(整理)第4章通信基础

第 4 章 数据通信基础 *

数据通信是计算机网络的基础，没有数据通信技术的发展，就没有计算机网络的今

天。本章首先简单介绍数据通信的基本概念和基础理论，然后介绍各种传输方式、多路

复用技和交换技术、数据交换技术以及调制解调技术。

4.1 通信定义与分类

4.1.1 通信的定义

人类在长期的社会活动中需要不断地交往和传递信息。这种传递信息的过程就叫做

通信。

自古以来人们都在用自己的智慧来解决远距离、快速通信的问题，而衡量人类历史 进步的尺度之一是人与人之间传递信息的能力，尤其是远距离传递消息的能力。例如古 代的烽火台、金鼓、旌旗；近代的灯光、旗语；现代的电话、电报、传真和电视等都是 传递消息的手段。通信技术的发展使社会产生了深远的变革，为人类社会带来了巨大的

利益。

在当今和未来的信息社会中，通信是人们获取、传递和交换信息的重要手段。随着 大规模集成电路技术、激光技术、空间技术等新型技术的不断发展以及计算机技术的广 泛应用，现代通信技术日新月异。近二三十年来出现的数字通信、卫星通信、光纤通信 是现代通信中具有代表性的新领域。而在这些新领域中，数字通信尤为重要，它是现代 通信系统的基础。特别是数字通信技术和计算机技术的紧密结合可以说是通信发展史上

的一次飞跃。

4.1.2 信号与通信

1. 信号

消息一般是用数据来表示的，而表示消息的数据通常要把它转变为信号进行传递。 信号是消息（或数据）的一种电磁编码，信号中包含了所要传递的消息。

信号一般以时间为自变量，以表示消息（或数据）的某个参量（振幅、频率或相位）

为因变量。信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号。

模拟信号是指信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变

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量可以是连续的，也可以是离散的；但其因变量一定是连续的，如图 4-1a 所示。电视

图像信号、语音信号、温度压力传感器的输出信号以及许多遥感遥测信号都是模拟信号；

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脉冲振幅调制信号（PAM）、脉冲相位调制信号（PPM）以及脉冲宽度调制信号（PWM） 等也属于模拟信号。

数字信号是指表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号，如

图 4-1 b 所示，通常表示为 x（n T），数字信号的因变量的状态是有限的。计算机数据、

数字电话和数字电视等都是数字信号。

图 4-1 模拟信号与数字信号

虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间并没有存在不可逾越的鸿 沟，在一定条件下它们是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数 字信号，而数字信号也可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号。 2. 通信系统

随着科学技术的不断发展，人们传递信息的手段也在不断进步，从本质上说，无论 是电话、电报、图像、计算机还是短波与移动通信等，都可以抽象地概括为图 4-2 所示 的一般通信系统模型。下面就通信系统模型中的各个组成部分及其功能予以简单介绍。

图 4-2 通信系统

系统组成： 1) 信源

顾名思义，是信息产生的源泉。它可以是人或者机器，所发出的信息可以是多种多 样的，如语音、文字、图像、数据等等，这些信息可以是离散的，也可以是连续的。

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2) 发送器

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发送器有很多种类型，所要完成的功能也很多，例如调制、放大、滤波、发射等等， 在数字通信系统中还要编码。一般地，发送器含有与传输线路匹配的接口，其基本作用 是将信源发出的信息变换成一种便于传输的信号。即所谓的编码。对于模拟和数字通信 系统，发送器的功能有很大不同。

3) 信道

是传递信息的通道，又是传递物质信号的设施，信道可以是明线、电缆、波导、光 纤、无线电波等等。

4) 干扰源

它是整个系统噪声与干扰的总折合，用以表征信息在信道上传输时受到的干扰情 况。对于任何通信系统来说，干扰的性质与大小都是影响系统性能的重要因素。

5) 接收器

其作用与发送器的作用相反，主要是将信道中的信号接收下来，并将其变换成与发 送时物理形式相同的信息，再传给信宿，即完成所谓的译码过程。对接收器的基本要求

是能够从受干扰的信号中最大限度地提取信源输出的信息，并尽可能复现信源的输出。

6) 信宿

它是信息传输过程中的接收者，即接收消息的人或机器。

通信的任务是将表示消息的信号从发送方（信源）传递到接收方（信宿）。既然信 号可分为模拟信号和数字信号，与之相对应的，通信也可分为模拟通信和数字通信。模 拟通信通常是利用模拟信号来传递消息：而数字通信则是利用数字信号来传递消息。按 传送模拟信号而设计的通信系统称为模拟通信系统，按传送数字信号而设计的通信系统 称为数字通信系统。 3. 模拟通信

利用模拟信号来传递消息称为模拟通信，普通的电话、广播、电视等都属于模拟通 信。模拟通信系统的模型如图 4-3 所示。

图 4-3 模拟通信

模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。信源所 产生的原始模拟信号一般都要经过调制再通过信道传输（距离很近的有线通信也可以不 调制，如市内电话）。调制器是用发送的消息对载波的某个参数进行调制的设备。解调 器是实现上述过程逆变换的设备。

信道是用来传输表示消息的电信号的介质或通路。它可以是双绞线、同轴电缆、光 缆、微波以及卫星链路等，有时我们将传输介质两端的设备也看作是信道的一部分。

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模拟通信系统中的噪声源包括了影响该系统的所有噪声，如脉冲噪声（天电噪声、

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工业噪声等）和随机噪声（信道噪声、发送设备噪声、接收设备噪声等）。 4. 数字通信

利用数字信号来传递消息称为数字通信，计算机通信、数字电话以及数字电视都属

于数字通信。数字通信系统模型如图 4-4 所示。数字通信系统由信源、信源编码器、信 道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪声源以及发送

端和接收端时钟同步组成。

在数字通信系统中，如果信源发出的是模拟信号，就要经过信源编码器对模拟信号 进行采样、量化及编码，将其变换为数字信号。信源编码有两个主要作用：一个是实现

数/模转换；另一个是降低信号的误码率。而信源译码则是信源编码的逆过程。

图 4-4 数字通信

由于信道通常会遭受各种噪声的干扰（自然的和人为的）以及通信终端设备本身的 噪声干扰，有可能导致接收端接收信号产生错误，即误码。为了能够自动地检测出错误 或纠正错误，可采用检错编码或纠错编码，这就是信道编码；信道译码则是信道编码的

逆变换。

从信道编码器输出的数码序列还是属于基带信号。除某些近距离的数字通信可以采 用基带传输外，通常为了与采用的信道相匹配，都要将基带信号经过调制变换成频带信

号再传输，这就是调制器所要完成的工作；而解调则是调制的逆过程。

时钟同步也是数字通信系统的一个重要的不可或缺的部分。由于数字通信系统传递 的信号是数字信号，所以发送端和接收端必须有各自的发送和接收时钟系统。而为了保

证接收端正确接收数字信号，接收端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持同步。

近年来，数字通信无论在理论上还是技术上都有了突飞猛进的发展。数字通信和模

拟通信相比，具有抗干扰能力强、可以再生中继、便于加密、易于集成化等一系列优点。 另外，各种通信业务，无论是话音、电报，还是数据、图像等信号，经过数字化后都可 以在数字通信网中传输、交换并进行处理，这就更显示出数字通信的优越性。

下面我们将讨论数字通信系统的主要特点： 1) 抗干扰能力强

模拟通信系统传输的是模拟信号。模拟信号在传输过程中，噪声将叠加在有用的模

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拟信号上，接收端很难将信号和噪声分开，因而模拟通信系统的抗干扰能力比较差。相

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反，数字通信系统传输的是二进制信号，消息是寓于数字脉冲波形的两种状态之中。在 数字通信的接收端对每一个接收信号进行采样并与某个门槛电平进行比较，只要采样时 刻的信号电平不超过门槛电平，接收端就不会形成错判，可以正确接收数据，而不受噪 声的影响。因此数字通信系统比模拟通信系统的抗干扰能力强。此外，数字通信系统还 可以采用许多具有检错或纠错能力的编码技术，从而进一步提高了系统的抗干扰能力。

2) 可实现高质量的远距离通信

对于模拟通信，噪声是叠加在有用的模拟信号上的。而模拟通信系统中的模拟放大 器无法将有用的信号与噪声分开，只好将有用信号和噪声同时放大。随着传输距离的增

加以及模拟放大器的增多，噪声也会越来越大，因此模拟通信系统中的噪声是有积累的， 对远距离通信的质量造成很大的影响。而数字通信系统则是采用再生中继器的方法。即，

传输过程中信号所受到的噪声干扰经过中继器时就已经被消除，然后再生器恢复出与原 始信号相同的数字信号，因而克服了模拟通信系统中噪声叠加的问题，因此数字通信系 统可以实现高质量的远距离通信。现代数字电话的通话质量要比传统模拟电话的通话质 量好得多。

3) 能适应各种通信业务

在数字通信系统中，各种消息（电报、电话、图像和数据等）都可以被变换为统一 的二进制数字信号进行传输，所以数字通信系统能灵活地适应各种通信业务。通常我们 把能够同时传输和处理各种不同业务的数字通信网叫做综合业务数字网（ I n t e rgated Services Digital Network，I S D N）。随着高速光纤传输技术、高速数字交换技术以及高 性能处理技术的不断发展， I S D N 将会在 2 1 世纪得到更广泛的应用。

4) 能实现高保密通信

由于数字通信系统中传输的是数字信号，因而在传输过程中，可以对信号进行各种 数字处理：如存储、转发、复制、加密、检错纠错等。这些处理在模拟通信系统中是不 可能实现的。

正因为在数字通信系统中可以对信号进行各种处理，因而也就可以在数字通信系统 中采用复杂的、非线性的的长周期的密码序列对数字信号进行加密，从而使数字通信具 有高度的保密性，能适用于很多对保密性要求非常高的场合，如军事应用领域。而模拟 通信要实现高度加密是比较困难的。

5) 通信设备的集成化和微型化

数字通信设备大都是由数字电路构成，数字电路比模拟电路更容易集成化。数字信 号处理技术和大规模集成电路技术的发展为数字通信设备的微型化和集成化提供了良 好的条件。而随着数字处理器件和大规模集成电路芯片价格的不断下降，数字传输设备 以及相关的交换和处理设备都将比模拟传输设备便宜得多。

当然，与模拟通信相比，数字通信也有其缺点。数字通信的最大缺点是占用的频带 宽。可以说数字通信的许多优点是以牺牲信道带宽为代价而换来的。以电话为例，一路 模拟电话占用 4 KHz 信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是 Kbps，所需 占用的带宽要远远大于 4 KHz。数字通信的这一缺点了它在某些信道带宽不够大的

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场合的使用。

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总之，数字通信的优点是主要的。特别是随着微波、卫星、光纤等高带宽信道的广

泛使用，数字通信的缺点也越来越不明显，数字通信将是现代通信系统的一个重要发展

方向。

4.2 数据传输

4.2.1 信道、调制/解调

1. 信道

信道是信号从发送端到接收端之间进行传输的路径。

这一术语也是线路、电路、链路、数据链路、通路等术语的同义语。这个术语实际 上是指把两种 DCE 通信设备连接起来的设施，包括传输介质和有关中间通信设备。但

信道概念的含义，并不是实际的电缆、电线等，而是指数据流过的由介质提供的路径。 2. 调制/解调

使用调制/解调技术的目的： 利用模拟信道支持数据信息传输的技术。

调制（Modulation）：将数据信息变换成适合于模拟信道上传输的电磁波（称为载 波）信号， 并将频率在模拟信道支持的频率范围内；

解调（Demodulation）：将从模拟信道上收取的载波信号还原成数据信息。 编码/解码(COding and DECcoding)技术： 用于实现模拟信息与数字信号之间的转 换。

编码（Coding）：编码是将模拟信息转换为数字信号的过程，通常采用脉码调制技 术（PCM）予以实现。

解码（Decoding）：解码则指将数字信号还原为模拟信息的逆过程。 编码解码器（CODEC）：具有编码/解码功能的通信设备。

应用场合：计算机对生产装置进行控制、用数字信道传输模拟信息等。 脉码调制（PCM）的过程:

采样：通过某种频率的采样脉冲将模拟信息的值取出，变连续的模拟信息为离散信 号。

量化：量化的目的是确定采样出的模拟信号的数值。通过规定一定的量化级，对采 样得到的离散值进行“取整”量化，得到离散信号的具体数值。

编码：将量化后的值编码成一定位数的二进制值。

4.2.2 数据传输的基本形式

1. 基带传输

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由计算机或终端产生的信号，包含有直流、低频和高频等分量是一串脉冲信号，随

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第 4 章 通信基础 - 75 -

着频率的升高，其相应幅度减小，最后趋于零。这种由计算机或终端产生的频谱从零开 始，而未经调制的数字信号所占用的频率范围就叫基本频带（这个频带从直流起可高到 数百千赫，甚至若干兆赫），简称基带（base band）。这种数字信号就称基带信号。

例如，在有线信道中，直接用电传打字机进行通信时，其传输的信号就是基带信号。 传送数据时，以原封不动的形式，把基带信号送入线路，称为基带传输。基带传输不需 要调制解调器，设备花费小，适用于短距离的数据传输中，如在一个企业、工厂内，可 以来用这种方式将大量终端接于主计算机。局域网中采用基带同轴电缆作传输介质进行 数据传输。

2. 频带传输

在计算机通信远程线路中，不能直接传达原始的电脉冲信号（即基带信号）。因此 除市内线路外，不能传输近似于零频率的分量。为此需要利用频带传输，就是用基带脉 冲对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化，也就是调制。经过调 制的信号称为已调信号。已调信号通过线路传输到接收端，然后经过解调恢复为原始基 带脉冲。

这种频带传输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，而 且能实现多路复用的目的，从而提高了通信线路的利用率。不过频带传输在发送端和接 收端都要设置调制解调器。 3. 宽带传输

所谓宽带，是指比音频带宽（4kHz）更宽的频带，包括大部分电磁波频谱。使用 这种宽频带进行传输的系统，称为宽带传输系统，它可以容纳全部广播，并可进行高速 数据传输。

对于局域网来说，宽带这个术语专门用于使用传输模拟信号的同轴电缆。可见宽带 传输系统是模拟信号传输系统，它允许在同一信道上进行数字信息和模拟信息服务。基 带和宽带的区别还在于数据传输速率不同。基带数据传输速率为 0-10Mbps，更典型的

是 1Mbps-2.5Mbps，通常用于传输数字信息。宽带是传输模拟信号，数据传输速率范围 为 0-400Mbps，而通常使用的传输速率是 5Mbps-10Mbps。而且一个宽带信道可以被划 分为多个逻辑基带信道。这样就能把声音、图像和数据信息的传输综合在一个物理信道 中进行，以满足办公自动化系统中电话会议图像传真、电子邮件、事务数据处理等服务

的需要。因此宽带传输一定是采用频带传播技术的，但频带传输不一定就是宽带传输。

4.2.3 数据传输方式

根据组成字符的各个二进制位是否同时传输，字符编码在信源/信宿之间的传输分 为并行传输和串行传输两种方式。

首先，我们来区分串行和并行传输。并行传输（Parallel Transmission）指可以同时

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传输一组比特，每个比特使用单独的一条线路（导线）（见图 4-5a）。这些线路通常被捆 扎在一条电缆里。并行传输非常普遍，特别是用于两个短距离的设备之间。比如说，一 个长 25 英尺的 PC 机到打印机的连接就被认为是一个可靠的连接。最常见的例子是计

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算机和外围设备之间的通信。其他的例子还包括 C P U、存储器模块和设备控制器之间 的通信。

图 4-5 并行传输与串行传输

1. 并行传输：

字符编码的各位（比特）同时传输。 特点：

1) 传输速度快:一位（比特）时间内可传输一个字符；

2) 通信成本高:每位传输要求一个单独的信道支持；因此如果一个字符包含 8 个

二进制位，则并行传输要求 8 个的信道的支持；

3) 不支持长距离传输:由于信道之间的电容感应，远距离传输时，可靠性较低。 2. 串行传输：

将组成字符的各位串行地发往线路。 特点：

1) 传输速度较低，一次一位；

2) 通信成本也较低，只需一个信道。

3) 支持长距离传输，目前计算机网络中所用的传输方式均为串行传输。 串行传输有两种传输方式： 1. 同步传输

同步传输：以多个字符或者多个比特组合成的数据块为单位进行传输的，利用独特

的同步模式来限定数据块，达到同步接收的目的。

在这种方式中，利用时钟的同步使发送和接收装置之间的定时不发生误差。使时钟

保持同步的方法之一，是在接收装置和发送装置之间采用单独的时钟信息，称为同步法。 另一种方法是将定时信号包含在数据信号中发送，直接从数据波形本身中提取同步信 号，称自同步法。如数字信号利用曼彻斯特编码时，规定传送\"0\"信号时是先正后负， 传送\"1\"信号时是先负后正。

由于数据信号都是由二进制码按预定规律编排而成，它包含位、字、句及帧。数据 传输的代码结构是由若干位组成字，由若干字组成句，由若干句组成帧，传输时不仅位

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需要同步，其余字、句、帧都要同步，这就叫\"群\"同步。只有做到群同步，接收端才能

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第 4 章 通信基础 - 77 -

正确识别字、句、帧等码群。如果只有位同步而无群同步，收到的信号将是一串无意义 的码元序列。为使接收装置能确定数据块的开始和结束，每一数据块前、后用同步数据 块加上同步定界符等控制信息的组合，常称为\"帧\"。帧的实际格式，常取决于传输方案， 是面向比特（位）的，还是面向字符方式的。

1) 面向字符方式

在面向字符方式中，数据被当作字符（8 位）序列，所有控制信息取字符形式。每 帧以一个或多个同步字符开始。同步字符常记作 SYN，其 8 位编码为 00010110，SYN 告知接收装置是一个数据块的开始。在有些方案中，具有特定的字符作后定界符。接收 装置一接收到 SYN 字符，就得知已发送了数据块，而开始接收数据，直到接收到后同 步字符，一帧数据就告结束。之后，接收装置又开始寻找新的 SYN 控制字符。如图 4-6 所示。

图 4-6 同步传输中面向字符的帧

2) 面向比特（位）方式

在面向比特方式中，数据块被当作比特序列，数据或控制信息都不必如同面向字符 传输那样，以 8 位为单位，而是以 8 位的标志 F 开始，同样也以标志 F 作为后同步。 如图 4-7 所示面向比特方式与面向字符方式的区别在于格式不同及对控制信息的解释 的细节不同。

图 4-7 同步传输中面向比特的帧

2. 异步传输

异步传输又称起止式传输，其特点是字符内部的每一位采用固定的时间模式，字符 之间间隔任意。用独特的起始信号（或起始位）和终止信号（或结束位）来限定每个字 符，传输效率较同步传输低。

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在异步传输（图 4-8）方式中，每次传送一个字符（5-8 位），都在每个字符代码前

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加一起始位，表示该字符代码的开始。在字符和校验码后加一停止位，以示该代码的结

束。所以又称起止式同步，起始位编码为\"0\"，持续一位时间，停止位编码为\"1\"持续 l～ 2 位。当不发送数据时，发送端连续地发送停止码\"1\"。接收端一旦接收到从 1 到 0 信 号跳变，便知道要开始新字符的发送，利用这种极性的改变便可启动定时机构，实现同

步。

图 4-8 异步传输

当接收到接收停止位，就将定时机构复位，准备接收下一个字符代码。在异步传输

中不需要传输时钟脉冲。由于这种方式的字符发送是相互的，故称为异步方式。

异步通信设备易于安装，维护简单且价格便宜；但异步方式由于每一个字符都引入 起始和停止位，所以开销大、效率低、速率低，常用于低速传输，如 1200bps 或更低的

速度。分时终端与计算机的通信一般是异步的。

4.2.4 数据传输控制方式

根据收发双方信息交换的方向性，传输有单工、半双工和全双工之分。 1. 单工

在单工方式中，通信是单向进行的，就象是单行道。一条链路的两个站点中只有一

个可以进行传输，另一个只能接收。见图 4-9。

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第 4 章 通信基础 - 79 -

图 4-9 单工

键盘和传统监视器都是单工设备的例子。键盘只能接受输入，监视器只能接受输出 信号。

2. 半双工

在半双工方式下，每个站点都可以发送和接收，但是不能同时发送和接收。当其中

一个设备在发送时，另一个只能接收，反之亦然。见图 4-10。

图 4-10 半双工

半双工方式象只有一个车道的双向交通。当车辆朝某个方向行驶时，向另一方向行驶的 必须等待。在半双工方式中，无论那一方开始传输，就使用信道的整个带宽。对讲机和

民用无线电即是半双工系统。 3. 全双工

在全双工方式中(也叫双工方式)，两个站点同时都可以进行发送和接收。见图 4-11。

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图 4-11 传输控制方式

全双工方式象同时允许两个方向的车辆通行的双车道公路交通。在全双工方式下， 两个方向的信号共享链路带宽。这种共享可以两种方式进行：要么链路具有两条物理上 的传输路径，一条发送一条接收，或者为同时传输两个方向的信号将信道的带宽一 分为二。

单工和半双工传输可以采用一个信道支持信息的传输，对于全双工传输则需要采用 两个信道，或者利用存储技术，在一个信道上支持宏观的全双工传输。

4.3 多路复用

4.3.1 多路复用概念

多路复用（MUX）这一术语来源于拉丁词 multi（许多）和 plex（混

合）。多路复

用指的是复用信道，即是利用一个物理信道同时传输多个信号，以提高信道利用率，使 得一条线路能同时由多个用户使用而互不影响。多路复用器连接许多条低速线路，并将 它们各自所需的传输容量组合在一起后，在一条速度较高的线路上传输。也即低速线路 在其远端合并，仅由一条较高速度的线路传输所有信息，而不是在一个发送端和接收端 之间连接着许多低速线路。

多路复用的目的：充分利用昂贵的通信线路，尽可能地容纳较多的用户和传输较多 的信息。

多路复用的基本原理：当物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需的带宽时，可 将该物理信道的总带宽分割成若干个固定带宽的子信道，并利用每个子信道传输一路信 号，从而达到多路信号共用一个信道，或者将多路信号组合在一条物理信道上传输的目 的，充分利用信道容量。

多路复用的优点是：仅需一条传输线路，所需介质较少，所用的传输介质的容量可

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以得到充分利用。从而降低了设备费用，提高了工作效率。而且用户不需要进行任何实 际的修改，多路复用系统对用户是透明的，每个很远的地点都好像仍然直接接到总部所 在地。同时，由于线路中用的缓冲部件较少，时间延迟较少。

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第 4 章 通信基础 - 81 -

4.3.2 多路复用技术

1. 空分复用

空分复用是指通过信号在空间上的分离来达到信道的复用。

例如，在光纤通信中，空分复用包括两个方面：一是光纤的复用，即将多根光纤组

合成束；二是在一根光纤中的光“束”沿空间分割的一种通信方式。可以引入

相干度调制与解调的新概念来实现多路空分复用通信。

传向速是一种特殊的空分复用方式。它是将图像采用空分复用方式传输，使其传输 速度成数量级地提高。几十万个象素的多芯传向光纤己相当成熟。其色保持特性和透光

性已相当令人满意，是空分复用的一个发展方向。 2. 频分复用

频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）的典型例子有许多，如无 线电广播、无线电视中将多个电台或电视台的多组节目对应的声音、图像信号分别载在 不同频率的无线电波上，同时在同一无线空间中传播，接收者根据需要接收特定的某种 频率的信号收听或收看。

同样，有线电视也是基于同一原理。总之，频分复用是把线路或空间的频带资源分 成多个频段（带），将其分别分配给多个用户，每个用户终端的数据通过分配给它的子 通路（频段）传输，主要用于电话和电缆电视（CATV）系统。在 FDM 中，各个频段 （带）都有一定的带宽，称之为逻辑信道（有时简称为信道）。为了防止相邻信道信号 频率覆盖造成的干扰，在相邻两个信号的频率段之间设立一定的\"保护\"带，保护带对应 的频谱不被使用，以保证各个频带互相隔离不会交叠。 3. 时分复用

时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）是将传输信号的时间进行分割， 使不同的信号在不同时间内传送，即将整个传输时间分为许多时间间隔（称为时隙、时 间片等，slot time）。每个时间片被一路信号占用。换句话说，TDM 就是通过在时间上 交叉发送每一路信号的一部分来实现一条线路传送多路信号。线路上的每一时刻只有一 路信号存在，而频分是同时传送若干路不同频率的信号。因为数字信号是有限个离散值， 所以适合于采用时分多路复用技术，而模拟信号的传输一般采用频分多路复用。TDM 又分为同步 时分复用（ Synchronous Time Division Multiplexing ）和异步时分复用 （ATDM）。

1) 同步时分复用：

同步时分复用采用固定时间片分配方式，即将传输信号的时间按特定长度连续地划 分成特定时间段，再将每一时间段划分成等长度的多个时隙（时间片），每个叫隙以固 定的方式分配给各路数字信号．各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。通 常，与复用器相连接的是低速设备（如终端），复用器将低速设备送来的在时间上连续 的低速率数据经过提高传输速率，将其压缩到对应时隙，使其变为在时间上间断的高速

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时分数据，以达到多路低速设备复用高速链路的目的。所以与复用器相连的低速设备数 目及速率受复用群反复用传输速率的。

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由于在同步时分复用方式中，时隙预先分配且固定不变，无论时间片拥有者是否传

输数据都占有一定时隙，形成了时隙浪费，其时隙的利用率很低，为了克服 STDM 的

缺点，引入了异步时分复用（ATDM）技术。

2) 异步时分复用：

异步时分复用技术又被称为统计时分复用（statistical time division multiplexing）或 智能时分复用（ITDM），它能动态地按需分配时隙，避免每个时间段中出现空闲时隙。

ATDM 就是只有某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它。当用户暂停发送 数据时不给它分配线路资源（时隙）。线路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输。所 以每个用户的传输速率可以高于平均速率（即通过多占时隙），最高可达到线路总的传

输能力（即占有所有的时隙）。如线路总的传输能力为 28.8Kbps，3 个用户公用此线路，

在同步时分复用方式中，则每个用户的最高速率为 9600bps，而在 ATDM 方式时，每个 用户的最高速率可达 28.8Kbps。 4. 码分复用

码分多址复用（Code Division Multiple Access，CDMA）与前面介绍的信道分配方 法完全不同。前面所介绍的方法中，有些是将信道分成频率段，对它们进行静态分配 （FDM），另外的方法则是根据帧来分配信道，将整个信道静态地（具有固定时隙的 TDM）。码分复用允许所有站点同时在整个频段上进行传输，多路的问时传输采用编码 原理加以区分。码分复用假定多重信号是线性叠加的。

在研究码分复用的算法之前，先考虑一下信道访问的鸡尾酒会原理：在一个大房间 里，许多对人正在交谈。TDM 就是房间里有人依次讲话，一个结束后另一个再接上。 FDM 就是所有的人分成不同的组，每个组同时进行自己的交谈，但依旧。码分复 用就是房间里的不同对的人分别用不同的语言进行交谈，语的人只理会法语，其他 的就当作噪音不加理会。因此，码分复用的关键就是能够提取出所需的信号，同时将其 他的一切当作随机噪声抛弃。

在 CDMA 中，每比特时间被分成 m 个短的时间段，称为芯片（chip）。通常情况下，

每比特有 个或 128 个芯片。但在下面的例子中，为了简化问题，假定每比特有 8 个 芯片。

每个站点被指定一个唯一的 m 位的代码或芯片序列（chip sequence）。当发送比特 1 时，站点就发送其芯片序列，想发送比特 0 时，站点就发送其芯片序列的补码。除此 之外，没有其他任何格式。因此，假如站点 A 的芯片序列被指定为 00011011，发送

00011011 就表示发送比特 1，发送 11100100 就表示发送比特 0。

只有在带宽增加到 m 倍的情况下，发送的信息量才能从 b bps 增加到 mb 芯片/s。 这使 CDMA 成为一种扩频方式的通信（假设调制及编码技术不变）。假如 l00 个站点共 用 1MHz 的带宽，在使用 FDM 时传输速率为 10 k/s（假定 1b/比）。以 CDMA 方式，每 个站点使用完整的 1MHz 的带宽，芯片速率就为 1 M 片/s 。假如每比特少于 100 片，

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那么 CDMA 中每站的有效带宽就高于 FDM，于是信道分配问题也就解决了，这一点下 面很快就会看到。 5. 波分复用

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第 4 章 通信基础 - 83 -

在光纤信道上使用的是频分多路复用的一个变种，即波分多路复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）。图 4-12 即一种在光纤上获得 WDM 的简单方法。在这 种方法中，两根光纤连到一个棱柱（或更可能是衍射光栅），每根的能量处于不同的波 段。两束光通过棱柱或光栅，合成到一根共享的光纤上，传送到远方的目的地，随后再 将它们分解开来。

图 4-12 波分多路复用

这里没有使用什么新的技术。由于每个信道有自己的频率范围，而且所有的范围都 是分隔的，所以它们可以被多路复用到长距离的光纤上。与电子的 FDM 不同的唯一的 区别是：光纤系统使用的衍射光栅是完全无源的，因此极其可靠。

应该注意到，WDM 很流行的原因是一根光纤上的能量常常仅仅有几 GHz 宽，因 为现在不可能在光电介质间作更快的转换。而一根光纤的带宽大约是 25000GHz，因此 可以将很多信道复用到长距离光纤上，当然前提条件是所有的输入信道都应使用不同的 频率。

WDM 一个可能的应用是 FTTC 系统。最初，电话公司可以从一个端局向一个邻接 的接线盒引一根光纤，在接线盒处用多根双绞线引入各个家庭。数年以后，当光纤的成 本降下来而对它的需求上升时，就可以用光纤代替双绞线，这样所有的本地回路都利用 WDM 连接到通向端局的光纤上。

4.4 交换技术

交换即转接，是在交换通信网中实现数据传输必不可少的技术。常用的交换技术有 三种：电路交换（线路交换）、报文交换和分组交换（包交换），下面介绍几种交换技术 及特点。

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- 84 - 实用联网技术

4.4.1 电路交换

电路交换是一种直接的交换方式，它为一对需要进行通信的装置（站）之间提供一

条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可是物理通道又可是逻辑通道（使

用时分或频分复用技术）。这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择、 连接而完成的，由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路。

目前公用电话网广泛使用的交换方式是电路交换。 1. 经由电路交换的通信包括三个阶段： 1) 电路建立：

通过源站点请求完成交换网中对应的所需逐个节点的接续（连接）过程，以建立起 一条由源站到目的站的传输通道。例如：A，D 间要完成通信，共过程为 A 向节点 4

申请，通常，从 A 到 4 的链路是专用线，节点 4 在 4-1，4-5，4-7 三条传输路径中选择 一条作为通路，如选择 4-5，并在节点 4 内部建立 A-4 路径与 4-5 路径间的连接，依次 类推，之后节点 5 内部建立 4-5 和 5-3 路径之间的连接，最后节点 3 内部建立 5-3 路径 和 3-D 路径之间的连接，最终完成 A-D 之间的传输通道为 A-4-5-3-D。

2) 数据传输：

现在，信号可以从 A 经建立的链路传送到 D，通常为全双工传输。 3) 电路拆除：

在完成数据或信号的传输后，由源站或目的站提出终止通信，各节点相应拆除 该电路的对应连接，释放由原电路占用的节点和信道资源。 2. 电路交换具有下列特点：

1) 呼叫建立时间长且存在呼损。在电路建立阶段，在两站间建立一条专用通路需 要花费一段时间，这段时间称为呼叫建立时间。在电路建立过程中由于交换网繁忙等原 因而使建立失败，对于交换网则要拆除已建立的部分电路，用户需要挂断重拨，这称为 呼损。

2) 电路连通后提供给用户的是\"透明通路\"，即交换网对用户信息的编码方法、信 息格式以及传输控制程序等都不加以，但对通信双方而言，必须做到双方的收发速 度、编码方法、信息格式、传输控制等一致才能完成通信。

3) 一旦电路建立后，数据以固定的数据率传输，除通过传输链路的传播延迟以外， 没有别的延迟，在每个节点的延迟是可以忽略的，适用于实时大批量连续的数据传输。

4) 线路（信道）利用率低。电路建立，进行数据传输，直至通信链路拆除为止，

信道是专用的，再加上通信建立时问、拆除时间和呼损，其利用率较低。

4.4.2 报文交换

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在数据交换是相对较为连续的数据流时（如话音），电路交换是一种适宜的、易于 使用的技术。日前数字数据通信广泛使用报文交换。在报文交换网中，网络节点通常为

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第 4 章 通信基础 - 85 -

一台专用计算机，带有足够的外存，以便在报文进入时，进行缓冲存储。节点接收一个 报文之后，报文暂存放在节点的存储设备之中，等输出线路空闲时，再根据报文中所附 的目的地址转发到下一个合适的节点，如此往复，直到报文到达目标数据终端。所以报 文交换也称为存储转发（store and forward）。

在报文交换中，每一个报文由传输的数据和报头组成，报头中有源地址和目标地址。

节点根据报头中的目标地址为报文进行路径选择。并且对收发的报文进行相应的处理，

如差错检查和纠错、调节输入/输出速度进行数据速率转换、进行流量控制，甚至可以 进行编码方式的转换等，所以报文交换是在两个节点间的一段链路上逐段传输，不需要 在两个主机间建立多个节点组成的电路通道。

与电路交换相比，报文交换方式不要求交换网为通信双方预先建立一条专用的数据 通路，因此就不存在建立电路和拆除电路的过程，如动画所示，如果主机 4 要求发送一 个报文给主机 E，主机 A 首先将报文发送到节点 4；节点 4 根据报文附加的目标地址选 择节点 5（或 7）为转发达个报文的下-个节点；节点 5（或 7）接收并存储所收到的报 文，当输出线路有空时，把该报文转发到它所选择的下一个节点 6；节点 6 收到报文后 交给主机 E，完成报文传输。报文交换中每个节点都对报文进行\"存储转发\"，报文数据 在交换网中是按接力方式发送的。通信双方事先并不知道报文所要经过的传输路径，并 且各个节点不被特定报文所独占。 报文交换具有下列特征：

1) 源站 A 和目标站 E 在通信时不需要建立一条专用的通路，因此就不需要节点 4、5、6 或 4、7、6 同时空闲。

2) 与电路交换相比，报文交换没有建立线路和拆除线路所需的等待和时延。 3) 线路利用率高，节点间可根据线路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数 据。

4) 要求节点具备足够的报文数据存放能力，一般节点由微机或小型机担当。 5) 数据传输的可靠性高，每个节点在存储转发中，都进行差错控制，即检错、纠 错。

6) 缺点：由于采用了对完整报文的存储/转发，节点存储/转发的时延较大，不适 用于交互式通信，如电话通信；由于每个节点都要把报文完整地接收、存储、检错、纠 错、转发，产生了节点延迟，并且报文交换对报文长度没有，报文可以很长，这样 就有可能使报文长时间占用某两节点之间的链路，不利于实时交互通信。分组交换即所 谓的包交换正是针对报文交换的缺点而提出的一种改进方式。

4.4.3 分组交换

分组交换属于\"存储/转发\"交换方式，但它不像报文交换那样以报文为单位进行交 换、传输，而是以更短的、标准的\"报文分组\"（packet）为单位进行交换传输。分组是

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一组包含数据和呼叫控制信号的二进制数，把它作为一个整体加以转接，这些数据、呼 叫控制信号以及可能附加的差错控制信息是按规定的格式排列的。举例说明分组交换的

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- 86 - 实用联网技术

过程：假如 A 站有一份比较长的报文要发送给 C 站。则它首先将报文按规定长度划分

成若干分组。每个分组附加上地址及纠错等其他信息，然后将这些分组顺序发送到交换

网的节点 4。

交换网可采用两种方式：数据报传输分组交换或虚电路传输分组交换进行交换。 1. 数据报传输分组交换

交换网把进网的任一个分组都当作单独的\"小报文\"来处理，而不管它属于哪个报文 的分组，就像报文交换中把一份报文进行单独处理一样。如 A 站将报文分成 3 个分组 (P1，P2，P3)，按序连续地发送给节点 4，节点 4 每接收一个分组都先存储下来。分别 对他们进行单独的路径选择和其他处理过程。例如它可能将报文发送给节点

5，P2 发

送给节点 1，P3 发往节点 5，这种选择主要取决于节点 4 在处理每一个分组时各链路的 负荷情况以及路径选择的原则和策略。由于每个分组都带有地址和分组序列，虽然他们 不一定经过同-条路径，但最终都能到达同一目的节点 2。这些分组到达目的节点 2 的 顺序也可能被打乱。目的节点 2 可以负责对分组进行排序和重装，目的站 C 也可以完

成这些排序和组装工作。

上述这种分组交换方式简称为数据报传输方式，作为基本传输单位的\"小报文\"被称

为数据报（datagram）。

2. 虚电路传输分组交换

所谓虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通 信网络建立逻辑上的连接，一旦这种连接建立，直至用户不需要发送和接收数据时清除

这种连接。

其主要的特点是：所有分组都必须沿着事先建立的虚电路传输，存在一个虚呼叫建 立阶段和拆除阶段（清除阶段）。与电路交换相比，并不意味着实体间存在象电路交换 方式那样的专用线路，而是选定了特定路径进行传输，分组所途经的所有节点都对这些

分组进行存储/转发，这是与电路交换的实质上的区别。

这种方法的优点是：对了数据量较大的通信传输率高，分组传输时延短，且不容易 产生数据分组丢失；缺点是对网络依赖性大。数据报方式是将一个数据分组当作一份独 立的报文看待，每一个数据分组都含有源地址和目标地址信息，交换节点须为每一个数

据分组地寻找路径，因此一份报文包含的不同分组可能沿着不同的路径到达终点， 而在网络终点需要重新排序。数据报的优点是对于短报文数据通信传输效率比较高，对 网络故障的适应能力强，缺点是时延大。

总之，分组经过通信网络到达终点有两种方法：虚电路（Virtual Circuit）和数据报 （datagram）。

传统的交换技术不能满足多媒体业务应用，目前提高交换速度的方案有帧中继和 ATM 等。最有发展前途的交换技术是 ATM（异步传输模式），他是线路交换与分组交 换技术的结合，能最大限度地发挥线路交换与分组交换技术的优点，具有从实时的话音 信号到高清晰度电视图像等各种高速综合业务传输能力。

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第 4 章 通信基础 - 87 -

本章小结

本章主要讲述了通信的基本概念，对这些概念和适用的场合比较清楚，包括通信的

模型、模拟和数字两种通信方式、衡量通信信道的参数指标。信息传输的基本方式：频

带和基带、信号调制的几种方法。数据编码的方式和各自的特点。信道复用方式、分类； 数据传输方式：串行、并行；传输控制方式：单工、半双工、全双工。同步传输和异步 传输的概念；网络信息交换技术：电路交换和存储转发交换。

本章的概念比较多，但都是与通信有关的基础知识，因此要弄清楚这些概念的不同 应用场合和各自的特点。

练习题

一、综合练习

1) 从双方信息交互的方式来看，通信有以下三个基本方式：（ ）通信、（ ）通信

和（ ）通信

2) ( )通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

3) ( )通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。 4) ( )通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

）， 5) 信息交换方式有（ ）， ）3 种，其中（ ）方式又分为（ ）

和（ ）方式。

），（ ），（ ），（ ），（ ）等。 6) 常用的多路复用方式有（

7) 计算机网络通信采用同步和异步两种方式，但传送效率最高的是（ ）。

A．同步方式 B．异步方式 C．同步与异步方式传送效率相同 5 D. 无法比较

8) 将一条物理信道按时间分成若干时间片轮换地给多个信号使用，每一时间片由复用

的一个信号占用，这样可以在一条物理信道上传输多个数字信号，这就是（ ）。 A. 频分多路复用 B. 时分多路复用 C．空分多路复用 D．频分与时分混合多路复用 9) 通信系统必须具备的三个基本要素是（ ）。 A.信源 B.载体

A. 终端电缆、计算机

二、思考题

B. 信号发生器、通信线路、信号接收设备 C. 信源、通信媒体、信宿

D. 终端、通信设施、接收设备 10) 信息的发送者称为（ ）。

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D.噪声

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- 88 - 实用联网技术

1) 什么是基带传输？什么是频带传输？试就两者进行比较。 2) 比较频分多路复用技术和时分多路复用技术的异同点。 3) 试比较各种分组交换技术的优点和缺点。

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