数据通信与计算机网络

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第3章物理层

□物理层的基本概念

□数据通信的基础知识

□物理层下面的传输媒体

□模拟传输与数字传输

口信道复用技术

□数据交换技术

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UMMkSXn

3.1物理层的基本概念

用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接

口的一些特性,即：

(1)机械特性。

(2)电气特性。

(3)功能特性。

(4)规程特性。

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在物理连接上的传输方式一般都是串行传输，即一个

比特一个比特地按照时间顺序传输。但，有时也可以

采用多个比特的并行传输方式。

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I簸）“月及李

UMMkSXn

3.2数据通信的基础知识

3.2.1数据通信系统的模型

两个PC机经过普通电话机的连线，再经过公用

电话网进行通信。

如图3・1所示，一个数据通信系统可划分为三大

部分，即源系统（或发送端）、传输系统（或传输网络）

和目的系统（或接收端）。

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CtlONGQ减50VDWH

数据通幡系境

数宇出将旗叔松借号模拟住号数字比构部

一WM

正文-

公用电裾网）—...

PC机期前解调粉调制解调君

-嚣系笠极谿系统目的系统

工

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蹲点役输系统接

发

箱

箍接轴

箱

送

入

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出

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信

救的敏

信

信

息

期信

燧息

号

号

图3」数据通信系统的模型

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源系统一般包括以下两个部分：

(1)源点。

(2)发送器。

目的系统一般包括以下两个部分:

(1)接收器。

(2)终点。

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数据（data）是运送信息的实体,而信号（signal）

则是数据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，

都可以是模拟的或数字的。所谓“模拟的”就是连续变

化的，而“数字的”就表示取值是离散的。因此，数字

数据（digitaldata）就是用不连续形式表示的数据。

将数字数据转换为模拟信号的过程叫作调制。

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般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数

字信号。因此我们有以下四种情况:

(1)模拟数据、模拟信号。

(2)模拟数据、数字信号。

(3)数字数据、模拟信号。

(4)数字数据、数字信号。

图3・2给出了模拟的和数字的数据、信号的示意图。

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模拟数我

模拟数据

梭柢格号

JTTLTL

数不

数宇欲报,数字格号

图3-2不拟数据、模拟信号、数字数据孽字信号

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ClQHGQtMGWMXOT9

3.2.2有关信道的几个基本概念

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下

三种基本方式。

(1)单向通信：又称为单工通信，即只能有一个

方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线

电广播以及电视广播就属于这种类型。

(2)双向交替通信：又称为半双工通信，即通信

的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也

就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接

收，过一段时间后再反过来。

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(3)双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可

以同时发送和接收信息。

有时也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”。

信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数

字信道两大类。但应注意，数字信号在经过数模变换后就可以在

模拟信道上传送，模拟信号在经过模数变换后也可在数字信道上

传送。

信道上传送的信号还有基带(baseband)信号和宽带

(broadband)信号之分。

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□(1)数据传输速率

□数据传输速率是指单位时间内传输信息量的

多少。它是衡量数据传输有效性的主要指

标。

□咨据传输速率通常用波特率和比特率来表

O

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□波特率：是指单位时间内传输码元的个数，单

位为波特(Baud)。每个码元表示一个波形或

一个电平。波特率又叫调制速率、码元速

率。调制速率是指信号经过调制后的传输速

率，表示调制后信号每秒钟变化的次数。若

用T(秒)表示调制周期，则波特率为：

Rs=1/T(Baud)

可见，1波特表示每秒钟传送一个码元

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比特率：指单位时间内传输二进制码的位数(记为

b/s或bps),也叫信息速率。

比特率公式：

Rb=(1/T)log2N(bps)

式中T为传输的脉冲信号周期，N为脉冲信号所有

可能的状态数，Rb为比特率。

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I［就4方火多

tlKiNGQ^ibUWMJQim

当信号的状态数N=2时，则每个电信号脉冲只传

送1位二进制数据，此时比特率与波特率相同，为：

Rb=1/T(bps)

由以上分析知，比特率和波特率的关系为：

Rb=RJogzN(bps)

在数值上“比特”单位等于“波特”的logzN倍。

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3.2.3信道上的最高码元传输速率

奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码

元传输速率的公式：

理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud(3-1)

这里W是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)；

Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为

每秒传送1个码元。

式(3・1)就是著名的奈氏准则。奈氏准则的另一种

表达方法是：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传

输速率是每秒2个码元。

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藏彳月-学

对于具有理想带通矩形特性的信道(带宽为W),奈氏准

则就变为：

理想带通信道的最高码元传输速率=WBaud(3-2)

即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每

秒1个码元。

强调以下两点：

(1)一个实际的信道所能传输的最高码元速率，

要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。

(2)波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传

多少个码元。码元传输速率也称为调制速率、波形速

率或符号速率。

比特是信息量的单位，与码元的传输速率“波特”

是两个完全不同的概念。

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奈奎斯特公式

在理想信道情况下，信道的容量为：

C=2Wlog2N

式中W为信道带宽，N为信号的状态个数，C为信道容

量(最大传输速率)，即每秒所能传输的最大比特数

为：

C=2Wlog2N(bps)

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□3.2.4信道的极限信息传输速率

图3-3给出了一个数字信号通过实际的信道和质量

很差的信道时的输出波形。

ML用是限差的信道

检人信号波形输出信号液形

图3-3数字信号逋过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形

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信道的极限信息传输速率C可表达为

C=Wlog2(1+S//V)bit/s(3-3)

其中：W为信道的带宽(以Hz为单位)；

S为信道内所传信号的平均功率；

N为信道内部的高斯噪声功率。

式(3・3)就是著名的香农公式。香农公式表明，信道

的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率

就越局。

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由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要

提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携

带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制（又称为

多进制）的调制方法。

图3・4说明了奈氏准则和香农公式在数据通信系统

中的作用范围。

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CtlONGQ减50VDWH

图3-4奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围

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奈奎斯特定理和香农定理给出的是信道容量，即信

道的最大传输速率的极限值，实际上很难达到该

值。

例3.电视信道带宽为6MHz,理想情况下，如果数

字信号取4种离散值，那么可获得的最大传输速率

是多少？

C=2*6M*log24=24Mbps

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物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数

据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传

输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输

媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒

体（铜线或光纤）传播，而非导向传输媒体就是指自由

空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线

传输。图3・5是电信领域使用的电磁波的频谱。

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CtlONGQ减50VDWH

/(Hz)

/画

图3-5电信领域使用的电磁波的频谱

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□3.3.1导向传输媒体

1.双绞线

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法

绞合(twist)起来就构成了双绞线。

从用户电话机到交换机的这段线称为用户线或用户环路

(subscriberloop)。

图3・6是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。

聚靠煽丽层绝绿层铜线

⑥无屏蔽双姣线(b)屏蔽双姣线：

图3・6双蛟线示意图

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2.同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝

缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料

外层所组成（图3・7）。

维级保护套层外导体屏蔽层维等层

内景体

图3，同轴电珑的结构

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通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两

类：

(1)50Q同轴电缆

50。同轴电缆又称为基带同轴电缆。

在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码

方法。图3・8画的是未经编码的原基带数字信号和在计

算机网络中常用的两种编码方法，即：曼彻斯特

(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。

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CtlONGQ减50VDWH

0

炭港

数字信号

曼彻斯特

编码信号

追分—

曼彻斯特

编码信号

图3-8三种常用的编码方法

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(2)75Q同轴电缆

75。同轴电缆又称为宽带同轴电缆。在计算机通

信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技

术的同轴电缆网络。

双电缆系统的示意图如图3・9(a)所示。头端

(headend)的作用是将各计算机从发送电缆发过来的

信息转换到接收电缆，使得各计算机能从接收电缆上

收到发送给它们的信息。

图3・9(b)为单电缆系统。

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⑥双电缆系统（b）单电缆系统

图3-9、宽带网络

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3.光缆

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成

双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8〜100Rm。正是这个纤芯用

来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射

向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角（如图3・10所示）。

折射角

-I.包层（低折射率的媒体）

纤若（高折射率的媒体）

“射角

包层（低折射率的媒体）

图3-10光线在光纤中的折射

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atONGQOkjwwmtvt

图3-11画出了光波在纤芯中传播的示意

图。

低析扪率（包层）

/高夕射率（纤芯）光线在野芯中传输的方式是不断地全反射

图3-11光波在纤芯中的传播

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只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于

某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在

许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种

光纤就称为多模光纤(如图3・12(a)所示)。若光纤的直

径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那

样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反

射。这样的光纤就称为单模光纤(图3・12(b))。

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彳月大季

OIOMGQ加tmtvmm

帏人脉冲输出昧冲

㈤多模光纤

输入味冲输出昧冲

ffl-

(b)单模光纤

图3-12多模光纤和单模光纤的比较

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atONGQOkjwwmtvt

图3・13为四芯光缆剖面的示意图。

远供电源线

光纤及其包层

雄光物

加做芯

包喈层

图3」3四芯光缆剖面的示意图

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光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具

有其他的一些特点：

(1)传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特

别经济。

(2)抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉

冲干扰的环境下尤为重要。

(3)无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截

取数据。

(4)体积小，重量轻。

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当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路

串接起来构成一个环路，通过T形接头连接到计算机。

T形接头有两种：无源的和有源的。无源的T形接

头由于完全是无源的，因此非常可靠。

有源的T形接头实际上就是一个有源转发器（如图

3・14所示）。

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□3.3.2非导向传输媒体

1.无线传输

2.地面微波接力通信

其主要特点是：

*微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信

信道的容量很大；

来因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率

低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得

多，因而微波传输质量较高；

橐与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通

信建设投资少，见效快。

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微波接力通信缺点：

*相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线

发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收

天线，因而造成失真；

来微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；

警与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较

差；

奈对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物

力。

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3.卫星通信

卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用

与通信距离无关。

卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。

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3.4模拟传输与数学传输

3.4.1模拟传输系统

主要讨论数字数据在模拟信道上传输问题，即数字数据

的模拟信号编码过程（即调制过程）

3.4.2调制解调器

1.调制解调器的作用

图3・15表示了出现一个误码的示意图。

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01-0011100

出现空—三

S3-15基带信号经电话线路传输后产生误码

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若所传送的码元速率越高，信号的失真就越严

重。

调制解调器(modem)就是由调制器(MOdulator)

和解调器(DEModulator)这两个字各取其字头合并而

成的。

调制器的主要作用就是个波形变换器，解调器的

作用就是个波形识别器。

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2.几种最基本的调制方法

所谓调制就是进行波形变换。或者更严格些，是

进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合

于在模拟信道中传输的频谱。最基本的二元制调制方

法有以下几种(如图3-16所示)：

(1)调幅(AM)

(2)调频(FM)

(3)调相(PM)

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ASXZ*，.或

寸

□twr*

提街信号

网幅

阿卿

上述的对数字信号的调频和调相，分别称

为频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)和

相移键控PSK(PhaseShiftKeying)o

而对移相键控还可再分为绝对相移键控和相

对相移键控(DPSK)。

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□ASK（幅移键控）：就是利用基带脉冲信号对

模拟载波信号的幅度进行控制，使其随基带

脉冲的变化而变化，频率和相位均不变。

口其实现方法有：乘法器和键控开关。

□ASK技术简单，实现容易，但抗干扰能力较

差。

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基带

脉冲

载波

ASK

载波信号、基带脉冲及ASK调制波形

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□FSK（频移键控）：利用基带脉冲信号对模拟载波信号的

频率进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化（通过改

变载波信号的角频率来表示数字信号中的“1”和“0”），幅

度和相位均不变。

□FSK由键控方法实现，利用数字信号控制开关对两个不

同的独立载波频率源进行选通。

□FSK技术较简单，实现较容易，抗干扰能力较强。是目

前较常用的调制方法。

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10110010

基带

脉冲

载波

FSK

载波信号、基带脉冲及频率调制波形

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□PSK（相移键控）：利用基带脉冲信号对模拟载波

信号的相位进行控制，使其随基带脉冲的变化而

变化（通过改变载波信号的相位值来表示数字信号

中的“厂和“0”），幅度和频率均不变。相移键控又

有绝对相移键控和相对相移键控，在模拟通信

中，为了提高数据传输速率，常采用多相调制方

法。

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CIIOMGQtJtQuwtvExmrv

10110010

基带

脉冲

载波

PSK

^VWVUVYWVMVMAAA?

载波信号、基带脉冲及相位调制波形

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图3・17画的是一种正交调制QAM(QuadratureAmplitude

Modulation)的星座图。

若每一个码元可表示的比特数越多(即在星座图中的点数越多),

则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。

图3」、可得到I眄元表示43的正交幅度调制的星生且

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3.关于调制解调器的速率

图3-18(a)表示两个计算机用户A和B通过V.34调制

解调器(33.6kbit/s)进行通信。

由于大部分的ISP都使用租用数字专线接入到电话

交换机，因此用户与ISP之间的通信信道是图3・18(b)

所示的那样。

经数模转换后到用户环路，只有在模拟信号到达

用户的调制解调器后才进行数模转换，这时才产生量

化噪声。

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CtlONGQ减50VDWH

交换机2

用户环踣

模旗信号

V.3433.6WbiVs

网渐解网黔

㈤用尸到用户的通信

(b)用户到ISP的通信

图••3••,-18量••化噪声产生的地方

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OlOHGQ^ibSOVUcsm

3.4.3数字传输系统

讨论的主要问题是模拟数据在数字信道的传

输，即模拟数据对数字信号的转化

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［施彳及火季

二小cIK>NGQ出口UW5,Ucsmr

模拟数据的数字信号编码

□模拟数据经过调制后可实现模拟信号的数字化

传输。

□常用的这种调制方法有脉冲编码调制(PCM)和

增量调制(AM)。

□利用PCM对音频信号进行数字化编码，一般包

括三个过程：取样、量化利编码。

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月麦季

CtlONGQ9UjUWtVDUtfn

□取样：指在每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬

时值，作为模拟数据的代表值。这是把连续信号变为离

散信号的关键一步。

□取样要求符合取样定理：当取样的频率F大于或等于模拟

信号的频率宽度f的两倍时（F》2f）,所得的离散信号可

以无失真地代表被取样的模拟数据。

□例如：标准的电话信号的最高频率为3.4kHz,为方便起

见，采样频率就定为8kHz,相当于采样周期为125

|LlSo

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□量化：是把取样得到的不同的离散幅值，按照

一定的量化级转换为对应的数据值，并取整

数，得到离散信号的具体数值。

口量化级数一般为2的整数次塞，如64,128,256

等。量化级别越高，表示离散信号的精度越

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口编码：是将量化后的离散值转换为一定位数的

二进制数值。

口量化级别越高，需要二进制数码的位数越多。

□PCM调制过程如下图：

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CtlONGQ减50VDWH

㈤模拟电话信号（b）采样后的脉冲信号

⑹编码后的数字信号0）解码后的脉冲信号（e）还原后的模拟电话信号

图3-19PCM的基本原理

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OH月及季

ClKiMGQ^b5OVEJ0m

3.5多路复用技术

口多路复用：利用一条物理信道同时传输多路

信息的过程。这是共享信道的应用。

□多路复用技术能把多个信源信号组合在一条物

理信道上传输，使多个计算机或终端设备共享

信道资源，提高信道的利用率。

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“CtlONGQtHGUWIXTWn

□多路复用技术包括复用、传输和分离三个过

程。实现多路复用功能的设备叫多路复用器。

复用器成对使用。

nn

个

个

输

输

入

出

多路复用原理图

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□多路复用技术应用在共享式信道上。

口多路复用技术通常有频分多路复用、时分多

路复用、波分多路复用和码分多路复用等。

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(1)频分多路复用(FDM)

□频分多路复用：就是将具有一定带宽的信道分

割为若干个有较小频带的子信道，每个子信道

供一个用户使用。这样在信道中就可同时传送

多个不同频率的信号。

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□频分多路复用实现的条件是信道的带宽远远大

于每个子信道的带宽

□采用频分多路复用时数据在各子信道上是并行

传输的。由于各子信道相互独立，故一个信道

发生故障时不会影响其他信道。

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□FDM信号是频带信号。

口被复用的信号是模拟的，但信源信号可以是模

拟的，也可以是数字的。不同的信号在进入频

分复用信道前要做相应变换，使之成为模拟信

号。

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f

子信道nfn

信

道

=警带

子信道3f3、减宽

手啬12〜f.・频

2一带

子信道1L

t

频分多路复用

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(藏)彳方火学

ClKiMGQ^IG"ZUOim

(2)时分多路复用(TDM)

□时分多路复用：是将一条物理信道的传输时间分成若干

个时隙，把这些时隙轮流地给多个信号源使用，每个时

隙被复用的一路信号占用。这样，当多路信号准备传输

时，一个信道就能在不同的时隙传输多路信号。

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CtlONGQ9UjUWtVDUtfn

f

子信道A的间隙

AIBCDABCDABCDABCD

t

时分多路复用

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□时分多路复用实现的条件是信道能达到的最高

传输速率超过待传输的各路信号的传输速率之

利。

□时分多路复用又可分为固定时分多路复用和统

计时分多路复用，或叫同步时分多路复用

(STDM)和异步时分多路复用(ATDM)。

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①同步时分多路复用(STDM)：

□采用固定的时隙分配方式：即把信道中的各时隙

以固定的方式分配各信源，每路信号固定占用每

帧一个时隙。无论信源是否有数据传输，都要占

用一个时隙。而有的信源有大的信息量要发送，

也只能依次轮流分得时隙而不能利用其他的空闲

时隙。因此这种方式的效率较低。

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②异步时分多路复用(ATDM)：

口动态地分配时隙，它将每帧中的时隙只分配给那

些需要发送数据的信源。对没有数据发送的信

源，就不分配时隙。但因该方式的时隙序号与信

道序号之间不存在一一对应关系，为此要求在发

送数据中要加入信道号、双方地址等标识，以便

达到同步要求。

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二小CIKIMGQtwiiUWZkkjm

(3)码分多路复用(CDM)

口码分多路复用：是一种用于移动通信、无线计

算机网络以及移动性计算机联网的复用技术。

笔记本电脑、掌上电脑、手机等移动性设备的

通信将会大量使用码分多路复用技术。

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□CDM的复用原理是基于码型分割信道。每个用

户分配有一个地址码，而这些码型互不重叠，以

区分每个用户。信道的频率和时间资源均为各用

户共享。因此，在频率和时间资源紧缺的情况

下，CDM技术的优势突现，CDM已受到人们的

普遍关注。

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□CDM的基础是移动通信中的扩频技术。扩频就

是利用扩频编码发生器产生的伪随机码对基带

信号进行扩频调制，形成远大于原信号带宽的

范围的码。在接收端，用相同的伪随机码所扩

频解调，即压缩其频带，将信号恢复成原基带

信号。

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口不同码型的用户得到不同的扩频编码，这些扩频

编码就可以同时使用同一频率进行通信，互不干

扰。

□发送者可用不同的扩频编码分别向不同接收者发

送数据，同样，接收者也可使用不同的扩频编码

接收不同发送者的数据，实现多址通信。

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月灭季

CtlONGQ9UjUWtVDUtfn

扩频通信原理图

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□码分多路复用技术具有抗干扰能力强和通信隐蔽性好

等优点。

□抗干扰能力强：信号带宽扩展多少倍，在相同干扰强

度下，噪声功率也需扩展多少倍，这就相当于噪声功

率不变时干扰强度只是原来的多少分之一。

□隐蔽性好：信号频带变宽，单位频带内的信号功率变

小，隐藏或淹没在噪声中，通信隐蔽。

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(藏4方火字

(4)波分多路复用(WDM)

□波分多路复用：是在一根光纤上能同时传送多

个波长不同的光载波信号的复用技术。通过

WDM,将光纤信道分为多个波段，每个波段传

输一种波长的光信号，这样在一根光纤上可同

时传输多个不同波长的光信号。

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口光信号具有不同波长，波分多路复用利用了衍

射光栅来实现不同光波的合成和分解。发送端

的波分复用设备叫合波器，它将不同信道的信

号调制成不同波长的光，并复用到一条光纤信

道上。接收端的波分复用设备叫分波器，它分

离出不同波长的光信号,分送给不同的信道。

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修彳

ClKiMGQ^bUWfXVJOim

多路复用的类型

「频分多路复用

r固定时分多路复用

时分多路复用＜

多路复用，〔统计时分多路复用

波分多路复用

码分多路复用

I

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4.同步技术

□同步：统一收发两端动作、保持收发步调一致

的过程。接收方按照发送方发送信息的重复频

率和起止时间来接受数据。

□数据通信系统能否可靠而有效地工作，在很大

程度上依赖于是否能很好实现同步。

重庆大学电气工程学院电能质量监测与控制课题组

□同步形式：位同步、字符同步和帧同步。

□常用的数据传输的同步方式有异步式同步和同

步式同步。两者的区别在于发送端和接收段的

时钟是独立的还是同步的。前者有位同步和字

符同步形式，后者有位同步、字符同步和帧同

步形式。

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月麦季

CtlONGQ9UjUWtVDUtfn

□异步传输是指同一个字符内相邻两位的间隔是固

定的，而两个字符间的间隔是不固定的，即所谓

字符内同步，字符间异步。

口异步传输是面向字符的，每个字符独立传输。异

步式同步方式又称起止式同步。

□异步传输不需在发收两端间传输时钟信号，实现

简单，但传输效率较低。

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月及季

CIIONGQ3tGUWIXTWn

01OOOOO1O

停

起校

止

验

始位

位

位一

—司官位-----一

二

二---------------个字符+一

一

一

X

字符1字符2字符3字符4

、字符间隔一

异步方式的同步过程

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（就4

LIIOHGQtWUUWMJCKTH

□同步传输可以面向字符，也可以面向比特。

口面向字符时数据以字符为单位传输，多个字符构

成一个字符组（串），由一个或几个同步字符（如

SYN）为组头和组尾做同步标识；接收方识别出

SYN后，即可接收数据组，直至组尾。

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□面向比特时，数据由任意比特组成数据块

(帧)，在每个数据块的前后加上起始和结束标

志序列(0111110),以固定时钟节拍串行发送

数据。接收端要建立与发送端一样的时钟，才

可便于实现同步。

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□同步传输时，发送端以固定的时钟信号频率串

行发送数据，每比特与时钟严格对应；因接收

端有与之一样的时钟，接收端可从接收的数据

中区分出每个比特，达到同步目的。

□远距离传输时，接收端可从数据流中提取同步

时钟，从而实现位同步，这就是内同步或自同

IH

/J/O

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月灭季

CtlONGQ9UjUWtVDUtfn

SS字字字S

YY符符•••••••••符Y

NN12NN

一组(串)字符

(a)字符同步

0111111011:文01111110

V-~Y,

标志位任意组合的比特流标志位

(b)帧同步

同步传输

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□异步传输方式不需要在发送端和接收端之间传

输时钟信号，而是靠它的起始位和停止位来确

定的。因此实现简单，控制容易，如果出现错

误，只需重发一个字符即可，但传输效率较

低，开销大。适于低速率场合。

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□同步传输方式的传输效率高，开销小，但收发

双方需建立同步时钟，实现和控制比较复杂；

在传输的数据中有一位出错，就必须重新传输

整个数据块。同步传输方式适合于高速场合。

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籁彳4k

r并行通信

按数据传输的时空顺

序区分L串行通信

单工通信

按线路上数据传输的

方向区分Y半双工通信

数据I全双工通信

「点到点通信

按线路连接方式和信

通信息方向区分1广播式通信

方式「基带通信

按信道中传输的数据形:

式区分I频带通信

同步通信

按数据传输所使用的同

步方式区分

异步通信

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（施彳方火多

OKiNGQ^b"NUcsm

3.6数据交换技术

1.数据交换的概念

口数据交换是指在任意拓扑结构的通信网络中，

通过网络节点的某种转换方式实现任意两个或

多个系统之间的连接。

□数据交换是多节点网络中实现数据传输的有效

手段。

重庆大学电气工程学院电能质量监测与控制课题组

口数据交换通过中间网络实现，这个中间网络只为

数据从一个节点到另一个节点直至到达目的点提

供交换的功能。这个中间网络也叫交换网络，组

成交换网络的节点叫交换节点，一般的交换网络

都是通信子网。

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（就彳

口按交换原理区分，数据交换有电路交换、存储

交换和混合交换。

□而具体实现的交换技术有：电路交换、报文交

换、报文分组交换、ATM交换、帧中继交换

等。

重庆大学电气工程学院电能质量监测与控制课题组

I1卷d方火学

与二^tIIONGQ出心UWMJcsm

2.电路交换

□电路交换是数据通信领域最早使用的交换方式，

多用于电话网络交换。电路交换就是要通过中

间交换节点在两个站点之间建立一条专用的通

信线路。

口利用电路交换进行通信包括建立线路、传输数

据和拆除线路三个阶段。

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口建立线路：源点向网络发送带目的点地址的请求

连接信号。该信号先到达连接源点的第一个交换

节点，该节点根据请求中的目的点地址，按一定

的规则将请求传送到下一个节点；依此类推，直

到目的点。目的点接到请求信号后，若同意通

信，从刚才的来路返回一个应答信号，此时，源

木节点之间的线路即已建成。

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口传输数据：源点在已建立的线路上发送数据和

控制信息，直至全部发送完毕。

口拆除线路：源点数据发送完毕，且目的点也正

确接收完毕，就可由某一点提出拆线请求，拆

除原来建立的线路。

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通信双方物理信道的建立

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□电路交换方式的特点：用户就可以固定的速率传

输数据，中间节点也不对数据进行其他缓冲和处

理，数据不丢失、不乱序，传输可靠，传输实时

性好，透明性好。但该方式线路建立时间延迟较

大，传输效率较低；线路建立后即为专用线路，

线路利用率低；不具备数据存储和差错控制能

力。

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3.存储交换

口存储交换的过程（原理）是：交换节点将输入的信

息先在存储区暂存，并对存储的信息进行处理，

待指定输出线空闲时，再分别将信息转发出去。

交换设备可控制输入信息存入缓冲区等待出口的

空闲，接通输出并传送信息。

重庆大学电”（匚程学院电能质量监测与控制课题组

月灭季

CtlONGQ9UjUWtVDUtfn

输输

入＜卜出

交换节点存储交换原理图

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口存储交换方式：具有均衡负荷、不需建立线

路、线路利用率高、差错控制、速率匹配、灵

活性好等优点。但其实时性不好，网络传输延

迟大。适用于对一些实时性要求不高（如计算机

数据处理）的场合。

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II（^）4月女学

LIKINGQ出口UKMJCKm

4.混合交换

□近几年出现了综合线路交换和分组交换的高速交换

方式，也叫混合交换。

□混合交换采用动态时分复用技术，将一部分带宽分

配给电路交换用，而将另一部分带宽分配给分组交

换用。这两种交换所占的带宽比例也是动态可调

的，以便使这两种交换都能得到充分利用，提供多

媒体传输服务。

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□典型的ATM（异步传输模式）交换、DQDB（分布

式队列双总线）交换等均属混合交换，帧中继

（FR）交换也是近年来发展起来的高速交换技

术。

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簸）彳月支季

5.报文交换

□报文交换过程：发方把待传送的正文信息再加上相

应的控制信息形成一份份报文；再以报文为单位送

到各节点；交换节点在接收报文后进行缓存和必要

的处理；待指定输出端线路和下一节点空闲时，再

将报文转发出去，直到目的节点；目的节点将收到

的各份报文中的正文信息交付给收端DTE。

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□报文交换方式是以报文为单位交换信息。每个

报文包括三部分：报头、报文正文和报尾。报

头通常由报文编号、发送端地址、接收端地址

及报文起始、数据起始和结束标志等控制信息

组成。报尾通常包括差错控制信息等。

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LlKiNGQ^bUWMJcsm

6.报文分组交换

□报文分组交换简称分组交换（包交换）。报文分

组交换方式是把信息正文再分成若干个正文

组，每个组再加上相应的头部和尾部控制信

息，就形成了报文分组，在线路和节点上是以

报文分组为单位进行存储、处理和转发的。

重庆大学电气工程学院电能质量监测与控制课题组

口在原理上，分组交换技术类似于报文交换，只是

它们的数据单位不同。报文分组交换中规定了分

组的长度。通常分组的长度小于报文交换中报文

的长度。如果站点的信息超过限定的分组长度，

该信息必须被分为若干个分组。

重庆大学电气工程学院电能质量监测与控制课题组

口与报文交换相比，报文分组交换有如下特点：

①利用节点主存进行存储转发，不需访问外存，处

理速度加快，降低了传输延迟；

②较短的信息分组，其下一节点和线路的响应时间

也较短，可提高传输速率；

③短信息传输中出错的概率小，即使有差错重发的

也只是一个分组，提高了传输效率；

重庆大学电/11:程学院电能质旧监测叮控制课题组

④分组交换的数据报形式可使多个分组在网络的

不同链路上并发传送，提高传输效率和线路利用

率；

⑤可大大降低对节点存储容量的要求。

⑥分组交换要进行组包、拆包和重装过程，增加

了报文的加工处理时间。

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□报文分组交换技术是由数据报分组利虚电路分

组两种传输方式实现的。

,数据报传输是一种面向无连接的传输方

式；

/虚电路传输是一种面向连接的传输方式。

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□数据报分组交换：数据报传输类似于邮政系统的

信件投递。每个分组都携带完整的源、目的节点

的地址信息，独立地传输。每经过一个中间节点

时，都要根据目标地址、网络流量及故障等网络

当时的状态，按一定路由选择算法选择一条最佳

的输出线，直至传输到目的节点。

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口虚