第三章 數據傳輸技術.doc

第三章 數據傳輸技術3.1 數據傳輸的基本概念3.1.1信息、數據和信號數據傳輸的基本概念之一是理解信息、數據和信號這三個術語的含義。信息(Information)一詞也可譯成資訊。從通信的意義上理解，信息可用來解除不確定度。為了定量地研究通信系統(tǒng)的運行狀況，客觀地評價各種通信方式的優(yōu)缺點，需要對信息進行度量。著名的美國數學家、信息論的奠基人香農(C.E.Shannon)給出了關于度量信息的公式，即信息量I為若上式的對數以2為底，則信息量的單位為比特(bit)。由上式可知，一個消息所承載的信息量I等于它所表示的事件發(fā)生的概率P的倒數的對數。如果一個消息為必然事件，即該事件發(fā)生的概率為1，則該消息所傳遞的信息量為零。數據(Data)是任何描述物體、概念、形態(tài)的事實、數字、符號和字母,可定義為有意義的實體，它涉及到事物的形式。數據中包含著信息，信息可通過解釋數據而產生。從形式上，數據可分為模擬數據和數字數據兩種,如圖3.1.1所示。模擬數據是指在某個區(qū)間內連續(xù)的值。例如，聲音或視頻都是強度連續(xù)變化的波形；又如，用傳感器采集到的數據，包括溫度和壓力等，都是連續(xù)的。數字數據泛指離散的值，諸如文字、整數等。信號(Signal)是數據的電磁(或電子)編碼。通信系統(tǒng)中所使用的信號指的是電、磁信號，即隨時間變化的電壓、電流或磁場。從數學角度來看，信號通常是時間的函數，在時域上可劃分為連續(xù)函數和離散函數。從通信的信號形式上看，信號是傳遞消息的載體，信號可分為以下兩種：模擬信號：指連續(xù)變化的電信號，例如語音信號、當前的電視信號等；數字信號：指離散的一系列電脈沖，如計算機所用的二進制代碼“1”和“0”表示的信號。模擬信號和數字信號都可以在合適的傳輸介質上進行傳輸。我們常用“信道”一詞來表示向某一方向傳送數據的傳輸介質。由于目前使用的傳輸介質有多種，它們在傳輸特性上存在著差別,因此，數據傳輸設備采用不同的信號變換技術，以取得滿意的數據傳輸質量。與信號的分類相似，現代通信網中的信道也可分為兩種：數字信道，主要用于傳輸數字信號，具有64kb/s或較高速率的同步數字傳輸通路；模擬信道，用于傳輸模擬信號，具有通頻帶為3003400Hz的長途載波電話通路或實線通路。3.1.2 傳輸方式信號的傳輸方式分為并行傳輸與串行傳輸。1.并行傳輸并行傳輸指的是數據以成組的方式，在多條并行信道上同時進行傳輸，如圖3.1.2(a)所示。例如,一個采用8單位二進制碼構成一個字符進行并行傳輸的系統(tǒng)，需采用8個信道并行傳輸，一次傳送8位，即一個字符，因此收、發(fā)雙方不存在字符同步的問題，不需要額外的措施來實現收發(fā)雙方的字符同步，這是并行傳輸的主要優(yōu)點。在實用中，需另外加一條控制信號,即“選通”脈沖，它在數據信號發(fā)出之后傳送，用以通知接收設備所有的位已經發(fā)送完畢，可對各條信道上的信號進行取樣了。并行傳輸常用于計算機內部數據總線或PC微機與打印機接口，但由于使用的線路多，成本較高，不適宜遠距離傳輸。圖3.1.2 傳輸方式(a)并行傳輸；(b)串行傳輸2.串行傳輸串行傳輸指的是組成字符的若干位二進制碼排列成數據流,以串行的方式在一條信道上傳輸，如圖3.1.2(b)所示。通常傳輸順序為由低位到高位，傳完這個字符再傳下一個字符，因此收、發(fā)雙方必須保持字符同步，以使接收方能夠從接收的數據比特流中正確區(qū)分出與發(fā)送方相同的字符，這是串行傳輸必須解決的問題。串行傳輸只需要一條傳輸信道，易于實現，是目前遠程通信主要采用的一種傳輸方式。3.2 傳輸介質及其特性上一章在ISO/OSIRM中簡述了物理層的基本功能,涉及到物理層規(guī)程或建議，直接面向著各種不同的通信方式,各式各樣的傳輸介質。特別需注意這些物理層功能并不是指具體所要連接的計算機等設備和傳輸介質,因此在實際的計算機等數據終端設備(DTE，Data Terminal Equipment)之間的通信必須通過具體的通信設備和傳輸介質來完成信息的傳輸?？梢?，傳輸介質是計算機通信與網絡的基本組成部分，在遠程傳輸工程的投資成本中占有很大的比例。因此，如何利用傳輸介質是網絡技術和應用的一個基本問題。傳輸介質可以分為線傳輸介質(有線線路)和軟傳輸介質(無線信道)兩類。前者包括雙絞線、同軸電纜及光纜等；后者主要包括地面微波、衛(wèi)星微波、無線電波及紅外傳輸技術等。傳輸介質的特性影響著數據的傳輸質量，不同的傳輸介質具有不同的傳輸特性，可從物理結構、連通性、抗干擾性、可允許直連最長距離以及價格等方面來衡量。從傳輸系統(tǒng)的設計目標來看，首先關注的是能符合應用的數據傳輸速率和傳輸距離。一般來說，數據傳輸速率愈高，允許傳輸距離愈遠而價格合理為優(yōu)選。3.2.1 線傳輸介質1.雙絞線雙絞線(TP，TwistedPair)是由線對扭絞而成的，其結構如圖3.2.1所示。芯線為軟銅線，一般線徑為0.41.4mm不等。采用雙絞線的好處是可減少相鄰線對間的電磁串擾(與扭絞距有關)。多對雙絞線封裝后構成對稱電纜。由于價格相對便宜，應用十分廣泛，在市話用戶線、部分中繼線以及部分長途載波線路中仍然使用雙絞線或對稱電纜。圖 3.2.1 雙絞線電話通信對稱電纜中雙絞線對數的可選范圍為21800對，市話用戶線采用雙絞線的傳輸距離可達15km。雙絞線既可用來傳輸模擬信號，也可用于傳輸數字信號。當雙絞線用來傳輸信號時，其傳輸距離與雙絞線的線徑有關。導線加粗，其傳輸距離相對可較遠，但導線的成本也增加。通常，電話系統(tǒng)的用戶在一個載波話路帶寬為4kHz(實際有效帶寬為0.33.4kHz)的通路上傳輸數據時，其一般速率為24009600b/s(需要加Modem)。目前，經過特別設計的雙絞線，如在計算機局域網中，采用三類無屏蔽雙絞線(3UTP，Unshielded Twisted Pair)在基帶傳輸距離100m內其允許數據傳輸速率也可達10Mb/s；五類無屏蔽雙絞線(5UTP)在基帶傳輸距離100m內其允許數據傳輸速率已可高達100155Mb/s。無屏蔽雙絞線的傳輸特性如表3.2.1所示。千兆局域網中一般選用超5類、6類或7類雙絞線。為了改善雙絞線的抗電磁干擾性能,可在雙絞線的外面包上用金屬絲編織的屏蔽層，稱為有屏蔽雙絞線(STP，Shielded Twisted Pair)。表3.2.1 無屏蔽雙絞線類型和傳輸特性在局域網中常用的EIA/TIA568AUTP內4對8線的編號與線色如圖3.2.2所示。圖3.2.2 局域網UTP內4對8線的編號與線色2. 同軸電纜同軸電纜(CoaxialCable)是由同軸管內的內導體和外導體構成的一種通信傳輸介質。同軸管的內導體采用半硬銅線(單芯)或多股線扭絞而成，外導體采用軟銅線或鋁帶縱包而成，內外導體間用聚乙烯塑料制成的墊片絕緣，如圖3.2.3所示。同軸電纜的低頻串音及抗干擾特性不如對稱雙絞線電纜，但隨著頻率升高，外導體的屏蔽作用增強，其串音和抗干擾能力大為改善，因此它適用于高頻大通路長途干線。通常，根據內外導體直徑的尺寸，可分為中同軸電纜(2.6/9.5mm)、小同軸電纜(1.2/4.4mm)及微同軸電纜(0.7/2.9mm)。目前，中同軸電纜載波電話系統(tǒng)最高可傳送10800條話路(或13200條話路)。我國國內主要采用1800路和4380路載波電話系統(tǒng)，線路最高傳輸頻率分別為8.428MHz和21.664MHz。小同軸電纜造價相對較低，使用靈活，常用的載波系統(tǒng)可達3600路，而我國國內主要采用300路和960路系統(tǒng)，線路最高傳輸頻率分別為1.3MHz和4.188MHz。微同軸電纜主要用于數字通信中傳輸二次群(120話路)、三次群(480話路)的脈沖編碼調制(PCM)數字信號。此外，在計算機局域網、共用天線電視(CATV)中，同軸電纜也得到了廣泛的應用，其型號及特性如表3.2.2所示。表3.2.2 局域網所用同軸電纜的型號及特性由表3.2.2中可見，同軸電纜可用于基帶(Baseband)和寬帶(Broadband)傳輸。同軸電纜(RG8/RG11)的特性阻抗為50，通常用于傳輸基帶的數字信號。所謂“基帶”，是指未經頻率變換的傳輸頻帶。在局域網中使用這種基帶粗同軸電纜，加中繼器可在2.5km內以10Mb/s傳送基帶的數字信號。同軸電纜(RG59U)的特性阻抗為75，它可用于有線電視(CATV)傳輸系統(tǒng)，采用頻分復用技術來傳送模擬信號，其頻率高達300450MHz，傳輸距離可達100km(需加多級放大器)；如要傳送數字信號，則需進行信號變換，即將數字信號變換成模擬信號，才能在電纜上分頻傳輸。一般，每秒傳送1比特要用1Hz的帶寬，這取決于編碼方式和所用的傳輸系統(tǒng)。通常在300MHz的電纜上可支持300kb/s150Mb/s的數據傳輸速率。3.光纜光纖(Optical Fiber)是一種光傳輸介質，由于可見光的頻率高達108MHz，因此光纖傳輸系統(tǒng)具有足夠的傳輸帶寬。光纜是由一束光纖組裝而成的，用于傳輸調制到光載頻上的已調信號。光纜的結構示意如圖3.2.4所示。圖3.2.4 四芯光纜示意圖(a)光纜結構剖面圖；(b)光波在纖芯中傳播光纖通常由純凈的石英玻璃拉成細絲構成，主要由纖芯和包層構成雙層通信圓柱體，其直徑(含包層)僅為0.2mm，因此，必須加上加強芯和填充物,增加其機械強度。必要時在光纖內可接入遠供電源線，最后加封包帶層和外護套,以滿足工程施工和應用的強度要求。實際上，只要使射到光纖表面的光線入射角大于某一個臨界角度，就可以產生全反射，如圖3.2.4(b)所示。含有許多條不同入射角的光線在一條光纖中傳輸，這種光纖稱為多模光纖(MMF)。若光纖的直徑足夠細，如使用一個光的波長，則光纖就會像波導那樣，能使光線一直向前傳播，這種光纖稱為單模光纖(SMF)。一個簡單的光收發(fā)系統(tǒng)如圖3.2.5所示。在光纖的發(fā)送端需要光源，可選用發(fā)光二極管(或半導體注入型激光管)作電光轉換，即在電脈沖的作用下產生光脈沖。在接收端利用光電二極檢波管(或雪崩光電二極管)做成光電檢測器完成光電轉換，即檢測到光脈沖后將其還原成電脈沖。一條裸纖只能支持單方向點到點的傳輸。由于發(fā)光二極管產生的可見光定向性較差，因而常用于多模光纖系統(tǒng)；而半導體注入型激光管能產生一個超輻射的極窄光束，即單一波長的激光，因而常用于單模光纖系統(tǒng)。圖3.2.5 光收發(fā)系統(tǒng)光纖的傳輸特性主要用損耗和色散來衡量。損耗是光信號在光纖中傳播時單位長度的衰減，通常用dB/km來表示；光纖的損耗會影響傳輸的中繼距離。色散則是光信號到達接收端的時延差，即脈沖展寬；色散會影響傳輸碼率(即傳輸帶寬)。光纖的頻帶特性以兆赫千米(MHzkm)來表示。研究表明，單模光纖在光波長為1.3m或1.5m時，其損耗分別為0.5dB/km和0.2dB/km，從而使中繼站的距離延長到50100km，碼速可增加到2.4Gb/s，接近于0，此時的最大傳輸距離：海底光纜可達100010000km，地面光纜為1001000km，而在大城市中繼為1070km。自AT&T公司率先公布了采用光放大器和單光子相結合的方法后，在13000km的距離內，單模光纖的傳輸速率已達20Gb/s。光纖作傳輸介質用于通信，其主要優(yōu)點是：(1)傳輸速率極高，頻帶極寬，傳送信息的容量極大。(2)光纖不受電磁干擾和靜電干擾等影響，即使在同一光纜中，各光纖間幾乎沒有干擾；易于保密；光纖的衰減頻率特性平坦，對各頻率的傳輸損耗和色散幾乎相同，因而接收端或中繼站不必采取幅度和時延等均衡措施。(3)光纖的原料為石英玻璃砂(即二氧化硅)，原料充足。光纖上傳輸光信號，因此光纖適宜無分叉的點到點連接。相對雙絞線、同軸電纜，光纜每公里的單價較貴。隨著生產成本的日益降低，光纜必將成為21世紀全球信息基礎設施的主要傳輸介質。3.2.2 軟傳輸介質1.無線電波無線電波是一個廣義的術語，從含義上講，無線電波是全向傳播的，而微波則是定向傳播的。無線電波的頻段分配見表3.1.3。表3.1.3 無線電波頻段和波段名稱無線電波的不同頻段可用于不同的無線通信方式。(1)頻率范圍330MHz通稱為高頻(HF)段，可用于短波通信。它是在地面發(fā)射無線電波，通過電離層的多次反射到達接收端的一種通信方式。由于電離層隨季節(jié)、晝夜以及太陽黑子活動情況而變化，所以通信質量難以達到穩(wěn)定。當用高頻段作數據傳輸時，鄰近的傳輸碼元將會引起干擾。(2)頻率范圍30300MHz為甚高頻(VHF)段，頻率范圍3003000MHz為特高頻(UHF)段。在這兩個頻率范圍內，電磁波可穿過電離層，不會因反射而引起干擾，因而可用于數據通信。例如，夏威夷ALOHA系統(tǒng)使用兩個頻率：上行頻率為407.35MHz,下行頻率為413.35MHz，兩個信道的帶寬均為100kHz，可傳輸數據率為9600b/s,其傳輸是以分組形式進行的，所以也稱ALOHA系統(tǒng)為無線分組通信(Packet Radio Communication)。此外，蜂窩無線電移動通信(Cellular Radio Mobile Communication)系統(tǒng)已得到了廣泛的應用。例如，蜂窩式移動電話模擬系統(tǒng)有多種制式提供服務，其中TACS制式的基站發(fā)射頻段為935960MHz；移動臺發(fā)射頻率范圍為890915MHz，收發(fā)間隔45MHz，頻道間隔為25kHz，可有1000個頻道用于通話。另一種蜂窩式移動電話數字系統(tǒng)，如GSM，是基于數字射頻調制技術、時分多址或碼分多址技術的，它提高了系統(tǒng)容量和傳送質量，有利于引入ISDN業(yè)務。2.地面微波地面微波的工作頻率范圍一般為120GHz，它是利用無線電波在對流層的視距范圍內進行傳輸的。由于受到地形和天線高度的限制，兩微波站間的通信距離一般為3050km。當用于長途傳輸時，必須架設多個微波中繼站，每個中繼站的主要功能是變頻和放大，這種通信方式稱為微波接力通信，如圖3.2.6所示。目前，模擬微波通信主要采用調頻制，每個射頻波道可開通300、600、1800、2700及3600條話路。也可采用單邊帶調幅制，每個射頻波道可最多開通6000條話路。微波天線的通用類型是拋物型“碟”，其直徑為3m，兩天線間直徑距離l為式中，k為調整因子，考慮微波隨地球的曲面而折射的因素，取經驗值k為4/3；h為天線高度(m)。微波損耗隨距離平方的對數關系變化，可用下式來表示：式中，為波長。數字微波系統(tǒng)大多采用相移鍵控(PSK)調制方式，有4相制和8相制，目前國內長途干線主要采用4GHz的960路系統(tǒng)和6GHz的1800路系統(tǒng)。微波通信可傳輸電話、電報、圖像、數據等信息，其主要特點是：(1)微波波段頻率高，其通信信道的容量大，傳輸質量較平穩(wěn)，但遇到雨、雪天氣時會增加損耗。(2)與電纜通信相比，微波接力信道能通過有線線路難于跨越或不易架設的地區(qū)(如高山或深水)，故有較大的靈活性，抗災能力也較強；但通信隱蔽性和保密性不如電纜通信。2.衛(wèi)星微波通信衛(wèi)星是現代電信的重要通信設施之一，它被置于地球赤道上空35784km處的對地靜止的軌道上，與地球保持相同的轉動周期，故稱為同步通信衛(wèi)星。實際上，它是一個懸空的微波中繼站，用于連接兩個或多個地面微波發(fā)射/接收設備(稱之為衛(wèi)星通信地球站，簡稱為地球站),如圖3.2.7所示。圖3.2.7 衛(wèi)星微波中繼通信衛(wèi)星通信是利用同步通信衛(wèi)星作為中繼站，接收地球站送出的上行頻段信號，然后以下行頻段信號轉發(fā)到其他地球站的一種通信方式。通過衛(wèi)星一跳(Hop)一跳(Hop)指從地面至衛(wèi)星、衛(wèi)星返地面的傳輸過程。 可連通地面最長達1.3104km的兩個地球站間的通信。根據1992年世界無線電行政大會規(guī)定，固定衛(wèi)星業(yè)務(FSS)常用下列三個頻段：1)C頻段上行：59256425MHz,帶寬500MHz下行：37004200MHz,帶寬500MHz從1984年起，為擴展衛(wèi)星固定通信業(yè)務(FSS)用的頻譜，其頻段調整為：上行： 1區(qū)57257075MHz,帶寬1350MHz2、3區(qū)58507075MHz,帶寬1225MHz下行：13區(qū)34004200MHz,45004800MHz,帶寬合計為1100MHz2)Ku頻段上行：13區(qū) 14.014.25GHz,帶寬250MHz14.2514.50GHz,帶寬250MHz下行： 13區(qū) 10.9511.20GHz,帶寬250MHz11.4511.70GHz,帶寬250MHz2區(qū) 11.711.95GHz,帶寬250MHz11.9512.2GHz,帶寬250MHz3區(qū) 12.212.5GHz,帶寬300MHz1、3區(qū) 12.512.75GHz,帶寬250MHz3) Ka頻段上行：29.530GHz,帶寬500MHz下行：19.720.2GHz,帶寬500MHz目前，應用較多的是C頻段。通常將可用的頻段帶寬(如500MHz)分為36MHz的轉發(fā)器頻帶，因此，一星可含12個或更多的轉發(fā)器，實現多信道衛(wèi)星通信。今后發(fā)展的方向是Ku頻段。衛(wèi)星微波通信的主要特點是：通信覆蓋區(qū)域廣，距離遠；從衛(wèi)星到地球站是廣播型信道，易于實現多址傳輸；通信衛(wèi)星本身和發(fā)射衛(wèi)星的火箭費用很高，且受電源和元器件壽命等因素的限制，同步衛(wèi)星的使用壽命一般多則七八年，少則四五年；衛(wèi)星通信的傳輸時延大，一跳的傳播時延約為270ms，利用衛(wèi)星微波作數據傳輸時，必須要考慮這一特點。此外，甚小孔徑衛(wèi)星終端(VSAT，Very Small Aperture Satelite Terminals)，中、低軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，如銦(Indium)系統(tǒng)、全球衛(wèi)星系統(tǒng)、ICO(Intermediate Circular Orbit)系統(tǒng)等還可提供頻段租賃服務。4.紅外線技術紅外線(Infrared)技術已經在計算機通信中得到了廣泛應用，例如兩臺筆記本電腦對接紅外接口即可傳輸文件。紅外線鏈路只需一對收發(fā)器，在調制不相干的紅外光(10121014Hz)后，即可在視線距離的范圍內傳輸。紅外線傳輸具有很強的方向性，可防止竊聽、插入數據等，但對環(huán)境(如雨、霧)干擾特別敏感。3.3 數據調制與編碼數據傳輸是實現數據通信的基礎，源站的數據通過調制或編碼變成信號，沿傳輸介質傳播到目的地。模擬數據和數字數據都可用模擬信號或數字信號來表示，圖3.3.1表示了模擬數據、數字數據與模擬信號、數字信號的對應關系。圖3.3.2 數字數據的模擬信號調制3.3.1 數字數據的模擬信號調制調制解調器(Modem)是一種信號變換設備，數字數據通過Modem可變?yōu)槟M信號，以利于在模擬信道中傳送，如圖3.3.2所示?；镜恼{制方法有下列三種：(1)幅移鍵控法(ASK，AmplitudeShift Keying):用載波頻率不同的幅度來表示兩個二進制值，如圖3.3.3(a)所示。圖3.3.3 基本的調制方法(a)ASK;(b)FSK;(c)PSK(2)頻移鍵控法(FSK，FrequencyShiftKeying):用不同的載波頻率(相同幅度)來表示兩個二進制值，如圖3.3.3(b)所示。(3)相移鍵控法(PSK，PhaseShiftKeying):用不同的載波相位(相同幅度)來表示兩個二進制值，如圖3.3.3(c)所示。在現代調制技術中，常將上述基本調制方法加以組合應用，以求在給定的傳輸帶寬內提高數據的傳輸速率。數據傳輸速率是衡量系統(tǒng)傳輸能力的主要指標。數據傳輸速率表示單位時間內傳送二進制“1”和“0”的數量(單位b/s)，記作C。調制速率則表示調制信號波形變換的程度，即單元信號碼元周期T的倒數(單位為baud,波特)，記作B。C與B之間的關系如下：單路調制多路調制式中,m為調制的通路數，i表示通路序號，N表示不同的碼元數，lbN為每個碼元的比特數。從傳輸速率以及抗干擾能力來看，PSK最優(yōu)，FSK其次，ASK最差?，F代通信中所采用的先進的格柵調制技術可使數據傳輸速率高達33.6kb/s。3.3.2 數字數據的數字信號編碼計算機通信中的二進制數字的基本表示方法是：“1”表示正電壓；“0”表示無電壓，稱之為不歸零(NRZ，Non Return to Zero)碼，如圖3.3.5(a)所示。數字數據編碼的目標是將二進制數“1”、“0”經過編碼成為數字信號，使其特性有利于傳輸，其示意圖如圖3.3.4所示。典型的幾種數字數據的數字信號編碼如圖3.3.5所示。圖3.3.4 數字數據的數字信號編碼圖3.3.5 典型的數字數據的數字信號編碼1.不歸零見一反轉碼不歸零見一反轉(NRZI，Non Returnto Zero，Invertonone)碼是NRZ碼的變種，如圖3.3.5(b)所示。其編碼規(guī)則為：二進制數“1”表示在每個周期開始時進行電平的轉換(低-高或高-低)；二進制數“0”表示在每個周期開始時無信號轉換。2.替換標志反向編碼替換標志反向(AMI，Alternate MarkInversion)編碼采用了多級二進制編碼技術，即碼元選用兩個以上的信號電平，如圖3.3.5(c)所示。其編碼規(guī)則為：二進制數“1”表示正-負交換出現；二進制數“0”表示無信號。3.偽三元碼偽三元(Pseudoternary)碼也采用多級二進制編碼技術，如圖3.3.5(d)所示。其編碼規(guī)則為：二進制數“0”表示正-負交換出現；二進制數“1”表示無信號。4.曼徹斯特(Machester)編碼曼徹斯特碼是采用雙相位技術來實現的，如圖3.3.5(e)所示。其編碼規(guī)則為：每個比特的中間有跳變(極性轉換)；二進制數“0”表示由低到高的跳變；二進制數“1”表示由高到低的跳變。5.差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特碼是采用雙相位技術來實現的，如圖3.3.5(f)所示。其編碼規(guī)則為：每個比特的中間有跳變(極性轉換)；二進制數“0”表示每比特的開始有跳變；二進制數“1”表示每比特的開始無跳變。曼徹斯特碼、差分曼徹斯特碼都是歸零碼(RZ)，其特點是：自同步；無直流分量；差錯檢測；最大調制率是NRZ的兩倍。10Mb/s的以太網中使用曼徹斯特碼，標記環(huán)網中使用差分曼徹斯特碼。除了上述介紹的幾種典型數字數據的數字信號編碼，數字通信PCM中還常使用HDB3線路碼，在高速以太網中使用4B/5B、8B/10組合碼(在第6章專題介紹)。3.3.3 模擬數據的數字信號編碼使用數字信號對模擬數據進行編碼，其典型的實例是在程控電話交換設備的用戶接口電路上采用脈沖編碼調制(PCM，Pulse Coded Modulation)，如圖3.3.6所示。脈沖編碼調制的過程如下(參見圖3.3.7)：圖3.3.6 脈沖編碼調制圖3.3.7 脈沖編碼調制過程(1)取樣(Sampling)。一個連續(xù)變化的模擬數據，設其最高頻率或帶寬為Fmax，則取樣定理為：若取樣頻率2Fmax，則取樣后的離散序列就可無失真地恢復出原始的連續(xù)模擬信號。(2)量化(Quantizing)。量化即分級處理，將取樣所得的脈沖信號幅度按量級比較，進行“取整”。(3)編碼(Coding)。將量化后的量化幅度用一定位數的二進制碼來表示。大多數話音能量的頻率范圍在3003400Hz標準頻譜內，當取其帶寬為4kHz時，取樣頻率為每秒8000次。二進制碼組稱為碼字，其位數稱為字長。話音數字化過程由模/數(A/D)轉換器實現。在PCM系統(tǒng)的數字化話音中，通常分為N=256個量級，即用lbN=8位二進制碼。二進制碼組稱為碼字，其位數稱為字長。這樣，話音信號的數據傳輸率為8000Hz(每秒8000次取樣)8(每次取樣8比特)=64kb/s3.3.4 模擬數據的模擬信號調制使用模擬信號對模擬數據進行調制的方法有三種：(1)幅度調制(AM，Amplitude Modulation)：簡稱調幅；使載波幅度隨原始的模擬數據(即調制信號)的幅度變化，而載波的頻率不變。(2)頻率調制(FM，Frequency Modulation)：簡稱調頻；使載波頻率隨原始的模擬數據的幅度變化，而載波的幅度不變。(3)相位調制(PM，Phase Modulation)：簡稱調相；使載波相位隨原始的模擬數據的幅度變化，而載波的幅度不變。載波通信就是采用幅度調制來實現頻率搬移的一種模擬通信方式。現有的無線廣播電臺仍采用調幅、調頻技術。3.4 多路復用技術我們知道，在整個通信工程的投資成本中，傳輸介質占有相當大的比重，尤其是線傳輸介質。對于軟傳輸介質來說，雖然它是一個自由空間，不需要使用線傳輸介質連接，但可用頻率資源是有限的。因此，提高傳輸介質的利用率是研究通信系統(tǒng)的一個不可忽視的重要內容。既經濟又有效地使用傳輸介質的方法就是多路復用技術。多路復用技術有多種不同的方式：時分復用(TDM，Time Division Multiplexing)、頻分復用(FDM，Frequency Division Multiplexing)、碼分復用(CDM，Coding Division Multiplexing)和波分復用(WDM，Wave Division Multiplexing)3.4.1 時分復用時分復用(TDM)是利用時間分片方式來實現傳輸信道的多路復用的。從如何分配傳輸介質資源的觀點出發(fā)，時分多路復用又可分為靜態(tài)時分復用和動態(tài)時分復用兩種。1.靜態(tài)時分復用靜態(tài)時分復用是一種固定分配資源的方式，即將多個用戶終端的數據信號分別置于預定的時隙(TS，TimeSlot)內傳輸，如圖3.4.1所示。不論用戶有無數據發(fā)送，其分配關系都是固定的。這種方式的發(fā)、收之間周期性地依次重復傳送數據，且保持嚴格的同步,所以又稱為同步時分復用。使用這種方式時，高速的傳輸介質容量(即線路可允許的數據速率)等于各個低速用戶終端的數據傳輸率之和。圖3.4.1 時分復用(TDM)(a)靜態(tài)時分復用；(b)動態(tài)時分復用2.動態(tài)時分復用動態(tài)時分復用又稱異步時分復用，或稱統(tǒng)計時分復用(STDM，Statistical Time Division Multiple)。這是一種按需分配媒體資源的方式，即當用戶有數據要傳輸時才分配資源;若用戶暫停發(fā)送數據，則不分配，如圖3.4.1(b)所示。由此可知，動態(tài)時分復用方式可以提高線路傳輸的利用率，這種方式特別適合于計算機通信中突發(fā)性或斷續(xù)性的應用環(huán)境。基于這種方式構成的設備常稱為集中器(Concentrator)。分組交換設備及分組型終端設備也采用了這種工作機制。比較圖3.4.1(a)和(b)可見，當采用動態(tài)時分復用時，每個用戶的數據傳輸速率可高于平均速率，最高可達到線路傳輸速率。但采用動態(tài)時分復用方式時，在各個線路接口處應采取下列必要的技術措施：(1)設置緩沖區(qū)，用于存儲已到達但尚未發(fā)出的數據單元。(2)設置流量控制，以利于緩和用戶爭用資源而引發(fā)的沖突。在動態(tài)時分復用方式中，每個用戶的數據單元在一條線路上互相交替著傳輸，為了便于接收端能區(qū)分其歸屬，必須在所傳數據單元前附加用戶識別標志，并對所傳數據單元加以編號。這種機理就像把傳輸信道分成了若干子信道一樣，子信道通常也稱為邏輯信道(Logical Channel)。每個子信道可用相應的號碼表示，稱作邏輯信道號。邏輯信道號作為傳輸線路的一種資源，可由網中分組交換機或分組型終端根據數據用戶的通信要求予以動態(tài)地分配。邏輯信道為用戶提供了獨立的數據流通路，對同一個用戶，各次通信可分配不同的邏輯信道號。3.4.2 頻分復用頻分復用(FDM)是利用頻率分隔方式來實現多路復用的，其工作原理是采用調制技術，將待送的信號頻率搬移到傳輸介質的相應頻段上，尤如在馬路上劃出多個車道，使汽車可在多個車道上同時行駛。一般，汽車在行駛中可借助超車道加速或見空變換車道，但頻分復用所傳輸的信號在傳送段內不可隨意變更信道。傳統(tǒng)的多路載波電話系統(tǒng)就是一種典型的頻分多路復用系統(tǒng)。盡管數字化技術發(fā)展迅速，但在利用軟傳輸介質的無線電通信、微波通信、衛(wèi)星通信以及移動通信中，仍然少不了頻分復用技術。3.4.3 碼分多址碼分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)是蜂窩移動通信中迅速發(fā)展的一種信號處理方式。在第二代移動通信中，GSM(全球通)采用了時分多址(TDMA，Time Division Multiple Access)技術，依據幀的屬性來分配信道，將整個信道按TDM(靜態(tài))和按ALOHA(動態(tài))方法分配給連網的各個站點，是一種強制性的信道分配方法，結構復雜。而CDMA則完全不同，它允許所有站點同時在整個頻段上進行傳輸，采用擴頻(Spread Spectrum)編碼原理對同時發(fā)生的多路傳輸加以識別。擴頻系統(tǒng)一般有三種擴頻方法：直序擴頻(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)、跳頻擴頻(FHSS，Frequency Hopping Spread Spectrum)和跳時擴頻(THSS，Time Hopping Spread Spectrum)。直序擴頻(DSSS)是CDMA移動通信、無線LAN中所使用的擴頻通信方法，它關鍵是在多重線性疊加的信號中提取出所需的信號，將其他信號當作隨機噪聲丟棄。在CDMA中，每比特時間被分成m個切片(Chip)，通常，每比特可有64個或128個切片。每個站點被指定一個惟一的m位代碼或切片序列(Chip Squence)。當發(fā)送比特1時，站點送出的是切片序列；若發(fā)送比特0，則站點送出的是切片序列的補碼。為簡單說明其工作原理，現設每比特含8個切片。假設某站點的切片序列為00011011，在信道上傳輸的切片序列00011011表示發(fā)送了比特1，而其補碼11100100則表示發(fā)送了比特0。顯然，CDMA要求的帶寬增加了m倍。例如，1.25MHz的帶寬給100個站點來共享，在使用FDM方法時，每個站點的傳輸速率只能為12.5kb/s(假定1b/Hz)；當使用CDMA技術時，每個站點能使用1.25MHz的全部帶寬，切片速率則為1.25M片/秒。因此，CDMA每站的切片只要小于100片/秒，其有效帶寬就可高出FDM。在接收端，若要從信號中提取單個站點的比特流，則必須事先知道該站點的切片序列。通過計算收到的切片序列(各站發(fā)送的線性總和)和待還原站點的切片序列的內標積，就可導出比特流。3.4.4 波分復用波分復用(WDM)是在光纖成纜的基礎上實現的大容量傳輸技術。第一代光纖使用0.8m波長的激光器，傳輸速率可達280Mb/s。目前使用了第四代摻鉺光放大器(EDFA，ErbiumDoped Fiber Amplifier)的單模光纖，其數據傳輸速率已達1020Gb/s。采用波分復用技術后，在一根光纖上可以使用不同的波長傳輸多種光信號，如圖3.4.2所示。單纖可傳送16種波長，每一波長速率為2.5Gb/s，由此可構成傳輸速率為40Gb/s的傳輸系統(tǒng)。圖3.4.2 波分復用(WDM)密集波分復用(DWDM)一詞經常被用來描述支持巨大數量信道的系統(tǒng)，“密集”沒有明確的定義。例如，100GHz(通道間隔)40CH(通道數)的DWDM模塊采用干涉濾波器技術，其功能是將滿足ITU波長的光信號分開(解復用)或將不同波長的光信號合成(復用)至一根光纖上，可支持100萬個話音和1500個視頻信道。3.5 傳輸系統(tǒng)3.5.1 數字傳輸系統(tǒng)1.準同步數字系列當前的數字傳輸系統(tǒng)不少仍采用脈碼調制(PCM，Pulse Code Modulation)方式。PCM方式的數字通信系統(tǒng)是一種典型的同步時分多路復用系統(tǒng)，它將話音信號或其他各種模擬信號(如電視圖像信號等)數字化。數字化需經過三個步驟：取樣、量化和編碼，然后按一定的格式把各路數字信號分配在預定的時隙內，形成一個幀。傳輸時以幀為單元，周期性地依次重復傳送幀，發(fā)、收方之間應保持嚴格的同步。根據取樣定理，只要取樣頻率fs等于或大于模擬傳輸信號最高頻率fm的二倍，則樣值信號序列就足夠代表原先的模擬信號。在接收端將這些樣值序列通過一個理想低通濾波器，就可以還原出原來的模擬信號。例如，標準的話音信號最高頻率為3.4kHz，設話音帶寬為4kHz。則取樣頻率一般為fs=8kHz，相當于取樣周期T1/125s。取樣后形成了幅度連續(xù)、時間離散的脈沖信號，即脈幅調制(PAM)信號。量化是將PAM信號的幅度進行分級、取整的幅度離散化過程，且將每一個取樣瞬時幅度納入鄰近的整數級。編碼則是把量化后脈沖取樣值按幅度大小變換成相應的二進制碼元，形成PCM信號。PCM現有兩個不兼容的國際標準：歐洲的E系列，其一次群PCM為32/30路，數字信號傳輸速率為2.048Mb/s；北美(美國、日本等)的T系列，其一次群PCM為24路，傳輸速率為1.544Mb/s。在我國采用的E系列PCM體制中，模擬信號的量化等級為256級，折算成8比特編碼后，一個模擬話路信號的PCM信號傳輸速率為64kb/s。為了有效地利用傳輸介質，PCM數字傳輸系統(tǒng)采用了同步時分多路復用方式，其幀結構如圖3.5.1所示。圖3.5.1 PCM一次群32/30路幀結構PCM32/30路系統(tǒng)中，一個幀(一次群E1，數據傳輸速率為2.048Mb/s)的時間長度為125s，共分為32個時隙(TimeSlot)，時隙編號為TS0TS31。1)時隙TS0偶數幀TS0的第28比特為發(fā)送幀同步碼組“0011011”，第1比特供國際圖像用，不用時可暫定為“1”。奇數幀TS0的第3比特A1為失步對告碼，正常為“0”，失步時為“1”；第2比特為奇幀監(jiān)視碼，定為“1”，防止奇數幀中TS0的第28比特出現假同步碼；第48比特為國內圖像用，暫定全為“1”。2)話路時隙話路時隙為TS1TS15，TS17TS31，共30個話路。每個話路時隙由8位二進制碼元組成，每個碼元稱為1比特。3) 標志時隙TS16TS16用來表示30個話路的標志信號。每個話路的標志信號用4位碼元，因此，對應30個話路的標志信號，需采用“復幀”來實現。復幀由16個幀所組成，其編號分別為F0F15，也就是每16幀重復一次30個話路的標志信號。由圖3.5.1可知，每一幀的TS16可同時傳送兩個話路的標志信號，分別占14比特和58比特。其中F1到F15中的TS16的前4比特用來傳送第115路(CH1CH15)的標志信號；后4比特則用來傳送第1630路(CH16CH30)的標志信號。F0的前4比特為復幀失步對告碼，同步時為“0”，失步時為“1”，余下3比特留作備用，暫定為“1”。由上述可知，每幀時間為125s，一個復幀為2ms，每個時隙為3.91s，每比特為0.488s。一次群E1的傳輸速率為2.048Mb/s，每一路的數據傳輸速率為64kb/s。在一次群的基礎上，采取分級復用方式可構成大容量的數字傳輸系統(tǒng)，如表3.5.1所示。表3.5.1 PCM分級復用標準表中也列出了T系列的分級復用方式，其中T1的傳輸速率為1.544Mb/s,一幀為24個話路。每個話路的取樣脈沖用7比特編碼，然后再加上1比特信令碼元用于控制，因此一個話路時隙也有8比特。幀同步碼是在24個話路的編碼之后再加上1比特，所以每幀共有193比特。PCM數字傳輸系統(tǒng)的主要特點是：抗干擾能力強；信號可再生中繼(傳輸中噪聲和信號畸變不會累積)；數字電路易于集成與小型化，可直接提供數字傳輸信道，適宜于數據和其他數字信號的傳輸，與數字交換系統(tǒng)相配合，有利于組成綜合數字網(IDN)；便于加密；在相同的條件下，PCM要求占用的傳輸頻帶較寬，可使用光纖傳輸。PCM數字傳輸系統(tǒng)構成網絡時，要求全網的時鐘系統(tǒng)保持同步，由于已經存在兩種不同的PCM體制，在全球系統(tǒng)的PCM環(huán)境中，只能實現PDH(準同步數字系列)。2.同步數字系列/同步光纖網1)同步數字系列為了在干線網上有效地傳送高次群的比特流，以利于全球范圍的寬帶綜合業(yè)務數字網網間互聯，美國貝爾通信研究所(Bellcore)最早提出了同步光纖網(SONET，Synchronous Optical Network)的標準，該標準后來成為美國國家標準ANSIT1.105106。SONET標準為應用光纖傳輸系統(tǒng)定義了線路傳輸速率的等級結構。以51.840Mb/s(相當于PDH的E3/T3傳輸速率)為基礎的傳輸速率，對電信號來說，是第1級同步傳送信號，即STS1(Synchronous Transport Signal1)；對于光信號而言，則是第1級光載波，即OC1(Optical Carrier1)。1988年，ITUT在SONET的基礎上，經修改制定了相應的國際標準同步數字系列(SDH，Synchronous Digital Hierarchy)，即G.707、G.708、G.709系列建議，隨后又增加了10多條建議。SDH以155.520Mb/s作為第1級同步轉移模式，即STM1(Synchronous Transfer Mode1)，較高等級的STMN則是N個STM1的復用。表3.5.2列出了SDH和SONET各級的對應標準。SDH是新一代的傳輸網體制。所謂SDH，是一個將同步信息傳輸、復用、分插和交叉連接功能融為一體的結構化傳送網絡，并由統(tǒng)一網絡管理系統(tǒng)進行運行、管理、維護和指配(OAM&P)。表3.5.2 SDH和SONET各級的對應標準2) SDH的幀結構SDH技術中采用的幀格式是基于字節(jié)的塊狀結構，如圖3.5.2所示。SDH采用標準化的等級結構，稱之為同步傳送模塊STMN，其中N=1，4，16，64等。最基本的模塊為SMN1，傳輸速率為155.520Mb/s；將4個STM1同步復用構成STM4，傳輸速率為622.080Mb/s；依次類推。字節(jié)傳送的次序是從左到右逐排進行，傳送一幀需125s。與一般信息的幀格式不同，SDH幀由9行(270N)列字節(jié)組成，傳輸順序自左到右，從上到下，依次排成串形碼流。傳輸一幀需要125s，每秒可傳送8000幀。由此可知，對STM1來說，N=1，傳輸速率為9行270列8比特/字節(jié)8000幀/秒=155.520Mb/s。高階同步傳送模塊可由基本模塊STM1的N倍組成，即STMN。其中，N的取值為4的倍數。例如N=4，則為STM4，所對應的傳輸速率為4155.520=622.080Mb/s；N=16，則為STM16，所對應的傳輸速率為16155.520=2.488320Gb/s。從格式上來看，SDH幀結構可分為三部分：段開銷(SOH，Section Over Head)、管理單元指針(AUPTR)和STMN凈負荷(Payload)。其中，SOH可分為再生段SOH(RSOH)、復用段SOH(MSOH)；凈負荷中含9行(1N)列的通道開銷(POH，Path Over Head)，其他為信息凈負荷，用于承載電信業(yè)務的比特。如STM1有9行260列字節(jié)用于業(yè)務傳輸。3) SDH的特點。(1)SDH具有統(tǒng)一的光接口和復用標準。SDH網不僅能與現有的PDH網完全兼容，即能使PDH的T系列和E系列(含三個地區(qū)性標準：歐洲、北美、日本)在STM1上獲得統(tǒng)一，同時還可容納各種新的數字業(yè)務信號，如ATM信元、FDDI幀等。另一方面，統(tǒng)一的NNI(網絡節(jié)點接口)，使網絡單元(NE)在光通路橫向上得以互通。(2) SDH采用同步復用和靈活的復用映射結構。SDH采用了先進的指針調整技術，使來自不同業(yè)務提供者的信息凈負荷在不同環(huán)境下同步復用，且可承受一定的定時基準丟失。此外，SDH引入了“虛容器(VC，Virtual Container)”的概念。所謂虛容器(VC)，是一種支持通道層連接的信息結構，當各種業(yè)務信息經處理裝入VC后，系統(tǒng)可不管所承載的信息結構，只需處理各種虛容器即可。這種方式尤如當前使用集裝箱的運輸方式，既減少了管理實體的數量，又具有信息傳送的透明性。(3)SDH具有健全的網絡管理功能。SDH具有可統(tǒng)一的網管系統(tǒng)操作，并可對網絡單元進行分布式的有效管理，具有開設業(yè)務的性能監(jiān)視、網絡的動態(tài)維護、不同供應商設備間的互通等功能。SDH/SONET標準不僅適用光纖傳輸系統(tǒng)，也可用于衛(wèi)星和微波通信傳輸，并已成為寬帶綜合業(yè)務數字網的物理協(xié)議3.5.2 模擬傳輸系統(tǒng)傳統(tǒng)的四通八達的電話通信系統(tǒng)是典型的模擬傳輸系統(tǒng)，一般采用多層次結構的網絡。我國現有電話網共分為長途電話網和市內電話網。長途電話網為4級匯接輻射方式，這4級交換中心分別為：一級中心(又稱省間中心，C1)、二級中心(又稱省中心，C2)、三級中心(又稱縣間中心，C3)和四級中心(又稱縣中心，C4)。一級中心之間構成全連通網，每一個上級中心均按輻射狀與若干下一級中心形成輻射式星型網，縣中心下接的市話局可與其管轄范圍內的電話用戶相連。為了減少層次，現將C