数据通信与计算机网络教程课件第4章 技术

1数据通信与计算机网络教程（第3版）

第4章数据传输技术2第4章数据传输技术教学目的掌握实现数据传输的各种基本技术，包括模拟信号数字化的传输技术、数字基带传输技术、数字频带传输技术、信道访问技术、信道复用技术、同步控制技术、数据交换技术和差错控制技术。学习内容模拟信号数字化的传输技术数字基带传输技术数字频带传输技术信道访问技术信道复用技术同步控制技术数据交换技术差错控制技术3第4章：内容提纲4.1模拟信号数字化的传输技术4.2数字基带传输技术4.3数字频带传输技术4.4信道访问技术4.5信道复用技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8

差错控制技术

44.1模拟信号数字化的传输技术话音和视频类的模拟数据在数字网络上进行数字传输时，需将模拟数据转换成数字信号。实现“模/数变换”要用一对编/解码器。编/解码器的作用是将模拟数据转换成数字信号，或将数字信号恢复成模拟数据。编解码器使用的主要技术是脉冲编码调制PCM。PCM有三种形式：①脉冲编码调制PCM;②差分脉冲编码调制DPCM;

③自适应差分脉冲编码调制ADPCM。4.1.1

模拟信号的抽样1、低通模拟信号的抽样抽样是对模拟信号在一系列离散的时间点上，进行抽取其样值的操作。5S(t)t-3T-2T-T0T2T3T模拟信号4.1.1

模拟信号的抽样(续1)注意两点：在理论上，抽样过程可以看作是周期性单位冲激脉冲和此模拟信号相乘。而在实际应用中，抽样的结果是一系列周期性的冲激脉冲，其面积和模拟信号的取值成正比。抽样所取得的离散冲激脉冲与原始连续模拟信号的形状是不一样的。但可以证明，对一个带宽有限的连续模拟信号进行抽样时，若抽样速率足够高，则这些抽样值是能够完全代表原模拟信号。换句话说，由这些抽样值就能够准确恢复出原来的模拟信号。64.1.1

模拟信号的抽样(续2)抽样定理：若一个连续模拟信号S(t)的最高频率小于fH，则以间隔时间为T≤1/2fH的周期性冲激脉冲对其抽样，S(t)将被这些抽样值所完全确定。由于采用等间距的抽样时间，所以此定理又称为均匀抽样定理。注意：采用不等间距的抽样时间间隔，此抽样定理也是正确的。恢复原模拟信号的条件是

fS≥2fH，这一最低的抽样频率2fH称为奈奎斯特抽样速率。74.1.1

模拟信号的抽样(续3)2、带通模拟信号的抽样低通模拟信号的抽样频率

当fL＝0，则fS＝2B。带通模拟信号的抽样频带

当频带在fL(＞0)和fH之间，抽样频率是fS＝2B+2Bk/n=2B(1+k/n)式中，B为信号带宽，n是小于fH/B的最大整数，k的取值范围是0＜k＜1。

当fL很大时，表示这是一个窄带信号。抽样频率fS可近似取为2B。84.1.1

模拟信号的抽样(续4)3、模拟脉冲调制如果把周期性的脉冲序列看作非正弦载波，而把抽样过程看作是模拟信号对它进行振幅调制。这种調制称为脉冲振幅调制PAM(PulseAmplitudeModulation，見图3-3(b))。把PAM信号的振幅变化按比例地变换成脉冲宽度的变化，而得到脉冲宽度调制PDM(见图3-3(c))。

把PAM信号的振幅变化按比例地变换成脉冲相位(位置)的变化，得到脉冲位置调制PPM(见图3-3(d))。94.1.1

模拟信号的抽样(续5)10ttt(a)模拟信号(b)PAM信号(c)PDM信号(d)PPM信号4.1.2

抽样模拟信号的量化模拟信号数字化的过程包括抽样、量化和编码三个步骤。抽样模拟信号的量化原理——假设模拟信号的抽样值为S(kT)，其中T是抽样周期，k是整数。显然，这个抽样值仍是一个取值连续的变量。如果我们仅用N位二进制数字码元来代表此抽样值的大小，则N位二进制码元只能代表M＝2N个不同的抽样值。因此，必须将抽样值的范围划分成M个区间，每个区间用一个电平来表示。这样，共有M个离散的量化电平。用这M个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化。114.1.2

抽样模拟信号的量化(续1)抽样模拟信号的量化举例12S(kT)tT2T3T4T5T6T●●●●●△△△●△信号量化值Sq(3T)量化误差m1m37Tq2q3q5△∟∟△△△△q6∟∟∟∟∟△m5m2m6m4q7信号实际值S(3T)4.1.2

抽样模拟信号的量化(续2)量化变换表达式为Sq(kT)＝qi，mi-1≤S(kT)≤mi(3-3)Sq(kT)为该量化器输出信号的量化值，q2～q7是量化后信号的6个可能输出电平，m1～m6为量化区间的端点。抽样区间采用等间隔划分，称为均匀量化；否则，称为非均匀量化。量化输出电平与量化前的信号的抽样值存在误差，这个误差称为量化噪声。信号功率与量化噪声之比称为信号量噪比。这是量化器的一个重要指标。134.1.2

抽样模拟信号的量化(续3)均匀量化器的信号量噪比与信号大小有关，而非均匀量化可以有效地改善信号量噪比，实用中常采用非均匀量化器。对话音信号的量化，通常采用ITU建议的具有对数特性的非均匀量化法，即A律和

律。同时为了便于采用数字电路实现量化，通常采用13折线法和15折线法来代替A律和

律。（有兴趣的同学可参看樊昌信编著《通信原理教程》（第3版），电子工业出版社，2013）144.1.3

脉冲编码调制在时间为iT(i=1～6)），模拟信号的抽样值分别为12.4，28.6，42.9，58.4，66.8和58.4；抽样模拟信号量化后变换为八位二进制数分别为00001100，00011101，00101011，00111010，01000011和00111010。15tT2T3T4T5T6T△●实际值S(3T)量化值Sq(3T)量化误差0102030405070607TS(kT)●●●●●△△△△△4.1.3

脉冲编码调制(续1)PCM系统的原理图16模拟信号PCM信号抽样保持电路量化器编码器模拟信号

低通滤波器解码器解码部分编码部分抽样保持电路的作用：①用冲激脉冲对模拟信号抽样，获得在抽样时间上的模拟信号抽样值。②抽样值在量化前，用保持电路暂存，便于电路有时间对其进行量化。量化器把模拟抽样信号转变为离散的数字量。编码器进行二进制编码输出。4.1.3

脉冲编码调制(续2)常用的编码方法有两种：自然二进制码和折叠二进制码(其编码规则见表3-1)。折叠二进制码有两个优点：①上下两部分呈现映像(或称折叠)关系。最高位可表示正负极性，其余各位表示电压的绝对值。这在实用上，可将双极性电压用单极性编码的方法来处理，从而简化了编码电路和编码过程。②误码对小电压的影响较小，表明折叠码对于传输语音小信号有利。无论何种编码方法，码组中的位数与量化值数目直接有关。码组位数越多，信号量噪比、传输量和存储量也越大，编解码器也更复杂。174.1.3

脉冲编码调制(续3)18以4000Hz话音信号为例，通常择取8000个样本/秒就足以反映这个话音信号。需注意的是，这些样本是模拟样本(PAM样本)。欲想转换为数字，还需要为每个模拟样本赋予一个二进制码。常用8比特样本(即允许256个量化电平)，则经恢复后的话音信号就可达到模拟传输同样的效果。所以，传输一路话音信号所需要的传输速率是8000个样本/秒×8比特/样本=64kb/s为了充分利用传输线路的带宽，通常将多路话音的PCM信号以时分复用的方式装配成帧，再在线路上一帧帧地进行传输。

194.1.3

脉冲编码调制(续4)影响PCM中继间隔的因素码间串扰发送/接收端的滤波器和线路的线性失真，以及再生中继站均衡器的不理想，会引起信道传输的基带波形的展宽与较长的拖尾，这对后继波形将会造成干扰，这种干扰称为码间干扰。码间干扰难以避免，用均衡器可减少影响。线路噪声指热噪声、脉冲噪声、系统间的串话噪声等噪声。204.1.3脉冲编码调制(续5)串话干扰当中继设PCM线路与话音线路设置在同一条电缆内，来自话音电路的冲击性噪声(主要是拨号脉冲噪声)也会对PCM备产生串话干扰。4.1.4

差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制的基本原理——对每个抽样值不是独立进行编码，而是先根据前一个抽样值计算出一个预测值，当前抽样值和预测值之差称为预测误差。由于抽样值与预测值之间存在一定的相关性(指两者非常接近)，这使得预测误差的可取值范围比抽样值的变化范围小，所以可用少几位编码比特来对预测误差编码，从而降低其比特率。在DPCM中，由于存储的是预测误差编码，因而存储量比PCM减少了约25%。214.1.5

自适应差分脉冲编码调制ADPCM是在DPCM基础上，在话音信号脉码调制中计算两个连续话音取样之间的差异而进行编码的一种技术。设计理念是：①利用自适应的思想改变量化阶的大小，即小的量化阶去编码小的差值，大的量化阶去编码大的差值；②使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。因而ADPCM所用量化间隔的大小可按差值信号的统计结果能自动适配到最佳量化，从而使因量化造成的失真最小化。2223第4章：内容提纲4.1模拟信号数字化的传输技术4.2数字基带传输技术4.3数字频带传输技术4.4信道访问技术4.5信道复用技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8

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244.2数字基带传输技术基带信号(简称基带)是指原始的数据信号。基带信号中含有直流、低频率和其他频率成分的谐波分量。直接利用基带信号的传输方式，称为基带传输。以基带传输方式实现的传输系统，称为基带传输系统。为什么要研究基带传输呢？主要理由是：①近距离传输常采用基带传输，颇有实用价值；②多数传输系统对传输信号都有一个处理基带波形的过程；③理论上可证明，任何一个带通传输系统总可以由一个基带传输系统来替代。可见，基带传输是研究频带传输的基础，具有一定的意义。254.2.1基带传输对信号的要求由于实际的传输信道存在各种缺陷(如频率特性不理想，噪声影响等)，因此需要对原始数据信号进行码型变换和波形处理，使之适合于在相应系统中传输的信号。

基带传输是不搬移频谱的直接传输。通常经过波形变换后，仍含有直流成分，所以基带传输有两种方式：

①直流传送

②交流传送264.2.1基带传输对信号的要求(续1)基带传输对传输信号的要求①应有利于提高系统的频带利用率。②应含有少量的直流、甚低频及高频分量。③应含有可供提取定时信号的信号分量。④其码型不应受信源统计特性的影响。⑤其频谱能量要集中，所占带宽要窄。⑥码型应具有较强的抵抗力和自检能力。⑦变换电路应简单，成本低，性能好，易调整。

274.2.2基带信号的波形及其传输码型1、基带信号的波形基带信号的波形有多种，因矩形易于形成和变换，故最为常用。常用的基带信号波形：单极性不归零脉冲(图3-7a)单极性归零脉冲(图3-7b)双极性不归零脉冲(图3-7c)双极性归零脉冲(图3-7d)差分波形(图3-7e)多电平脉冲(图3-7f)284.2.2基带信号的波形及其传输码型(续1)“1”----E/0“0”----0/E“1”→“0”/“0”→“1”进行极性变化(a)单极性不归零脉冲(b)单极性归零脉冲(c)双极性不归零脉冲(d)双极性归零脉冲(e)(传号)差分脉冲(f)四电平脉冲3E-3E0E11-E00101110110110“1”----E“0”----0“1”----E“0”-----E“00”----3E“01”----E“11”-----E“10”-----3E10000101010100000010101111EE000-E-EEEE0编码规则294.2.2基带信号的波形及其传输码型(续2)按照上述基带信号波形的特征，可归纳为三种基本分类：

①按照信号的极性不同，分为单极性和双极性信号。

②按照每位信号的单一极性电位是否占满整个码元时间，分为归零信号与不归零信号。

③按照信号幅度的取值不同，分为二电平信号和多电平信号。由于单极性信号含有较大的直流分量，且判决可靠性较差，所以使用双极性信号较为普遍。由于多电平信号的幅度可取大于2的有限个离散值，所以多电平信号所含的信息量是二电平信号的n倍。在相同信号速率的情况下，多电平信号的速率仅为二电平信号的1/n。304.2.2基带信号的波形及其传输码型(续3)2、常用的基带传输码型ITU-T建议使用的基带传输码型有20余种。常用的有：

⑴双相码(图3-8a)。又称分相码、裂相码或曼彻斯特(Manchester)码。它用一个周期的方波表示1，而用它的反相波形表示0。⑵差分双相码(图3-8b)。利用“差分”的概念，将双相码中用绝对电平表示的波形改为用电平的相对变化的波形。⑶传号交替反转码(图3-8c)。记作AMI码。其编码规则是：信息0变换为基带信号幅度取值为零，而1则交替地变换取值为+E和-E的归零码。⑷三阶高密度双极性码HDB3

(图3-8d)。314.2.2基带信号的波形及其传输码型(续4)“1”----E/-E“0000”----000V/B00V“0”→0(a)双相码(b)差分双相码(c)传号交替反转码00101110110110-EE“1”-----E→E“0”----E→-EE00“1”----E/-E“0”----0“1”、“0”-----E→EE→-E“1”→“0”极性变化E0-E-E(d)三阶高密度码HDB3001000111000000E-E编码规则324.2.2基带信号的波形及其传输码型(续5)3、基带传输码型的分析各种码型的功率谱曲线4.2.2基带信号的波形及其传输码型(续6)由码型功率谱曲线得出的几个结论：⑴在直流传送方式中，双极性不归零码的大部分能量集中在零频率点附近，直流和低频能量很大。所占带宽为0～f0。仅适用于近距离传输。⑵在交流传送方式中，①这种码型都不含直流成分，可作为线路传输码型。②所占带宽，以二阶双极性码最窄，为0～f0

/2。双相码和差分双相码最宽，为0～2f0。

33344.2.2基带信号的波形及其传输码型(续7)由码型功率谱曲线得出的几个结论：⑵在交流传送方式中(续)③提取定时信号，当出现连0码时，将使提取定

时信号变得困难。④传输过程中如将两根传输线对调接线位置，双

相码解码后易发生极性错误，其他则不会。⑤AMI码和HDBn码邻近线对的干扰小。⑥抗干扰性能以二电平码为最好。

⑦AMI码、HDB3码均有较好的检测错误的能力。

35第4章：内容提纲4.1模拟信号数字化的传输技术4.2数字基带传输技术4.3数字频带传输技术4.4信道访问技术4.5信道复用技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8

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364.3

数字频带传输技术基带传输在数据传输中并非占据主导地位。其原因是多数信道(尤其是无线电信道)并不能进行直接传输，必须用基带信号对载波波形的某些参量(振幅、频率和相位)进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化，成为以载波频率为中心的带通信号，这就是“调制”的概念。“调制”是为了实现频谱搬移，将数字基带信号变换成适合于信道传输的频带信号。利用基带信号对载波参量的调制，称为带通调制。带通调制可将基带信号搬移到足够高的频率上，使得信号从天线发射出去。4.3数字频带传输技术(续1)已调信号在接收端需经解调恢复成原来的基带信号。但是，由于噪声和码间干扰的影响，恢复的信号会有一定的失真而引起误码。为了降低误码率。接收方法可分为两大类：相干接收和非相干接收。利用载波相位信息去检测信号的方法称为相干检测或相干解调。反之，则称为非相干检测或非相干解调。37384.3数字频带传输技术(续2)在数据通信系统中，一般选用形式简单、便于生成和接收的正弦信号作为载波。

常用的正弦载波可表示为

s(t)=Acos(ωct+φc)＝Acos(2πfct+φc)

其中振幅A、频率fc（或角频率ωc）和相位φ都是时间的函数。所以，基本调制有三种，即振幅调制、频率调制和相位调制。对于二进制信号，这三种调制分别称为振幅键控(ASK)

、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。

4.3数字频带传输技术(续3)二进制正弦载波的键控方法和波形调幅(AM)载波的振幅随基带数字信号而变化调频(FM)载波的频率随基带数字信号而变化调相(PM)载波的初始相位随基带数字信号而变化39404.3.1基本数字调制技术1、数字幅度调制⑴二进制幅度键控(2ASK)基本思想：利用数字基带信号键控载波幅度的变化，即传送“1”信号输出正弦载波信号，传送“0”信号无载波输出。010011100基带信号调幅414.3.1基本数字调制技术(续1)2ASK信号的调制424.3.1基本数字调制技术(续2)2ASK信号的解调主要有包络检波法和相干解调法。相干调解法的基本原理：将输入已调信号S(t)与相干载波信号C(t)在相乘器相乘后，再由低通滤波器过滤，即得所需的基带信号(图3-12)。实现相干解调的关键：有一个与ASK信号的载波保持同相同频的的相干载波，否则会产生波形失真。434.3.1基本数字调制技术(续3)⑵多进制幅度键控(MASK)基本思想：利用多电平的矩形基带脉冲去控制正弦载波信号幅度。444.3.1基本数字调制技术(续4)多电平信号所包含的信息量是二电平信号的lb

M倍(M为电平数)，所以多电平调制的频带利用率(指单位频带内的信息传输速率)比二电平调制高。MASK信号的解调方法与2ASK相同，也有包络检波法和相干解调法。454.3.1基本数字调制技术(续5)2、数字频率调制基本思想：利用数字基带信号控制载波频率的变化来传输数字信息“1”和“0”。FSK的抗噪声、抗衰落优于ASK，设备不复杂、实现较容易，所以一直被广泛应用在中、低速数据通信系统中。但是，由于在功率和频率利用率方面，传统的2FSK不及PSK，在DPSK取得成功后，被逐渐取而代之。近年来，FSK有着很大进步，在卫星、无线电通信中得到应用。464.3.1基本数字调制技术(续6)⑴二进制频移键控(2FSK)2FSK信号一般用频率选择法和载波调频法。频率选择法产生相位不连续的2FSK信号。载波调频法产生相位连续的2FSK信号。

010011100基带信号调频474.3.1基本数字调制技术(续7)2FSK信号的调制利用频率选择法生成2FSK信号484.3.1基本数字调制技术(续8)2FSK信号的解调有相干解调法和非相干解调法。目前常用非相干解调法(图3-15)，虽然它的抗干扰性能不及相干解调法优越，但解调时无需从FSK信号中提取相干载波，因而实现起来比较简单。实现非相干解调的关键是匹配滤波器。494.3.1基本数字调制技术(续9)⑵多进制频移键控(MFSK)基本思想：利用M个不同频率的信号波形(如正弦波)来代表M进制的M个码元符号。MFSK信号的调制MFSK信号的生成常采用频率选择法(图3-16)。504.3.1基本数字调制技术(续10)MFSK信号的解调有相干解调法和非相干解调法(图3-17)。514.3.1基本数字调制技术(续11)3、数字相位调制基本思想：利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息“1”和“0”。调相010011100基带信号524.3.1基本数字调制技术(续12)载波相位变化有“绝对移相”和“相对移相”两种。“绝对移相”是利用载波的不同相位直接去表示数字信息，而“相对移相”则利用载波的相对相位，即前后码元载波相位的相对变化来表示数字信息的。由于表征信息的载波相位只取有限个离散值，故又称相移键控(PSK)。由于实际系统中接收端提供的相干载波往往存在“相位模糊”现象。因此，“绝对移相”虽提出很早，但实用的却是“相对移相”(DPSK)。相移键控不仅在恒参信道上具有较优的抗噪声性能和频带利用率，而且在有衰落和多径现象的信道上也有较好的接收结果。与幅度键控、频移键控相比，是一种比较优越的调制形式。534.3.1基本数字调制技术(续13)⑴二进制相对相移键控(2DPSK)由于相对移相是利用前后码元之间载波相位的相对变化来传送数字信息的，当保持前后码元载波相位差不变，解调后恢复的数字信息就不会出现极性相位，因此相对移相能够克服相位模糊现象。2DPSK信号的典型波形如图3-18所示。每个码元中载波相位的变化是以前一码元载波相位作为参考的。若假定当传送的数字信号为“1”时，码元中载波的相位相对于前一码元的载波相位差为π；当传送的数字信号为“0”时，码元中载波的相位相对于前一码元的载波相位不变。544.3.1基本数字调制技术(续14)从分析数字信息与码元信号载波相位的关系可知：把数字信息码先变换成相对码，再用它去进行绝对移相，与将它直接进行相对移相的结果是一样的。这说明相对移相是变换成相对码后的数字信号序列的绝对移相。在用相对码表示传送信息之后，2DPSK信号的时域表达式和功率谱密度与2PSK信号是相同的。554.3.1基本数字调制技术(续15)2DPSK信号的调制2DPSK信号的调制有调相法和相位选择法。但都需要进行预处理，即先把输入的基带信号编码转换成相对码，再进行绝对移相(见图3-19)。564.3.1基本数字调制技术(续16)2DPSK信号的解调2DPSK信号的解调有两种方法：极性比较法和相位比较法。用极性比较法解调2DPSK信号的原理框图及各点波形如图3-21所示。574.3.1基本数字调制技术(续17)⑵多进制移相键控(MPSK)

多进制相移键控是利用载波的多个相位或相位差来表示数字信息的。多相调制载波的每一相位或相位差与k比特码元的一个状态相对应，而k比特码元包含的信息量是二进制码元所含有信息量的k倍。随着k取值增大，信号之间的相位差也随之减小，传输可靠性降低。所以在实际使用中用得较多的是k=4、8。在M进制相移键控中，多相调制波形可看作对两个正交载波进行多电平双边带调制所得信号之和。因此，多相调制波的带宽与多电平双边带调制一样。584.3.1基本数字调制技术(续18)四相调制也有绝对相移键控(4PSK)和相对相移键控(4DPSK)两种实现方式。4PSK是利用载波的四种不同相位来表示数字信息的。因为4PSK存在相位模糊现象，所以在实际常采用4DPSK。4DPSK信号可以看成是两路正交的2DPSK信号的合成。生成4DPSK信号通常采用调相法和相位选择法。594.3.2

正交幅相调制基本思想：利用两个独立的基带波形对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带幅度调制。利用合成的已调信号在相同频带范围内频谱正交特性，从而实现了在同一频带内两路数据信息的并行传输。基带波形为矩形脉冲的正交幅度调制，称为正交幅度键控(QASK)。基带波形为多电平时，则构成多电平正交幅度键控(MQASK)。604.3.2

正交幅相调制(续1)正交幅度调制的原理图

正交幅度键控信号解调必须采用相干解调法。载波信号m1’(t)基带信号m2(t)(a)调制载波信号m2’(t)基带信号m1(t)已调信号S(t)(b)解调m1’’(t)m2’’(t)+低通滤波器低通滤波器××××cos

ωctcos

ωctsin

ωctsin

ωct614.3.3

幅相混合调制多进制调制技术提高了频带利用率，是以牺牲功率利用率为代价。在信号星座图中，当M值增加时，各信号之间的最小距离减小，相应的信号判决区域缩小，因而接收信号的误码率将随之提高。1960年，C.R.Chen提出了幅相混合键控APK的设想。幅相混合键控是对载波信号的幅度和相位同时进行调制的一种调制形式。在M值较大的情况下，幅相混合键控不仅可以提高系统的频带利用率，而且还可以获得较好的功率利用率，而设备却比MPSK系统简单。

624.3.3

幅相混合调制(续1)幅相混合调制是对载波信号的幅度和相位同时进行调制的一种调制形式。当选择载波信号的不同幅度和不同相位，对其进行不同的组合时，就可得到多种不同类型的APK信号。APK信号的时域表达式为

此式表明，APK信号可看作两个正交载波调制信号之和。

634.3.3

幅相混合调制(续2)通常把APK信号矢量端点(An，Bn)在二唯空间内的分布图称为星座图。图3-18表示在功率相等或最大幅度相等的条件下，16QAM和16PSK信号的星座图。644.3.3

幅相混合调制(续3)结论16PSK相邻信号点之间的距离为

d16PSK=0.39A，16QAM相邻信号点之间的距离为

d16QAM=0.47A，则d16QAM＞d16PSK，这结果说明

超过约1.64dB。幅度相位混合调制在M比较大的情况下，不仅可以使通信的有效性和可靠性有较好的改善，而且在设备构成上也比MPSK系统简单，所以在载波信道和微波信道中得到了重视和应用。4.3.4

正交频分复用调制正交频分复用OFDM调制技术实际上是一种多载波调制。其基本思想：将信道分成若干个正交子信道，再将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。接收端采用相关技术将正交信号分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。由于每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此可将每个子信道上看成平坦性衰落，从而消除了符号间干扰。而且每个子信道的带宽仅是原信道带宽的一小部分，因此信道均衡变得相对容易。654.3.4

正交频分复用调制(续1)OFDM调制的优点具有较高的频谱利用率，在抗多径衰落、抗窄带干扰能力上具有明显的优势，可有效地抗信号波形间干扰，可以提高系统的非视距传播能力，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。6667第4章：内容提纲4.1模拟信号数字化的传输技术4.2数字基带传输技术4.3数字频带传输技术4.4信道访问技术4.5信道复用技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8

差错控制技术

684.4

信道访问技术“访问”是指引起主、客体之间的信息相互交换或者系统状态改变的主、客体交互行为。确保单一使用公用信道的技术称为信道访问技术。

访问特征使用技术

预约式静态频分多路复用（FDMA），时分多路复用（TDMA）码分多路复用（CDMA），空分多路复用（SDMA）动态集中统计时分多路复用（ATDMA）无冲突访问选择式

菊花链式访问，轮叫轮询，传递轮询，单一选择争用式ALOHA纯ALOHA（P-ALOHA），时隙ALOHA（S-ALOHA）CSMA非坚持CSMA，1坚持CSMA，P坚持CSMA，CSMA/CD环式权标（TOKEN），分时环，寄存器插入，开关转换混合式预约ALOHA，有限争用，争用环694.4.1轮询访问技术轮询访问是在多个结点共享公用信道的线路中，主机依照一定的顺序探询各结点有无传送信息的要求，被探询的结点如有传送信息的要求就占用公用信道，将信息发送给主机。否则，主机继续探询下一结点。这是一种轮询式的受控接入信道访问技术。按照探询控制权的转移与否，轮询有两种类型：

①轮叫轮询

②传递轮询

704.4.1轮询访问技术(续1)1、轮叫轮询轮叫轮询的基本原理如图3-21所示。轮叫轮询是由主机按事先确定的顺序向各个结点或者向指定结点轮流询问，并接收各结点发来的信息。因为主机一直持有探询各结点的控制权，各结点始终是被探询的对象，因此是一种集中控制的方法。4.4.1轮询访问技术(续2)假设主机向各结点发送的探询帧为定长，其传输时间为t0

，每个结点识别探询帧所需平均时间为

ts，各结点在多点线路上物理分布是均匀的，主机到最远结点的单程传播时间为τ。则采用轮叫轮询的整个探询系统巡回时间为

L=N(t0+ts)+(N+1)τ(3-23)举例：详见教材例3-271724.4.1轮询访问技术(续3)2、传递轮询传递轮询的基本工作原理如图3-22所示。

传递轮询允许被探询结点修改探询帧的接收地址，从而克服了轮叫轮询方式中主机一直掌握着发送探询帧的控制权，造成通信开销大、帧的传送时延长的缺点。734.4.1轮询访问技术(续4)注意两点：

1、传递轮询控制中，探询帧和响应帧都附有接收地址，是接收结点的单一性的保证。2、传递轮询的特点是探询控制权的转移。改变接收结点地址顺序，就可控制轮询的顺序。采用传递轮询技术的整个系统巡回时间为L=Nts+2τ(3-24)举例：详见教材例3-3744.4.1轮询访问技术(续5)传递轮询与轮叫轮询的比较在相同条件下，传递轮询帧的时延比轮叫轮询的时延要小，而且结点间距离越大，其效果越明显。因为传递轮询技术的实现较复杂，所以实际使用中还是以轮叫轮询为主。754.4.2争用访问技术争用技术是一种随机访问技术。由于所有用户都可以根据自己的需要向公用信道发送信息，于是就产生了争用信道使用权的问题。只有争用获胜者才取得了信道使用权可以发送信息，而争用的存在又必然会发生冲突(或碰撞)，这就须解决冲突所带来的问题。ALOHA是美国夏威夷大学20世纪70年代初期研制成功的一个集中控制式的随机接入系统。该系统允许地理上分散的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机。

764.4.2争用访问技术(续1)1、ALOHA技术(1)纯ALOHA夏威夷大学最初研制的ALOHA称为纯ALOHA。系统设有一个主站和若干个从站，从站到主站的频率是407.35MHz，主站到从站的频率是413.475MHz，带宽各为100KHz，数据传送速率为9600b/s。每一站均可自由地发送帧，并利用应答技术来确保发送的成功。当从站发送一个帧之后，必须等待主站的应答帧予以确认，方能继续发送下一帧。如果未收到应答信号，就意味着发生了帧的冲突，必须进行重发。纯ALOHA采用让发生帧冲突的从站各自等待一段随机的时间后再进行重发的策略，直到发送成功为止。

774.4.2争用访问技术(续2)纯ALOHA系统的帧冲突

纯ALOHA的吞吐量S与网络负载G之间的关系为（3-25）当G＝0.5时，Smax＝0.5e-1＝0.184，说明纯ALOHA最大的吞吐量只达18.4％。784.4.2争用访问技术(续3)(2)时隙ALOHA时隙ALOHA系统是使各站在同步状态下工作，并把时间划分为等长的时隙。同时规定无论帧何时到达，都只能在每个时隙的开始时刻才能发送出去。时隙ALOHA的吞吐量公式为当G＝1时，Smax＝0.368，表示该系统达到的最大吞吐量。（3-27）794.4.2争用访问技术(续4)

纯ALOHA与时隙ALOHA的S-G关系

基于这两种ALOHA信道利用率都比较低，因而有人提出把预约和争用技术结合起来，从而保证了所发送的帧不会与别的站发送的帧发生冲突。这就是预约ALOHA。预约ALOHA的基本指导思想是当网络负载轻时，按ALOHA方式工作；当网络负载重时，网络按接近于时分复用方式工作。

804.4.2争用访问技术(续5)2、CSMA技术CSMA是对用于有线信道ALOHA系统的一种改进，它要求每个站都设置一硬件(即载波监听装置，“载波”是指在公用信道上传输的信号。)，用来在发送数据之前监听同一信道上其他站是否也在发送数据。如果该站监听到有别的站正在发送，就暂不发送数据，从而减少发送冲突的可能性，也提高了整个系统的吞吐量和信道利用率。

814.4.2争用访问技术(续6)根据每个站所采用的载波监听策略，CSMA可分为以下几种类型：

①非坚持CSMA

如果进行载波监听时发现信道空闲，则将准备好的帧发送出去；如果监听到信道忙，就不再继续坚持听下去，而根据协议的算法延迟一个随机时间再重新监听。②1坚持CSMA

当监听到信道空闲时，就立即发送帧；如果监听到信道为忙，则继续监听下去，一直坚持到信道变成空闲为止。③P坚持CSMA

当监听到信道为空闲时，以概率p立即发送帧，而以概率(1-p)延迟一段时间τ

(端─端传播时延)再重新监听信道；当监听到信道为忙时，则继续监听下去，一直坚持到信道空闲为止。CSMA也可以采用时隙式，同样有上述三种类型。

824.4.2争用访问技术(续7)3、环访问技术最常用的环是令牌环和时隙环。(1)令牌环令牌环是一种最早提出的环访问技术。利用令牌环技术构成的局域网有Newhall环网和IBM令牌环网。它们是制定IEEE802.5标准的基础。令牌环技术的优点是易于调节通信量。缺点是令牌操作和管理复杂。834.4.2争用访问技术(续8)令牌环技术基本原理利用在环路中流动的唯一的令牌帧。初始状态时，不含有数据的令牌帧称为“闲”令牌帧。要求传输数据的站必须等待令牌帧的到达，如检测是“闲”的，于是就通过改变其比特组合将令牌由“闲”改成“忙”，并在此令牌后面传输待发送的数据。此时环路上因没有“闲”令牌，其他希望发送数据的站必须等待。当包含数据的“忙”令牌帧沿环路传送到非目的站时，则转发该帧。只有当它传送到目的站时，目的站才复制该帧的有关信息，并继续转发该帧。这个“忙”令牌帧绕环一周后又返回到源站，则由源站对数据实施检查和回收，并将“忙”改为“闲”。844.4.2争用访问技术(续9)由于令牌是唯一的，在任何情况下，令牌都保证一次仅有一个站在传输数据。只有当源站释放出一个新的“闲”令牌时，处于下游的有传输数据要求的站才能截获“闲”令牌并进行数据传输。令牌环技术应具有故障恢复机制。令牌丢失由令牌主动管理站采用超时机制来检测令牌的丢失情况。恢复令牌由管理站重新生成一个“闲”令牌。一张令牌由管理站检测持续循环的“忙”令牌，通过设置管理比特，自动地将“忙”令牌更改为“闲”令牌。管理站有效被管理站通过检测主动站是否故障，采用竞争算法产生新的主动站。

854.4.2争用访问技术(续10)(2)时隙环时隙环是J.R.Pierce于1972年首先研制成功的，因而有时也称为Pierce环。864.4.2争用访问技术(续11)时隙环技术的基本原理把信息在环路上的传送时间划分为固定长度的时间段(简称时隙)。每一个时隙都含有一先导标志位，表示该时隙的现行状态：空或满。若干时隙在环路上绕环运行。初始时，所有的时隙都是空的。要求传送数据的站必须等待一个空时隙到达，将先导标志位改为满，同时在时隙中加入所要传送的数据。当载有数据的时隙到达目的站时，目的站将复制时隙中的数据，同时设置响应位，以表征接收的状态(接收、拒收和忙)。只有当时隙返回到源站时，才将时隙先导标志位重新改为空，以便该时隙供下游的结点继续使用。874.4.2争用访问技术(续12)最著名的时隙环是剑桥环，于1974年由英国剑桥大学研制成功。时隙环的主要优点是简单。其主要缺点是因时隙中含有较多的管理开销浪费了带宽；当环路上只有少数站要求传输数据时，就会造成许多空时隙在环路上作毫无意义的循环。4.4.2争用访问技术(续13)如何选择信道访问技术？选择信道访问技术的主要因素是吞吐量。对于使用率较低的小型网络，采用争用访问技术较为合适。对于使用率很高的大型网络，采用轮询访问技术则更适合。选择信道访问技术的关键是找到轮询访问和争用访问的相交点。在构建总线式LAN时，同一网段上部署的用户数以20个为宜。8889第4章：内容提纲4.1模拟信号数字化的传输技术4.2数字基带传输技术4.3数字频带传输技术4.4信道访问技术4.5信道复用技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8

差错控制技术

904.5

信道复用技术复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。动机：因为信道的带宽往往要比所传送的信号的带宽宽得多，要充分利用信道的容量，提高信道的传输效率，就开发了信道复用技术。+()+A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a)使用单独的信道(b)使用共享信道复用分用914.5

信道复用技术(续1)信道多路复用的理论依据是信号分割原理。实现信号分割是基于信号之间的差别(存在于信号的频率、时间参量以及码型结构)。多路复用是一种将若干路彼此无关的信号合并成一路复合信号，并在一条公用信道上传输，到达接收端后再进行分离的技术。包含信号复合，传输和分离三个方面。924.5.1频分多路复用频分多路复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)是按照频率参量的差别来分割信号的技术。基本思路：把信道的可用频带分割为若干条较窄的子频带，用户自始至终使用分配到的子频带来传输信号。所有用户在同样的时间占用着不同的带宽资源(请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。934.5.1频分多路复用(续1)信道带宽与各子频带之间满足如下关系：话音信号频分多路载波通信系统

(3-31)944.5.1频分多路复用(续2)FDM的主要优点：①实现简单；②技术成熟；③能较充分地利用信道频带，因而系统效率较高。FDM的主要缺点：①保护频带的存在，大大地降低了FDM技术的效率；②信道的非线性失真，改变了它的实际频带特性，易造成串音和互调噪声干扰；③所需设备量随输入路数增加而增多，且不易小型化；④频分多路复用本身不提供差错控制技术，不便于性能监测。在实际应用中，FDM正在被时分多路复用所替代。954.5.2波分多路复用波分复用是传统的频分复用技术应用于光纤通信领域，因此波分复用的本质是频分复用。波分复用是将1根光纤转换为多条“虚拟”光纤，每条虚拟光纤独立工作于不同波长，从而极大地提高了光纤的传输容量，充分发挥了光纤的潜在能力。波分复用通常有三种复用方式。

①1310nm和1550nm波长的波分复用②粗波分复用CWDM③密集波分复用DWDM964.5.2波分多路复用(续1)1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm8

2.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器密集波分复用举例4.5.2波分多路复用(续2)波分复用的特点①利用光纤低损耗波段，增加了光纤的传输容量。②在一根光纤中传送2个或数个非同步信号，这有利于数字信号和模拟信号的兼容。③对已建光纤系统，只要原系统有功率余量，便可进行增容，因而有较强的灵活性。④光纤使用量的减少，降低了建设成本。⑤有源光设备的共享性，降低了成本。⑥系统中有源设备的减少，提高了系统的可靠性。97984.5.3时分多路复用1、传统时分复用时分多路复用TDM是按照时间参量的差别来分割信号的技术。时分复用则是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。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)。因此，TDM信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

994.5.3时分多路复用(续1)时分多路复用的原理图频率时间CDCDCDAAAABBBBCDA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧1004.5.3时分多路复用(续2)时分多路复用的原理图(续1)频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧1014.5.3时分多路复用(续3)时分多路复用的原理图(续2)频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧1024.5.3时分多路复用(续4)时分多路复用的原理图(续3)频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧1034.5.3时分多路复用(续5)传统TDM的特点①通信双方是按照预先指定的时隙进行通信的，而且这种时间关系是固定不变的；②就某一瞬时来看，公用信道上仅传输某一对设备的信号，而不是多路复合信号，但就一段时间而言，公用信道上传送着按时间分隔的多路复合信号。③只要时分多路复用器的扫描操作适当，以及采取必要的缓冲措施和合理地分配时隙，就能够保证多路通信的正常进行。1044.5.3时分多路复用(续6)2、统计时分复用使用传统时分多路复用来传输计算机数据，由于计算机数据的突发性，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd传统时分复用#2#3#4用户1054.5.3时分多路复用(续7)为了提高时隙的利用率，可以采用按需分配(或动态分配)时隙，以避免每帧中出现闲置时隙的现象。这种动态分配时隙的TDM，称为统计时分多路复用STDM(StatisticTDM)。用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用1064.5.3时分多路复用(续8)STDM也存在技术缺陷。如当复用器连接的设备较多，又都处于工作状态,或者少数设备发送很长的数据块，将会出现与数据块和排队有关的时延加剧问题。又如当传输出现差错时造成一个或数个帧数据重发，将会导致时延的加剧。在复用器输入的数据吞吐量超过了复用信道的容量时，出现缓冲区溢出造成数据丢失，就必须采用相应的缓冲措施。在STDM基础上，引入数据压缩技术，称谓智能时分多路复用ITDM。其主要优点是提高信道利用率。时分复用技术应用于光通信领域，称为光时分复用OTDM。1074.5.4码分多路复用码分复用是利用每个码元的码组的正交性来分割信号的一种技术。更为常用的是码分多址CDMA。每个用户使用经过特殊挑选的不同码型，故在同样的时间内使用同样的频带进行通信，而不会造成相互干扰。码分复用技术最初用于军事通信，现已广泛用于民用移动通信，如无线局域网。CDMA技术可提高话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量(是GSM的4～5倍)，以及减少平均发射功率等。1084.5.4码分多路复用(续1)每一个比特时间被划分为m个间隔，称为码片(chip)。通常m的值是64或128。使用CDMA的每一个站被分派一个唯一的bit码片序列（chipsequence）。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m

bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，S站的

8

bit码片序列是00011011。发送比特1时，就发送序列00011011，发送比特0时，就发送序列11100100。为了方便，我们以后将两码片中的0写成–1，将1写为+1。因此，S站的码片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)1094.5.4码分多路复用(续2)CDMA系统采用的码片具有如下特性：

令向量A表示A站的码片向量，再令B表示其他任何站的码片向量。①分派给每一个站的码片不仅互不相同，并且必须互相正交(orthogonal)。向量A和B的内积都是0。（3-32）

②

任何一个码片向量的规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是–1。（3-33）1104.5.4码分多路复用(续3)CDMA工作原理举例S站的码片序列S110ttttttm

个码片tS站发送的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx规格化内积S

Sx规格化内积S

Tx数据码元比特发送端接收端111第4章：内容提纲4.1模拟信号数字化的传输技术4.2数字基带传输技术4.3数字频带传输技术4.4信道访问技术4.5信道复用技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8

差错控制技术

1124.6

同步控制技术同步——指通信双方在发送和接收信号时建立起来的确定通信关系，是数据通信系统不可或缺的重要环节。按照要求同步的对象不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。1134.6.1载波同步在相干解调系统中，接收端必须提供一个与发送端同频同相的相干载波，这一过程称为载波同步。载波同步的基本要求是：①同步误差(指相位误差)小；②建立同步的时间短；③同步保持时间长；④为同步所占用的功率小及频带窄。实现载波同步的方法有两类：一类是如接收的已调信号频谱中已含有载波分量或载波导频分量，则直接提取；另一类是对于抑制载波而又没有插入导频的已调信号，则通过非线性变换或采用锁相环来获取载波。1144.6.1载波同步(续1)插入导频法插入导频法(又称外同步法)可分为频域插入和时域插入。

频域插入的基本原理：发送端在发送有用信号频谱的同时，在其适当的位置插入一个低功率的线谱(其对应的正弦信号称为导频信号)，这样接收端就可以利用窄带滤波器把它提取出来，再经适当处理后形成相干载波。应注意：①导频的频率应与载频有关；②插入导频的位置应在信号频谱的零点处，且要求载频附近的信号分量尽量小。

1154.6.1载波同步(续2)时域插入的基本原理：在特定的时间片上插入导频信号，接收端用锁相环进行提取。插入导频的方法有多种，其基本原理相似。图3-35表示抑制载波双边带信号DSB的插入导频法。由于导频的相位与被调制载波正交，故称为“正交载波”。

1164.6.2位同步在数据通信系统中，接收端必须有一个与发送端码元定时脉冲频率相同、相位与最佳取样时刻一致的码元定时脉冲序列。接收端产生这种码元定时信号的过程，称为位同步(或码元同步)。对位同步的基本要求以及它的实现方法，与载波同步相类似。1174.6.2位同步(续1)插入导频法为了获取码元定时信号，必须确定接收到的信号中是否存在位定时的频率分量。如果有此频率分量，则用滤波器直接提取。如不存在位定时信息，则需在信号中插入位同步的导频信号，或者对其进行某种码型变换以获取位定时信息。频域插入导频法是将导频信号插入基带信号频谱的零频处。1184.6.2位同步(续2)位同步提取插入导频信号的原理图

时域插入导频法是发送端在每帧指定时间间隔内发送位定时信号，接收端用锁相电路提取并保持它，这样就可对后继的数据信号正确地进行取样判决。1194.6.3群同步实现帧或信息包同步传输的过程，称为群同步。群同步一般是通过数据格式的特殊设计来达到的，亦即通过在数据码元序列中插入特定的同步码元或同步码组来实现群同步的。因此，实现群同步的关键在于如何识别插入的同步标志。群同步的基本要求：①同步可靠性高，即漏同步率和假同步率低；②同步平均建立时间短；③为实现群同步而插入到数据码元序列中的群同步码元或群同步码组的冗余度小。实现群同步的方法分两类：一类是在发送的码元序列中插入专门设计的群同步码元或群同步码组，称为外同步法；另一类是利用码元序列的本身特性来提取群同步信号，称为内同步法。

1204.6.3群同步(续1)起止位同步法利用起止位实现异步传输的方法。此时，以一个字符为传输单位，并用起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束，因此群是由起始位、字符位及停止位构成的。此法简单灵活，适用于速率不高的场合。1214.6.3群同步(续2)特定码组同步法利用特定码组(特定的若干比特组合)来实现群同步的方法。群是由群数据块加上首尾特定码组构成。接收端通过识别该特定码组来实现群同步。例如，在HDLC规程中，这个特定码组为01111110。1224.6.3群同步(续3)特定字符同步法利用特定字符作为同步标志来实现群同步的方法。数据块由包括控制字符和数据字符在内的字符序列构成，以两个或两个以上的特定字符作为数据块的开始标志。例如，传输控制字符SYN(0010110)就是专门设置的同步字符。1234.6.4网同步为保证通信网内各点之间的可靠通信，就必须在网内建立一个统一的时间标准，称为网同步。网同步的任务就是使得整个通信网各复接点的时钟频率和相位相互协调一致。实现网同步的方法有两类：一类是建立全网同步系统，使通信网内各站的时钟彼此同步，即各站时钟的频率和相位都保持一致。此法有主从同步法和相互同步法。另一类是建立准同步系统(又称独立时钟法或异步复接)。各站均单独设置高稳定性的时钟，且允许各支路的速率偏差在一定的许可范围内，复接时各支路输入速率被调整到本站的速率上，再传送出去。实现准同步的方法也有码速调整法和水库法。

1244.6.4网同步(续1)主从同步法在网内设立一个备有一个高稳定的主时钟源的主站，主时钟源产生的时钟信号一般按照树状结构逐级送往各从站，使得各从站的时钟直接或间接地受到主时钟的控制。此法简单易行，适用于小型通信网。1254.6.4网同步(续2)相互同步法网内各站都设有时钟，并实现网络高度互联，使各站的频率被锁定在网内各站固有频率的平均值(称为网频率)上，实现全网同步。码速调整法有正码速调整、负码速调整和正/负码速调整三种。正码速调整法是采用填充脉冲方式来调整码速。码速调整法的优点在于各站工作在准同步状态，无需统一的时钟，适用于大型通信网。1264.6.4网同步(续3)正码速调整法原理框图及其波形

1274.6.4网同步(续4)水库法依靠通信网的各交换站设置极高稳定度的时钟源和容量足够大的缓冲寄存器，并定期地检查缓存的状态，使得在很长时间间隔内不会发生“取空”或“溢出”现象，称为水库法。水库法的基本计算公式式中，f为数据流的速率；T为缓存相继发生“取空”或“溢出”的时间间隔；n为缓存位数的一半；S为相对速率稳定度(│±Δf/f│)。（3-40）128第4章：内容提纲4.1模拟信号数字化的传输技术4.2数字基带传输技术4.3数字频带传输技术4.4信道访问技术4.5信道复用技术4.6同步控制技术4.7数据交换技术4.8

差错控制技术

1294.7

数据交换技术

4.7.1电路交换电路交换源于电话交换原理的一种交换方式。它根据一方的请求在一对站(或数据终端)之间建立的电气连接过程，在该连接被拆除之前，所建立起来的电路一直被占用着。属于电路资源的预分配。电路交换的特点是接续路径采用物理连接。电路交换进行数据通信要经历三个阶段：建立电路、传送数据和拆除电路。电路交换进行数据通信存在着两个限制：①欲通信的两个站必须同时处于激活可用的状态；②两个站之间的通信资源必须专用。1304.7.1电路交换(续1)电路交换的主要优点：①传输时延小。主要是传输时延和传播时延，各交换结点的处理时延可略；②处理开销少。因交换机对数据信息不进行存储、分析和处理，故传输时不必附加用于控制的专门信息；③对数据信息的格式和编码类型没有限制。电路交换的主要缺点：①电路的接续时间较长；②电路利用率低；③在速率、信息格式、编码类型、同步方式、通信规程等方面，通信双方必须完全兼容，这不利于用户终端之间实现互通；④当一方用户终端设备忙或交换网负载过重时，可能会出现呼叫不通(即呼损)的现象。

1314.7.2报文交换报文交换的基本原理当Ａ用户欲向Ｂ用户发送数据时，Ａ用户并不需要先接通至Ｂ用户的整条电路，而只需与直接连接的交换机接通，并将需要发送的报文作为一个独立的实体，全部发送给该交换机。然后该交换机将存储着的报文根据报文中提供的目的地址，在交换网内确定其路由，并将报文送到输出线路的队列中去排队，一旦该输出线路空闲，就立即将报文传送给下一个交换机。依次类推，最后送到Ｂ用户。1324.7.2报文交换(续1)报文交换的特点：交换机采取“存储—转发”技术对报文进行存储和处理。适用于电报业务和电子信箱业务。报文交换的主要优点：①线路利用率较高；②交换机以“存储—转发”方式传输数据信息，可起到匹配速率、防止呼叫阻塞、平滑通信业务量峰值的作用；③易于实现各种不同类型终端之间的互通；④不需要发、收两端同时处于激活状态。⑤便于实现多种服务功能等。报文交换的主要缺点：①数据信息通过交换网的时延较长，变化大，这不利于实时或交互型业务；②交换机必须具有存储报文的大容量和高速分析处理报文的功能，从而增大了交换机的投资费用。

1334.7.3分组交换分组交换(又称包交换)，是综合了电路交换和报文交换两者优点的一种交换方式。仍采用“存储-转发”技术。分组交换的特点同电路交换。分组交换将一份较长的报文分解成若干个定长的“分组”，并在每个分组前都加上报头和报尾。报头中含地址和分组序号等内容，报尾是该分组的校验码。分组作为一个独立的规定格式的实体，便于交换机存储、分析和处理。既可以断续地传送，也可以经历不同的传输路径。1344.7.3分组交换(续1)为了控制和管理通过交换网的“分组”流，目前分组交换主要采用两种方式：数据报和虚电路。分组交换的主要优点：①传输时延较小，能较好地满足交互型实时通信的要求；②易于实现统计时分多路复用，提高了线路的利用率；③易建立灵活的通信环境，便于在不同类型的数据终端之间实现互通；④可靠性好。分组作为独立的传输实体，便于实现差错控制，误码率，一般可达10-11以下；⑤经济性好。分组交换的主要缺点：①由于网络附加的传输信息较多，影响了传输效率；②实现技术复杂。1354.7.3分组交换(续2)三种交换技术的通信过程ABCDABCDABCDABCD电路交换报文交换虚电路分组交换数据报分组交换呼叫请求呼叫应答报文释放请求释放应答报文分组2分组1分组3分组1分组1分组2分组2分组3分组3分组1分组2分组3分组1分组2分组3分组1分组2分组3报文报文连接请求连接应答数据传送连接建立连接释放t4.7.3分组交换(续3)结论对于需要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间的场合，则采用电路交换为宜。报文交换和分组交换因不需要预先分配传输带宽，所以有利于传