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1、第2章 通信子网的基本技术,2.1 物理传输媒体,2.1.1 双绞线,有线媒体 ：双绞线、同轴电缆和光纤 无线媒体 ：卫星、无线电通信、红外通信、激光通信以及微波通信,双绞线：因由两根绝缘的铜线互绞在一起构成而得名，如下图所示。,双绞线有非屏蔽的和屏蔽的两种 。,2.1.2 同轴电缆,同轴电缆（coaxial cable）：也像双绞线那样由一对导体组成，但它们是按“同轴”的形式构成线对，其结构如下图中所示。,同轴电缆又分为基带（baseband）同轴电缆（阻抗50）和宽带（broadband）同轴电缆（阻抗为75。,同轴电缆还有粗和细的之分。,2.1.3 光纤,光纤：是一根很细的可传导光线的纤
2、维媒体，其半径仅几微米至一、二百微米。制造光纤的材料可以是超纯硅、合成玻璃或塑料。,用光纤传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端又要由光检测器还原成电信号，如下图所示。,光纤相对于如双绞线和同轴电缆等这类金属传导媒体来说有若干优点如下：, 轻便, 低衰减和大容量 . 电磁隔离,光纤分为多模（multimode）光纤和单模(single mode)光纤,2.1.4 其它传输媒体,无线电（radio）通信在无线电广播和电视广播中已广泛使用。,蜂窝式无线电话网,微波（microwave）通信通常是指利用在1GHz范围内的电波来进行通信。高频的微波和低频的无线电波不同的一个重要特性是沿
3、着直线传播，而不是向各个方向扩散的。,红外（infrared）通信是利用红外线进行的通信，已广泛应用于短距离的通信。,利用激光（laser）能不通过有形的光导体直接在空中传输，并能在很长的距离内保持聚焦，即定向，的特点，也可用作为物理传输媒体。,2.1.5 通信卫星,卫星（satellite）通信可以看成是一种特殊的微波通信，和一般地面微波通信的不同在于它使用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号，如下图所示。,卫星通信,卫星主要有三个波段：C波段、Ku波段和Ka波段。,卫星通信的新发展是低成本的微型地面站的出现，这种系统有时被称为甚小口径终端VSAT（Very Small Aperture T
4、erminal）系统。,VSAT系统中利用了下述操作方式：在卫星通信中，只要地面发送方或接收方中任一方有大的天线和大功率的放大器，另一方可用只有一米天线的微型终端，即VSAT。在该系统中，通常两个VAST终端之间无法通过卫星直接通信，还必须再经过一个带有大天线和大功率放大器的中心站来转接，如下图所示。,使用中心站的VSAT,电磁波的频谱及在通信中作用,2.2 传输技术,2.2.1 数据通信中的若干技术参数,一般点到点的通信系统都可由下图加以概括 ：,通信系统中传输的信号可分为连续变化和离散变化两大类。 模拟信号和数字信号,按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把信道分为两类：模拟信
5、道和数字信道。,数据通信，简单地说，就是数字计算机或其它数字终端装置之间的通信。,通过模拟信道进行数据通信,因为任何实际的模拟信道所能通过的信号的频率都有一定的范围，称之为该信道通频带的宽度或称为带宽（bandwidth）。信道的带宽是由传输媒体和有关的附加设备与电路的频率特性综合决定的。,我们将介绍模拟信道的带宽和它所传送的数字信号的数据速率之间的关系 ，奈奎斯特公式和香农公式。,奈奎斯特公式给出了无热噪声（热噪声是指由于信道中分子热运动引起的噪声，这里假定没有热噪声）时信道带宽对最大数据速率的限制，具体为 ：,这里，H是信道的带宽（以Hz为单位），而L表示某给定时刻数字信号可能取的离散值的
6、个数。,香农则进一步研究了受噪声（服从高斯分布）干扰的信道的情况，给出了香农公式：,这里，S表示信号功率，N为噪声功率，S / N则为信噪比。,码元速率指的是每秒信号状态变化的次数，以波特（Baud）作为单位。由于某给定时刻信号可能取的离散 值的个数（奈奎斯特公式中的L）对各个系统可以不一样，码元速率B和数据速率C在数值上是不一定相等的。但是，它们间有如下关系：,下面我们来说明两种不同的传输方式：模拟传输与数字传输。模拟传输是一种不考虑其内容的模拟信号传输方式。数字传输则不一样，关心的是信号的内容。在长距离传输中数字传输技术已逐步取代早先的模拟传输技术。,2.2.2模拟传输与数字传输,模拟传输
7、是一种不考虑其内容的模拟信号传输方式。在传输过程中，信号由于噪声的干扰和能量的损失总会发生畸变和衰减。在模拟传输中，每隔一定的距离就要通过放大器来放大信号的强度，但在放大信号强度的同时也放大了由噪声引起的信号畸变。随着传输距离的增大，多级放大器的串联，会引起畸变的叠加，从而使得信号的失真越来越大。,数字传输则不一样，关心的是信号的内容。不论传输的是数字信号或模拟信号，只要它代表了0和1变化模式的数据就可以采用数字传输。实际上，方波脉冲式的数字信号在传输过程中除了也会衰减外，也会由于信道中分布式感容阻抗的作用而更容易发生畸变。但是在数字传输中每隔一定距离后不是采用放大器来放大衰减和畸变的信号，而
8、是采用器来代替。中继器可以通过阀值判别等手段，识别并恢复其原来的0和1变化的模式，并重新产生一个新的完全消除了衰减和畸变的信号传输出去。这样多级的转发也不会累积噪声引起的畸变。采用数字传输技术也能用来传输模拟信号，只要这种模拟信号包括有数字数据的内容。,2.2.3 数字调制技术,由信源产生的原始电信号通常称为基带信号，在调制过程中，基带信号又称为调制信号（实际上是被调制的信号）。调制的过程就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数的过程。 调制的方法大体上分为两大类：用正弦型高频信号作为载波的正弦波调制和用脉冲串作为载波的脉冲调制。正弦波调制又分为模拟调制和数字调制两种。所谓模拟调
9、制，就是调制信号为连续型的正弦波调制，而数字调制则是调制信号为数字型的正弦波调制。,正弦振荡的载波可用A sin(2nft+)来表示，使其幅度A、频率f或相位随基带信号变化而变化，就可在载波上进行调制了。这三者分别成为幅度调制(Amplitude Modulation)、频率调制(Frequency Modulation)或相位调制(Phase Modulation)，亦可分别简称为调幅(AM)、调频(FM)或调相(PM)。,所谓全双工，就是指数据可以同时在两个方向传输。下图介绍的是贝尔公司的108系列调频方式的调制解调器的规范。,话频线路上的全双工FM传输,在数字调制中，可以利用数字信号离散
10、取值的特点，由数字电路的开关，象拨键一样来控制振幅、频率或相位的变化。因而在数据通信中调幅、调频和调相常相应地称为幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)、频移键控FSK(Frequency Shift Keying)和相移键控PSK(Phase Shift Keying)。下图给出了用数字电路开关来实现FSK调制的原理图。,FSK调制原理图,2.2.4 脉码调制,在发送端将模拟信号变换为数字信号的装置称为编码器（Coder），而在接收端将收到的数字信号复原成模拟信号的装置则称为解码器(Decoder)。通常进行的是双向通信，使用既能编码又能解码的装置，即编码解码器（Co
11、dec）。模拟信号通过编码解码器进行数字传输的工作过程示意如下图：,将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉码调制PCM(Pulse Code Modulation)。脉码调制的过程由取样、量化和编码三步构成。,1、取样：就是按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。,2、量化：就是将取样点处测得的信号幅值分级取整的过程。,3、编码：就是将量化后的整数值用二进制数来表示。,脉码调制中，分级取整量化时引进了误差。显然分级越细，误差越小。但分级越细，每个样本点编码所需的比特数就越多。下图给出了脉码调制的示意图。,脉码调制,T1信道 的TDM,波分多路复用WDM（Wavelength Division
12、Multiplexing）,2.2.6 数字信号的编码技术,曼彻斯特编码（Manchester Encoding）：是为了自带位同步（或称比特同步）信号而采用的一种编码方法。,差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）是基本曼彻斯特编码的变形,4B/5B编码,2.3 差错控制技术,2.3.1差错的检测与校正,概括地说，传输中的差错都是由于噪声所引起的。噪声有两大类，一类是信道所固有的，持续存在的随机热噪声；另一类是由于外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。,衡量一个信道质量的重要参数是误码率：,差错控制编码又可分为检错码和纠错码，前者是指能自动发现差错的
13、编码，后者是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码效率R，它是码字中信息位所占的比例。若码字中信息位为k位，编码时外加冗余位为r位，则编码后得到的码字长为n = k + r位。我们有：,显然，编码效率越高，即R越大，则信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。,下面我们各举一种检错码和纠错码的例子：,一、定比码 定比码：是指每个码字中均含有相同数目的“1”（码字长一定，“1”的数目一定后，所含“0”的数目也就必然相同），它是一种检错码。,二、正反码 正反码是一种简单的纠错码，其中冗余位的个数与信息位个数相同，而且两者或者完全相同或者完全相反，由信息位中“
14、1”的个数来决定。,2.3.2 奇偶校验码,奇偶校验码：是通过增加冗余位来使得码字中“1”的个数保持奇或偶数的编码方法，是一种检错码。在使用时又可分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验等几种。,垂直奇偶校验:是将整个发送的信息块分为定长p位的若干段（比如说q段），每段后面按“1”的个数为奇或偶数的规律加上一位奇偶位，如下图所示 ：,若用偶校验 ri = I1iI2iIpi 若用奇校验 ri = I1iI2iIpi1,这种方法的编码效率为：,R = p/(p+1),水平奇偶校验：它是对各个信息段的相应位横向进行编码，产生一个奇偶校验冗余位，如下图所示，,这种方法的编码效率为：,R =
15、q/(q+1),同时进行水平奇偶校验和垂直奇偶校验就构成水平垂直奇偶校验，如下图所示。,若都采用偶校验，则： ri,q+1 = Ii1Ii2Iiq （i=1,2,p） rp+1,j = I1jI2jIpj （j=1,2,q） rp+1,q+1=rp+1,1rp+1,2rp+1,q=r1,q+1r2,q+1rp,q+1,这种方法的编码效率为：,2.3.4 循环冗余码,CRC码又称为多项式码。这是因为任何一个由二进制数位串组成的代码都可以和一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应的关系。例如，代码1011011对应的多项式为x6+x4+x3+x+1，而多项式x5+x4+x2+x对应的代码为11
16、0110。并且，CRC码在发送端编码和接收端校验时都可以利用一事先约定的生成多项式G（x）来进行。k位要发送的信息位可对应于一个（k-1）次多项式K（x），r位冗余位对应于一个（r-1）次多项式R（x）。由k位信息位后面加上r位冗余位组成的n=k+r位码字则对应于一个（n-1）次多项式T（x）=xr K(x)+R(x)。,按上述方法产生的循环码有下述性质。,【性质 1】 若G（x）含有（x+1）的因子，则能检测出所有奇数位错。,【性质 2】 若G（x）中不含有x的因子，或者换句话说，G（x）中含有常数项1，那末能检测出所有突发长度r的突发错。,【性质 3】 若G（x）中不含有x的因子，而且对任何0 e n1的e，除不尽xe +1，则能检测出所有的双错。,【性质 4】 若G（x）中不含有x的因子，则对突发长度为r + 1的突发错误的漏检率为2-(r-1)。,【性质 5】 若G（x）中不含有x的因子，则对突发长度b大于r+1的突发错误的漏检率为2-r,CRC码的编码电路,G（x）= x4+ x
