第2章 數(shù)據(jù)通信技術基礎

計算機網(wǎng)絡2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.1基本術語的解釋2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)2.1.3數(shù)據(jù)通信中的主要技術指標2.1.4數(shù)據(jù)通信方式

第2章數(shù)據(jù)通信技術基礎2.2數(shù)據(jù)通信技術2.2.1串行通信2.2.2并行通信2.2.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g2.3數(shù)據(jù)的通信方式2.3.1基帶傳輸2.3.2寬帶傳輸2.4數(shù)據(jù)編碼技術

2.4.1調(diào)制與解調(diào)2.4.2數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼2.4.3數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼2.4.4模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼2.4.5模擬數(shù)據(jù)的模擬信號編碼2.5多路復用技術2.5.1頻分多路復用2.5.2時分多路復用

2.5.3波分多路復用2.5.4碼分多路復用2.6數(shù)據(jù)交換技術2.6.1電路交換2.6.2

報文交換2.6.3

分組交換2.6.4各種數(shù)據(jù)交換技術的性能比較2.7SONET/SDH光網(wǎng)絡2.7.1SONET和SDH

2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念在計算機網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信中，信息、數(shù)據(jù)、信號和信道是四個最基本的概念。正確理解這四個概念，對于理解在網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)通信的原理是非常重要和必要的。2.1.1基本術語的解釋1.數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)（data）是對客觀事物的符號表示，是用于表示客觀事物的未經(jīng)加工的原始素材，如圖形符號、數(shù)字、字母等。數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)是在某區(qū)間內(nèi)連續(xù)變化的值；數(shù)字數(shù)據(jù)是離散的值。但在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通常被廣義地理解為在網(wǎng)絡中存儲、處理和傳輸?shù)亩M制數(shù)字編碼，即一系列表示數(shù)字“0”或“1”的電脈沖（又稱“碼元”）。數(shù)據(jù)的單位有如下幾種：⑴位b（bit）：一個0或1。⑵字節(jié)B（Byte）：8個碼元。⑶1KB=1024B；1MB=1024KB；1GB=1024MB。

2.信息信息（Information）是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。凡經(jīng)過加工處理或換算得到的數(shù)據(jù)，即可稱為信息。表示信息的形式可以是數(shù)值、文字、圖形、聲音、圖像以及動畫等，這些表示媒體歸根到底都是數(shù)據(jù)的一種形式。

3.信號信號（Signal）-是數(shù)據(jù)的電子或電磁編碼。信號可分為模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號是隨時間連續(xù)變化的電流、電壓或電磁波；數(shù)字信號則是一系列離散的電脈沖?？蛇x擇適當?shù)膮⒘縼肀硎疽獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)。模擬信號（AnalogSignal）又稱頻帶信號，它的信號電平是連續(xù)變化的，如圖2-1(a)所示；而數(shù)字信號（DigitalSignal）又稱基帶信號，它是用兩種不同的電平去表示0、1比特序列的電壓脈沖信號表示，如圖2-1(b)所示。幅度幅度(a)模擬信號(b)數(shù)字信號圖2-1模擬與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號可以混合應用，使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置可以將模擬信號變換成數(shù)字信號,數(shù)字信號也可相互轉(zhuǎn)化為模擬信號。模擬數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸，數(shù)字數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸如圖2-2所示。圖2-2數(shù)字數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸4.信道信道(informationchannels)是信號在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)耐ǖ?，是信號從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩怂?jīng)過的傳輸介質(zhì)。一條傳輸媒介上可以有多條信道（多路復用），如圖2-3所示。廣義的信道定義除了包括傳輸介質(zhì)，還包括傳輸信號的相關設備。傳輸媒介信道圖2-3多條信道在計算機網(wǎng)絡中有物理信道和邏輯信道之分。物理信道是指用來傳送信號或數(shù)據(jù)的物理通路，網(wǎng)絡中兩個結(jié)點之間的物理通路稱為通信鏈路。物理信道由傳輸介質(zhì)及有關設備組成。邏輯信道是指通過統(tǒng)計復用的方式，按需分配信道帶寬，只有用戶有數(shù)據(jù)要傳送時才為之生成一個分組，并復用到信道中，從而形成邏輯子信道。下面是物理信道常用的四種分類方法。⑴按傳輸介質(zhì)的不同可分為:◆有線信道:有線信道是以導線為傳輸介質(zhì)，信號沿導線進行傳輸，信號的能量集中在導線附近，因此傳輸效率高，但是部署不夠靈活。這一類信道使用的傳輸介質(zhì)包括用電線傳輸電信號的架空明線、電話線、雙絞線、對稱電纜和同軸電纜等等，還有傳輸經(jīng)過調(diào)制的光脈沖信號的光導纖維。

◆無線信道：電磁波在空間傳播稱之為無線信道，它包括無線電、微波、紅外線和衛(wèi)星通信信道等。微波信道、紅外和激光信道都具有很強的方向性。衛(wèi)星信道的優(yōu)點是容量大、距離遠，但一次性投資大、傳播延遲時間長。在無線信道中當電磁波的頻率低于2MHz,傳播路徑為地波傳播，即電磁波沿地表傳播，當電磁波的頻率低于2M～30MHz,傳播路徑為天波傳播，當電磁波的頻率大于30MHz,傳播路徑為視距傳播。

⑵按傳輸信號的不同可分為:◆數(shù)字信道：就是以數(shù)字脈沖形式（離散信號）傳輸數(shù)據(jù)的信道，即將由不同電壓表示的數(shù)字信號1或0直接送到線路上去傳輸。數(shù)字信號在時間上是離散的，在幅值上是經(jīng)過量化的，它一般是由二進制代碼0、1組成的數(shù)字序列，如計算機中傳送的就是典型的數(shù)字信號?！裟M信道：模擬信道是以連續(xù)模擬信號形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。模擬信號在時間上和幅度取值上都是連續(xù)的，其電平隨時間邊境連續(xù)變化。例如，語音、是典型的模擬信號，還有如溫度、壓力、流量等也是模擬信號。另外，在“信號”概念中還有“信源”和“信宿”兩個相關概述。“信源”是指通信過程中產(chǎn)生和發(fā)送信息的設備或計算機；“信宿”是指通信過程中接收和處理信息的設備或計算機，而前面介紹的“信道”總地來說就是“信源”和“信宿”之間的通信線路。

5.數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理（DateProcessing）是把數(shù)據(jù)加工處理成為所需要的信息的過程。數(shù)據(jù)處理通常是數(shù)據(jù)的計算機處理，如將一組原始數(shù)據(jù)輸入計算機以一定的數(shù)學模型計算所需的結(jié)果。6.信息處理信息處理（InformationProcessing）也是把數(shù)據(jù)加工處理成為所需要的信息的過程，不過信息處理的含義比數(shù)據(jù)處理廣泛得多。信息處理對數(shù)據(jù)加工處理包括進行數(shù)據(jù)的錯誤檢索、排序、合并、比較、計算、修改格式等處理功能，以得到所需要的信息。7.數(shù)據(jù)通信簡單他說，數(shù)據(jù)通信（DataCommunication）就是以傳送數(shù)據(jù)為業(yè)務的通信，即特指傳遞數(shù)據(jù)類消息的通信方式。它只涉及機器之間的"純數(shù)據(jù)"通信，而不涉及到數(shù)據(jù)的類型、含義、表示和應用等方面。

8.數(shù)據(jù)通信網(wǎng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)（DataCommunicationNetwork）就是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡形態(tài)。它是廣域計算機通信網(wǎng)或計算機網(wǎng)絡的基礎通信設施的代名詞，例如，以太網(wǎng)、公用數(shù)據(jù)網(wǎng)、ISDN、ATM網(wǎng)等，它們都可以稱為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，其主要作用是為各種信息網(wǎng)絡提供"通信子網(wǎng)"資源。9.碼元和碼字在計算機網(wǎng)絡中傳送的每一位二進制數(shù)被稱為“碼元”或“碼位”，由7個碼元組成的二進制序列被稱為“碼字”例如：二進數(shù)“1000001”就是一個碼字，在7位的ASII的數(shù)據(jù)通信中，這個碼字就代表ASII碼“A”2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)電路將分布在遠地的數(shù)據(jù)終端設備與計算機系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、交換、存儲和處理的系統(tǒng)。比較典型的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)終端設備、數(shù)據(jù)電路、計算機系統(tǒng)三部分組成，如圖2-4所示。圖2-4數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成⑴數(shù)據(jù)終端設備在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的設備稱為數(shù)據(jù)終端設備（DataTerminalEquipment

簡稱DTE）。DTE可以是大、中、小型計算機、PC機，也可以是一臺只接收數(shù)據(jù)的打印機，所以說DTE屬于用戶范疇，其種類繁多，功能差別較大。⑵數(shù)據(jù)電路終接設備用來連接DTE與數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的設備稱為數(shù)據(jù)電路終接設備（DistributedComputingEnvironment;orDataCommunicationEquipment簡稱DCE），其功能就是完成數(shù)據(jù)信號的變換。因為傳輸信道可能是模擬的，也可能是數(shù)字的，DTE發(fā)出的數(shù)據(jù)信號不適合信道傳輸，所以要由DCE把數(shù)據(jù)信號變成適合信道傳輸?shù)男盘枴?/p>

⑶數(shù)據(jù)電路和數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)電路指的是在線路或信道上加信號變換設備之后形成的二進制比特流通路，它由傳輸信道及其兩端的數(shù)據(jù)電路終接設備（DCE）組成，如圖2-5所示。

圖2-5兩個DTE通過DCE進行通信數(shù)據(jù)鏈路是在數(shù)據(jù)電路已建立的基礎上，通過發(fā)送方和接收方之間交換“握手”信號，使雙方確認后方可開始傳輸數(shù)據(jù)的兩個或兩個以上的終端裝置與互連線路的組合體。所謂“握手”信號是指通信雙方建立同步聯(lián)系、使雙方設備處于正確收發(fā)狀態(tài)、通信雙方相互核對地址等?？梢姅?shù)據(jù)鏈路包括物理鏈路和實現(xiàn)鏈路協(xié)議的硬件和軟件。只有建立了數(shù)據(jù)鏈路之后，雙方DTE才可真正有效的進行數(shù)據(jù)傳輸。特別注意，在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中，它僅僅操作于相鄰的兩個結(jié)點之間，因此從一個DTE到另一個DTE之間的連接可以操作多段數(shù)據(jù)鏈路。2.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型兩個PC機經(jīng)過普通電話機的連線，再經(jīng)過公用電話網(wǎng)進行通信。如圖2-6所示，一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可劃分為三大部分，即源系統(tǒng)(或發(fā)送端)、傳輸系統(tǒng)(或傳輸網(wǎng)絡)和目的系統(tǒng)(或接收端)。圖2-6數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型⑴源系統(tǒng)源系統(tǒng)就是發(fā)送信號的一端，它包括以下兩個必需部分。源站：產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的計算機或服務器等設備。發(fā)送器：對要傳送的數(shù)據(jù)進行編碼的設備，如調(diào)制解調(diào)器等。常見的網(wǎng)卡中也包括收發(fā)器組件和功能。⑵傳輸系統(tǒng)這是網(wǎng)絡通信的信號通道，如雙絞線通道、同軸電纜通道、光纖通道或者無線電波通道等。當然還包括線路上的交換機和路由器等設備。⑶目的系統(tǒng)目的系統(tǒng)就是接收發(fā)送端所發(fā)送的信號的一端，它包括以下兩個必需的部分。目的站：從接收器獲取從發(fā)送端發(fā)送的信息的計算機或服務器等。接收器：接收從發(fā)送端發(fā)來的信息，并把它們轉(zhuǎn)換為能被目的站設備識別和處理的信息。它也可以是調(diào)制解調(diào)器之類的設備，不過此時它的功能當然就不再是調(diào)制，而是解調(diào)了。常見的網(wǎng)卡中也包括接收器組件的功能。3.數(shù)據(jù)通信的基本過程⑴數(shù)據(jù)從發(fā)送端出發(fā)到數(shù)據(jù)被接收端接收的整個過程。每次通信又包含兩個子過程即數(shù)據(jù)傳輸和通信控制。⑵通信控制是為了保證數(shù)據(jù)傳輸而進行的各種輔助操作（例如同步控制、差錯檢測等）。4.數(shù)據(jù)通信過程的5個階段：⑴建立通信線路，用戶將要通信的對方地址告訴通信控制處理機。

⑵若對方同意，則建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路，雙方建立同步聯(lián)系，處于正確的收發(fā)狀態(tài)。⑶傳輸數(shù)據(jù)及必要的通信控制信號。⑷傳輸結(jié)束，雙方通過控制信息確認結(jié)束。⑸切斷數(shù)據(jù)連接的物理通道。2.1.3．數(shù)據(jù)通信中的主要技術指標數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的技術指標主要從數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和數(shù)量來體現(xiàn)。質(zhì)量指信息傳輸?shù)目煽啃?，一般用誤碼率來衡量。而數(shù)量指標包括兩方面：一是信道的傳輸能力，用信道容量來衡量；另一方面指信道上傳輸信息的速度，相應的指標是數(shù)據(jù)傳輸速率。1.數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸率是指單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘浚捎谩氨忍芈省焙汀安ㄌ芈省眮肀硎尽＂疟忍芈时忍芈视址Q為信息速率，反映一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)每秒所傳輸?shù)亩M制位數(shù)，單位是每秒比特(位/秒)，以b/s或bps表示。數(shù)據(jù)傳輸速率的計算公式如下:數(shù)據(jù)傳輸速率的計算公式如下:S=1/Tlog2N（b/s）（2-1）式中:T為一個數(shù)字脈沖信號的寬度（全寬碼）或重復周期（歸零碼），單位為秒；N為一個碼元所取的離散值個數(shù)，通常N=2K（K為二進制信息的位數(shù)）。當N=2時，數(shù)據(jù)傳輸速率的公式就可簡化為：S=1/T，表示數(shù)據(jù)傳輸速率等于碼元脈沖的重復頻率。⑵波特率波特率指數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，線路上每秒傳送的波形個數(shù)。波特率又稱為波形速率或碼元速率，單位為波特，記作Baud。若每個碼元所含的信息量為1比特，則波特率等于比特率。計算公式：B=1/T（Baud）（2-2）式中:T為信號碼元的寬度，單位為秒。由以上兩公式可以得出：S=Blog2N（b/s），或B=S/log2N（Baud）在計算機中，一個符號的含義為高低電平，分別代表邏輯“1”和邏輯“0”，所以每個符號所含的信息量剛好為1比特，因此在計算機通信中，常將“比特率”稱為“波特率”，即：1波特（B）=1比特（bit）=1位/秒（b/s）例2-1：電傳打字機最快傳輸率為每秒10個字符/秒，每個字符包含11個二進制位，則數(shù)據(jù)傳輸率為：11位/字符×10個字符/秒=110位/秒=110波特（Baud）。2.信道帶寬信道帶寬（Bandwidth簡稱帶寬）又叫頻寬是指信道所能傳送的信號的頻率寬度，也就是可傳送信號的最高頻率與最低頻率之差。例如，一條傳輸線可以接受從300Hz到3000Hz的頻率，則在這條傳輸線上傳送頻率的帶寬就是2700Hz。信道的帶寬由傳輸介質(zhì)、接口部件、傳輸協(xié)議以及傳輸信息的特性等因素所決定。在數(shù)字設備中，頻寬常用的單位是b/s(bit/s或bps是bitpersecond的縮寫)表示，即每秒可傳輸之位數(shù)單位是“比特每秒”。在模擬設備中，頻寬通常以每秒傳送周期或赫茲Hertz(赫茲(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等）來表示。

⑴“帶寬”（bandwidth）有以下兩種不同的意義：◆指信號的帶寬。信號的帶寬是指該信號所包含的各種不同頻率成分所占據(jù)的頻率范圍。

◆在計算機網(wǎng)絡中，帶寬用來表示網(wǎng)絡的通信線路所能傳送數(shù)據(jù)的能力，因此網(wǎng)絡帶寬表示在單位時間內(nèi)從網(wǎng)絡中的某一點到另一點所能通過的“最高數(shù)據(jù)率”。⑵常用的帶寬單位：千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）請注意：在計算機界，K=210=1024，M=220,G=230,T=240。3.信道容量信道容量是衡量一個信道傳輸數(shù)字信號的重要參數(shù)，信道容量是指單位時間內(nèi)信道上所能傳輸數(shù)據(jù)的最大容量，單位是b/s(bps)。信道容量和傳輸速率之間應滿足以下關系：信道容量＞傳輸速率，否則高的傳輸速率在低信道上傳輸，其傳輸速率受信道容量所限制，肯定難以達到原有的指標?！裟慰固囟ɡ碓缭?924年，奈奎斯特（Nyquist）推導出無噪聲有限帶寬信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率公式，該公式指出了如果是離散的信道容量，則無噪聲下的碼元速率極限值B與信道帶寬H的關系為：B=2W（Baud）；無噪信道傳輸能力公式為：

C=2Wlog2N（b/s）（2-4）式中的：C為理想低通信道下的極限數(shù)據(jù)率。W為信道的帶寬，即信道傳輸上、下限頻率的差值，單位為Hz。N為一個碼元所取的離散值個數(shù)。例2-2:若某信道帶寬為4kHz，任何時刻數(shù)字信號可取0、1、2、3四種電平之一，則最大數(shù)據(jù)速率為：

C=2×4×log24=16kb/s4.誤碼率誤碼率（BER：biterror）：二進制數(shù)據(jù)位傳輸時出錯的概率。誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標。在計算機網(wǎng)絡中，一般要求誤碼率低于10-6，若誤碼率達不到這個指標，可通過差錯控制方法檢錯和糾錯。誤碼的產(chǎn)生是由于在信號傳輸中，衰變改變了信號的電壓,致使信號在傳輸中遭到破壞，產(chǎn)生誤碼。噪音、交流電或閃電造成的脈沖、傳輸設備故障及其他因素都會導致誤碼（比如傳送的信號是1，而接收到的是0；反之亦然，即產(chǎn)生差錯）。誤碼率計算公式為：

Pe=Ne/N（2-5）式中的Ne為其中出錯的位數(shù)(比特數(shù))，N為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總位數(shù)(比特數(shù))。◆香農(nóng)定理1948年，香農(nóng)（C.Shannon）把奈奎斯特的工作擴大到信道受到隨機（熱）噪聲干擾的情況,如圖2-7所示。如果信息源的信息速率R小于或者等于信道容量C，那么，在理論上存在一種方法可使信息源的輸出能夠以任意小的差錯概率通過信道傳輸。該定理還指出：如果R>C，則沒有任何辦法傳遞這樣的信息，或者說傳遞這樣的二進制信息的差錯率為1/2?？梢試栏竦刈C明；在被高斯白噪聲干擾的信道中，傳送的最大信息速率C由下述公式確定：C=W*log2(1+S/N)（2-6）公式中的W是信道帶寬（赫），S是信號功率（瓦），N是噪聲功率（瓦）。

公式表明，信道帶寬限制了比特率的增加，信道容量還取決于系統(tǒng)信噪比以及編碼技術的種類,通常把信噪比表示成10lg（S/N）分貝（dB）。它表明了當信號與作用在信道上的起伏噪聲的平均功率給定時，具有一定頻帶寬度W的信道上，理論上單位時間內(nèi)可能傳輸?shù)氖切畔⒘康臉O限數(shù)值。如果在網(wǎng)絡中某一個點上觀察數(shù)字信號流隨時間的變化，那么，信號在時間軸上的寬度就隨著帶寬的增大而變窄。例如，當信號為1和0相間的脈沖時，在帶寬為1Mb/s鏈路上每一比特在時間軸上的寬度為1μs，但在帶寬為4Mb/s的鏈路上，每一比特在時間軸上的寬度就減小到原來的四分之一，即只有0.25μs。香農(nóng)公式舉例，例2-2若信噪比為30dB，帶寬為4000Hz的信道最大數(shù)據(jù)速率為多少？信噪比為30dB，10log10(S/N）=30，即S/N=103=1000C=Wlog2(1+S/N）b/s=4×log21001=40kb/s注意上面公式所計算的只是數(shù)據(jù)速率的上界，在實際應用中是不可能達到的，上例中能達到19200b/s就是很好的了。圖2-7數(shù)字信號通過實際的信道2.1.4數(shù)據(jù)通信方式通信線路可由一個或多個信道組成，根據(jù)信道在某一時間信息傳輸?shù)姆较?，可以是單工、半雙工和全雙工三種通信方式。1.單工通信所謂單工（Simplex）指的是兩個數(shù)據(jù)站之間始終是一個方向的通信，發(fā)送端僅能把數(shù)據(jù)發(fā)往接收端，接收端也只能接受發(fā)送來的數(shù)據(jù)，如圖2-8(a)所示。單工通信的信道一般是二線制。也就是說，單工通信存在兩個信道，傳輸數(shù)據(jù)用的主信道和監(jiān)測信號用的監(jiān)測信道。比如：聽廣播和看電視就是單工通信的例子，信息只能從廣播電臺和電視臺發(fā)射并傳輸?shù)礁骷彝ソ邮?，而不能從用戶傳輸?shù)诫娕_或電視臺。2.半雙工通信所謂半雙工（Halfduplex）通信是指信息流可以在兩個方向傳輸，但同一時刻只限于一個方向傳輸，如圖2-8(b)所示。通信的雙方都具備發(fā)送和接收裝置，即每一端可以是發(fā)送端也可以是接收端，信息流是輪流使用發(fā)送和接收裝置的。3.全雙工通信所謂全雙工（Fullduplex）通信是指同時可以作雙向的通信，即通信的一方在發(fā)送信息的同時也能接收信息，如圖2-8(c)所示。全雙工通信一般采用多條線路或頻分法來實現(xiàn)，也可采用時分復用或回波抵消等技術。發(fā)送設備接收發(fā)送設數(shù)據(jù)流通信鏈路(a)單工發(fā)送設備數(shù)據(jù)流通信鏈路(b)半雙工接收發(fā)送設備發(fā)送設備接收發(fā)送設備發(fā)送設備數(shù)據(jù)流通信鏈路(C)全雙工接收發(fā)送設備發(fā)送設備接收發(fā)送設備圖2-8單工、半雙工和全雙工通信2.2數(shù)據(jù)通信技術近年來，計算機網(wǎng)絡技術和通信技術都迅猛發(fā)展、相互滲透而又密切結(jié)合，計算機網(wǎng)絡技術在通信中的應用也促使數(shù)據(jù)通信和數(shù)字通信等新的通信技術和領域的快速發(fā)展，并促進了通信由模擬向數(shù)字化并最終向綜合服務的方向發(fā)展，通信技術則為計算機之間信息的快速傳遞、資源共享和協(xié)調(diào)合作提供了強有力的手段。本小節(jié)僅從計算機網(wǎng)絡技術的角度，介紹一些相關的數(shù)據(jù)通信技術如：串行通信、并行通信和同步技術等。2.2.1串行通信串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位地以串行方式在一條信道上傳輸，如圖2-9所示。由于計算機內(nèi)部都采用并行通信，因此，數(shù)據(jù)在發(fā)送之前，要將計算機中的字符進行并/串轉(zhuǎn)換，在接收端再通過串/并變換，還原成計算機的字符結(jié)構，這樣才能實現(xiàn)串行通信。串行通信的主要優(yōu)點是收、發(fā)雙方只需要一條傳輸信道，易于實現(xiàn)，成本低。串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫炔⑿袀鬏斅枚?，但對于覆蓋面極其廣闊的公用電話系統(tǒng)來說具有更大的現(xiàn)實意義。串行通信通過計算機的串行口得到廣泛的應用，而且在遠程通信中一般采用串行通信方式。圖2-9串行數(shù)據(jù)傳輸串行傳輸?shù)奶攸c：1．通信線路數(shù)小，線路利用率高適合于遠距離傳輸。2．在發(fā)送端和接收端需要進行并/串轉(zhuǎn)換和串/并轉(zhuǎn)換。3．需要實施同步措施，以確保不產(chǎn)生錯字。2.2.2并行通信并行通信是指數(shù)據(jù)以成組的方式在多個并行信道上同時進行傳輸，即有多個數(shù)據(jù)位，同時在兩個設備之間傳輸，發(fā)送設備將這些數(shù)據(jù)位通過對應的數(shù)據(jù)線傳送給接收設備，還可附加一位數(shù)據(jù)校驗位。接收設備可同時接收到這些數(shù)據(jù)，不需要做任何變換就可直接使用。一般情況下并行傳輸中一次傳送8個比特如圖2-10所示。并行通信的優(yōu)點是速度快，處理簡單。但發(fā)送端與接收端之間有若干條線路，費用高，僅適合于近距離和高速率的通信。并行通信在計算機內(nèi)部總線以及并行口通信中己得到廣泛的應用。圖2-10并行數(shù)據(jù)傳輸

并行傳輸?shù)奶攸c：1．不需要對傳輸代碼進行時序轉(zhuǎn)換。2．需要數(shù)據(jù)線數(shù)目多。3．傳輸速率高。值得注意的是：串行和并行的概念是指組成一個字符的各碼元是依順序逐位傳輸還是并行地傳輸。至于數(shù)據(jù)字符還是逐個依次發(fā)送。2.2.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g在數(shù)據(jù)通信中，通信雙方收發(fā)數(shù)據(jù)序列必須在時間上取得一致，這樣才能保證接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，這就是數(shù)據(jù)通信中的同步。一般串行通信廣泛采用的同步方式有同步通信和異步通信兩種；而并行通信則一般都是同步通信。如果不采用數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g則有可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`差。在計算機網(wǎng)絡中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g有以下兩種方法：同步通信和異步通信方法。1異步傳輸所謂異步傳輸（AsynchronousTransmission）：又稱起止式傳輸。即指發(fā)送者和接收者之間不需要合作。也就是說，發(fā)送者可以在任何時候發(fā)送數(shù)據(jù)，只要被發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)是可以發(fā)送的狀態(tài)的話。接收者則只要數(shù)據(jù)到達，就可以接收數(shù)據(jù)。它在每一個被傳輸?shù)淖址那?、后各增加一位起始位、一位停止位，用起始位和停止位來指示被傳輸字符的開始和結(jié)束，通常，起始位為一個碼元，極性為0，終止位為1-2個碼元，極性為1。在接收端，去除起、止位，中間就是被傳輸?shù)淖址?。接收端根?jù)“終止位”到“起始位”的跳變（“1”“0”）識別一個新的字符，從而區(qū)分一個個字符。這種傳輸技術由于增加了很多附加的起、止信號，因此傳輸效率不高,異步通信傳輸方式如圖2-11所示。圖2-11異步通信傳輸異步傳輸?shù)膬?yōu)點是：字符同步實現(xiàn)簡單，收發(fā)雙方的時鐘信號不需要精確的同步。缺點是：每個字符增加了2-3bit，降低了傳輸效率，適合1.2kb/s以下的數(shù)據(jù)傳輸。2同步傳輸同步傳輸（Synchronous)同步通信就是使接收端接收的每一位數(shù)據(jù)塊或一組字符都要和發(fā)送端準確地保持同步，在時間軸上，每個數(shù)據(jù)碼字占據(jù)等長的固定時間間隔，碼字之間一般不得留有空隙，前后碼字接連傳送，中間沒有間斷時間。收發(fā)雙方不僅保持著碼元（位）同步關系，而且保持著碼字（群）同步關系。如果在某一期間確實無數(shù)據(jù)可發(fā)，則需用某一種無意義碼字或位同步序列進行填充，以便始終保持不變的數(shù)據(jù)串格式和同步關系。否則，在下一串數(shù)據(jù)發(fā)送之前，必須發(fā)送同步序列（一般是在開始使用同步字符SYN“01101000”表示或一個同步字節(jié)“01111110”表示，并且在結(jié)束時使用同步字符或同步字節(jié)），以完成數(shù)據(jù)的同步傳輸過程,如圖2-12所示。圖2-12同步通信傳輸與異步傳輸相比，同步傳輸在技術實現(xiàn)上復雜，但不需要對每一個字符單獨加起、止碼元作為識別字符的標志，只是在一串字符的前后加上標志序列。因此，傳輸效率高，適合較高速率的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。同步與異步傳輸?shù)膮^(qū)別:⑴異步傳輸是面向字符的傳輸，而同步傳輸是面向比特的傳輸。⑵異步傳輸?shù)膯挝皇亲址絺鬏數(shù)膯挝皇菐?。⑶異步傳輸通過字符起止的開始和停止碼抓住再同步的機會，而同步傳輸則是以數(shù)據(jù)中抽取同步信息。⑷異步傳輸對時序的要求較低，同步傳輸往往通過特定的時鐘線路協(xié)調(diào)時序。⑸異步傳輸相對于同步傳輸效率較低。2.3數(shù)據(jù)的通信方式數(shù)據(jù)傳輸有幾種劃分方式：有基于數(shù)據(jù)信號類型進行劃分的，有基于同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位來劃分的，還有基于數(shù)據(jù)傳輸方向進行劃分的。在基于數(shù)據(jù)信號類型進行劃分時可劃分為基帶方式（BasebandTransmission）和寬帶方式（WidebandTransmission）。基帶方式用于數(shù)字信號傳輸，不需調(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號直接在信道上傳送。常用的傳輸介質(zhì)有雙絞線或同軸電纜，例如以太網(wǎng)；而寬帶模式用于無線電頻率范圍內(nèi)的模擬信號的傳輸，數(shù)字信號需調(diào)制成頻帶模擬信號后再傳送，接收方需要解調(diào)，常用的介質(zhì)有同軸電纜，如通過電話模擬信道傳輸和閉路電視的信號傳輸。2.3.1基帶傳輸在數(shù)字信號頻譜中，把直流（零頻）開始到能量集中的一段頻率范圍稱為基本頻帶，簡稱為基帶。因此，數(shù)字信號被稱為數(shù)字基帶信號，在信道中直接傳輸這種基帶信號就稱為基帶傳輸。基帶傳輸在傳輸數(shù)據(jù)時會占用整個信道，采用的是數(shù)據(jù)信號，雙向傳輸，就數(shù)字信號而言，它是一個離散的矩形波，“0”代表低電平，“1”代表高電平。一般來說，要將信源的數(shù)字信號經(jīng)過編碼，變換為可以傳輸?；鶐鬏斚到y(tǒng)安裝簡單、成本低，通信信道利用率低,由于在近距離范圍內(nèi)，基帶信號的功率衰減不大，從而信道容量不會發(fā)生變化，在2.5km的范圍內(nèi)，可以達到10Mb/s的傳輸速率，因此，在總線拓樸結(jié)構的局域網(wǎng)中通常使用基帶傳輸技術。2.3.2寬帶傳輸寬帶（Broadband）傳輸：將信道分成多個子信道，分別傳送音頻、視頻和數(shù)字信號，稱為寬帶傳輸。寬帶是比音頻帶寬更寬的頻帶，它包括大部分電磁波頻譜。使用這種寬頻帶傳輸?shù)南到y(tǒng)，稱為寬帶傳輸系統(tǒng).其通過借助頻帶傳輸，可以將鏈路容量分解成兩個或更多的信道，每個信道可以攜帶不同的信號，這就是寬帶傳輸。寬帶傳輸中的所有信道都可以同時發(fā)送信號。如CATV、ISDN等。寬帶是傳輸模擬信號，數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為0～400Mb／s，而通常使用的傳輸速率是5Mb／s～10Mb／s。它可以容納全部廣播，并可進行高速數(shù)據(jù)傳輸。寬帶傳輸系統(tǒng)多是模擬信號傳輸系統(tǒng)。寬帶傳輸與基帶傳輸相比有以下優(yōu)點：◆能在一個信道中傳輸聲音、圖像和數(shù)據(jù)信息，使系統(tǒng)具有多種用途；◆一條寬帶信道能劃分為多條邏輯基帶信道，實現(xiàn)多路復用，因此信道的容量大大增加；寬帶傳輸?shù)木嚯x比基帶遠，因為基帶傳輸直接傳送數(shù)字信號，傳輸?shù)乃俾试礁?，能夠傳輸?shù)木嚯x越短。寬帶傳輸(頻帶)采用75Ω的CATV電視同軸電纜或光纖作為傳輸媒體，帶寬為300MHz。2.4數(shù)據(jù)編碼技術在計算機中數(shù)據(jù)是以二進制0、1比特序列方式表示的，而計算機數(shù)據(jù)在傳輸中采用什么樣的編碼取決于它所采用的通信信道所支持的數(shù)據(jù)類型。計算機網(wǎng)絡中常用的通信信道分為兩類：模擬信道和數(shù)字信道。所謂的模擬信道指其上只能傳送模擬信號，也就是電流或電壓隨時間連續(xù)變化的信號。而數(shù)字信道指傳輸數(shù)字信號的信道，數(shù)字信號指電流或電壓不連續(xù)變化的信號，或叫離散信號。計算機發(fā)出的二進制數(shù)據(jù)信號就是典型的數(shù)字信號。既然通信信道分為模擬信道和數(shù)字信道。相應的用于數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)編碼也分為兩類：模擬數(shù)據(jù)編碼和數(shù)字數(shù)據(jù)編碼。為了實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡之間的遠程通信,必須首先根據(jù)不同類型的信道將不同類型的信號進行變換（數(shù)據(jù)編碼）才能夠在公共網(wǎng)上傳輸。這就要利用信號的調(diào)制與解調(diào)技術，這些信號調(diào)制技術主要用于調(diào)制解調(diào)器(Modem)中。2.4.1調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)在計算機網(wǎng)絡中有著十分重要的作用。調(diào)制與解調(diào)是通過稱為Modem(MODulater

DEModulater,簡稱Modem)的調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成能沿著電話線傳遞的模擬形式，在接收端由Modem將它轉(zhuǎn)換回數(shù)字信息。其中將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成模擬形式稱調(diào)制，將模擬形式轉(zhuǎn)換回數(shù)字信息稱為解調(diào)。信息經(jīng)調(diào)制解調(diào)器后上了“信息高速公踐”，世界各地的人們可以用電腦相互傳遞信息，達到了遠程通信的目的。實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號互換的設備稱作調(diào)制解調(diào)器(Modem)，在遠程系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)器如圖2-13所示。圖2-13

遠程系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)器1．調(diào)制解調(diào)器的作用⑴調(diào)制解調(diào)器（modem）包括兩部分調(diào)制器：把要發(fā)送的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為頻率范圍在300～3400Hz之間的模擬信號，以便在電話線上傳送。一般來說，信號源的信息（也稱為信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘?，因此必須把基帶信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€相對基帶頻率而言的頻率非常高的信號以適合于信道傳輸。這個信號叫做已調(diào)信號，而基帶信號叫做調(diào)制信號。調(diào)制是通過改變高頻載波即消息的載體信號的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化來實現(xiàn)的。調(diào)制可分為幅度調(diào)制（調(diào)幅）、頻移鍵控（調(diào)頻）和相移鍵控（調(diào)相）三種如圖2-14所示。圖2-14

數(shù)字調(diào)制的三種基本形式◆解調(diào)器：把電話用戶線上傳送來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。調(diào)制方式不同，解調(diào)方法也不一樣。與調(diào)制的分類相對應，解調(diào)可分為正弦波解調(diào)（有時也稱為連續(xù)波解調(diào)）和脈沖波解調(diào)。正弦波解調(diào)還可再分為幅度解調(diào)、頻率解調(diào)和相位解調(diào)，此外還有一些變種如單邊帶信號解調(diào)、殘留邊帶信號解調(diào)等。同樣，脈沖波解調(diào)也可分為脈沖幅度解調(diào)、脈沖相位解調(diào)、脈沖寬度解調(diào)和脈沖編碼解調(diào)等。對于多重調(diào)制需要配以多重解調(diào)。調(diào)制器的作用就是個波形變換器，它把基帶數(shù)字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ?。解調(diào)器的作用就是個波形識別器，它將經(jīng)過調(diào)制器變換過的模擬信號恢復成原來的數(shù)字信號。⑵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?！粢岣咝畔鬏斔俾?，只能設法提高信噪比。◆在電話的用戶線上，最大的噪聲來自模擬到數(shù)字的模數(shù)轉(zhuǎn)換所帶來的量化噪聲。2．正交調(diào)制為了滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對傳輸速率和帶寬提出的新要求。人們不斷地推出一些新的數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術。正交幅度調(diào)制解調(diào)(QAM，QuadratureAmplitudeModulation)就是一種高效的數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式。與其它調(diào)制技術相比，這種調(diào)制解調(diào)技術能充分利用帶寬，且具有抗噪聲能力強等優(yōu)點。因而在中、大容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)、有線電視網(wǎng)絡高速數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星通信等領域得到廣泛應用。正交幅度調(diào)制是一種在兩個正交載波上進行幅度調(diào)制的調(diào)制方式（采取幅度與相位相結(jié)合的方式）。這兩個載波通常是相位差為90度（π/2）的正弦波，因此被稱作正交載波。這種調(diào)制方式因此而得名。模擬信號的相位調(diào)制和數(shù)字信號的PSK可以被認為是幅度不變、僅有相位變化的特殊的正交幅度調(diào)制。由此，模擬信號頻率調(diào)制和數(shù)字信號FSK也可以被認為是QAM的特例，因為它們本質(zhì)上就是相位調(diào)制。QAM發(fā)射信號集可以用星座圖方便地表示。星座圖上每一個星座點對應發(fā)射信號集中的一個信號。設正交幅度調(diào)制的發(fā)射信號集大小為N，稱之為N-QAM。星座點經(jīng)常采用水平和垂直方向等間距的正方網(wǎng)格配置，當然也有其他的配置方式。數(shù)字通信中數(shù)據(jù)常采用二進制表示，這種情況下星座點的個數(shù)一般是2的冪。常見的QAM形式有16-QAM、64-QAM、256-QAM等。星座點數(shù)越多，每個符號能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱蟆５?，如果在星座圖的平均能量保持不變的情況下增加星座點，會使星座點之間的距離變小，進而導致誤碼率上升。因此高階星座圖的可靠性比低階要差。當對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求高過8-PSK能提供的上限時，一般采用QAM的調(diào)制方式。因為QAM的星座點比PSK的星座點更分散，星座點之間的距離因之更大，所以能提供更好的傳輸性能。但是QAM星座點的幅度不是完全相同的，所以它的解調(diào)器需要能同時正確檢測相位和幅度，不像PSK解調(diào)只需要檢測相位，這增加了QAM解調(diào)器的復雜性。同其它調(diào)制方式類似，QAM通過載波某些參數(shù)的變化傳輸信息。在QAM中，數(shù)據(jù)信號由相互正交的兩個載波的幅度變化表示，如圖2-15所示。r(r,)圖2-15正交調(diào)制QAM

3.數(shù)據(jù)的四種組和不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種組合如圖2-16所示，每一種組合相應地需要進行不同的編碼處理。⑴數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的模擬信號編碼⑵數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼⑶模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼⑷模擬數(shù)據(jù)的模擬信號編碼圖2-16信號在信道上傳輸?shù)?種形式2.4.2數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼要在模擬信道上傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，首先數(shù)字信號要對相應的模擬信號進行調(diào)制，即用模擬信號作為載波運載要傳送的數(shù)字數(shù)據(jù)。載波信號可以表示為正弦波形式：f(t)=Asin(ωt+φ)，其中幅度A、頻率ω和相位φ的變化均影響信號波形。因此，通過改變這三個參數(shù)可實現(xiàn)對模擬信號的編碼。相應的調(diào)制方式分別稱為幅度調(diào)制ASK、頻率調(diào)制FSK和相位調(diào)制PSK。結(jié)合ASK、FSK和PSK可以實現(xiàn)高速調(diào)制，常見的組合是PSK和ASK的結(jié)合。1.幅移鍵控(ASK)法

ASK(AmplitudeShiftKeying簡稱調(diào)幅)是使用載波頻率的兩個不同振幅來表示兩個二進制值，參見圖2-14(a)。在一般情況下，用振幅恒定載波的存在與否來表示兩個二進制字。ASK方式的編碼效率較低，容易受嘈音變化的影響，抗干擾性較差。在音頻電話線路上，一般只能達到1200b/s的傳輸速率。2.頻移鍵控(FSK簡稱調(diào)頻)法

FSK(FrequencyShiftKeying)是使用載波頻率附近的兩個不同頻率來表示兩個二進制值，參見圖2-14(b)。FSK比ASK的編碼效率高，不易受干擾的影響，抗干擾性較強。在音頻電話線路上的傳輸速率可以大于1200b/s。3.相移鍵控(PSK簡稱調(diào)相)法

PSK(PhaseShiftKeying)是使用載波信號的相位移動來表示二進制數(shù)據(jù)，參見圖2-14(c)。在PSK方式中，信號相位與前面信號序列同相位的信號表示0，信號相位與前面信號序列反相位的信號表示1。PSK方式也可以用于多相的調(diào)制，例如在四相調(diào)制中可把每個信號序列編碼為兩位。PSK方式具有很強的抗干擾能力，其編碼效率比FSK還要高。在音頻線路上傳輸速率可達9600b/s。數(shù)字調(diào)制的特點：數(shù)字調(diào)制信號的產(chǎn)生，除把數(shù)據(jù)的數(shù)字信號當作模擬信號的特例而直接采用模擬調(diào)制方式產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號外，還可以采用鍵控載波的方法。2.4.3數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼，就是要解決數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號表示問題，即通過對數(shù)字信號進行編碼來表示數(shù)據(jù)。數(shù)字數(shù)據(jù)為二進制數(shù)（0或1），數(shù)字信號為高電平或低電平進行傳輸，所以需要將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為高電平或低電平。數(shù)字信號編碼的工作由網(wǎng)絡上的硬件完成，常用的編碼方法有以下三種。1.不歸零碼NRZ（non-returntozero）不歸零碼又可分為單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼。圖2-17(a)所示為單極性不歸零碼：在每一碼元時間內(nèi)，無電壓表示數(shù)字“0”，有恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。每個碼元的中心是取樣時間，即判決門限為0.5：0.5以下為“0”，0.5以上為“1”。圖2-17(b)所示為雙極性不歸零碼：在每一碼元時間內(nèi)，以恒定的負電壓表示數(shù)字“0”，以恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。判決門限為零電平：0以下為“0”，0以上為“1”。tt00(a)(b)判決門限010100110010100110圖2-17

不歸零碼不歸零碼是指編碼在發(fā)送“0”或“1”時，在一碼元的時間內(nèi)不會返回初始狀態(tài)（零）。當連續(xù)發(fā)送“1”或者“0”時，上一碼元與下一碼元之間沒有間隙，使接收方和發(fā)送方無法保持同步。為了保證收、發(fā)雙方同步，往往在發(fā)送不歸零碼的同時，還要用另一個信道同時發(fā)送同步時鐘信號。計算機串口與調(diào)制解調(diào)器之間采用的是不歸零碼。常用－5V表示1，＋5V表示0。缺點：存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器；不具備自同步機制，必須使用外同步。2.歸零碼歸零碼是指編碼在發(fā)送“0”或“1”時，在一碼元的時間內(nèi)會返回初始狀態(tài)（零）如圖2-18所示。歸零碼可分為單極性歸零碼和雙極性歸零碼。圖2-18

歸零碼圖2-18(a)所示為單極性歸零碼：以無電壓表示數(shù)字“0”，以恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。與單極性不歸零碼的區(qū)別是：“1”碼發(fā)送的是窄脈沖，發(fā)完后歸到零電平。圖2-18(b)所示為雙極性歸零碼：以恒定的負電壓表示數(shù)字“0”，以恒定的正電壓表示數(shù)字“1”。與雙極性不歸零碼的區(qū)別是：兩種信號波形發(fā)送的都是窄脈沖，發(fā)完后歸到零電平。3.曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼也稱為自同步碼（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步機制，無需外同步信號。自同步碼是指編碼在傳輸信息的同時，將時鐘同步信號一起傳輸過去。這樣，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r就不必通過其它信道發(fā)送同步信號。局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通信常使用自同步碼，典型代表是曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼，如圖2-19所示。曼徹斯特（Manchester）編碼：在基帶數(shù)字信號的每一位的中間（1/2周期處）有一跳變，該跳變既作為時鐘信號（同步），又作為數(shù)據(jù)信號。從高到低的跳變表示數(shù)字“1”，從低到高的跳變表示數(shù)字“0”。差分曼徹斯特（DifferentManchester）編碼：每一位的中間（1/2周期處）有一跳變，但是，該跳變只作為時鐘信號（同步）。數(shù)據(jù)信號根據(jù)每位開始時有無跳變進行取值：有跳變表示數(shù)字“0”，無跳變表示數(shù)字“1”。缺點是：需要雙倍的傳輸帶寬（即信號速率是數(shù)據(jù)速率的2倍）。圖2-19

曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼2.4.4模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼最常用的方法是（PCMpulsecodemodlation）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最初并不是用來傳送計算機數(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過程主要由采樣、量化與編碼三個步驟組成。1.脈沖編碼調(diào)制的理論基礎（香農(nóng)采樣定理）若對連續(xù)變化的模擬信號進行周期性采樣，只要采樣頻率大于等于有效信號最高頻率或其帶寬的兩倍，則采樣值便可包含原始信號的全部信息，利用低通濾波器可以從這些采樣中重新構造出原始信號。2.PCM工作步驟采樣：根據(jù)采樣頻率，隔一定的時間間隔采集模擬信號的值，得到一系列模擬值，如圖2-20(a)所示。量化:將采樣得到的模擬值按一定的量化級（本例采用16級）進行"取整"，得到一系列離散值，如圖2-20(b)所示。編碼:將量化后的離散值數(shù)字化，得到一系列二進制值；然后將二進制值進行編碼，得到數(shù)字信號,如圖2-20(c)所示。圖2-20脈碼調(diào)制(PCM)原理2.4.5模擬數(shù)據(jù)的模擬信號編碼模擬數(shù)據(jù)經(jīng)由模擬信號傳輸時常用兩種調(diào)制技術是幅度調(diào)制和頻率調(diào)制。1.幅度調(diào)制幅度調(diào)制可簡稱為調(diào)幅也稱為幅移鍵控，（ASKamplitude-shiftkeying），通過改變輸出信號的幅度，來實現(xiàn)傳送信息的目的。一般在調(diào)制端輸出的高頻信號的幅度變化與原始信號成一定的函數(shù)關系，在解調(diào)端進行解調(diào)并輸出原始信號。2.頻率調(diào)制頻率調(diào)制可簡稱為調(diào)頻也稱為頻移鍵控（FSKfrequency-shiftkeying）是一種以載波的瞬時頻率變化來表示信息的調(diào)制方式。（與此相對應的調(diào)幅方式是透過載波幅度的變化來表示信息，而其頻率卻保持不變。）在模擬應用中，載波的頻率跟隨輸入信號的幅度直接成等比例變化。在數(shù)字應用領域，載波的頻率則根據(jù)數(shù)據(jù)序列的值作離散跳變，即所謂的頻率鍵控。2.5多路復用技術多路復用是指在一條物理信道上同時傳輸多路信息。信道復用的目的是讓不同的計算機連接到相同的信道上，以共享信道資源，如圖2-21所示。當建設一個通信網(wǎng)絡時，在長距離、大規(guī)模的線路鋪設是很昂貴的，而現(xiàn)有的傳輸介質(zhì)可能又沒有得到充分的利用。如一對電話線的通信頻帶一般在100KHz以上．而一路電話信號的頻帶一般在4KHz以下。因此，為了節(jié)約經(jīng)費，我們可以用共享技術，在一條傳輸介質(zhì)上傳輸多個信號,這樣就可以提高線路的利用率，降低網(wǎng)絡的成本。這種共享技術就是多路復用技術。優(yōu)點：◆僅需一條傳輸線路，可節(jié)省成本、安裝與維護費用?！魝鬏斁€路的容量得到充分的利用。圖2-21信道多路復用信道多路復用一般采用頻分多路復用（FDM）、時分多路復用（TDM）、波分多路復用（WDM）和碼分多址訪問四種技術。2.5.1頻分多路復用頻分多路復用（FrequencyDivisionMultiplexing簡稱FDM）

頻分多路復用（FrequencyDivisionMultiplexing簡稱FDM）是指當傳輸介質(zhì)的帶寬大于單個信號的要求時，為了有效地利用傳輸系統(tǒng)將多個信號同時在一條傳輸信道上傳輸?shù)募夹g叫多路復用。即幾個信號輸入一個多路復用器中，由這個多路復用器將每一個信號調(diào)制到不同的頻率，并且分配給每一個信號以它的載波頻率為中心的一定帶寬，稱為通道。為了避免干擾，用頻譜中末使用的部分作為保護帶來隔開每一個通道。在接收端，由相應的設備來恢復成原來的信號,如圖2-22所示。例如，有線電視臺使用頻分多路復用技術，將很多頻道的信號通過一條線路傳輸，用戶可以選擇收看其中的任何一個頻道。

頻率頻率頻率頻率時間頻率頻率圖2-22信道頻分多路復用和時分多路復用采用頻分多路復用技術時，輸入到多路復用器的信號既可以是數(shù)字信號，也可以是模擬信號。頻分多路復用舉例：如圖2-23所示，共有6路信號源輸入到多路復用器中，該多路復用器以不同的頻率調(diào)制每一個信號。每一路信號需要一個以它的載波顏率為中心的一定帶寬，圖2-23中的源1～源6便是對應于6路信號各自要求的帶寬，即6路信道。為了防止各路信道之間的干擾，相鄰的信道之間用保護帶隔離開。假設傳輸介質(zhì)的可用帶寬為80MHz，每路信號帶寬為12MHz。如果采用FDM同時傳輸這6路信號，則各路信號帶寬的分配情況如下所示：源1=0～12MHz，源2=13～25MHz，源3=26～38MHz，源4=39～51MHz，源5=52～64MHz，源6=65～77MHz其中各路信道之間的保護帶寬為1MHz。當攜帶多路信號的載波通過傳輸介質(zhì)傳送到另一端的多路復用器后，再還原成各個單路信號，輸出到各自對應的輸出線上。圖2-23頻分多路復用示意圖2.5.2時分多路復用時分多路復用（TimeDivisionMultiplexing簡稱TDM）是指當傳輸介質(zhì)的位傳輸率大于單個信號的要求時，為有效地利用傳輸系統(tǒng)，將一條物理信道按時間分成若干個時間片輪流地分配給多個信號使用。每一時間片由復用的一個信號占用，這樣，利用每個信號在時間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個多個數(shù)字化數(shù)據(jù)、語音和視頻信號等的技術如圖2-24所示。其中，可以確定每個信道何時使用線路的時分復用方式稱之為“同步時分多路通信”（STDM）；反之則稱為“異步時分多路通信”（ATDM）。時分多路復用常用于基帶網(wǎng)絡中。(a)TDM子信道示意圖(b)TDM原理圖2-24時分多路復用時分多路復用TDM不僅局限于傳輸數(shù)字信號，也可同時交叉?zhèn)鬏斈M信號。時分多路復用又分為同步時分（SynchronousTimedivisionMultiplexing,STDM）和異步時分(AsysnchronousTimeDivisionMultiplexing,ATDM)同步TDM特點：時間片固定分配，適合固定速率傳輸。異步TDM特點：時間片按需分配，適合可變速率傳輸。1.同步時分復用在同步時分多路復用中，時間片是預先分配好的，而且是固定不變的，即每個時間片與一個信號源對應，而不管此時是否有信息發(fā)送。在接收端，根據(jù)時間片序號可判斷出是哪一路信號。同步時分多路復用原理如圖2-25所示。圖2-25同步時分多路復用原理2.異步時分復用而異步時分與同步時分有所不同，異步時分復用技術又被稱為統(tǒng)計時分復用技術，它能動態(tài)地按需分配時隙，以避免每個時隙段中出現(xiàn)空閑時隙。異步時分在分配時隙時是不固定的，而是只給想發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送端分配其時隙段，當用戶暫停發(fā)送數(shù)據(jù)時，則不給它分配時隙,如下圖2-26所示。圖2-26異步時分多路復用3.時分復用的應用當使用頻分復用時占有不同頻帶的多路信號合在一起在同一信道中傳輸，各路頻帶間要有防護頻帶；而時分復用則使占有不同時隙的多路信號合在一起在同一信道中傳輸，各路時隙間要有防護時隙。時分復用的典型例子：PCM（PulseCodeModulation，脈碼調(diào)制）信號的傳輸，把多個話路的PCM話音數(shù)據(jù)用TDM的方法裝成幀（幀中還包括幀同步信息和信令信息），每幀在一個時間片內(nèi)發(fā)送，每個時隙承載一路PCM信號。2.5.3波分多路復用所謂波分多路復用（WaveDivisionMultiplexing簡稱WDM），是指在一根光纖上同時傳輸多個波長不同的光載波。即整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍，每個用戶占用一個波長范圍來進行傳輸。實際上WDM是FDM的一個變種，用于光纖信道。如圖2-27表示8路傳輸速率均為2.5Gbit/s的光載波(其波長均為1310nm)，經(jīng)光的調(diào)制后，分別將波長變換到1550～1557nm，每個光載波相隔1nm(這里只是為了說明問題的方便，實際上光載波的間隔一般是0.8或1.6nm)。圖2-27波分復用1.波分多路復用的工作原理WDM和FDM基本上都基于相同原理，所不同的是WDM應用于光纖信道上的光波傳輸過程，如圖2-28所示：要傳輸?shù)墓獠ǖ牟ㄩL（頻率）是不同的，它們通過合波器（通常是棱鏡或光柵）后，就可使用一條共享的光纖傳輸，到達目的地結(jié)點后，再經(jīng)過分波器（棱鏡或光柵）分成多束光波。圖2-28

波分多路復用工作原理信道n信道2信道1信道n信道2信道1光源λ2光源λnλ1、λ2···λn光源λ1分波器光源λn合波器光源λ1光源λ22.波分復用的技術特點（1）可靈活增加光纖傳輸容量波分復用技術可充分利用光纖的低損耗波段，增加光纖的傳輸容量，使一根光纖傳送信息的物理限度增加一倍至數(shù)倍。對已建光纖系統(tǒng)，尤其早期鋪設的芯數(shù)不多的光纜，只要原系統(tǒng)有功率余量，可進一步增容，實現(xiàn)多個單向信號或雙向信號的傳送而不用對原系統(tǒng)作大改動。具有較強的靈活性。（2）同時傳輸多路信號波分復用技術使得在同一根光纖中傳送2個或多個非同步信號成為可能，有利于數(shù)字信號和模擬信號的兼容。而且與數(shù)據(jù)速率和調(diào)制方式無關，在線路中間可以靈活取出或加入信道。（3）成本低、維護方便由于大量減少了光纖的使用量，大大降低建設成本。由于光纖數(shù)量少，當出現(xiàn)故障時，恢復起來也迅速方便。（4）可靠性高，應用廣泛由于系統(tǒng)中有源設備大幅減少，這樣就提高了系統(tǒng)的可靠性。目前由于多路載波的波分復用對光發(fā)射機、光接收機等設備要求較高，技術實施有一定難度。但是隨著有線電視綜合業(yè)務的開展，對網(wǎng)絡帶寬需求的日益增長，各類選擇性服務的實施、網(wǎng)絡升級改造經(jīng)濟費用的考慮等，光波復用的特點和優(yōu)勢在CATV傳輸系統(tǒng)中逐漸顯現(xiàn)出來，表現(xiàn)出廣闊的應用前景，甚至將影響CATV網(wǎng)絡的發(fā)展格局。2.5.4碼分多路復用1.碼分多路復的概念碼分多路復用（CodeDivisionMultipleAccess簡稱CDMA）又稱碼分多址是指基于碼型分割信道，即每個用戶分配一個地址碼，且這些碼型互不重復。其特點是頻率與時間均可共享。在CDMA通信系統(tǒng)中，不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來區(qū)分，而是用各自不同的編碼序列來區(qū)分。在CDMA中，每個比特時間又再分成m個碼片，每個站分配一個唯一的m比特碼序列，當某個站欲發(fā)送“1”時，它在信道中發(fā)送它的碼片序列，當欲發(fā)送“0”時，它就發(fā)送它的碼片序列的反碼。如圖2-29所示。圖2-29碼分多路復用的示意圖例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列00011011，發(fā)送比特0時，就發(fā)送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)2.CDMA特點：①在CDMA中：不同用戶需要不同的碼片序列；②碼片序列不同且要求正交；③任何一個碼片向量的規(guī)格化內(nèi)積為1④碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積為-1⑤碼片序列的實現(xiàn)：◆電信號：擴頻信號◆光信號：光碼分復用技術3.碼片序列的正交關系令向量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：(2-7)4.碼片序列的正交關系舉例令向量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(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。正交關系的另一個重要特性:◆任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。(2-8)◆一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是–1。5.CDMA的工作原理就是各站發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)的各個碼元擴展為自己的m個碼片，形成擴頻信號(比如S’站的擴頻信號為S’x,T站的擴頻信號為Tx)，然后再發(fā)送。顯然各站發(fā)送的擴頻信號只包含互為反碼的兩種碼片序列。由于所有的站都使用相同的頻率，所以每一個站都能收到所有的站發(fā)送的擴頻信號，即所有的站收到的都是疊加的信號，S’x+Tx+…。當接收站打算接收S’站發(fā)送的信號時，就用S’站的碼片序列與收到的信號求規(guī)格化內(nèi)積，這就相當于分別計算S’·S’x和S’·Tx等，然后求它們的和。顯然，S·Tx等均為零，S’·S’x就是S站發(fā)送的數(shù)據(jù)比特。舉例：2-3共有4個站進行碼分多址通信。4個站的碼片序列為A：（－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1）B：（－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1）C：（－1＋1－1＋1＋1＋1－1－1）D：（－1＋1－1－1－1－1＋1－1）現(xiàn)收到這樣的碼片序列S：（－1＋1－3＋1－1－3＋1＋1）。問哪個站發(fā)送數(shù)據(jù)了？發(fā)送數(shù)據(jù)的站發(fā)送的是0還是1？解：S·A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8=1，

A發(fā)送1S·B=（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8=－1，

B發(fā)送0S·C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8=0，

C無發(fā)送S·D=（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8=1，

D發(fā)送12.6數(shù)據(jù)交換技術最初的數(shù)據(jù)通信是在物理上兩端直接相連的設備間進行的，隨著通信的設備的增多、設備間距離的擴大，這種每個設備都直連的方式是不現(xiàn)實的。兩個設備間的通信需要一些中間結(jié)點來過渡，我們稱這些中間結(jié)點為交換設備。這些交換設備并不需要處理經(jīng)過它的數(shù)據(jù)的內(nèi)容，只是簡單地把數(shù)據(jù)從一個交換設備傳到下一個交換設備，直到數(shù)據(jù)到達目的地。這些交換設備以某種方式互相連接成一個通信網(wǎng)絡，從某個交換設備進入通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通過從交換設備到交換設備的轉(zhuǎn)接、交換被送達目的地如圖2-30所示。通常使用三種交換技術：電路交換、報文交換和分組交換。圖2-30數(shù)據(jù)交換示意圖2.6.1電路交換電路交換(circuitswitching)技術即在通信兩端設備之間，通過—個一個交換設備的線路連接，實際建立了一條專用的物理線路，在該連接被拆除前，這兩端的設備單獨占用該線路進行數(shù)據(jù)傳輸。電話系統(tǒng)采用了線路交換技術。通過一個一個交換機中的輸入線與輸出線的物理連接，在呼叫電話和接收電話間建立了一條物理線路。通話雙方可以一直占有這條線路通話。通話結(jié)束后，這些交換機中的輸入線與輸出線路斷開，物理線路被切斷，如下圖2-31(a)所示。電路交換的優(yōu)點為：⑴由于通信線路為通信雙方用戶專用，數(shù)據(jù)直達，所以傳輸數(shù)據(jù)的時延非常小。⑵通信雙方之間的物理通路一旦建立，雙方可以隨時通信，實時性強。⑶雙方通信時按發(fā)送順序傳送數(shù)據(jù)，不存在失序問題。⑷電路交換既適用于傳輸模擬信號，也適用于傳輸數(shù)字信號。⑸電路交換的交換設備（交換機等）及控制均較簡單。電路交換的缺點為：⑴建立連接將跨多個設備或線纜，則會需要花費很長的時間。⑵連接建立后，由于線路是專用的，即使空閑，也不能被其它設備使用造成一定的浪費。⑶對通信雙方而言，必須做到雙方的收發(fā)速度、編碼方法、信息格式和傳輸控制等一致才能完成通信。2.6.2

報文交換報文交換(messageswitching)技術是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術，它不在通信兩端設備間建立一條物理線路。發(fā)送設備將發(fā)送的信息作為一個整體(又被稱為報文)，并附加上目的地地址，交給交換設備。交換設備接收該報文，暫時存儲該報文，等到有合適的輸出線路時把該報文轉(zhuǎn)發(fā)給下一個交換設備。當路由器接收到報文以后會對報文進行處理，查看其目的地址路由器會用路由算法進行計算算出到達目的地的最佳路徑后將報文送往下一跳路由器，經(jīng)過若干個交換設備的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)后，該報文到達目的地如圖2-31(b)所示。報文交換技術適用于非實時的通信系統(tǒng)，如公共電報收發(fā)系統(tǒng)。(a)電路交換(b)報文交換圖2-31電路交換和報文交換報文交換的優(yōu)點為：⑴線路的利用率較高。許多報文可以分時共享交換設備間的線路。⑵當接收端設備不可用時，可暫時由交換設備保存報文,報文在傳輸時對報文的大小沒有限制。⑶在線路交換網(wǎng)中，當通信量變得很大時，某些連接會被阻塞，即網(wǎng)絡在其負荷降下來之前，不再接收更多的請求。而在報文交換網(wǎng)絡中，卻仍然可以接收報文，只是傳送延遲會增加。⑷能夠建立報文優(yōu)先級。可以把暫存在交換設備里的許多報文重新安排先后順序，優(yōu)先級高的報文先轉(zhuǎn)發(fā)，減少高優(yōu)先級報文的延遲。⑸交換設備能夠復制報文副本，并把每一個拷貝送到多個所需的目的地。⑹報文交換網(wǎng)可以進行速率和碼型的轉(zhuǎn)換。利用交換設備的緩沖作用，可以解決不同數(shù)據(jù)傳輸率的設備的連接。交換設備也可以很容易地轉(zhuǎn)換各種編碼格式，如從ASCII碼轉(zhuǎn)換為EBCDIC碼。報文交換的缺點為：⑴由于數(shù)據(jù)進入交換結(jié)點后要經(jīng)歷存儲、轉(zhuǎn)發(fā)這一過程，從而引起轉(zhuǎn)發(fā)時延（包括接收報文、檢驗正確性、排隊、發(fā)送時間等），而且網(wǎng)絡的通信量愈大，造成的時延就愈大，因此報文交換的實時性差，不適合傳送實時或交互式業(yè)務的數(shù)據(jù)。⑵報文交換只適用于數(shù)字信號。⑶由于報文長度沒有限制，而每個中間結(jié)點都要完整地接收傳來的整個報文，當輸出線路不空閑時，還可能要存儲幾個完整報文等待轉(zhuǎn)發(fā)，要求網(wǎng)絡中每個結(jié)點有較大的緩沖區(qū)。為了降低成本，減少結(jié)點的緩沖存儲器的容量，有時要把等待轉(zhuǎn)發(fā)的報文存在磁盤上，進一步增加了傳送時延。2.6.3

分組交換分組交換(PacketSwitching)又稱報文分組交換，或包交換，分組交換是報文交換的一種改進，它將報文分成若干個分組，每個分組的長度有一個上限，有限長度的分組使得每個結(jié)點所需的存儲能力降低了，分組可以存儲到內(nèi)存中，提高了交換速度。它適用于交互式通信，如終端與主機通信。分組交換有數(shù)據(jù)報(datagram)分組交換和虛電路(virtualcircuit)分組交換如圖2-32所示。它是計算機網(wǎng)絡中使用最廣泛的一種交換技術。(a)虛電路交換(b)數(shù)據(jù)報交換圖2-32報文分組交換⒈虛電路分組交換原理與特點在虛電路分組交換中，為了進行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡的源結(jié)點和目的結(jié)點之間要先建一條邏輯通路。每個分組除了包含數(shù)據(jù)之外還包含一個虛電路標識符。在預先建好的路徑上的每個結(jié)點都知道把這些分組引導到哪里去，不再需要路由選擇判定。最后，由某一個站用清除請求分組來結(jié)束這次連接。它之所以是“虛”的，是因為這條電路不是專用的。虛電路分組交換的主要特點是：在數(shù)據(jù)傳送之前必須通過虛呼叫設置一條虛電路。但并不像電路交換那樣有一條專用通路，分組在每個結(jié)點上仍然需要緩沖，并在線路上進行排隊等待輸出。⒉數(shù)據(jù)報分組交換原理與特點在數(shù)據(jù)報分組交換中，每個分組的傳送是被單獨處理的。每個分組稱為一個數(shù)據(jù)報，每個數(shù)據(jù)報自身攜帶足夠的地址信息。一個結(jié)點收到一個數(shù)據(jù)報后，根據(jù)數(shù)據(jù)報中的地址信息和結(jié)點所儲存的路由信息，找出一個合適的出路，把數(shù)據(jù)報原樣地發(fā)送到下一結(jié)點。由于各數(shù)據(jù)報所走的路徑不一定相同，因此不能保證各個數(shù)據(jù)報按順序到達目的地，有的數(shù)據(jù)報甚至會中途丟失。整個過程中，沒有虛電路建立，但要為每個數(shù)據(jù)報做路由選擇。分