計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)(數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ))

1.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)通信系統(tǒng)模型兩個(gè)基本概念：模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)五種通信技術(shù)：傳輸方式、同步方式、多路復(fù)用、調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)編碼五個(gè)技術(shù)指標(biāo)：碼元與信息量、數(shù)據(jù)傳輸速率、調(diào)制速率、誤碼率、信道的帶寬與容量

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主要學(xué)習(xí)內(nèi)容

：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)據(jù)通信的基本方式多路復(fù)用技術(shù)數(shù)據(jù)交換方式差錯(cuò)檢驗(yàn)和控制

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1.2.1數(shù)據(jù)通信模型數(shù)據(jù)通信的基本概念：

信息是人對(duì)現(xiàn)實(shí)世界事物存在方式或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的某種認(rèn)識(shí);數(shù)據(jù)是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式;

信號(hào)是數(shù)據(jù)的具體的物理表現(xiàn)。

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雪六角形涼白色信息數(shù)據(jù)信號(hào)例子

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信息：人對(duì)雪花和馬的認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)：文字，二進(jìn)制數(shù)，十進(jìn)制數(shù)信號(hào)：電壓，光，磁場(chǎng)強(qiáng)度

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兩種不同類型的量：A.時(shí)間、溫度、電波、聲音B.字符，二進(jìn)制數(shù)，電脈沖信號(hào)中沒有斷開或不連續(xù)的的地方；信號(hào)僅取一些有限數(shù)目的值；1.信道與信號(hào)、信號(hào)傳輸

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模擬：波動(dòng)性；持續(xù)變化；反映事物的本質(zhì)；在電信業(yè)已經(jīng)被廣泛使用超過100年；數(shù)字：離散性；躍變性；設(shè)備性能先進(jìn)，較為便宜；模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)

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在通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)需要編碼（變換）為電信號(hào)的形式從一點(diǎn)到一點(diǎn)。由于有兩種不同的數(shù)據(jù)類型，電信號(hào)相應(yīng)有兩種基本形式：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是一種連續(xù)變化的電信號(hào)，數(shù)字信號(hào)是一種離散信號(hào)。

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（a）模擬信號(hào)

（b）數(shù)字信號(hào)

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數(shù)據(jù)傳輸：

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數(shù)據(jù)傳輸速率——

bps(bitpersecond)

用C表示信號(hào)傳輸速率——波特（Baud）用B表示

兩者關(guān)系——C=B×log2n

n是調(diào)制電平數(shù)

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帶寬（Bandwidth

）(HZ)

是指介質(zhì)能傳輸?shù)淖罡哳l率和最低頻率之間的差值，帶寬通常用“Hz”表示。數(shù)據(jù)速率奈奎斯特公式:最大數(shù)據(jù)傳輸速率C=2Hlog2L(bps)香農(nóng)公式:最大數(shù)據(jù)傳輸速率C=Hlog2（1＋S/N）(bps)

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信道是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，包括通信設(shè)備和傳輸媒體。按傳輸媒體來分：可以分為有線信道和無線信道；按傳輸信號(hào)類型可以分為模擬信道和數(shù)字信道；按使用權(quán)可以分為專用信道和公用信道等。信道容量信道容量指信道傳送信息的最大能力。誤碼率誤碼率是指二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)在傳送過程中被傳錯(cuò)的概率。計(jì)算公式為：Pe=傳錯(cuò)的比特?cái)?shù)/傳送的總比特?cái)?shù)信道延遲信道延遲是指信號(hào)在信道中傳播時(shí)，從信源端到信宿端的時(shí)間差。

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噪聲

2.數(shù)據(jù)通信模型

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通信系統(tǒng)模型變換信源信宿變換噪聲信道信源：模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)變換：調(diào)制解調(diào)、多路復(fù)用、數(shù)據(jù)編碼信道：帶寬與容量、誤碼率

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1.2.2數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)的成功傳輸主要依賴于2個(gè)主要的因素：要傳輸?shù)男盘?hào)的質(zhì)量和傳輸媒體的性能。通信方式按照數(shù)據(jù)信息在傳輸鏈路上的傳送方向：?jiǎn)喂ねㄐ牛盒盘?hào)只能向一個(gè)方向傳送。如廣播。半雙工通信：信息的傳遞可以是雙向的。如對(duì)講機(jī)。全雙工通信：通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。

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1.2.3數(shù)據(jù)編碼

不歸零編碼NRZ(Non-Return-Zero)曼徹斯特編碼(ManchesterEncoding)差（微）分曼徹斯特編碼（DifferentialManchesterEncoding）

1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼成數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)是一系列離散的不連續(xù)的電壓脈沖，每一脈沖稱為一個(gè)信號(hào)碼元。編碼技術(shù)就是從數(shù)據(jù)比特到信號(hào)碼元的變換。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用數(shù)字信號(hào)表示:

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(1)歸零碼（ReturntoZero）

一個(gè)碼元中，正電平到零電平的轉(zhuǎn)換邊表示0，而從負(fù)電平到零電平的轉(zhuǎn)換邊表示1。特點(diǎn)：噪聲抑制特性比較好。(2)不歸零碼（Non-ReturntoZero）

在不歸零碼中，電平在兩個(gè)碼元間翻轉(zhuǎn)表示1，不翻轉(zhuǎn)表示0。特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。(3)曼徹斯特碼高電平到低電平的轉(zhuǎn)換邊表示0，低電平到高電平的轉(zhuǎn)換邊表示1。特點(diǎn)：方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。(4)差分曼徹斯特碼不管是0還是1，碼元的中間都必須進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，區(qū)分0和1是在相鄰碼元的邊界，用碼元開始處的跳變表示0，無跳變表示1。其主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榱钆骗h(huán)網(wǎng)。

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2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼成模擬信號(hào)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)的編碼技術(shù)有：調(diào)幅（ASK），調(diào)頻（FSK），調(diào)相（PSK）三種技術(shù)。

載波信號(hào)：Asin(2nft+Φ)AM:幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying-ASK）FM:頻移鍵控（FrequencyShiftKeying-FSK）PM:相移鍵控（PhaseShiftKeying-PSK

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3模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)實(shí)際上成為模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)更為確切，即模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化。兩個(gè)基本技術(shù)——脈碼調(diào)制和增量調(diào)制。

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脈沖編碼調(diào)制（PCM）

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增量調(diào)制（DM）

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4.模擬數(shù)據(jù)編碼成為模擬信號(hào)

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1.2.4數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信技術(shù)

1.數(shù)據(jù)同步技術(shù)數(shù)據(jù)通信中，通信雙方要交換數(shù)據(jù)，需要有高度的協(xié)同動(dòng)作。通常采用的同步技術(shù)有：異步方式和同步方式。

1）異步方式在這種方式中，每傳送一個(gè)字符都在每個(gè)字符碼前加一個(gè)起始位，以表示字符代碼的開始，在字符代碼和校驗(yàn)碼后面加一個(gè)停止位，表示字符結(jié)束稱為面向字符的異步傳輸方式。

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異步通信格式：

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2）同步方式同步方式的每個(gè)字符前后并不附加起址位作為字符的邊界，而是在發(fā)送字符之前先發(fā)送一組同步字符，通常為8位或是16位，使收發(fā)雙方進(jìn)入同步。起址標(biāo)識(shí)，同步標(biāo)識(shí)等稱為控制信息，用于控制數(shù)據(jù)的傳輸同步，數(shù)據(jù)塊加上控制信息稱為幀，若數(shù)據(jù)塊被當(dāng)作字符，這樣的幀被稱為面向字符是幀。

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（a）單同步格式（b）雙同步格式

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2.差錯(cuò)控制數(shù)據(jù)傳輸并不是無差錯(cuò)過程，因而需要解決這些差錯(cuò)的方法。常見的差錯(cuò)控制技術(shù)有：奇偶校驗(yàn)，循環(huán)冗余校驗(yàn)，海明碼等

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差錯(cuò)類型隨機(jī)差錯(cuò)；突發(fā)差錯(cuò)差錯(cuò)檢測(cè)碼奇偶校驗(yàn)碼循環(huán)冗余校驗(yàn)碼

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水平奇偶校驗(yàn)例子：字符ASCII水平奇校驗(yàn)H10010001a11000010m11011010g11001110n11011100c11000111o11011110垂直奇校驗(yàn)01111101

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2.7.2

循環(huán)冗余碼(CRC)前提:發(fā)送方和接受方必須事先商定一個(gè)二進(jìn)制數(shù)G(x)(生成多項(xiàng)式),發(fā)送端:計(jì)算校驗(yàn)和,將校驗(yàn)和加在數(shù)據(jù)末尾,使這個(gè)帶校驗(yàn)和的數(shù)據(jù)能被G(x)除盡.接收端:收到帶校驗(yàn)和的數(shù)據(jù)后,用G(x)去除它,如果有余數(shù),則傳輸出錯(cuò)實(shí)現(xiàn):用簡(jiǎn)單的硬件(移位寄存器電路)即可

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數(shù)據(jù)=1101011011G(x)(生成多項(xiàng)式)=10011循環(huán)冗余碼(CRC)例子：傳輸碼元=數(shù)據(jù)（移位后）+余數(shù)

110101101111101.2.5多路復(fù)用技術(shù)

多路復(fù)用

把若干個(gè)彼此無關(guān)的信號(hào)合并為一個(gè)復(fù)合信號(hào)，并在一條共用信道上進(jìn)行傳輸。（用一條高速線路傳送多條低速線路的數(shù)據(jù)）

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多路復(fù)用器（MUX）將來自多個(gè)輸入線的多路數(shù)據(jù)組合，調(diào)試成一路復(fù)用數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)信號(hào)送上高容量的數(shù)據(jù)鏈路；多路分配器接收復(fù)用的數(shù)據(jù)流，依照信道分離還原為多路數(shù)據(jù)，并將它們送到適當(dāng)?shù)妮敵鼍€路上。

分類：頻分多路復(fù)用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）時(shí)分多路復(fù)用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）波分多路復(fù)用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

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頻分多路復(fù)用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）應(yīng)用:無線電廣播,電視特點(diǎn):信號(hào)被劃分成若干通道(頻道,波段),每個(gè)通道獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞防止相鄰信道信號(hào)頻率覆蓋造成的干擾，在相鄰兩個(gè)信號(hào)的頻段之間設(shè)立一定的“保護(hù)”帶，保護(hù)帶對(duì)應(yīng)的頻譜未被使用過。

2.時(shí)分多路復(fù)用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）

特點(diǎn)：多條低速線路輪流使用同一條高速線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞應(yīng)用：電話主干線路時(shí)分多路復(fù)用（TDM）時(shí)分多路復(fù)用是將傳輸信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行分割，使不同的信號(hào)在不同的時(shí)間內(nèi)傳送，既將整個(gè)傳輸時(shí)間分為許多時(shí)間間隔（稱為時(shí)隙，時(shí)間片等，SlotTime），每個(gè)時(shí)間片被一路信號(hào)占用。TDM又分為同步時(shí)分復(fù)用和異步時(shí)分復(fù)用

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1）

同步時(shí)分復(fù)用

同步時(shí)分復(fù)用采用固定時(shí)間片分配方式，既將傳輸信號(hào)的時(shí)間按特定長(zhǎng)度連續(xù)地劃分成特定時(shí)間段，再將每一時(shí)間段劃分成等長(zhǎng)度的多個(gè)時(shí)隙（時(shí)間片），每個(gè)時(shí)隙以固定的方式分配給各路數(shù)字信號(hào)，各路數(shù)字信號(hào)在每一時(shí)間段都順序分配到一個(gè)時(shí)隙。

（將不同的時(shí)隙平均分配給若干路信號(hào)。）

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2）異步時(shí)分復(fù)用異步時(shí)分復(fù)用又被稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM或智能時(shí)分復(fù)用ITDM，它能動(dòng)態(tài)的按需分配時(shí)隙，避免每個(gè)時(shí)間段中出現(xiàn)空閑時(shí)隙。（只有當(dāng)某一路信號(hào)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)才把時(shí)隙分給它，也稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用。）

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波分多路復(fù)用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

波分多路復(fù)用是不同的信號(hào)使用不同波長(zhǎng)的光波來傳送數(shù)據(jù)在接收端利用相同的設(shè)備將各路光波分開。應(yīng)用：光纜線路1.2.6數(shù)據(jù)交換技術(shù)常用的交換技術(shù)有三種：電路交換（線路交換），報(bào)文交換和分組交換（包交換）。

1．

電路交換電路交換是一種直接的交換方式，它為一對(duì)需要進(jìn)行通信的裝置（站）之間提供一條臨時(shí)的專用通道，既可是物理通道又可是邏輯通道（使用時(shí)分復(fù)用或頻分復(fù)用技術(shù)）。

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電路交換ABCD發(fā)送呼叫信號(hào)傳輸1.交換2.發(fā)送呼叫信號(hào)傳輸1.交換2.發(fā)送呼叫信號(hào)傳輸1.作出反應(yīng)2.發(fā)送回應(yīng)信號(hào)

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電路交換的通信包括三個(gè)階段：1）

電路建立：通過源站點(diǎn)請(qǐng)求完成交換網(wǎng)中對(duì)應(yīng)的所需逐個(gè)結(jié)點(diǎn)的連續(xù)（連接）過程，以建立起一條由源站到目的的傳輸通道。2）

數(shù)據(jù)傳輸：現(xiàn)在，信號(hào)可以從A經(jīng)建立的鏈路傳送到D，通常為全雙工傳輸。3）

電路拆除：在完成數(shù)據(jù)或信號(hào)的傳輸后，由源站或目的站提出終止通信，各結(jié)點(diǎn)

相應(yīng)拆除該電路的對(duì)應(yīng)連接，釋放由該電路占有用的結(jié)點(diǎn)和信道資源。

電路交換具有下列特點(diǎn)：1）

呼叫建立時(shí)間長(zhǎng)且存在呼損2）

電路連通后提供給用戶的是“透明通路3）

一旦電路建立后，數(shù)據(jù)以固定的數(shù)據(jù)率傳輸，除通過傳輸鏈路的傳播延遲以外，沒有別的延遲，在每個(gè)結(jié)點(diǎn)的延遲是可以呼

適用與實(shí)時(shí)大批量的數(shù)據(jù)傳輸

4）線路（信道）利用率低。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性好缺點(diǎn)：呼叫時(shí)間大大長(zhǎng)于數(shù)據(jù)傳送時(shí)間；通信帶寬不能充分利用，效率低

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2、報(bào)文交換（MESSAGESWICHING）

在報(bào)文交換網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)通常為一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，帶有足夠的外存，以便在報(bào)文進(jìn)入時(shí)進(jìn)行，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)。結(jié)點(diǎn)接收一個(gè)報(bào)文之后，報(bào)文暫存放在結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)設(shè)備之中，等輸出線路空閑時(shí)，再根據(jù)報(bào)文中所附的目的地址轉(zhuǎn)發(fā)到一個(gè)合適的結(jié)點(diǎn)，如此往復(fù)，直到報(bào)文到達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)終端。所以報(bào)文交換也稱為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（STOREANDFORWARD）

在報(bào)文交換中，每一個(gè)報(bào)文由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和報(bào)文組成，報(bào)頭中有源地址和目標(biāo)地址。

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報(bào)文交換ADCB發(fā)送報(bào)文傳輸?shù)却?發(fā)送傳輸?shù)却?發(fā)送傳輸

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報(bào)文交換具有下列特征：1.源站A和目的站E在通信時(shí)不需要建立一條專用通路2.與電路交換相比，報(bào)文交換沒有建立線路和拆除線路所需的等待和延時(shí)3.線路利用率高4.要求結(jié)點(diǎn)具備足夠的報(bào)文數(shù)據(jù)存放能力，一般結(jié)點(diǎn)有微機(jī)或小型機(jī)擔(dān)當(dāng)5.數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?，每個(gè)結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)中，都進(jìn)行差錯(cuò)控制，即檢錯(cuò)、糾錯(cuò)6.缺點(diǎn)：由于采用了對(duì)完整報(bào)文的存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)，結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的時(shí)延較大，不適用于交互式通信優(yōu)點(diǎn)：線路利用率較高；一個(gè)報(bào)文送到多個(gè)目的站點(diǎn)。缺點(diǎn)：傳輸延遲較長(zhǎng)。

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3.分組交換（PACKETSWITCHING）

分組交換屬于“存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)”交換方式

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2.6交換技術(shù)

分組交換特點(diǎn):1.無呼叫建立和專用通路

2.存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)式的發(fā)送技術(shù)

3.將數(shù)據(jù)分成有大小限制的分組后發(fā)送三種交換技術(shù)對(duì)比：（A.電路交換，B.報(bào)文交換，C.分組交換）A.存在呼叫建立；專有線路上不傳送數(shù)據(jù)時(shí)浪費(fèi)資源B.沒有呼叫建立；只有發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才占用線路C.除了B的特點(diǎn)外，在接收分組時(shí)可以發(fā)送下一個(gè)分組對(duì)線路的利用率

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三種交換技術(shù)對(duì)比:A:固定的傳輸速率、會(huì)有呼叫阻塞B,C:能進(jìn)行速率轉(zhuǎn)換、雖會(huì)降速但不會(huì)阻塞可以使用優(yōu)先級(jí)A:實(shí)時(shí)性強(qiáng)B,C:存在時(shí)延和額外開銷

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4.高速交換技術(shù)目前提高交換速度的方案有幀中繼和ATM等。

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復(fù)習(xí)：

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五種通信技術(shù)(1)傳輸方式并行：通信線路與數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粩?shù)相同，用于短距離傳輸。串行：通信線路只有一條（或2、4條），與傳輸數(shù)據(jù)無關(guān)，用于遠(yuǎn)距離傳輸。串行傳輸分三種方式：?jiǎn)喂?、半雙工、全雙工。

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五種通信技術(shù)(2)同步方式同步：同步傳輸采取的是位同步的技術(shù)，即各字符沒有起止位，接收端和發(fā)送端的時(shí)鐘必須取得同步。能識(shí)別每一位。異步：發(fā)送方與接收方之間在發(fā)送數(shù)據(jù)前無需協(xié)調(diào)（同步），只要數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好即可發(fā)送，可以有任意長(zhǎng)發(fā)送間歇。采取群同步技術(shù)，各字符用起止位來使接收端取得與發(fā)送端保持一個(gè)“群”內(nèi)的同步。能識(shí)別每一個(gè)字符。

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五種通信技術(shù)(3)調(diào)制解調(diào)為什么要調(diào)制：數(shù)字信號(hào)不利于長(zhǎng)距離傳輸，由無數(shù)個(gè)諧波組成，頻帶很寬,因此相應(yīng)的損耗也很大。一個(gè)正弦信號(hào)能比其它信號(hào)傳輸?shù)礁h(yuǎn)的地方。

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五種通信技術(shù)(4)調(diào)制解調(diào)調(diào)制方式：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。正弦信號(hào)的振幅、頻率或相位被調(diào)制后可用來傳遞信息。通過改變幅度、頻率和相位變化的狀態(tài)數(shù)，可以在一個(gè)載波周期中（一個(gè)狀態(tài)變化）編入多位數(shù)據(jù)。

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五種通信技術(shù)(5)調(diào)制解調(diào)基帶傳輸：信號(hào)未經(jīng)調(diào)制而傳輸，LAN中使用基帶傳輸，需好信道。頻帶傳輸：信號(hào)經(jīng)調(diào)制再傳輸，收端解調(diào)。

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五種通信技術(shù)(6)多路復(fù)用把若干個(gè)彼此無關(guān)的信號(hào)合并為一個(gè)復(fù)合信號(hào)，并在一條共用信道上進(jìn)行傳輸。

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五種通信技術(shù)(7)多路復(fù)用頻分多路復(fù)用FDM：把若干路信號(hào)調(diào)制到頻譜的不同位置，以便在同一介質(zhì)中傳輸。圖示同步時(shí)分多路復(fù)用STDM：將不同的時(shí)隙平均分配給若干路信號(hào)。圖示異步時(shí)分多路復(fù)用ATDM：只有當(dāng)某一路信號(hào)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)才把時(shí)隙分給它，也稱為統(tǒng)