《計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)》課件第2章

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念 2.2傳輸介質(zhì)及其主要特性2.3數(shù)字調(diào)制技術(shù)2.4差錯控制方法 2.5本章小結(jié) 12.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信技術(shù)是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)。在進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)各種具體的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之前，有必要了解一些數(shù)據(jù)通信的基本概念。2.1.1信息、數(shù)據(jù)和信號1.信息和數(shù)據(jù)的概念構(gòu)建計算機網(wǎng)絡(luò)的一個基本目的是使分布在不同地點的計算機之間能夠相互通信，通信是指分布在不同空間或時間域的結(jié)點之間相互交換信息。在這里，信息的含義比較廣，包括多種常用的形式，例如語音、音頻、視頻、數(shù)據(jù)文件、網(wǎng)頁等等。在空間域中兩個結(jié)點之間通信的例子包括打電話、從家庭或辦公室的計算機訪問Internet、收看電視、收聽廣播等。在時間域中兩個結(jié)點之間通信的例子包括訪問某種存儲介質(zhì)，比如唱片、CD、DVD、硬盤等。計算機內(nèi)部采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示方式，是一個純粹的數(shù)字世界。為了在計算機網(wǎng)絡(luò)中傳輸信息，首先需要將信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式，這個過程稱為數(shù)據(jù)編碼。目前，最為流行的數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)是美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼（ASCII:AmericanStandardCodeforInformationInterchange）。ASCII碼是一種字符編碼方案，最初起源于英文字母表，用來表示計算機、通信設(shè)備以及其他設(shè)備中的文本數(shù)據(jù)。2ASCII碼采用7位二進(jìn)制比特編碼，總共可以定義128個字符的編碼，包括95個可打印字符和33個不可打印的控制字符，完整的采用十六進(jìn)制形式表示的ASCII碼表如表2.1所示。表2.1最左列的0~7表示ASCII碼的高三位（b6b5b4）；表頭第一行的0~F表示ASCII碼的低四位（b3b2b1b0）。一個字符的ASCII碼總共有七位，可以表示為：b6b5b4b3b2b1b0。本節(jié)采用（.）hex的形式表示十六進(jìn)制數(shù)。ASCII碼表中的95個可打印字符包括數(shù)字、英文大小寫字母、基本標(biāo)點符號、運算符號等。這些可打印字符有一些規(guī)律，對于記憶ASCII碼表很有幫助。例如，在ASCII碼表中，數(shù)字“0”的十六進(jìn)制編碼為（30）hex，其二進(jìn)制編碼為0110000，其ASCII碼值為48；小寫字母“a”的十六進(jìn)制編碼為（61）hex，其二進(jìn)制編碼為1100001，其ASCII碼值為97；大寫字母“A”的十六進(jìn)制編碼為（41）hex，相應(yīng)的二進(jìn)制編碼為1000001，其ASCII碼值為65。由于ASCII碼表中數(shù)字和字母的排列是按順序排列的，因此知道“0”、“a”、“A”這三個字符的ASCII碼，就可以推算出全部十個數(shù)字和英文大小寫字母，總共62個字符的ASCII碼。3ASCII碼表中的控制字符代表一些無法打印出來的信息，主要包括兩類：控制外部設(shè)備（如打印機、鍵盤等）的信息與表示數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)流的元信息（meta-information）。在表2.1中，第一類控制字符的例子包括：編碼為（08）hex的控制字符BS，代表Backspace（退格鍵）；編碼為（0D）hex的控制字符CR，代表CarriageReturn（回車鍵）；編碼為（1B）hex的控制字符ESC，代表Escape（返回鍵）。第二類控制字符的例子包括：編碼為（02）hex的控制字符STX，意為StartofText，表示文本的開始；編碼為（03）hex的控制字符ETX，意為EndofText，表示文本的結(jié)束；編碼為（04）hex的控制字符EOT，意為EndofTransmission，表示傳輸結(jié)束。4例如，在某計算機網(wǎng)絡(luò)中如果結(jié)點A要給結(jié)點B發(fā)送“ComputerNetwork”（注意：Computer和Network這兩個單詞都是首字母大寫，而且兩個單詞之間有一個空格）文本，如果不考慮校驗位的話，由發(fā)送端結(jié)點A通過計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)給結(jié)點B的是經(jīng)過ASCII碼編碼的二進(jìn)制比特序列：“1000011110111111011011110000111010111101001100101111001001000001001110110010111101001110111110111111100101101011”。假定在該比特序列的傳輸過程中無差錯產(chǎn)生，在接收端結(jié)點B正確接收到了該二進(jìn)制比特序列，則根據(jù)ASCII碼的編碼規(guī)則，可將接收到的數(shù)據(jù)解讀為“ComputerNetwork”，從而成功地完成一次從結(jié)點A到結(jié)點B的數(shù)據(jù)通信。通過上述的例子還可以看出信息和數(shù)據(jù)這兩個概念之間的區(qū)別。數(shù)據(jù)代表事物定性或定量的屬性，其表現(xiàn)形式可以是數(shù)字、字符、符號，甚至是圖形。數(shù)據(jù)是知識的最低層的抽象表示形式，是一種原始的輸入。單獨的數(shù)據(jù)本身不能表示任何意義，只有把相互獨立的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)并組織起來，才能使之傳達(dá)和表示某種意義，這種能夠表達(dá)某種意義的由若干數(shù)據(jù)構(gòu)成的集合稱為信息。換言之，信息是數(shù)據(jù)加工處理之后的結(jié)果，信息是由數(shù)據(jù)導(dǎo)出的知識。在上述的數(shù)據(jù)傳輸例子中，結(jié)點A給結(jié)點B發(fā)送的文本“ComputerNetwork”是信息，而在計算機網(wǎng)絡(luò)中實際傳輸?shù)亩M(jìn)制比特流“1000011110111111011011110000111010111101001100101111001001000001001110110010111101001110111110111111100101101011”則是數(shù)據(jù)。值得指出的是，ASCII碼既是計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)表示的編碼標(biāo)準(zhǔn)，同時也是計算機網(wǎng)絡(luò)內(nèi)結(jié)點之間數(shù)據(jù)通信的編碼標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)代的許多其他字符編碼方案都源于ASCII碼。52.信號的概念計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是計算機技術(shù)與通信技術(shù)的一個交叉領(lǐng)域。計算機系統(tǒng)關(guān)注的是如何將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換方法，例如將包含數(shù)字、字母、符號的文本信息通過ASCII碼編碼方案轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制比特序列。通信系統(tǒng)則側(cè)重于研究如何通過各種傳輸介質(zhì)在不同的計算機之間傳輸經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，例如，如何在有線或無線的傳輸介質(zhì)上傳輸上述的二進(jìn)制比特序列。廣義地講，信號是指能夠表示信息的數(shù)量變化或電脈沖。例如，電流的幅度、頻率、電壓、電流強度、電場強度、光線、聲音等等都可以通過其變化作為表示信息的信號。從理論上講，信號分為離散時間信號（discrete-timesignal）和連續(xù)時間信號（continuous-timesignal）兩類。如果信號的值僅在一些離散的時間點上具有定義，則這種信號稱為離散時間信號。離散時間信號是從整數(shù)集合（或者整數(shù)集合的一個子集）到實數(shù)集合的一個函數(shù)映射。連續(xù)時間信號是指在某一時間間隔內(nèi)（通常是無限長的時間間隔）的所有時間點上都有定義的信號。6在計算機網(wǎng)絡(luò)中，信號是指數(shù)據(jù)在計算機網(wǎng)絡(luò)通信信道的傳輸過程中的電信號表示形式，分為模擬信號（analogsignal）和數(shù)字信號（digitalsignal）兩種。模擬信號是指任何特征值隨時間連續(xù)變化的信號。模擬信號通常使用傳輸介質(zhì)的某種物理特性來傳達(dá)信號所表示的信息。在電子傳輸系統(tǒng)內(nèi)，最常用于信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)特性是電壓，其次是頻率、電流、電荷等。傳統(tǒng)的電話系統(tǒng)就是采用模擬信號來傳輸語音信息的。典型的模擬信號如圖2.1所示。模擬信號的主要優(yōu)點是具有非常高的清晰度，具有潛在的無限高的信號分辨率。相對于數(shù)字信號，模擬信號的信號密度更高。模擬信號的另一個優(yōu)點是對信號的處理更簡單，例如模擬信號可以直接由模擬設(shè)備進(jìn)行處理。模擬信號的主要缺點是信號的噪聲（noise）問題。隨著信號在傳輸過程中的不斷復(fù)制與中繼，或者信號經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸，隨機噪聲不斷積累，最終變得非常嚴(yán)重。嚴(yán)重的噪聲會導(dǎo)致信號損失和變形，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。這些噪聲引發(fā)的信號差錯是無法恢復(fù)的，因為在放大信號的同時，噪聲、變形、干擾也被放大。盡管模擬信號具有比數(shù)字信號分辨率高的優(yōu)勢，但是信號噪聲帶來的負(fù)面影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這些優(yōu)點所帶來的好處。7數(shù)字信號是一種表示一系列離散值的物理信號，例如比特流、經(jīng)過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字化模擬信號。常見的數(shù)字信號形式是若干離散電壓值交替變換構(gòu)成的電脈沖序列。在計算機系統(tǒng)中，數(shù)字信號是指采用兩種電壓值的變化表示布爾值的兩種狀態(tài)（0和1）的波形。即使這種波形的載體是模擬的電壓形式，這種信號還是稱為數(shù)字信號，因為它們僅采用兩個離散值來表示數(shù)據(jù)。典型的數(shù)字信號如圖2.2所示。相對于模擬信號，數(shù)字信號具有許多明顯的優(yōu)勢：數(shù)字信號更容易傳輸，數(shù)字信號的傳輸速率更高，數(shù)字信號具有更高的可靠性，數(shù)字傳輸?shù)男矢?，?shù)字信號傳輸過程中產(chǎn)生的差錯更少。但是，數(shù)字系統(tǒng)通常比完成同樣功能的模擬系統(tǒng)更加復(fù)雜，往往需要更高的帶寬。8模擬信號和數(shù)字信號之間可以相互轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程稱為調(diào)制（modulation）。反之，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為解調(diào)（demodulation）。平常所用的調(diào)制解調(diào)器（modem:modulator-demodulator）就是典型的在模擬信號和數(shù)字信號之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的設(shè)備。從計算機出來的數(shù)字信號，在發(fā)送到模擬通信通道上之前需要經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制，將其轉(zhuǎn)換為模擬信號之后在模擬信道上傳輸。數(shù)據(jù)在到達(dá)接收方的計算機結(jié)點之后，必須經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，把信號從模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后再交給接收方計算機處理。調(diào)制解調(diào)器的基本工作過程如圖2.3所示。92.1.2數(shù)據(jù)通信的方式數(shù)據(jù)通信的方式是數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵問題，主要包括以下幾個方面：數(shù)據(jù)通信采用串行通信還是并行通信的方式？數(shù)據(jù)通信采用單工還是雙工通信方式？如果采用雙工通信方式，數(shù)據(jù)通信采用半雙工還是全雙工通信方式？1.串行通信與并行通信在通信和計算機科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，數(shù)據(jù)通信按照發(fā)送數(shù)據(jù)時所采用的通信信道的個數(shù)可以分為串行通信（serialcommunication）和并行通信（parallelcommunication）兩種方式。串行通信是指通過一個通信信道或者計算機總線順序進(jìn)行的逐位發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。串行通信的工作方式如圖2.4(a)所示。與串行通信不同，并行通信在一條數(shù)據(jù)鏈路上采用多個并行的信道，能夠?qū)⒂啥鄠€比特構(gòu)成的數(shù)據(jù)作為一個整體同時傳輸，并行通信的工作方式如圖2.4(b)所示。串行通信和并行通信的本質(zhì)區(qū)別在于用于同時傳輸數(shù)據(jù)的物理層通信信道所采用的獨立線纜的個數(shù)不同。1011串行通信是最早出現(xiàn)的在多個設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的通信方式。從最早的IBMPC以及各種兼容機開始，幾乎所有的計算機上都配有一個或多個串口（serialport）和一個并口（parallelport）。顧名思義，串口采用串行的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，一次只發(fā)送或接收一位數(shù)據(jù)。與并行通信方式相比，串行通信的數(shù)據(jù)傳輸速率較慢。但是，由于結(jié)構(gòu)簡單并且成本較低，串行通信仍然是比較流行的數(shù)據(jù)通信方式，有許多外部設(shè)備通過串口與計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)連接和通信，例如：調(diào)制解調(diào)器、鼠標(biāo)、網(wǎng)橋、路由器等。串行通信主要用于遠(yuǎn)程通信以及大多數(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，在此類通信系統(tǒng)中，因傳輸線纜的成本因素以及數(shù)據(jù)同步的難度而基本排除了并行通信的可能性。與串口不同，并口采用8條相互獨立的數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)，可以同時發(fā)送和接收8位數(shù)據(jù)。相對于串行通信而言，并行通信最主要的優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸速率高。在不考慮其他影響因素的情況下，理論上理想的并行數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率是單條數(shù)據(jù)線路的數(shù)據(jù)傳輸速率乘以并行鏈路中所包含的數(shù)據(jù)線路數(shù)。并行通信也存在一些缺點：并行傳輸線路之間會相互干擾，而且這種干擾隨著通信線路長度的增加越來越嚴(yán)重。因此，采用并行通信的數(shù)據(jù)連接的傳輸距離上限往往比串行通信線路的上限短。122.單工通信與雙工通信在數(shù)據(jù)通信中，通信方式根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚺c時間的關(guān)系可以分為單工通信（simplexcommunication）和雙工通信（duplexcommunication）兩種。單工通信是指信號只能按一個方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，主要?yīng)用于廣播式通信網(wǎng)絡(luò)中。在此類通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的接收方不需要給數(shù)據(jù)的發(fā)送方（即廣播方）返回任何數(shù)據(jù)。在單工通信系統(tǒng)中，只有一端發(fā)送數(shù)據(jù)，另一端只負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)。日常生活中的無線電廣播和電視就是典型的單工通信的例子。單工通信的工作方式如圖2.5所示。13與單工通信方式相對，雙工通信允許信號進(jìn)行雙向傳輸。電話就是一個典型的雙工通信的例子，既可以通過話筒向?qū)Ψ街v話，又可以通過聽筒收聽到對方的講話，語音信號可以雙向傳輸。根據(jù)在同一時刻系統(tǒng)中允許數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较虻那闆r，雙工通信又進(jìn)一步分為半雙工通信（half-duplexcommunication）和全雙工通信（full-duplexcommunication）。半雙工通信系統(tǒng)允許數(shù)據(jù)雙向傳輸，但是在任一時刻只允許數(shù)據(jù)按一個方向傳輸，不支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向同時傳輸。半雙工通信典型的工作模式是：通信的一方開始接收對方發(fā)來的信號，然后向?qū)Ψ桨l(fā)出應(yīng)答，但是在向?qū)Ψ桨l(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)之前必須等待對方結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸工作。半雙工通信系統(tǒng)就像只有一條車道的道路，在道路的兩端設(shè)有交通控制系統(tǒng)，在其控制下，道路允許車輛雙向通行，但是在任何時刻只允許一個方向的車輛通行。常見的半雙工通信的例子是兩路無線電對講機，任一時刻對講的兩端只能有一方講話，只有此方向的本次通話結(jié)束之后，將通信信道的使用權(quán)轉(zhuǎn)交給對方，對方才能開始通話。在自動運行的通信系統(tǒng)中，如雙向數(shù)據(jù)鏈路中，可以采用硬件嚴(yán)格控制半雙工系統(tǒng)中通信時間的分配，從而避免因信道切換而導(dǎo)致的信道資源的浪費。例如，先由數(shù)據(jù)鏈路一端的結(jié)點A傳輸數(shù)據(jù)，時長為1秒；之后，由數(shù)據(jù)鏈路另一端的結(jié)點B傳輸數(shù)據(jù)，時長同樣為1秒；如此循環(huán)。半雙工通信的工作方式如圖2.6所示1415全雙工通信系統(tǒng)允許數(shù)據(jù)雙向傳輸。與半雙工通信不同，全雙工通信支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向同時傳輸。全雙工系統(tǒng)就好像是一條雙向兩車道的道路，每條車道供一個方向的車輛使用。日常生活中的固定電話和手機網(wǎng)絡(luò)都是全雙工通信系統(tǒng)，在這樣的通信系統(tǒng)中講話和收聽可以同時進(jìn)行。前邊提到的半雙工通信方式例子中的兩路對講機系統(tǒng)也可以設(shè)計為全雙工通信方式，例如，使用某一頻率發(fā)送數(shù)據(jù)，而使用另一頻率接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收雙向同時進(jìn)行。全雙工以太網(wǎng)采用兩對雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中的一對雙絞線用來發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對雙絞線用來接收數(shù)據(jù)。這種通信方式不僅有效地提高了網(wǎng)絡(luò)連接的數(shù)據(jù)傳輸能力，而且將傳輸線纜變成一個無沖突的數(shù)據(jù)傳輸通道。全雙工通信的工作方式如圖2.7所示。全雙工通信方式有許多優(yōu)點。首先，能夠避免數(shù)據(jù)通信過程中的時間浪費。由于全雙工通信通過無沖突的雙向數(shù)據(jù)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通信中沒有沖突產(chǎn)生，因此不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳。其次，整體的雙向數(shù)據(jù)傳輸能力更高，因為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能分別由兩個獨立的數(shù)據(jù)通道完成。最后，結(jié)點無需等待對方結(jié)點傳輸結(jié)束之后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，每個結(jié)點都可以使用獨立的線路發(fā)送數(shù)據(jù)。162.2傳輸介質(zhì)及其主要特性計算機網(wǎng)絡(luò)物理層的主要目的是在計算機之間傳輸比特流（bitstream）。計算機網(wǎng)絡(luò)可以使用的物理層傳輸介質(zhì)有許多種，各種傳輸介質(zhì)分別具有不同的特性，比如帶寬、傳輸時延、價格、是否易于安裝與維護等等。計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)總體上可分為兩大類：導(dǎo)向傳輸介質(zhì)（guidedtransmissionmedia）和無導(dǎo)向傳輸介質(zhì)（unguidedtransmissionmedia）。導(dǎo)向傳輸介質(zhì)是指將信號在一條物理的線路上進(jìn)行傳輸?shù)慕橘|(zhì)，例如雙絞線、同軸電纜、光纖等。在導(dǎo)向傳輸介質(zhì)中信號能量沿一定方向的介質(zhì)線路傳播，如沿銅導(dǎo)線或光纖傳播。在導(dǎo)向傳輸介質(zhì)內(nèi)，信號主要以電壓、電流或者光子的形式進(jìn)行傳播。導(dǎo)向傳輸介質(zhì)主要適用于點到點的網(wǎng)絡(luò)通信。無導(dǎo)向傳輸介質(zhì)通過天線在大氣、真空，或者水等自由空間傳輸信號，例如地面無線通信、衛(wèi)星通信、激光通信等。在無導(dǎo)向傳輸介質(zhì)中信號沒有固定的傳播路徑，主要以電磁波的形式在自由空間進(jìn)行傳播。無導(dǎo)向傳輸介質(zhì)主要用于廣播式網(wǎng)絡(luò)通信。本節(jié)介紹幾種常見的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)：雙絞線、同軸電纜、光纖以及無線與衛(wèi)星通信。172.2.1雙絞線在諸多網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)中，人們最早使用并且至今仍然常見的傳輸介質(zhì)是雙絞線（twistedpair）。一對雙絞線包含兩根相互絕緣的銅導(dǎo)線，每根銅導(dǎo)線通常約1毫米粗。兩根銅導(dǎo)線以螺旋方式互相纏繞，就像DNA的分子結(jié)構(gòu)一樣。因為兩根平行的導(dǎo)線就能構(gòu)成一個天然的天線，所以要將兩根銅導(dǎo)線纏繞起來。當(dāng)兩根導(dǎo)線纏繞在一起之后，不同螺旋之間的電磁干擾相互消減，有效地降低了線纜整體的信號能量輻射。在雙絞線中，信號通常是以兩根導(dǎo)線間電壓差的形式進(jìn)行傳輸?shù)?，由于外部噪聲對同一對雙絞線內(nèi)的兩根導(dǎo)線的影響相同，兩根導(dǎo)線之間的電壓差不變，這使雙絞線具有更好的抵抗外部噪聲的能力。雙絞線的結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。雙絞線最常見的應(yīng)用是在電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，幾乎所有的電話機都是通過雙絞線與電話公司連接的。話音傳輸以及ADSL方式的Internet訪問都可以通過雙絞線完成。雙絞線無需放大信號就可傳輸數(shù)千米長的距離，但是，一旦傳輸距離更長的話，信號就會衰減，當(dāng)信號強度衰減到一定程度時就需要中繼器（repeater）進(jìn)行信號放大。18雙絞線既可以傳輸模擬信號，也可以傳輸數(shù)字信號。雙絞線的帶寬取決于其導(dǎo)線的粗細(xì)以及傳輸?shù)木嚯x。通常在幾千米的距離范圍內(nèi)，雙絞線可以達(dá)到若干Mbps（1Mbps=106bitpersecond）的傳輸速率。雙絞線分為兩大類：屏蔽雙絞線（STP:ShieldedTwistedPair）和非屏蔽雙絞線（UTP:UnshieldedTwistedPair）。屏蔽雙絞線是20世紀(jì)80年代初由IBM公司推出的，其結(jié)構(gòu)特點是每對導(dǎo)線以及整個線纜都有一個屏蔽層。因為屏蔽層能夠有效地降低外部干擾帶來的影響以及與相鄰線纜之間的串?dāng)_，所以屏蔽雙絞線的優(yōu)點是能夠提供高質(zhì)量的信號，適用于對信號質(zhì)量和系統(tǒng)性能有嚴(yán)格要求的應(yīng)用環(huán)境。屏蔽雙絞線的缺點是線纜外形粗大笨重，價格高，因此并未得到廣泛使用。屏蔽雙絞線的結(jié)構(gòu)如圖2.9所示。19非屏蔽雙絞線是使用非常廣泛的傳輸介質(zhì)。EIA/TIA（美國電子工業(yè)協(xié)會和美國通信工業(yè)協(xié)會）為雙絞線定義了五種不同的類型，其中比較常用的是三類線（Category3）和五類線（Category5）。三類線簡稱Cat3，適用于語音傳輸和最高傳輸速率為10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，主要用于10Base-T網(wǎng)絡(luò)。五類線簡稱Cat5，適用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，主要用于10Base-T和100Base-T網(wǎng)絡(luò)，是最常用的以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)。事實上，Cat5與Cat3雙絞線采用相同的導(dǎo)線，其中Cat5雙絞線纏繞的密度更大一些，即每厘米旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)更多，這樣做的好處是能夠減弱線纜的串?dāng)_，從而在更遠(yuǎn)的傳輸距離上獲得更高的信號質(zhì)量。相對于Cat3雙絞線，Cat5雙絞線更適合于高速計算機網(wǎng)絡(luò)通信，特別是100Mbps和1Gbps的高速以太局域網(wǎng)。目前，大多數(shù)辦公環(huán)境和家庭局域網(wǎng)都采用Cat5雙絞線。一對Cat5雙絞線包括兩根螺旋形纏繞的相互絕緣的銅導(dǎo)線。通常將四對這樣的導(dǎo)線套在一個塑料保護層內(nèi)，既集束了四對八根導(dǎo)線，又對這些導(dǎo)線起到了保護作用。非屏蔽雙絞線的結(jié)構(gòu)如圖2.10(a)所示。Cat5雙絞線的結(jié)構(gòu)和外觀如圖2.10(b)所示。20不同的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對雙絞線內(nèi)部導(dǎo)線的具體使用也不相同。例如，100Mbps的以太網(wǎng)僅使用四對導(dǎo)線中的兩對，每個數(shù)據(jù)傳輸方向使用一對。為了達(dá)到更高的傳輸速率，1Gbps的以太網(wǎng)使用全部四對導(dǎo)線進(jìn)行同時的雙向數(shù)據(jù)傳輸。人們正在研究更高級別的雙絞線，如六類線（Category6），甚至七類線（Category7）。這些雙絞線具有更高的帶寬，并且對信號的傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)性能等諸多指標(biāo)提出了更高的要求。六類線以及更高級別的雙絞線支持500MHz的信號傳輸頻率，能夠支持10Gbps的高速連接。212.2.2同軸電纜除了雙絞線之外，另一種常見的傳輸介質(zhì)是同軸電纜（coaxialcable），簡稱coax。同軸電纜的線芯是一根銅導(dǎo)線，銅芯之外包著一層絕緣層。絕緣層之外套著一層圓柱形的導(dǎo)體，通常由交織在一起的金屬絲網(wǎng)構(gòu)成，這一層是屏蔽層。屏蔽層之外是同軸電纜的外保護層。稱其為“同軸”是因為同軸電纜內(nèi)部的銅芯導(dǎo)線與外部的屏蔽層共享同一個軸線。同軸電纜的結(jié)構(gòu)和外觀如圖2.11所示。22目前廣泛使用的同軸電纜有兩種：基帶同軸電纜（basebandcoaxialcable）和寬帶同軸電纜（broadbandcoaxialcable）?；鶐S電纜也被稱為50Ω同軸電纜，直徑約1厘米，比較輕，容易彎折。這種電纜之所以叫做“基帶”，是因為在基帶同軸電纜中比特流直接在線纜上傳輸，傳輸之前無需將信號搬移到不同的頻帶上。基帶同軸電纜通常用于數(shù)字信號的傳輸，如局域網(wǎng)中。通常在學(xué)?；蛘咿k公室接入局域網(wǎng)的計算機所采用的傳輸介質(zhì)要么是非屏蔽雙絞線，要么就是基帶同軸電纜。如果與網(wǎng)卡相連的接頭與電話接頭相似，并且網(wǎng)線外觀與電話線類似，那么傳輸介質(zhì)使用的是非屏蔽雙絞線。如果與網(wǎng)卡相連的是一個“T”形接頭，而且有網(wǎng)線從“T”形接頭的兩端接出來，那么傳輸介質(zhì)使用的是基帶同軸電纜。由于使用非屏蔽雙絞線需要引入額外的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如集線器，因此在局域網(wǎng)中使用基帶同軸電纜比使用非屏蔽雙絞線的成本要低一些。寬帶同軸電纜也叫做75Ω同軸電纜。相對于基帶同軸電纜，寬帶同軸電纜直徑更粗，質(zhì)量更重，而且更硬一些，不像基帶同軸電纜那樣容易彎折。這種同軸電纜之所以叫做“寬帶”，是因為數(shù)字信號在傳輸之前首先由發(fā)送器搬移到某個特定的頻帶上，然后發(fā)送器將得到的模擬信號發(fā)送給一個或多個接收器。寬帶同軸電纜通常用于模擬信號的傳輸和有線電視網(wǎng)絡(luò)。寬帶同軸電纜曾經(jīng)廣泛用于局域網(wǎng)中，如今在一些老的局域網(wǎng)中還能夠看到寬帶同軸電纜。目前，對局域網(wǎng)而言，基帶同軸電纜更受歡迎，因為基帶同軸電纜價格更低，而且更易于安裝和布線。今天，在有線電視系統(tǒng)中還可以看到寬帶同軸電纜的使用。從20世紀(jì)90年代中期開始，有線電視運營商開始通過同軸電纜提供Internet訪問服務(wù)，這使75Ω同軸電纜在數(shù)據(jù)通信中扮演著更加重要的角色。23相對于其他的無線電傳輸線路，同軸電纜具有明顯的優(yōu)勢。在理想的同軸電纜中，承載信號的電磁場僅存在于內(nèi)部的銅導(dǎo)線芯和外部的金屬屏蔽層之間的空間里。因此，可以將同軸電纜鋪設(shè)在金屬物體的附近，這樣做不會產(chǎn)生像其他無線電傳輸線路所產(chǎn)生的信號能量損失。同軸電纜還能夠?qū)π盘柼峁┓乐雇獠侩姶鸥蓴_的保護。相對于非屏蔽雙絞線而言，同軸電纜具有更好的干擾屏蔽性能，并且具有更大的帶寬。同軸電纜能夠以更高的傳輸速率將信號傳播到更遠(yuǎn)的距離。同軸電纜的結(jié)構(gòu)，特別是其金屬屏蔽層的構(gòu)造和設(shè)計，使同軸電纜兼具高帶寬和出色的噪聲抗擾度兩大優(yōu)點。同軸電纜的帶寬取決于線纜的質(zhì)量和長度，當(dāng)今的同軸電纜的帶寬可以達(dá)到若干千兆赫茲。同軸電纜的主要應(yīng)用包括：連接無線電收發(fā)器與天線的饋線、計算機網(wǎng)絡(luò)連接、有線電視信號傳輸?shù)?。過去，同軸電纜曾廣泛應(yīng)用于模擬電話網(wǎng)絡(luò)、有線電視網(wǎng)絡(luò)、傳統(tǒng)的低速局域網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)傳輸速率低于10Mbps）中?，F(xiàn)在，在電話網(wǎng)絡(luò)中，曾經(jīng)作為長距離電話傳輸線路的同軸電纜已經(jīng)基本上被光纜所取代；在有線電視網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)同軸電纜也已被光纜取代，一般情況下僅有入戶線仍然使用同軸電纜；而在計算機局域網(wǎng)中，同軸電纜已經(jīng)被傳輸速率達(dá)到100Mbps的雙絞線全面取代。242.2.3光纖光纖（opticalfiber）的物理結(jié)構(gòu)與同軸電纜相似，但是沒有同軸電纜的金屬屏蔽層。光纖的中心是一根玻璃線芯，它是光在光纖中傳播的通道。玻璃線芯之外包裹著一層比線芯的折射率更低的玻璃包層（cladding），使得所有光線都在玻璃線芯內(nèi)傳播。包層之外是一層很薄的塑料保護層，用來保護線芯和包層。單根光纖的結(jié)構(gòu)如圖2.12(a)所示。把多根光纖集束起來，并在外面包裹一層外保護層，這樣集中了多根光纖的線纜稱為光纜（opticalfibercable）。圖2.12(b)給出一條包含三根光纖的光纜結(jié)構(gòu)示意圖。25圖2.13(a)描述了光線在光纖中發(fā)生全反射的過程。在圖2.13(b)中只畫出了一條光線沿光纖利用全反射原理進(jìn)行傳輸?shù)倪^程。由于任何以大于臨界值的入射角射入光纖的光線都可以發(fā)生全反射，因此，可以在一根光纖中同時傳播多路光線，每條光線采用不同的入射角（注：每個入射角都大于臨界值），其中的每一條光線稱為一個模（mode）。這種同時采用多條光線以不同的入射角度進(jìn)行信號傳輸?shù)墓饫w稱為多模光纖（multimodefiber）。多模光纖的玻璃線芯直徑通常為50到幾百微米，大概像人的頭發(fā)絲一樣粗。如果光纖的玻璃線芯更細(xì)，如直徑僅為若干個光波波長時，光線在光纖中不再反射，而是沿直線傳播。把采用一條光線以單一的入射角度進(jìn)行信號傳輸?shù)墓饫w稱為單模光纖（single-modefiber）。單模光纖的玻璃線芯直徑約為8到10微米。相對于多模光纖，單模光纖價格更高，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離傳輸。目前，實際應(yīng)用中的單模光纖能夠以100Gbps的傳輸速率將數(shù)據(jù)傳輸100千米，中間無需中繼放大。在實驗室中，對于稍短一些的傳輸距離，單模光纖可以達(dá)到比100Gbps更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。由多根光纖集束而成的光纜傳輸數(shù)據(jù)的速度在180000千米/秒~200000千米/秒，每千米的時間延遲為5.0微秒~5.5微秒。例如，采用光纜傳輸1000千米，往返只需11毫秒。26目前，光纖主要應(yīng)用于主干網(wǎng)絡(luò)的長距離數(shù)據(jù)傳輸、高速局域網(wǎng)以及高速Internet接入。采用光纖通信的光傳輸系統(tǒng)由三部分組成：光發(fā)射器（opticaltransmitter）、傳輸介質(zhì)與光接收器（opticalreceiver）。光發(fā)射器也被稱為光源，負(fù)責(zé)把計算機輸出的電信號轉(zhuǎn)換成光信號。通常，用一個光脈沖表示比特“1”，沒有光脈沖表示比特“0”。傳輸介質(zhì)就是光纖，是一根非常細(xì)的玻璃纖維。光接收器的主要原件是一個光檢測器，負(fù)責(zé)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，當(dāng)光線射到光檢測器上時，光檢測器產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖。把光源和光檢測器分別接到光纖的兩端，就可以構(gòu)成一個單向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，接收的是電信號，然后把電信號轉(zhuǎn)換成光脈沖的形式在光纖中傳播，在接收端再把輸出的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。一個典型的光傳輸系統(tǒng)的工作過程如圖2.14所示。27雙絞線和同軸電纜本質(zhì)上都是用銅導(dǎo)線芯來傳輸信號的。相對于銅導(dǎo)線型的傳輸介質(zhì)，光纖具有許多優(yōu)點。首先，光纖具有更高的帶寬。許多高端網(wǎng)絡(luò)出于對帶寬的考慮必須使用光纖。其次，光纖傳輸信號衰減較慢。采用光纖傳輸信號，大約每隔50千米需要一個中繼器進(jìn)行信號放大。如果采用銅導(dǎo)線型的傳輸介質(zhì)，大約每隔5千米就需要一個中繼器進(jìn)行信號放大。中繼設(shè)備的減少會極大降低整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)造成本。第三，光纖不受外部電壓波動和電磁干擾等因素的影響。第四，光纖能夠更好地抵御空氣中有害化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，這對于布線環(huán)境比較惡略的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)非常重要。第五，光纖非常細(xì)，而且質(zhì)量很輕。1千米長的1000根雙絞線重量約為8000千克。如果采用光纖，只需兩根光纖就可以超過一千根雙絞線的數(shù)據(jù)傳輸容量，而1千米長的兩根光纖重量僅為100千克，是雙絞線重量的1/80。線纜重量的顯著減少會極大地降低線路支撐系統(tǒng)的安裝和維護費用。對于新鋪設(shè)的通信線路來說，采用光纖無疑是更好的選擇，因為其安裝成本比雙絞線或同軸電纜等銅質(zhì)導(dǎo)線低得多。正因為光纖既細(xì)又輕，目前光纖在電話網(wǎng)絡(luò)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。最后，光纖通信的安全性更高。光線在光纖內(nèi)傳輸?shù)倪^程中不散逸，從光纖外部很難竊聽到傳輸?shù)男盘杻?nèi)容。28當(dāng)然，光纖也有一些不足。首先，光纖傳輸技術(shù)較新，并非所有的工程技術(shù)人員都能掌握相關(guān)的知識和技能。其次，光纖不能過度彎折，否則很容易損壞。第三，光傳輸從本質(zhì)上是一種單向傳輸，雙向通信系統(tǒng)必須要求兩根光纖或者在一根光纖上劃分兩個頻帶。最后，光纖接口比電接口價格更高。雖然光纖有上述的一些缺點，但是光纖的優(yōu)點更加明顯。目前，光纖通信是發(fā)展最快的通信技術(shù)。在未來的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，無論是短距離通信還是中遠(yuǎn)距離通信，光纖都勢必得到廣泛的應(yīng)用。292.2.4無線通信信道在信息時代，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，許多用戶不再滿足于只從固定的地點訪問網(wǎng)絡(luò)，有些用戶希望隨時隨地都保持在線狀態(tài)。對于這樣的移動用戶，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)都無法滿足其需求。這些移動用戶希望能夠擺脫地面通信設(shè)施的束縛，隨時隨地通過其移動設(shè)備（比如筆記本、掌上電腦等）從網(wǎng)上獲取信息。對于這些用戶而言，無線通信技術(shù)提供了解決的方法。1.電磁波譜與通信眾所周知，當(dāng)電子移動的時候會產(chǎn)生電磁波，電磁波能夠沿空氣（甚至在真空中）傳播。英國著名的物理學(xué)家麥克斯韋（JamesClerkMaxwell）于1865年預(yù)言了電磁波的存在。1887年，德國物理學(xué)家赫茲（HeinrichRudolfHertz）首次通過實驗的方法產(chǎn)生并觀察到了電磁波，證實了麥克斯韋的預(yù)言。任何無線通信系統(tǒng)的工作過程都基于以下基本原理：在一個電路上連接一個合適大小的天線，通過天線將電磁波廣播出去，在一定距離之外由接收器接收電磁波。30波在每秒鐘內(nèi)振動的次數(shù)稱為頻率，用f表示，單位為赫茲Hz（用以紀(jì)念海因里希?赫茲）。波的連續(xù)兩個極大值（或極小值）之間的距離稱為波長，通常用希臘字母λ表示。在真空中，無論頻率如何，所有電磁波的傳播速度都相同，這個速度稱為光速，用c表示，約為3×108米/秒。光速是宇宙中的絕對速度上限，沒有任何物體或信號能夠移動得比光速更快。在銅質(zhì)導(dǎo)線（比如雙絞線和同軸電纜）或光纖中，電磁波的傳播速度降為光速的2/3，而且電磁波的傳播速度變得與電磁波的頻率相關(guān)。電磁波的頻率f、波長λ和光速c這三個參數(shù)之間的基本關(guān)系是：λ×f=c由于光速c是一個常量，所以可以由已知的f求出λ，或者由已知的λ求出f。如果波長λ以m為單位，頻率f以MHz為單位，則可以用以下的經(jīng)驗公式粗略計算λ和f的值：λ×?≈300例如，頻率為100MHz的電磁波的波長約為3米，頻率為1000MHz的電磁波的波長約為0.3米；波長為0.1米的電磁波的頻率約為3000MHz。31電磁波譜與各種傳輸介質(zhì)類型之間的關(guān)系如圖2.15所示。在電磁波譜中，無線電、微波、紅外線和可見光都可以通過調(diào)制波的振幅、頻率或者相位來傳輸信息。紫外線、X射線和γ射線由于頻率更高，因此更加適合信息傳輸，但是其缺點是難以產(chǎn)生和調(diào)制，不便于穿越樓宇等大型建筑，并且對生物有一定的危險性。322.無線電傳輸無線電波容易生成，能夠長距離傳輸，并且能夠很容易地穿透樓宇等大型建筑物進(jìn)行傳播，因此無線電波被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)和室外的各種通信系統(tǒng)中。無線電波的一個傳輸特點是全方向性，無線電波可以從信號源向所有方向傳播，因此無線電波的發(fā)射器和接收器不必在物理上校準(zhǔn)對齊。無線電波的另一個特點是其傳輸特性與波的頻率相關(guān)。低頻無線電波穿透障礙物的能力很強，但信號能量隨傳輸距離的增加急劇衰減下降；高頻無線電波通常沿直線傳播，遇到障礙物會反彈，而且更易被雨以及其他障礙物吸收。無論是低頻無線電波還是高頻無線電波，都很容易受來自馬達(dá)和其他電氣設(shè)備的干擾。無線電波的信號衰減與導(dǎo)向傳輸介質(zhì)不同。對于導(dǎo)向傳輸介質(zhì)，如光纖、同軸電纜、雙絞線等，每單位距離的信號衰減幅度相同。例如，雙絞線每傳輸100米，信號衰減為20dB。對于無線電波，信號傳輸距離每增加一倍，信號按照固定的幅度衰減，例如傳輸距離每增大一倍，信號衰減6dB。這一特性意味著無線電波的傳輸距離更長，但是信號傳輸途中的干擾是一個很大的問題。正因為如此，各個國家對無線電波的使用都采取了非常嚴(yán)格的管制措施。33在頻率較低的頻段，例如VLF（甚低頻）、LF（低頻）、MF（中頻）等，無線電波沿地面?zhèn)鞑?，稱為地波，如圖2.16(a)所示。地波可以傳播大約1000千米。日常生活中的調(diào)幅廣播就采用MF頻段的無線電波，由于低頻無線電波波長較長，很容易穿透樓房等建筑物，因此人們可以在室內(nèi)清晰地收聽廣播。低頻無線電波的地波傳輸也有一些缺點：首先，相距較遠(yuǎn)跨度較大的兩地之間信號接收效果往往不是很好；其次，利用低頻段無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)通信通常帶寬比較窄。在頻率較高的頻段，例如HF（高頻）和VHF（甚高頻），無線電波的地波往往被地面吸收。但是，另一部分向天空方向傳播的無線電波（稱為天波）射向大氣層中的電離層。電離層距地面高度約70千米~500千米，其中含有大量離子和自由電子，能使無線電波改變傳播速度，發(fā)生折射、反射和散射，足以反射電磁波。從地面發(fā)出的高頻無線電波射向電離層之后，經(jīng)電離層反射，又返回地面，如圖2.16(b)所示。業(yè)余無線電愛好者就使用這些頻段進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。此外，在軍事領(lǐng)域內(nèi)也常常使用HF和VHF頻帶進(jìn)行通信。343.微波傳輸如圖2.15所示，微波通信利用的是電磁波譜中從1GHz到30GHz的頻段，通過簡便換算公式可知微波通信對應(yīng)的波長為30厘米~1厘米。對于頻率高于100MHz的電磁波，其傳輸路線基本是直線傳播，而且便于集束傳播。由于微波的波長很短，如果將發(fā)射端的天線直接對準(zhǔn)接收端的天線，則可將其集中成很窄的波束進(jìn)行發(fā)射。因此，微波廣泛應(yīng)用于點到點式通信。由于發(fā)射端和接收端直接進(jìn)行點到點的通信，相鄰的微波設(shè)備可以使用相同的頻率，不會出現(xiàn)低頻無線電波那樣的頻率干擾。點到點式微波通信可以集中能量，信噪比較高，但是要求發(fā)射端和接收端的天線必須相互對準(zhǔn)。事實上，在光纖通信出現(xiàn)之前的幾十年中，微波通信一直是遠(yuǎn)距離電話傳輸系統(tǒng)的主要技術(shù)手段。目前，微波仍然廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離電話通信、移動電話、電視信號傳輸?shù)阮I(lǐng)域。面對光纖通信的迅猛發(fā)展，之所以微波通信仍然廣為使用，是因為相對于光纖而言微波傳輸具有幾個明顯的優(yōu)勢。首先，微波通信價格相對較低。采用微波通信，只需豎起兩個發(fā)射塔并在塔上安裝天線即可，其造價遠(yuǎn)比在擁擠的市區(qū)內(nèi)或者穿山越嶺鋪設(shè)50千米長的光纖要低。其次，不存在通信網(wǎng)絡(luò)線路的使用權(quán)問題。采用微波通信，只需每隔50千米購買一小塊足以豎立發(fā)射塔的地皮即可，不需要從電話公司那里租用通信網(wǎng)絡(luò)線路的使用權(quán)。這兩點都極大地降低了微波通信系統(tǒng)的工程造價。35但是，微波傳輸也存在一些缺點。首先，由于微波是直線傳輸，相鄰的兩個發(fā)射塔不能相距太遠(yuǎn)，否則會受到地球曲面的影響。如果兩個相鄰的發(fā)射塔相隔過遠(yuǎn)的話，中間需要安裝微波信號中繼器。發(fā)射塔越高，中繼器之間的距離越遠(yuǎn)。如果發(fā)射塔高為100米，中繼器之間的距離可以達(dá)到80千米。其次，微波穿透樓房等建筑物的能力較差。第三，雖然在發(fā)射端微波是被集中成很窄的波束發(fā)射出來，但是在傳輸過程中仍然會發(fā)散。這些發(fā)散的波束經(jīng)過低層大氣的反射之后傳輸?shù)穆窂阶兊酶L，要比直接到達(dá)接收端的波束滯后一些。這些滯后的波束會對直接到達(dá)的波束產(chǎn)生影響，削弱微波信號，這種現(xiàn)象稱為多徑衰落（multipathfading）。多徑衰落的程度受天氣狀況的影響，并且和微波頻率相關(guān)。多徑衰落往往會給微波通信帶來非常嚴(yán)重的影響。最后，對帶寬要求的不斷增長驅(qū)使人們使用更高的頻段。但是微波頻率高于4GHz之后會產(chǎn)生一個新的問題：微波被水吸收。這個頻段的微波波長僅為幾厘米長，這樣的微波很容易被雨水吸收。對于微波通信系統(tǒng)，信號傳輸被降雨等天氣情況影響，會帶來非常嚴(yán)重的問題。通常的解決方法是暫時關(guān)閉受雨水影響的微波傳輸線路，轉(zhuǎn)由其他線路進(jìn)行傳輸。364.紅外線傳輸從圖2.15可以看出，從無線電波到可見光，隨著電磁波頻率的不斷增長，其波長越來越短，電磁波的性質(zhì)越來越傾向于光，越來越遠(yuǎn)離無線電波。紅外線的波長比可見光的波長更長，紅外線的波長范圍是從紅色可見光邊緣的0.74微米到300微米。紅外線的主要缺點是不能穿透固體障礙物。紅外線有許多優(yōu)點。首先，由于波長較短，紅外線的一個顯著特點是方向性強。其次，紅外線比較容易獲得，成本較低。第三，正是由于紅外線穿透性較差，因此相鄰的紅外線傳輸系統(tǒng)之間不會相互干擾。分別處于同一樓宇內(nèi)不同房間里的紅外線通信系統(tǒng)就不會互相產(chǎn)生干擾。最后，相對于無線電波，紅外線通信的安全性更高。這是因為較低的穿透性使得紅外線傳輸很難被外部非法竊聽。由于紅外傳輸相互干擾較小，而且安全性較高，因此各國政府對紅外通信的限制比較松，不像對無線電通信那樣采取嚴(yán)格的管制措施?；谏鲜龅奶攸c，目前紅外線傳輸主要應(yīng)用于短距離通信。紅外線通信適合于高密度人口地區(qū)的室內(nèi)通信應(yīng)用。由于紅外線不會穿透墻壁，因此不會干擾隔壁房間內(nèi)的其他紅外通信設(shè)備。紅外線通信最常見的應(yīng)用就是各種家用電器的遙控器，如電視機、錄像機、音響等。紅外線數(shù)據(jù)傳輸還應(yīng)用于計算機與外部設(shè)備之間的短距離通信，這些設(shè)備通常符合IrDA（InfraredDataAssociation，紅外數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）發(fā)布的各種標(biāo)準(zhǔn)。例如，筆記本電腦和打印機之間可以通過IrDA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行紅外線數(shù)據(jù)通信。紅外線傳輸只是通信領(lǐng)域的一個很小的分支，并非主流。375.光傳輸從圖2.15可以看出，在電磁波譜中，微波的右邊很窄的一個頻段是可見光。自由空間光通信（FSO:FreeSpaceOptics）是指通過可見光在自由空間的傳播來傳輸數(shù)據(jù)的光通信技術(shù)。這里的“自由空間”是指空氣、外層空間、真空或者其他類似的環(huán)境。區(qū)別于前面所介紹的光纖或光纜，F(xiàn)SO是一種無導(dǎo)向的傳輸形式。自由空間光通信技術(shù)主要適用于那些由于造價或其他原因不適合鋪設(shè)物理鏈接的應(yīng)用場合。在幾個世紀(jì)之前，人們就已經(jīng)開始使用自由空間光通信技術(shù)。今天，人們使用自由空間光通信技術(shù)連接兩個樓宇內(nèi)的局域網(wǎng)。例如，每棟樓內(nèi)有一個局域網(wǎng)，在每棟樓頂上安裝激光發(fā)射裝置，通過激光進(jìn)行兩個局域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信。由于采用激光發(fā)射的光信號本質(zhì)上是單向傳輸?shù)?，所以通信的每一端都必須有各自的激光發(fā)射器和光檢測器。采用自由空間光通信技術(shù)連接兩個局域網(wǎng)有許多好處。首先，光通信能夠提供很大的帶寬。其次，采用無線光通信的方案，工程造價較低。第三，由于非法入侵者很難竊聽極窄的激光束上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，因此光通信的安全性相對較高。最后，光通信系統(tǒng)易于安裝，而且不需要微波傳輸設(shè)備所需的相關(guān)準(zhǔn)入和認(rèn)證手續(xù)。38光傳輸也有其缺點。首先，為了集中能量，激光束非常窄，因此在發(fā)射器和光檢測器之間進(jìn)行光束瞄準(zhǔn)非常困難。若要將1毫米粗的激光束瞄準(zhǔn)相距500米遠(yuǎn)而且只有針尖大小的目標(biāo)，其難度非常大。為了解決這一問題，通常在發(fā)射端安裝一個透鏡，將激光束稍微發(fā)散一些，利于遠(yuǎn)距離瞄準(zhǔn)目標(biāo)。其次，激光束的傳播容易受天氣狀況的影響，風(fēng)和氣溫的變化都會導(dǎo)致激光束扭曲，改變傳輸方向。例如，在炎熱的夏日，白天屋頂氣溫升高會使熱空氣上升，上升的對流空氣使光束發(fā)生偏移，導(dǎo)致光束在接收端無法瞄準(zhǔn)光檢測器。最后，激光傳輸通常在晴天可以正常工作，但是激光束無法穿透雨和濃霧，因此降雨和大霧天氣無法正常使用激光傳輸系統(tǒng)。目前，自由空間光通信技術(shù)在計算機網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還不多見，是一種新的思路和嘗試。在不遠(yuǎn)的將來，自由空間光通信技術(shù)將在計算機網(wǎng)絡(luò)中得到快速的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。日常生活中有許許多多的攝像頭（能感知可見光）與顯示器（能顯示可見光）。如果采用光通信技術(shù)構(gòu)建一個低速的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，將這些與可見光有關(guān)的設(shè)備連接起來，就可以通過這個光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)出許多嶄新的應(yīng)用。例如，通過光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，救護車的警示燈發(fā)出的光信號可以對附近的交通信號燈產(chǎn)生影響，并且對救護車周圍的其他車輛產(chǎn)生影響，進(jìn)而通過某種協(xié)調(diào)機制和算法，使周圍的車輛給救護車讓出一條快速通道。396.衛(wèi)星通信通信衛(wèi)星（亦稱為COMSAT，CommunicationSatellite）是指太空中用于通信的人造衛(wèi)星。人類對衛(wèi)星通信的最早探索源于20世紀(jì)50年代到60年代初期，當(dāng)時人們嘗試?yán)缅冇薪饘倌さ臍庀髿馇騺矸瓷湫盘?，從而?gòu)建通信系統(tǒng)。美國在1960年發(fā)射了名為Echo1的金屬氣球衛(wèi)星，直徑30.48米，氣球表皮僅有12.7微米厚，里面充滿空氣。從地球發(fā)射的信號經(jīng)氣球衛(wèi)星的金屬氣象氣球表面反射之后返回地面，從而達(dá)到通信的目的，其本質(zhì)是一個信號反射器。遺憾的是，經(jīng)這種金屬氣象氣球反射回來的信號太弱，幾乎沒有什么實際應(yīng)用價值。之后，人們把目光投向太空中另一個永久的氣象氣球——月球。美國海軍研究如何利用月球反射信號進(jìn)行通信，研究獲得了成功，美國海軍建成了一個實用的艦到岸月球反射通信系統(tǒng)。第一顆人造通信衛(wèi)星的發(fā)射是人類空間通信技術(shù)研究的里程碑。人造衛(wèi)星與真正的地球衛(wèi)星之間的關(guān)鍵區(qū)別是：人造衛(wèi)星在接收到地球發(fā)射來的信號后能夠?qū)⑿盘柗糯?，然后再將放大的信號發(fā)送回地球，這一點使得人造地球衛(wèi)星可以構(gòu)成功能強大的通信系統(tǒng)。40如果以最簡單的方式描述通信衛(wèi)星，可以把通信衛(wèi)星想象成一個運行于太空中的巨大的微波信號中繼器。每顆通信衛(wèi)星上包含若干個轉(zhuǎn)發(fā)器（transponder），每個轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)責(zé)收聽某個頻段的信號，并且將接收到的信號進(jìn)行放大，然后將放大后的信號以另一個頻率重新廣播發(fā)送回地球。之所以將放大后的信號改變頻率是為了避免與接收信號產(chǎn)生干擾。通信衛(wèi)星這種將信號接收、放大、改變頻率傳回的工作模式稱為彎管（bentpipe）模式。通信衛(wèi)星下行的波束覆蓋范圍既可以很廣，如覆蓋地球表面相當(dāng)大的一個區(qū)域；也可以很窄，如只覆蓋直徑為幾百千米的一個區(qū)域。開普勒第三定律指出：各個行星繞太陽公轉(zhuǎn)周期的平方與其橢圓軌道的半長軸的立方成正比。同理，人造通信衛(wèi)星的軌道周期的平方與其軌道半徑的立方成正比。簡言之，通信衛(wèi)星越高，其軌道周期就越長。在接近地球表面的高度，通信衛(wèi)星的軌道周期約為90分鐘。這種低軌道衛(wèi)星會很快飛過視距范圍，所以構(gòu)成一個能夠提供連續(xù)信號覆蓋的通信系統(tǒng)需要許多顆這樣的低軌通信衛(wèi)星以及多個地面天線。在距地球表面35800千米的高度，通信衛(wèi)星的軌道周期約為24小時。在距地球表面384000千米（即月球距地球表面的距離）的高度，通信衛(wèi)星的軌道周期約為一個月。41除了軌道高度和軌道周期之外，部署通信衛(wèi)星的另外一個考慮因素是地球輻射帶對通信衛(wèi)星的影響。地球輻射帶是指由地球磁場俘獲環(huán)繞地球周圍空間的高能帶電粒子而形成的位于地球磁層中的遠(yuǎn)近兩個輻射區(qū)域。地球輻射帶以美國科學(xué)家范?艾倫命名，分為內(nèi)、外范?艾倫帶（VanAllenbelt）。內(nèi)范?艾倫帶距離地球表面較近，高度在1~2個地球半徑之間，東西半球不對稱，最高處在9000千米處開始。外范?艾倫帶距離地球表面較遠(yuǎn)，高度在3~4個地球半徑之間，起始高度為13000千米~19000千米，厚度約為6000千米，外帶比較稀薄，其中帶電粒子的能量比內(nèi)帶小。任何在這兩個地球輻射帶內(nèi)飛行的通信衛(wèi)星都會很快被其中的帶電粒子毀壞。因此，只有三個區(qū)域可以安全部署通信衛(wèi)星：高于外范?艾倫帶的區(qū)域、內(nèi)外范?艾倫帶之間的區(qū)域以及低于內(nèi)范?艾倫帶的區(qū)域。在高于外范?艾倫帶的區(qū)域運行的通信衛(wèi)星稱為地球同步軌道衛(wèi)星，也稱為對地靜止軌道衛(wèi)星，簡稱GEO（GeostationaryEarthOrbit）。運行于內(nèi)外范?艾倫帶之間的通信衛(wèi)星稱為中等地球軌道衛(wèi)星，簡稱MEO（Medium-EarthOrbit）。在低于內(nèi)范?艾倫帶的區(qū)域運行的通信衛(wèi)星稱為低地球軌道衛(wèi)星，簡稱LEO（Low-EarthOrbit）。隨著通信衛(wèi)星軌道高度的增加，每顆衛(wèi)星所覆蓋的地球表面范圍不斷擴大，因此構(gòu)建覆蓋全球的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)星個數(shù)越來越少。但是，隨著衛(wèi)星軌道高度的增加，信號傳輸?shù)耐德窂讲粩嘣鲩L，導(dǎo)致往返路徑延遲時間不斷增大。這三個區(qū)域以及運行于其中的通信衛(wèi)星的類型和主要技術(shù)參數(shù)如表2.2所示。42早在1945年，英國著名的科幻小說作家和發(fā)明家ArthurCharlesClarke就提出了衛(wèi)星通信的設(shè)想。他計算出在赤道上空距地球表面35800千米高度的地球衛(wèi)星相對于地面觀察者而言是靜止不動的。以此為基礎(chǔ)，他進(jìn)一步描述了一個完整的由若干顆這種相對于地面看似靜止的衛(wèi)星構(gòu)成的通信系統(tǒng)，包括該衛(wèi)星通信系統(tǒng)的軌道、太陽能板、無線電頻率，甚至衛(wèi)星的發(fā)射步驟等細(xì)節(jié)。令人遺憾的是，經(jīng)過進(jìn)一步思考，他最終得出的結(jié)論是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的方案并不切實可行。他認(rèn)為，將那些耗費巨大能量而且非常脆弱的真空管放大器送入太空是不可能的。因此，盡管他寫了許多關(guān)于衛(wèi)星通信的科幻小說，但他并沒有真正把這個構(gòu)想切實向前推進(jìn)。僅僅兩年之后，人類第一個晶體管于1947年在Bell實驗室誕生了。晶體管的發(fā)明改變了一切，Clarke所擔(dān)心的不可能很快就變成了現(xiàn)實。人類第一顆人造通信衛(wèi)星（Telstar）于1962年7月發(fā)射成功。從那以后，地球同步軌道衛(wèi)星得到了迅速的發(fā)展。按照現(xiàn)有的技術(shù)條件，地球同步軌道衛(wèi)星在360°的赤道平面上的分布受到一定的限制，兩顆衛(wèi)星之間相隔應(yīng)不小于2°，其目的是避免相鄰衛(wèi)星之間的相互干擾。由于存在這樣的空間間隔限制，赤道平面上最多只能有180顆地球同步軌道衛(wèi)星。雖然在軌衛(wèi)星的數(shù)量有上限，但是可以通過其他的技術(shù)手段增強衛(wèi)星的通信能力，例如每個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可以使用多個頻率和多種極化方式來增加帶寬?，F(xiàn)代的地球同步軌道衛(wèi)星體積非常龐大，質(zhì)量超過5000千克，同時消耗大量的電能。地球同步軌道衛(wèi)星的太陽能面板可以為衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)與工作提供若干千瓦的電能。每顆地球同步軌道衛(wèi)星大約有40個轉(zhuǎn)發(fā)器，帶寬通常為36MHz。43遠(yuǎn)在地球同步軌道衛(wèi)星之下，運行在內(nèi)外范?艾倫帶之間的是中等地球軌道衛(wèi)星（MEO）。從地球表面觀察，這些衛(wèi)星緩慢地繞地球轉(zhuǎn)動，大約每6小時環(huán)繞地球一圈。由于MEO相對地球是轉(zhuǎn)動的，而不再是靜止的，所以必須對在天空中繞地球移動的衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。由于MEO比GEO低得多，所以MEO在地球表面的信號覆蓋范圍比GEO小，所需發(fā)射器的功率也更小一些。目前MEO主要應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，而不是通信領(lǐng)域。日常生活中的全球定位系統(tǒng)（GPS:GlobalPositioningSystem）就是由大約30顆MEO構(gòu)成的衛(wèi)星系統(tǒng)，這些MEO在距地面20200千米的軌道上繞地球轉(zhuǎn)動。在中等地球軌道衛(wèi)星MEO之下運行的是低地球軌道衛(wèi)星LEO。一方面，由于LEO移動速度很快，因此要構(gòu)成一個完整的衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要許多顆LEO衛(wèi)星。另一方面，由于LEO距地表非常近，所以地面站不需要太高的功率，而且信號的往返延遲時間僅為幾個毫秒。此外，相對于GEO和MEO，LEO的發(fā)射成本要低得多。442.3數(shù)字調(diào)制技術(shù)在了解了常見的有線與無線通信信道的特性之后，接下來研究如何在這些通信信道上傳輸數(shù)字信息。在計算機內(nèi)部，數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制形式表示和存儲的，即離散的0、1比特序列。有線和無線的信道傳送模擬信號（如連續(xù)變化的電壓、光強或聲強）時，必須研究如何用模擬信號來表示0、1比特。在0、1比特與表示它們的信號之間相互轉(zhuǎn)換的過程稱為數(shù)字調(diào)制（digitalmodulation）。首先，將0、1比特序列直接轉(zhuǎn)換為信號的方法稱為基帶傳輸（basebandtransmission）。在基帶傳輸中，信號占用的頻率從0到某個由傳信率決定的最大值?；鶐鬏敵Ｓ糜谟芯€信道。其次，通過調(diào)整載波的振幅、相位或者頻率的形式來傳送0、1比特序列的方法稱為通帶傳輸（passbandtransmission）。在通帶傳輸中，信號占用的頻帶在載波信號頻率附近。通帶傳輸常用于無線信道和光通信信道，適用于信號必須在給定的頻帶范圍內(nèi)的情況。45常見的基帶傳輸和通帶傳輸?shù)木幋a方案如圖2.17所示。462.3.1基帶傳輸1.非歸零碼最簡單和最直接的數(shù)字調(diào)制的方式是用正電平表示“1”，用負(fù)電平表示“0”。對于光纖傳輸，可以用有光線表示“1”，用無光線表示“0”。這種編碼方案稱為非歸零碼（NRZ:NonReturntoZero）。非歸零碼的例子如圖2.18所示。在發(fā)送端，原始數(shù)據(jù)的比特序列采用非歸零碼編碼之后，信號在通信線路上傳輸。接收端通過周期性的信號采樣將信號轉(zhuǎn)換回原始的比特序列。接收端收到的信號與發(fā)送端發(fā)出的信號不會完全一樣。這是由于信號在傳輸?shù)倪^程中會不斷衰減并且受到信道以及噪聲的干擾。在解碼時，接收端將采樣得到的信號樣本映射到最接近的符號上。對非歸零碼而言，接收端采樣得到一個正電平信號樣本表示發(fā)送端發(fā)送了一個“1”，采樣得到一個負(fù)電平信號樣本表示發(fā)送端發(fā)送了一個“0”。47為了能夠正確地對接收到的信號進(jìn)行解碼，接收方必須知道何時一個符號結(jié)束，何時下一個符號開始。對于NRZ而言，符號僅僅是一連串的高低電平。因此，一長串連續(xù)的“1”或者一長串連續(xù)的“0”導(dǎo)致信號為一連串的高電平或者一連串的低電平，即信號電平高低保持長時間不變。如果遇到這種情況，經(jīng)過一段時間之后，很難將不同的比特區(qū)分開來，比如18個連續(xù)的比特“1”和19個連續(xù)的比特“1”看上去非常相似，如果沒有精確的時鐘幫助，很難做出準(zhǔn)確的區(qū)分。采用精確的時鐘可以解決這一問題，但代價太高。此外，目前數(shù)據(jù)鏈路上每秒高達(dá)若干兆位每秒的數(shù)據(jù)傳輸速率對時鐘的精度也提出了很高的要求。另一種思路是向接收方發(fā)送單獨的時鐘信號。專用的時鐘信號傳輸線路對于計算機總線或者短距離數(shù)據(jù)傳輸線纜這類具有多條并行通信線路的系統(tǒng)而言并不是什么大問題，但是對于大多數(shù)計算機網(wǎng)絡(luò)連接而言，專門使用一條傳輸線路發(fā)送時鐘信號顯然是一個很大的浪費。482.曼徹斯特編碼為了解決NRZ編碼方案不含時鐘信號的問題，一個巧妙的解決辦法是將時鐘信號與數(shù)據(jù)信號混合起來，將這兩種不同的信號進(jìn)行異或運算（XOR），從而可以省去專門的時鐘信號發(fā)送線路。曼徹斯特編碼（Manchestercode）就是這樣一種編碼方案。對于曼徹斯特編碼，有兩種不同的數(shù)據(jù)表示規(guī)定，如圖2.19所示。49第一種曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)表示規(guī)定由G.E.Thomas于1949年發(fā)表，對如何用高低電平表示比特序列做了如下約定：將一個比特周期T分為前后兩個T/2，對于比特“0”，前半周期用低電平表示，后半周期用高電平表示，即“低—高”電平變換代表邏輯“0”；而對于比特“1”，前半周期用高電平表示，后半周期用低電平表示，即“高—低”電平變換代表邏輯“1”。在這種曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)表示規(guī)定出現(xiàn)之后，許多專家學(xué)者都以此為標(biāo)準(zhǔn)，例如計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的權(quán)威AndrewS.Tanenbaum在其計算機網(wǎng)絡(luò)專著中就以此為曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)表示方案。第二種曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)表示規(guī)定與上述的數(shù)據(jù)表示規(guī)定剛好相反，用信號的“高—低”電平變換代表比特“0”，用信號的“低—高”電平變換代表比特“1”。這種數(shù)據(jù)表示方案也得到了許多專家學(xué)者的支持，例如計算機科學(xué)領(lǐng)域的著名學(xué)者WilliamStallings。此外，這種曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)表示規(guī)定在局域網(wǎng)中也得到了廣泛的應(yīng)用，例如IEEE802.4標(biāo)準(zhǔn)（令牌總線）和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)（以太網(wǎng)）都采用這種編碼方案。503.差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼（differentialManchesterencoding）將數(shù)據(jù)和時鐘信號融合在一起形成兩電平自同步數(shù)據(jù)流。稱之為“差分”是因為這種編碼方案使用有或沒有電平跳變來表示不同的邏輯值。典型的差分曼徹斯特編碼波形如圖2.20所示。51在差分曼徹斯特編碼中，每個比特周期被分成兩個半周期，分別表示時鐘和數(shù)據(jù)。表示時鐘的半周期由電平跳變表示，或者從低變到高，或者從高變到低。表示數(shù)據(jù)的半周期用有電平變換代表某個邏輯值，用沒有電平變換代表另一個邏輯值。因此，差分曼徹斯特編碼有兩種編碼方法。例如，第一種方法可以用存在電平變換代表比特“0”，用沒有電平變換代表比特“1”；另一種方法可以用存在電平變換代表比特“1”，用沒有電平變換代表比特“0”。圖2.20用存在電平變換代表比特“0”，用沒有電平變換代表比特“1”。為了更好地比較曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼的相同點與區(qū)別，圖2.20中同時給出原始比特序列的曼徹斯特編碼（按照G.E.Thomas數(shù)據(jù)表示規(guī)定）波形。IEEE802.5標(biāo)準(zhǔn)定義了差分曼徹斯特編碼，并將該編碼方案應(yīng)用于令牌環(huán)局域網(wǎng)中。此外，差分曼徹斯特編碼還應(yīng)用于其他多種磁存儲設(shè)備和光存儲設(shè)備中。522.3.2通帶傳輸人們通常希望在通信信道上使用一定的頻率范圍來發(fā)送信息，這一范圍內(nèi)的頻率不是從零開始的。采用無線通信信道傳輸極低頻率的信號是不實際的，因為天線的大小是信號波長的一定比例，由于頻率和波長成反比，如果用極低的頻率傳輸信號，勢必導(dǎo)致天線尺寸的極度增加。即使是有線通信信道，將某個信號加載到某一頻帶內(nèi)也可以使多個信號在同一通信信道上共存。此類傳輸方式稱為通帶傳輸，其特點是在同一個通信信道上可以允許使用多個不同的頻率來傳輸信號。在通帶傳輸中，可以在發(fā)送端將待發(fā)送的基帶信號（如頻率為0到BHz）變換到某一通帶頻率范圍（如頻率為S到S+BHz）。雖然此時的信號看似與原來的基帶信號有些不同，但是這一變換并沒有改變信號所攜帶的信息量。在接收端，再將通帶信號變換回基帶信號。53在調(diào)制過程中，首要的任務(wù)是選擇通帶的載波（carrierwave，簡稱為carrier）信號。載波是為了傳輸信息而根據(jù)輸入信號對其進(jìn)行調(diào)制的一種波形，通常為正弦波。載波的頻率通常比輸入信號的頻率高很多。載波的功能有兩點：第一，在空間內(nèi)以電磁波的形式傳輸信息（比如無線電通信）；第二，允許多個不同頻率的信號共享一個公共的物理傳輸介質(zhì)（比如有線電視系統(tǒng)）。正弦載波信號可以寫為：u(t)=um?sin(ωt+?0)(2-1)其中，um為正弦波的振幅，ω為角頻率，?為相位（

?0代表初相）。通帶傳輸中的數(shù)字調(diào)制是通過對載波信號的變換或者調(diào)制來完成的，對載波的三個參量進(jìn)行調(diào)制，可以得到三種不同的調(diào)制方法。下面分別介紹這三種調(diào)制方法。541.振幅鍵控(ASK)振幅鍵控（ASK:AmplitudeShiftKeying）方法通過改變載波的振幅進(jìn)行調(diào)制，可以采用兩個不同的振幅來分別表示0和1。一種簡單的表示方法是用某個非零的振幅值um表示1，用振幅值為零表示0，其信號波形如圖2.21所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(2-2)事實上，也可以用多個不同級別的振幅值表示多個不同的符號。ASK與信號幅度有關(guān)，對信道特性變化敏感，性能較差。552.移頻鍵控(FSK)移頻鍵控（FSK:FrequencyShiftKeying）方法通過改變載波的角頻率進(jìn)行調(diào)制，可以采用兩個不同的角頻率來分別表示0和1。一種簡單的表示方法是用某個角頻率ω1表示1，用另一個角頻率ω2表示0，其信號波形如圖2.21所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(2-3)與ASK類似，也可以用多個不同的角頻率表示多個不同的符號。移頻鍵控是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，它的主要優(yōu)點是比較容易實現(xiàn)，其抗噪聲與抗衰減性能較好，廣泛應(yīng)用于中低速數(shù)據(jù)傳輸。移頻鍵控系統(tǒng)的缺點是頻帶利用率較低。563.移相鍵控(PSK)移相鍵控（PSK:PhaseShiftKeying）方法通過改變載波的相位進(jìn)行調(diào)制。移相鍵控可以進(jìn)一步分為兩種：絕對調(diào)相和相對調(diào)相。絕對調(diào)相采用相位的絕對值表示1和0；而相對調(diào)相采用相位的相對偏移值表示1和0。這里主要介紹絕對調(diào)相方法，采用兩個不同的相位來分別表示

1和0，即用某個相位?1表示1，用另一個相位?2表示0。一種簡單的方案是令?1為0，?2為π，其信號波形如圖2.21所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(2-4)57用兩個不同的相位表示符號0和1的方法稱為二相移相鍵控（BPSK:BinaryPhaseShiftKeying）。需要注意的是，這里的“binary”是指這種編碼方法采用了兩個不同的相位值，而不是指該符號能夠表示兩位數(shù)據(jù)。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，?jīng)常采用多個不同的相位表示多個不同的符號，這種方法稱為多相調(diào)制。例如，一種能夠比二相移相鍵控更有效地利用信道帶寬的編碼方案是采用四個不同的相位（比如45°、135°、225°和315°）來表示一個符號，因此每個符號可以表示兩位數(shù)據(jù)，這種編碼方法稱為四相移相鍵控（QPSK:QuadraturePhaseShiftKeying），其信號波形如圖2.21所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：58移相鍵控有較高的頻帶利用率，判決門限與接收機輸入信號的幅度無關(guān)，對信道變化不敏感。592.4差錯控制方法可靠性是計算機網(wǎng)絡(luò)非常重要的一個設(shè)計指標(biāo)。設(shè)計出具有高可靠性的計算機網(wǎng)絡(luò)能夠使網(wǎng)絡(luò)順暢、正確地運轉(zhuǎn)。但是，計算機網(wǎng)絡(luò)的可靠性由許多因素決定，而這些構(gòu)成因素本身往往并不可靠。以一個在計算機網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的比特序列為例，由于可能受到突發(fā)電噪聲、隨機無線信號、硬件缺陷、軟件差錯等因素的影響，因此數(shù)據(jù)包中的某些比特可能在接收端接收時已經(jīng)遭到損壞（反轉(zhuǎn)），這種現(xiàn)象稱之為傳輸差錯。各種網(wǎng)絡(luò)通信信道具有不同的物理特性，有些通信信道的差錯率非常低，例如通信網(wǎng)絡(luò)中的光纖，在光纖通信的網(wǎng)絡(luò)中傳輸差錯極其罕見。但是，其他的通信信道，特別是無線連接線路和年久老化的本地回路，這些信道的傳輸差錯率往往會高出光纖傳輸差錯率許多個數(shù)量級。對于這些傳輸差錯率高的通信信道，數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生差錯是很常見的現(xiàn)象，即使以一定的性能損失為代價也無法完全避免傳輸差錯的產(chǎn)生。換言之，傳輸差錯一定會有，因此，研究如何處理傳輸差錯就顯得十分必要。60針對傳輸差錯問題，計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者們提出了兩種基本的處理傳輸差錯的策略，這兩種方法都在發(fā)送的原始數(shù)據(jù)上附加一些冗余信息。一種處理傳輸差錯的策略是在發(fā)送端給原始數(shù)據(jù)附加必要的冗余信息，使得接收端在接收到數(shù)據(jù)時能夠判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出錯（但是無法判斷具體出錯的位置），如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯，接收端向發(fā)送端發(fā)出重傳（retransmission）請求，這種使用檢錯碼（error-detectingcode）處理傳輸差錯的策略稱為檢錯（errordetection）。另一種處理傳輸差錯的策略是在發(fā)送端給原始數(shù)據(jù)附加充足的冗余信息，使得接收端在接收到數(shù)據(jù)時不僅能夠判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否產(chǎn)生了差錯，而且能夠判斷哪里出了差錯，從而推斷出發(fā)送端發(fā)出的原始數(shù)據(jù)，這種使用糾錯碼（error-correctingcode）來發(fā)現(xiàn)和糾正傳輸差錯的策略稱為糾錯（errorcorrection），也被稱為前向糾錯（FEC:ForwardErrorCorrection）。檢錯碼和糾錯碼各有其適用領(lǐng)域。對于具有極高可靠性的通信信道，例如光纖，使用檢錯碼更加合理，系統(tǒng)開銷更低。這是因為整個傳輸系統(tǒng)極少產(chǎn)生傳輸差錯，一旦發(fā)生極個別的傳輸差錯，可以僅僅重傳出錯的那部分?jǐn)?shù)據(jù)塊。對于出錯率較高的通信信道，例如無線連接線路，最好使用糾錯碼。通過在每一個原始數(shù)據(jù)塊上附加更多的冗余信息，使接收端能夠推斷出發(fā)送端發(fā)送的原始數(shù)據(jù)塊是什么。這樣做的原因是：對于較容易出錯的通信信道而言，要求重傳數(shù)據(jù)的意義不大，因為第二次的重新傳輸很有可能像第一次傳輸一樣產(chǎn)生差錯。612.4.1差錯產(chǎn)生的原因無論是檢錯還是糾錯，都必須首先了解通信信道產(chǎn)生傳輸差錯的原因以及傳輸差錯的類型。通信信道產(chǎn)生傳輸差錯的原因有兩種。第一種原因是信道傳輸差錯是由熱噪聲（thermalnoise）引起的。短暫而偶發(fā)的極端熱噪聲值破壞了原始數(shù)據(jù)信號，導(dǎo)致孤立的單比特錯誤的出現(xiàn)。產(chǎn)生傳輸差錯的第二種原因是突發(fā)的外部電磁干擾，例如無線信道中出現(xiàn)的突然信號衰減，或者有線信道的突發(fā)隨機電磁干擾等。由此引發(fā)的傳輸差錯不是單個孤立的錯誤，往往是陣發(fā)的錯誤。傳輸差錯產(chǎn)生的過程如圖2.22所示。622.4.2檢錯碼檢錯碼原理簡單，易于實現(xiàn)，編碼與解碼速度較快，適用于光纖或者其他高質(zhì)量的基于銅線的傳輸介質(zhì)。相對于無線信道，這些傳輸介質(zhì)誤碼率要低得多，因此采用檢錯和重傳機制處理偶爾出現(xiàn)的個別傳輸差錯比采用糾錯碼更加有效。目前，常用的檢錯碼主要有兩類：奇偶校驗碼和循環(huán)冗余校驗碼。1.奇偶校驗碼在通信和計算領(lǐng)域，奇偶性是指給定比特序列中“1”的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。這一結(jié)果取決于比特序列中的所有位，其值可以通過對所有比特逐位進(jìn)行異或（XOR）運算得到，結(jié)果為0代表偶校驗，結(jié)果為1代表奇校驗。奇偶校驗碼是通過在原始數(shù)據(jù)之后附加一位冗余數(shù)據(jù)來實現(xiàn)檢錯功能的，這一位數(shù)據(jù)稱為校驗位（paritybit）。奇偶校驗具體分為奇校驗（oddparity）和偶校驗（evenparity），相應(yīng)地，校驗位也分為奇校驗位（oddparitybit）和偶校驗位（evenparitybit）。對于奇校驗，如果原始數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)是偶數(shù)個時，校驗位設(shè)為“1”，使得整個比特序列（原始數(shù)據(jù)和校驗位）中“1”的個數(shù)為奇數(shù)；否則，如果原始數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)是奇數(shù)個時，校驗位設(shè)為“0”，使整個比特序列中“1”的個數(shù)為奇數(shù)。對于偶校驗，如果原始數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)是偶數(shù)個時，校驗位設(shè)為“0”，使得整個比特序列中“1”的個數(shù)為偶數(shù)；否則，如果原始數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)是奇數(shù)個時，