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网络物理层

2010-04-13  Frank_Chia

3 物理层

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要特点以及模拟传输和数字传输的一些常用技术。最后简单介绍曾用的物理层标准。

3.1 物理层的基本概念

首先要强调指出,物理层考虑的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,现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输媒体是什么。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用了“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和尺寸、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:指明在接口电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可能事件的出现顺序。

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,有时也可以采用多个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、光导纤维、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没有学过“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论(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。

3.2 数据通信的基础知识

3.2.1 数据通信系统的模型

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。这个例子就是两个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,产生输出的数字比特流。

(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,并将其转换成数字比特流。

(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31所示的数据通信系统,也可称为计算机网络。这里我们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,而信号(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(digital data)就是用不连续形式表示的数据。

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31 数据通信系统的模型

虽然数字化已成为当今的趋势,但这并不等于说:使用数字数据和数字信号就是“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的还是模拟的,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!但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,有时我们仍要将数字数据转换为模拟信号才能在这种媒体上传输。将数字数据转换为模拟信号的过程叫做调制。

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数字信号,那么PC机输出的数字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电话用户线(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)PC机输出的数字信号转换为模拟信号。现在在公用电话网中,交换机之间的中继线路大都数字化了。因此模拟信号还必须转换为数字信号才能在数字信道上传输。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字的还是模拟的。

一般说来,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、模拟数据:最早的电话系统就是这样的。

(2)模拟数据、数字数据:将模拟数据转换为数字形式后,就可以使用数字传输和交换设备。

(3)数字数据、模拟信号:为什么数字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,必须将数字数据经调制变换为模拟信号后才能传输。

(4)数字数据、数字信号:—般说来,把数字数据转换成数字信号的设备比把数字数据转换成模拟信号的调制设备更简单,更廉价。

3-2给出了模拟的和数字的数据、信号的示意图。

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3-2模拟数据、模拟信号、数字的数据和数字的信号

3.2.2 有关信道的几个基本概念

在许多情况下,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发送另一方接收,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。单向通信只需要一条信道,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,有时人们也常用“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传道上传送。

信道上传送的信号还有基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号之分。简单地说,所谓基带信号就是将数字信号10直接用两种不同的电压来表示,然后送到线路上去传输。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。由于每一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—定的时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—个数字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这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的高频分量。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,信道越长,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,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个码元。

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3-3数字信号通过实际的信道

(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。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确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。

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—个例子来说明。

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,怎样才能使一个码元携带3bit的信息量呢?假定我们的基带信号是:

10l011000110111010……

我们将这个信号中的每3bit编为一个组,即1010110001101110103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。现在假定我们采用相位调制,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:

530672

也就是说,原来要发送18个码元,每个码元只携带 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,则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。

3.2.4 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。当用此速率进行传输时,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

CW log2(1+S/N) bit/s (3-3)

其中:W为信道的带宽( 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;

(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的传输。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。

自从香农公式发表后,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输中产生的失真等等,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,一个码元可携带4 bit的信息。一个标准电话话路的频带为3003400 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。如使码元的传输速率为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。但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/N2500,那么由香农公式可以知道,无论采用何种先进的编码技术,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,或者提高信道的传输带宽。

3.3 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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3.3.1 导自传输媒体

1.双绞线

双绞线也称为双扭线。它是最古老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线的电磁干扰。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交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信号进行整形(对于数字传输)。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。由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丝编织成的屏蔽层,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。

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3-6 无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图

1991年,美国电子工业协会EIA(Electronic Industries Association)和电信工业协会TIA联合发布了一个标准EIA/TIA-568,它的名称是“商用建筑物电信布线标准”(Commercial Building Telecommunications Cabling 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/TIA1995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(1类线到5类线)。对传送数据来说,最常用的UTP3类线(Category 3)5类线(category 5)

5类线与3类线的最主要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7.510cm,而5类线的绞合长度是0.60.85cm。另一方面,线对间的绞合度和线对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。

无论是哪一种线,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。

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(3-7)。由于外导体屏蔽层的作用,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。

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3-7 同轴电缆的结构

当需要将计算机连接到电缆上的某一处时,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;另一种则不必剪断电缆,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

这是为数据通信传送基带数字信号。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。未经编码的二进制基带数字信号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10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现一长串的连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—个码元内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。这种编码的好处就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图不难看出其缺点,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,它的编码规则是: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,则其前半个码元的电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10,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。

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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

这种同轴电线用于模拟传输系统,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欧姆同轴电缆又称为宽带同轴电缆。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,而传输距离可达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信道用来传送数字信号时,数据率一般可达3M Bit/s

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,因此在宽带电缆的双工传输中,—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。

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年代的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。

光纤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,约为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,在检测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,其直径只有8100um。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。

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3-10 光线在光纤中的折射

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而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。

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3-11 光波在纤芯中的传播

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。若光纤的直径减小到只有—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(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。

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3-12 多模光纤和单模光纤

在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于0.85um1.30um、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有2500030000GHz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纤,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。

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3-13 高密度多芯光缆剖面

 

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,中继站离长,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。这在现有电缆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。这就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。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,也只会使连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。

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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,再经过发光二极管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,因此其工作带宽大大增加。

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相绝缘的明线。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。目前在我国的一些农村和边远地区的通信仍使用架空明线。

3.3.2 非导向传输媒体

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就可实现多种的通信。

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(这就是移动电话通信),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进行通信。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110km(对应于30300 kHz)LFMFHF的中文名字分别是低频、中频和高频。更高的频段中的VUSE的分别对应于veryUltraSuperExtremely,相应的频段的中文名字分别是甚高频、特高频、超高频和极高频,最高的一个频段中的TTremendously。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,超低频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,即速率为一个标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300MHz300GHz,但主要是使用240 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卫星通信。

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再发送到下一站,故称为“接力”。大多数长途电话业务使用46GHz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、18002700路。我国多为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,因而会造成失真;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护要耗费一定的人力和物力。

2.卫星通信

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。

卫星通信的最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。只要在地球赤道空中的同步轨道上,等距离地放置3颗相隔120o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2o,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1220个转发器。每个转发器的频带宽度为3650 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80064Kbit/s的数字化话音信道。如果两个传发器使用不同的极化方式,那么即使使用同样的频率也不会产生干扰。

在卫星通信领域中,甚小孔径地球站VSAT(Very Small Aperture 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—个小站的价格就较便宜。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心站进行存储转发。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250300 ms之间。一般可取为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,它们之间的传播时延也是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“用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。传输时延在总时延中所占的比例有多大,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。

3.4 模拟传输与数字传输

 

从概念上讲,对传送计算机数据最合适的应当是数字信道。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。

下面将讨论有关模拟传输和数字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。

3.4.1 模拟传输系统

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,上面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,在下面的一级是本地网,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)。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110 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。

长途干线最初采用频分复用FDM(Frequency Division 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3003400 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。一般说来,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,就是指长途干线频分复用的话路数目。

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,即要用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,就需要加入一个二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、四线转换器时,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),回波会使讲话人感到很不舒服,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人讲话时,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,全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化,因而现在的模拟电路就基本上只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。

3.4.2 调制解调器

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表示了出现一个误码的示意图。

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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(3003400Hz)之外,因而通不过去,由于收到的信号中缺少了这部分频率成分,因此使数字信号产生了失真。

(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产生失真。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,电话信号中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,接收端一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,即产生了误码。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)(2)两个因素产生的失真,必须将计算机输出的数字信号转换为频率范围在(3003400Hz)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),则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号用的解调器。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条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的调制解调器。

调制器的主要作用就是个波形变换器,它将基带数字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,即转换后的模拟信号仍然携带原来的数字信号所携带的数字信息)。解调器的作用就是个波形识别器,它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。若识别不正确,则产生误码。在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施,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)

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3-16对基带数字信号的几种调制方法

 

(1)调幅(AM),即载波的振幅随基带数字信号而变化。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信号而变化。例如,0对应于相位0o,而1对应于相位180o

上述的对数字信号的调频和调相,分别称为移频键控FSK(Frequency shift Keying)和移相键控PSK(Phase Shift 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检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。星座图中的16个点的坐标(rp)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编码共有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个码元就相当于传送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,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可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,这些面积会互相重叠,这就可能无法正确识别状态。

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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,我们先看一下什么是同步通信。

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时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的一半时(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 M bit/s即每1us发送一个比特。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,采样点就偏离比特的中心位置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时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频率(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允许有微小的误差(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装,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,那么这种精度的时钟就不能使用)

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节。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质量的自适应功能。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,也会自动将自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。用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。

3.4.3 数字传输系统

现在的数字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,它是用作电话局之间的中继线。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24PCM(简称为T1)和欧洲的30PCM(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。

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为了将模拟电话信号转变为数字信号,必须先对电话信号进行采样。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的一段,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,下一步就是进行编码。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信号后就进行传输(为提高传输质量,还可再进行一些编码,这里从略)。在接收端进行解码的过程与编码过程相反。只要数字信号在传输过程中不发生差错,解码后就可得出和发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码的标准速率。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以下的数据率来传送—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,通常总是将许多个话路的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。不难看出,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(因而不会发生干扰)。但从频率域来看,大家所占用的频率范围都是一样的。

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3-20 E1的时分复用帧

E1的一个时分复用帧(其长度Tl25us)共划分为32相同时隙,时隙的编号为CH0CH31。时隙CH0用作帧同步用,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CH1CH15CH17CH31,共30个时隙用作30个话路。每个时隙传送8bit。因此整个的32个时隙共用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3-202.048 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个时隙中的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位信令码元,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 M Bit/s

当需要有更高的数据率时,可以采用复用的方法。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,因为复用后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。

应当指出,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传输,数字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。

3.5 信道复用技术

3.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

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的两小节中介绍。

频分复用和时分复用的特点分别如图3-21(a)(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),而时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM)。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个用户ABcD。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是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信号的传输。

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  1. 频分复用

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  1. 时分复用

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,则每一个用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的相反,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),那就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ABCD进行时分复用。图中只画出了3个时隙。复用器按①->->->④的顺序依次扫描用户ABCD的各时隙,然后构成一个个时分复用帧。图中共画出了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态,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。

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3-22时分复用可能会造成线路资源的浪费

统计时分复用STDM(Statistic 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。—个使用统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。

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3-23 统计时分复用的原理图

统计时分复用使用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,就发送出去。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。这里应注意的是,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。假定所有的用户都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是间歇地上作。

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的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复用器,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道。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的帧。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。

3.5.2 波分复用

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,人们借用传统的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光纤上复用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 Wavelength Division Multiplexing)这一名词。图3-24说明了波分复用的概念。

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3-24 波分复用的概念

3-24表示8路传输速率均为2.5 G Bit/s的光载波(其波长均为1310 nm),经光的调制后,分别将波长变换到15501557nm,每个光载波相隔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0.81.6nm),这8个光载波(它们的波长是很接近的)经过复用器后,就在一根光纤中传输。因此,在一根光纤上数据传输的总速率就达到了8x2.5 G Bit/s20 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继续传输,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(42THz)频带范围提供较均匀的、最高可达4050dB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(只需放入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要用一个再生中继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。因此现在人们总是在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根速率为2.5G Bit/s的光纤,采用16倍的密集波分复用,得到的总数据率即达4Tbit/s。这里的T1012,中文名词是“太”,即“兆兆’。

3.5. 3 码分复用

码分复用CDM(Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法。实际上,人们更常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信,因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,不易被敌人发现。随着技术的进步,CDMA设备的价格和体积都大幅度下降,因而现在已广泛使用在民用的移动通信中,特别是在无线局域网中。采用CDMA可提高通信的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(是使用GSM45),降低手机的平均发射功率等等。下面简述其工作原理。

CDMA中,每一个比特时间再划分为m个短的间隔.称为码片(chip)。通常m的值是64128。在下面的原理性说明中,为了画图简单起见,我们设M8

便用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列(chip sequence)。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,指派给S站的8bit码片序列是00011011。当S发送比特1时,它就发送序列00011011,而当S发送比特0时,就发送11100100。为了方便,我们以后将码片中的0写为-1,1写为+1.因此S站的码片序列为(-1-1-1+1+1-1+1+1)

现假设S站要发送信息的数据率为b bit/s,由于每一个比特要转换成m个比特的码片,因比S站实际上发送的数据率提高到m b bit/s。同时s站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍,这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种。扩频通信通常有两大类。一种是直接序列(direct sequence),如上面讲的使用码片序列就是这一类,记为DS-CDMA。另—种是跳频(frequency hopping),记为FH-CDMA

CDMA系统的一个重要特点就是系统给每—个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须相互正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。用数学公式可以很清楚地表示码片序列的这种正交关系。令向量S表示站S的码片向量,再令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交,就是向量ST的内积(inner product)都是0

例如,向量S(-1-1-1+1+1-1+1+1),同时设向量T(-1-1+1-1+1+1+1-1)。这相当于T站的码片序列为00101110。将向量ST的各分量值代入(3-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。不仅如此,向量S和各站码片反码的向量的内积也是0。另外一点也很重要,即任何一个码片向量的规格化内积都是1。而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。这从式(3-5)可以很清楚地看出,因为求和的各项都变成了-1

现在假定在一个CDMA系统中有很多站都在互相通信,他们发送的是自己的码片序列(相当于发送比特1)。或码片序列的二进制反码(相当于发送比特0),或什么也不发(相当于没有数据发送)。我们还假定所有的站所送的码片序列都是同步的,即所有的码片序列都在同一个时刻开始。利用全球定位系统GPS就不难做到这点。

现假定有一个X站要接收S站发送的数据。X站就必须知道S站所特有的码片序列。X站使用它得到的码片向量S与接收到的未知信号进行求内积的运算。X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。根据上面的公式(3-4)(3-5),再根据叠加原理(假定各种信号经过信道到达接收端是叠加的关系),那么求内相得到的结果是:所有其它站的信号都被过滤掉(其内积的相关项都是0),而只剩下S站发送的信号。当S站发送比特1时,在X站计算内积的结果是+1,S站发送比特0时,内积的结果是-1

325CDMA的工作原理。设S站要发送的数据是110三个码元。再设CDMA将每一个码元扩展为8个码片,而S站选择的码片序列为(-11111111)。S站发送的扩频信号为Sx。我们应当注意到,S站发送的扩频信号Sx 中,只饮食互为反码的两种码片序列。T站选择的码片序列为(-11111111),T站也发送110三个码元,而T站的扩频信号为Tx。因为所有的站都使用相同的频率,所以,每一个站都能收到所有的站发送的扩频信号。对于我们的例子,所有的站收到的都是叠加的信号Sx+Tx

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当接收站打算收S站发送的信号时,就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积。这相当于分别计算S·SxS·Tx,然后再求它们的和。显然,后者是零,而前者就是S站发送的数据比特。

关于CDMA更进一步的了解可参阅[VITER95]

3.6 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH

在前面3.4.3节所介绍的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个。

(1)速率标准不统一。PCM的一次群数字传输速率有两个国际标准,一个是北美和日本的T1速率,而另一个是欧洲的E1速率。但是到了高次群日本又搞了第三种不兼容的标准。如不对高次群的数字传输速率进行标准化,国际范围的高速数据传输就很难实现,因为高次群的数字传输速率的转换十分困难。然而高次群的数字传输速率各国都已使用了不少时间,谁都不愿意抛弃正在使用的大量设备并改用别人的数字传输速率标准。

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(2)不是同步传输。前面已经讲过,在过去相当长的时间,为了节省经费,各国的数字网主要是采用准同步方式。这时,必须采用复杂的脉冲填充方法才能补偿由于频率不准确而造成的定时误差。这就给数字信号的复用和分用带来许多麻烦。当数据传输的速率较低时,收发双方时钟频率的微小差异并不会带来严重的不良影响。但是当数据传输的速率不断提高时,这个收发双方时钟同步的问题就成为迫切需要加以解决的问题。

为了解决上述问题,美国首先在1988年提出了一个数字传输标准,叫做同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构,其传输速率以51.84M Bit/s为基础,大约对应于T3/E3的传输速率,此速率对电信号称为第1级同步传送信号(Synchronous Transport Signal),即STS-1,对光信号则称为第1级光载波(Optical Carrier),即OC-1。现已定义了从51.84M Bit/s(0C-1)一直到9953.280 M Bit/s(0C-192/STS-192)的标准。

ITU-T以美国标准SONET为基础,制定出国际标准同步数字系列SDH(synchronous Digital Hierarchy),即1988年通过的G.707709等三个建议书。到1992年又增加了十几个建议书。一般可认为SDHSONET是同义词,但其主要不同点是:SDH的基本速率为15552 M Bit/s,称为第1级同步传递模块(STM-1),相当于SONET体系中的OC-3速率。表3-2SONETSDH的比较。表中带有星号*4种速率是现在最常用的。为方便起见,在谈到SONET/SDH的常用速率时,往往使用表中最后一列给出的近似值。

SDH/SONET定义了标准化光信号,规定了波长为1310nm1550nm的激光源。在物理层为宽带接口使用了帧技术以传递信息。为数字信号的复用和操作过程定义了帧结构。

SONET标准定义了四个光接口层。这虽然在概念上有点像OSI参考模型,但SONET自身只对应于OSI的物理层。SONET的层次自下而上如图 3-25所示。

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3-26 SONET的体系结构

光子层(Photonic Layer):处理跨越光缆的比特传送,并负责进行STS的电信号和OC的光信号之间的转换。在此层由电光转换器进行通信。

数字段层(Section Layer):在光缆上传送STS-N帧,有成帧和差错检测功能。

上述两层是必须要有的,但下面两层是可供选择的。

  1. 线路层(Line Layer):负责路径层的同步和复用以及交换的自动保护。
  2. 路径层(Path Layer):处理路径端接设备PTE(Path Terminating Element)之间的业务的传输,这里PTE是具有SONET能力的交换机。路径层还具有与非SONET网络的接口。

SDH的帧结构是一种块状帧,其基本信号是STM-1,更高的等级是用NSTM-1复用组成STM-N。如4STM-1构成STM-416STM-1构成STM-16 SDH简化了复用和分用技术,需要时可直接接人到低速支路,而不经过高速到低速的逐级分用,上下电路方便。SDH采用自愈混合环形网结构。并与数字交接系统DACS(Digital Access and Cross-connect System)结合使用,可使网络按预定方式重新组配。避免了耗资的人工操作。因而大大提高了通信网的灵活性和可靠性。光纤信道的带宽充裕,因此SDH可在其帧结构中使用较多的比特用于管理,这就大大增强了通信网的运行、维护、监控和管理功能。

SDH/SONET标准的制定,使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一。各国都同意将这一速率以及在此基础上的更高的数字传输速率作为国际标准。这是第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。现在SDH/SONET标准己成为公认的新—代理想的传输网体制,因而对世界电信网络的发展具有重大的意义。SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制[COMM90]。

3.7 EIA-232-E接口标准

本节主要介绍EIA-232-E标准,同时也说明 RS-449的特点。

EIA-232-E是美国电子工业协会EIA制定的著名物理层标准。它最早是1962年制定的标准RS-232。这里RS表示EIA的一种“推荐标准”,232是个编号。在1969年修订为RS-232-CC是标准RS-232以后的第三个修订版本。19871月,修订为EIA-232-D1991年又修订为ELA-232-E。由于标准修改得并为多,因此现在很多厂商仍用旧的名称。有时简称为EIA-232,甚至说得更简单些:“提供232接口”。

EIA-232DTEDCE之间的接口标准,因此下面先介绍什么是DTEDCE

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3-27 DTE通过DCE与通信传输线路相连

DTE(Data Terminal Equipment)是数据终端设备,也就是具有一定的数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备。大家知道,大多数的数字数据处理设备的数据传输能力是很有限的。直接将相隔很远的两个数据处理设备连接起来,是不能进行通信的,必须在数据处理设备和传输线路之间,加上一个中间设备。这个中间设备就是数据电路端接设备DCE(Data Circuit-terminating Equipment)DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能,并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。DTE通过DCE与通信传输线路相连,如图3-26所示。

DTE可以是一台计算机或一个终端,也可以是各种的I/O设备,典型的DCE则是一个与模拟电话线路相连接的调制解调器。我们从图3-26可以看到,DCE虽然处于通信环境内,但它和DTE均属于用户设施。用户环境只包括DTE

DTEDCE之间的接口一般都有许多条并行线,包括多种信号线和控制线。DCEDTE传过来的数据,按比特顺序逐个发往传输线路,或者反过来,从传输线路收下来串行的比特流,然后再交给DTE。很明显,这里需要高度协调地工作。为了减轻数据处理设备用户的负担,就必须对DTEDCE的接口进行标准化。这种接口标准也就是所谓的物理层协议。

多数的物理层协议使用如图3-26所示的模型。但也有一些不是这样。例如,在局域网中,物理层协议所定义的是一个数据终端设备和链路的传输媒体的接口,而并没有使用这种DTE-DCE模型。

下面扼要介绍一下物理层标准EIA-232的—些主要特点。

在机械特性方面,EIA-232使用ISO 2110关于插头座的标准。这就是使用25根引脚的DB-25插头座。引脚分为上、下两排,分别有1312根引脚,其编号分别规定为1131425,都是从左到右(当引脚指向人时)

在电气性能方面,EIA-232CCITTV.28建议书一致。这里要注意的是:EIA-232采用负逻辑。也就是说,逻辑0相当于对信号地线有+3V或更高的电压,而逻辑1相当于对信号地线有-3V或更低的电压。逻辑0相当于数据的“0(空号)或控制线的“按通”状态。而逻辑1则相当于数据的“1(传号)或控制线的“断开”状态。当连接电缆线的长度不超过15m时,允许数据传输速率不超过20 Kbit/s。但是当连接电路长度较短时,数据传输速率就可以大大提高。

EIA-232的功能特性与原CCITTV.24建议书一致。它规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一根以及该引脚的作用。图3-27画的是最常用的10根引脚的作用,括弧中的数目为引脚的编号。其余的一些引脚可以空着不用。图中引脚7是信号线,即公共回线。引脚1是保护地(即屏蔽地),有时可不用。引脚2和引脚3都是传送数据的数据线。“发送”和“接收”都是对DTE而言。有时只用图中的9个引脚(将“保护地”除外)制成专网的9芯插头,供计算机与调制解调器的连接使用。

EIA-232的功能特性规定了在DTEDCE之间所发生的事件的合法序列,这部分内容与原CCITTV.24建以书一致。

下面通过图3-28的例子,说明DTE-A要向DTE-B发送数据所要经过的几个主要步骤。(1)DTE-A要和DTE-B进行通信时,就将引脚20DTE就绪”置为ON,同时通过引脚2“发送数据”向DCE-A传送电话号码信号。

(2)DCE-B将引脚22“振铃指示”置为ON,表示通知DTE-B有呼叫信号到达(在振铃的间隙以及其他时间,振铃指示均为OFF状态)DTE-B就将其引脚20DTE就绪”置为ONDCE-B接着产生载波信号,并将引脚6DCE就绪”置为ON,表示已准备好接收数据。

(3)DCE-A检测到载波信号时,将引脚8“载波检测”利引脚6DCE就绪”都置为ON,以便使DTE-A知道通信电路已经建立。DCE-A还可通过引脚3“接收数据”向DTE-A发送在其屏幕上显示的信息。

(4)DCE-A接着向DCE-B发送其载波信号,DCE-B将其引脚8“载波检测”置为0N

(5)DTE-A要发送数据时,将其引脚4“请求发送”置为ONDCE-A作为响应将引脚5“允许发送”置为ON。然后DTE-A通过引脚2“发送数据”来发送其数据。DCE-A将数字信号转换为模拟信号向DCE-B发送过去。

(6)DCE-B将收到的模拟信号转换为数字信号经过引脚3“接收数据”向DTE-B发送。

其他的一些引脚的作用是:选择数据的发送速率,测试调制解调器,传送数据的码元定时信号,以及从另一个辅助信道反向发送数据等。但是这些引脚实际中却很少使用。

许多产品部声称自己的串行接口是“与EIA-232标准兼容”。应当注意,这只是说,该接口的电气特性和机械特性与EIA-232接口标准没有矛盾。但我们仍无法得知该接口是否能够支持EIA-232的全部功能。这是因为,很多厂商出售的调制解调器只使用了接口的25根引脚中的412根。因此他们所实现的很可能只是整个EIA-232标准的一个子集。因此应该弄清你所需要的性能是否已包括在这个子集之中。

EIA还规定了插头应装在DTE上,插座应装在DCE。因此当终端或计算机与调制解调器相连时就非常方便。然而有时却需要将两台计算机通过EIA-232串行接口直接相连。这显然有点麻烦。例如,这台计算机通过引脚2发送数据,但仍然传送到另一台计算机的引脚2这就让对方无法接收。为了不改动计算机内标准的串行接口线路,可以采用虚调制解调器的方法。所谓虚调制解调器就是—段电缆,具体的连接方法如图3-29所示,这样对每一台计算机来说,都好像是与—个调制解调器相连,但实际上并没有真正的调制解调器存在。

EIA-232接口标准有两个较大的弱点,即:数据的传输速率最高为20Kbit/s;连接电缆的最大长度不超过15m。这就促使人们制定性能更好的接口标准。出于这种考虑,EIA1977制定了一个新的标准RS-449,以便逐渐取代旧的RS-232

实际上RS-4493个标准组成,即:

(1)RS-449 规定接口的机械特性、功能特性和过程特性。RS-449采用37根引脚的插头座,在CCIIT的建议书中,RS-449相当于V.35

(2)RS-423-A 规定在采用非平衡传输时(即所有的电路共用一个公共地)的电气特性。当连接电缆长度为10m时,数据的传输速率可达300Kbit/s

(3)RS-422-A 规定在采用平衡传输时(即所有电路没有公共地)的电气特性。它可将作输速率提高到2 M Bit/s,而连接电缆长度可超过60m。当连接电缆长度更短时(10m),则传输速率还可以更高些(如达到10M Bit/s)

通常EIA-232/V.24用于标准电话线路(一个话路)的物理层接口,而RS-449/V.35则用于宽带电路(一般都是租用电路),其典型的传输速率为48168Kbit/s,都是用于点到点的同步传输。

关于RS-449的详细说明可参阅有关标准,这里从略。

以上所讲的EIA-232RS-449标准只是ITU-T为在模拟电话网上传送数据的接口标准系列中的一部分。全面详细的标准都由ITU-TV系列建议书给出。

1. 物理层要解决哪些问题?物理层的主要特点是什么?物理层协议与物理层规程有何区别?

2.试给出数据通信系统的模型并说明其主要组成构件的作用。

3.试解释以下名词:数据,信号,模拟数据,模拟信号、数字数据,数字信号、单工通信、半双工通信.全双工通信。

4.奈氏准则与香农公式在数据通信中的意义是什么 比特和波特有何区别

5.常用的传输媒体有哪几种 各有何特点

6.什么是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 其特点如何

7.传播时延与发送时延有何区别 试给出两种不同的情况,其中一种情况是传播时延在总时延中占据主要成分,而另一种情况是发送时延是主要的。

8.模拟传输系统与数字传输系统的主要特点是什么

9EIA-232RS-449接口标准各用在什么场合

10.基带信号与宽带信号的传输各有什么特点

11.有600MB(兆字节)的数据,需要从南京传送到北京。一种方法是将数据写到磁盘上,然后托人乘火车将这些磁盘捎去。另一种方法是用计算机通过长途电话线路(设信息传输的速率是24 Kbit/s)传送此数据。试比较这两种方法的优劣。

若信息传送速率为33.6Kbit/s,其结果又如何

1256 Kbit/s的调制解调器是否已突破了香农的信道极限传输速率 这种调制解调器的使用条件是怎样的

13.在3.3.1节介绍双绞线时,我们说:“在数字传输时,若传输速率为每秒几个兆比特则传输距离可达几公里。”但目前我们使用调制解调器与ISP相连时,数据的传输最高只能达到56 Kbit/s,与每秒几个兆比特相去甚远。这是为什么?

14.试写出下列缩写的全文,并进行简单的解释。

FDMTDMSTDMWDMDWDMCDMASONETSDHSTM-1OC-48DTEDCEEIAITU-TCCITT ISO

15.码分多址(CDMA)为什么可以使所有用户在同样的时间使用同样的频带进行通信而不会互相干扰 这种复用方法有何优缺点

16.共有4个站进行码分多址通信。4个站的码片序列为:

A(-1-1-1+1+1-1+1+1) B(-1-1+1-1+1+1+1-1)

C(-1+1-1+1+1+1-1-1) D(-1+1-1-1-1-1+1-1)

现收到这样的码片序列:(-1+1-3+1-1-3+1+1)。问哪个站发送数据了 发送数据的站发送的1还是0

 


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