網(wǎng)絡物理層

Frank_Chia 2010-04-13

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第3章物理層

本章首先討論物理層的基本概念：然后介紹有關信道極限容量的重要概念，我們將給出與數(shù)據(jù)傳輸速率有關的兩個著名公式，但不進行證明。接著討論各種傳輸媒介的主要特點以及模擬傳輸和數(shù)字傳輸?shù)囊恍┏Ｓ眉夹g(shù)。最后簡單介紹曾用的物理層標準。

3.1 物理層的基本概念

首先要強調(diào)指出，物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)的比特流，而不是指連接計算機的具體的物理設備或具體的傳輸媒體。大家知道，現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡中的物理設備和傳輸媒體的種類繁多，而通信手段好有許多不同方式。物理層的作用正是要盡可能地屏蔽掉這些差異，使物理層上面的數(shù)據(jù)鏈路層感覺不到這些差異，這樣就可使數(shù)據(jù)鏈路層只需要考慮如何完成本層的協(xié)議和服務，而不必考慮網(wǎng)絡具體的傳輸媒體是什么。用于物理層的協(xié)議也稱稱為物理層規(guī)程(Procedure)。其實物理層規(guī)程就是物理層協(xié)議。只是在“協(xié)議”這個名詞出現(xiàn)之前人們就先使用了“規(guī)程”這一名詞。

可以將物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即；

(1)機械特性：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，這很像平時常見的各種規(guī)格的電源插頭的尺寸都有嚴格的規(guī)定。

(2)電氣特性：指明在接口電纜的哪條線上出現(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)規(guī)程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

在物理連接上的傳輸方式一般那是串行傳輸，即一個比特一個比特地按照時間順序傳輸。但是，有時也可以采用多個比特的并行傳輸方式。出于經(jīng)濟上的考慮，遠距離的傳輸通常都是串行傳輸。

具體的物理層協(xié)議是相當復雜的。這是因為物理連接的方式很多(例如，可以是點對點的，也可以采用多點連接，如廣播連接)，而傳輸媒體的種類也非常之多(如架空明線、平衡電纜、同軸電纜、光導纖維、雙絞線以及各種波段的無線信道等)，出此在學習物理層時，應將重點放在掌握基本概念上。

考慮到使用本教材的一部分讀者可能沒有學過“接口與通信”或有關數(shù)據(jù)通信的課程，為此我們利用下面的3.2節(jié)簡單地介紹一下有關現(xiàn)代通信的一些最基本的知識和最重要的結(jié)論(但不給出證明)。對于已具有這部分知識的讀者可略過這部分內(nèi)容。

3.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識

3.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

下面我們通過—個最簡單的例子來說明數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型。這個例子就是兩個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3-1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))和目的系統(tǒng)(或接收端)。

源系統(tǒng)一般包括以下兩個部分：

(1)源站：源站設備產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，例如正文輸入到PC機，產(chǎn)生輸出的數(shù)字比特流。

(2)發(fā)送器：通常源站生成的數(shù)據(jù)要通過發(fā)送器編碼后才能夠在傳輸系統(tǒng)是進行傳輸，例如，調(diào)制解調(diào)器將PC機輸出的數(shù)字比特流轉(zhuǎn)換成能夠在用戶的電話線上傳輸?shù)哪M信號。

目的系統(tǒng)—般包括以下兩個部分：

(1)接收器：接收傳輸系統(tǒng)傳送過來的信號，并將其轉(zhuǎn)換為能夠被目的設備處理的信息，例如，調(diào)制解調(diào)器接收來自傳輸線路上的模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字比特流。

(2)目的站：目的站設備從接收器獲取傳送來的信息。

在源系統(tǒng)和目的系統(tǒng)之間的作輸系統(tǒng)可能是簡單的傳輸線，也可以是連接在源系統(tǒng)和目的系統(tǒng)之間的復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)。

如圖3—1所示的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，也可稱為計算機網(wǎng)絡。這里我們稱其為數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)上要是為了從通信的角度來介紹一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的一些要素，因為，如果從計算機網(wǎng)絡的角度來介紹這些要素，有些數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的要素可能就不會討論了。

再進一步討論圖3-1中的一些細節(jié)之前，我們先要明確幾個術(shù)語。

數(shù)據(jù)(data)是運送信息的實體，而信號(signal)則是數(shù)據(jù)的電氣或電磁的表現(xiàn)。無論數(shù)據(jù)或信號，都可以是模擬的或數(shù)字的。所謂“模擬的”就是連續(xù)變化的，而“數(shù)字的”就表示取值是離散的。因此，數(shù)字數(shù)據(jù)(digital data)就是用不連續(xù)形式表示的數(shù)據(jù)。

圖3—1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

雖然數(shù)字化已成為當今的趨勢，但這并不等于說：使用數(shù)字數(shù)據(jù)和數(shù)字信號就是“先進的”，而使用模擬數(shù)據(jù)和模擬信號就是“落后的”。數(shù)據(jù)究竟是應當數(shù)字的還是模擬的，是由所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的性質(zhì)決定的。例如，當我們說話時，聲音大小是連續(xù)變化的，因此傳送話音信息的聲波就是模擬數(shù)據(jù)!但數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換成為信號才能在網(wǎng)絡媒體中傳輸?？墒怯械膫鬏斆襟w只適合于傳送模擬信號；因此，即使數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)形式的，有時我們?nèi)砸獙?shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號才能在這種媒體上傳輸。將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程叫做調(diào)制。

有了上述的一些基本概念，就可以理解圖3-1所示的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型了。這里要指出的是，如果網(wǎng)絡的傳輸信道都是適合于傳送數(shù)字信號，那么PC機輸出的數(shù)字比特流就沒有必要再轉(zhuǎn)換為模擬信號了。現(xiàn)在因為要使用一段電話用戶線(這是當初為模擬電話建立的)，所以必須使用調(diào)制解調(diào)器(這時是使用其中的調(diào)制器)將PC機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。現(xiàn)在在公用電話網(wǎng)中，交換機之間的中繼線路大都數(shù)字化了。因此模擬信號還必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能在數(shù)字信道上傳輸。為簡單起見，這部分信號的變化在圖中沒有畫出。等到信號要進入接收端的用戶線時，數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換為模擬信號。最后再經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器(這時是使用其中的解調(diào)器)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進入接收端的計算機，經(jīng)計算機的處理，再恢復成正文。在學習計算機網(wǎng)絡時，我們—定要搞清在某處的信號是數(shù)字的還是模擬的。

一般說來，模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換為模擬信號或數(shù)字信號。因此我們有以下四種情況：

(1)模擬數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)：最早的電話系統(tǒng)就是這樣的。

(2)模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字數(shù)據(jù)：將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式后，就可以使用數(shù)字傳輸和交換設備。

(3)數(shù)字數(shù)據(jù)、模擬信號：為什么數(shù)字數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換成模擬信號來傳輸呢？這是因為有些傳輸媒體只適合于傳播模擬信號，使用這樣的管道時，必須將數(shù)字數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制變換為模擬信號后才能傳輸。

(4)數(shù)字數(shù)據(jù)、數(shù)字信號：—般說來，把數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的設備比把數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號的調(diào)制設備更簡單，更廉價。

圖3-2給出了模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號的示意圖。

圖3-2模擬數(shù)據(jù)、模擬信號、數(shù)字的數(shù)據(jù)和數(shù)字的信號

3.2.2 有關信道的幾個基本概念

在許多情況下，我們要使用“信道(channel)這一名詞。信道和電路并不等同。信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體，因此，一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。一個信道可以看成是一條電路的邏輯部件。

從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有以三種基本方式：

(1)單向通信：又稱為單工通信，即只能有—個方向的通信而沒有反力向的交互。無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類型。

(2)雙向交替通信：又稱為半雙工通信，即通信的雙方都可以發(fā)送情息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。這種通信方式是一方發(fā)送另一方接收，過一段時間后再反過來。

(3)雙向同時通信：又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時通信則都需要兩條信道(每個方向各一條)。顯然，雙向同時通信的傳輸效率最高。

這里需要注意，有時人們也常用“單工”這個名詞表示“雙向交替通信”。如常說的“單工電臺”并不是只能進行單向通信。正因為如此，ITU-T才不采用“單工”、“半雙工”和“全雙工”這些容易弄混的術(shù)語(但這些名詞仍然被人們經(jīng)常使用)作為正式的名詞。

信道可以分成傳送模擬信號的模擬信道和傳送數(shù)字信號的數(shù)字信道兩大類。但應注意，數(shù)字信號在經(jīng)過數(shù)模變換后就可以在模擬信道上傳送，模擬信號在經(jīng)過模數(shù)變換后也可在數(shù)字傳道上傳送。

信道上傳送的信號還有基帶(baseband)信號和寬帶(broadband)信號之分。簡單地說，所謂基帶信號就是將數(shù)字信號1或0直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。而寬帶信號則是將基帶信號進行調(diào)制后形成的頻分復用模擬信號?；鶐盘栠M行調(diào)制后，其頻譜搬移到較高的頻率處。由于每一路基帶信號的頻譜被搬移到不同的頻段．因此合在—起后并不會互相干擾。這樣做就可以在一條電纜中同時傳送多路的數(shù)字信號，因而提高了線路的利用率。

在通信網(wǎng)的發(fā)展初期，所有的通信信道都是模擬信道。但由于數(shù)字傳送可提供更高的通信服務質(zhì)量，因此過去建造的模擬信道正在被新的數(shù)字信道所代替。現(xiàn)在計算機通信所使用的通信信道，在主干線路上已基本是數(shù)字信道，但目前大量的用戶線則基本上還是傳統(tǒng)的模擬信道。模擬信道與數(shù)字信道并存的局面也使得物理層的內(nèi)容較為復雜。

有了上述的—些基本概念之后，我們再討論信道的極限容量。這就是信道上的最高碼元傳輸速率和信道上的最高信息傳輸速率。

3.2.3 信道上的最高碼元傳輸速率

為了提高信號的傳輸效率，我們總是希望在—定的時間內(nèi)能夠傳輸盡可能多的碼元。然而任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。圖3-3給出了—個數(shù)字信號通過實際的傳送和質(zhì)量很差的信道時的輸出波形。我們可以看出，當信道質(zhì)量很差時，在輸出端是很難判斷這個信號在什么時候是1和在什么時候是0。當碼元傳輸?shù)乃俾侍岣邥r，每—個碼元在時間軸上的寬度就變得更窄，這樣的碼元就包含有更多的高頻分量。這就導致碼元經(jīng)過信道的傳輸后失真變得更加嚴重。因此在實際的信道上，碼元傳輸?shù)乃俾时厝挥小獋€上限：此外，信道越長，信號受到的衰減就越大，因而碼元傳輸速率的上限值也就越低。

早在1924年,奈奎斯特(Nyquist)就推導出在理想低通信道下的最高碼元傳輸速率的公式：

理想低通信道的最高碼元傳輸速率＝2WBaud (3-1)

這里W是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)。

Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個碼元。

圖3-3數(shù)字信號通過實際的信道

式(3-1)就是著名的奈氏準則。奈氏準則的另一種表達方法是：每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2個碼元。若碼元的傳輸速率超過了奈氏準則所給出的數(shù)值，則將出現(xiàn)碼元之間的相互干擾以致在接收端無法正確判定在發(fā)送方所發(fā)送的碼元是1還是0。式(3-1)的證明可在有關通信理論的教材中找到，這里從略。

對于具有理想帶通矩形特性的通道(帶寬為W),奈氏準則就變?yōu)椋?/span>

理想帶通信道的最高碼元傳輸速率＝W Baud (3-2)

即每赫帶寬的帶通信道的最高碼元傳輸速率為每秒1個碼元。

這里我們要強調(diào)以下兩點：

(1)上面所說的具有理想低通特性的信道是理想化的信道，它和實際上所使用的信道當然有相當大的差別。所以一個實標的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準則給出的這個上限數(shù)值。

(2) 波特和比特是兩個不同的概念。

波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝弧Ｋf明每秒傳多少個碼元。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率，波形速率或符號速率。

比特是信息量的單位，與碼元的傳輸速率“波特”是兩個完全不同的概念。

但是，信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有一定的關系。若1個碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特／秒”和“波特”在數(shù)值上是相等的：但若使1個碼元攜帶n bit的信息量，則M Baud的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為M×n bit/s。

關于這個問題，最好用—個例子來說明。

有一個帶寬為3kHz的理想低通信道，其最高碼元傳輸速率為6000 Baud。若1個碼元能攜帶3bit的信息量，則最高信息傳輸速率為18000bit/s。

那么，怎樣才能使一個碼元攜帶3bit的信息量呢？假定我們的基帶信號是：

10l011000110111010……

我們將這個信號中的每3個bit編為一個組，即101，011，000，110，111，010，3個比特共有8種不同的排列。我們可以用不同的調(diào)制方法(見圖3-16)來表示這樣的信號。可以用8種不同的振幅，或8種不同的頻率，或8種不同的相位進行調(diào)制?，F(xiàn)在假定我們采用相位調(diào)制，用相位∮₁表示000，∮₂表示001、∮₃表示010。…，∮₇表示111。這樣，原來的信號就轉(zhuǎn)換為：

∮₅∮₃∮₀∮₆∮₇∮₂

也就是說，原來要發(fā)送18個碼元，每個碼元只攜帶 1 bit的信息量。但經(jīng)過變化后，只需要發(fā)送6個碼元，而每個碼元(它們的載波的相位不同)能夠攜帶3 bit的信息量。若以同樣的速率發(fā)送碼元，則同樣時間所傳送的信息量就提高到了3倍。關于這個問題后面還要討論。這里主要是說明，“比特率”和“波特”在概念上是完全不同的。

3.2.4 信道的極限信息傳輸速率

1948年，香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限信息傳輸速率。當用此速率進行傳輸時，可以做到不產(chǎn)生差錯。如用公式表示，則信道的極限信息傳輸速率C可表達為

C＝W log₂(1+S/N) bit/s (3-3)

其中：W為信道的帶寬(以 Hz為單位)；

S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；

N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率；

式(3-3)就是著名的香農(nóng)公式。香農(nóng)公式表明，信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高；但更重要的是，香農(nóng)公式指出了：只要信息傳輸速率低于傳送的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。不過，香農(nóng)沒有告訴我們具體的實現(xiàn)方法，這要由研究通信的專家去尋找。需要查閱式(3-3)證明步驟的讀者可參閱有關通信原理的教材。

從香農(nóng)公式可看出，若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限(實際的信通當然不可能是這樣的)，那么信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限。

自從香農(nóng)公式發(fā)表后，各種新的信號處理和調(diào)制方法不斷出現(xiàn)，其目的都是為了盡可能地接近香農(nóng)公式給出的傳輸速率極限。要實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。這是因為在實際信道中，信號還要受到其他—些損傷，如各種脈沖干擾利在傳輸中產(chǎn)生的失真等等，這些因素在香農(nóng)公式的推導過程中并未考慮。

由于碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高信息的傳輸速率，就必須設法使每一個碼元能攜帶更多個比特的信息量。這就需要采用多元制(又稱為多進制)的調(diào)制方法。例如，當采用16元制時，一個碼元可攜帶4 bit的信息。一個標準電話話路的頻帶為300～3400 Hz，即帶寬為3100Hz。在這頻帶中接近于理想信道的也就是靠中間的一段，其帶寬約為2400 Hz左右。如使碼元的傳輸速率為2400 Baud(這相當于每赫帶寬的碼元傳輸速率為1Baud)。則信息的傳輸速率即可達到9600 bit/s。讀者從式(3-3)可以很容易地計算出所需信噪比的最低值。但實際信道所需的信噪比要比這個最低值還要高不少。

對于3.1kHz帶寬的標準電話信道，如果信噪比S/N＝2500，那么由香農(nóng)公式可以知道，無論采用何種先進的編碼技術(shù)，信息的傳輸速率一定不可能超過由式(3-3)算出的極限數(shù)值，即35Kbit/s左右。若想超過這個數(shù)值，只能設法提高信道中的信噪比，或者提高信道的傳輸帶寬。

3.3 物理層下面的傳輸媒體

傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介。它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類、即導向傳輸媒休和非導向傳輸媒體，在導向傳輸媒體中，電磁波被導向沿著固體媒體(銅線或光纖)傳播，而非導向傳輸媒體就是指自由空間，在非導向傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。圖3-5是電信領域使用的電磁波的頻譜。

3.3.1 導自傳輸媒體

1.雙絞線

雙絞線也稱為雙扭線。它是最古老但又是最常用的傳輸媒體。把兩根互相絕緣的銅導線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合(twist)起來就構(gòu)成了雙絞線。絞合可減少對相鄰導線的電磁干擾。使用雙絞線最層多的地方就是到處都有的電話系統(tǒng)。幾乎所有的電話都用雙絞線連接到電話交換機。這種從用戶電話機到交換機的這段線稱為用戶線或用戶環(huán)路(subscriber loop)。通常將—定數(shù)量的這種雙絞線捆成電纜，在其外面包上硬的護套。模擬傳輸和數(shù)字傳輸有可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾到十幾公里。距離太長時就要加放大器以便將衰減了的信號放大到合適的數(shù)值(對于模擬傳輸)，或者加上中繼器以便將失真了的數(shù)字信號進行整形(對于數(shù)字傳輸)。導線越粗，其通信距離就越遠，但導線的價格也越高。

在數(shù)字傳輸時，若傳輸速率為每秒幾個兆比特，則傳輸距離可達幾公里。由于雙絞線的價格便宜且性能也不錯，因此使用十分廣泛。

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用金屬絲編織成的屏蔽層，這就是屏蔽雙紋線，簡稱為SIP(Shielded Twisted Pair)。它的價格當然比無屏蔽雙絞線UTP(Unshielded Twisted Pair)要貴一些，圖3-6是無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的示意圖。

圖3-6 無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的示意圖

1991年，美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(Electronic Industries Association)和電信工業(yè)協(xié)會TIA聯(lián)合發(fā)布了一個標準EIA/TIA-568，它的名稱是“商用建筑物電信布線標準”(Commercial Building Telecommunications Cabling Standard)。這個標準規(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準。隨著局域網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳送速率的不斷提高，EIA/TIA在1995年將布線標準更新為EIA/TIA-586-A。此標準規(guī)定了5個種類的UTP標準(從1類線到5類線)。對傳送數(shù)據(jù)來說，最常用的UTP是3類線(Category 3)和5類線(category 5)。

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度的絞合次數(shù)。3類線的絞合長度是7.5～10cm，而5類線的絞合長度是0.6～0.85cm。另一方面，線對間的絞合度和線對內(nèi)兩根導線的絞合度都經(jīng)過了精心的設計，并在生產(chǎn)中加以嚴格的控制，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。

無論是哪一種線，衰減都隨頻率的升高而增大。在設計布線時，要考慮到受到衰減的信號還應當有足夠大的振幅，以便在有噪聲干擾的條件下能夠在接收端正確地被檢測出來。雙絞線究竟能夠傳送多高速率(M bit/s)的數(shù)據(jù)還與數(shù)字信號的編碼方法有很在的關系，隨著技術(shù)的發(fā)展，EIA/TIA-568標準還會不斷修訂。例如，超5類線和6類線都已開始試用，不過目前尚未制定出它們的標準，對此我們應當注意。

2．同軸電纜

同軸電纜由內(nèi)導體銅質(zhì)芯線(單股實心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導體屏蔽層(也可以是單股的)以及保護塑料外層所組成(圖3-7)。由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，現(xiàn)被廣泛用于較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。

圖3-7 同軸電纜的結(jié)構(gòu)

當需要將計算機連接到電纜上的某一處時，通常都是利用T型分接頭(或稱為T型連接器，即T junction)。T型分接頭主要有兩種：一種必須先把電纜剪斷，然后再進行連接；另一種則不必剪斷電纜，但要用另一種較昂貴的、特制的插入式分接頭(vampire tap)。利用螺絲分別將兩根電纜的內(nèi)外導線連接好。保持電纜接頭處的接觸良好，是使用電纜作為傳輸媒體時必須特別加以注意的事項。

通常按特性阻抗數(shù)值的不同,將同軸電纜分為兩類：

(1)50歐姆同軸電纜

這是為數(shù)據(jù)通信傳送基帶數(shù)字信號。因此，50歐姆同軸電纜又被稱為基帶同軸電纜。用這種同軸電纜以10M Bit/s的速率將基帶數(shù)字信號傳送1km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媒體。

在傳輸基帶數(shù)字信號時，可以有多種不同的編碼方式。圖3-8畫的是未經(jīng)編碼的原基帶數(shù)字信號和在計算機網(wǎng)絡中常用的兩種編碼方法，即：曼徹斯特(Manchester)編碼和差分曼徹斯特編碼。未經(jīng)編碼的二進制基帶數(shù)字信號就是高電平和低電平不斷交替的信號。至于用高電平還是用低電平代表1或0都是可以的。使用這種最簡單的基帶信號的最大問題就是當出現(xiàn)一長串的連1或連0時，在接收端無法從收到的比特流中提取位同步信號。曼徹斯特編碼則可解決這一問題。它的編碼方法是將每—個碼元內(nèi)分成兩個相等的間隔。碼元1是在前一個間隔為高電平而后一個間隔為低電平。碼元0則正好相反，從低電平變到高電平。這種編碼的好處就是可以保證在每一個碼元的正中間時刻出現(xiàn)一次電平的轉(zhuǎn)換，這對接收端的提取位同步信號是非常有利的。但是從曼徹斯特編碼的波形圖不難看出其缺點，這就是它所占的頻帶寬度比原始的基帶信號增加了一倍。

另一種曼徹斯特編碼的變種叫做差分曼徹斯特編碼，它的編碼規(guī)則是：若碼元為1，則其前半個碼元的電平與上—個碼元的后半個碼元的電平一樣(見圖中的實心箭頭)，但若碼元為0，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反(見圖中的空心箭頭)。不論碼元是1或0，在每個碼元的正中間的時刻，一定要有一次電平的轉(zhuǎn)換。差分曼徹斯特編碼需要較復雜的技術(shù)，但可以獲得較好的抗干擾性能。

圖3-8曼徹斯特(Manchester)編碼和差分曼徹斯特編碼

(2)75歐姆同軸電纜

這種同軸電線用于模擬傳輸系統(tǒng)，它是有線電視系統(tǒng)CATV中的標準傳輸電纜。在這種電纜上傳送的信號采用了頻分復用的寬帶信號。這樣，75歐姆同軸電纜又稱為寬帶同軸電纜。順便指出，過去在電話通信系統(tǒng)中，帶寬超過—個標準話路(4kHz)的頻分復用系統(tǒng)都列稱為是“寬帶”的，但在計算機通信中，“寬帶系統(tǒng)”是指采用了頻分復用和模擬傳輸技術(shù)的同軸電纜網(wǎng)絡。

寬帶同軸電纜用于傳送模擬信號時，其頻率可高達500 MHz以上，而傳輸距離可達100km。寬帶電纜通常都劃分為若干個獨立信道，例如，每一個6 MHz的信道可以傳送一路模擬電視信號。當每一個6MHz信道用來傳送數(shù)字信號時，數(shù)據(jù)率一般可達3M Bit/s。

由于在寬帶系統(tǒng)中要用到放大器來放大模擬信號，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，—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)都可以達到這個目的。

從20世紀70年代到現(xiàn)在，通信和計算機都發(fā)展得非常快。20多年來，計算機的運行速度大約每10年提高10倍。在通信領域里，信息的傳輸速率則提高得更快，從20世紀70年代的56 Kbit/s提高到現(xiàn)在的幾個到幾十個G Bit/s(使用光纖通信技術(shù))。相當于每10年提高l00倍。因此光纖通信就成為現(xiàn)代通信技術(shù)中的一個十分重要的領域。

光纖通信就是利用光導纖維(以下簡稱為光纖)傳遞光脈沖來進行通信。有光脈沖相當于1，而沒有光脈沖相當于0。由于可見光的頻率非常高，約為10⁸MHz的量級，因此一個光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸媒體通信系統(tǒng)的傳輸帶寬。

光纖是光纖通信的傳輸媒體。在發(fā)送端有光源，可以采用發(fā)光二極管或半導體激光器，它們在電脈沖的作用下能產(chǎn)生出光脈沖。在接收端利用光電二極管做成光檢測器，在檢測到光脈沖時可還原出電脈沖。

光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯很細，其直徑只有8～100um。正是這個纖芯用來傳導光波。包層較纖芯有較低的折射率。當光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時，其折射角將大于入射角(如圖3-10所示)，因此，如果入射角足夠大，就會出現(xiàn)全反射，即光線碰到包層時就會折射回纖芯。不斷重復，光也就沿著光纖傳輸下去。

圖3-10 光線在光纖中的折射

圖3-11畫出了光波在纖芯中傳播的示意圖。現(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)公里而基本上沒有什么衰耗。這—點乃是光纖通信得到飛速發(fā)展的最關鍵因素。

圖3-11 光波在纖芯中的傳播

圖3-11只畫了一條光線。實際上，只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某一個臨界角度，就可產(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(如圖3-12(a)所示)。光脈沖在多模光纖中傳輸時會逐漸展寬，造成失真。因此多模光纖只適合于近距離傳輸。若光纖的直徑減小到只有—個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產(chǎn)生多次反射。這樣的光纖就稱為單模光纖(圖3-12(b))。單模光纖的纖芯很細，其直徑只有幾個微米，制造起來成本較高。同時單模光纖的光源要使用昂貴的半導體激光器，而不能使用較便宜的發(fā)光二極管。但單模光纖的衰耗鉸小，在2.5 G Bit/s的高速率下可傳輸數(shù)十公里而不必采用中繼器。

圖3-12 多模光纖和單模光纖

在光纖通信中常用的三個波段的中心分別位于0.85um、1.30um、和1.55um。對于后兩種情況的衰減都較小。0.85um波段的衰減較大，但在此波段的其他特性均較好。所以這一個波段都具有25000～30000GHz的帶寬，可見光纖的通信容量非常大。

由于光纖非常細，其直徑不到0.2mm，因此必須將光纖做成很結(jié)實的光纜。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，再加上加強芯和填充物就可以大大提高其機械強度。必要時還可放入遠供電源線。最后加上包帶層和外護套，就可以使抗拉強度達到幾公斤．完全可以滿足工程施工的強度要求。圖3-13為高密度多芯光纜剖面的示意圖。

圖3-13 高密度多芯光纜剖面

光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點，而且還具有其他的一些特點：

(1)傳輸損耗小，中繼站離長，對遠距離傳輸特別經(jīng)濟。

(2)抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。

(3)無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。

(4)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，1km長的1000對雙絞線約重8000kg，而同樣長度但容量大得多的一對光纖僅重100kg。

但光纖也有一定的缺點。這就是要將兩根光纖精確地連接需要專用設備。目前光電接口還較貴，但價格是在逐年下降的。

當采用光纖連網(wǎng)時，常常將—段段點到點的鏈路串接起來構(gòu)成一個環(huán)路，通過T形接頭連接到計算機。

T形接頭有兩種：無源的和有源的。無源的T形接頭由于完全是無源的，因此非?？煽俊Ｋ锩嬗幸还怆姸O管(供接收用)和一個發(fā)光二極管LED(供發(fā)送用)，都熔接在主光纖上。即使光電二極管或發(fā)光二極管出了故障，也只會使連接的計算機處于脫機狀態(tài)，而整個光纖網(wǎng)還是連通的。但在每個接頭處光線強度會有些損失，因此整個光纖環(huán)路的長度受到了限制。

圖3-14 使用有源轉(zhuǎn)發(fā)器的光纖環(huán)路

有源的T形接頭實際上就是一個有源轉(zhuǎn)發(fā)器(如圖3-14所示)。進入的光信號通過光電二極管變成電信號，再生放大后，再經(jīng)過發(fā)光二極管LED變成光信號繼續(xù)向前傳送。利用有源轉(zhuǎn)發(fā)器使得每兩個計算機之間的距離可長達數(shù)公里，有源轉(zhuǎn)發(fā)器的缺點是：一旦T形接頭出了故障，整個光纖環(huán)路即斷開不能工作?，F(xiàn)在純光的信號再生器也已經(jīng)始使用。由于不需要進行光電和電光轉(zhuǎn)換，因此其工作帶寬大大增加。

最后要提—下，在導向傳輸媒體中，還有一種是架空明線(銅線或鐵線)。這是在20世紀初就已大量使用的――在電線桿上架設的互相絕緣的明線。架空明線安裝簡單，但通傳質(zhì)量差，受氣候環(huán)境等影響較大?，F(xiàn)在許多國家都已停止了鋪設架空明線。目前在我國的一些農(nóng)村和邊遠地區(qū)的通信仍使用架空明線。

3.3.2 非導向傳輸媒體

前面介紹了三種導向傳輸媒體。但是，若通信線路要通過一些高山或島嶼，有時就很難施工。即使是在城市中，挖開馬路敷設電纜也不是一件很容易的事。當通信距離很遠時，敷設電纜既昂貴又費時。但利用無線電波在自由空間傳播就可實現(xiàn)多種的通信。

特別要指出的是，由于信息技術(shù)的發(fā)展，社會各方面的節(jié)奏變快了。人們不僅要求能夠在運動中進行電話通信(這就是移動電話通信)，而且還要求能夠在運動中進行計算機數(shù)據(jù)通信。因此在最近十幾年無線電通信發(fā)展得特別快，因為利用無線信道進行信息的傳輸，是在運動中通信的唯一手段。

無線傳輸所使用的頻段很廣。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波段進行通信。紫外線和更高的波段目前還不能用于通信。在前面給出的圖3-5的最下面還給出了ITU對波段取的正式名稱。例如，LF波段是從1～10km(對應于30～300 kHz)。LF、MF和HF的中文名字分別是低頻、中頻和高頻。更高的頻段中的V、U、S和E的分別對應于very、Ultra、Super和Extremely，相應的頻段的中文名字分別是甚高頻、特高頻、超高頻和極高頻，最高的一個頻段中的T是Tremendously。目前尚無標準譯名。在低頻LF的下面其實還有幾個更低的頻段，如，甚低頻VLF，特低領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。

短波通信主要是靠電離層的反射。但電離層的不穩(wěn)定所產(chǎn)生的衰落現(xiàn)象和電離層反射所產(chǎn)生的多徑效應，使得短波信道的通信質(zhì)量較差。因此，當必須使用短波無線電臺傳送數(shù)據(jù)時，一般都是低速傳輸，即速率為一個標準模擬話路傳幾十至幾百比特/秒。只有在采用復雜的調(diào)制解調(diào)技術(shù)后，才能使數(shù)據(jù)的傳輸速率達到幾千比特/秒。

無線電微波通信在數(shù)據(jù)通信中占有重要地位。微波的頻率范圍為300MHz～300GHz，但主要是使用2～40 GHz的頻率范圍。微波在空間主要是直線傳播。由于微波會穿透電離層而進入宇宙空間，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的地方。這樣，微波通信就有兩種主要的力式，即地面微波接力通信和衛(wèi)星通信。

由于微波在空間是直線傳播，而地球表面是個曲面，因此其傳播距離受到限制，一般只有50 km左右。但若采用100m高的天線塔，則傳播距離可增大到100km。為實現(xiàn)遠距離通信必須在—條無線電通信信道的兩個終端之間建立若干個中繼站。中繼站把前—站送來的信號經(jīng)過放大后再發(fā)送到下一站，故稱為“接力”。大多數(shù)長途電話業(yè)務使用4～6GHz的頻率范圍。目前各國大量使用的微波設備信道容量多為960路、1200路、1800和2700路。我國多為960路。

微波接力通信可傳輸電話、電報、圖像、數(shù)據(jù)等信息。其主要特點是：①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：②因為工業(yè)干擾和天氣干擾的主要頻譜成分比微波頻率低得多，對微波通信的危害比對短波和米波通信小得多，因而微波傳輸質(zhì)量較高；③與相同容量和長度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設投資少，見效快。

當然，微波接力通信也存在如下的一些缺點：①相鄰站之間必須直視，不能有障礙物，有時一個天線發(fā)射出的信號比會分成幾條略有差別的路徑到達接收天線，因而會造成失真；②微波的傳播有時也會受到惡劣氣候的影響；②與電纜通信系統(tǒng)比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差；④對大量中繼站的使用和維護要耗費一定的人力和物力。

2.衛(wèi)星通信

常用的衛(wèi)星通信方法是在地球站之間利用位于3.6萬公里高空的人造同步地球衛(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?？梢娦l(wèi)星通信的主要優(yōu)缺點應當大體上和地面微波通信的差不多。

衛(wèi)星通信的最大特點是通信距離遠，全通信費用與通信距離無關。同步衛(wèi)星發(fā)射出的電磁波能輻射到地球上的通信覆蓋區(qū)的跨度達1.8萬多公里。只要在地球赤道空中的同步軌道上，等距離地放置3顆相隔120^o的衛(wèi)星，就能基本上實現(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^o，那么整個赤道上空只能放置180個同步衛(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行通信。因此總的通信容量還是很大的。

一個典型的衛(wèi)星通常擁有12～20個轉(zhuǎn)發(fā)器。每個轉(zhuǎn)發(fā)器的頻帶寬度為36～50 MHz?！獋€50 M Bit/s的轉(zhuǎn)發(fā)器可用來傳輸50 M Bit/s速率的數(shù)據(jù)?；?/span>800路64Kbit/s的數(shù)字化話音信道。如果兩個傳發(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產(chǎn)生干擾。

在衛(wèi)星通信領域中，甚小孔徑地球站VSAT(Very Small Aperture Terminal)已被大量使用。這種小站的天線直徑往往不超過1m，因而每—個小站的價格就較便宜。在VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)中。需要有一個比較大的中心站用來管理整個衛(wèi)星通信網(wǎng)。對于某些VSAT系統(tǒng)，所有小站之間的數(shù)據(jù)通信都要經(jīng)過中心站進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。對于能夠進行電話通信的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，兩個小站之間的通信就可以直接通過衛(wèi)星進行，而不必再經(jīng)過中心站。

衛(wèi)星通信的另一特點就是具有較大的傳播時延。由于各地球站的天線仰角并不相同，因此不管兩個地球站之間的地面距離是多少(相隔一條街或相隔上萬公里)，從一個地球站經(jīng)衛(wèi)星到另一地球站的傳播時延在250～300 ms之間。一般可取為270ms。這和其他的通信有較大差別(請注意：這和兩個地球站之間的距離沒有什么關系，即使這兩個地球站相距只有幾十米，它們之間的傳播時延也是270 ms)。對比之下，地面微波接力通信鏈路的傳播時延一般取為3.3us/km。

這里我們要注意的是：“衛(wèi)星信道的傳播時延較大”并不等于“用衛(wèi)星信道傳送數(shù)據(jù)的時延較大”。這是因為傳送數(shù)據(jù)的總時延除了傳播時延外，還有發(fā)送時延和排隊時延這兩部分。傳輸時延在總時延中所占的比例有多大，取決于具體情況。

衛(wèi)星通信非常適合于廣播通信，因為它的覆蓋面很廣。但從安全方面考慮，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的保密性是較差的。

通信衛(wèi)星本身和發(fā)射衛(wèi)星的火箭造價都較高。受電源和元器件壽命的限制，同步衛(wèi)星的使用壽命一般只有七八年，衛(wèi)星地球站的技術(shù)較復雜，價格還比較貴。這些都是選擇傳輸媒體時應全面考慮的。

3.4 模擬傳輸與數(shù)字傳輸

從概念上講，對傳送計算機數(shù)據(jù)最合適的應當是數(shù)字信道。但早在計算機網(wǎng)絡出現(xiàn)之前，采用模擬傳輸技術(shù)的電話網(wǎng)就已經(jīng)工作了近一個世紀，并且已遍布在世界上的各個角落。由于數(shù)字傳輸?shù)男阅軆?yōu)于模擬傳輸，因此各國都紛紛將傳統(tǒng)的模擬傳輸干線更換成先進的數(shù)字傳輸干線，并且大量地采用光纖技術(shù)。但是從用戶的電話機到市話局的用戶線，現(xiàn)在還是使用老式的雙絞線(銅線)。因此目前的情況是模擬傳輸與數(shù)字傳輸并存。這樣，在學習計算機網(wǎng)絡時，我們還需要對傳統(tǒng)的模擬傳輸系統(tǒng)有一定的了解。

下面將討論有關模擬傳輸和數(shù)字傳輸?shù)囊恍┳罨镜母拍?。嚴格說來，“傳輸”和“交換”是兩個不同的概念。但為方便起見，我們在討論傳輸?shù)膯栴}時，也要涉及到一些有關交換的概念。

3.4.1 模擬傳輸系統(tǒng)

傳統(tǒng)的電話通信系統(tǒng)都是分級交換。我國的電話網(wǎng)絡原先分為5級，上面4級是長途電話網(wǎng)絡，最低一級是市話電話網(wǎng)。現(xiàn)在這4級長途交換已改為更加先進的動態(tài)無級選路DNHR體制，即只分兩級，在下面的一級是本地網(wǎng)，其交換中心有320個左右，在本地網(wǎng)上面就是省的交換中心(30個)。而各省的交換中心組成全連通網(wǎng)絡。這樣可大大減少轉(zhuǎn)接次數(shù)和提高轉(zhuǎn)接速率，也提高了電話的接通率。

從市話局到用戶的電話機的用戶線是采用最廉價的雙絞線電纜。通信距離約為1～10 km。在電話機較稠密的城市，用戶到市話局的距離就比較短。用戶環(huán)的投資占整個電話網(wǎng)投資的一個相當大的比重。

長途干線最初采用頻分復用FDM(Frequency Division Multiplexing)的傳輸方式，也就是許多用戶可在同樣的時間占用人家共享的線路資源，但從頻率域來看，它們占用的頻率范圍是各自分開因而互不干擾。所謂的載波電話就是他用頻分復用的電話通信系統(tǒng)，一個標準話路的頻率范圍是300～3400 Hz。但由于話路之間應有—些頻率間隔，因此國際標準取4kHz為一個標準話路所占用的頻帶寬度。一般說來，級別越高的交換局之間的長途干線就需要更多的話路容量才能滿足通信業(yè)務的需求。我們平時常說的60路、300路或1800路等，就是指長途干線頻分復用的話路數(shù)目。

在長途干線中，由于使用了只能單向傳輸?shù)姆糯笃鳎虼瞬荒芟袷性捑€路那樣使用二線制而是要使用四線制，即要用兩對線來分別進行發(fā)送和接收。也就是說，發(fā)送和接收各需要占用一條信道。這樣，當市話線路和長途線路相連接時，就需要加入一個二線與四線轉(zhuǎn)換器我們經(jīng)常遇到的情況就是在電話用戶的兩端都采用二線制的市話線路，而中間的一段則采用四線制的長途線路。由于二、四線之間的轉(zhuǎn)換不可能是理想的，這就產(chǎn)生了所謂的回波(echo，又稱為回聲)的問題。當電話通信的—方講話的話音信號傳到對方的二、四線轉(zhuǎn)換器時，不可避免地會有一部分話音信號又反射回來進入講話人的耳機，因而產(chǎn)生了回波。當通信的距離很長時(例如超過2000km)，回波會使講話人感到很不舒服，嚴重時會使講話人無法正常進行電話交談。為此，在長途電話線路中要裝上回波抑制器?；夭ㄒ种破髟跈z測到某一方人講話時，就自動將其接收線路切斷，因而抑制了回波。實際上，回波抑制器就是把全雙工的電路變?yōu)榘腚p工的。由于正常的電話通信是按半雙工的方式進行的，所以回波抑制器的加入不會影響正常的電話交談。但是當裝有回波抑制器的電話線路用來傳送計算機的數(shù)據(jù)時，全雙工的通信就無法進行。

目前我國長途線路已基本實現(xiàn)數(shù)字化，因而現(xiàn)在的模擬電路就基本上只剩下從用戶電話機到市話交換機之間的這一段幾公里長的用戶線上。

3.4.2 調(diào)制解調(diào)器

下面觀察一下計算機數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬傳輸系統(tǒng)后會出現(xiàn)什么結(jié)果。圖3-15表示了出現(xiàn)一個誤碼的示意圖。

圖3-15基帶信號經(jīng)電話線路傳輸后產(chǎn)生誤碼

在圖3-15中接收到的基帶信號與發(fā)送端發(fā)送的信號有很大的不同。這是出為：

(1)發(fā)送的基帶信號包含有各種的頻率成分，其中的一部分已經(jīng)落到模擬電話通信系統(tǒng)所能通過的頻率范圍(300～3400Hz)之外，因而通不過去，由于收到的信號中缺少了這部分頻率成分，因此使數(shù)字信號產(chǎn)生了失真。

(2)在能夠通過電話線路的這部分頻率成分中，各頻率成分經(jīng)受的衰減和時延可能會有些不同。這也要產(chǎn)生失真。

(3)電話線路中存在噪聲和各種干擾信號，使信號失真。

上述這些因素對傳送話音信號同樣要產(chǎn)生失真。由于話音信號中的信息冗余度很大。只要電話線路的各項技術(shù)指標都滿足電話通信的各項標準，即使存在這些失真，電話信號中的主要成分還是能夠通過去的。因此人們對這樣的電話通信質(zhì)量仍然是滿意的。

但數(shù)據(jù)通信是靠機器來判定收到的碼元是什么，接收端一般是在每個碼元的中間時刻產(chǎn)生—個采樣時刻，并在此采樣時刻對收到的信號進行判決。當失真或干擾嚴重時就會出現(xiàn)差錯，即產(chǎn)生了誤碼。若所傳送的碼元速率越高，信號的失真就越嚴重。

為解決上述(1)和(2)兩個因素產(chǎn)生的失真，必須將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為頻率范圍在(300～3400Hz)之間的模擬信號來傳輸。具體的做法就是在模擬信道兩端各加上一個調(diào)制解調(diào)器。至于要解決上述的因素(3)，則要利用差錯檢測和糾錯技術(shù)。

由于計算機之間的通話經(jīng)常都是雙向通信，因此一個調(diào)制解調(diào)器包括了為發(fā)送信號用的調(diào)制器和為接收信號用的解調(diào)器。調(diào)制解調(diào)器(modem)就是由調(diào)制器(Modulator)和解調(diào)器(Demodulator)這兩個字各取其字頭合并而成的。如果沒有特殊的說明，本書中的調(diào)制解調(diào)器就是在一條標準的二線模擬話路(31kHz的標準話路帶寬)上提供全雙工的異步數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)器。

調(diào)制器的主要作用就是個波形變換器，它將基帶數(shù)字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ?/span>(注意：這并不改變數(shù)據(jù)的內(nèi)容，即轉(zhuǎn)換后的模擬信號仍然攜帶原來的數(shù)字信號所攜帶的數(shù)字信息)。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。若識別不正確，則產(chǎn)生誤碼。在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯檢測和糾正的設施，以防止線路上的噪聲和干擾在傳送的信息中產(chǎn)生誤碼。

2．幾種最基本的調(diào)制方法

所謂調(diào)制就是進行波形變換?；蛘吒鼑栏裥?，是進行頻譜變換，將基帶數(shù)字信號的頻譜變換成為適合于在模擬信道中傳輸?shù)念l譜。最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種(如圖3-16所示)：

圖3-16對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法

(1)調(diào)幅(AM)，即載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0對應于無載波輸出，而1對應于有載波輸出。

(2)調(diào)頻(PM)，即載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0對應于頻率f₁，而1對應于頻率f₂。

(3)調(diào)相(PM)，即載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0對應于相位0^o，而1對應于相位180^o。

上述的對數(shù)字信號的調(diào)頻和調(diào)相，分別稱為移頻鍵控FSK(Frequency shift Keying)和移相鍵控PSK(Phase Shift Keying)。而對移相鍵控還可再分為絕對移相鍵控和相對移相鍵控(DPSK)，即0對應于相位發(fā)生變化，而1對應于相位不變化。由于檢測相位的變化要比檢測相位本身的數(shù)值更加容易，因此DPSK具有更好的抗干擾性。

為了達到更高的信息傳輸速率，必須采用技術(shù)上更為復雜的多元制的振幅相位混合調(diào)制方法。圖3-17畫的是一種正交調(diào)制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)的星座圖。可以看出，可供選樣的相位有8種，而對于每一種相位又有兩種振幅可供選擇。星座圖中的16個點的坐標(r，p)都是不相同的。這里r代表振幅，而p代表相位。這樣我們就可以用與這l 6個點相對應的16種不同的碼元來傳送數(shù)據(jù)。由于4 bit編碼共有16種不同的組合。因此這16個點中的每一個點可對應于一種4 bit的編碼。可見采用這種編碼方法，每一碼元可表示4 bit的信息，因此傳送1個碼元就相當于傳送4 bit，因而用2400Baud的碼元速率就可得到9600 bit/s的信息傳送速率。但是，圖3-17也告訴我們，若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多(即在星座圖中的點數(shù)地多)，則在接收端進行解調(diào)時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難，這是因為線路上的各種干擾和噪聲使得在接收端收到的碼元的振幅和相位都可能會在一定的范圍內(nèi)變化。因此實際上每一種狀態(tài)在接收端星座圖上對應的并不是一個幾何上的點，而是一塊面積。若失真太大，這些面積會互相重疊，這就可能無法正確識別狀態(tài)。

圖3-17 正交幅度調(diào)制

4．調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式

現(xiàn)在用戶在家里上網(wǎng)用的調(diào)制解調(diào)器都是使用異步通信方式(只有某此UNIX服務器和大型機在專用線路環(huán)境下才使用同步調(diào)制解調(diào)器)。“異步(asynchronous)”這個名詞需要進一步解釋—下，我們先看一下什么是同步通信。

在進行數(shù)據(jù)通信時，一個很重要的問題是，數(shù)字信號傳輸?shù)浇邮斩藭r，接收端必須設法判斷所收到的碼元是1還是0。但是，接收端應當用什么手段才能保證對收到的比特流進行判決的時間是準確的呢？如果這個判決時間取得不準確，就可能導致判決錯誤，因而無法保證正確接收。從這點出發(fā)，數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類。

同步通信就是要求接收端的時鐘頻率和發(fā)送端的時鐘頻率相等(這常稱為收發(fā)雙方的時鐘是同步的)。以便使接收端對收到的比特流的采樣判決的時間是準確的。收發(fā)雙方的時鐘不是精確同步時，在接收端對收到的碼元進行判決的時間就會逐漸向前或向后移動，當接收端的判決點移動的時間超過碼元寬度的一半時(本來判決點應當處于每一個碼元的中間)，就要產(chǎn)生差錯(比特重讀或漏讀)，這就是所謂的滑動(slip)。例如，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾适?/span>1 M bit/s即每1us發(fā)送一個比特。在接收端，采樣的時刻應當在每一個比特的中心位置。如果接收端的時鐘速率有1/100的誤差，那么每接收一個比特，采樣點就偏離比特的中心位置0.01us。接收了50個比特后，采樣點就偏離比特中心位置0.5um(半個比特的寬度)，這時就要產(chǎn)生判決錯誤。所以像這樣的不精確的接收端時鐘是不能用于同步通信的。

嚴格的同步通信是用一個非常精確的主時鐘負責全網(wǎng)的同步，全網(wǎng)的其他所有的時鐘頻率都來自這個主時鐘頻率(長期精度優(yōu)于±1.0×10^-11)。但這種同步方式需要使用十分復雜的技術(shù)，而且價格昂貴。因此在過去相當長的時間里,各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準同步(plesiochronous)方式。準同步方式是各有關信號使用一些獨立的、具有相同的頻率標稱值的時鐘源，但這些頻率的實際數(shù)值允許有微小的誤差(在允許范圍之內(nèi))。

異步通信則采用另—種方法。這就是在發(fā)送端將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)以字節(jié)(8個比特)為單位進行逐個字節(jié)的封裝，即對每一個字節(jié)增加一個起始比特和一個停止比特，共10個比特。然后將這種10bit的數(shù)據(jù)單元一一發(fā)送出去。在接收端(其時頻率沒有和發(fā)送端的同步)。每收到一個起始比特，就知道有一個10bit的數(shù)據(jù)單元到了。于是開始進行判決，但只判決這個數(shù)據(jù)單元的10個比特。因此，即使接收端的時鐘不太準確，只要它能夠保證正確接收10個比特就行(如果在判決第10個比特時采樣點的移動已超過半個比特的寬度，那么這種精度的時鐘就不能使用)。

異步通信的另一個特點就是發(fā)送端在發(fā)送完一個字節(jié)后(即在停止比特結(jié)束后)，可以經(jīng)過任意長的時間間隔再發(fā)送下一個字節(jié)。當然，每一個字節(jié)中的所有比特(包括增加的起始比特和停止比特)的發(fā)送時間間隔都必須是恒定的?，F(xiàn)在的調(diào)制解調(diào)器都有對通信線路質(zhì)量的自適應功能。當線路質(zhì)量狀況不好時，調(diào)制解調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的速率會自動降低，而接收端的調(diào)制解調(diào)器在進行接收時，也會自動將自己的采樣頻率降低到合適的數(shù)值。從這個意義上講，異步通信中也包含了某種意義上的同步。

總之，異步通信是通過增加通信開銷(每發(fā)送10個比特就有兩個比特的額外開銷，因而數(shù)據(jù)的有效傳輸速率就降低了)使接收端能夠使用廉價的、具有一般精度的時鐘來進行數(shù)據(jù)通信。用戶的調(diào)制解調(diào)器正好適應異步通信的特點，因為一般用戶的通信量并不大，遠遠不是每天24小時連續(xù)工作，而且用戶也負擔不起購買同步通信所需的昂貴設備。

3.4.3 數(shù)字傳輸系統(tǒng)

現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)都是采用脈碼調(diào)制PCM(Pulse Code Modulation)體制。PCM最初并不是為傳送計算機數(shù)據(jù)用的，它是用作電話局之間的中繼線。由于歷史上的原因，PCM有兩個互不兼容的國際標準，即北美的24路PCM(簡稱為T1)和歐洲的30路PCM(簡稱為E1)。我國采用的是歐洲的E1標準。T1的速率是1.544 M Bit/s，E1的速率是2.048 M Bit/s。下面簡單講一下這些速率是怎樣得出的。

為了將模擬電話信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，必須先對電話信號進行采樣。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率不低于電話信號最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號無失真地恢復出原來的電話信號。標準的電話信號的最高頻率為3.4kHz，為方便起見，采樣頻率就定為8kHz，相當于采樣周期為125us。圖3-19表示了上述的概念。圖3-19(a)畫的是一個模擬電話信號的一段，T為采樣周期。連續(xù)的電話信號經(jīng)采樣后成為圖3-19(b)所示的離散脈沖信號，其振幅對應于采樣時刻電話信號的數(shù)值，下一步就是進行編碼。為簡單起見，圖3-19(c)將不同振幅的脈沖編為4bit二進制碼元。在我國使用的PCM體制中，電話信號是采用8bit編碼，也就是說，將采樣后的模擬的電話信號量化為256個不同等級中的—個。模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后就進行傳輸(為提高傳輸質(zhì)量，還可再進行一些編碼，這里從略)。在接收端進行解碼的過程與編碼過程相反。只要數(shù)字信號在傳輸過程中不發(fā)生差錯，解碼后就可得出和發(fā)送端一樣的脈沖信號。如圖3-19(d)所示。經(jīng)濾波后最后得出還原后的模擬電話信號如圖3-19(e)所示。

這樣，一個話路的模擬電話信號，經(jīng)模數(shù)交換后，就變成為每秒8000個脈沖信號，每個脈沖信號再編為8bit二進制碼元。因此一個話路的PCM信號速率為64 Kbit/s。這里要指出，64Kbit/s的速率是最早制定出的話音編碼的標準速率。隨著話音編碼技術(shù)的不斷發(fā)展，人們可以用更低的數(shù)據(jù)率來傳送同樣質(zhì)量的話音信號。現(xiàn)在已經(jīng)能夠用32Kbit/s，16Kbit/s或甚至低到8Kbit/s以下的數(shù)據(jù)率來傳送—路話音信號。但是，使用64Kbit/s標準的電話交換機已經(jīng)遍及全世界，現(xiàn)在很難再更新?lián)Q代了。

為了有效地利用傳輸線路，通常總是將許多個話路的PCM信號用時分復用TDM(Time Division Multiplexing)的方法裝成幀(即時分復用幀)，然后再送往線路上一幀接—幀地傳輸。圖3-20說明了E1的時分復用幀的構(gòu)成。不難看出，時分復用是所有的用戶在不同的時間，即在分配給自己的專用時隙(當然用完后在歸還)占用大家共享的公共信道(因而不會發(fā)生干擾)。但從頻率域來看，大家所占用的頻率范圍都是一樣的。

圖3-20 E1的時分復用幀

E1的一個時分復用幀(其長度T＝l25us)共劃分為32相同時隙，時隙的編號為CH0～CH31。時隙CH0用作幀同步用，時隙CHl6用來傳送信令(如用戶的撥號信令)。可供用戶使用的話路是時隙CH1～CH15和CH17～CH31，共30個時隙用作30個話路。每個時隙傳送8bit。因此整個的32個時隙共用256bit。每秒傳送8000個幀，因此PCM一次群E1的數(shù)據(jù)率就是2.048 M Bit/s。圖3-20在2.048 M Bit/s的傳輸線路兩端同步旋轉(zhuǎn)的開關(這只是為闡述原理用的示意圖)，表示32個時隙中的比特的發(fā)送和接收必須和時隙的編號相對應，不能弄亂。

北美使用的T1系統(tǒng)共有24個話路。每個話路的采樣脈沖用7bit編碼，然后再加上1位信令碼元，因此一個話路也是占用8bit。幀同步碼是在24路的編碼之后加1bit，這樣每幀共有193bit。因此T1一次群的數(shù)據(jù)率為1.544 M Bit/s。

當需要有更高的數(shù)據(jù)率時，可以采用復用的方法。例如，4個一次群就可以構(gòu)成—個二次群。當然，一個二次群的數(shù)據(jù)率要比4個一次群的數(shù)據(jù)率的總和還要多一些，因為復用后還需要有一些同步的碼元。表3-1給出了歐洲和北美系統(tǒng)的高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率。日本的一次群用T1，但自己另行一套高次群的標準。

應當指出，如果在兩個計算機之間的通信電路中，傳輸電路是模擬信道與數(shù)字信道交替組成的，那么由于要進行多次模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換，數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)越性就不能充分發(fā)揮。只有整個端到端通信電路都是數(shù)字傳輸，數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)越性才能得到充分的發(fā)揮?，F(xiàn)在通信網(wǎng)正是朝著這樣的方向去發(fā)展的。

3.5 信道復用技術(shù)

3.5.1 頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用

前面已初步介紹了復用(multiplexing)的基本概念，這就是頻分復用FDM(按頻率別分不同的信道)和時分復用TDM(按時間劃分不同的信道)。這是最基本的信道復用技術(shù)。在計算機網(wǎng)絡的信道中還廣泛地使用其他種復用技術(shù)，如統(tǒng)計時分復用STDM，密集波分復用DWDM和碼分多址CDMA，后兩種復用將在下面的兩小節(jié)中介紹。

頻分復用和時分復用的特點分別如圖3-21(a)和(b)所示。頻分復用最簡單，用戶在分配到一定的頻帶后，自始至終都占用這個頻帶?？梢婎l分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源(請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率)，而時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀(TDM幀)。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。為簡單起見，在圖3-2l(b)中只畫出了4個用戶A、B、c和D。每一個用戶所占用的時隙是用期性地出現(xiàn)(其周期就是TDM幀的長度)，因此TDM信號也稱為等時(isochronous)信號?？梢钥闯?，時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。這兩種復用方法的優(yōu)點是技術(shù)比較成熟，但缺點是不夠靈活。時分復用則更有利于數(shù)字信號的傳輸。

頻分復用

時分復用

圖3-21 頻分復用和時分復用

在使用頻分復用時，若每—個用戶占用的帶寬不變，則當復用的用戶數(shù)增加時，復用后的信道的帶寬就跟著變寬。例如，傳統(tǒng)的電話通信每一個標準話路的帶寬是4kHz(即通信用的3.1kHz加上兩邊的保護頻帶)，那么若有100個用戶進行頻分復用，則復用后的總帶寬就是4MHz。但在使用時分復用時，每—個時分復用幀的長度是不變的，始終是125us。若有一千個用戶進行時分復用，則每一個用戶分配到的時隙寬度就是125us的千分之一，即0.125us，時隙寬度變得非常窄。我們應注意到，時隙寬度非常窄的脈沖信號，其所占的頻譜范圍也是非常寬的。

在進行通信時，復用器(multiplexer)總是和分用器(demultiplexer)成對地使用。在復用器和分用器之間是用戶共享的高速信道。分用器的作用正好和復用器的相反，它將高速線路傳送過來的數(shù)據(jù)進行分用，分別送到相應的用戶處。前面給出的圖3-20中的傳輸線路左邊的旋轉(zhuǎn)開關實際上就是一復用器，而右邊的旋轉(zhuǎn)開關實際上就是一個分用器。

當使用時分復用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，一個用戶對已經(jīng)分配到的子信道的利用率一般是不高的。當用戶在某一段時間暫時無數(shù)據(jù)傳輸時(例如用戶正在鍵盤上輸入數(shù)據(jù)或正在瀏覽屏幕上的信息)，那就只能讓已經(jīng)分配到手的子信道空閑看，而其他用戶也無法使用這個暫時空閑的線路資源。圖3-22說明了這一概念。這里假定行4個用戶A、B、C和D進行時分復用。圖中只畫出了3個時隙。復用器按①->②->③->④的順序依次掃描用戶A、B、C和D的各時隙，然后構(gòu)成一個個時分復用幀。圖中共畫出了4個時分復用幀，每個時分復用幀有4個時隙?？梢钥闯?，當某用戶暫時無數(shù)據(jù)發(fā)送時，時分復用幀分配給該用戶的時隙只能是處于空閑狀態(tài)，其他用戶即使一直有數(shù)據(jù)要發(fā)送，也不能使用這些空閑的時隙，這就導致復用后的信道利用率不高。

圖3-22時分復用可能會造成線路資源的浪費

統(tǒng)計時分復用STDM(Statistic TDM)是一種改進的時分復用，它能明顯地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用這種統(tǒng)計時分復用。圖3-23是統(tǒng)計時分復用的原理圖?！獋€使用統(tǒng)計時分復用的集中器連接4個低速用戶，然后將它們的數(shù)據(jù)集中起來通過高速線路發(fā)送到—個遠地計算機。

圖3-23 統(tǒng)計時分復用的原理圖

統(tǒng)計時分復用使用STDM幀來傳送復用的數(shù)據(jù)。但每—個STDM幀中的時隙數(shù)小于連接在集中器上的用戶數(shù)。各用戶有了數(shù)據(jù)就隨時發(fā)往集中器的輸入緩存，然后集中器按順序依次掃描輸入緩存，將緩存中的輸入數(shù)據(jù)放入STDM幀中。對沒有數(shù)據(jù)的緩存就跳過去。當一個幀的數(shù)據(jù)放滿了，就發(fā)送出去。因此，STDM幀不是固定地分配時隙，而是按需動態(tài)地分配時隙。因此統(tǒng)計時分復用可以提高線路的利用率。我們還可看出，在輸出線路上，某一個用戶所占用的時隙并不是周期性地出現(xiàn)。因此統(tǒng)計復用又稱為異步時分復用，而普通的時分復用稱為同步時分復用。這里應注意的是，雖然統(tǒng)計時分復用的輸出線路上的數(shù)據(jù)率小于各輸入線路數(shù)據(jù)率的總和，但從平均的角度來看，這二者是平衡的。假定所有的用戶都不間斷地向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)，那么集中器肯定無法應付，它內(nèi)部設有的緩存都將溢出。所以集中器能夠正常工作的前提是假定各用戶都是間歇地上作。

由于STDM幀中的間隙并不是固定地分配到某個用戶，因此在某個時隙中還必須有用戶的地址信息，這是統(tǒng)計時分復用必須要有的和不可避免的一些開銷。在圖3-23輸出線路上每個時期之前的白色小時隙就地放入這樣的地址信息。使用統(tǒng)計時分復用的集中器也叫做智能復用器，它能提供對整個報文的存儲轉(zhuǎn)發(fā)能力(但大多數(shù)復用器一次只能存儲一個字符或—個比特)，通過排隊方式使各用戶更合理地共享信道。此外，許多集中器還可能具有路由選擇、數(shù)據(jù)壓縮、前向糾錯的功能。

最后要強調(diào)一下，TDM幀和STDM幀都是在物理層傳送的比特流中所劃分的幀。這種“幀”和我們以后要討論的數(shù)據(jù)鏈路層的“幀”是完全不同的概念，不可弄混。

3.5.2 波分復用

波分復用就是光的頻分復用。光纖技術(shù)的應用使得數(shù)據(jù)的傳輸速率空前提高。目前一根單模光纖的傳輸速率可達到2.5 G Bit/s。再提高傳輸速率就比較困難了。如果設法對光纖傳輸中的色散(dispersion)問題加以解決，如采用色散補償技術(shù)，則—根單模光纖的傳輸速率可達到10G Bit/s。這幾乎已到了單個光載波信號傳輸?shù)臉O限值。

但是，人們借用傳統(tǒng)的載波電話的頻分復用的概念，就能做到使用一根光纖來同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號。這樣就使光纖的傳輸能力成倍地提高了。由于光載波的頻率很高，因此習慣上用波長而不用頻率來表示所使用的光載波。這樣就得出了波分復用這一名詞。最初，人們只能在一根光纖上復用兩路光載波信號，這種復用方式稱為波分復用WDM。隨著技術(shù)的發(fā)展，在一根光纖上復用的路數(shù)越來越多?，F(xiàn)在己能做到在一根光纖上復用80路或更多路數(shù)的光載波信號。于是就使用了密集波分復用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)這一名詞。圖3-24說明了波分復用的概念。

圖3-24 波分復用的概念

圖3-24表示8路傳輸速率均為2.5 G Bit/s的光載波(其波長均為1310 nm),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)，這8個光載波(它們的波長是很接近的)經(jīng)過復用器后，就在一根光纖中傳輸。因此，在一根光纖上數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偹俾示瓦_到了8x2.5 G Bit/s＝20 G Bit/s。但光信號傳輸了一段距離后就會衰減，因此對衰減了的光信號必須進行放大才能繼續(xù)傳輸，現(xiàn)在已經(jīng)有了很好的摻鉺光纖放大器EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)。它是一種光放大器，不需要進行光電轉(zhuǎn)換而直接對光信號進行放大，并且在1550nm波長附近有35nm(即42THz)頻帶范圍提供較均勻的、最高可達40～50dB的增益。兩個光纖放大器之間的線路長度可達120km，而光復用器和分用器之間的無光電轉(zhuǎn)換的距離可達600 km(只需放入4個光纖放大器)。在使用波分復用技術(shù)和光纖放人器之前，要在600km的距離傳輸20 G Bit/s，需要鋪設8根速率為2.5G Bit/s的光纖，而且每隔35km要用一個再生中繼器進行光電轉(zhuǎn)換后的放大，并再轉(zhuǎn)換為光信號(這樣的中繼器總共需要有128個之多)。

在地下鋪設光纜是耗資很大的工程。因此現(xiàn)在人們總是在一根光纜中放入盡可能多的光纖(例如，放入100根以上的光纖)，然后對每—根光纖再使用密集波分復用技術(shù)。因此，對于具有100根速率為2.5G Bit/s的光纖，采用16倍的密集波分復用，得到的總數(shù)據(jù)率即達4Tbit/s。這里的T為10¹²，中文名詞是“太”，即“兆兆’。

3.5. 3 碼分復用

碼分復用CDM(Code Division Multiplexing)是另一種共享信道的方法。實際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA(Code Division Multiple Access)每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此不會造成干擾。碼分復用最初是用于軍事通信，因為這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。隨著技術(shù)的進步，CDMA設備的價格和體積都大幅度下降，因而現(xiàn)在已廣泛使用在民用的移動通信中，特別是在無線局域網(wǎng)中。采用CDMA可提高通信的話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少干擾對通信的影響，增大通信系統(tǒng)的容量(是使用GSM的4～5倍)，降低手機的平均發(fā)射功率等等。下面簡述其工作原理。

在CDMA中，每一個比特時間再劃分為m個短的間隔．稱為碼片(chip)。通常m的值是64或128。在下面的原理性說明中，為了畫圖簡單起見，我們設M為8。

便用CDMA的每一個站被指派一個唯一的m bit碼片序列(chip sequence)。一個站如果要發(fā)送比特1，則發(fā)送它自己的M bit碼片序列。如果要發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。例如，指派給S站的8bit碼片序列是00011011。當S發(fā)送比特1時，它就發(fā)送序列00011011,而當S發(fā)送比特0時，就發(fā)送11100100。為了方便，我們以后將碼片中的0寫為-1,將1寫為+1.因此S站的碼片序列為(-1-1-1+1+1-1+1+1)。

現(xiàn)假設S站要發(fā)送信息的數(shù)據(jù)率為b bit/s，由于每一個比特要轉(zhuǎn)換成m個比特的碼片，因比S站實際上發(fā)送的數(shù)據(jù)率提高到m b bit/s。同時s站所占用的頻帶寬度也提高到原來數(shù)值的m倍，這種通信方式是擴頻(spread spectrum)通信中的一種。擴頻通信通常有兩大類。一種是直接序列(direct sequence)，如上面講的使用碼片序列就是這一類，記為DS-CDMA。另—種是跳頻(frequency hopping)，記為FH-CDMA。

CDMA系統(tǒng)的一個重要特點就是系統(tǒng)給每—個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須相互正交(orthogonal)。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。用數(shù)學公式可以很清楚地表示碼片序列的這種正交關系。令向量S表示站S的碼片向量，再令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的內(nèi)積(inner product)都是0。

例如，向量S為(-1-1-1+1+1-1+1+1)，同時設向量T為(-1-1+1-1+1+1+1-1)。這相當于T站的碼片序列為00101110。將向量S利T的各分量值代入(3-4)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。不僅如此，向量S和各站碼片反碼的向量的內(nèi)積也是0。另外一點也很重要，即任何一個碼片向量的規(guī)格化內(nèi)積都是1。而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。這從式(3-5)可以很清楚地看出，因為求和的各項都變成了-1。

現(xiàn)在假定在一個CDMA系統(tǒng)中有很多站都在互相通信，他們發(fā)送的是自己的碼片序列(相當于發(fā)送比特1)?；虼a片序列的二進制反碼(相當于發(fā)送比特0)，或什么也不發(fā)(相當于沒有數(shù)據(jù)發(fā)送)。我們還假定所有的站所送的碼片序列都是同步的，即所有的碼片序列都在同一個時刻開始。利用全球定位系統(tǒng)GPS就不難做到這點。

現(xiàn)假定有一個X站要接收S站發(fā)送的數(shù)據(jù)。X站就必須知道S站所特有的碼片序列。X站使用它得到的碼片向量S與接收到的未知信號進行求內(nèi)積的運算。X站接收到的信號是各個站發(fā)送的碼片序列之和。根據(jù)上面的公式(3-4)和(3-5)，再根據(jù)疊加原理(假定各種信號經(jīng)過信道到達接收端是疊加的關系)，那么求內(nèi)相得到的結(jié)果是：所有其它站的信號都被過濾掉(其內(nèi)積的相關項都是0)，而只剩下S站發(fā)送的信號。當S站發(fā)送比特1時，在X站計算內(nèi)積的結(jié)果是+1,當S站發(fā)送比特0時，內(nèi)積的結(jié)果是-1。

圖3－25是CDMA的工作原理。設S站要發(fā)送的數(shù)據(jù)是110三個碼元。再設CDMA將每一個碼元擴展為8個碼片，而S站選擇的碼片序列為（－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1）。S站發(fā)送的擴頻信號為Sx。我們應當注意到，S站發(fā)送的擴頻信號Sx 中，只飲食互為反碼的兩種碼片序列。T站選擇的碼片序列為（－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1），T站也發(fā)送110三個碼元，而T站的擴頻信號為Tx。因為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。對于我們的例子，所有的站收到的都是疊加的信號Sx+Tx。

當接收站打算收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。這相當于分別計算S·Sx和S·Tx，然后再求它們的和。顯然，后者是零，而前者就是S站發(fā)送的數(shù)據(jù)比特。

關于CDMA更進一步的了解可參閱[VITER95]。

3.6 同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH

在前面3.4.3節(jié)所介紹的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個。

(1)速率標準不統(tǒng)一。PCM的一次群數(shù)字傳輸速率有兩個國際標準，一個是北美和日本的T1速率，而另一個是歐洲的E1速率。但是到了高次群日本又搞了第三種不兼容的標準。如不對高次群的數(shù)字傳輸速率進行標準化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實現(xiàn)，因為高次群的數(shù)字傳輸速率的轉(zhuǎn)換十分困難。然而高次群的數(shù)字傳輸速率各國都已使用了不少時間，誰都不愿意拋棄正在使用的大量設備并改用別人的數(shù)字傳輸速率標準。

(2)不是同步傳輸。前面已經(jīng)講過，在過去相當長的時間，為了節(jié)省經(jīng)費，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準同步方式。這時，必須采用復雜的脈沖填充方法才能補償由于頻率不準確而造成的定時誤差。這就給數(shù)字信號的復用和分用帶來許多麻煩。當數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾瘦^低時，收發(fā)雙方時鐘頻率的微小差異并不會帶來嚴重的不良影響。但是當數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾什粩嗵岣邥r，這個收發(fā)雙方時鐘同步的問題就成為迫切需要加以解決的問題。

為了解決上述問題，美國首先在1988年提出了一個數(shù)字傳輸標準，叫做同步光纖網(wǎng)SONET(Synchronous Optical Network)。SONET為光纖傳輸系統(tǒng)定義了同步傳輸?shù)木€路速率等級結(jié)構(gòu)，其傳輸速率以51.84M Bit/s為基礎，大約對應于T3/E3的傳輸速率，此速率對電信號稱為第1級同步傳送信號(Synchronous Transport Signal)，即STS-1,對光信號則稱為第1級光載波(Optical Carrier)，即OC-1?，F(xiàn)已定義了從51.84M Bit/s(即0C-1)一直到9953.280 M Bit/s(即0C-192/STS-192)的標準。

ITU-T以美國標準SONET為基礎,制定出國際標準同步數(shù)字系列SDH(synchronous Digital Hierarchy)，即1988年通過的G.707～709等三個建議書。到1992年又增加了十幾個建議書。一般可認為SDH與SONET是同義詞，但其主要不同點是：SDH的基本速率為155．52 M Bit/s，稱為第1級同步傳遞模塊(STM-1)，相當于SONET體系中的OC-3速率。表3-2為SONET和SDH的比較。表中帶有星號*的4種速率是現(xiàn)在最常用的。為方便起見，在談到SONET/SDH的常用速率時，往往使用表中最后一列給出的近似值。

SDH/SONET定義了標準化光信號，規(guī)定了波長為1310nm和1550nm的激光源。在物理層為寬帶接口使用了幀技術(shù)以傳遞信息。為數(shù)字信號的復用和操作過程定義了幀結(jié)構(gòu)。

SONET標準定義了四個光接口層。這雖然在概念上有點像OSI參考模型，但SONET自身只對應于OSI的物理層。SONET的層次自下而上如圖 3-25所示。

圖 3-26 SONET的體系結(jié)構(gòu)

光子層(Photonic Layer)：處理跨越光纜的比特傳送，并負責進行STS的電信號和OC的光信號之間的轉(zhuǎn)換。在此層由電光轉(zhuǎn)換器進行通信。

數(shù)字段層(Section Layer)：在光纜上傳送STS-N幀，有成幀和差錯檢測功能。

上述兩層是必須要有的，但下面兩層是可供選擇的。

線路層(Line Layer)：負責路徑層的同步和復用以及交換的自動保護。
路徑層(Path Layer)：處理路徑端接設備PTE(Path Terminating Element)之間的業(yè)務的傳輸，這里PTE是具有SONET能力的交換機。路徑層還具有與非SONET網(wǎng)絡的接口。

SDH的幀結(jié)構(gòu)是一種塊狀幀，其基本信號是STM-1，更高的等級是用N個STM-1復用組成STM-N。如4個STM-1構(gòu)成STM-4，16個STM-1構(gòu)成STM-16。 SDH簡化了復用和分用技術(shù)，需要時可直接接人到低速支路，而不經(jīng)過高速到低速的逐級分用，上下電路方便。SDH采用自愈混合環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)。并與數(shù)字交接系統(tǒng)DACS(Digital Access and Cross-connect System)結(jié)合使用，可使網(wǎng)絡按預定方式重新組配。避免了耗資的人工操作。因而大大提高了通信網(wǎng)的靈活性和可靠性。光纖信道的帶寬充裕，因此SDH可在其幀結(jié)構(gòu)中使用較多的比特用于管理，這就大大增強了通信網(wǎng)的運行、維護、監(jiān)控和管理功能。

SDH/SONET標準的制定，使北美、日本和歐洲這三個地區(qū)三種不同的數(shù)字傳輸體制在STM-1等級上獲得了統(tǒng)一。各國都同意將這一速率以及在此基礎上的更高的數(shù)字傳輸速率作為國際標準。這是第一次真正實現(xiàn)了數(shù)字傳輸體制上的世界性標準?，F(xiàn)在SDH/SONET標準己成為公認的新—代理想的傳輸網(wǎng)體制，因而對世界電信網(wǎng)絡的發(fā)展具有重大的意義。SDH標準也適合于微波和衛(wèi)星傳輸?shù)募夹g(shù)體制［COMM90］。

3.7 EIA-232-E接口標準

本節(jié)主要介紹EIA-232-E標準，同時也說明 RS-449的特點。

EIA-232-E是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制定的著名物理層標準。它最早是1962年制定的標準RS-232。這里RS表示EIA的一種“推薦標準”，232是個編號。在1969年修訂為RS-232-C，C是標準RS-232以后的第三個修訂版本。1987年1月，修訂為EIA-232-D。1991年又修訂為ELA-232-E。由于標準修改得并為多，因此現(xiàn)在很多廠商仍用舊的名稱。有時簡稱為EIA-232，甚至說得更簡單些：“提供232接口”。

EIA-232是DTE與DCE之間的接口標準，因此下面先介紹什么是DTE和DCE。

圖3-27 DTE通過DCE與通信傳輸線路相連

DTE(Data Terminal Equipment)是數(shù)據(jù)終端設備，也就是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力以及發(fā)送和接收數(shù)據(jù)能力的設備。大家知道，大多數(shù)的數(shù)字數(shù)據(jù)處理設備的數(shù)據(jù)傳輸能力是很有限的。直接將相隔很遠的兩個數(shù)據(jù)處理設備連接起來，是不能進行通信的，必須在數(shù)據(jù)處理設備和傳輸線路之間，加上一個中間設備。這個中間設備就是數(shù)據(jù)電路端接設備DCE(Data Circuit-terminating Equipment)。DCE的作用就是在DTE和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能，并且負責建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。DTE通過DCE與通信傳輸線路相連，如圖3-26所示。

DTE可以是一臺計算機或一個終端，也可以是各種的I/O設備，典型的DCE則是一個與模擬電話線路相連接的調(diào)制解調(diào)器。我們從圖3-26可以看到，DCE雖然處于通信環(huán)境內(nèi)，但它和DTE均屬于用戶設施。用戶環(huán)境只包括DTE。

DTE與DCE之間的接口一般都有許多條并行線，包括多種信號線和控制線。DCE將DTE傳過來的數(shù)據(jù)，按比特順序逐個發(fā)往傳輸線路，或者反過來，從傳輸線路收下來串行的比特流，然后再交給DTE。很明顯，這里需要高度協(xié)調(diào)地工作。為了減輕數(shù)據(jù)處理設備用戶的負擔，就必須對DTE和DCE的接口進行標準化。這種接口標準也就是所謂的物理層協(xié)議。

多數(shù)的物理層協(xié)議使用如圖3-26所示的模型。但也有一些不是這樣。例如，在局域網(wǎng)中，物理層協(xié)議所定義的是一個數(shù)據(jù)終端設備和鏈路的傳輸媒體的接口，而并沒有使用這種DTE-DCE模型。

下面扼要介紹一下物理層標準EIA-232的—些主要特點。

在機械特性方面，EIA-232使用ISO 2110關于插頭座的標準。這就是使用25根引腳的DB-25插頭座。引腳分為上、下兩排，分別有13和12根引腳，其編號分別規(guī)定為1至13和14至25，都是從左到右(當引腳指向人時)。

在電氣性能方面，EIA-232與CCITT的V.28建議書一致。這里要注意的是：EIA-232采用負邏輯。也就是說，邏輯0相當于對信號地線有+3V或更高的電壓，而邏輯1相當于對信號地線有-3V或更低的電壓。邏輯0相當于數(shù)據(jù)的“0”(空號)或控制線的“按通”狀態(tài)。而邏輯1則相當于數(shù)據(jù)的“1”(傳號)或控制線的“斷開”狀態(tài)。當連接電纜線的長度不超過15m時，允許數(shù)據(jù)傳輸速率不超過20 Kbit/s。但是當連接電路長度較短時，數(shù)據(jù)傳輸速率就可以大大提高。

EIA-232的功能特性與原CCITT的V.24建議書一致。它規(guī)定了什么電路應當連接到25根引腳中的哪一根以及該引腳的作用。圖3-27畫的是最常用的10根引腳的作用，括弧中的數(shù)目為引腳的編號。其余的一些引腳可以空著不用。圖中引腳7是信號線，即公共回線。引腳1是保護地(即屏蔽地)，有時可不用。引腳2和引腳3都是傳送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)線。“發(fā)送”和“接收”都是對DTE而言。有時只用圖中的9個引腳(將“保護地”除外)制成專網(wǎng)的9芯插頭，供計算機與調(diào)制解調(diào)器的連接使用。

EIA-232的功能特性規(guī)定了在DTE與DCE之間所發(fā)生的事件的合法序列，這部分內(nèi)容與原CCITT的V.24建以書一致。

下面通過圖3-28的例子，說明DTE-A要向DTE-B發(fā)送數(shù)據(jù)所要經(jīng)過的幾個主要步驟。(1)當DTE-A要和DTE-B進行通信時，就將引腳20“DTE就緒”置為ON，同時通過引腳2“發(fā)送數(shù)據(jù)”向DCE-A傳送電話號碼信號。

(2)DCE-B將引腳22“振鈴指示”置為ON，表示通知DTE-B有呼叫信號到達(在振鈴的間隙以及其他時間，振鈴指示均為OFF狀態(tài))。DTE-B就將其引腳20“DTE就緒”置為ON，DCE-B接著產(chǎn)生載波信號，并將引腳6“DCE就緒”置為ON，表示已準備好接收數(shù)據(jù)。

(3)當DCE-A檢測到載波信號時，將引腳8“載波檢測”利引腳6“DCE就緒”都置為ON，以便使DTE-A知道通信電路已經(jīng)建立。DCE-A還可通過引腳3“接收數(shù)據(jù)”向DTE-A發(fā)送在其屏幕上顯示的信息。

(4)DCE-A接著向DCE-B發(fā)送其載波信號，DCE-B將其引腳8“載波檢測”置為0N。

(5)當DTE-A要發(fā)送數(shù)據(jù)時，將其引腳4“請求發(fā)送”置為ON，DCE-A作為響應將引腳5“允許發(fā)送”置為ON。然后DTE-A通過引腳2“發(fā)送數(shù)據(jù)”來發(fā)送其數(shù)據(jù)。DCE-A將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號向DCE-B發(fā)送過去。

(6)DCE-B將收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號經(jīng)過引腳3“接收數(shù)據(jù)”向DTE-B發(fā)送。

其他的一些引腳的作用是：選擇數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，測試調(diào)制解調(diào)器，傳送數(shù)據(jù)的碼元定時信號，以及從另一個輔助信道反向發(fā)送數(shù)據(jù)等。但是這些引腳實際中卻很少使用。

許多產(chǎn)品部聲稱自己的串行接口是“與EIA-232標準兼容”。應當注意，這只是說，該接口的電氣特性和機械特性與EIA-232接口標準沒有矛盾。但我們?nèi)詿o法得知該接口是否能夠支持EIA-232的全部功能。這是因為，很多廠商出售的調(diào)制解調(diào)器只使用了接口的25根引腳中的4～12根。因此他們所實現(xiàn)的很可能只是整個EIA-232標準的一個子集。因此應該弄清你所需要的性能是否已包括在這個子集之中。

EIA還規(guī)定了插頭應裝在DTE上，插座應裝在DCE。因此當終端或計算機與調(diào)制解調(diào)器相連時就非常方便。然而有時卻需要將兩臺計算機通過EIA-232串行接口直接相連。這顯然有點麻煩。例如，這臺計算機通過引腳2發(fā)送數(shù)據(jù)，但仍然傳送到另一臺計算機的引腳2這就讓對方無法接收。為了不改動計算機內(nèi)標準的串行接口線路，可以采用虛調(diào)制解調(diào)器的方法。所謂虛調(diào)制解調(diào)器就是—段電纜，具體的連接方法如圖3-29所示，這樣對每一臺計算機來說，都好像是與—個調(diào)制解調(diào)器相連，但實際上并沒有真正的調(diào)制解調(diào)器存在。

EIA-232接口標準有兩個較大的弱點，即：數(shù)據(jù)的傳輸速率最高為20Kbit/s；連接電纜的最大長度不超過15m。這就促使人們制定性能更好的接口標準。出于這種考慮，EIA于1977制定了一個新的標準RS-449，以便逐漸取代舊的RS-232。

實際上RS-449由3個標準組成，即：

(1)RS-449 規(guī)定接口的機械特性、功能特性和過程特性。RS-449采用37根引腳的插頭座，在CCIIT的建議書中，RS-449相當于V.35。

(2)RS-423-A 規(guī)定在采用非平衡傳輸時(即所有的電路共用一個公共地)的電氣特性。當連接電纜長度為10m時，數(shù)據(jù)的傳輸速率可達300Kbit/s。

(3)RS-422-A 規(guī)定在采用平衡傳輸時(即所有電路沒有公共地)的電氣特性。它可將作輸速率提高到2 M Bit/s，而連接電纜長度可超過60m。當連接電纜長度更短時(如10m)，則傳輸速率還可以更高些(如達到10M Bit/s)。

通常EIA-232/V.24用于標準電話線路(一個話路)的物理層接口，而RS-449/V.35則用于寬帶電路(一般都是租用電路)，其典型的傳輸速率為48～168Kbit/s，都是用于點到點的同步傳輸。

關于RS-449的詳細說明可參閱有關標準，這里從略。

以上所講的EIA-232和RS-449標準只是ITU-T為在模擬電話網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)的接口標準系列中的一部分。全面詳細的標準都由ITU-T的V系列建議書給出。

習題

1. 物理層要解決哪些問題？物理層的主要特點是什么？物理層協(xié)議與物理層規(guī)程有何區(qū)別？

2．試給出數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型并說明其主要組成構(gòu)件的作用。

3．試解釋以下名詞：數(shù)據(jù)，信號，模擬數(shù)據(jù)，模擬信號、數(shù)字數(shù)據(jù)，數(shù)字信號、單工通信、半雙工通信．全雙工通信。

4．奈氏準則與香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信中的意義是什么比特和波特有何區(qū)別

5．常用的傳輸媒體有哪幾種各有何特點

6．什么是曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼其特點如何

7．傳播時延與發(fā)送時延有何區(qū)別試給出兩種不同的情況，其中一種情況是傳播時延在總時延中占據(jù)主要成分，而另一種情況是發(fā)送時延是主要的。

8．模擬傳輸系統(tǒng)與數(shù)字傳輸系統(tǒng)的主要特點是什么

9．EIA-232和RS-449接口標準各用在什么場合

10．基帶信號與寬帶信號的傳輸各有什么特點

11．有600MB(兆字節(jié))的數(shù)據(jù)，需要從南京傳送到北京。一種方法是將數(shù)據(jù)寫到磁盤上，然后托人乘火車將這些磁盤捎去。另一種方法是用計算機通過長途電話線路(設信息傳輸?shù)乃俾适?/span>24 Kbit/s)傳送此數(shù)據(jù)。試比較這兩種方法的優(yōu)劣。

若信息傳送速率為33.6Kbit/s，其結(jié)果又如何

12．56 Kbit/s的調(diào)制解調(diào)器是否已突破了香農(nóng)的信道極限傳輸速率這種調(diào)制解調(diào)器的使用條件是怎樣的

13．在3.3.1節(jié)介紹雙絞線時，我們說：“在數(shù)字傳輸時，若傳輸速率為每秒幾個兆比特則傳輸距離可達幾公里。”但目前我們使用調(diào)制解調(diào)器與ISP相連時，數(shù)據(jù)的傳輸最高只能達到56 Kbit/s，與每秒幾個兆比特相去甚遠。這是為什么？

14．試寫出下列縮寫的全文，并進行簡單的解釋。

FDM，TDM，STDM，WDM，DWDM．CDMA，SONET，SDH，STM-1，OC-48，DTE，DCE，EIA，ITU-T，CCITT， ISO。