《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 》課件第2章

第2章物理層2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.2數(shù)據(jù)編碼2.3數(shù)字調(diào)制技術(shù)2.4脈沖編碼調(diào)制2.5數(shù)據(jù)通信方式2.6多路復(fù)用技術(shù)2.7傳輸介質(zhì)2.8結(jié)構(gòu)化綜合布線2.9公共交換電話網(wǎng)2.10串行通信接口2.11ADSL接入技術(shù)2.12公用數(shù)據(jù)網(wǎng)接口習(xí)題

物理層提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)。我們?cè)谟懻摂?shù)據(jù)傳輸時(shí)并不關(guān)心各種傳輸介質(zhì)的物理特性，而只注意有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎鈪?shù)，例如帶寬、線路損耗、信號(hào)失真等。用于計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的傳輸線路可以由用戶自己架設(shè)，也可以利用通信公司提供的公用網(wǎng)絡(luò)。一般來說，單位建設(shè)局域網(wǎng)絡(luò)時(shí)自己安裝通信線路，而遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)則由通信公司提供傳輸介質(zhì)。本章講述數(shù)據(jù)通信的基本概念，并討論網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的物理層標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念通信的目的就是傳遞信息。通信中產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端叫做信源，接收信息的一端叫做信宿，信源和信宿之間的通信線路稱為信道。信息在進(jìn)入信道時(shí)要變換為適合信道傳輸?shù)男问剑谶M(jìn)入信宿時(shí)又要變換為適合信宿接收的形式。信道的物理性質(zhì)不同，對(duì)通信的速率和傳輸質(zhì)量的影響也不同。信息在傳輸過程中可能會(huì)受到外界的干擾，我們把這種干擾稱為噪聲。不同物理信道受各種干擾的影響不同，例如，如果信道上傳輸?shù)氖请娦盘?hào)，就會(huì)受到外界電磁場(chǎng)的干擾，光纖信道則基本不受這種干擾。以上描述的通信模式忽略了具體通信中的物理過程和技術(shù)細(xì)節(jié)，于是我們得到了圖2-l所示的通信系統(tǒng)模型。圖2-1通信系統(tǒng)模型信源產(chǎn)生的信息可能是模擬數(shù)據(jù)，也可能是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)取連續(xù)值，而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)取離散值。在數(shù)據(jù)進(jìn)入信道之前要變換成適合傳輸?shù)碾姶判盘?hào)，這些信號(hào)可以是模擬的也可以是數(shù)字的。模擬信號(hào)的某種參量(幅度、相位、頻率等)隨時(shí)間連續(xù)變化，例如，電話機(jī)送話器輸出的話音信號(hào)，電視攝像機(jī)產(chǎn)生的圖像信號(hào)都是模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)只取有限個(gè)離散值，而且數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換幾乎是瞬時(shí)的，數(shù)字信號(hào)以某一瞬間的狀態(tài)表示它們傳送的信息。如果信源產(chǎn)生的是模擬數(shù)據(jù)并以模擬信道傳輸則叫做模擬通信；如果信源發(fā)出的是模擬數(shù)據(jù)而以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸，那么這種通信方式叫數(shù)字通信。如果信源發(fā)出的是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，也可以有兩種傳輸方式，這時(shí)無論是用模擬信號(hào)傳輸或是用數(shù)字信號(hào)傳輸都叫做數(shù)據(jù)通信?？梢姅?shù)據(jù)通信是專指信源和信宿中數(shù)據(jù)的形式是數(shù)字的，在信道中傳輸時(shí)則可以根據(jù)需要采用模擬傳輸方式或數(shù)字傳輸方式。在模擬傳輸方式中，數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)入信道之前要經(jīng)過調(diào)制，變換為適合信道傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)。由于模擬調(diào)制信號(hào)的頻譜較窄，因此信道的利用率較高。模擬信號(hào)在傳輸過程中會(huì)衰減，還會(huì)受到噪聲的干擾，如果用放大器將信號(hào)放大，混入的噪聲也會(huì)被放大，這是模擬傳輸?shù)娜秉c(diǎn)。在數(shù)字傳輸方式中，數(shù)字信號(hào)只取有限個(gè)離散值，在傳輸過程中即使受到了噪聲的干擾，只要沒有畸變到不可辨認(rèn)的程度，就可以用信號(hào)再生的方法進(jìn)行恢復(fù)，對(duì)某些數(shù)碼的差錯(cuò)也可以用差錯(cuò)控制技術(shù)加以糾正。所以數(shù)字傳輸對(duì)于信號(hào)不失真地傳送是有好處的。另外數(shù)字設(shè)備可以大規(guī)模集成，比復(fù)雜的模擬設(shè)備更便宜。然而傳輸數(shù)字信號(hào)比傳輸模擬信號(hào)所要求的頻帶要寬得多，所以其信道利用率較低。2.1.1信道帶寬圖2-2模擬信道的帶寬模擬信道的帶寬如圖2-2所示。信道帶寬W?=?f2?-?f1，其中f1是信道能通過的最低頻率，f2是信道能通過的最高頻率，兩者都是由信道的物理特性決定的。當(dāng)組成信道的電路制成以后，信道的帶寬就決定了。為了使信號(hào)傳輸中的失真小些，信道要有足夠的帶寬。數(shù)字信道只能傳送取離散值的數(shù)字信號(hào)。信道的帶寬決定了信道中能不失真地傳輸?shù)拿}沖序列的最高速率。一個(gè)數(shù)字脈沖稱為一個(gè)碼元，我們用碼元速率表示單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波形的變換次數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)。若信號(hào)碼元寬度為T秒，則碼元速率B?=?1/T。碼元速率的單位叫波特(Baud)，所以碼元速率也叫波特率。

1924年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員亨利·尼奎斯特(HarryNyquist)推導(dǎo)出了有限帶寬無噪聲信道的極限波特率，稱為尼奎斯特定理。若信道帶寬為W，則尼奎斯特定理指出最大碼元速率為

B?=?2W?(Baud)尼奎斯特定理指定的信道容量也叫做尼奎斯特極限，這是由信道的物理特性決定的。超過尼奎斯特極限傳送脈沖信號(hào)是不可能的，所以要提高波特率必須改善信道帶寬。碼元攜帶的信息量由碼元取的離散值個(gè)數(shù)決定。若碼元取兩個(gè)離散值，則一個(gè)碼元攜帶1比特(bit)信息；若碼元可取4種離散值，則一個(gè)碼元攜帶2比特信息。總之一個(gè)碼元攜帶的信息量n(比特?cái)?shù))與碼元的種類個(gè)數(shù)N有如下關(guān)系：

n?=?lbN(N?=?2n)單位時(shí)間內(nèi)在信道上傳送的信息量(比特?cái)?shù))稱為數(shù)據(jù)速率。在一定的波特率下提高速率的途徑是用一個(gè)碼元表示更多的比特?cái)?shù)。如果把兩比特編碼為一個(gè)碼元，則數(shù)據(jù)速率可成倍提高。我們有公式R?=?BlbN?=?2WlbN?(b/s)其中，R表示數(shù)據(jù)速率，單位是每秒比特?cái)?shù)(bitspersecond)，簡寫為bps或b/s。數(shù)據(jù)速率和波特率是兩個(gè)不同的概念，僅當(dāng)碼元取兩個(gè)離散值時(shí)兩者的數(shù)值才相等。對(duì)于普通電話線路，帶寬為4000Hz，最高波特率為8000Baud，而最高數(shù)據(jù)速率可隨著編碼方式的不同而取不同的值。這些都是在無噪聲的理想情況下的極限值。實(shí)際信道會(huì)受到各種噪聲的干擾，因而達(dá)不到按尼奎斯特定理計(jì)算出的數(shù)據(jù)傳送速率。香農(nóng)(Shannon)的研究表明，有噪聲信道的極限數(shù)據(jù)速率可由下面的公式計(jì)算這個(gè)公式叫做香農(nóng)定理，其中，W為信道帶寬，S為信號(hào)的平均功率，N為噪聲的平均功率，S/N叫做信噪比。由于在實(shí)際使用中S與N的比值太大，故常取其分貝數(shù)(dB)。分貝與信噪比的關(guān)系為例如，當(dāng)S/N?=1000時(shí)，信噪比為30dB。這個(gè)公式與信號(hào)取的離散值個(gè)數(shù)無關(guān)，也就是說，無論用什么方式調(diào)制，只要給定了信噪比，則單位時(shí)間內(nèi)可傳輸?shù)淖畲笮畔⒘烤痛_定了。例如,信道帶寬為3000Hz，信噪比為30dB，則最大數(shù)據(jù)速率為C?=?3000lg(1

+

1000)≈3000×9.97≈30000b/s這是極限值，只有理論上的意義。實(shí)際上在3000Hz帶寬的電話線上數(shù)據(jù)速率能達(dá)到9600b/s就很不錯(cuò)了。綜上所述，我們有兩種帶寬的概念：在模擬信道，帶寬按照公式W?=?f2?-?f1計(jì)算，例如CATV電纜的帶寬為1000MHz；數(shù)字信道的帶寬為信道能夠達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率，例如以太網(wǎng)的帶寬為10Mb/s或100Mb/s，兩者可通過Shannon定理互相轉(zhuǎn)換。2.1.2信道延遲信號(hào)在信道中傳播時(shí)，從源端到達(dá)宿端需要一定的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間與源端和宿端的距離有關(guān)，也與具體信道中的信號(hào)傳播速度有關(guān)。我們以后考慮的電信號(hào)以接近光速(300m/μs)的速度傳播，但隨傳輸介質(zhì)的不同而略有差別，例如在電纜中的傳播速度一般為光速的77%，即200m/μs左右。一般來說，考慮信號(hào)從源端到達(dá)宿端的時(shí)間是沒有意義的，但對(duì)于一種具體的網(wǎng)絡(luò)，我們經(jīng)常對(duì)該網(wǎng)絡(luò)中相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)站點(diǎn)之間的傳播時(shí)延感興趣。這時(shí)除了要計(jì)算信號(hào)傳播速度外，還要知道網(wǎng)絡(luò)通信線路的最大長度。例如500m同軸電纜的時(shí)延大約是2.5μs，而衛(wèi)星信道的時(shí)延大約是270ms(包括電波在空間的來回傳播時(shí)間和轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)變換時(shí)間)。時(shí)延的大小對(duì)有些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用有很大影響，例如交互式應(yīng)用就很在意信號(hào)傳播時(shí)間引起的延遲。2.2數(shù)據(jù)編碼首先介紹基帶信號(hào)和頻帶信號(hào)的概念?；鶐盘?hào)是原始電信號(hào)，其頻譜從零頻附近開始，例如，基帶話音信號(hào)的頻率范圍為300～3400Hz，基帶圖像信號(hào)的頻率范圍為0～6MHz。頻帶信號(hào)是經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)，它的特征是攜帶信息、適合在信道中傳輸、頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻。二進(jìn)制數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行編碼，其目的是為了提高抗噪聲能力。在采用基帶傳輸時(shí)可以采用不同的編碼方案，各種編碼的抗噪聲特性和定時(shí)能力各不相同，其實(shí)現(xiàn)費(fèi)用也不一樣。數(shù)字基帶信號(hào)的碼型設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

(1)對(duì)于傳輸頻率很低的信道，傳輸?shù)拇a型頻譜中應(yīng)不包含直流分量。

(2)可以從基帶信號(hào)中提取比特定時(shí)信號(hào)，使得代碼具有自定時(shí)能力。

(3)基帶編碼應(yīng)具有內(nèi)在的檢錯(cuò)能力，可以檢測(cè)傳輸過程中出現(xiàn)的差錯(cuò)。

(4)碼型變換過程應(yīng)具有透明性，即編碼與信源的統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)。

(5)盡量減少基帶信號(hào)頻譜的高頻分量。這樣可以提高信道的頻譜利用率，并減少串?dāng)_。下面介紹幾種常用的編碼方案，參見圖2-3。圖2-3常用的幾種編碼方案

1.單極性碼在這種編碼方案中，只用正(或負(fù))電平表示數(shù)據(jù)。例如，在圖2-3中我們用?+3?V表示二進(jìn)制數(shù)字“0”，而用0V表示二進(jìn)制數(shù)字“1”。單極性碼用在電傳打字機(jī)(TTY)接口中，這種代碼需要單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)配合定時(shí)，否則當(dāng)傳送長串“0”或“1”時(shí)，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的時(shí)鐘將無法取得同步。另外單極性碼的抗噪聲特性不好，而且這種編碼的功率譜中含有豐富的低頻分量，不能用于基帶傳輸。

2.極性碼

在這種編碼方案中，分別用正和負(fù)電平表示二進(jìn)制數(shù)字“0”和“1”，例如在圖2-3中，用+3V表示二進(jìn)制數(shù)字“0”，而用?-3?V表示二進(jìn)制數(shù)字“1”。由于這種編碼有正負(fù)極性的差別，因而抗干擾特性較好，但仍然需要另外的同步信號(hào)。另外，這種二元碼中“1”或“0”分別對(duì)應(yīng)某個(gè)電平，相鄰電平不存在制約關(guān)系，沒有糾錯(cuò)能力。

3．歸零碼在歸零碼(ReturntoZero，RZ)中，碼元中間的信號(hào)回歸到0電平，因此任意兩個(gè)碼元之間被0電平隔開，與以上僅在碼元之間有電平轉(zhuǎn)換的方案相比，這種編碼具有更好的噪聲抑制特性。因?yàn)樵肼晫?duì)電平的干擾比對(duì)電平轉(zhuǎn)換的干擾要強(qiáng)，而這種編碼方案是以識(shí)別電平轉(zhuǎn)換邊來判別“0”和“1”信號(hào)的。圖2-3中表示的是一種雙極性歸零碼，從正電平到零電平的轉(zhuǎn)換邊表示碼元“0”，而從負(fù)電平到零電平的轉(zhuǎn)換邊表示碼元“1”，同時(shí)每一位碼元中間都有電平轉(zhuǎn)換，使得這種編碼成為自定時(shí)的編碼。

4．不歸零碼整個(gè)碼元期間電平保持不變的代碼稱為不歸零碼(NotReturntoZero，NRZ)。圖2-3中所示的不歸零碼的規(guī)律是當(dāng)“1”出現(xiàn)時(shí)電平翻轉(zhuǎn)，當(dāng)“0”出現(xiàn)時(shí)電平不翻轉(zhuǎn)，所以被叫做見1就翻不歸零碼(NRZ-I)。這種代碼也叫差分碼，用于區(qū)別數(shù)據(jù)“1”和“0”的不是電平高低，而是電平是否轉(zhuǎn)換。NRZ-I用在終端到調(diào)制解調(diào)器的接口中。這種編碼實(shí)現(xiàn)簡單而且費(fèi)用低，但不是自定時(shí)的，長串的“0”會(huì)使得碼流失去同步。

5．雙極性碼在雙極性編碼方案中，信號(hào)在正、負(fù)、零三個(gè)電平之間變化。一種典型的雙極性碼就是所謂的信號(hào)交替反轉(zhuǎn)編碼(AlternateMarkInversion，AMI)。在AMI信號(hào)中，數(shù)據(jù)流中遇到“1”時(shí)，使電平在正和負(fù)之間交替翻轉(zhuǎn)，而遇到“0”時(shí)則保持零電平。AMI具有內(nèi)在的檢錯(cuò)能力，當(dāng)正負(fù)脈沖交替出現(xiàn)的規(guī)律被打亂時(shí)容易識(shí)別出來，這種情況叫AMI違例。AMI編碼用在T1線路中。雙極性是三進(jìn)制編碼方法，脈沖寬度是碼元周期的一半，它比二進(jìn)制編碼的抗噪聲特性更好，參見圖2-4(a)。

6．雙相碼

雙相碼要求每一比特中都要有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換，因而這種編碼的最大優(yōu)點(diǎn)是自定時(shí)，同時(shí)雙相碼也有檢測(cè)錯(cuò)誤的功能，如果某一位中間缺少了電平翻轉(zhuǎn)，則被認(rèn)為是違例代碼。這種編碼方案的缺點(diǎn)是傳送長串“0”時(shí)會(huì)失去位同步信息，對(duì)此改進(jìn)的方案有兩種。一種是3階高密度雙極性碼HDB3，這種碼流中連續(xù)“0”的個(gè)數(shù)不能大于3，當(dāng)出現(xiàn)4個(gè)連續(xù)“0”時(shí)用B00V或000V代替，?這里B表示正常的信號(hào)交替，?V表示AMI違例，參見圖2-4(b)；另一種是雙極性6零取代編碼B6ZS，即把連續(xù)6個(gè)“0”用0VB0VB來代替，參見圖2-4(c)。HDB3用在E1～E3通信系統(tǒng)中，B6ZS用在貝爾系統(tǒng)的T2標(biāo)準(zhǔn)中。圖2-4雙極性碼

7．曼徹斯特碼曼徹斯特碼(ManchesterCode)是一種雙相碼(或稱分相碼)。在圖2-3中，我們用高電平到低電平的轉(zhuǎn)換邊表示“0”，而用低電平到高電平的轉(zhuǎn)換邊表示“1”，相反的表示也是允許的。比特中間的電平轉(zhuǎn)換邊既表示了數(shù)據(jù)代碼，同時(shí)也作為定時(shí)信號(hào)使用。曼徹斯特編碼使用在以太網(wǎng)中。

8．差分曼徹斯特碼差分碼又稱相對(duì)碼，在差分碼中利用電平是否跳變來分別表示“1”或“0”，分為傳號(hào)差分碼和空號(hào)差分碼。傳號(hào)差分碼是輸入數(shù)據(jù)為“1”時(shí)，編碼波型相對(duì)于前一代碼電平產(chǎn)生跳變；輸入為“0”時(shí)，波型不產(chǎn)生跳變?？仗?hào)差分碼是當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“0”時(shí)，編碼波型相對(duì)于前一代碼電平產(chǎn)生跳變；輸入為“1”時(shí)，波型不產(chǎn)生跳變。差分曼徹斯特碼兼有差分碼和曼徹斯特碼的特點(diǎn)，與曼徹斯特碼不同的是，這種碼元中間的電平轉(zhuǎn)換邊只作為定時(shí)信號(hào)，而不表示數(shù)據(jù)。差分曼徹斯特碼用在令牌環(huán)網(wǎng)中。

9．多電平碼這種編碼的碼元可取多個(gè)電平之一，每個(gè)碼元可代表多個(gè)二進(jìn)制位。例如，令M?=?2n，設(shè)M?=?4，則n?=?2，即表示碼元的脈沖取4個(gè)電平之一，一個(gè)碼元表示兩個(gè)二進(jìn)制位。與雙相碼相反，多電平碼的數(shù)據(jù)速率大于波特率，因而可提高頻帶的利用率，但是這種代碼的抗噪聲特性不好，傳輸過程中信號(hào)容易畸變到無法區(qū)分。

2B1Q編碼是一種4電平碼，用在ISDN基本速率接口(BRI)中的U接口，它將2比特組合在一起以電平信號(hào)來表示。編碼規(guī)則如下：

碼組

電平

10

+3

11

+1

01

-100

-3

10．4B/5B編碼在曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼中，每比特中間都有一次電平跳變，因此波特率是數(shù)據(jù)速率的兩倍。對(duì)于100Mb/s的高速網(wǎng)絡(luò)，如果采用這類編碼方法，就需要200M的波特率，其硬件成本是100M波特率硬件成本的5～10倍。為了提高編碼的效率，降低電路成本，可以采用4B/5B編碼。這種編碼方法的原理表示如圖2-5所示。。圖2-5FDDI編碼這實(shí)際上是一種兩級(jí)編碼方案。系統(tǒng)中使用不歸零碼(NRZ)，在發(fā)送到傳輸介質(zhì)之前要變成見1就翻不歸零碼(NRZ-I)。NRZ-I代碼序列中“1”的個(gè)數(shù)越多，越能提供同步定時(shí)信息，但如果遇到長串的“0”，則不能提供同步信息。所以在發(fā)送到介質(zhì)上之前還需經(jīng)過一次4B/5B編碼，發(fā)送器掃描要發(fā)送的比特序列，4位分為一組，然后按照表2-1的對(duì)應(yīng)規(guī)則變換成5位的代碼。

5位二進(jìn)制代碼的狀態(tài)共有32種，在表2-1選用的5位代碼中“1”的個(gè)數(shù)都不小于2個(gè)，這就保證了在介質(zhì)上傳輸?shù)拇a能提供足夠多的同步信息。另外還有5B/6B、8B/10B等編碼方法，其原理是類似的。表2-14B/5B編碼規(guī)則2.3數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行較長距離傳輸時(shí)要采用頻帶傳輸方式，頻帶傳輸與基帶傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別是增加了調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)。數(shù)字信號(hào)只有有限個(gè)離散值，我們可以用數(shù)字信號(hào)來控制開關(guān)選擇具有不同參量的載波信號(hào)。使用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制的方式稱為鍵控(Keying)。數(shù)字調(diào)制方式有幅度鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)，它們分別調(diào)制模擬載波信號(hào)的三個(gè)參數(shù)——幅度、頻率和相位，參見圖2-6。圖2-6三種調(diào)制方式

1.幅度鍵控(ASK)幅度鍵控可以通過乘法器和開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)，在數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí)電路接通，此時(shí)信道上有載波出現(xiàn)；數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí)電路被關(guān)斷，此時(shí)信道上無載波出現(xiàn)。在接收端可以根據(jù)載波的有無還原出數(shù)字信號(hào)的“1”和“0”。調(diào)幅技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單，但抗干擾性能較差，在數(shù)據(jù)通信中已經(jīng)很少使用了。

2.頻移鍵控(FSK)頻移鍵控是利用兩個(gè)不同頻率(f1和f2)的載波信號(hào)分別代表數(shù)字信號(hào)“1”和“0”，即用數(shù)字信號(hào)“1”和“0”來控制兩個(gè)不同頻率的振蕩源交替輸出。這種調(diào)制技術(shù)抗干擾性能好，但占用帶寬較大，頻帶利用率低，主要用于低速M(fèi)odem中。

3.相移鍵控(PSK)用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的值調(diào)制載波的相位，這就是相移鍵控，例如用180°相移表示“1”；用0°相移表示“0”。這種調(diào)制方式抗干擾性能較好，而且相位的變化還可以作為定時(shí)信息來同步發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的時(shí)鐘。在相移鍵控方式中，碼元只取兩個(gè)相位值的叫2相調(diào)制，碼元取4個(gè)相位值的叫4相調(diào)制。所謂4相相對(duì)相移鍵控(4DPSK)是利用前后兩個(gè)碼元之間的相對(duì)相位變化來表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其變化規(guī)律如圖2-7所示，實(shí)線和虛線分別代表兩種不同的調(diào)制方案，碼元信號(hào)分布在復(fù)平面的同心圓上。這樣可以用一個(gè)碼元代表兩位二進(jìn)制數(shù)，能提供較高的數(shù)據(jù)速率，但實(shí)現(xiàn)技術(shù)更復(fù)雜。圖2-7兩種4DPSK調(diào)制方案

4．幅度相位復(fù)合調(diào)制可以用數(shù)字信號(hào)同時(shí)對(duì)載波的幅度和相位同時(shí)進(jìn)行調(diào)制，這樣就可以把信號(hào)碼點(diǎn)合理地分布在復(fù)平面上，在不減少信號(hào)碼點(diǎn)之間距離的情況下增加信號(hào)碼點(diǎn)的數(shù)量。表2-2是V.29Modem采用的調(diào)制方式，用4種幅度和8種相位來表示復(fù)平面上的16個(gè)碼點(diǎn)，每個(gè)碼點(diǎn)代表4位二進(jìn)制數(shù)，從而使得數(shù)據(jù)速率提高到碼元速率的4倍，與之對(duì)應(yīng)的矢量圖如圖2-8所示，這種圖形稱為星座圖。表2-2幅度相位復(fù)合調(diào)制圖2-8V.29Modem的星座圖正交幅度調(diào)制(QuadratureAmplitudeModulation，QAM)是把兩個(gè)幅度相同但相位相差90°。的模擬信號(hào)合成為一個(gè)載波信號(hào)，經(jīng)過信道編碼后把數(shù)據(jù)組合映射到星座圖上，如圖2-9所示。

QAM調(diào)制實(shí)際上是幅度調(diào)制和相位調(diào)制的組合，同時(shí)利用了載波的幅度和相位來傳遞數(shù)據(jù)信息。與單純的PSK調(diào)制相比，在最小距離相同的條件下，QAM星座圖中可以容納更多的載波碼點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)更高的頻帶利用率。256-QAM是用一個(gè)碼元表示8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，目前最高可以達(dá)到1024-QAM。圖2-9QAM調(diào)制格碼調(diào)制(TrellisCodingModulation，TCM)是將糾錯(cuò)編碼和數(shù)字調(diào)制結(jié)合在一起的技術(shù)，它具有更大的編碼增益，而且不降低頻帶利用率，所以特別適合有限帶寬信道的信號(hào)傳輸。為了在保持調(diào)制信號(hào)之間歐氏距離最大的情況下增大其海明距離(參見3.2.2小節(jié))，在TCM編碼中引入了一個(gè)冗余比特，這是TCM與QAM的主要區(qū)別。這種編碼在譯碼時(shí)要使用軟判決譯碼器，對(duì)多達(dá)32位的一組比特進(jìn)行比較，再判斷出每一位的正確值。圖2-10表示的是TCM編碼的星座圖。圖2-10TCM星座圖2.4脈沖編碼調(diào)制模擬數(shù)據(jù)通過數(shù)字信道傳輸具有效率高、失真小的優(yōu)點(diǎn)，而且可以開發(fā)新的通信業(yè)務(wù)，例如，在數(shù)字電話系統(tǒng)中可以提供語音信箱功能。把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，要使用叫做編碼解碼器(Codec)的設(shè)備。這種設(shè)備的作用和調(diào)制解調(diào)器的作用相反，它把模擬信號(hào)(例如聲音、圖像等)編碼變換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)傳輸?shù)竭_(dá)接收端再解碼還原為模擬信號(hào)。用編碼解碼器把模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的過程叫模擬信號(hào)的數(shù)字化。常用的數(shù)字化技術(shù)是脈沖編碼調(diào)制技術(shù)(PulseCodeModulation，PCM)，簡稱脈碼調(diào)制。2.4.1PCM原理

PCM主要經(jīng)過3個(gè)過程：采樣、量化和編碼。采樣過程通過周期性掃描將時(shí)間連續(xù)、幅度連續(xù)的模擬信號(hào)變換為時(shí)間離散、幅度連續(xù)的采樣信號(hào)；量化過程將采樣信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間離散、幅度離散的數(shù)字信號(hào)；編碼過程將量化后的離散信號(hào)編碼為二進(jìn)制碼組。采樣的頻率決定了可恢復(fù)的模擬信號(hào)的質(zhì)量。根據(jù)尼奎斯特采樣定理，為了恢復(fù)原來的模擬信號(hào)，采樣頻率必須大于模擬信號(hào)最高頻率的二倍，即其中f為采樣頻率，T為采樣周期，fmax為信號(hào)的最高頻率。人耳對(duì)25～22000Hz的聲音有反應(yīng)。在談話時(shí)，大部分有用的信息的能量分布在圖2-11脈沖編碼調(diào)制200～3500Hz之間。因此，電話線路使用的帶通濾波器的帶寬為3KHz(即300～3300Hz)。根據(jù)Nyquist采樣定理，最小采樣頻率應(yīng)為6600Hz，實(shí)際上，CCITT規(guī)定對(duì)話音信號(hào)的采樣頻率為8kHz。采樣后得到的樣本取連續(xù)值，這些樣本必須通過四舍五入量化為離散值，離散值的個(gè)數(shù)決定了量化的精度。在T1系統(tǒng)(參見2.6.3小節(jié))中采用128級(jí)量化，每個(gè)樣本用7位二進(jìn)制數(shù)字表示，在數(shù)字信道上傳輸這種數(shù)字化了的話音信號(hào)的速率是7?×?8000?=?56?kb/s。在E1系統(tǒng)中采用256級(jí)量化，每個(gè)樣本用8位二進(jìn)制數(shù)字表示，傳輸速率為64?kb/s。圖2-11是采樣和量化過程的示意圖。圖2-11脈沖編碼調(diào)制如果采用均勻量化的方式，則把信號(hào)的幅度均等分為128或256個(gè)取值間隔，這樣會(huì)使得小信號(hào)的量化誤差大，從而音質(zhì)變差。所以有必要采用不均勻選取量化間隔的非線性量化方法，即在小信號(hào)時(shí)分層密，量化間隔小，而在大信號(hào)時(shí)分層稀，量化間隔大，實(shí)際上這也相當(dāng)于對(duì)原始話音信號(hào)進(jìn)行了對(duì)數(shù)壓縮。在實(shí)際中使用兩種對(duì)數(shù)壓縮方法：A律和μ律，A律編碼用于E1系統(tǒng)，μ律編碼用于T1系統(tǒng)。

A律的歸一化輸出Vo與輸入Vi的關(guān)系為其中常數(shù)A為壓縮系數(shù)。當(dāng)A為1時(shí)，壓縮特性是斜率為1的直線，相當(dāng)于沒有壓縮；隨著A值的增大壓縮特性越來越彎曲，如圖2-12(a)所示。ITU-T建議A?=?86.7，這時(shí)對(duì)小信號(hào)的信噪比改善量為24dB。

μ律的歸一化輸出Vo與輸入Vi的關(guān)系為當(dāng)壓縮系數(shù)μ?=?0時(shí)，相當(dāng)于無壓縮，μ愈大壓縮效果愈顯著，如圖2-12(b)所示，ITU-T建議μ?=?255，這時(shí)對(duì)小信號(hào)的信噪比改善量為33.3dB。圖2-12A律與μ律的壓縮特性2.4.2增量調(diào)制增量調(diào)制(DeltaModulationcode，DM或ΔM)是繼PCM之后出現(xiàn)的另一種模擬信號(hào)數(shù)字化方案。因其抗誤碼能力強(qiáng)，所以從20世紀(jì)70年代開始被廣泛應(yīng)用于軍事通信系統(tǒng)和航天通信系統(tǒng)中，有時(shí)也作為高速大規(guī)模集成電路中的A/D轉(zhuǎn)換器使用。

DM是一種預(yù)測(cè)編碼方式，是將信號(hào)瞬時(shí)值與前一采樣時(shí)刻的量化值之差進(jìn)行量化，而且只對(duì)這個(gè)差值的符號(hào)進(jìn)行編碼，而不是對(duì)差值的大小編碼。因此量化的對(duì)象只限于正和負(fù)兩個(gè)狀態(tài)，可以用1比特表示一個(gè)采樣值。如果差值是正的，就用“1”表示；若差值為負(fù)，則用“0”表示，“1”和“0”只表示信號(hào)相對(duì)于前一時(shí)刻的增減狀態(tài)，而不代表信號(hào)的絕對(duì)值。類似地，在接收端，每收到一個(gè)代碼“1”，譯碼器的輸出相對(duì)于前一時(shí)刻的值上升一個(gè)量化階；每收到一個(gè)代碼“0”就下降一個(gè)量化階。接收到連續(xù)的“1”時(shí)表示信號(hào)連續(xù)增長，收到連續(xù)的“0”時(shí)表示信號(hào)連續(xù)下降。譯碼器的輸出再經(jīng)過低通濾波器濾去高頻量化噪聲，就被恢復(fù)成了原始模擬信號(hào)。只要采樣頻率足夠高，量化階距的大小適當(dāng)，則接收端恢復(fù)的信號(hào)與原始信號(hào)就非常接近，量化噪聲非常小。圖2-13說明了DM編碼的概念，在圖中，m(t)代表隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)。我們用一個(gè)時(shí)間間隔為Δt、相鄰幅度差為+σ或-σ的階梯波m'(t)來逼近它，只要Δt足夠小(即采樣速率fs?=?1/Δt足夠大)，且量化階距σ足夠小，則階梯波m'(t)可近似代替m(t)。圖2-13增量調(diào)制階梯波有兩個(gè)特點(diǎn)，首先是在Δt間隔內(nèi)m'(t)的幅值不變；其次是相鄰間隔的幅值差不是+σ(上升時(shí))就是-σ(下降時(shí))。利用這兩個(gè)特點(diǎn)，可以用“1”和“0”分別代表m'(t)上升或下降一個(gè)量化階σ，則m'(t)就被表示成了一個(gè)二進(jìn)制序列。?還可以用斜變波m1(t)來近似m(t)，斜變波也只有兩種變化：按斜率σ/Δt上升一個(gè)量化階或按斜率-σ/Δt下降一個(gè)量化階，用“1”表示正斜率，用“0”表示負(fù)斜率，同樣可獲得二進(jìn)制序列。增量調(diào)制與PCM調(diào)制相比有如下特點(diǎn)：

(1)在比特率較低時(shí)，增量調(diào)制的量化信噪比高于PCM；

(2)增量調(diào)制抗誤碼特性好，可用于誤碼率為10-2～10-3的信道，而PCM則要求10-4～10-6的信道；

(3)增量調(diào)制通常采用單純的比較器和積分器作編碼解碼器，其結(jié)構(gòu)比PCM的簡單。在實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)出現(xiàn)下面的問題，從而需要研究對(duì)DM的改進(jìn)方案。

(1)在DM編碼過程中，每個(gè)采樣間隔內(nèi)只容許有一個(gè)量化階的變化，所以當(dāng)輸入信號(hào)的斜率比采樣周期決定的固有斜率大時(shí)，量化階的大小就跟不上輸入信號(hào)的變化，因而產(chǎn)生斜率過載失真，或稱為斜率過載噪聲。

(2)在信號(hào)變化比較緩慢的區(qū)域內(nèi)，編碼后得到的是“1”和“0”交替變化的序列，這種現(xiàn)象稱為顆粒噪聲。自適應(yīng)增量調(diào)制(ADM)是對(duì)增量調(diào)制的改進(jìn)。為了使增量調(diào)制器的量化階距σ能自動(dòng)適應(yīng)信號(hào)斜率的變化，根據(jù)輸入信號(hào)斜率的變化自動(dòng)調(diào)整量化階σ的大小，使斜率過載噪聲和顆粒噪聲都減到最小，許多研究人員提出了各種各樣的改進(jìn)方案。這些方案基本上都是在檢測(cè)到斜率過載時(shí)增大量化階σ，而在輸入信號(hào)的斜率減小時(shí)減小量化階σ。例如，有一種自適應(yīng)增量調(diào)制方案是這樣的：假定增量調(diào)制器的輸出為“1”和“0”，每當(dāng)輸出不變時(shí)量化階距增大50%；每當(dāng)輸出值改變時(shí)，量化階距減小50%，這種自適應(yīng)方法使斜率過載噪聲和顆粒噪聲同時(shí)減到最小。另一種自適應(yīng)增量調(diào)制方案稱為連續(xù)可變斜率增量調(diào)制(ContinuouslyVariableSlopeDeltaModulation，CVSD)。它的方法是：如果增量調(diào)制器的輸出連續(xù)出現(xiàn)三個(gè)相同的值，量化階就加上一個(gè)大的增量；反之，就加上一個(gè)小的增量。2.5數(shù)據(jù)通信方式按數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，可分為下?種不同的通信方式。

(1)單工通信。在單工信道上，信息只能在一個(gè)方向傳送，發(fā)送方不能接收，接收方也不能發(fā)送，信道的全部帶寬都用于由發(fā)送方到接收方的數(shù)據(jù)傳送。無線電廣播和電視廣播都是單工通信的例子。

(2)半雙工通信。在半雙工信道上，通信的雙方可交替發(fā)送和接收信息，但不能同時(shí)發(fā)送和接收。在一段時(shí)間內(nèi)，信道的全部帶寬用于在一個(gè)方向上傳送信息，航空和航海無線電臺(tái)以及無線對(duì)講機(jī)等都是以這種方式通信的。這種方式要求通信雙方都具有發(fā)送和接收能力，因而比單工通信設(shè)備昂貴，但比全雙工設(shè)備便宜。在要求不很高的場(chǎng)合，多采用這種通信方式，雖然轉(zhuǎn)換傳送方向會(huì)帶來額外的開銷。

(3)全雙工通信。這是一種可同時(shí)進(jìn)行雙向信息傳送的通信方式，例如現(xiàn)代的電話通信就是這樣的。這不但要求通信雙方都有發(fā)送和接收設(shè)備，而且要求信道能提供雙向傳輸?shù)碾p倍帶寬。所以全雙工通信設(shè)備最昂貴。2.6多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)是把多個(gè)低速信道組合成一個(gè)高速信道的技術(shù)。這種技術(shù)要用到兩種設(shè)備：多路復(fù)用器(Multiplexer)在發(fā)送端根據(jù)某種約定的規(guī)則把多個(gè)低帶寬的信號(hào)復(fù)合成一個(gè)高帶寬的信號(hào)；多路分配器(Demultiplexer)在接收端根據(jù)同一規(guī)則把高帶寬信號(hào)分解成多個(gè)低帶寬信號(hào)。多路復(fù)用器和多路分配器統(tǒng)稱多路器，簡寫為MUX，其原理參見圖2-14。圖2-14多路復(fù)用只要帶寬允許，在已有的高速線路上采用多路復(fù)用技術(shù)，可以省去安裝新線路的大筆費(fèi)用，因而現(xiàn)在的公共交換電話網(wǎng)(PSTN)都使用這種技術(shù)，它有效地利用了高速干線的通信能力。也可以相反地使用多路復(fù)用技術(shù)，即把一個(gè)高帶寬的信號(hào)分解到幾個(gè)低速線路上同時(shí)傳輸，然后在接收端再合成為原來的高帶寬信號(hào)。例如，兩個(gè)主機(jī)可以通過若干條低速線路連接，以滿足主機(jī)間高速通信的要求。2.6.1頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用(FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM)是在一條傳輸介質(zhì)上使用多個(gè)頻率不同的模擬載波信號(hào)進(jìn)行多路傳輸，這些載波可以進(jìn)行任何方式的調(diào)制：ASK、FSK、PSK以及它們的組合。每一個(gè)載波信號(hào)形成了一個(gè)子信道，各個(gè)子信道的中心頻率不相重合，子信道之間留有一定寬度的隔離頻帶(見圖2-15)。圖2-15頻分多路復(fù)用頻分多路技術(shù)早已用在無線電廣播系統(tǒng)中。在有線電視系統(tǒng)(CATV)中也使用頻分多路技術(shù)。一根CATV電纜的帶寬大約是1000MHz，可傳送多個(gè)頻道的電視節(jié)目，每個(gè)頻道6.5MHz的帶寬中又劃分為聲音子通道、視頻子通道以及彩色子通道。每個(gè)頻道兩邊都留有一定的警戒頻帶，防止相互串?dāng)_。

FDM也用在寬帶局域網(wǎng)中。這時(shí)，電纜帶寬至少要?jiǎng)澐譃椴煌较蛏系膬蓚€(gè)子頻帶，甚至還可以分出一定帶寬用于某些工作站之間的專用連接。2.6.2波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用(WaveDivisionMultiplexing，WDM)使用在光纖通信中，它是用不同波長的光波來承載不同的子信道，多路復(fù)用信道同時(shí)傳送所有子信道的波長。這種網(wǎng)絡(luò)中要使用能夠?qū)獠ㄟM(jìn)行分解和合成的多路器，如圖2-16所示。圖2-16波分多路復(fù)用2.6.3時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用(TimeDivisionMultiplexing，TDM)要求各個(gè)子通道按時(shí)間片輪流占用整個(gè)帶寬(見圖2-17)。時(shí)間片的大小可以按一次傳送一位、一個(gè)字節(jié)或一個(gè)固定大小的數(shù)據(jù)塊所需的時(shí)間來確定。圖2-17時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路技術(shù)可以用在寬帶系統(tǒng)中，也可以用在頻分制下的某個(gè)子通道上。時(shí)分制按照子通道動(dòng)態(tài)利用情況又可再分為兩種：同步時(shí)分和統(tǒng)計(jì)時(shí)分。在同步時(shí)分制下，整個(gè)傳輸時(shí)間劃分為固定大小時(shí)槽，各子通道都占有一個(gè)固定位置的時(shí)槽。這樣，在接收端可以按約定的時(shí)間關(guān)系恢復(fù)各子通道的信息流。當(dāng)某個(gè)子通道的時(shí)槽來到時(shí)如果沒有信息要傳送，這一部分帶寬就浪費(fèi)了。統(tǒng)計(jì)時(shí)分制是對(duì)同步時(shí)分制的改進(jìn)，我們特別把統(tǒng)計(jì)時(shí)分制下的多路復(fù)用器稱為集中器，以強(qiáng)調(diào)它的工作特點(diǎn)。在發(fā)送端，集中器依次循環(huán)掃描各個(gè)子通道，若某個(gè)子通道有信息要發(fā)送則為它分配一個(gè)時(shí)槽，若沒有信息就跳過，這樣就沒有空槽在線路上傳播了。然而，這種復(fù)用方式需要在每個(gè)時(shí)槽中加入一個(gè)控制字段，以便接收端可以確定該時(shí)槽是屬于哪個(gè)子通道的。在介紹脈碼調(diào)制時(shí)曾提到，對(duì)4kHz的話音信道按8kHz的速率采樣，128級(jí)量化，則每個(gè)話音信道的比特率是56kb/s。為每一個(gè)這樣的低速信道安裝一條通信線路太不劃算，所以在實(shí)際中要利用多路復(fù)用技術(shù)建立更高效的通信線路。在美國和日本使用很廣的一種通信標(biāo)準(zhǔn)是貝爾系統(tǒng)的T1載波(見圖2-18)。圖2-18貝爾系統(tǒng)的T1載波

T1載波也叫一次群，它把24路話音信道按時(shí)分多路的原理復(fù)合在一條1.544Mb/s的高速信道上。該系統(tǒng)的工作是這樣的，用一個(gè)編碼解碼器輪流對(duì)24路話音信道取樣、量化和編碼，一個(gè)取樣周期中(125?μs)得到的7位一組的數(shù)字合成一串，共7?×?24位長。這樣的數(shù)字串在送入高速信道前要在每一個(gè)7位組的后面插入一個(gè)信令位，于是變成了8?×?24?=?192位長的數(shù)字串。這192位數(shù)字組成一幀，最后再加入一個(gè)幀同步位，故幀長為193位。每125μs傳送一幀，其中包含了各路話音信道的一組數(shù)字，還包含總共24位的控制信息，以及1位幀同步信息。我們不難算出T1載波的各項(xiàng)比特率。對(duì)每一路話音信道的來說，傳輸數(shù)據(jù)的比特率為7b/125?μs?=?56?kb/s，傳輸控制信息的比特率為lb/125?μs?=?8?kb/s，總的比特率為193b/125?μs?=?l.544Mb/s。

T1載波還可以多路復(fù)用到更高級(jí)的載波上，如圖2-19所示。4個(gè)1.544Mb/s的T1信道結(jié)合成1個(gè)6.312?Mb/s的T2信道，多增加的位(6.312?-?4?×?1.544?=?0.136)是為了組幀和差錯(cuò)恢復(fù)。與此類似，7個(gè)T2信道組合成1個(gè)T3信道，6個(gè)T3信道組合成1個(gè)T4信道。

ITU-T的E1信道的數(shù)據(jù)速率是2.048Mb/s(參見圖2-20)。這種載波把32個(gè)8位一組的數(shù)據(jù)樣本組裝成125μs的基本幀，其中30個(gè)子信道用于話音傳送數(shù)據(jù)，2個(gè)子信道(CH0和CH16)用于傳送控制信令，每4幀能提供64個(gè)控制位。除了北美和日本外，E1載波在其他地區(qū)得到廣泛使用。按照ITU-T的多路復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)，E2載波由4個(gè)E1載波組成，數(shù)據(jù)速率為8.448Mb/s；E3載波由4個(gè)E2載波組成，數(shù)據(jù)速率為34.368Mb/s；E4載波由4個(gè)E3載波組成，數(shù)據(jù)速率為139.264Mb/s；E5載波由4個(gè)E4載波組成，數(shù)據(jù)速率為565.148Mb/s。圖2-19多路復(fù)用圖2-20E1幀2.6.4同步數(shù)字系列光纖線路的多路復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)。美國標(biāo)準(zhǔn)叫做同步光纖網(wǎng)絡(luò)(SynchronousOpticalNetwork，SONET)。ITU-T以SONET為基礎(chǔ)制定出的國際標(biāo)準(zhǔn)叫做同步數(shù)字系列(SynchronousDigitalHierarchy，SDH)。SDH的基本速率是155.52Mb/s，?稱為第1級(jí)同步傳遞模塊(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相當(dāng)于SONET體系中的OC-3速率，如表2-3所示。表2-3SONET多路復(fù)用的速率2.7傳輸介質(zhì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中可以使用各種傳輸介質(zhì)來組成物理信道。這些傳輸介質(zhì)的特性不同，因而使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，應(yīng)用的場(chǎng)合也不同。下面介紹各種常用的傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)。2.7.1雙絞線圖雙絞線是最常用的傳輸介質(zhì)。把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線用規(guī)則的方法絞合在一起就構(gòu)成了雙絞線，絞合結(jié)構(gòu)可以減少相鄰導(dǎo)線間的電磁干擾。將4對(duì)雙絞線包裝在絕緣護(hù)套中就構(gòu)成了雙絞線電纜，如圖2-21所示。2-21雙絞線電纜模擬傳輸和數(shù)字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離可達(dá)幾千米。距離太長時(shí)要用放大器將衰減了的信號(hào)放大到合適的數(shù)值(用于模擬傳輸)，或者增加中繼器以便將失真了的信號(hào)進(jìn)行整形(用于數(shù)字傳輸)。導(dǎo)線越粗，絞合得越緊密，通信距離就越遠(yuǎn)，但導(dǎo)線的價(jià)格也越貴。在雙絞線電纜的外面加上一層用金屬絲編織成的屏蔽層，可以提高抗電磁干擾能力，這就是屏蔽雙絞線(ShieldedTwistedPair，STP)。如果沒有屏蔽層，則叫做無屏蔽雙絞線(UnshieldedTwistedPair，UTP)。STP的電氣性能要優(yōu)于UTP，但是價(jià)格相對(duì)較高。根據(jù)信號(hào)衰減和串音損耗的不同，ANSI/EIA/TIA-568-A(簡稱T568A)和ANSI/EIA/TIA-568-B(簡稱T568B)標(biāo)準(zhǔn)把UTP分為不同的類型(Category)：

(1)?Cat1：一類UTP的帶寬很小，主要用于話音傳輸，在1980年代之前廣泛應(yīng)用于電話系統(tǒng)的用戶回路中。

(2)?Cat2：二類UTP的帶寬為1MHz，能夠支持4Mb/s的數(shù)據(jù)速率，目前很少使用。

(3)?Cat3：三類UTP的帶寬為16MHz，支持最高10Mb/s的數(shù)據(jù)速率，適合10BASE-T以太網(wǎng)。

(4)?Cat4：四類UTP的帶寬為20?MHz，支持最高16?Mb/s的數(shù)據(jù)速率，用在令牌環(huán)網(wǎng)中。

(5)?Cat5：五類UTP的帶寬為100?MHz，支持高達(dá)100?Mb/s的數(shù)據(jù)速率，主要用于100BASE-T以太網(wǎng)中。

(6)?Cat5e：超五類UTP的帶寬為100?MHz，其繞線密度和絕緣材料的質(zhì)量都有所提高，這種電纜用于高性能的數(shù)據(jù)通信中，支持1000BASE-TX以太網(wǎng)。

(7)?Cat6：六類UTP的帶寬可以達(dá)到500?MHz，支持萬兆以太網(wǎng)。目前的情況是Cat5e已經(jīng)代替了Cat5，成為市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，Cat6的市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大，Cat7(STP)標(biāo)準(zhǔn)正在制定之中。制作跳線用的RJ-45插頭也叫做水晶頭(見圖2-22)，其前端有8個(gè)凹槽，稱為8P(Position)，凹槽內(nèi)有8個(gè)金屬觸點(diǎn)，稱為8C(Contact)，統(tǒng)稱為8P8C插頭，以便與其他RJ連接器(例如RJ-11和RJ-48)相區(qū)別。雙絞線電纜中的4對(duì)線分為不同的顏色，按照T568A的規(guī)定，4種顏色的線序如圖2-23所示，而T568B規(guī)定的線序如圖2-24所示。圖2-22RJ-45連接器圖2-23T568A線序圖2-24T568B線序

T568A與T568B的區(qū)別是橙色線對(duì)與綠色線對(duì)進(jìn)行了互調(diào)。T568A標(biāo)準(zhǔn)與貝爾公司的USOC(UniversalServiceOrderingCode)標(biāo)準(zhǔn)兼容，而T568B與AT&T258A線序標(biāo)準(zhǔn)兼容，是使用范圍最廣的布線方案。連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的跳線有兩種：直通線和交叉線。所謂直通線就是兩端都按照T568B排序，而交叉線一端按照T568A排序，另一端按照T568B排序。在10兆和100兆以太網(wǎng)中，只使用了兩對(duì)雙絞線，另外兩對(duì)留給電話線使用。直通線的針腳功能如表2-4所示，交叉線的針腳功能如表2-5所示，其中TX表示發(fā)送，RX表示接收。表2-410BASE-T和100BASE-T中使用的直通線表2-510BASE-T和100BASE-T中使用的交叉線以太網(wǎng)交換機(jī)的端口分為普通口和級(jí)連口(Uplink口)。相同類型端口連接時(shí)采用MDI-X模式(X代表交叉連接)，即一方的發(fā)送端連接到另一方的接收端，所以要使用交叉線。例如兩臺(tái)PC機(jī)通過網(wǎng)卡直接相連就屬于這種情況。不同類型的端口連接采用MDI-II模式(II代表平行)，即RJ-45的8個(gè)針腳按編號(hào)對(duì)應(yīng)連接，這時(shí)采用直通線。例如一臺(tái)PC機(jī)通過網(wǎng)卡連接到交換機(jī)就使用直通線。2.7.2同軸電纜同軸電纜的芯線為銅質(zhì)導(dǎo)線，外包一層絕緣材料，再外面是由細(xì)銅絲組成的網(wǎng)狀外導(dǎo)體，最外面加一層絕緣塑料保護(hù)層,如圖2-25所示。芯線與網(wǎng)狀導(dǎo)體同軸，故名同軸電纜。同軸電纜的這種結(jié)構(gòu)，使它具有很高的帶寬和極好的噪聲抑制特性。圖2-25同軸電纜在局域網(wǎng)中常用的同軸電纜有兩種，一種是特性阻抗為50Ω的基帶同軸電纜，用于傳輸數(shù)字信號(hào)，例如RG-8或RG-11粗纜和RG-58細(xì)纜。粗同軸電纜適用于大型局域網(wǎng)，它的傳輸距離長，可靠性高，安裝時(shí)不需要切斷電纜，用夾板裝置夾在需要連接計(jì)算機(jī)的位置。但粗纜必須安裝外收發(fā)器，安裝難度大，總體造價(jià)高。細(xì)纜容易安裝，造價(jià)低，但安裝時(shí)要切斷電纜，裝上BNC接頭，然后連接在T型連接器兩端，所以容易產(chǎn)生接觸不良或接頭短路的隱患，這是以太網(wǎng)運(yùn)行中常見的故障。常用的另外一種同軸電纜是特性阻抗為75?Ω的CATV電纜(RG-59)，用于傳輸模擬信號(hào)，這種電纜也叫寬帶同軸電纜。所謂寬帶，在電話行業(yè)中是指比4KHz更寬的頻帶，而這里是泛指模擬傳輸?shù)碾娎|網(wǎng)絡(luò)。要把計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的比特流變成模擬信號(hào)在CATV電纜上傳輸，在發(fā)送端和接收端要分別加入調(diào)制器和解調(diào)器。采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制技術(shù)，一個(gè)6?MHz的視頻信道的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到36?Mb/s。通常采用頻分多路技術(shù)(FDM)，把整個(gè)CATV電纜的帶寬(1000?MHz)劃分為多個(gè)獨(dú)立的信道，分別傳輸數(shù)據(jù)、聲音和視頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多種通信業(yè)務(wù)。這種傳輸方式稱為綜合傳輸，適合于在辦公自動(dòng)化環(huán)境中應(yīng)用。

在寬帶系統(tǒng)中，模擬信號(hào)經(jīng)過放大器后只能單向傳輸。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的相互連通，有時(shí)要把整個(gè)帶寬劃分兩個(gè)頻段，分別在兩個(gè)方向上傳送信號(hào)，這叫分裂配置。有時(shí)用兩根電纜分別在兩個(gè)方向上傳送，這叫雙纜配置。雖然兩根電纜比單根電纜價(jià)格要貴一些，但信道容量卻提高一倍多。無論是分裂配置還是雙纜配置都要使用一個(gè)叫做端頭(headend)的設(shè)備，該設(shè)備安裝在網(wǎng)絡(luò)的一端，它從一個(gè)頻率(或一根電纜)接收所有站發(fā)出的信號(hào)，然后用另一個(gè)頻率(或電纜)發(fā)送出去。寬帶系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)，可達(dá)幾十千米，而且可同時(shí)提供多個(gè)信道。然而和基帶系統(tǒng)相比，它的技術(shù)更復(fù)雜，需要專門的射頻技術(shù)人員安裝和維護(hù)，寬帶系統(tǒng)的接口設(shè)備也更昂貴。2.7.3光纜光纜由能傳送光波的超細(xì)玻璃纖維制成，外包一層比玻璃折射率低的材料。進(jìn)入光纖的光波在兩種材料的介面上形成全反射，從而不斷地向前傳播。光纖信道中的光源可以是發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)，或注入式激光二極管ILD(InjectionLaserDiode)，這兩種器件在有電流通過時(shí)都能發(fā)出光脈沖，光脈沖通過光導(dǎo)纖維傳播到達(dá)接收端。接收端有一個(gè)光檢測(cè)器——光電二極管，它遇光時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)，這樣就形成了一個(gè)單向的光傳輸系統(tǒng)。光纖分為單模光纖和多模光纖(圖2-26)。單模光纖(SingleModeFiber)采用激光二極管作為光源，波長分為1310?nm和1550?nm兩種。單模光纖的纖芯直徑為8.3?μm，包層外徑為125?μm，可表示為8.3/125?μm。單模光纖色散很小，適用于遠(yuǎn)程通信。如果希望支持萬兆傳輸，而且距離較遠(yuǎn)，應(yīng)考慮采用單模光纜。從光纖的損耗特性來看，1310?nm波長區(qū)是光纖通信的理想工作窗口，也是當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1310?nm單模光纖的主要參數(shù)由ITU-T在G652建議中確定，因此這種光纖又稱G652光纖。圖2-26單模光纖與多模光纖多模光纖(MultiModeFiber)采用發(fā)光二極管作為光源，波長分為850?nm和1300?nm兩種。多模光纖的纖芯較粗，有50?μm和62.5?μm兩種，包層外徑125?μm，分別表示為50/125?μm和62.5/125?μm。多模光纖可傳輸多種模式的光，如果采用折射率突變的纖芯材料，則這種光纖稱為多模突變型光纖；如果采用折射率漸變的纖芯材料，則這種光纖稱為多模漸變型光纖。多模光纖的色散較大，限制了傳輸信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加這種限制會(huì)更加嚴(yán)重。所以多模光纖傳輸?shù)木嚯x比較近，一般只有幾千米。但是多模光纖比單模光纖價(jià)格便宜。對(duì)傳輸距離或數(shù)據(jù)速率要求不高的場(chǎng)合可以選擇多模光纜。從發(fā)展趨勢(shì)看，水平布線的網(wǎng)速要求1?Gb/s帶寬到桌面，大樓主干網(wǎng)需升級(jí)到10Gb/s，園區(qū)骨干網(wǎng)需升級(jí)到10?Gb/s或100?Gb/s。目前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用正在以每年50%的速度增長，未來幾年，千兆到桌面將變得和目前百兆到桌面一樣普遍，因此在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃上要具有一定前瞻性，要根據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的目標(biāo)、未來擴(kuò)展的需要選擇適當(dāng)?shù)膫鬏斀橘|(zhì)。2.7.4無線信道雙絞線、同軸電纜和光纖等傳輸介質(zhì)統(tǒng)稱為有線介質(zhì)(GuidedMedia)。下面要講的信道都是通過空間傳播無線電信號(hào)，我們稱之為無線介質(zhì)(UnguidedMedia)。通信中使用的電磁波的頻譜如圖2-27所示。圖2-27通信中使用的電磁波譜超短波(VHF)和微波(UHF～EHF)不能被電離層反射，主要是在空間直接傳播。從發(fā)射點(diǎn)經(jīng)空間直線傳播到接收點(diǎn)的無線電波叫空間波，也叫直射波。利用直射波在視線距離內(nèi)進(jìn)行的無線通信稱為視距通信(horizoncommunication)，由于受地球表面弧度的影響，其傳播距離最多只有50千米左右。利用超短波和微波在地面進(jìn)行直射波通信，接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)由兩路組成：一路由發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線；另一路由地面反射后到達(dá)接收天線，如果天線高度和方向架設(shè)不當(dāng)，容易造成相互干擾。實(shí)際上，直射波傳播所能達(dá)到的距離還應(yīng)考慮到大氣層的不均勻性，以及氣象因素對(duì)電波傳播軌跡的影響。當(dāng)電波在低空傳播時(shí)還會(huì)受到地面地形的影響。地球表面的物理結(jié)構(gòu)，例如地形起伏和人工建筑物等都會(huì)對(duì)電波有反射、散射和繞射等作用。在天線高架、地面平坦范圍很大時(shí)，往往以反射為主；而地面粗糙不平起伏較大時(shí)，必須考慮散射影響；當(dāng)天線低架或障礙物尺寸比波長小得多時(shí)，則以繞射為主。微波通信系統(tǒng)可分為地面微波系統(tǒng)和衛(wèi)星微波系統(tǒng)，兩者的功能相似，但通信能力有很大差別。地面微波系統(tǒng)由視距范圍內(nèi)的兩個(gè)互相對(duì)準(zhǔn)方向的拋物面天線組成，長距離通信則需要多個(gè)中繼站組成微波中繼線路。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用地面微波系統(tǒng)可以擴(kuò)展有線信道的連通范圍，例如在大樓頂上安裝微波天線，使得兩個(gè)大樓中的局域網(wǎng)互相連通，這可能比挖地溝埋電纜花費(fèi)更少。通信衛(wèi)星可看做是懸在太空中的微波中繼站。衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器把波束對(duì)準(zhǔn)地球上的一定區(qū)域，在此區(qū)域中的衛(wèi)星地面站之間就可以互相通信。3個(gè)地球同步軌道衛(wèi)星就可以覆蓋整個(gè)地球表面，組成全球通信系統(tǒng)(見圖2-28)。地面站以一定的頻率段向衛(wèi)星發(fā)送信息(上行頻段)，衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器將接收到的信號(hào)放大并變換到另一個(gè)頻段上(下行頻段)發(fā)回地面接收站。這樣的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以在一定的區(qū)域內(nèi)組成廣播式通信網(wǎng)絡(luò)，特別適合于海上、空中、礦山、油田等經(jīng)常移動(dòng)的工作環(huán)境。衛(wèi)星傳輸供應(yīng)商可以將衛(wèi)星信道劃分成許多子信道出租給商業(yè)用戶，用戶安裝甚小孔徑終端系統(tǒng)(VerySmallApertureTerminal，VSAT)組成衛(wèi)星專用網(wǎng)，地面上的集中站作為收發(fā)中心與用戶交換信息。圖2-28衛(wèi)星通信系統(tǒng)微波通信的頻率段為吉兆段的低端，一般是1～11?GHz，因而它具有高帶寬、大容量的特點(diǎn)。由于使用了高頻率，因此可使用小型天線，便于安裝和移動(dòng)。不過微波信號(hào)容易受到電磁干擾，地面微波通信也會(huì)造成相互之間的干擾，大氣層中的雨雪會(huì)大量吸收微波信號(hào)，當(dāng)長距離傳輸時(shí)會(huì)使信號(hào)衰減以至無法接收。另外，通信衛(wèi)星為了保持與地球自轉(zhuǎn)的同步，一般停留在36000km的高空。這樣長的距離會(huì)造成大約270ms的時(shí)延，在利用衛(wèi)星信道組網(wǎng)時(shí)，這樣長的時(shí)延是必須考慮的因素。無線電短波通信早已用在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中了，已經(jīng)建成的無線通信局域網(wǎng)使用了甚高頻VHF(30～300MHz)和超高頻UHF(300～3000MHz)的電視廣播頻段，這個(gè)頻段的電磁波是以直線方式在視距范圍內(nèi)傳播的，所以用作局部地區(qū)的通信是適宜的。早期的無線電局域網(wǎng)(例如ALOHA系統(tǒng))是中心式結(jié)構(gòu)，它有一個(gè)類似于通信衛(wèi)星那樣的中心站，每一個(gè)主機(jī)結(jié)點(diǎn)都把天線對(duì)準(zhǔn)中心站，并以頻率f1向中心站發(fā)送信息；中心站向各主機(jī)結(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)采用另外一個(gè)頻率f2進(jìn)行廣播。采用這種網(wǎng)絡(luò)通信方式要解決好上行線路中由于兩個(gè)以上的站同時(shí)發(fā)送信息而發(fā)生沖突的問題。后來的無線電局域網(wǎng)采用分布式結(jié)構(gòu)——沒有中心站，結(jié)點(diǎn)機(jī)的天線是沒有方向的，每個(gè)結(jié)點(diǎn)機(jī)都可以發(fā)送或接收信息，這種通信方式適合于由微機(jī)工作站組成的資源分布系統(tǒng)，在不便于架設(shè)有線通信線路的地方可以快速建成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。短波通信設(shè)備比較便宜，便于移動(dòng)，沒有像地面微波站那樣的方向性，再加上中繼站就可以傳送很遠(yuǎn)的距離，但是也容易受到電磁干擾和地形地貌的影響，而且?guī)挶任⒉ㄍㄐ乓　?.8結(jié)構(gòu)化綜合布線結(jié)構(gòu)化綜合布線系統(tǒng)(StructureCablingSystem)是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的物理通信平臺(tái)，集成了話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻的傳輸功能，消除了原有通信線路在傳輸介質(zhì)上的差異。結(jié)構(gòu)化綜合布線系統(tǒng)包括：建筑物綜合布線系統(tǒng)(PremisesDistributionSystem，PDS)、智能大廈布線系統(tǒng)(IntelligentBuildingSystem，IBS)和工業(yè)布線系統(tǒng)(IndustryDistributionSystem，IDS)。這里要講的是建筑物綜合布線系統(tǒng)PDS，它是一種能支持話音和數(shù)據(jù)通信，支持安全監(jiān)控和傳感器信號(hào)傳輸，支持多媒體和高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的電信系統(tǒng)，通過一次性布線提供各種通信線路，并且可以根據(jù)應(yīng)用需求變化和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行擴(kuò)充，是一種技術(shù)先進(jìn)、具有長遠(yuǎn)效益的解決方案。結(jié)構(gòu)化綜合布線系統(tǒng)應(yīng)滿足下列要求：

(1)標(biāo)準(zhǔn)化：采用國際或國家標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)、施工和測(cè)試系統(tǒng)，采用符合國際和國家標(biāo)準(zhǔn)、得到國際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證的產(chǎn)品。

(2)實(shí)用性：針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的需要和特點(diǎn)來建設(shè)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)能滿足現(xiàn)在和將來應(yīng)用的需要。

(3)先進(jìn)性：采用國際最新技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具有一定的超前意識(shí)，保證在一定時(shí)間內(nèi)技術(shù)上不落后。

(4)開放性：充分考慮整個(gè)系統(tǒng)的開放性，系統(tǒng)要兼容不同類型的信號(hào)，適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各種應(yīng)用的要求。

(5)結(jié)構(gòu)化、層次化：易于管理和維護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)具有充足的擴(kuò)展余地，具有一定的靈活性、較強(qiáng)的可靠性和容錯(cuò)性。結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)分為六個(gè)子系統(tǒng)：工作區(qū)子系統(tǒng)、水平子系統(tǒng)、干線子系統(tǒng)、設(shè)備間子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)和建筑群子系統(tǒng)，如圖2-29所示。圖2-29結(jié)構(gòu)化布線示意圖

1.工作區(qū)子系統(tǒng)(WorkLocationSubsystem)工作區(qū)子系統(tǒng)是由終端設(shè)備到信息插座的整個(gè)區(qū)域。一個(gè)獨(dú)立的需要安裝終端設(shè)備的區(qū)域劃分為一個(gè)工作區(qū)。工作區(qū)應(yīng)支持電話、數(shù)據(jù)終端、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、監(jiān)視器、以及傳感器等多種終端設(shè)備。信息插座的類型應(yīng)根據(jù)終端設(shè)備的種類而定。信息插座的安裝分為嵌入式(適用新建筑物)和表面安裝(適用老建筑物)兩種方式，信息插座通常安裝在工作間四周的墻壁下方，距離地面30cm，也有的安裝在用戶辦公桌上。通常一個(gè)信息插座需要9m2的空間。

2.水平子系統(tǒng)(HorizontalSubsystem)從各個(gè)樓層接線間的配線架到工作區(qū)信息插座之間所安裝的線纜屬于水平子系統(tǒng)。水平子系統(tǒng)的作用是將干線子系統(tǒng)線路延伸到用戶工作區(qū)。在進(jìn)行水平布線時(shí)，傳輸介質(zhì)中間不能有轉(zhuǎn)折點(diǎn)，兩端應(yīng)直接從配線架連接到工作區(qū)的信息插座。水平布線的通道有兩種：一種是暗管預(yù)埋、墻面引線方式；另一種是地下管槽、地面引線方式。前者適用于多數(shù)建筑系統(tǒng)，一旦鋪設(shè)完成，不易更改和維護(hù)；后者適合于少墻多柱的環(huán)境，更改和維護(hù)較方便。

3.管理子系統(tǒng)(AdministrationSubsystem)管理子系統(tǒng)設(shè)置在樓層的接線間內(nèi)，由各種交連設(shè)備(雙絞線跳線架、光纖跳線架)以及集線器和交換機(jī)等交換設(shè)備組成，交連方式取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作區(qū)設(shè)備的要求。交連設(shè)備通過水平布線子系統(tǒng)連接到各個(gè)工作區(qū)的信息插座，集線器或交換機(jī)與交連設(shè)備之間通過短線纜互連，這些短線被稱為跳線。通過跳線的調(diào)整，可以對(duì)工作區(qū)的信息插座和交換機(jī)端口之間進(jìn)行連接切換。高層大樓采用多點(diǎn)管理方式，每一樓層要有一個(gè)配線間，用于放置交換機(jī)、集線器以及配線架等設(shè)備。如果樓層較少，宜采用單點(diǎn)管理方式，管理點(diǎn)就設(shè)在大樓的設(shè)備間內(nèi)。

4.干線子系統(tǒng)(BackboneSubsystem)干線子系統(tǒng)是建筑物的主干線纜，實(shí)現(xiàn)各樓層設(shè)備間子系統(tǒng)之間的互連。干線子系統(tǒng)通常由垂直的大對(duì)數(shù)銅纜或光纜組成，一頭端接于設(shè)備間的主配線架上，另一頭端接在樓層接線間的管理配線架上。主干子系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于舊建筑物主要采用樓層牽引管方式鋪設(shè)，對(duì)于新建筑物則利用建筑物的線井進(jìn)行鋪設(shè)。

5.設(shè)備間子系統(tǒng)(EquipmentSubsystem)建筑物的設(shè)備間是網(wǎng)絡(luò)管理人員值班的場(chǎng)所，設(shè)備間子系統(tǒng)由建筑物的進(jìn)戶線、交換設(shè)備、電話、計(jì)算機(jī)、適配器、以及安保設(shè)施組成，實(shí)現(xiàn)中央主配線架與各種不同設(shè)備(如PBX，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備等)之間的連接。在選擇設(shè)備間的位置時(shí)，要考慮安裝與維護(hù)的方便性，設(shè)備間通常選擇在建筑物的中間樓層。設(shè)備間要有防雷擊、防過壓過流的保護(hù)設(shè)備，通常還要配備不間斷電源。

6.建筑群子系統(tǒng)(CampusSubsystem)建筑群子系統(tǒng)也叫園區(qū)子系統(tǒng)，它是連接各個(gè)建筑物的通信系統(tǒng)。大樓之間的布線方法有三種。一種是地下管道敷設(shè)方式，管道內(nèi)敷設(shè)的銅纜或光纜應(yīng)遵循電話管道和入孔的各種規(guī)定，安裝時(shí)至少應(yīng)預(yù)留1～2個(gè)備用管孔，以備擴(kuò)充之用。第二種是直埋法，要在同一個(gè)地溝內(nèi)埋入通信和監(jiān)控電纜，并應(yīng)設(shè)立明顯的地面標(biāo)志。最后是架空明線，這種方法需要經(jīng)常維護(hù)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意線纜長度的限制，表2-6是EIA/TIA-568標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大布線距離。表2-6最大布線距離2.9公共交換電話網(wǎng)公共交換電話網(wǎng)(PublicSwitchedTelephoneNetwork，PSTN)最初是為了話音通信而建立的，從1960年代開始又被用于數(shù)據(jù)傳輸。雖然各種專用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和公用數(shù)據(jù)網(wǎng)已經(jīng)得到很大發(fā)展，能夠提供更好的服務(wù)質(zhì)量和多種多樣的通信業(yè)務(wù)，但是PSTN的覆蓋面更廣，聯(lián)網(wǎng)費(fèi)用更低，因而在沒有其他聯(lián)網(wǎng)方式的地區(qū)仍然通過電話線撥號(hào)上網(wǎng)。電話系統(tǒng)是一個(gè)高度冗余的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)。圖2-30表示一個(gè)簡化了的電話網(wǎng)。用戶電話通過一對(duì)銅線連接到最近的端局，這個(gè)距離通常是1～10km，只能傳送模擬信號(hào)。雖然局間干線是傳輸數(shù)字信號(hào)的光纖，但是在用電話線連網(wǎng)時(shí)需要在發(fā)送端把數(shù)字信號(hào)變換為模擬信號(hào)，在接收端再把模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。由電話公司提供的公共載體典型的帶寬是4000Hz，我們稱其為話音頻段。這種信道的電氣特性并不完全適合數(shù)據(jù)通信的要求，在線路質(zhì)量太差時(shí)還需采取一定的均衡措施，方能減小傳輸過程中的失真。圖2-30電話系統(tǒng)示意圖公用電話網(wǎng)由本地網(wǎng)和長途網(wǎng)組成，本地網(wǎng)覆蓋市內(nèi)電話、市郊電話以及周圍城鎮(zhèn)和農(nóng)村的電話用戶，形成屬于同一長途區(qū)號(hào)的局部公共網(wǎng)絡(luò)。長途網(wǎng)提供各個(gè)本地網(wǎng)之間的長話業(yè)務(wù)，包括國際和國內(nèi)長途電話服務(wù)。我國的固定電話網(wǎng)采用4級(jí)匯接輻射式結(jié)構(gòu)。最高一級(jí)共有8個(gè)大區(qū)中心局，包括北京、上海、廣州、南京、沈陽、西安、武漢和成都。這些中心局互相連接，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。第二級(jí)共有22個(gè)省中心局，包括各個(gè)省會(huì)城市。第三級(jí)共有300多個(gè)地區(qū)中心局。第四級(jí)是縣中心局。大區(qū)中心局之間都有直達(dá)線路，以下各級(jí)匯接至上一級(jí)中心局，并輔助一定數(shù)量的直達(dá)線路，形成圖2-31所示的4級(jí)匯接輻射式長話網(wǎng)。圖2-31四級(jí)輻射長話結(jié)構(gòu)示意圖用戶把數(shù)據(jù)終端或計(jì)算機(jī)連接到電話網(wǎng)上就可進(jìn)行通信。按照CCITT的術(shù)語，用戶的數(shù)據(jù)終端或計(jì)算機(jī)叫做數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(DataTerminalEquipment)。在通信網(wǎng)絡(luò)一邊，有一個(gè)設(shè)備管理網(wǎng)絡(luò)的接口，這個(gè)設(shè)備叫做數(shù)據(jù)電路設(shè)備DCE(DataCircuitEquipment)。DCE通常指調(diào)制解調(diào)器，數(shù)傳機(jī)、基帶傳輸器、信號(hào)變換器、自動(dòng)呼叫和應(yīng)答設(shè)備等。它們提供波形變換和編碼功能，以及建立、維持和拆除電路連接的功能。物理層協(xié)議與設(shè)備之間(DTE/DCE)的物理接口以及傳送比特的規(guī)則有關(guān)。物理介質(zhì)的各種機(jī)械的、電磁的特性由物理層和物理介質(zhì)之間的界線確定。我們可以把實(shí)際設(shè)備和OSI概念之間的關(guān)系表示在圖2-32中。圖2-32實(shí)際設(shè)備和OSI邏輯表示之間的關(guān)系圖2-32(a)中的傳輸線路可以是公共交換網(wǎng)或?qū)Ｓ镁€。在通信線路采用公共交換網(wǎng)的情況下，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前，DTE和DCE之間先要交換一些控制信號(hào)以建立邏輯連接。在數(shù)據(jù)傳輸完畢后，也要交換控制信號(hào)斷開邏輯連接。交換控制信號(hào)的過程就是“握手”的過程，這個(gè)過程和DTE/DCE之間的接插方式、引線分配、電氣特性和應(yīng)答信號(hào)等有關(guān)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，DTE和DCE之間要以一定速率和同步方式識(shí)別每一個(gè)信號(hào)元素(“1”或“0”)。關(guān)于這些與設(shè)備之間通信有關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)，CCITT和ISO用機(jī)械、電氣、功能和過程4個(gè)技術(shù)特性來描述，并給出了適應(yīng)不同情況的各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。2.10串行通信接口所謂串行通信就是把8、16或32位的并行數(shù)據(jù)變成一個(gè)比特串，逐位進(jìn)行傳輸。理論上，串行通信只需要一根信號(hào)線和一根地線。但實(shí)際上，為了克服傳輸噪聲引起的比特丟失或插入錯(cuò)誤，還要采取其他措施。一種方法是采用同步通信法，用另外一根線傳送同步時(shí)鐘信號(hào)，接收方通過檢查時(shí)鐘信號(hào)來確定每個(gè)比特的準(zhǔn)確位置。另一種方法是在每8個(gè)比特之前發(fā)送一個(gè)“開始”標(biāo)志位，使得接收方能夠間歇地取得同步信息，從而檢測(cè)出可能出現(xiàn)的傳輸錯(cuò)誤。后一種方法在PC機(jī)與外設(shè)的短距離通信中經(jīng)常采用，被叫做異步通信(asynchronouscommunication)模式。最常用的異步串行接口就是RS-232。2.10.1?EIARS-232-C下面以EIA(ElectronicIndustriesAssociation)制定的RS-232-C接口為例說明DTE/DCE接口之間的四個(gè)技術(shù)特性。

1.機(jī)械特性機(jī)械特性描述DTE和DCE之間的物理分界線，規(guī)定連接器的幾何形狀、尺寸、引線數(shù)、引線排列方式、以及鎖定裝置等。RS-232-C沒有正式規(guī)定連接器的標(biāo)準(zhǔn)，只是在其附錄中建議使用ISOIS2110定義的25針D型連接器(圖2-33)，PC機(jī)的RS-232-C串行接口通常使用9針連接器，或者USB接口。圖2-33D型連接器

2.電氣特性

DTE與DCE之間有多條信號(hào)線，除了地線之外，每根信號(hào)線都有其驅(qū)動(dòng)器和接收器。電氣特性規(guī)定這些信號(hào)的連接方式，以及驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣參數(shù)，并給出有關(guān)互連電纜方面的技術(shù)指導(dǎo)。圖2-34(a)給出了RS-232-C采用的V.28標(biāo)準(zhǔn)電路。V.28的驅(qū)動(dòng)器是單端信號(hào)源，所有信號(hào)共用一根公共地線。信號(hào)源產(chǎn)生3～15V的信號(hào)，正負(fù)3V之間是信號(hào)電平過渡區(qū)，如圖2-35所示。接口點(diǎn)的電平處于過渡區(qū)時(shí)，信號(hào)的狀態(tài)是不確定的。接口點(diǎn)的電平處于正負(fù)信號(hào)區(qū)間時(shí)，對(duì)于不同的信號(hào)線代表的意義不一樣，見表2-7。圖2-34CCITT建議的接口電路圖2-35接口電路的信號(hào)區(qū)間表2-7接口電平的含義另外兩種常用的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)是V.10和V.11。V.11是一種平衡接口，每個(gè)接口電路都用一對(duì)平衡電纜，構(gòu)成各自的信號(hào)回路，參見圖2-34(b)。這種連接方式減小了信號(hào)線之間的串音。V.10的發(fā)送端是非平衡輸出，接收端則是平衡輸入，有關(guān)這三種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的電氣參數(shù)和技術(shù)指導(dǎo)表示在表2-8中。表2-8三種電氣特性標(biāo)準(zhǔn)比較

3．功能特性功能特性定義了接口連線的作用。從大的方面分，接口線的功能可分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時(shí)線和地線。有的接口可能需要兩個(gè)信道，因而接口線又可分為主信道線和輔助信道線。

RS-232-C采用的標(biāo)準(zhǔn)是V.24。V.24為DTE/DCE接口定義了44條連線，為DTE/ACE定義了12條連線。ACE為自動(dòng)呼叫設(shè)備，有時(shí)和Modem做在一起。按照V.24的命名方法，DTE/DCE連線用1開頭的三位數(shù)字命名，例如103、115等，稱為100系列接口線。DTE/ACE連線用2開頭的三位數(shù)字命名，例如201，202等，稱為200系列接口線。

RS-232-C定義了21根接口連線的功能。按照RS-232-C的術(shù)語，接口連線叫做互換電路，表2-9給出了RS-232-C的互換電路的功能定義，同時(shí)也列出了V.24對(duì)應(yīng)的線號(hào)。表中對(duì)每一條互換電路的功能進(jìn)行了簡要的描述，也說明了電路的信號(hào)方向。關(guān)于這些互換電路的使用方法則屬于我們下面要討論的過程特性。圖2-36表示計(jì)算機(jī)(異步終端設(shè)備)和異步Modem連接的方法，這里只需要9根互換電路，保護(hù)接地和信號(hào)地線用一根連線同時(shí)接在1和7兩個(gè)管腳上。表2-9RS-232-C的互換電路功能圖2-36計(jì)算機(jī)和異步Modem連接

4．過程特性物理層接口的過程特性規(guī)定了使用接口線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟僮鬟^程，這些操作過程可能涉及高層的功能，因而對(duì)于物理層操作過程和高層功能過程之間的劃分是有爭議的。另一方面，對(duì)于不同的網(wǎng)絡(luò)、不同的通信設(shè)備、不同的通信方式、不同的應(yīng)用，各有不同的操作過程。下面舉例說明利用RS-232-C進(jìn)行異步通信的操作過程。

RS-232-C控制信號(hào)之間的相互關(guān)系是根據(jù)互連設(shè)備的操作特性隨時(shí)間而變化的。圖2-37表示計(jì)算機(jī)端口和Modem之間控制信號(hào)的定時(shí)關(guān)系。假定Modem打開電源后升起DSR信號(hào)，隨后從線路上傳來兩次振鈴信號(hào)RI，計(jì)算機(jī)在響應(yīng)第一次振鈴信號(hào)后，升起它的數(shù)據(jù)終端就緒信號(hào)DTR。DTR信號(hào)和第二次振鈴信號(hào)配合，使得Modem回答呼叫并升起載波檢測(cè)信號(hào)DCD。如果計(jì)算機(jī)中的進(jìn)程需要發(fā)送信息，就會(huì)升起請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)RTS