知識(shí)匯總系列！數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

一.基礎(chǔ)概念

1.信號(hào)(signal)

信息(information)是事物現(xiàn)象及其屬性標(biāo)識(shí)的集合，它是對(duì)不確定性的消除。數(shù)據(jù)(data)是攜帶信息的載體。信號(hào)(signal)是數(shù)據(jù)的物理表現(xiàn)，如電氣或電磁。

根據(jù)信號(hào)中代表消息的參數(shù)的取值方式不同，信號(hào)可以分為兩大類(lèi)：

(1)模擬信號(hào)：連續(xù)信號(hào)，代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。

(2)數(shù)字信號(hào)：離散信號(hào)，代表消息的參數(shù)的取值是離散的。

2.頻率(frequency)

物理學(xué)中的頻率是單位時(shí)間內(nèi)完成振動(dòng)的次數(shù)，是描述振動(dòng)物體往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻繁程度的量。信號(hào)通信中的頻率往往是描述周期性循環(huán)信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所出現(xiàn)的脈沖數(shù)量多少的計(jì)量。頻率常用符號(hào)f或v表示，單位為赫茲(秒-1)。常用單位換算：1kHz=1000Hz，1MHz=1000kHz，1GHz=1000MHz。

人耳聽(tīng)覺(jué)的頻率范圍約為20~20000Hz，超聲波不為人耳所覺(jué)察;人的視覺(jué)停留大概是1/24秒，故影視幀率一般為24~30fps;中國(guó)電源是50Hz的正弦交流電，即一秒鐘內(nèi)做了50次周期性變化;GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))系統(tǒng)包括 GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及 GSM1900：1900MHz等幾個(gè)頻段;WiFi(802.11b/g)和藍(lán)牙(bluetooth)的工作頻段為2.4GHz。

3.信號(hào)帶寬(Signal Bandwidth)

信號(hào)帶寬即信號(hào)頻譜的寬度，它是指信號(hào)中包含的頻率范圍，取值為信號(hào)的最高頻率與最低頻率之差。例如對(duì)絞銅線為傳統(tǒng)的模擬電話(huà)提供300～3400Hz的頻帶，即電話(huà)信號(hào)帶寬為3400-300=3100Hz。

4.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(Data Communication System)

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可劃分為三大組成部分：

(1)信源(源系統(tǒng)：發(fā)送端、發(fā)送方)

(2)信道(傳輸系統(tǒng)：傳輸網(wǎng)絡(luò))

(3)信宿(目的系統(tǒng)：接收端、接收方)

5.信道帶寬(Channel Bandwidth)

信道是指通信系統(tǒng)中傳輸信號(hào)的通道，信道包括通信線路和傳輸設(shè)備。根據(jù)信道使用的傳輸介質(zhì)可分為有線信道和無(wú)線信道;根據(jù)適合傳輸?shù)男盘?hào)類(lèi)型可分為模擬信道和數(shù)字信道。

信道帶寬是指信道上允許傳輸電磁波的有效頻率范圍。模擬信道的帶寬等于信道可以傳輸?shù)男盘?hào)頻率上限和下限之差，單位是Hz。數(shù)字信道的帶寬一般用信道容量表示，信道容量是信道允許的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位是比特/秒(bit/s，bps)，單位換算：1kbps=1000bps，1Mbps=1000kbps。

(1)數(shù)據(jù)傳輸速率

數(shù)據(jù)傳輸速率即單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)腷it位數(shù)：R = log2N/T。

R—數(shù)據(jù)傳輸速率

T—信號(hào)碼元周期(秒)

N—信號(hào)碼元狀態(tài)數(shù)，也稱(chēng)相位數(shù)，log2N為需要的編碼所需bit位數(shù)。

1/T稱(chēng)為波特率，也稱(chēng)為調(diào)制速率，是單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)碼元的變換數(shù)，單位是波特(Baud)。

例：在一個(gè)頻帶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信系統(tǒng)中采用16相位調(diào)制編碼，信號(hào)碼元周期長(zhǎng)度為1/3200s，求該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率?

解：16相位調(diào)制編碼，意即有16種碼元狀態(tài)，需要log216=4bit進(jìn)行編碼(即8421BCD碼)。信號(hào)碼元周期長(zhǎng)度為1/3200s，波特率為3200，即每秒調(diào)制3200個(gè)碼元，故數(shù)據(jù)傳輸速率為3200*4=12800kbps。

(2)信道容量遵循香農(nóng)定理：C = B·log2(1+S/N)(bps)

C為信道容量

B為信道頻帶寬

S為平均信號(hào)功率

N為平均噪聲功率

S/N為信道的信噪功率比，信噪比一般用10log10(S/N)表示，單位為分貝(dB)。

例：求傳統(tǒng)電話(huà)調(diào)制解調(diào)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

解：電話(huà)連接支持的頻率范圍為300~3300Hz，則B=3300Hz-300Hz=3000Hz，而一般鏈路的典型信噪比是30dB，即S/N=1000，因此有C=3000×log2(1001)，近似等于30Kbps，實(shí)測(cè)調(diào)制解調(diào)速率極限一般為28.8Kbps左右。

(3)信道容量的極限

在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_問(wèn)題。碼間串?dāng)_就是前后碼元由于信道中噪聲的影響造成前一碼元的拖尾過(guò)長(zhǎng)與后一碼元發(fā)生混疊，使得在接收端無(wú)法識(shí)別各個(gè)數(shù)字信號(hào)。

1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元傳輸速率的上限值。

在理想低通信道下的最高碼元傳輸速率的公式：

理想低通信道下的最高碼元傳輸速率=2W Baud

(1)W是理想低通信道的帶寬，單位為赫茲;

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

奈氏準(zhǔn)則的另一種表達(dá)方法是：每赫茲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。若碼元的傳輸速率超過(guò)了奈氏準(zhǔn)則所給出的數(shù)值，則將出現(xiàn)碼間串?dāng)_，以致于在接收端無(wú)法正確判定碼元是1還是0。

6.基帶與寬帶(Baseband and Broadband)

基帶是指數(shù)字脈沖信號(hào)所固有的頻帶。

寬帶源于電話(huà)業(yè)，以固話(huà)工作頻率(近似4kHz)為分界，攜載信號(hào)頻率超過(guò)固話(huà)工作頻率的頻帶稱(chēng)為寬帶。

二.時(shí)序與頻率

1.數(shù)字邏輯電路

數(shù)字電子電路中傳遞的是脈沖，這些脈沖是用來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)碼的，例如用高電平表示1，低電平表示0。聲音圖像文字等信息經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后變成了一串串電脈沖，它們被稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)。能處理數(shù)字信號(hào)的電路就稱(chēng)為數(shù)字電路(Digital Circuit)。

因?yàn)殡娐分械?和0還具有邏輯意義，例如邏輯1和邏輯0可以分別表示電路的接通和斷開(kāi)、事件的是和否、邏輯推理的真和假等等。電路的輸出和輸入之間是一種邏輯關(guān)系。這種電路除了能進(jìn)行二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算外還能完成邏輯運(yùn)算和具有邏輯推理能力，所以又把它叫做邏輯電路(Logic Circuit)。

由于數(shù)字邏輯電路(Digital Logic Circuit)有易于集成、傳輸質(zhì)量高、有運(yùn)算和邏輯推理能力等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、通信、測(cè)量等領(lǐng)域。一般家電產(chǎn)品中，如定時(shí)器、告警器、控制器、電子鐘表、電子玩具等都要用數(shù)字邏輯電路。

2.計(jì)算機(jī)時(shí)序和處理器頻率

計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)規(guī)模龐大的高集成數(shù)字邏輯電路。計(jì)算機(jī)中一條指令的執(zhí)行可以分解為若干基本微操作，這些微操作是在計(jì)算機(jī)提供的時(shí)鐘脈沖信號(hào)作用下，嚴(yán)格按照時(shí)間的先后順序執(zhí)行的，這些次序就是計(jì)算機(jī)的時(shí)序。時(shí)序研究的是指令執(zhí)行中各個(gè)信號(hào)的關(guān)系。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作需要統(tǒng)一步調(diào)，就像人們工作生活一樣，參照一定的時(shí)間規(guī)律作息，計(jì)算機(jī)中也需要這樣的時(shí)鐘。計(jì)算機(jī)的石英時(shí)鐘是由石英晶振與振蕩集成電路共同產(chǎn)生時(shí)鐘振蕩，它是計(jì)算機(jī)的脈搏。這個(gè)晶振是32768Hz，即32.768KHz(千赫茲)。我們平時(shí)看到的電腦時(shí)間，就是由它分頻產(chǎn)生的。另外，還有一只晶振為14.318MHz，通過(guò)倍頻電路倍頻后提供CPU外頻PCI總線、RAM等工作所需要的頻率。

CPU的主頻即CPU內(nèi)核工作的時(shí)鐘頻率(CPU Clock Speed)。通常所說(shuō)的某某CPU是多少兆赫的，而這個(gè)多少兆赫就是“CPU的主頻”。很多人認(rèn)為CPU的主頻就是其運(yùn)行速度，其實(shí)不然。CPU的主頻表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度，現(xiàn)在主流CPU主頻都在2GHz左右。CPU的主頻與其實(shí)際的運(yùn)算能力并沒(méi)有直接關(guān)系。

三.信號(hào)數(shù)字化

當(dāng)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本上都是采用萊布尼茲二進(jìn)制，信號(hào)只有經(jīng)過(guò)離散數(shù)字化(即我們通常提及的模數(shù)轉(zhuǎn)換)才能交由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做分析處理。

1.采樣

在一定條件下，一個(gè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)完全可以用該信號(hào)在等時(shí)間間隔點(diǎn)上的值或樣本來(lái)表示，并且可以依據(jù)這些樣本值把該信號(hào)完全恢復(fù)出來(lái)。把時(shí)域或空域的連續(xù)量轉(zhuǎn)化成離散量的過(guò)程成為采樣(sampling)，也稱(chēng)抽樣或取樣。例如電影就是由一組幀組成，其中每一幀代表著連續(xù)變化景象中的一個(gè)瞬時(shí)畫(huà)面(也即時(shí)間樣本)。

采樣的重要性在于它在連續(xù)時(shí)間信號(hào)和離散時(shí)間信號(hào)之間所起的橋梁作用，它提供了一種用離散時(shí)間序列來(lái)表示連續(xù)時(shí)間信號(hào)的理論基礎(chǔ)。在使用時(shí)域的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形稱(chēng)為碼元。使用二進(jìn)制編碼時(shí)，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態(tài)，另一種代表1狀態(tài)。

2.信號(hào)采樣

多個(gè)信號(hào)在T的整數(shù)倍數(shù)時(shí)刻點(diǎn)上，它們可能有完全相同的值，即x1(kT)= x2(kT)= x3(kT)。很明顯，無(wú)限多個(gè)信號(hào)都可以產(chǎn)生一組給定的樣本值。例如，當(dāng)電影幀率不足24fps(即一秒鐘拍攝的鏡頭不足24個(gè))時(shí)，播放時(shí)將不流暢。幀間突變不能較好的復(fù)現(xiàn)原始影像，使觀眾感覺(jué)失真。從采樣的角度分析就是欠采樣，兩幀之間缺失太多信息，以至于過(guò)度不平滑，讓觀眾遐想無(wú)限。

如果一個(gè)信號(hào)是帶限的(即它的傅里葉變換在某一有限頻帶范圍以外均為零)，并且它的樣本取得足夠密(相對(duì)于信號(hào)中的最高頻率而言)，那么這些樣本值就能唯一地用來(lái)表征這一信號(hào)，并且能從這些樣本中把信號(hào)完全恢復(fù)出來(lái)。1928年，美國(guó)電氣工程師奈奎斯特研究發(fā)現(xiàn)，若要使原波形不產(chǎn)生“半波損失”，采樣頻率至少應(yīng)為信號(hào)最高頻率的兩倍，這就是著名的奈奎斯特采樣定理。奈奎斯特采樣定理闡述了采樣頻率與信號(hào)頻譜之間的關(guān)系，是連續(xù)信號(hào)離散化的基礎(chǔ)。

美國(guó)、日本用的是NTSC制式，NTSC制式早期使用了60幀隔行的方法，即每60分之一秒內(nèi)播放半幀畫(huà)面，后期進(jìn)入數(shù)字電視時(shí)代后改為30幀逐行的方式，即每1/30秒播放一幅畫(huà)面。我國(guó)的電視標(biāo)準(zhǔn)用的是PAL制式，采用了50幀隔行或25幀逐行的顯示方式。

家用固定電話(huà)的語(yǔ)音信號(hào)所占頻率范圍是300~3400Hz，取最高4kHz。根據(jù)采樣定理，需要8kHz的采樣頻率，相當(dāng)于采樣周期T=125us。連續(xù)的電話(huà)信號(hào)經(jīng)采樣后成為每秒8000個(gè)離散脈沖信號(hào)，其振幅對(duì)應(yīng)于采樣時(shí)刻電話(huà)信號(hào)的數(shù)值。假定用8位二進(jìn)制數(shù)(256狀態(tài))對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化編碼，則數(shù)據(jù)速率為8bit*8000Hz=64kbit/s。這個(gè)速率便是最早制定出的話(huà)音編碼的標(biāo)準(zhǔn)速率，數(shù)字電話(huà)調(diào)制解調(diào)速率一般為56kbps左右。

3.信號(hào)重建

從信號(hào)的樣本來(lái)重建信號(hào)涉及到內(nèi)插技術(shù)。內(nèi)插也就是用一連續(xù)信號(hào)對(duì)一組樣本值的擬合，是常用的由樣本值來(lái)重建某一函數(shù)的過(guò)程。簡(jiǎn)單的內(nèi)插包括零階保持和線性?xún)?nèi)插，在更為復(fù)雜的內(nèi)插方法中，樣本點(diǎn)之間可以采用高階多項(xiàng)式或其他的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)擬合，這一過(guò)程屬于數(shù)學(xué)建模的范疇。

四.數(shù)據(jù)編碼

1.編碼與譯碼

編碼是指把需要加工處理的數(shù)據(jù)庫(kù)信息，用特寫(xiě)的數(shù)字來(lái)表示的一種技術(shù)，是根據(jù)一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)的定性特征，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為代碼或編碼字符，在數(shù)據(jù)傳輸中表示數(shù)據(jù)組成，并作為傳送、接受和處理的一組規(guī)則和約定。編碼通常是一種較多輸入經(jīng)量化變成較少輸出(碼組)的過(guò)程。

譯碼或解碼是編碼的逆過(guò)程，同時(shí)去掉比特流在傳播過(guò)程中混入的噪聲。利用譯碼表把文字譯成一組組數(shù)碼或用譯碼表將代表某一項(xiàng)信息的一系列信號(hào)譯成文字的過(guò)程稱(chēng)之為譯碼。譯碼通常是一種較少輸入變?yōu)檩^多輸出的過(guò)程，一般分為2n譯碼和8421BCD碼譯碼兩類(lèi)。

摩爾斯電報(bào)碼是一種時(shí)通時(shí)斷的信號(hào)代碼，通過(guò)不同的排列順序來(lái)表達(dá)不同的英文字母、數(shù)字和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。摩爾斯電碼是一種早期的數(shù)字化通信形式，但是它不同于現(xiàn)代只使用零和一兩種狀態(tài)的二進(jìn)制代碼，它的代碼包括五種：點(diǎn)，劃，每個(gè)字符間短的停頓，每個(gè)詞之間中等的停頓，以及句子之間長(zhǎng)的停頓。美標(biāo)ASCII碼是一種規(guī)定了用從0到127的128個(gè)數(shù)字來(lái)代表信息的規(guī)范編碼，電腦中的一個(gè)字符用一個(gè)八位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)字即可表示：log2128=8。

2.調(diào)制與解調(diào)

來(lái)自源的信號(hào)常稱(chēng)為基帶信號(hào)，即基本頻帶信號(hào)。計(jì)算機(jī)輸出的代表各種媒體的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)?；鶐盘?hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問(wèn)題，就必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。

調(diào)制可分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是僅僅對(duì)基帶信號(hào)的波形進(jìn)行變換，使它能夠與信道特性相適應(yīng)，這類(lèi)調(diào)制稱(chēng)為基帶調(diào)制，變換后的信號(hào)仍然是基帶信號(hào)。另一類(lèi)則需要使用載波(carrier)進(jìn)行調(diào)制，把基帶信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸。經(jīng)過(guò)載波調(diào)制后的信號(hào)稱(chēng)為帶通信號(hào)(即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過(guò)信道)，而使用載波的調(diào)制稱(chēng)為帶通調(diào)制。

接收一串?dāng)?shù)據(jù)位，并根據(jù)這些位串調(diào)制載波的硬件稱(chēng)為調(diào)制器(modulator)，有的場(chǎng)合也稱(chēng)作合成器(synthesizer);而接收載波并恢復(fù)調(diào)制在載波上的數(shù)據(jù)的各二進(jìn)制位的硬件稱(chēng)為解調(diào)器(demodulator)，有的場(chǎng)合也稱(chēng)作分離器(splitter);。在全雙工通信中，任何一端既需要發(fā)送調(diào)制也需要接收解調(diào)，因此往往合二為一為一個(gè)調(diào)制解調(diào)器(modem)。

調(diào)制是一種信號(hào)嵌入合成技術(shù);解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行分離提取。

3.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼

基帶信號(hào)將數(shù)字信號(hào)1或0直接用兩種不同的電壓(跳變)來(lái)表示，然后送到線路上去傳輸，這種傳輸方式相應(yīng)稱(chēng)為基帶傳輸。基帶傳輸涉及到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼。

數(shù)字信號(hào)一般只有2種狀態(tài)，0或1，可使用開(kāi)關(guān)變量(高低電壓)或電壓跳變(差分)來(lái)編碼表示。

3.1.非歸零編碼(NRZ)

3.2.曼徹斯特編碼

(1)曼徹斯特編碼(Manchester)

曼徹斯特編碼又叫數(shù)字雙相碼。從高到低電平跳變表示數(shù)字0，從低到高電平跳變表示數(shù)字1。

IEEE802.3i以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(10BASE-T)雙工傳輸比特流即采用了曼徹斯特編碼：RJ45雙絞線采用(1，2)線對(duì)傳送差分信號(hào)，(3，6)線對(duì)接收差分信號(hào)。

(2)差分曼徹斯特編碼(Difference Manchester)

差分曼徹斯特編碼又叫條件雙相碼(CDP碼)。如果下一位數(shù)字是0，碼元之間要發(fā)生電平跳變;如果下一位數(shù)字是1，碼元之間不發(fā)生電平跳變。

3.3.其他

對(duì)于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個(gè)碼元攜帶更多比特的信息量。

假定我們的基帶信號(hào)是101011000110111010…

如果直接傳送，則每個(gè)碼元攜帶的信息量為1bit。先將信號(hào)中的3個(gè)比特編為一組，即101,011,000,110,111,010，…。3個(gè)比特共有8種不同的排列。我們可以用不同的調(diào)制方法來(lái)表示這樣的信號(hào)。例如，用8中不同的振幅，或8種不同的頻率，或8種不同的相位進(jìn)行調(diào)制。假定我們采用相位調(diào)制，用相位φ0表示000，φ1表示001，φ2表示010，……，φ2表示111。這樣，原來(lái)的18個(gè)碼元的信號(hào)就轉(zhuǎn)換為由6個(gè)碼元組成的符號(hào)：

101011000110111010…=φ5φ3φ0φ6φ7φ2…

也就是說(shuō)，若以同樣的速率發(fā)送碼元，則同樣的時(shí)間所傳送的信息量就調(diào)高了3倍。

其他常見(jiàn)的編碼方案有以下幾種。

(1)非歸零交替編碼(NRZI)

(2)4B/5B編碼：IEEE 802.3u 100BASE-TX，IEEE 802.3u 100BASE-FX

(3)8B/10B編碼：100BASE-T4采用了8B/6T(6對(duì)3位8態(tài))

(4)4D-PAM5編碼：千兆以太網(wǎng)1000 BASE-T

4.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制編碼

寬帶信號(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)，最基本的帶通調(diào)制方法有：

(1)調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。例如，0對(duì)應(yīng)于無(wú)載波輸出，而1對(duì)應(yīng)于有載波輸出。中波廣播采用了調(diào)幅的方式。

(2)調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。例如，0對(duì)應(yīng)于頻率f1，而1對(duì)應(yīng)于頻率f2?？梢钥闯稣{(diào)頻波的波形就像是一個(gè)被壓縮得不均勻的彈簧。解調(diào)器(分離器)利用濾波手段提取出指定頻段的源信號(hào)。

FM調(diào)頻收音機(jī)中，高頻調(diào)制波區(qū)分電臺(tái)頻道，載波攜帶聲音信號(hào)。聲音信號(hào)的頻率一般不超過(guò)15KHz，而我國(guó)FM調(diào)頻廣播頻率范圍是87.5-108MHz(屬超短米波段：波速一定，頻率越高，波長(zhǎng)越短)，故聲音保真度很高。

(3)調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。例如，0對(duì)應(yīng)于相位 0度，而1對(duì)應(yīng)于相位180度。相位調(diào)制又分為絕對(duì)相位調(diào)制、相對(duì)相位調(diào)制和多相位調(diào)制。

為了達(dá)到更高的信息傳輸速率，必須采用技術(shù)上更為復(fù)雜的多元制的振幅相位混合調(diào)制方法，例如，正交振幅調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)。

五.數(shù)據(jù)傳輸

1.物理層接口的特性

物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：

(1)機(jī)械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。

(2)電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。

(3)功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。

(4)過(guò)程特性：指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

2.傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)是真正承載數(shù)據(jù)流動(dòng)的介質(zhì)。傳輸介質(zhì)可以是物理上可以看得到的介質(zhì)，比如電纜、電話(huà)線或光纖，也可以是物理上看不見(jiàn)的無(wú)線介質(zhì)，比如紅外線、無(wú)線電波。

3.單纜和雙纜

“寬帶電纜”是指任何使用模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)碾娎|網(wǎng)。寬帶系統(tǒng)和基帶系統(tǒng)的一個(gè)主要區(qū)別是：寬帶系統(tǒng)由于覆蓋區(qū)域廣，需要模擬放大器周期性地加強(qiáng)信號(hào)。這些放大器僅能單向傳輸信號(hào)，因此，如果計(jì)算機(jī)間有放大器，則報(bào)文分組就不能在計(jì)算機(jī)間逆向傳輸。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了兩種類(lèi)型的寬帶系統(tǒng)：雙纜系統(tǒng)和單纜系統(tǒng)。

3.1雙纜系統(tǒng)

雙纜系統(tǒng)有兩條并排鋪設(shè)的完全相同的電纜。為了傳輸數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)通過(guò)電纜1將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娎|數(shù)根部的設(shè)備，即頂端器(head-end)，隨后頂端器通過(guò)電纜2將信號(hào)沿電纜數(shù)往下傳輸。所有的計(jì)算機(jī)都通過(guò)電纜1發(fā)送，通過(guò)電纜2接收。

3.2單纜系統(tǒng)

另一種方案是在每根電纜上為內(nèi)、外通信分配不同的頻段(上下行不對(duì)稱(chēng))。低頻段用于計(jì)算機(jī)到頂端器的上行通信，頂端器收到的下行信號(hào)移到高頻段，向計(jì)算機(jī)廣播。在子分段(subsplit)系統(tǒng)中，5MHz~30MHz頻段用于內(nèi)向通信，40MHz~300MHz頻段用于外向通信。在中分(midsplit)系統(tǒng)中，內(nèi)向頻段是5MHz~116MHz，而外向頻段為168MHz~300MHz。這一選擇是由歷史的原因造成的。

4.常用傳輸介質(zhì)

4.1 雙絞線

雙絞線(Twisted Pair)：由二根包著絕緣材料的細(xì)銅線按一定的比率相互纏繞而成。這種相互纏繞改變了電纜原有的電子特性，不但可以減少自身的串?dāng)_，也可以最大程度上防止其它電纜上的信號(hào)對(duì)這對(duì)線纜上的干擾。

雙絞線一般由兩根22-26號(hào)絕緣銅導(dǎo)線相互纏繞而成，實(shí)際使用時(shí)，雙絞線是由多對(duì)雙絞線一起包在一個(gè)絕緣電纜套管里的。典型的雙絞線有四對(duì)的，也有更多對(duì)雙絞線放在一個(gè)電纜套管里的。這些我們稱(chēng)之為雙絞線電纜。

雙絞線根據(jù)有無(wú)屏蔽層可分為屏蔽雙絞線(STP) 和非屏蔽雙絞線(UTP)。

雙絞線電纜的標(biāo)準(zhǔn)是由TIA/EIA國(guó)際協(xié)會(huì)制定的。為管理網(wǎng)絡(luò)電纜，需要熟悉用于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的一些標(biāo)準(zhǔn)，特別是3類(lèi)和5類(lèi)UTP。

(1)1類(lèi)線(CAT1)：一種包括兩個(gè)電線對(duì)的UTP形式。1類(lèi)線(八十年代初之前的電話(huà)線纜)適用于語(yǔ)音通信，而不適用于數(shù)據(jù)通信。它每秒最多只能傳輸20千位(kbps)的數(shù)據(jù)。

(2)2類(lèi)線(CAT2)：一種包括四個(gè)電線對(duì)的UTP形式。用于語(yǔ)音傳輸和最高傳輸速率4Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，常見(jiàn)于使用4MBPS規(guī)范令牌傳遞協(xié)議的舊的令牌網(wǎng)。

(3)3類(lèi)線(CAT3)：一種包括四個(gè)電線對(duì)的UTP形式。在帶寬為16MHz時(shí)，用于語(yǔ)音傳輸及最高傳輸速率為10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。3類(lèi)線一般用于4Mbps的Token Ring或10Mbps的10BASE-T Ethernet。現(xiàn)在用得較少。

(4)4類(lèi)線(CAT4)：一種包括四個(gè)電線對(duì)的UTP形式，該類(lèi)電纜的帶寬為20MHz，用于語(yǔ)音傳輸和最高傳輸速率16Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。CAT4主要用于16Mbps的Token Ring或10Mbps的10BASE-T Ethernet中。與CAT1、CAT2或CAT3相比，它能提供更多的保護(hù)以防止串?dāng)_和衰減。

(5)5類(lèi)線(CAT5)：用于新網(wǎng)安裝及更新到快速Ethernet的最流行的UTP形式。CAT5電纜增加了繞線密度，外套一種高質(zhì)量的絕緣材料，包括四個(gè)電線對(duì)，用于語(yǔ)音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。除100Mbps的10BASE-T Ethernet之外，CAT5電纜還支持其他的快速聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，例如異步傳輸模式(ATM)。

(6)超5類(lèi)非屏蔽雙絞線是在對(duì)現(xiàn)有五類(lèi)屏蔽雙絞線的部分性能加以改善后出現(xiàn)的電纜，不少性能參數(shù)，如近端串?dāng)_、衰減串?dāng)_比，回波損耗等都有所提高，但其傳輸帶寬仍為100MHz。超五類(lèi)雙絞線也是采用4個(gè)繞對(duì)和1條抗拉線，線對(duì)的顏色與五類(lèi)雙絞線完全相同。五類(lèi)線的標(biāo)識(shí)是“CAT5”，超五類(lèi)線的標(biāo)識(shí)是“CAT 5E”。

超五類(lèi)雙絞線雖然也能提供高達(dá)1000Mb/s的傳輸帶寬，但是往往需要借助于價(jià)格高昂的特殊設(shè)備的支持。因此，通常只被應(yīng)用于100Mb/s快速以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)桌面交換機(jī)到計(jì)算機(jī)的連接。

(7)6類(lèi)線(CAT6)：包括四對(duì)電線對(duì)的雙絞線電纜。每對(duì)電線被箔絕緣體包裹，另一層箔絕緣體包裹在所有電線對(duì)的外面，同時(shí)一層防火塑料封套包裹在第二層箔層外面。箔絕緣體對(duì)串?dāng)_提供了較好的阻抗，從而使得CAT6能支持的吞吐量是常規(guī)CAT5吞吐量的6倍。

我們今天在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中所用到的基本上都是“超五類(lèi)非屏蔽雙絞線纜”。線纜的二頭分別按一定的線序壓在T568B RJ45水晶頭內(nèi)，這也就是通常大家說(shuō)的“網(wǎng)線”。鑒于RJ45差分特性，制作RJ45網(wǎng)線水晶頭時(shí)遵循“同種交叉，異種平行”的規(guī)則。

4.2 同軸電纜

同軸電纜以硬銅線為芯(內(nèi)導(dǎo)體)，外包一層絕緣材料(絕緣物)。這層絕緣材料用密織的網(wǎng)狀導(dǎo)體環(huán)繞，網(wǎng)外又覆蓋一層保護(hù)性材料(保護(hù)套)。

同軸電纜從用途上分可分為50Ω用于數(shù)字傳輸?shù)幕鶐S電纜和75Ω用于模擬傳輸?shù)膶拵S電纜?；鶐щ娎|又分細(xì)同軸電纜和粗同軸電纜?；鶐щ娎|僅僅用于數(shù)字傳輸，數(shù)據(jù)率可達(dá)10Mbps。寬帶電纜是CATV系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)，它既可使用頻分多路復(fù)用的模擬信號(hào)發(fā)送，也可傳輸數(shù)字信號(hào)。

同軸電纜的帶寬取決于電纜長(zhǎng)度，1km的電纜可以達(dá)到1Gb/s~2Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此可以在相對(duì)長(zhǎng)的無(wú)中繼器的線路上支持高帶寬通信。若需使用更長(zhǎng)的電纜，則需要使用中繼器補(bǔ)充能量。當(dāng)需要連接較多設(shè)備而且通信容量相當(dāng)大時(shí)可以選擇同軸電纜。目前，同軸電纜大量被光纖取代，但仍廣泛應(yīng)用于有線和無(wú)線電視和某些局域網(wǎng)。

4.3 光纖

光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。光纖的主要作用是引導(dǎo)光在光纖內(nèi)沿直線或彎曲的途徑傳播。光纖通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光-光纖通信。光傳播利用了光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理，光通信的基本原理則是使光的強(qiáng)度反映電信號(hào)的幅度(頻率)。

光纖從內(nèi)到外依次由纖芯、包層、內(nèi)涂層和外涂層組成。目前光纖通訊材料主要用高透明度的二氧化硅材料，可用化學(xué)蒸汽沉積法(CVD)制成純二氧化硅。近年來(lái)還有新的光纖材料，如ZrF4、LaF3和BaF2二元混合體的氟玻璃，其性能優(yōu)于二氧化硅，光損失更小，上萬(wàn)公里光信號(hào)傳輸不需要任何中繼站。

光纖按照其能攜帶的激光束數(shù)和傳輸特性分為單模和多模兩種。

單模光纖以激光二極管作光源，中心玻璃芯較細(xì)，光纖中只允許一種光直線傳播，故模間色散很小，整體傳輸性能非常好。單模光纜和單模光纖端口的價(jià)格都比較昂貴，一般用于運(yùn)營(yíng)商鋪設(shè)遠(yuǎn)程通訊骨干網(wǎng)。

多模光纖以發(fā)光二極管作光源，中心玻璃芯較粗，允許多束光在光線中沿著光線壁不停反射的向前傳播，造成較大的模間色散，整體傳輸性能不佳。多模光纜和多模光纖端口的價(jià)格都相對(duì)便宜，通訊距離較近，只有幾公里，一般用做鋪設(shè)局域網(wǎng)，例如校園網(wǎng)。

單模光纖和多模光纖從膚色上很好區(qū)分，單模的線皮是黃色的，多模的線皮是桔色的。

為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的光纖通信，必須減小光纖的衰減。1966年，英籍華人高錕(C.K.Kao, 2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者)預(yù)見(jiàn)利用玻璃可以制成衰減為20dB/km的通信光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱(chēng)光纖)。當(dāng)時(shí)，世界上最優(yōu)秀的光學(xué)玻璃衰減達(dá)l000dB/km左右。1977年，武漢郵電研究院研制成功中國(guó)第一根階躍折射率分布的、波長(zhǎng)為 0.85μm多模光纖。

與電纜或微波等電通信方式相比，光纖通信的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)傳輸頻帶極寬，通信容量很大;

(2)由于光纖衰減小，無(wú)中繼設(shè)備，故傳輸距離遠(yuǎn);

(3)串?dāng)_小，信號(hào)傳輸質(zhì)量高;

(4)光纖抗電磁干擾，保密性好;

(5)光纖尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設(shè);

(6)耐化學(xué)腐蝕;

(7)光纖是石英玻璃拉制成形,原材料來(lái)源豐富，并節(jié)約了大量有色金屬。

光纖通信同時(shí)具有以下缺點(diǎn)：

(1)光纖彎曲半徑不宜過(guò)小;

(2)光纖的切斷和連接操作技術(shù)復(fù)雜;

(3)分路、耦合麻煩。

4.4 無(wú)線傳輸介質(zhì)

根據(jù)電磁波的頻率，無(wú)線傳輸系統(tǒng)大致分為廣播通信系統(tǒng)、地面微波通信系統(tǒng)、衛(wèi)星微波通信系統(tǒng)和紅外線通信系統(tǒng)。因此，對(duì)應(yīng)的3種無(wú)線介質(zhì)是無(wú)線電波(30MHz～1GHz)、微波(300MHz～300GHz)、紅外線和激光。

(1)無(wú)線電波通信

無(wú)線電波通信主要用在廣播通信中，因此不做詳細(xì)介紹。

(2)紅外傳輸

紅外網(wǎng)絡(luò)使用紅外線通過(guò)空氣傳輸數(shù)據(jù)，主要用于同一房間中設(shè)備間的通信，如電視遙控器。目前，紅外傳輸在一個(gè)方向傳輸速率為16Mbps，多個(gè)方向不超過(guò)1Mbps。

(3)衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信是利用靜止的地球與同步衛(wèi)星作為中繼站的通信系統(tǒng)。地面系統(tǒng)通常采用定向拋物天線。衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有通信容量大，傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍廣，特別適用于全球通信、電視廣播和地理環(huán)境惡劣的地區(qū)使用等優(yōu)點(diǎn)。

六.信道復(fù)用技術(shù)

最基本的復(fù)用技術(shù)主要分為頻分復(fù)用FDM(Frequency Division Multiplexing)和時(shí)分復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing)兩大類(lèi)。

1.頻分復(fù)用(FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing)

傳輸介質(zhì)的有效帶寬超過(guò)被傳輸?shù)男盘?hào)帶寬時(shí)，把多路信號(hào)調(diào)制在不同頻率的載波上，實(shí)現(xiàn)同一傳輸介質(zhì)上同時(shí)傳輸多路信號(hào)的技術(shù)，如xDSL。頻分復(fù)用中，用戶(hù)分配到一定的頻帶后，在通信過(guò)程中自始至終都占用這個(gè)頻帶?？梢?jiàn)頻分復(fù)用的所有用戶(hù)在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源。調(diào)頻廣播和廣電HFC網(wǎng)絡(luò)電視信號(hào)是典型的頻分復(fù)用信號(hào)，收音機(jī)/電視機(jī)依據(jù)載波頻率的不同來(lái)區(qū)分頻道。

使用頻分多路復(fù)用的主要?jiǎng)訖C(jī)在于對(duì)高吞吐率的需求。為了達(dá)到更高的吞吐率，底層的硬件使用電磁頻譜中更大的一部分(即更高的帶寬)。用寬帶技術(shù)(Broadband Technology)這一術(shù)語(yǔ)用來(lái)描述這些技術(shù)。另一方面，任何只使用電磁頻譜中很小的一部分，一次只在介質(zhì)上發(fā)送一個(gè)信號(hào)的技術(shù)稱(chēng)為基帶技術(shù)(Baseband Technology)。可以通過(guò)傅里葉變換推導(dǎo)出頻分多路復(fù)用的調(diào)制解調(diào)原理。

在使用頻分復(fù)用時(shí)，若每一個(gè)用戶(hù)占用的帶寬不變，則當(dāng)復(fù)用的用戶(hù)數(shù)增加時(shí)，復(fù)用后的信道的總帶寬就跟著變寬。例如傳統(tǒng)電話(huà)通信每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)話(huà)路的帶寬是4kHz(即通信用的3.1kHz加上兩邊的保護(hù)頻帶)，那么若有1000個(gè)用戶(hù)進(jìn)行頻分復(fù)用，則復(fù)用后總帶寬就是4MHz。

除傳統(tǒng)意義上的頻分復(fù)用(FDM)外，還有一種是正交頻分復(fù)用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)。正交頻分復(fù)用是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)。OFDM全部載波頻率有相等的頻率間隔，它們是一個(gè)基本振蕩頻率的整數(shù)倍，正交指各個(gè)載波的信號(hào)頻譜是正交的。

OFDM系統(tǒng)比FDM系統(tǒng)要求的帶寬要小得多。由于OFDM使用無(wú)干擾正交載波技術(shù)，單個(gè)載波間無(wú)需保護(hù)頻帶，這樣使得可用頻譜的使用效率更高。另外，OFDM技術(shù)可動(dòng)態(tài)分配在子信道中的數(shù)據(jù)，為獲得最大的數(shù)據(jù)吞吐量，多載波調(diào)制器可以智能地分配更多的數(shù)據(jù)到噪聲小的子信道上。

目前，OFDM技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域以及民用通信系統(tǒng)中，主要的應(yīng)用包括：非對(duì)稱(chēng)的數(shù)字用戶(hù)環(huán)線(ADSL)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)和第4代(4G)移動(dòng)通信系統(tǒng)等。

2.波分復(fù)用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)

目前，一根單模光纖的傳輸率可達(dá)到2.5Gbps，再提高傳輸速率就比較困難了。如果設(shè)法對(duì)光纖傳輸中的色散(dispersion)問(wèn)題加以解決，如采用色散補(bǔ)償技術(shù)，則一根單模光纖的傳輸速率可達(dá)到20Gbps。這幾乎已達(dá)到了單個(gè)光載波信號(hào)傳輸?shù)臉O限值。

人們借用傳統(tǒng)的載波電話(huà)的頻分復(fù)用的概念，就能做到使用一根光纖來(lái)同時(shí)傳輸多個(gè)頻率很接近的光載波信號(hào)，這樣就使光纖的傳輸能力成倍地提高了。這種復(fù)用方式稱(chēng)為波分復(fù)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，在一根光纖上復(fù)用的光載波信號(hào)路數(shù)越來(lái)越多，現(xiàn)在已經(jīng)能做到在一個(gè)光纖上復(fù)用80多路光載波信號(hào)，于是就是用了密集波分復(fù)用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)這一概念。

波分復(fù)用是光纖信道的頻分多路復(fù)用，在一根光纖上同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)不同的光載波信號(hào)。在接收端，用一塊玻璃棱鏡來(lái)分開(kāi)不同頻率的光波。和一般的FDM類(lèi)似，因?yàn)樘囟l率的光不會(huì)干擾另一頻率的光，所以不同頻率的載波可以合并在同一介質(zhì)中傳輸。

3.時(shí)分復(fù)用(TDM，Time Division Multiplexing)

傳輸介質(zhì)可以達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)被傳輸信號(hào)傳輸速率時(shí)，可以把多路信號(hào)按一定的時(shí)間間隔傳送，即按時(shí)間片輪流實(shí)現(xiàn)在同一傳輸介質(zhì)上“同時(shí)”傳輸多路信號(hào)。時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀(TDM幀)。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶(hù)在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。每一個(gè)用戶(hù)所占用的時(shí)隙是周期性出現(xiàn)的，其周期即為T(mén)DM幀的長(zhǎng)度。時(shí)分復(fù)用的所有用戶(hù)在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。數(shù)字電視各個(gè)頻道之間是以頻分復(fù)用的方式區(qū)分傳輸，但在每一個(gè)頻道(8 MHz)以?xún)?nèi)使用時(shí)分復(fù)用傳輸。

時(shí)分制通信也稱(chēng)時(shí)間分割通信，它是數(shù)字電話(huà)多路通信的主要方法，因而PCM通信常稱(chēng)為時(shí)分多路通信。在上面提到的電話(huà)通信的例子中，使用時(shí)分復(fù)用時(shí)，每一個(gè)時(shí)分復(fù)用幀的長(zhǎng)度是不變的，始終是125us。若有1000個(gè)用戶(hù)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，則每一個(gè)用戶(hù)分配到的時(shí)隙寬度為0.125us，時(shí)隙寬度變得非常窄，但猝發(fā)脈沖信號(hào)所占頻譜范圍也是非常寬的。

在進(jìn)行通信時(shí)，復(fù)用器(Multiplexer)總是和分用器(Demultiplexer)成對(duì)地使用。在復(fù)用器和分用器之間是用戶(hù)共享的高速信道。分用器的作用正好和復(fù)用器相反，它把高速信道傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分用，分別送交到相應(yīng)的用戶(hù)。電話(huà)、電視三通分線器可看作時(shí)分復(fù)用分用器。

TDM的一個(gè)變種是在一個(gè)單頻信道上進(jìn)行發(fā)射和接收，稱(chēng)之為時(shí)分雙工(TDD)，其最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)就是利用兩個(gè)時(shí)隙，一個(gè)發(fā)一個(gè)收。

4.統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用(STDM，Statistic Time Division Multiplexing)

當(dāng)使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，由于數(shù)據(jù)的突發(fā)性，一個(gè)用戶(hù)對(duì)已經(jīng)分配到的子信道的利用率一般不是很高。當(dāng)用戶(hù)在某一時(shí)段暫時(shí)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，那就只能讓已經(jīng)分配到手的子信道閑置，而其他用戶(hù)也無(wú)法使用這個(gè)暫時(shí)空閑的線路資源。假定有四個(gè)用戶(hù)A，B，C和D進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。復(fù)用器按照A→B→C→D的順序依次對(duì)用戶(hù)的時(shí)隙進(jìn)行掃描，然后構(gòu)成一個(gè)個(gè)時(shí)分復(fù)用幀。每個(gè)時(shí)分復(fù)用幀有4個(gè)時(shí)隙，則當(dāng)某用戶(hù)無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，分配給該用戶(hù)的時(shí)隙只能閑棄，其他用戶(hù)即使有數(shù)據(jù)要發(fā)送，也不能使用這些空閑的時(shí)隙。這就導(dǎo)致復(fù)用后的信道利用率不高。

統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM(Statistic TDM)是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)改進(jìn)的時(shí)分復(fù)用，它把公共信道的時(shí)隙實(shí)行“按需分配”，即只對(duì)那些需要傳送信息或正在工作的終端才分配給時(shí)隙，這樣就使所有的時(shí)隙都能飽和地得到使用，可以使服務(wù)的終端數(shù)大于時(shí)隙的個(gè)數(shù)，提高了媒質(zhì)的利用率，從而起到了“復(fù)用”的作用。在輸出線路上，某一個(gè)用戶(hù)所占用的時(shí)隙不再是周期性地出現(xiàn)，因此統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用又成為異步時(shí)分復(fù)用，相應(yīng)把普通的時(shí)分復(fù)用稱(chēng)為同步時(shí)分復(fù)用。

統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用的傳輸效率比傳統(tǒng)的時(shí)分復(fù)用提高了2到4倍。這種復(fù)用的主要特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)地分配信道時(shí)隙，所以統(tǒng)計(jì)復(fù)用又可叫做“動(dòng)態(tài)復(fù)用”。故從平均的角度而言，同步時(shí)分復(fù)用和異步時(shí)分復(fù)用是平衡的。

集中器(concentrator)常使用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用，它將低速用戶(hù)的數(shù)據(jù)集中起來(lái)通過(guò)高速線路一起發(fā)送到遠(yuǎn)端。集中器假定各用戶(hù)都是間歇發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)于個(gè)用戶(hù)不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)的情況，集中器也無(wú)法應(yīng)對(duì)。

統(tǒng)計(jì)復(fù)用只要應(yīng)用于數(shù)字電視節(jié)目復(fù)用器和分組交換網(wǎng)。

5.碼分復(fù)用(CDM，Code Division Multiplexing)

碼分復(fù)用是靠不同的編碼(GSM的IMEI，CDMA的ISN)來(lái)區(qū)分各路原始信號(hào)的一種復(fù)用方式。

系統(tǒng)為一對(duì)通信用戶(hù)分配一對(duì)唯一的0、1數(shù)據(jù)識(shí)別標(biāo)識(shí)，通信的雙方利用數(shù)據(jù)識(shí)別標(biāo)識(shí)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼，從而實(shí)現(xiàn)不同的用戶(hù)在同一信道中使用不同的編碼傳送數(shù)據(jù)。所有用戶(hù)在同一時(shí)間、同一頻段上，根據(jù)編碼獲得業(yè)務(wù)信道。各用戶(hù)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(lèi)似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。

根據(jù)香農(nóng)定理，在保證S/N 信噪比的情況下，可以通過(guò)增大傳輸系統(tǒng)的帶寬B來(lái)增加信道容量C。碼分復(fù)用是一種以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的復(fù)用技術(shù)。CDMA(Code Division Multiple Access)就是碼分復(fù)用的一種方式，稱(chēng)為碼分多址。碼分復(fù)用技術(shù)廣泛應(yīng)用于第二代以后的移動(dòng)通信領(lǐng)域，如2G的CDMA，3G的CDMA 2000(美國(guó)，中國(guó)電信)、WCDMA(歐洲，中國(guó)聯(lián)通)和TD-SCDMA(中國(guó)，中國(guó)移動(dòng))。

七.數(shù)據(jù)交換技術(shù)

1.交換技術(shù)

交換和交換機(jī)最早起源于電話(huà)通訊系統(tǒng)(PSTN)。兩部電話(huà)機(jī)只需要用一對(duì)電線就能夠互相連接起來(lái);5 部電話(huà)機(jī)兩兩相連，需 10 對(duì)電線;N 部電話(huà)機(jī)兩兩相連，需 N(N – 1)/2 對(duì)電線。當(dāng)電話(huà)機(jī)的數(shù)量很大時(shí)，這種網(wǎng)狀型全物理連接需要的電線對(duì)的數(shù)量與電話(huà)機(jī)數(shù)的平方成正比。

當(dāng)電話(huà)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)。在這里，“交換(switching)”的含義就是轉(zhuǎn)接——把一條電話(huà)線轉(zhuǎn)接到另一條電話(huà)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。

通信子網(wǎng)由傳輸線路和中間節(jié)點(diǎn)(集線器、網(wǎng)橋、交換機(jī)、路由器)組成，當(dāng)信源(源節(jié)點(diǎn))和信宿(目的節(jié)點(diǎn))間沒(méi)有線路直接相連時(shí)，信源發(fā)出的數(shù)據(jù)先到達(dá)與之相連的中間節(jié)點(diǎn)，再?gòu)脑撝虚g節(jié)點(diǎn)傳到下一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，直至到信宿，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為交換。交換是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設(shè)備自動(dòng)完成的方法把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳?yīng)路由上的技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)。在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備稱(chēng)為交換機(jī)。

2.數(shù)據(jù)交換方式

在數(shù)據(jù)通信中，數(shù)據(jù)交換方式主要包括電路交換(Circuit Switching)和存儲(chǔ)交換兩類(lèi)，其中“存儲(chǔ)交換”又分為“報(bào)文交換(Message Switching)”和“分組交換(Packet Switching)”兩種。

2.1 電路交換

電路交換又稱(chēng)線路交換，它是面向連接的。電路交換在通信子網(wǎng)中建立一個(gè)實(shí)際的物理線路連接。電路交換分三個(gè)階段：建立連接→通信→釋放連接。

我們現(xiàn)在還能在老電影中看到這樣的場(chǎng)面：首長(zhǎng)(主叫用戶(hù))拿起話(huà)筒來(lái)一陣猛搖，局端是一排插滿(mǎn)線頭的機(jī)器，戴著耳麥的話(huà)務(wù)小姐接到連接要求后，把線頭插在相應(yīng)的出口，為兩個(gè)用戶(hù)端建立起連接，直到通話(huà)結(jié)束。這個(gè)過(guò)程就是通過(guò)人工方式建立起來(lái)的電路交換。

電路交換又分為時(shí)分交換(Time Division Switching，TDS)和空分交換(Space Division Switching，SDS)兩種方式。這種傳輸機(jī)制中，數(shù)據(jù)具有突發(fā)性，將導(dǎo)致通信線路的利用率很低。在某些情況下，電路空閑時(shí)的信道容量被浪費(fèi)。另外，正在通信的電路中有一個(gè)交換機(jī)或有一條鏈路被炸毀，則整個(gè)通信電路就要中斷。如要改用其他迂回電路，必須重新?lián)芴?hào)建立連接。這將要延誤一些時(shí)間。

2.2 存儲(chǔ)交換

所謂“存儲(chǔ)交換”是指數(shù)據(jù)交換前，先通過(guò)緩沖存儲(chǔ)器進(jìn)行緩存，然后按隊(duì)列進(jìn)行處理。

2.2.1 報(bào)文交換

20 世紀(jì) 40 年代，電報(bào)通信采用了基于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)原理的報(bào)文交換。報(bào)文交換的基本思想是先將用戶(hù)的報(bào)文存儲(chǔ)在交換機(jī)的存儲(chǔ)器中，當(dāng)所需要的輸出電路空閑時(shí)，再將該報(bào)文發(fā)向接收交換機(jī)或用戶(hù)終端。所以，報(bào)文交換系統(tǒng)又稱(chēng)“存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)”系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)報(bào)文交換的過(guò)程如下：(1)若某用戶(hù)有發(fā)送報(bào)文需求，則需要先把擬發(fā)送的信息加上報(bào)文頭，包括目標(biāo)地址和源地址等信息，并將形成的報(bào)文發(fā)送給交換機(jī)。當(dāng)交換機(jī)中的通信控制器檢測(cè)到某用戶(hù)線路有報(bào)文輸入時(shí)，則向中央處理機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求，并逐字把報(bào)文送入內(nèi)存器。(2)中央處理機(jī)在接到報(bào)文后可以對(duì)報(bào)文進(jìn)行處理，如分析報(bào)文頭，判別和確定路由等，然后將報(bào)文轉(zhuǎn)存到外部大容量存儲(chǔ)器，等待一條空閑的輸出線路。(3)一旦線路空閑，就再把報(bào)文從外存儲(chǔ)器調(diào)入內(nèi)存儲(chǔ)器，經(jīng)通信控制器向線路發(fā)送出去。

報(bào)文交換方式首先是由交換機(jī)存儲(chǔ)整個(gè)報(bào)文的，然后在有線路空閑時(shí)才進(jìn)行必要的處理。多個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)存儲(chǔ)和排隊(duì)共享一條線路，無(wú)線路建立過(guò)程，提高了線路的利用率。這種傳輸方式支持多點(diǎn)傳輸(一個(gè)報(bào)文傳輸給多個(gè)用戶(hù)，只需在報(bào)文中增加“地址字段”，中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)地址字段進(jìn)行復(fù)制和轉(zhuǎn)發(fā))。中間節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，方便接收站點(diǎn)的收取。報(bào)文交換中增加了差錯(cuò)檢測(cè)功能，避免出錯(cuò)數(shù)據(jù)的無(wú)謂傳輸?shù)取?/p>

報(bào)文交換方式的不足之處在于報(bào)文長(zhǎng)度未作規(guī)定，報(bào)文只能暫存在磁盤(pán)上，磁盤(pán)讀取占用了額外的時(shí)間;任何報(bào)文都必須排隊(duì)等待：不同長(zhǎng)度的報(bào)文要求不同長(zhǎng)度的處理和傳輸時(shí)間，即使非常短小的報(bào)文(例如，交互式通信中的會(huì)話(huà)信息);當(dāng)信道誤碼率高時(shí)，頻繁重發(fā)，報(bào)文交換難以支持實(shí)時(shí)通信和交互式通信的要求。

2.2.2 分組交換

分組交換試圖結(jié)合線路交換和報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)，而使缺點(diǎn)最少。分組交換非常像報(bào)文交換，但規(guī)定了交換機(jī)處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度(稱(chēng)之為分組)，不同用戶(hù)的數(shù)據(jù)分組可以交織地在網(wǎng)絡(luò)中的物理鏈路上傳輸。是目前應(yīng)用最廣的交換技術(shù)。

報(bào)文傳輸不管發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度是多少，都把它當(dāng)做一個(gè)邏輯單元發(fā)送;而報(bào)文分組傳輸方式則限制一次傳輸數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度，如果傳輸數(shù)據(jù)超過(guò)規(guī)定的最大長(zhǎng)度，發(fā)送端就將它分成多個(gè)報(bào)文分組發(fā)送，接收端根據(jù)一些偏移(offset)信息進(jìn)行重組(reassemble)。由于分組長(zhǎng)度較短，在傳輸出錯(cuò)時(shí)，檢錯(cuò)容易并且重發(fā)花費(fèi)的時(shí)間較少;限定分組最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度后，有利于提高存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間利用率與傳輸效率。

分組交換的典型應(yīng)用是X.25分組交換網(wǎng)和以太網(wǎng)。在X.25分組交換網(wǎng)中分組長(zhǎng)度為131字節(jié)，包括128字節(jié)的用戶(hù)數(shù)據(jù)和3字節(jié)的控制信息;而在以太網(wǎng)中，分組(IP Datagram)長(zhǎng)度為1500字節(jié)左右。

網(wǎng)絡(luò)將如何管理這些分組流呢?通常有兩種方法：數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路。在數(shù)據(jù)報(bào)(datagram)方法中，每個(gè)分組獨(dú)立地處理，就像在報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)報(bào)文獨(dú)立地處理那樣。在虛電路(virtual circuit)方法中，在發(fā)送任何分組之前，都需要建立一條邏輯連接。數(shù)據(jù)報(bào)方法類(lèi)似TCP/IP中的UDP通信方式，發(fā)出去的報(bào)文就像漂流瓶，可能到不了岸;虛電路方法則類(lèi)似TCP/IP中的TCP通信方式，它需要維系狀態(tài)。

分組交換具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)高效，動(dòng)態(tài)分配傳輸帶寬，對(duì)通信鏈路是逐段占用。(2)靈活，以分組為傳送單位和查找路由。(3)迅速，不必先建立連接就能向其他主機(jī)發(fā)送分組。(4)可靠，保證可靠性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;分布式的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。