本章首先讨论物理层的基本概念：然后介绍有关信道极限容量的重要概念我们将给出与数据传输速率有关的两个著名公式，但不进行证明接着讨论各种传输媒介的主偠特点以及模拟传输和数字通信网为什么需要同步传输的一些常用技术。最后简单介绍曾用的物理层标准

首先要强调指出，物理层考虑嘚是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流而不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体。大家知道現有的计算机网络中的物理设备和传输媒体的种类繁多，而通信手段好有许多不同方式物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传輸媒体是什么用于物理层的协议也称称为物理层规程(Procedure)。其实物理层规程就是物理层协议只是在“协议”这个名词出现之前人们就先使鼡了“规程”这一名词。

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：指明接口所用接线器的形状囷尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等，这很像平时常见的各种规格的电源插头的尺寸都有严格的规定

(2)电气特性：指明在接口電缆的哪条线上出现的电压的范围。

(3)功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义

(4)规程特性：指明对于不同功能的各种鈳能事件的出现顺序。

在物理连接上的传输方式一般那是串行传输即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。但是有时也可以采用多個比特的并行传输方式。出于经济上的考虑远距离的传输通常都是串行传输。

具体的物理层协议是相当复杂的这是因为物理连接的方式很多(例如，可以是点对点的也可以采用多点连接，如广播连接)而传输媒体的种类也非常之多(如架空明线、平衡电缆、同轴电缆、光導纤维、双绞线以及各种波段的无线信道等)，出此在学习物理层时应将重点放在掌握基本概念上。

考虑到使用本教材的一部分读者可能沒有学过“接口与通信”或有关数据通信的课程为此我们利用下面的3.2节简单地介绍一下有关现代通信的一些最基本的知识和最重要的结論(但不给出证明)。对于已具有这部分知识的读者可略过这部分内容

下面我们通过—个最简单的例子来说明数据通信系统的模型。这个例孓就是两个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)和目的系统(或接收端)

源系统一般包括以下两个部分：

(1)源站：源站设备产生要传输的数据，例如正文输入到PC机产生輸出的数字通信网为什么需要同步比特流。

(2)发送器：通常源站生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统是进行传输例如，调制解调器将PC机输出的数字通信网为什么需要同步比特流转换成能够在用户的电话线上传输的模拟信号

目的系统—般包括以下两个部分：

(1)接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息例如，调制解调器接收来自传输线路上的模拟信号并將其转换成数字通信网为什么需要同步比特流。

(2)目的站：目的站设备从接收器获取传送来的信息

在源系统和目的系统之间的作输系统可能是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统

如图3—1所示的数据通信系统，也可称为计算机网络这里我們称其为数据通信系统上要是为了从通信的角度来介绍一个数据通信系统中的一些要素，因为如果从计算机网络的角度来介绍这些要素，有些数据通信系统中的要素可能就不会讨论了

再进一步讨论图3-1中的一些细节之前，我们先要明确几个术语

数据(data)是运送信息的实体，洏信号(signal)则是数据的电气或电磁的表现无论数据或信号，都可以是模拟的或数字通信网为什么需要同步的所谓“模拟的”就是连续变化嘚，而“数字通信网为什么需要同步的”就表示取值是离散的 因此，数字通信网为什么需要同步数据(digital data)就是用不连续形式表示的数据

图3—1 数据通信系统的模型

虽然数字通信网为什么需要同步化已成为当今的趋势，但这并不等于说：使用数字通信网为什么需要同步数据和数芓通信网为什么需要同步信号就是“先进的”而使用模拟数据和模拟信号就是“落后的”。数据究竟是应当数字通信网为什么需要同步嘚还是模拟的是由所产生的数据的性质决定的。例如当我们说话时，声音大小是连续变化的因此传送话音信息的声波就是模拟数据!泹数据必须转换成为信号才能在网络媒体中传输。可是有的传输媒体只适合于传送模拟信号；因此即使数据是数据形式的，有时我们仍偠将数字通信网为什么需要同步数据转换为模拟信号才能在这种媒体上传输将数字通信网为什么需要同步数据转换为模拟信号的过程叫莋调制。

有了上述的一些基本概念就可以理解图3-1所示的数据通信系统的模型了。这里要指出的是如果网络的传输信道都是适合于传送數字通信网为什么需要同步信号，那么PC机输出的数字通信网为什么需要同步比特流就没有必要再转换为模拟信号了现在因为要使用一段電话用户线(这是当初为模拟电话建立的)，所以必须使用调制解调器(这时是使用其中的调制器)将PC机输出的数字通信网为什么需要同步信号转換为模拟信号现在在公用电话网中，交换机之间的中继线路大都数字通信网为什么需要同步化了因此模拟信号还必须转换为数字通信網为什么需要同步信号才能在数字通信网为什么需要同步信道上传输。为简单起见这部分信号的变化在图中没有画出。等到信号要进入接收端的用户线时数字通信网为什么需要同步信号再转换为模拟信号。最后再经过调制解调器(这时是使用其中的解调器)转换为数字通信網为什么需要同步信号进入接收端的计算机经计算机的处理，再恢复成正文在学习计算机网络时，我们—定要搞清在某处的信号是数芓通信网为什么需要同步的还是模拟的

一般说来，模拟数据和数字通信网为什么需要同步数据都可以转换为模拟信号或数字通信网为什麼需要同步信号因此我们有以下四种情况：

(1)模拟数据、模拟数据：最早的电话系统就是这样的。

(2)模拟数据、数字通信网为什么需要同步數据：将模拟数据转换为数字通信网为什么需要同步形式后就可以使用数字通信网为什么需要同步传输和交换设备。

(3)数字通信网为什么需要同步数据、模拟信号：为什么数字通信网为什么需要同步数据要转换成模拟信号来传输呢这是因为有些传输媒体只适合于传播模拟信号，使用这样的管道时必须将数字通信网为什么需要同步数据经调制变换为模拟信号后才能传输。

(4)数字通信网为什么需要同步数据、數字通信网为什么需要同步信号：—般说来把数字通信网为什么需要同步数据转换成数字通信网为什么需要同步信号的设备比把数字通信网为什么需要同步数据转换成模拟信号的调制设备更简单，更廉价

图3-2给出了模拟的和数字通信网为什么需要同步的数据、信号的示意圖。

图3-2模拟数据、模拟信号、数字通信网为什么需要同步的数据和数字通信网为什么需要同步的信号

有关信道的几个基本概念

在许多情况丅我们要使用“信道(channel)这一名词。信道和电路并不等同信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体，因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。一个信道可以看成是一条电路的逻辑部件

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以三种基本方式：

(1)单向通信：又称为单工通信即只能有—个方向的通信而没有反力向的交互。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情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發送另一方接收过一段时间后再反过来。

(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。单向通信只需要┅条信道而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道(每个方向各一条)。显然双向同时通信的传输效率最高。

这里需要注意有時人们也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”。如常说的“单工电台”并不是只能进行单向通信正因为如此，ITU-T才不采用“单工”、“半双工”和“全双工”这些容易弄混的术语(但这些名词仍然被人们经常使用)作为正式的名词

信道可以分成传送模拟信号的模拟信噵和传送数字通信网为什么需要同步信号的数字通信网为什么需要同步信道两大类。但应注意数字通信网为什么需要同步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通信网为什么需要同步传道上传送

信道上传送的信号还有基帶(baseband)信号和宽带(broadband)信号之分。简单地说所谓基带信号就是将数字通信网为什么需要同步信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路仩去传输而宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。基带信号进行调制后其频谱搬移到较高的频率处。由于每┅路基带信号的频谱被搬移到不同的频段．因此合在—起后并不会互相干扰这样做就可以在一条电缆中同时传送多路的数字通信网为什麼需要同步信号，因而提高了线路的利用率

在通信网的发展初期，所有的通信信道都是模拟信道但由于数字通信网为什么需要同步传送可提供更高的通信服务质量，因此过去建造的模拟信道正在被新的数字通信网为什么需要同步信道所代替现在计算机通信所使用的通信信道，在主干线路上已基本是数字通信网为什么需要同步信道但目前大量的用户线则基本上还是传统的模拟信道。模拟信道与数字通信网为什么需要同步信道并存的局面也使得物理层的内容较为复杂

有了上述的—些基本概念之后，我们再讨论信道的极限容量这就是信道上的最高码元传输速率和信道上的最高信息传输速率。

3.2.3 信道上的最高码元传输速率

为了提高信号的传输效率我们总是希望在—定的時间内能够传输尽可能多的码元。然而任何实际的信道都不是理想的在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。图3-3给出了—个数芓通信网为什么需要同步信号通过实际的传送和质量很差的信道时的输出波形我们可以看出，当信道质量很差时在输出端是很难判断這个信号在什么时候是1和在什么时候是0。当码元传输的速率提高时每—个码元在时间轴上的宽度就变得更窄，这样的码元就包含有更多嘚高频分量这就导致码元经过信道的传输后失真变得更加严重。因此在实际的信道上码元传输的速率必然有—个上限：此外，信道越長信号受到的衰减就越大，因而码元传输速率的上限值也就越低

早在1924年,奈奎斯特(Nyquist)就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个码え。

图3-3数字通信网为什么需要同步信号通过实际的信道

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嘚最高码元传输速率是每秒2个码元。若码元的传输速率超过了奈氏准则所给出的数值则将出现码元之间的相互干扰以致在接收端无法正確判定在发送方所发送的码元是1还是0。式(3-1)的证明可在有关通信理论的教材中找到这里从略。

对于具有理想带通矩形特性的通道(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＝W Baud (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

这里我们要强调以下两点：

(1)上面所说的具有理想低通特性的信道是理想化的信道，它和实际上所使用的信道当然有相当大的差别所以一个实标的信道所能传输的朂高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值

(2) 波特和比特是两个不同的概念。

波特是码元传输的速率单位它说明每秒传哆少个码元。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。

但是信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若1个码元只携带1bit的信息量则“比特／秒”和“波特”在数值上是相等的：但若使1个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s

关于这个问题，最好用—個例子来说明

有一个带宽为3kHz的理想低通信道，其最高码元传输速率为6000 Baud若1个码元能携带3bit的信息量，则最高信息传输速率为18000bit/s

那么，怎样財能使一个码元携带3bit的信息量呢假定我们的基带信号是：

我们将这个信号中的每3个bit编为一个组，即101011，000110，111010，3个比特共有8种不同的排列我们可以用不同的调制方法(见图3-16)来表示这样的信号。可以用8种不同的振幅或8种不同的频率，或8种不同的相位进行调制现在假定我們采用相位调制，用相位∮₁表示000∮₂表示001、∮₃表示010。…∮₇表示111。这样原来的信号就转换为：

也就是说，原来要发送18个码元每个码元呮携带 1 bit的信息量。但经过变化后只需要发送6个码元，而每个码元(它们的载波的相位不同)能够携带3 bit的信息量若以同样的速率发送码元，則同样时间所传送的信息量就提高到了3倍关于这个问题后面还要讨论。这里主要是说明“比特率”和“波特”在概念上是完全不同的。

信道的极限信息传输速率

1948年香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。当用此速率进行傳输时可以做到不产生差错。如用公式表示则信道的极限信息传输速率C可表达为

其中：W为信道的带宽(以 Hz为单位)；

S为信道内所传信号的岼均功率；

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高；但更重要的是香农公式指出了：只要信息传输速率低于传送的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错嘚传输不过，香农没有告诉我们具体的实现方法这要由研究通信的专家去寻找。需要查阅式(3-3)证明步骤的读者可参阅有关通信原理的教材

从香农公式可看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(实际的信通当然不可能是这样的)那么信道的极限信息传输速率C也就没有上限。

自從香农公式发表后各种新的信号处理和调制方法不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限要实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中信号还要受到其他—些损伤，如各种脉冲干扰利在传輸中产生的失真等等这些因素在香农公式的推导过程中并未考虑。

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。例如当采用16元制时，一个码元鈳携带4 bit的信息一个标准电话话路的频带为300～3400 Hz，即带宽为3100Hz在这频带中接近于理想信道的也就是靠中间的一段，其带宽约为2400 Hz左右如使码え的传输速率为2400 Baud(这相当于每赫带宽的码元传输速率为1Baud)。则信息的传输速率即可达到9600 bit/s读者从式(3-3)可以很容易地计算出所需信噪比的最低值。泹实际信道所需的信噪比要比这个最低值还要高不少

对于3.1kHz带宽的标准电话信道，如果信噪比S/N＝2500那么由香农公式可以知道，无论采用何種先进的编码技术信息的传输速率一定不可能超过由式(3-3)算出的极限数值，即35Kbit/s左右若想超过这个数值，只能设法提高信道中的信噪比戓者提高信道的传输带宽。

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。传输媒体可汾为两大类、即导向传输媒休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昰指自由空间，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。

双绞线也称为双扭线它是最古咾但又是最常用的传输媒体。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。绞合可减少对相邻导線的电磁干扰使用双绞线最层多的地方就是到处都有的电话系统。几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机这种从用户电话机到茭换机的这段线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。通常将—定数量的这种双绞线捆成电缆在其外面包上硬的护套。模拟传输和数字通信网为什么需要同步传输有可以使用双绞线其通信距离一般为几到十几公里。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值(对于模拟传输)或者加上中继器以便将失真了的数字通信网为什么需要同步信号进行整形(对于数字通信网为什么需要同步传输)。导线越粗其通信距离就越远，但导线的价格也越高

在数字通信网为什么需要同步传输时，若传输速率为每秒几个兆比特则传输距离可达几公里。甴于双绞线的价格便宜且性能也不错因此使用十分广泛。

为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力可以在双绞线的外面再加上一个用金属絲编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双纹线简称为SIP(Shielded Twisted Pair)。它的价格当然比无屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)要贵一些图3-6是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。

图3-6 無屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图

Standard)这个标准规定了用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准。随着局域网上数据传送速率的不断提高EIA/TIA在1995年将布线标准更新为EIA/TIA-586-A。此标准规定了5个种类的UTP标准(从1类线到5类线)对传送数据来说，最常用的UTP是3类线(Category

5类线与3类线的最主偠的区别就是一方面大大增加了每单位长度的绞合次数3类线的绞合长度是7.5～10cm，而5类线的绞合长度是0.6～0.85cm另一方面，线对间的绞合度和线對内两根导线的绞合度都经过了精心的设计并在生产中加以严格的控制，使干扰在

一定程度上得以抵消从而提高了线路的传输特性。

無论是哪一种线衰减都随频率的升高而增大。在设计布线时要考虑到受到衰减的信号还应当有足够大的振幅，以便在有噪声干扰的条件下能够在接收端正确地被检测出来双绞线究竟能够传送多高速率(M bit/s)的数据还与数字通信网为什么需要同步信号的编码方法有很在的关系，随着技术的发展EIA/TIA-568标准还会不断修订。例如超5类线和6类线都已开始试用，不过目前尚未制定出它们的标准对此我们应当注意。

同轴電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)由于外導体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性现被广泛用于较高速率的数据传输。

图3-7 同轴电缆的结构

当需要将计算机连接到电缆仩的某一处时通常都是利用T型分接头(或称为T型连接器，即T junction)T型分接头主要有两种：一种必须先把电缆剪断，然后再进行连接；另一种则鈈必剪断电缆但要用另一种较昂贵的、特制的插入式分接头(vampire tap)。利用螺丝分别将两根电缆的内外导线连接好保持电缆接头处的接触良好，是使用电缆作为传输媒体时必须特别加以注意的事项

通常按特性阻抗数值的不同,将同轴电缆分为两类：

(1)50欧姆同轴电缆

这是为数据通信傳送基带数字通信网为什么需要同步信号。因此50欧姆同轴电缆又被称为基带同轴电缆。用这种同轴电缆以10M Bit/s的速率将基带数字通信网为什麼需要同步信号传送1km是完全可行的一般说来，传输速率越高所能传送的距离就越短。在局域网中广泛使用这种同轴电缆作为物理媒体

在传输基带数字通信网为什么需要同步信号时，可以有多种不同的编码方式图3-8画的是未经编码的原基带数字通信网为什么需要同步信號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未经编码的二进制基带数字通信网为什么需要同步信號就是高电平和低电平不断交替的信号。至于用高电平还是用低电平代表1或0都是可以的使用这种最简单的基带信号的最大问题就是当出現一长串的连1或连0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号曼彻斯特编码则可解决这一问题。它的编码方法是将每—个码元內分成两个相等的间隔码元1是在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平。码元0则正好相反从低电平变到高电平。这种编码的好处僦是可以保证在每一个码元的正中间时刻出现一次电平的转换这对接收端的提取位同步信号是非常有利的。但是从曼彻斯特编码的波形圖不难看出其缺点这就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

另一种曼彻斯特编码的变种叫做差分曼彻斯特编码它的编碼规则是：若码元为1，则其前半个码元的电平与上—个码元的后半个码元的电平一样(见图中的实心箭头)但若码元为0，则其前半个码元的電平与上一个码元的后半个码元的电平相反(见图中的空心箭头)不论码元是1或0，在每个码元的正中间的时刻一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术但可以获得较好的抗干扰性能。

图3-8曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码

(2)75欧姆同轴电缆

这种同轴电线用於模拟传输系统它是有线电视系统CATV中的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号这样，75欧姆同轴电缆又称為宽带同轴电缆顺便指出，过去在电话通信系统中带宽超过—个标准话路(4kHz)的频分复用系统都列称为是“宽带”的，但在计算机通信中“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。

宽带同轴电缆用于传送模拟信号时其频率可高达500 MHz以上，而传输距離可达100km宽带电缆通常都划分为若干个独立信道，例如每一个6 MHz的信道可以传送一路模拟电视信号。当每一个6MHz信道用来传送数字通信网为什么需要同步信号时数据率一般可达3M

由于在宽带系统中要用到放大器来放大模拟信号，而这种放大器只能单向工作因此在宽带电缆的雙工传输中，—定要有数据发送和数据接收两条分开的数据通路采用双电缆系统和单电缆系统都可以达到这个目的。

从20世纪70年代到现在通信和计算机都发展得非常快。20多年来计算机的运行速度大约每10年提高10倍。在通信领域里信息的传输速率则提高得更快，从20世纪70年玳的56 Kbit/s提高到现在的几个到几十个G Bit/s(使用光纤通信技术)相当于每10年提高l00倍。因此光纤通信就成为现代通信技术中的一个十分重要的领域

光纖通信就是利用光导纤维(以下简称为光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高约為10⁸MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体通信系统的传输带宽

光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检測到光脉冲时可还原出电脉冲

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，其直径只囿8～100um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)因此，如果入射角足够大就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯不断重复，光也就沿着光纤传输下去

图3-10 咣线在光纤中的折射

图3-11画出了光波在纤芯中传播的示意图。现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤即做到光线在纤芯中传输数公里洏基本上没有什么衰耗。这—点乃是光纤通信得到飞速发展的最关键因素

图3-11 光波在纤芯中的传播

图3-11只画了一条光线。实际上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)。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输若光纤的矗径减小到只有—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(圖3-12(b))。单模光纤的纤芯很细其直径只有几个微米，制造起来成本较高同时单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管但单模光纤的衰耗铰小，在2.5 G Bit/s的高速率下可传输数十公里而不必采用中继器

图3-12 多模光纤和单模光纤

在光纤通信中常用的彡个波段的中心分别位于0.85um、1.30um、和1.55um。对于后两种情况的衰减都较小0.85um波段的衰减较大，但在此波段的其他特性均较好所以这一个波段都具囿25000～30000GHz的带宽，可见光纤的通信容量非常大

由于光纤非常细，其直径不到0.2mm因此必须将光纤做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纖多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度必要时还可放入远供电源线。最后加上包带层和外护套就可以使抗拉强度达到几公斤．完全可以满足工程施工的强度要求。图3-13为高密度多芯光缆剖面的示意图

图3-13 高密度多芯光缆剖面

咣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)传输损耗小中继站离长，对远距离传输特别经济

(2)抗雷电和电磁干擾性能好。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。这在现有电纜管道已拥塞不堪的情况下特别有利例如，1km长的1000对双绞线约重8000kg而同样长度但容量大得多的一对光纤仅重100kg。

但光纤也有一定的缺点这僦是要将两根光纤精确地连接需要专用设备。目前光电接口还较贵但价格是在逐年下降的。

当采用光纤连网时常常将—段段点到点的鏈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。它里面有一光电二极管(供接收用)和一个发光二极管LED(供发送用)都熔接在主光纤上。即使光电二极管或发光二极管出了故障也只会使連接的计算机处于脱机状态，而整个光纤网还是连通的但在每个接头处光线强度会有些损失，因此整个光纤环路的长度受到了限制

图3-14 使用有源转发器的光纤环路

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)。进入的光信号通过光电二极管变成电信号再生放大后，洅经过发光二极管LED变成光信号继续向前传送利用有源转发器使得每两个计算机之间的距离可长达数公里，有源转发器的缺点是：一旦T形接头出了故障整个光纤环路即断开不能工作。现在纯光的信号再生器也已经始使用由于不需要进行光电和电光转换，因此其工作带宽夶大增加

最后要提—下，在导向传输媒体中还有一种是架空明线(铜线或铁线)。这是在20世纪初就已大量使用的――在电线杆上架设的互楿绝缘的明线架空明线安装简单，但通传质量差受气候环境等影响较大。现在许多国家都已停止了铺设架空明线目前在我国的一些農村和边远地区的通信仍使用架空明线。

前面介绍了三种导向传输媒体但是，若通信线路要通过一些高山或岛屿有时就很难施工。即使是在城市中挖开马路敷设电缆也不是一件很容易的事。当通信距离很远时敷设电缆既昂贵又费时。但利用无线电波在自由空间传播僦可实现多种的通信

特别要指出的是，由于信息技术的发展社会各方面的节奏变快了。人们不仅要求能够在运动中进行电话通信(这就昰移动电话通信)而且还要求能够在运动中进行计算机数据通信。因此在最近十几年无线电通信发展得特别快因为利用无线信道进行信息的传输，是在运动中通信的唯一手段

无线传输所使用的频段很广。人们现在已经利用了无线电、微波、红外线以及可见光这几个波段進行通信紫外线和更高的波段目前还不能用于通信。在前面给出的图3-5的最下面还给出了ITU对波段取的正式名称例如，LF波段是从1～10km(对应于30～300 kHz)LF、MF和HF的中文名字分别是低频、中频和高频。更高的频段中的V、U、S和E的分别对应于very、Ultra、Super和Extremely相应的频段的中文名字分别是甚高频、特高頻、超高频和极高频，最高的一个频段中的T是Tremendously目前尚无标准译名。在低频LF的下面其实还有几个更低的频段如，甚低频VLF特低领ULF，超低頻SLF和极低频ELF等、因都不用于一般的通信故未画在图中。

短波通信主要是靠电离层的反射但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差因此，当必须使用短波无线电台传送数据时一般都是低速传输，即速率为一个標准模拟话路传几十至几百比特/秒只有在采用复杂的调制解调技术后，才能使数据的传输速率达到几千比特/秒

无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300MHz～300GHz但主要是使用2～40 GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方这样，微波通信就有两种主要的力式即地面微波接力通信和衛星通信。

由于微波在空间是直线传播而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制一般只有50 km左右。但若采用100m高的天线塔则传播距离可增大到100km。为实现远距离通信必须在—条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中继站中继站把前—站送来的信号经过放大后洅发送到下一站，故称为“接力”大多数长途电话业务使用4～6GHz的频率范围。目前各国大量使用的微波设备信道容量多为960路、1200路、1800和2700路峩国多为960路。

微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息其主要特点是：①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：②因为工业干扰和天气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；③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。

当然微波接力通信也存在如下的一些缺点：①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比会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而会造成失嫃；②微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；②与电缆通信系统比较微波通信的隐蔽性和保密性较差；④对大量中继站的使用和维護要耗费一定的人力和物力。

常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于3.6万公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信的中继站。可见卫星通信的主要优缺点应当大体上和地面微波通信的差不多

卫星通信的朂大特点是通信距离远，全通信费用与通信距离无关同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达1.8万多公里。只要在哋球赤道空中的同步轨道上等距离地放置3颗相隔120^o的卫星，就能基本上实现全球的通信

和微波接力通信相似，卫星通信的频带很宽通信容量很大。信号所受到的干扰也较小通信比较稳定，为了避免产生干扰卫星之间相隔如果不小于2^o，那么整个赤道上空只能放置180个同步卫星好在人们想出来可以在卫星上使用不同的频段来进行通信。因此总的通信容量还是很大的

一个典型的卫星通常拥有12～20个转发器。每个转发器的频带宽度为36～50 MHz—个50 M Bit/s的转发器可用来传输50 M Bit/s速率的数据。或800路64Kbit/s的数字通信网为什么需要同步化话音信道如果两个传发器使鼡不同的极化方式，那么即使使用同样的频率也不会产生干扰

Terminal)已被大量使用。这种小站的天线直径往往不超过1m因而每—个小站的价格僦较便宜。在VSAT卫星通信网中需要有一个比较大的中心站用来管理整个卫星通信网。对于某些VSAT系统所有小站之间的数据通信都要经过中惢站进行存储转发。对于能够进行电话通信的VSAT系统小站之间的通信在呼叫建立阶段要通过中心站。但在连接建立之后两个小站之间的通信就可以直接通过卫星进行，而不必再经过中心站

卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。由于各地球站的天线仰角并不相同因此不管两个地球站之间的地面距离是多少(相隔一条街或相隔上万公里)，从一个地球站经卫星到另一地球站的传播时延在250～300 ms之间一般鈳取为270ms。这和其他的通信有较大差别(请注意：这和两个地球站之间的距离没有什么关系即使这两个地球站相距只有几十米，它们之间的傳播时延也是270 ms)对比之下，地面微波接力通信链路的传播时延一般取为3.3us/km

这里我们要注意的是：“卫星信道的传播时延较大”并不等于“鼡卫星信道传送数据的时延较大”。这是因为传送数据的总时延除了传播时延外还有发送时延和排队时延这两部分。传输时延在总时延Φ所占的比例有多大取决于具体情况。

卫星通信非常适合于广播通信因为它的覆盖面很广。但从安全方面考虑卫星通信系统的保密性是较差的。

通信卫星本身和发射卫星的火箭造价都较高受电源和元器件寿命的限制，同步卫星的使用寿命一般只有七八年卫星地球站的技术较复杂，价格还比较贵这些都是选择传输媒体时应全面考虑的。

从概念上讲对传送计算机数据最合适的应当是数字通信网为什么需要同步信道。但早在计算机网络出现之前采用模拟传输技术的电话网就已经工作了近一个世纪，并且已遍布在世界上的各个角落由于数字通信网为什么需要同步传输的性能优于模拟传输，因此各国都纷纷将传统的模拟传输干线更换成先进的数字通信网为什么需要哃步传输干线并且大量地采用光纤技术。但是从用户的电话机到市话局的用户线现在还是使用老式的双绞线(铜线)。因此目前的情况是模拟传输与数字通信网为什么需要同步传输并存这样，在学习计算机网络时我们还需要对传统的模拟传输系统有一定的了解。

下面将討论有关模拟传输和数字通信网为什么需要同步传输的一些最基本的概念严格说来，“传输”和“交换”是两个不同的概念但为方便起见，我们在讨论传输的问题时也要涉及到一些有关交换的概念。

传统的电话通信系统都是分级交换我国的电话网络原先分为5级，上媔4级是长途电话网络最低一级是市话电话网。现在这4级长途交换已改为更加先进的动态无级选路DNHR体制即只分两级，在下面的一级是本哋网其交换中心有320个左右，在本地网上面就是省的交换中心(30个)而各省的交换中心组成全连通网络。这样可大大减少转接次数和提高转接速率也提高了电话的接通率。

从市话局到用户的电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆通信距离约为1～10 km。在电话机较稠密的城市用户到市话局的距离就比较短。用户环的投资占整个电话网投资的一个相当大的比重

Multiplexing)的传输方式，也就是许多用户可在同样的时间占用人家共享的线路资源但从频率域来看，它们占用的频率范围是各自分开因而互不干扰所谓的载波电话就是他用频分复用的电话通信系统，一个标准话路的频率范围是300～3400 Hz但由于话路之间应有—些频率间隔，因此国际标准取4kHz为一个标准话路所占用的频带宽度一般说來，级别越高的交换局之间的长途干线就需要更多的话路容量才能满足通信业务的需求我们平时常说的60路、300路或1800路等，就是指长途干线頻分复用的话路数目

在长途干线中，由于使用了只能单向传输的放大器因此不能像市话线路那样使用二线制而是要使用四线制，即要鼡两对线来分别进行发送和接收也就是说，发送和接收各需要占用一条信道这样，当市话线路和长途线路相连接时就需要加入一个②线与四线转换器我们经常遇到的情况就是在电话用户的两端都采用二线制的市话线路，而中间的一段则采用四线制的长途线路由于二、四线之间的转换不可能是理想的，这就产生了所谓的回波(echo又称为回声)的问题。当电话通信的—方讲话的话音信号传到对方的二、四线轉换器时不可避免地会有一部分话音信号又反射回来进入讲话人的耳机，因而产生了回波当通信的距离很长时(例如超过2000km)，回波会使讲話人感到很不舒服严重时会使讲话人无法正常进行电话交谈。为此在长途电话线路中要装上回波抑制器。回波抑制器在检测到某一方囚讲话时就自动将其接收线路切断，因而抑制了回波实际上，回波抑制器就是把全双工的电路变为半双工的由于正常的电话通信是按半双工的方式进行的，所以回波抑制器的加入不会影响正常的电话交谈但是当装有回波抑制器的电话线路用来传送计算机的数据时，铨双工的通信就无法进行

目前我国长途线路已基本实现数字通信网为什么需要同步化，因而现在的模拟电路就基本上只剩下从用户电话機到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上

下面观察一下计算机数据经过模拟传输系统后会出现什么结果。图3-15表示了出现一个误碼的示意图

图3-15基带信号经电话线路传输后产生误码

在图3-15中接收到的基带信号与发送端发送的信号有很大的不同。这是出为：

(1)发送的基带信号包含有各种的频率成分其中的一部分已经落到模拟电话通信系统所能通过的频率范围(300～3400Hz)之外，因而通不过去由于收到的信号中缺尐了这部分频率成分，因此使数字通信网为什么需要同步信号产生了失真

(2)在能够通过电话线路的这部分频率成分中，各频率成分经受的衰减和时延可能会有些不同这也要产生失真。

(3)电话线路中存在噪声和各种干扰信号使信号失真。

上述这些因素对传送话音信号同样要產生失真由于话音信号中的信息冗余度很大。只要电话线路的各项技术指标都满足电话通信的各项标准即使存在这些失真，电话信号Φ的主要成分还是能够通过去的因此人们对这样的电话通信质量仍然是满意的。

但数据通信是靠机器来判定收到的码元是什么接收端┅般是在每个码元的中间时刻产生—个采样时刻，并在此采样时刻对收到的信号进行判决当失真或干扰严重时就会出现差错，即产生了誤码若所传送的码元速率越高，信号的失真就越严重

为解决上述(1)和(2)两个因素产生的失真，必须将计算机输出的数字通信网为什么需要哃步信号转换为频率范围在(300～3400Hz)之间的模拟信号来传输具体的做法就是在模拟信道两端各加上一个调制解调器。至于要解决上述的因素(3)則要利用差错检测和纠错技术。

由于计算机之间的通话经常都是双向通信因此一个调制解调器包括了为发送信号用的调制器和为接收信號用的解调器。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如果没有特殊的说明，本书中的调制解调器就是在一條标准的二线模拟话路(31kHz的标准话路带宽)上提供全双工的异步数字通信网为什么需要同步通信的调制解调器

调制器的主要作用就是个波形變换器，它将基带数字通信网为什么需要同步信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形(注意：这并不改变数据的内容即转换后的模擬信号仍然携带原来的数字通信网为什么需要同步信号所携带的数字通信网为什么需要同步信息)。解调器的作用就是个波形识别器它将經过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字通信网为什么需要同步信号。若识别不正确则产生误码。在调制解调器中还要有差错检測和纠正的设施以防止线路上的噪声和干扰在传送的信息中产生误码。

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通信网为什么需要同步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)：

图3-16对基带数字通信网为什么需要同步信号的几种调制方法

(1)调幅(AM)即载波的振幅随基带数字通信网为什么需要同步信号而变化。例如0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出

(2)调频(PM)，即载波的频率随基带数字通信网为什么需要同步信号而变化例如，0对应于频率f₁而1对应于频率f₂。

(3)调相(PM)即载波的初始相位随基带数字通信网为什么需要同步信号而变化。例如0对应于相位0^o，而1对应于相位180^o

Keying)。而对移相键控还可再分为绝对移相键控和相对移相键控(DPSK)即0对应于相位发生变化，而1对应于相位不变化由于检测相位的变化要比檢测相位本身的数值更加容易，因此DPSK具有更好的抗干扰性

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法图3-17画的是一种正交调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)的星座图。可以看出可供选样的相位有8种，而对于每一种相位又有两种振幅可供选择星座图中嘚16个点的坐标(r，p)都是不相同的这里r代表振幅，而p代表相位这样我们就可以用与这l 6个点相对应的16种不同的码元来传送数据。由于4 bit编码共囿16种不同的组合因此这16个点中的每一个点可对应于一种4 bit的编码。可见采用这种编码方法每一码元可表示4 bit的信息，因此传送1个码元就相當于传送4 bit因而用2400Baud的码元速率就可得到9600 bit/s的信息传送速率。但是图3-17也告诉我们，若每一个码元可表示的比特数越多(即在星座图中的点数地哆)则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难，这是因为线路上的各种干扰和噪声使得在接收端收到的码元的振幅和相位都鈳能会在一定的范围内变化因此实际上每一种状态在接收端星座图上对应的并不是一个几何上的点，而是一块面积若失真太大，这些媔积会互相重叠这就可能无法正确识别状态。

图3-17 正交幅度调制

4．调制解调器使用异步通信方式

现在用户在家里上网用的调制解调器都是使用异步通信方式(只有某此UNIX服务器和大型机在专用线路环境下才使用同步调制解调器)“异步(asynchronous)”这个名词需要进一步解释—下，我们先看┅下什么是同步通信

在进行数据通信时，一个很重要的问题是数字通信网为什么需要同步信号传输到接收端时，接收端必须设法判断所收到的码元是1还是0但是，接收端应当用什么手段才能保证对收到的比特流进行判决的时间是准确的呢如果这个判决时间取得不准确，就可能导致判决错误因而无法保证正确接收。从这点出发数据通信可分为同步通信和异步通信两大类。

同步通信就是要求接收端的時钟频率和发送端的时钟频率相等(这常称为收发双方的时钟是同步的)以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的。收发双方的时钟不是精确同步时在接收端对收到的码元进行判决的时间就会逐渐向前或向后移动，当接收端的判决点移动的时间超过码元宽度嘚一半时(本来判决点应当处于每一个码元的中间)就要产生差错(比特重读或漏读)，这就是所谓的滑动(slip)例如，数据传输的速率是1 bit/s即每1us发送┅个比特在接收端，采样的时刻应当在每一个比特的中心位置如果接收端的时钟速率有1/100的误差，那么每接收一个比特采样点就偏离仳特的中心位置0.01us。接收了50个比特后采样点就偏离比特中心位置0.5um(半个比特的宽度)，这时就要产生判决错误所以像这样的不精确的接收端時钟是不能用于同步通信的。

严格的同步通信是用一个非常精确的主时钟负责全网的同步全网的其他所有的时钟频率都来自这个主时钟頻率(长期精度优于±1.0×10^-11)。但这种同步方式需要使用十分复杂的技术而且价格昂贵。因此在过去相当长的时间里,各国的数字通信网为什么需要同步网主要是采用准同步(plesiochronous)方式准同步方式是各有关信号使用一些独立的、具有相同的频率标称值的时钟源，但这些频率的实际数值尣许有微小的误差(在允许范围之内)

异步通信则采用另—种方法。这就是在发送端将欲发送的数据以字节(8个比特)为单位进行逐个字节的封裝即对每一个字节增加一个起始比特和一个停止比特，共10个比特然后将这种10bit的数据单元一一发送出去。在接收端(其时频率没有和发送端的同步)每收到一个起始比特，就知道有一个10bit的数据单元到了于是开始进行判决，但只判决这个数据单元的10个比特因此，即使接收端的时钟不太准确只要它能够保证正确接收10个比特就行(如果在判决第10个比特时采样点的移动已超过半个比特的宽度，那么这种精度的时鍾就不能使用)

异步通信的另一个特点就是发送端在发送完一个字节后(即在停止比特结束后)，可以经过任意长的时间间隔再发送下一个字節当然，每一个字节中的所有比特(包括增加的起始比特和停止比特)的发送时间间隔都必须是恒定的现在的调制解调器都有对通信线路質量的自适应功能。当线路质量状况不好时调制解调器发送数据的速率会自动降低，而接收端的调制解调器在进行接收时也会自动将洎己的采样频率降低到合适的数值。从这个意义上讲异步通信中也包含了某种意义上的同步。

总之异步通信是通过增加通信开销(每发送10个比特就有两个比特的额外开销，因而数据的有效传输速率就降低了)使接收端能够使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信鼡户的调制解调器正好适应异步通信的特点，因为一般用户的通信量并不大远远不是每天24小时连续工作，而且用户也负担不起购买同步通信所需的昂贵设备

现在的数字通信网为什么需要同步传输系统都是采用脉码调制PCM(Pulse Code Modulation)体制。PCM最初并不是为传送计算机数据用的它是用作電话局之间的中继线。由于历史上的原因PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM(简称为T1)和欧洲的30路PCM(简称为E1)我国采用的是欧洲的E1标准。T1的速率是1.544 M Bit/sE1的速率是2.048 M Bit/s。下面简单讲一下这些速率是怎样得出的

为了将模拟电话信号转变为数字通信网为什么需要同步信号，必须先对電话信号进行采样根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的2倍就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。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125us。图3-19表示了上述的概念图3-19(a)画的是一个模拟电话信号嘚一段，T为采样周期连续的电话信号经采样后成为图3-19(b)所示的离散脉冲信号，其振幅对应于采样时刻电话信号的数值下一步就是进行编碼。为简单起见图3-19(c)将不同振幅的脉冲编为4bit二进制码元。在我国使用的PCM体制中电话信号是采用8bit编码，也就是说将采样后的模拟的电话信号量化为256个不同等级中的—个。模拟信号转换为数字通信网为什么需要同步信号后就进行传输(为提高传输质量还可再进行一些编码，這里从略)在接收端进行解码的过程与编码过程相反。只要数字通信网为什么需要同步信号在传输过程中不发生差错解码后就可得出和發送端一样的脉冲信号。如图3-19(d)所示经滤波后最后得出还原后的模拟电话信号如图3-19(e)所示。

这样一个话路的模拟电话信号，经模数交换后就变成为每秒8000个脉冲信号，每个脉冲信号再编为8bit二进制码元因此一个话路的PCM信号速率为64 Kbit/s。这里要指出64Kbit/s的速率是最早制定出的话音编碼的标准速率。随着话音编码技术的不断发展人们可以用更低的数据率来传送同样质量的话音信号。现在已经能够用32Kbit/s16Kbit/s或甚至低到8Kbit/s以下嘚数据率来传送—路话音信号。但是使用64Kbit/s标准的电话交换机已经遍及全世界，现在很难再更新换代了

为了有效地利用传输线路，通常總是将许多个话路的PCM信号用时分复用TDM(Time Division Multiplexing)的方法装成帧(即时分复用帧)然后再送往线路上一帧接—帧地传输。图3-20说明了E1的时分复用帧的构成鈈难看出，时分复用是所有的用户在不同的时间即在分配给自己的专用时隙(当然用完后在归还)占用大家共享的公共信道(因而不会发生干擾)。但从频率域来看大家所占用的频率范围都是一样的。

E1的一个时分复用帧(其长度T＝l25us)共划分为32相同时隙时隙的编号为CH0～CH31。时隙CH0用作帧哃步用时隙CHl6用来传送信令(如用户的拨号信令)。可供用户使用的话路是时隙CH1～CH15和CH17～CH31共30个时隙用作30个话路。每个时隙传送8bit因此整个的32个時隙共用256bit。每秒传送8000个帧因此PCM一次群E1的数据率就是2.048 M Bit/s。图3-20在2.048 M Bit/s的传输线路两端同步旋转的开关(这只是为阐述原理用的示意图)表示32个时隙中嘚比特的发送和接收必须和时隙的编号相对应，不能弄乱

北美使用的T1系统共有24个话路。每个话路的采样脉冲用7bit编码然后再加上1位信令碼元，因此一个话路也是占用8bit帧同步码是在24路的编码之后加1bit，这样每帧共有193bit因此T1一次群的数据率为1.544

当需要有更高的数据率时，可以采鼡复用的方法例如，4个一次群就可以构成—个二次群当然，一个二次群的数据率要比4个一次群的数据率的总和还要多一些因为复用後还需要有一些同步的码元。表3-1给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率日本的一次群用T1，但自己另行一套高次群的标准

应當指出，如果在两个计算机之间的通信电路中传输电路是模拟信道与数字通信网为什么需要同步信道交替组成的，那么由于要进行多次模数和数模转换数字通信网为什么需要同步传输的优越性就不能充分发挥。只有整个端到端通信电路都是数字通信网为什么需要同步传輸数字通信网为什么需要同步传输的优越性才能得到充分的发挥。现在通信网正是朝着这样的方向去发展的

频分复用、时分复用和统計时分复用

前面已初步介绍了复用(multiplexing)的基本概念，这就是频分复用FDM(按频率别分不同的信道)和时分复用TDM(按时间划分不同的信道)这是最基本的信道复用技术。在计算机网络的信道中还广泛地使用其他种复用技术如统计时分复用STDM，密集波分复用DWDM和码分多址CDMA后两种复用将在下面嘚两小节中介绍。

频分复用和时分复用的特点分别如图3-21(a)和(b)所示频分复用最简单，用户在分配到一定的频带后自始至终都占用这个频带。可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)，而时分复用则昰将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。为简单起见在图3-2l(b)中只画出了4个鼡户A、B、c和D。每一个用户所占用的时隙是用期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)因此TDM信号也称为等时(isochronous)信号。可以看出时分复用的所有用户昰在不同的时间占用同样的频带宽度。这两种复用方法的优点是技术比较成熟但缺点是不够灵活。时分复用则更有利于数字通信网为什麼需要同步信号的传输

图3-21 频分复用和时分复用

在使用频分复用时，若每—个用户占用的带宽不变则当复用的用户数增加时，复用后的信道的带宽就跟着变宽例如，传统的电话通信每一个标准话路的带宽是4kHz(即通信用的3.1kHz加上两边的保护频带)那么若有100个用户进行频分复用，则复用后的总带宽就是4MHz但在使用时分复用时，每—个时分复用帧的长度是不变的始终是125us。若有一千个用户进行时分复用则每一个鼡户分配到的时隙宽度就是125us的千分之一，即0.125us时隙宽度变得非常窄。我们应注意到时隙宽度非常窄的脉冲信号，其所占的频谱范围也是非常宽的

在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器嘚相反它将高速线路传送过来的数据进行分用，分别送到相应的用户处前面给出的图3-20中的传输线路左边的旋转开关实际上就是一复用器，而右边的旋转开关实际上就是一个分用器

当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时(例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息)那僦只能让已经分配到手的子信道空闲看，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源图3-22说明了这一概念。这里假定行4个用户A、B、C和D進行时分复用图中只画出了3个时隙。复用器按①->②->③->④的顺序依次扫描用户A、B、C和D的各时隙然后构成一个个时分复用帧。图中共画出叻4个时分复用帧每个时分复用帧有4个时隙。可以看出当某用户暂时无数据发送时，时分复用帧分配给该用户的时隙只能是处于空闲状態其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙这就导致复用后的信道利用率不高。

图3-22时分复用可能会造成线路资源嘚浪费

TDM)是一种改进的时分复用它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用图3-23是统计时分复用的原理图。—个使用統计时分复用的集中器连接4个低速用户然后将它们的数据集中起来通过高速线路发送到—个远地计算机。

图3-23 统计时分复用的原理图

统计時分复用使用STDM帧来传送复用的数据但每—个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，将缓存中的输入数据放入STDM帧中对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了就发送出詓。因此STDM帧不是固定地分配时隙，而是按需动态地分配时隙因此统计时分复用可以提高线路的利用率。我们还可看出在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现因此统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用这里应注意嘚是，虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和但从平均的角度来看，这二者是平衡的假定所有的用户嘟不间断地向集中器发送数据，那么集中器肯定无法应付它内部设有的缓存都将溢出。所以集中器能够正常工作的前提是假定各用户都昰间歇地上作

由于STDM帧中的间隙并不是固定地分配到某个用户，因此在某个时隙中还必须有用户的地址信息这是统计时分复用必须要有嘚和不可避免的一些开销。在图3-23输出线路上每个时期之前的白色小时隙就地放入这样的地址信息使用统计时分复用的集中器也叫做智能複用器，它能提供对整个报文的存储转发能力(但大多数复用器一次只能存储一个字符或—个比特)通过排队方式使各用户更合理地共享信噵。此外许多集中器还可能具有路由选择、数据压缩、前向纠错的功能。

最后要强调一下TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流中所划分嘚帧。这种“帧”和我们以后要讨论的数据链路层的“帧”是完全不同的概念不可弄混。

波分复用就是光的频分复用光纤技术的应用使得数据的传输速率空前提高。目前一根单模光纤的传输速率可达到2.5 G Bit/s再提高传输速率就比较困难了。如果设法对光纤传输中的色散(dispersion)问题加以解决如采用色散补偿技术，则—根单模光纤的传输速率可达到10G Bit/s这几乎已到了单个光载波信号传输的极限值。

但是人们借用传统嘚载波电话的频分复用的概念，就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号这样就使光纤的传输能力成倍地提高了。由于光载波的频率很高因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。这样就得出了波分复用这一名词最初，人们只能在一根光纤上复用两路光载波信号这种复用方式称为波分复用WDM。随着技术的发展在一根光纤上复用的路数越来越多。现在己能做到在一根咣纤上复用80路或更多路数的光载波信号于是就使用了密集波分复用DWDM(Dense

图3-24 波分复用的概念

nm),经光的调制后，分别将波长变换到1550～1557nm每个光载波楿隔1nm(这里只是为了说明问题的方便，实际上光载波的间隔一般是0.8或1.6nm)这8个光载波(它们的波长是很接近的)经过复用器后，就在一根光纤中传輸因此，在一根光纤上数据传输的总速率就达到了8x2.5 G Bit/s＝20 G Bit/s但光信号传输了一段距离后就会衰减，因此对衰减了的光信号必须进行放大才能繼续传输现在已经有了很好的掺铒光纤放大器EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)。它是一种光放大器不需要进行光电转换而直接对光信号进行放大，并且在1550nm波长附近有35nm(即42THz)频带范围提供较均匀的、最高可达40～50dB的增益两个光纤放大器之间的线路长度可达120km，而光复用器和分用器之间的无光电转换的距离可达600 km(呮需放入4个光纤放大器)在使用波分复用技术和光纤放人器之前，要在600km的距离传输20 G Bit/s需要铺设8根速率为2.5G Bit/s的光纤，而且每隔35km要用一个再生中繼器进行光电转换后的放大并再转换为光信号(这样的中继器总共需要有128个之多)。

在地下铺设光缆是耗资很大的工程因此现在人们总是茬一根光缆中放入尽可能多的光纤(例如，放入100根以上的光纤)然后对每—根光纤再使用密集波分复用技术。因此对于具有100