第2章 計算機網絡

第2章計算機網絡通信基礎2.1數據通信基礎知識1、信息信息泛指那些通過各種方式傳播的、可被感受的聲音、文字、圖像、符號等所表征的某一特定事物的消息、情報或知識。

2、數據數據是對客觀事物的符號表示，在計算機科學中是指所有輸入到計算機中并被計算機程序處理的符號的總稱。數據分為模擬數據和數字數據兩種。

⑴模擬數據：在時間和幅值取值上都是連續(xù)變化的,例如聲音、語音、視頻和動畫片等。模擬數據通常用傳感器收集。

⑵數字數據：在時間上是離散的,在幅值上是經過量話的,它一般是由0、1構成的二進制代碼組成的數字序列。2.1.1信息、數據、信號和信道3、信號信號是數據的具體物理表現(xiàn)形式，它具有確定的物理描述,如電信號、光信號或磁場強度等。信號分為數字信號和模擬信號兩種。模擬信號與數字信號波形ty（a）連續(xù)的模擬信號ty（b）離散的數字信號

⑴模擬信號：是一種連續(xù)變化的電脈沖序列，例如電話語音信號、電視信號等，它是隨時間變化的函數曲線，如圖（a）所示。

⑵數字信號：是離散的不連續(xù)的電信號,通常用“高”和“低”電平脈沖序列組成的編碼來表示數據,如圖(b)所示。4、信道

信道是信息從發(fā)送端傳輸到接受端的一個通路。一般由傳輸介質和相應的傳輸設備組成。

2.1.2數據通信系統(tǒng)數據通信的目的是兩個用戶之間交換信息。數據通信系統(tǒng)是指以計算機為中心，用通信線路連接分布在遠地的數據終端設備而完成數據通信的系統(tǒng)。數據通信系統(tǒng)一般由三部分組成：源系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、目的系統(tǒng)。1、數據通信系統(tǒng)模型2.2.1數據通信系統(tǒng)的模型

傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數據發(fā)送的信號接收的信號輸出數據源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC機公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號輸入漢字顯示漢字數據通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機2、數據通信主要技術指標1)數據傳輸速率：也稱比特速率，單位是位/秒，記為bit/s、b/s或bps2)信號傳輸速率：也稱碼元速率，單位波特，記為Baud,以B表示數據傳輸速率=信號傳輸速率xlog2N(bps)3)信道容量:表示信道傳輸數據的能力，4)誤碼率：衡量差錯的指標。誤碼率=接收的錯誤的二進制比特數/傳輸的總的二進制比特數5)信道帶寬：在給定的范圍內可用于傳輸的最高頻率與最低頻率的差值6)信道延遲：指信號從發(fā)送方發(fā)出經信道到達接受方所需要的時間。3、奈奎斯特和香農公式

⑴奈奎斯特(Nyquist)定理：1942年,H.Nyquist證明，任何一個信號如果通過帶寬為W（Hz）的理想低通濾波器，若每秒取樣2W次，就可以完整地重現(xiàn)該濾波過后的信號。在理想條件下(無噪音有限帶寬W的信道)，其最大的數據傳輸速率C（信道容量）為：式中：L為離散性信號或電平的個數##L（2）香農公式香農(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、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率。

S/N------信噪比，本身沒單位，通常換算成10lgS/N表示，單位dB香農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。只要信息傳輸速率低于信道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。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。2.2數據傳輸介質傳輸介質也稱傳輸媒體或傳輸媒介。一般來說，傳輸介質可分為兩大類：（1）導向傳輸媒體（有線介質）（2）非導向傳輸媒體（無線介質）常見的有線介質有雙絞線、同軸電纜和光纖常見的無線介質有無線電波、微波和紅外線2.2.1雙絞線雙絞線的物理結構是由按規(guī)則螺旋結構排列的2根、4根或8根絕緣導線組成。一對線可以作為一條通信線路，各個線對螺旋排列的目的是為了使各線對之間的電磁干擾最小。雙絞線是模擬和數字數據通信最普通的傳輸媒體，它的主要應用范圍是電話系統(tǒng)中的模擬話音傳輸，最適合于較短距離的信息傳輸，當超過幾千米時信號因衰減可能會產生畸變，這時就要使用中繼器（Repeater）來放大信號和再生波形。雙絞線的價格在傳輸媒體中是最便宜的，并且安裝簡單，所以得到廣泛的使用。在局域網中一般也采用雙絞線作為傳輸媒體。雙絞線可分為非屏蔽雙絞線UTP（UnshieldedTwistedPair）和屏蔽雙絞線STP（ShieldedTwistedPair）。2.2.2同軸電纜同軸電纜是局域網中最早使用而且應用十分廣泛的傳輸介質，可以通過專用的中同軸電纜(俗稱粗纜)或小同軸電纜(俗稱細纜)來組網，并廣泛應用于局域網中。同軸電纜由內導體、絕緣層、屏蔽層及外部保護層組成，其結構如圖所示。

同軸電纜的最大優(yōu)點是抗干擾性強,而且支持多點連接。

缺點是物理可靠性不好，所以現(xiàn)在基本上已被雙絞線所替代。保護層、屏蔽層、絕緣層、導體同軸電纜結構示意圖各種電纜銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內導體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜2.2.3光纖光纖是光導纖維（FiberOptics）的簡稱，采用光導纖維作為傳輸介質，是網絡傳輸介質領域中發(fā)展最快、性能最好、應用前途最廣泛的一種。1、光纖的結構光纖有纖芯、封套和外套組成。中心一般是玻璃纖芯，光芯外包圍著一層折射率比纖芯低的玻璃封套又叫包層。最外層是一層薄的塑料外殼。通常把多條光纖扎成束，再加上外殼構成光纜。2、光纖的系統(tǒng)光纖的系統(tǒng)由三部分組成：光發(fā)送器、光纖介質和光接收器。發(fā)送端的光發(fā)送器利用電信號對光源進行光強控制，從而將電信號轉換成光信號；光信號進過光纖介質傳輸到光接收端；光接收器通過光電二極管再把光信號還原成電信號。3、光纖分類纖芯中光束的多少可分為單模光纖（8.3/125um）和多模光纖（50/125um，62.5/125um）兩種。單模光纖多模光纖輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖傳輸介質帶寬速率/工作頻帶性能傳輸距離價格應用同雙絞線寬帶基帶≤1Gb/s較好模擬：10km數字：500m低模擬/數字信號傳輸50Ω同軸電纜75Ω銅軸電纜基帶10Mb/s較好＜3km低基帶數字信號寬帶≤450MHz較好100km中模擬、數據、音頻光纖寬帶49Gb/s很好2km以上高高4、光纖通信特點與雙絞線和同軸電纜比較，光纖通信有很多優(yōu)點。傳輸信號的頻帶寬，通信容量大；信號衰弱減小，傳輸距離長；抗干擾能力強，應用范圍廣；極高的數據傳輸率，極低的誤碼率2.2.4無線介質1.微波

無線微波通信在數據通信中占有重要地位。微波在空間主要是直線傳播。傳統(tǒng)的微波通信主要有兩種方式：地面微波接力通信和衛(wèi)星通信2.擴頻無線電3.紅外線4.激光擴頻無線電是一種新的民用無線通信技術，具有傳輸速率高、發(fā)射功率小、抗干擾能力強以及保密性好等特點。其方向性很強，不易受電磁波干擾。但紅外線的穿透能力較差，易受障礙物的阻礙物的阻礙，所以一般做為近距離傳輸介質。其方向性很強，不易受電磁波干擾。2.3數據傳輸方式2.3.1模擬傳輸與數字傳輸2.3.2串行通信與并行通信2.3.3數據傳輸方向2.3.4同步傳輸與異步傳輸2.3.1模擬傳輸與數字傳輸1.模擬傳輸與模擬傳輸系統(tǒng)

一般來說，模擬數據是時間的連續(xù)函數，并且占有一定的頻譜范圍。模擬數據可以直接用占有相同頻譜的電信號來表示。模擬傳輸系統(tǒng)中傳輸的信號既可以表示模擬數據，也可以表示數字數據。但無論傳輸哪種類型數據，在傳輸一定距離后，模擬信號都會衰減和畸變。為了實現(xiàn)長距離傳輸，模擬傳輸系統(tǒng)使用放大器來增強信號的能量，但同時也放大了信號中的噪聲分量，結果會導致信號發(fā)生畸變，甚至造成數據傳輸錯誤。模擬數據傳輸系統(tǒng)的典型應用是模擬電話傳輸系統(tǒng)。2.數字傳輸與數字傳輸系統(tǒng)

數字數據是時間的離散函數。數字數據可以直接在數字信道上傳輸，模擬數據經過采樣、量化和編碼后也可以在數字信道上傳輸。長距離的傳輸也會導致信號的衰減和畸變，嚴重時影響到數據的完整性與正確性。為了延長傳輸距離，數字傳輸系統(tǒng)通常使用中繼器來克服信號衰減和畸變。中繼器將接收到的數字信號經過整形回復后，再將信號發(fā)送出去，從而克服信號的衰減和畸變。為了提高信號的干擾能力，并且便于接收端信號同步，數據必須經過適當的編碼后才能傳輸。在數字傳輸系統(tǒng)中，每個端點必須通過編碼解碼器來實現(xiàn)數據編碼與解碼。2.3.2串行通信與并行通信1.串行通信

串行傳輸方式中，要把傳輸的數據變成數據流，在一條串行通信道上進行傳輸，一次只傳輸一個二進制位，接收方再將這一串二進制比特流轉化為數據，從而實現(xiàn)串行通信。串行通信的數據傳輸的速度較并行傳輸慢，但是它只占用一條信道，通信成本較低，而且信號串擾較小，可用于長距離傳輸。源點終點2.3.2串行通信于并行通信2.并行通信

并行通信方式中，要把傳輸的數據以組為單位分為多組，每組信息的多位數據在多個并行信道上同時傳輸，如果需要還可以附加一位校驗位。接收設備可同時接收到這些數據，不需要做任何變換就可以直接使用。并行通信特點如下：1.一位(比特）時間內可傳輸多個比特，傳輸時間快。2.每位數據傳輸要求一個單獨的信道，通信成本高。3.由于信道之間的電容感應，遠距離傳輸可靠性較低，一般適用于近距離傳輸。源點終點2.3.3數據傳輸方向

按照數據在信道上傳輸方向與時間的關系，可以把數據通信方式分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。單工半雙工全雙工ABABAB2.3.4同步傳輸與異步傳輸

在數據通信系統(tǒng)中，整個計算機通信系統(tǒng)能否正確有效地工作，在相當程度上依賴于是否能很好地實現(xiàn)同步。目前,串行通信的傳輸按通信約定的格式分為兩種，即同步通信方式和異步通信方式。

1、同步傳輸（Synchronous）

⑴位同步：在數據通信過程中，接收端根據發(fā)送端發(fā)送數據的起止時間和時鐘頻率來校正自己的時間基準與時鐘頻率，這個過程就叫做位同步。實現(xiàn)位同步的方法主要有以下兩種：

①外同步法。是在發(fā)送端發(fā)送一路數據信號的同時，另外發(fā)送一路同步時鐘信號。接收端根據接收到的同步時鐘信號來校正時間基準與時鐘頻率，實現(xiàn)收發(fā)雙方的位同步。2.3.4同步傳輸與異步傳輸②內同步法。是從自含時鐘編碼的發(fā)送數據中提取同步時鐘的方法，曼徹斯特編碼與差分曼徹斯特編碼都是自含時鐘的編碼方法。

⑵字符同步：為保證收發(fā)雙方正確傳輸字符,將字符以組為單位傳送，在每組字符之前加上一個用于同步控制的同步字符SYN，數據結束后加上后同步信號，接收端根據SYN與后同步信號確定數據字符的起始與終止。同步傳輸方式如圖2-25所示。圖2-25同步傳輸方式示意圖1011010101101100...11110101101101000111111001111110同步字節(jié)數據幀同步字節(jié)2.3.4同步傳輸與異步傳輸2.異步傳輸（asynchronous）

異步傳輸一次只傳輸一個字符,每個字符用一位起始位引導、一位停止位結束。起始位為“0”,占一位;停止位為“1”,占1-2位。在沒有數據發(fā)送時發(fā)送方可發(fā)送連續(xù)的停止位，接收方根據“1”至“0”的跳變來判別一個新字符的開始,然后接收字符中的所有位。異步傳輸方式如圖所示。11011010101001101100100010110101101100數據傳輸方向停止位數據位起始位2.4數據交換技術各種數據經過編碼后在通信線路上進行傳輸，實現(xiàn)數據通信。數據通信最簡單的方式是利用傳輸介質將兩個端點直接相連，但每個通信系統(tǒng)都采用把收發(fā)兩端直接相連的形式是不可能的，通常通過一個由多個結點組成的中間網絡，把數據從源結點轉發(fā)到目的結點，實現(xiàn)相互通信。因此，數據交換是研究如何通過中間網絡實現(xiàn)聯(lián)網計算機之間的數據交換問題。目前，常用的網絡數據交換方式可歸結為以下3種:2.4.1★線路（電路）交換2.4.2★報文交換2.4.3★分組交換

2.4.1線路交換1.電路交換概念電路交換是根據電話交換原理發(fā)展起來的一種直接交換方式。在數字通信中，電路交換傳輸主要是應用同步傳輸模式來實現(xiàn)的。電路交換的過程分為3個步驟：(1)電路建立(2)數據傳輸(3)電路拆除在傳輸任何數據之前，要先經過呼叫過程建立一條端到端的電路。在整個數據傳輸過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態(tài)。

數據傳輸結束后，由某一方發(fā)出拆除請求然后逐節(jié)拆除到對方節(jié)點。2.4.1線路交換電路交換原理如下圖所示源節(jié)點A目的節(jié)點B公用電話交換網123456源節(jié)點A交換節(jié)點1交換節(jié)點6呼叫請求呼叫應答數據數據釋放請求釋放應答目的節(jié)點B電路建立數據傳輸電路拆除2.4.1線路交換2、電路交換的優(yōu)點(1)連接建立后,數據以固定的傳輸率傳輸,傳輸延遲小。(2)由于物理線路被單獨占用,故不可能發(fā)生沖突;(3)適用于實時大批量連續(xù)的數據傳輸。3、電路交換的缺點(1)建立連接將跨多個設備或線纜，則會需要花費很長的時間。(2)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。(3)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。2.4.2文報交換1、報文交換的工作原理

報文交換類似于發(fā)送信件，是以報文為單位發(fā)送信息，不管發(fā)送數據的長度是多少都把它當作一個邏輯單元，每個報文由報頭、正文和報尾3部分組成，報頭中包含發(fā)送計算機的地址和接收信息的計算機地址。通信子網根據報頭目的地址選擇路徑在兩個結點之間的一段鏈路上逐段傳輸，不需要在兩個主機之間建立多個結點組成的通道,報文交換過程如圖2-39所示。2.4.2文報交換如圖所示主機A主機BCCCDCGCA通信子網CFCBCE圖2-39報文交換過程2.4.2文報交換2、報文交換的優(yōu)點

⑴電路利用率高。報文可以分時共享交換設備間的線路。

⑵在電路交換網絡上，當通信量變得很大時,就不能接受新的呼叫。而在報文交換網絡上,通信量大時仍然可以接收報文,不過傳送延遲會增加。

⑶報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地，而電路交換網絡很難做到這一點。

⑷報文交換網絡可以進行速度和代碼的轉換。3、報文交換的缺點

⑴數據的傳輸延遲比較長，且延遲時間長短不一，因此不適用于實時或交互式的通信系統(tǒng)。

⑵

當報文傳輸錯誤時，必須重傳整個報文。2.4.3分組交換分組交換是報文交換的改進，因而又稱為報文分組交換。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節(jié)點所需的存儲能力降低了，以提高交換速度。分組交換適用于交互式通信，如終端與主機通信。報文分組的結構如圖2-40所示。1010010101…0110011010首部數據首部數據首部數據報文報文圖2-40報文分組的組成2.3.4分組交換報文分組交換是在電路交換和報文交換的基礎上發(fā)展起來的,因而結合了兩者的優(yōu)點,并且有數據報方式和虛電路方式。2.4.3分組交換1.分組交換過程

分組交換技術在文報交換的基礎上，進行了一些改進。在發(fā)送端，把要發(fā)送的數據劃分為長度固定的數據段，每一個數據段前面加上頭部信息組成一個完整的“分組’’，每個分組獨立進行尋找路徑和傳輸，利用存儲-轉發(fā)方式，將各個分組傳輸到目的地。分組頭部包含目的地址、源地址以及其他附加信息。當一次數據傳輸的所有分組都到達接受方時，接收方再將所有分組重組為原來的數據。2.4.3分組交換2.分組交換的特點1.分組具有統(tǒng)一的格式、長度較短并且長度限定在一定范圍內。2.分組是暫時保存在節(jié)點的內存中，而不是被保存在節(jié)點的外存中，交換速率高。3.分組交換采用的是動態(tài)分配信道的策略，能充分利用鏈路的寬帶。節(jié)點和鏈路的使用為共享方式，極大地提高了通信線路的利用率。2.4.3分組交換3.分組交換的兩種工作方式

1、數據報方式在數據報方式中子網接收主機A發(fā)送的報文經編址、拆卸后分成若干分組,設有3個分組P1、P2、P3。CA將根據子網當前的通路情況及通信量情況,將分組P1、P2、P3沿不同的子網路徑發(fā)送出去,接收端將接收的分組重新組裝成報文。這類服務沒有建立鏈路和拆除鏈路的過程，如圖2-42所示。2.4.3分組交換如圖所示主機ACCCDCGCA通信子網CFCBCEP1P2P3P3P2P1P2P1P1P2P3P3P1P3主機B圖2-42數據報方式交換過程2.4.3分組交換2、虛電路方式

虛電路方式是試圖將數據報方式與電路交換方式結合起來，發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點,達到最佳的數據交換效果。與電路交換方式類似，虛電路方式在數據傳輸前也要建立一條傳輸通路，但這條通絡是邏輯的而非物理的虛電路方式兩個用戶的終端設備在開始互相發(fā)送和接收數據之前需要通過通信網絡建立邏輯上的連接，用戶不需要在發(fā)送和接收時清除連接。虛電路可以通過呼叫請求建立，并要賦予虛電路號。子網中的結點之間就是通過虛電路號將分組沿子網中的結點逐站傳遞。虛電路的工作方式如圖2-43所示。2.4.3分組交換如圖所示3LC32用戶B1用戶C1用戶A1用戶A2用戶A3用戶D1結點B結點C結點A結點D中繼結點1中繼結點2傳輸媒體411213LC1LC5LC2LC4圖2-43虛電路的工作方式2.4.3分組交換A1一B1虛電路：VC1＝LCl(3)＋LC2(2)＋LC3(1)A2一C1虛電路：VC2＝LCl(2)＋LC2(1)＋LC4(3)A3一Dl虛電路：VC3＝LC1(1)＋LC5(4)用戶A1與用戶B1建立的虛電路為VCl＝LCl(3)+LC2(2)+LC3(1)用戶A2與用戶C1建立的虛電路為VC2＝LCl(2)+LC2(1)+LC4(3)用戶A3與用戶D1建立的虛電路為VC3＝LCl(1)＋LC5(4)2.4.3分組交換

由于虛電路方式具有電路交換與分組交換技術的優(yōu)點，因此在計算機網絡中得到了廣泛的應用。虛電路服務與數據報服務的主要區(qū)別如下表：對比的內容虛電路數據報連接的建立必須有不要目的站地址僅在連接建立階段使用，每個分組使用短的虛電路信號每個分組都有目的站的全地址路由選擇在虛電路建立時進行，所有分組均按同一路由每個分組都有獨立選擇的路由路由器出現(xiàn)故障所有通過出故障的路由器的虛電路均不能工作出故障的路由器可能對丟失分組，一些路由會發(fā)生變化分組的順序總是按發(fā)送順序到達目的站到達目的站時可能不按發(fā)送順序端到端的差錯控制由通信子網負責由主機負責端到端的流量控制由通信子網負責由主機負責2.4.3分組交換4.分組交換技術實例（1）X.25分組交換網1）物理層2）鏈路層3）分組層（2）幀中繼幀中繼實質上是由X.25分組交換技術演化而來的。幀中繼只有物理層和數據鏈路層兩層。2.4.3分組交換（3）ATMATM是一種新的網絡技術，在美國被稱為異步時分復用技術，在歐洲被稱為異步傳輸模式。ATM既是一種技術，也是一種業(yè)務（信元中繼業(yè)務）。2.5.1數字信號模擬化時的編碼方法計算機實現(xiàn)數字通信常常要借助模擬信道進行傳輸，我們將這種數字信號變換成模擬信號的過程成為調制。調制的方法主要有三種：調幅、調頻、調相。調幅（AM）：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。調頻（FM）：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。調相（PM）：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。一般分為絕對調相和相對調相兩種。（數字基帶信號，是信源發(fā)出的、未經調制或頻譜變換、直接在有效頻帶與信號頻譜相對應的信道上傳輸的數字信號，是消息代碼的電波形，是用不同的電平或脈沖來表示相應的消息代碼。數字基帶信號的類型很多，常見的有矩形脈沖，三角波、高斯脈沖和升余弦脈沖等。最常用的是矩形脈沖，因為矩形脈沖易于形成和變換。也是模數變換后的信號）2.5數據編碼技術

數字數據的調制基于調幅、調頻、調相3種調制技術，分別稱為振幅鍵控、移頻鍵控和移相鍵控。下圖顯示了對數字數據“010010”進行不同調制方法的波形。數字數據的調制原理示意圖2.5.2模擬信號數字化時的編碼方法模擬信號的數字化過程主要包括三個步驟：采樣、量化和編碼。采樣指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來時間上連續(xù)的信號。也就是在時間上將模擬信號離散化。量化和編碼是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶盗康挠幸欢ㄩg隔的離散值。編碼則是按照一定規(guī)律，把量化后的值用二進制數字表示，然后轉換成二進制或多進制的數字信號流。這樣得到的數字信號可以通過光纖、微波干線、衛(wèi)星信道等數字線路傳輸。上述數字化的過程也被稱為脈沖編碼調制PCM。

（脈沖編碼調制是一種模擬信號的數字化方法。PCM將信號的強度依照同樣的間距分成數段，然后用獨特的數字記號（通常是二進制）來量化。PCM常被用于數字電信系統(tǒng)上，也是電腦和紅皮書中的標準形式。在數字視頻中它也是標準，例如使用

ITU-R

BT.601。但是PCM并不流行于諸如DVD或DVR的消費性商品上，因為它需要相當大的比特率（DVD格式雖然支持PCM，不過很少使用）；與之相較，壓縮過的音頻較符合效率。不過，許多藍光光盤使用PCM作音頻編碼。非常頻繁地，PCM編碼以一種串行通信的形式，使數字傳訊由一點至下一點變得更容易）1、采樣

采樣是模擬信號數字化的第一步。模擬信號是電平連續(xù)變化的信號,采樣是隔一定的時間間隔,將模擬信號的電平幅度值取出來作為樣本,讓其表示原來的信號。采樣頻率f應為：f≥2B或f＝l／T≥2·f式中：B為通信信道帶寬；T為采樣周期；f為信道允許通過的信號最高頻率。

2、量化量化是將采樣樣本幅度按量化級決定取值的過程，經量化后的樣本幅度為離散的量化級值已不是連續(xù)值。量化的目的是為每一個PAM信號設定一個信號值。量化之前要將信號分為若干量化級,同時,要規(guī)定好每一級對應的幅度范圍。若量化范圍在0～127,則每個采樣用7位二進制(27＝128)來表示,量化速率需要56000bps(8000×7)；若量化的范圍在0～255,則每個采樣用8位二進制（28＝256）來表示，量化速率需要64000bps（8000×8）。3、編碼

編碼是用相應位數的二進制代碼表示量化后的采樣樣本的量級。為了能精確地還原成原來的模擬信號，量化值編碼在傳送數字至數模轉換器時，其速率必須和采樣時一樣。經過轉換后，信號才會和原來模擬信號波形接近?！纠柯曇舻膸挒?000Hz，采用頻率為8000次/s，用8位二進制編碼，則信道的數據傳輸速率為：8×8000＝64000bps＝64kbps。2.5.3數字數據的數字編碼數字數據的數字編碼就是如何把數字數據用物理信號的波形表示，是用高低電平的不同組合來表示二進制的方法。

基帶傳輸在基本不改變數字數據信號頻帶（即波形）的情況下直接傳輸數字信號，可以達到很高的數據傳輸速率和系統(tǒng)效率。在基帶傳輸數字數據信號的編碼方式主要有以下幾種方法：

1、不歸零碼（Non-ReturntoZero，NRZ）

不歸零碼是一種全寬碼，即信號波形在一個碼元全部時間內發(fā)出或不發(fā)出電流，每一位碼占全部碼元的寬度。不歸零碼可分為單極性和雙極性兩種：

2、逢“1”變化的NRZ碼DNRZ碼是NRZ碼的一種改進形式他是用信號的相位變化來表示二進制數據的，即在每位開始時，逢“1”電平跳變，逢“0”電平不跳變。DNRZ碼不僅保持了全寬碼的優(yōu)點，同時提高了信號的抗干擾性和易同步性。

⑵雙極性不歸零碼(DoublePolarityNRZ)：是以負電壓表示“0”，而用恒定的正電壓表示“1”。以上反之亦然，即負電壓表示“1”，正電壓表示“0”。⑴單極性不歸零碼(SinglePolarityNRZ)：是以無電壓（無電流）表示“0”，而用恒定的正電壓表示“1”。3、曼徹斯特編碼

曼徹斯特編碼是目前應用最廣泛的編碼方法之一。其編碼規(guī)則是：每個比特的周期T分為前T/2與后T/2兩部分；通過前T/2傳送該比特的反碼，通過后T/2傳送該比特的原碼。

4、差分曼徹斯特編碼

是對曼徹斯特編碼的改進,它將時鐘和數據包含在信號中,在傳輸代碼信息的同時將時鐘同步信號一起傳輸到對方，所以都屬于自同步編碼，其數據傳輸速率只有調制速率的1/2。差分曼徹斯特編碼

01101001tO曼徹斯特編碼

01101001tO兩種曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼規(guī)則是:在信號位中電平從低到高跳變表示0在信號位中電平從高到低跳變表示1差分曼徹斯特編碼規(guī)則是:在信號位開始時不改變信號極性，表示邏輯“1”在信號位開始時改變信號極性，表示邏輯“0”

2.6多路復用技術多路復用：多個信息源共享一個公共信道為何要復用？——提高線路利用率適用場合：當信道的傳輸能力大于每個信源的平均傳輸需求時類比：公共運輸系統(tǒng)（鐵路、海運、航空）多路復用至兩個或多個用戶共享公用信道的一種機制。通過多路復用技術，多個終端能共享一條高速信道，從而達到節(jié)省信道資源的目的，多路復用有頻分多路復用（FDMA）、時分多路復用（TDMA）、光波分多路復用（WDM）和碼分多路復用（CDMA）幾種。復用的基本思想：把公共共享信道用某種方法劃分成多個子信道，每個子信道傳輸一路數據。復用方法頻分復用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）按頻率劃分不同的信道，如CATV系統(tǒng)時分復用TDM（TimeDivisionMultiplexing）按時間劃分不同的信道，目前應用最廣泛波分復用WDM（WaveDivisionMultiplexing）

按波長劃分不同的信道，用于光纖傳輸碼分復用CDM（CodeDivisionMultiplexing）按地址碼劃分不同的信道，非常有發(fā)展前途2.6.1頻分多路復用

1、頻分多路復用的概念

在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復用。頻分多路復用的基本工作原理如圖2-31所示。圖2-31頻分多路復用原理示意圖信道（1）f1信道（2）f2信道（3）f3信道（4）f4信道（5）f5信道（6）f6多路復用器多路復用器源1源2源3源4源5源6目標1目標2目標3目標4目標5目標6信道帶寬Bm警戒頻帶Bg圖2-32頻分多路技術實現(xiàn)示意圖104～108kHz108kHz0～4Hz60～64kHz64kHz0～4Hz100～104kHz104kHz0～4Hz0～4Hz108kHz104～108kHz0～4Hz104kHz100～104kHz電話機1電話機n電話機20～4Hz64kHz60～64kHz低通調制器帶通多路復用器低通調制器帶通調制器帶通低通帶通調制器低通帶通調制器低通調制器低通帶通多路復用器

2、頻分多路復用的技術實現(xiàn)

頻分多路復用主要用于電話模擬信號的傳輸。頻分多路復用技術用于模擬信號的頻分傳輸，主要用于電話和電視系統(tǒng)。一根CATV電纜的帶寬大約是500MHz，可傳送80個頻道的電視節(jié)目。每個頻道6MHz的帶寬中又進一步劃分為聲音子通道、視頻子通道以及彩色子通道，并留有警戒頻帶。2.6.2時分多路復用

1、時分多路復用的概念時分多路復用（TDM）是將一條物理信道的傳輸時間劃分為若干個時間片，每個用戶分得一個時間片，在其占有的時間片內用戶使用通信信道的全部帶寬。如果與FDM相比較,由于FDM是以信道頻帶作為分割對象,通過為多個信道分配互不重疊的頻率范圍的方法來實現(xiàn)多路復用，因此頻分多路復用更適于模擬數據信號的傳輸，而TDM則以信道傳輸時間作為分割對象，通過為多個信道分配互不重疊的時間片的方法來實現(xiàn)多路復用，因此更適合于數字數據信號的傳輸。

2、時分多路復用的實現(xiàn)時分多路復用在技術實現(xiàn)上，可分為同步時分多路復用和異步時分多路復用兩種方式。

(1)同步時分：指發(fā)送端的多臺計算機通過一條線路向接收端發(fā)送數據時進行分時處理，它們以固定的時隙進行分配。

(2)異步時分：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)送數據的發(fā)送端分配其時隙段，當用戶暫停發(fā)送數據時，則不給它分配時隙。要接收的數據AAAABBCDDDBCDABDADAAAAAABBCDDD復用器解復器要發(fā)送的數據時隙浪費,信道資源利用率底一個周期的數據塊(幀)在不同時刻，開關切換到不同的輸入設備時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀2.6.3光波分多路復用

波分多路復用（WDM）

采用的是波長分隔多路復用技術,在同一傳輸信道內傳輸多路不同波長的光信號。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,而FDM應用于電模擬傳輸。波分多路復用原理如圖所示。波分多路復用原理2.6.4碼分多路復用1、碼分多路復用的概念碼分多路復用(CDMA)是一種用于移動通信系統(tǒng)的新技術,筆記本電腦和掌上電腦等移動性計算機的連網通信將會大量使用碼分多路復用技術。在CDMA系統(tǒng)中,所有用戶占用相同的帶寬，使用同一頻率同時發(fā)送或接收信號，各個用戶的信號用各自不同的地址碼序列來區(qū)分。2、碼分多路復用的基本原理

CDMA的理論基礎是微波擴頻通信，利用擴頻通信中不同碼型的擴頻碼之間的相關性，為每個用戶分配一個擴頻編碼，以區(qū)別不同的用戶信號,發(fā)送端可用不同的擴頻編碼分別向不同的接收端發(fā)送數據，接收端用不同的擴頻編碼進行解碼,就可得到不同發(fā)送端送來的數據，實現(xiàn)多址通信。（1）碼片在CDMA中，將每一個比特時間在劃分為m個短的間隔，稱為碼片。使用CDMA的每一個通信站點被指派一個唯一的mbit碼片序列（ChipSequence）。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。（2）CDMA數據通信過程示例假定在一個CDMA系統(tǒng)中有很三個站X、S、T在互相通信（圖見書p046），并且所有的站利用全球定位系統(tǒng)對所發(fā)送的碼片序列進行同步，即所有的碼片序列都在同一個時刻開始。CDMA的碼片序列信號S站的碼片序列S110ttttttm

個碼片tS站發(fā)送的信號SxT站發(fā)送的信號Tx總的發(fā)送信號Sx+Tx規(guī)格化內積S

Sx規(guī)格化內積S

Tx數據碼元比特發(fā)送端接收端2.7

差錯控制技術2.7.1差錯的產生原因2.7.2差錯控制方法2.7.3差錯控制編碼2.7.1差錯產生的原因1.差錯：通信接收端收到的數據與發(fā)送端實際發(fā)出的數據出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。2.差錯：由通信信道的噪聲產生。(b)實際環(huán)境(a)理想狀態(tài)01011010010信源信宿0101101001001011010010信源信宿噪音干擾01010010110出錯通信信道噪聲熱噪聲

沖擊噪聲差錯的類型

1）隨機差錯

2）突發(fā)差錯熱噪聲：傳輸介質導體的電子熱運動產生的。1）特點：屬于隨機噪聲

時刻存在

幅度較小

強度與頻率無關

頻譜寬

隨機差錯

1）由熱噪聲引起的差錯

2）特點：孤立的

沖擊噪聲：由外界特定的短暫原因所造成。

1）

特點：幅度較大

持續(xù)時間長

2）會引起相鄰多個數據位出錯

突發(fā)差錯

1）沖擊噪聲引起的傳輸差錯

2）特點：差錯呈突發(fā)狀

影響一批連續(xù)數據位

在計算機網絡中，隨機差錯是極個別的，突發(fā)差錯是主要差錯。2.7.2差錯控制方法差錯控制：在數據通信過程中，能發(fā)現(xiàn)或糾正差錯，并將差錯限制在盡可能小的允許范圍內。常用差錯控制方法：

1）反饋檢測

2）自動請求重發(fā)

3）前向糾錯反饋檢測方法

1）又稱回送校驗法

2）特點：優(yōu)點：原理簡單

實現(xiàn)容易

可靠性強

缺點：開銷大

信道利用率低信源校驗碼編輯器發(fā)送裝置存儲器反饋信號控制器接收裝置信宿傳輸信道發(fā)送端接收端反饋信號控制器校驗碼編輯器自動請求重發(fā)方法

1）較常采用的差錯控制方法

2）ARQ的原理：發(fā)送方將要發(fā)送的數據附加上一定的冗余檢錯碼一并發(fā)送，接收方則根據檢錯碼對數據進行差錯檢測，如發(fā)現(xiàn)差錯，則接收方返回請求重發(fā)的信息，發(fā)送方在收到請求重發(fā)的信息后，重新傳送數據；如沒有差錯，則發(fā)送下一個數據。特點：使用檢錯碼，雙向信道，發(fā)送方需設置緩沖器前向糾錯（

FEC）1）原理：由發(fā)送數據端發(fā)出能糾錯的編碼，接收端收到這些編碼后便進行檢測，當檢測出差錯后自動糾正差錯。FEC原理如圖2-55所示。信源糾錯碼編碼器發(fā)送器接收器糾錯碼編碼器信宿噪音源前向信道2）特點：使用糾錯碼單向信道發(fā)送方無須設置緩沖器2.7.3差錯控制編碼在計算機通信中，檢測接收到的數據是否受到噪聲影響而發(fā)生了差錯的方法是利用檢錯碼來判斷。差錯控制編碼原理：發(fā)送方對準備傳輸的數據進行干擾編碼，接收方收到數據后進行校驗。計算機網絡常用的差錯控制編碼有：1）奇偶校驗碼2）循環(huán)冗余碼3）海明校驗碼

奇偶校驗碼

奇偶校驗碼是一種通過增加冗余位使得碼字中“１”的個數為奇數或偶數的編碼方法，它是一種檢錯碼。位＼數字０１２３４５６７８９偶校驗C１０１０１０１０１０１１C２００１１００１１０００C３００００１１１１０００C４００００００００１１０C５１１１１１１１１１１１C６１１１１１１１１１１１C７０００００００００００奇偶校驗碼1）垂直奇偶校驗2）水平奇偶校驗3）水平垂直奇偶校驗垂直奇偶校驗原理：將要發(fā)送的整個數據分為定長p位的q段，每段的后面按“1”的個數為奇數或偶數的規(guī)律加上一位奇偶位。編碼效率：R=P/(P+1)檢錯能力：能檢出每列中的所有奇數個數，但檢不出偶數個數，對突發(fā)錯，漏檢率約為50%。水平奇偶校驗原理：將要發(fā)送的整個數據分為定長p位的q段，對各個數據段的相應橫向進行編碼，產生一個奇偶校驗冗余位。編碼效率：R=Q/(Q+1)檢錯能力：能檢出每行中的所有奇數個數，但檢不出偶數個數，對突發(fā)常對小于或等于p的突發(fā)錯都能檢出。水平垂直奇偶校驗原理：能同時進行水平和垂直奇偶校驗。編碼效率：R=PQ/(P+1)(Q+1)檢錯能力：能檢出所有3位或3位以下的錯誤，能檢出所有奇數個數和很大一部分偶數個數，并對突發(fā)長度小于或等于P+1的突出錯都能檢出。

垂直奇偶檢驗

水平奇偶校驗水平垂直奇偶校驗原理加上一個奇偶位橫向進行編碼同時進行水平和垂直編碼效率R=P/(P+1)R=Q/(Q+1)R=PQ/(P+1)(Q+1)檢錯能力1.所有奇數個數2.漏檢率約為50%。1.所有奇數個數2.突發(fā)常對小于或等于p1.所有3位或3位以下2.所有奇數個數和很大一部分偶數個數3.突發(fā)長度小于或等于P+1循環(huán)冗余碼（CRC）簡稱循環(huán)碼；在發(fā)送端產生一個循環(huán)冗余碼，附加在信息位后面一起發(fā)送到接收端，接收端收到的信息按發(fā)送端形成循環(huán)冗余碼同樣的算法進行校驗，若有錯，需重發(fā)。檢錯能力強，易實現(xiàn)，使用最廣泛的方法之一在計算機網絡和磁盤數據存儲中，被廣泛應用CRC碼生成和校驗基本分為三步：第一步：在數據單元(k位）的末尾加上r個0。r是一個比預定除數的比特位數(r十1)少1的數。第二步：采用二進制除法將新的加長的數據單元（k+r位)除以除數。由此除法產生的余數就是循環(huán)冗余碼校驗碼。第三步：用從第二步得到的r個比特的CRC碼替換數據單元末尾附加的r個0。如果余數位數小于r，最左的缺省位數為0。如果除法過程根本未產生余數（也就是說，原始的數據單元本身就可以被除數整除）那么以r個0作為CRC碼替換余數所在的位置。產生的比特模式正好能被除數整除。111010100011010CRC校驗碼信息碼

CRC冗余校驗碼CRC校驗碼的生成器和校驗器r個比特0數據g(x)CRC校驗碼r+1r余