第2章通信子網的基本技術2.1

物理傳輸媒體2.1.1雙絞線

有線媒體：雙絞線、同軸電纜和光纖

無線媒體：衛星、無線電通信、紅外通信、激光通信以及微波通信

雙絞線：因由兩根絕緣的銅線互絞在一起構成而得名，如下圖所示。

雙絞線有非屏蔽的和屏蔽的兩種。2.1.2同軸電纜同軸電纜（coaxialcable）：也像雙絞線那樣由一對導體組成，但它們是按“同軸”的形式構成線對，其結構如下圖中所示。

同軸電纜又分為基帶（baseband）同軸電纜（阻抗50Ω）和寬帶（broadband）同軸電纜（阻抗為75Ω〕。

同軸電纜還有粗和細的之分。

2.1.3光纖光纖：是一根很細的可傳導光線的纖維媒體，其半徑僅幾微米至一、二百微米。制造光纖的材料可以是超純硅、合成玻璃或塑料。

用光纖傳輸電信號時，在發送端先要將其轉換成光信號，而在接收端又要由光檢測器還原成電信號，如下圖所示。光纖相對于如雙絞線和同軸電纜等這類金屬傳導媒體來說有若干優點如下：

·

輕便

·

低衰減和大容量

.電磁隔離

光纖分為多模（multimode）光纖和單模(singlemode)光纖2.1.4其它傳輸媒體無線電（radio）通信在無線電廣播和電視廣播中已廣泛使用。

蜂窩式無線電話網

微波（microwave）通信通常是指利用在1GHz范圍內的電波來進行通信。高頻的微波和低頻的無線電波不同的一個重要特性是沿著直線傳播，而不是向各個方向擴散的。紅外（infrared）通信是利用紅外線進行的通信，已廣泛應用于短距離的通信。

利用激光（laser）能不通過有形的光導體直接在空中傳輸，并能在很長的距離內保持聚焦，即定向，的特點，也可用作為物理傳輸媒體。

2.1.5通信衛星衛星（satellite）通信可以看成是一種特殊的微波通信，和一般地面微波通信的不同在于它使用地球同步衛星作為中繼站來轉發微波信號，如下圖所示。

衛星通信

衛星主要有三個波段：C波段、Ku波段和Ka波段。

衛星通信的新發展是低成本的微型地面站的出現，這種系統有時被稱為甚小口徑終端VSAT（VerySmallApertureTerminal）系統。

VSAT系統中利用了下述操作方式：在衛星通信中，只要地面發送方或接收方中任一方有大的天線和大功率的放大器，另一方可用只有一米天線的微型終端，即VSAT。在該系統中，通常兩個VAST終端之間無法通過衛星直接通信，還必須再經過一個帶有大天線和大功率放大器的中心站來轉接，如下圖所示。

使用中心站的VSAT

電磁波的頻譜及在通信中作用

2.2傳輸技術

2.2.1數據通信中的若干技術參數

一般點到點的通信系統都可由下圖加以概括：通信系統中傳輸的信號可分為連續變化和離散變化兩大類。模擬信號和數字信號

按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號，可以相應地把信道分為兩類：模擬信道和數字信道。

數據通信，簡單地說，就是數字計算機或其它數字終端裝置之間的通信。

通過模擬信道進行數據通信

因為任何實際的模擬信道所能通過的信號的頻率都有一定的范圍，稱之為該信道通頻帶的寬度或稱為帶寬（bandwidth）。信道的帶寬是由傳輸媒體和有關的附加設備與電路的頻率特性綜合決定的。

我們將介紹模擬信道的帶寬和它所傳送的數字信號的數據速率之間的關系，奈奎斯特公式和香農公式。

奈奎斯特公式給出了無熱噪聲（熱噪聲是指由于信道中分子熱運動引起的噪聲，這里假定沒有熱噪聲）時信道帶寬對最大數據速率的限制，具體為：這里，H是信道的帶寬（以Hz為單位），而L表示某給定時刻數字信號可能取的離散值的個數。

香農則進一步研究了受噪聲（服從高斯分布）干擾的信道的情況，給出了香農公式：

這里，S表示信號功率，N為噪聲功率，S/N則為信噪比。

碼元速率指的是每秒信號狀態變化的次數，以波特（Baud）作為單位。由于某給定時刻信號可能取的離散值的個數（奈奎斯特公式中的L）對各個系統可以不一樣，碼元速率B和數據速率C在數值上是不一定相等的。但是，它們間有如下關系：下面我們來說明兩種不同的傳輸方式：模擬傳輸與數字傳輸。模擬傳輸是一種不考慮其內容的模擬信號傳輸方式。數字傳輸則不一樣，關心的是信號的內容。在長距離傳輸中數字傳輸技術已逐步取代早先的模擬傳輸技術。2.2.2模擬傳輸與數字傳輸模擬傳輸是一種不考慮其內容的模擬信號傳輸方式。在傳輸過程中，信號由于噪聲的干擾和能量的損失總會發生畸變和衰減。在模擬傳輸中，每隔一定的距離就要通過放大器來放大信號的強度，但在放大信號強度的同時也放大了由噪聲引起的信號畸變。隨著傳輸距離的增大，多級放大器的串聯，會引起畸變的疊加，從而使得信號的失真越來越大。數字傳輸則不一樣，關心的是信號的內容。不論傳輸的是數字信號或模擬信號，只要它代表了0和1變化模式的數據就可以采用數字傳輸。實際上，方波脈沖式的數字信號在傳輸過程中除了也會衰減外，也會由于信道中分布式感容阻抗的作用而更容易發生畸變。但是在數字傳輸中每隔一定距離后不是采用放大器來放大衰減和畸變的信號，而是采用器來代替。中繼器可以通過閥值判別等手段，識別并恢復其原來的0和1變化的模式，并重新產生一個新的完全消除了衰減和畸變的信號傳輸出去。這樣多級的轉發也不會累積噪聲引起的畸變。采用數字傳輸技術也能用來傳輸模擬信號，只要這種模擬信號包括有數字數據的內容。2.2.3數字調制技術

由信源產生的原始電信號通常稱為基帶信號，在調制過程中，基帶信號又稱為調制信號（實際上是被調制的信號）。調制的過程就是按調制信號（基帶信號）的變化規律去改變載波某些參數的過程。

調制的方法大體上分為兩大類：用正弦型高頻信號作為載波的正弦波調制和用脈沖串作為載波的脈沖調制。正弦波調制又分為模擬調制和數字調制兩種。所謂模擬調制，就是調制信號為連續型的正弦波調制，而數字調制則是調制信號為數字型的正弦波調制。正弦振蕩的載波可用Asin(2nft+Φ)來表示，使其幅度A、頻率f或相位Φ隨基帶信號變化而變化，就可在載波上進行調制了。這三者分別成為幅度調制(AmplitudeModulation)、頻率調制(FrequencyModulation)或相位調制(PhaseModulation)，亦可分別簡稱為調幅(AM)、調頻(FM)或調相(PM)。

所謂全雙工，就是指數據可以同時在兩個方向傳輸。下圖介紹的是貝爾公司的108系列調頻方式的調制解調器的規范。

話頻線路上的全雙工FM傳輸

在數字調制中，可以利用數字信號離散取值的特點，由數字電路的開關，象撥鍵一樣來控制振幅、頻率或相位的變化。因而在數據通信中調幅、調頻和調相常相應地稱為幅移鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying)、頻移鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)和相移鍵控PSK(PhaseShiftKeying)。下圖給出了用數字電路開關來實現FSK調制的原理圖。

FSK調制原理圖

2.2.4脈碼調制在發送端將模擬信號變換為數字信號的裝置稱為編碼器（Coder），而在接收端將收到的數字信號復原成模擬信號的裝置則稱為解碼器(Decoder)。通常進行的是雙向通信，使用既能編碼又能解碼的裝置，即編碼解碼器（Codec）。模擬信號通過編碼解碼器進行數字傳輸的工作過程示意如下圖：將模擬信號變換為數字信號的常用方法是脈碼調制PCM(PulseCodeModulation)。脈碼調制的過程由取樣、量化和編碼三步構成。1、取樣：就是按照一定的時間間隔采樣測量模擬信號幅值。2、量化：就是將取樣點處測得的信號幅值分級取整的過程。3、編碼：就是將量化后的整數值用二進制數來表示。脈碼調制中，分級取整量化時引進了誤差。顯然分級越細，誤差越小。但分級越細，每個樣本點編碼所需的比特數就越多。下圖給出了脈碼調制的示意圖。脈碼調制

2.2.5多路復用

多路復用：技術就是把許多信號在單一的傳輸線路和用單一的傳輸設備來進行傳輸的技術。

兩種常用的多路復用技術：頻分多路復用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）和時分多路復用TDM（TimeDivisionMultiplexing）。

下圖中給出的話頻線路上全雙工FM傳輸的例子：T1信道的TDM

波分多路復用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）

2.2.6數字信號的編碼技術曼徹斯特編碼（ManchesterEncoding）：是為了自帶位同步（或稱比特同步）信號而采用的一種編碼方法。

差分曼徹斯特編碼（DifferentialManchesterEncoding）是基本曼徹斯特編碼的變形4B/5B編碼

2.3差錯控制技術

2.3.1差錯的檢測與校正概括地說，傳輸中的差錯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，持續存在的隨機熱噪聲；另一類是由于外界特定的短暫原因所造成的沖擊噪聲。

衡量一個信道質量的重要參數是誤碼率：

差錯控制編碼又可分為檢錯碼和糾錯碼，前者是指能自動發現差錯的編碼，后者是指不僅能發現差錯而且能自動糾正差錯的編碼。衡量編碼性能好壞的一個重要參數是編碼效率R，它是碼字中信息位所占的比例。若碼字中信息位為k位，編碼時外加冗余位為r位，則編碼后得到的碼字長為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碼和糾錯碼的例子：

一、定比碼

定比碼：是指每個碼字中均含有相同數目的“1”（碼字長一定，“1”的數目一定后，所含“0”的數目也就必然相同），它是一種檢錯碼。

二、正反碼正反碼是一種簡單的糾錯碼，其中冗余位的個數與信息位個數相同，而且兩者或者完全相同或者完全相反，由信息位中“1”的個數來決定。2.3.2奇偶校驗碼奇偶校驗碼：是通過增加冗余位來使得碼字中“1”的個數保持奇或偶數的編碼方法，是一種檢錯碼。在使用時又可分為垂直奇偶校驗、水平奇偶校驗和水平垂直奇偶校驗等幾種。

垂直奇偶校驗:是將整個發送的信息塊分為定長p位的若干段（比如說q段），每段后面按“1”的個數為奇或偶數的規律加上一位奇偶位，如下圖所示：若用偶校驗

ri=I1i⊕I2i⊕…⊕Ipi

若用奇校驗ri=I1i⊕I2i⊕…⊕Ipi⊕1這種方法的編碼效率為：R=p/(p+1)水平奇偶校驗：它是對各個信息段的相應位橫向進行編碼，產生一個奇偶校驗冗余位，如下圖所示，

這種方法的編碼效率為：R=q/(q+1)同時進行水平奇偶校驗和垂直奇偶校驗就構成水平垂直奇偶校驗，如下圖所示。若都采用偶校驗，則：ri,q+1=Ii1⊕Ii2⊕…⊕Iiq

（i=1,2,…,p）rp+1,j=I1j⊕I2j⊕…⊕Ipj

（j=1,2,…,q）

rp+1,q+1=rp+1,1⊕rp+1,2⊕…⊕rp+1,q=r1,q+1⊕r2,q+1⊕…⊕rp,q+1

這種方法的編碼效率為：2.3.3海明碼海明碼是由R.Hamming在1950年首次提出的，它也是一種可以糾正一位差錯的編碼，但它的編碼效率要比正反碼高得多（當信息位足夠長時）。

海明碼只能糾正一位錯，若用在糾正傳輸中出現突發性差錯時可以采用下述方法:將連續P個碼字排成一個矩陣，每行一個碼字。如下圖中的例子，發送順序為011001100001…1110100011。如果發生突發長度≤P的突發錯誤，那么在P個碼字中最多每個碼字有一位有差錯，正好由海明碼能糾正。

2.3.4循環冗余碼CRC碼又稱為多項式碼。這是因為任何一個由二進制數位串組成的代碼都可以和一個只含有0和1兩個系數的多項式建立一一對應的關系。例如，代碼1011011對應的多項式為x6+x4+x3+x+1，而多項式x5+x4+x2+x對應的代碼為110110。并且，CRC碼在發送端編碼和接收端校驗時都可以利用一事先約定的生成多項式G（x）來進行。k位要發送的信息位可對應于一個（k-1）次多項式K（x），r位冗余位對應于一個（r-1）次多項式R（x）。由k位信息位后面加上r位冗余位組成的n=k+r位碼字則對應于一個（n-1）次多項式T（x）=xr?K(x)+R(x)。

按上述方法產生的循環碼有下述性質。

【性質

1】

若G（x）含有（x+1）的因子，則能檢測出所有奇數位錯。

【性質2】若G（x）中不含有x的因子，或者換句話說，G（x）中含有常數項1，那末能檢測出所有突發長度≤r的突發錯。【性質

3】

若G（x）中不含有x的因子，而且對任何0<e≤n–1的e，除不盡xe+1，則能檢測出所有的雙錯。

【性質

4】

若G（x）中不含有x的因子，則對突發長度為r+1的突發錯誤的漏檢率為2-(r-1)。

【性質5】若G（x）中不含有x的因子，則對突發長度b大于r+1的突發錯誤的漏檢率為2-rCRC碼的編碼電路

G（x）=x4+x2+x+1的編碼電路

2.4數據鏈路常用技術2.4.1比特填充1.使用比特填充的首尾標志方法

2.違例編碼法

3.使用字符填充的首尾定界符方法

4.字節計數法

不論采用何種方法來標志一幀的開頭和結束，都必須保證幀內的信息位可以是任意的，不會受到影響，我們稱之為要保證“數據透明”。首尾標志方法中的“數據透明”是通過比特填充來實現的。

下圖給出一個比特填充的例子：2.4.2反饋重發數據通信和計算機網絡中，利用編碼方法來進行差錯控制的方式，基本上有兩類：自動請求重發ARQ（AutomaticReQuestforrepeat）和前向糾錯FEC(ForwardErrorCorrection），前者又稱為反饋重發。

2.4.3滑動窗口

流量控制處理的是發送方發送能力大于接收方接收能力的問題，窗口機制就是一種流量控制的方法。

停等（stop-and-wait）協議的流程圖：

停等協議的信道利用率

停等協議的捎帶確認

回退n（gobackn）

滑動窗口協議

選擇重傳（selectiverepeat）高級數據鏈路控制HDLC（High-levelDateLinkControl）規程的幀格式如下圖：

控制字段的格式

2.5交換技術電路交換（circuitswitching）、分組交換（packetswitching）和信元交換（cellswitching）等三種交換方式。

2.5.1電路交換采用電路交換技術的數據傳輸一般分為電路建立、數據傳送和電路釋放三個階段，如下所述。

電路建立：在傳輸數據之前必須首先建立一條端到端的電路。

數據傳送：站點A到F的電路建立好后，數據就可以從A通過網絡傳送給站點F。

電路釋放：數據傳輸完成之后，由某一方（A或F）發出電路釋放請求，該釋放請求傳遞給中間節點4、5、6以釋放占用的邏輯信道資源。簡單的交換網絡

2.5.2分組交換

在分組交換網中，數據是以分組形式傳輸的，如果源端要發送一個很長的消息，該消息被分成若干個分組。每個分組除了用戶數據外還包含一些控制信息以便能夠正確地把該分組經過網絡傳送給目的站點。分組的傳送采用存儲－轉發方式，即網絡節點根據分組控制信息，把分組送到下一節點，下一節點接收分組后，暫時保存下來并排隊等待傳輸，然后該節點根據分組控制信息選擇下一個節點，并把該分組傳送給下一節點，這樣分組最后會到達目的站點。

2.5.3信元交換異步傳輸模式ATM中采用的是信元交換和復用技術。

2.6接入技術2.6.1一線通一線通的正式學術名稱是窄帶綜合服務數字網N-ISDN(NarrowbandIntegratedServiceDigitalNetwork)。ISDN是產生于80年代利用單一網絡提供語音、文字、數據和圖象等綜合傳輸服務的技術，相對于后來出現的速率高得多而被采用作為寬帶綜合服務數字網B-ISDN(BroadbandbandIntegratedServiceDigitalNetwork)的ATM技術而言，由于其速率低而被更明確地稱為窄帶綜合服務數字網。雖然它的速率用作為主干網太低了，但用作為接入網還是可以的。

ADSL是非對稱數字用戶線(AsymmetricDigitalSubscriberLine)的英文首字母縮寫，是一種利用原有已到千家萬戶的電話線向用戶提供寬帶上網的技術。它利用