jù)鏈路層感覺不到這些差異，這樣就可以使數(shù)據(jù)鏈路層只需要考慮如何完成本層的協(xié)議和服務(wù)，而不必考慮網(wǎng)絡(luò)具體的傳輸介質(zhì)是什么。物理層使用的協(xié)議也常稱為物理層規(guī)程(Procedure)。物理層規(guī)程主要描述和確定與傳輸介質(zhì)有關(guān)的接口的一些特性，即:

(1)機(jī)械特性：說明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等。這如同平時(shí)常用的各種規(guī)格的電源插頭，其尺寸都有嚴(yán)格的規(guī)定。

(2)電氣特性：說明在接口電纜的某條線上出現(xiàn)的電壓范圍，即什么樣的電壓表示1或0。

(3)功能特性：說明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。

(4)規(guī)程特性：說明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。在物理層上的傳輸方式一般都是串行傳輸，即一個(gè)一個(gè)比特按照時(shí)間順序傳輸。但是，有時(shí)也可以采用多個(gè)比特的并行傳輸方式。出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，遠(yuǎn)距離的傳輸通常都是串行傳輸。2.5.2RS-232-C接口標(biāo)準(zhǔn)

RS-232-C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA制定的著名物理層標(biāo)準(zhǔn)。它的最早形式是1962年制定的RS-232標(biāo)準(zhǔn)。這里，RS表示EIA的一種“推薦標(biāo)準(zhǔn)”，232是個(gè)編號(hào)。在1969年，其修訂為RS-232-C，C是標(biāo)準(zhǔn)RS-232以后的第三個(gè)修訂版本。1987年1月，修訂為RS-232-D。1991年又修訂為RS-232-E。由于標(biāo)準(zhǔn)修改得并不多，因此現(xiàn)在很多廠商仍用舊的名稱，有時(shí)簡(jiǎn)稱為RS-232。

RS-232是DTE與DCE之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。下面先介紹什么是