2數據通信技術基礎-第1章計算機基礎知識(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 就是數字數據的模擬信號的編碼過程（即調制過程）。所謂調制就是進行波形變換，利用基帶信號對高頻震蕩載波的參量進行修改。最常用的載波是正弦波，假設振幅為頻率為f、初相位為φ，則對應的數學表達式為：u(t)＝sin(ft+φ)。通過對載波的振幅、頻率和初相位進行修改，分別對應了3種最基本的調制方法：調幅、調頻和調相，如圖213所示。（1）調幅（AM）。載波的振幅隨基帶數字信號的變化而變化，如“0”對應于無載波輸出，即振幅為0；而“1”對應于有載波輸出，即振幅為1，對應的數學表達式為：數1數0數0數1數1數0u(t)＝（2）調頻（FM）。載波的頻率隨基帶數字信號的變化而變化，如“0”對應于頻率f1，而“1”對應于頻率f2，對應的數學表達式為：u(t)＝（3）調相（PM）。載波的初相位隨基帶數字信號的變化而變化，如“0”對應于相位180176。，而“1”對應于相位0176。，對應的數學表達式為：u(t)＝圖213 基帶數字信號的3種調制波形 模擬數據的數字信號編碼模擬數據的數字信號編碼常用的方法有脈沖編碼調制（PCM）和增量調制（△M），現以PCM方法為例介紹。PCM方法以取樣定理為基礎，將模擬數據數字化。例如對音頻信號進行數字化編碼，一般包括取樣、量化、和編碼3個過程。（1）取樣。取樣是指在每隔固定長度的時間點上抽取模擬數據的瞬時值，作為從這一次取樣到下一次取樣之間該模擬數據的代表值。根據取樣定理，當取樣的頻率F大于或等于模擬數據的頻帶寬度（模擬信號的最高變化頻率Fmax）的2倍（即F≥2Fmax）時，所得的離散信號可以無失真地代表被取樣的模擬數據。取樣的結果是變連續(xù)的模擬信息為離散信息。取樣也可以稱為抽樣或采樣。（2）量化。量化就是把取樣得到的不同的離散幅值，按照一定的量化級轉換為對應的數據值，并取整數，得到離散信號的具體數值。所取的量化級越高，表示離散信號的精度越高。（3）編碼。編碼是將量化后的離散值轉換為一定位數的二進制數值。通常，當量化級為N時，對應的二進制數為log2 N。 多路復用技術在遠距離通信中，為了高效合理地利用傳輸介質，通常采用多路復用技術，人們把利用一條物理信道同時傳輸多路信號的過程稱為多路復用。多路復用技術是使多路數據信號共同使用一條線路進行傳輸的技術，使多個計算機或終端設備共享信道資源，提高信道的利用率。特別是在遠距離傳輸時，可大大節(jié)省電纜的成本、安裝與維護費用。實現多路復用功能的設備是多路復用器。多路復用技術如圖214所示。圖214 多路復用技術多路復用技術通常有：頻分多路復用技術、時分多路復用技術、波分多路復用技術和碼分多路復用技術。 頻分多路復用頻分多路復用技術（FDM）是按照不同的頻率來區(qū)分信號的一種方法，將傳輸頻帶劃分為若干個較窄的頻帶，每個頻帶傳送一路信號，形成一個子信道。一個具有一定帶寬的線路可以劃分為若干個頻率范圍，相互之間沒有重疊，同時，為了避免兩個相鄰頻段的相互干擾，頻段之間必須保留一定的縫隙，稱為保護頻帶。這樣，頻分復用的所有用戶在同樣的時間內占用不同的頻帶資源。頻分多路復用技術如圖215所示。圖215 頻分多路復用技術頻分多路復用常用于模擬信號的傳輸，如收音機、電視機等，也用于寬帶網絡。載波電話通信系統(tǒng)是頻分多路復用的典型例子。 時分多路復用時分多路復用技術（TDM）是將通信信道傳輸數據的時間劃分成等長的時分復用幀（即TDM幀），每一個TDM幀再劃分成若干等長的時間片，每一個時分復用的用戶在每個TDM幀中占用固定序號的時間片來使用公共線路，在其占用的時間片內，信號獨自使用信道的全部帶寬。時分多路復用技術如圖216所示。圖216 時分多路復用技術從圖上可以看出一個用戶所占用的時間片是周期出現的，這個周期就是一個時分復用幀的長度。時分復用技術的優(yōu)點是技術比較成熟，缺點是不夠靈活，如當用戶在某一段時間暫時無數據傳輸時（例如用戶正在鍵盤上輸入數據或正在瀏覽屏幕上的信息），也只能讓已經分配到手的子信道空閑著，而其他用戶卻不能使用這個暫時空閑的信道資源。統(tǒng)計時分復用技術就是一種改進的時分復用技術，它能明顯地提高信道的利用率。統(tǒng)計時分復用（STDM）是使用STDM幀來傳輸數據的，但每一個STDM幀中劃分的時間片的數目要小于進行復用的用戶數，每一幀中的時間片不再是固定分配給某個用戶，而是按需動態(tài)地給每個用戶分配時間片。統(tǒng)計時分多路復用技術如圖217所示。統(tǒng)計時分復用又稱為異步時分復用，而普通的時分復用則稱為同步時分復用。需說明的是這里的幀與數據鏈路層的幀不是一個概念。圖217 統(tǒng)計時分多路復用技術時分多路復用技術通常用于數字信號的傳輸，也可用于模擬信號的傳輸。時分多路復用在任一時刻只傳送一種信號，多路信號分時的在信道中進行傳輸，而頻分多路復用是在任一時刻，同時傳送多路信號，各路信號占用的頻帶不同。 波分多路復用波分多路復用技術（WDM）就是光的頻分復用，是把光波波長分割復用，在一根光纖中同時傳輸多波長的光信號的一種技術。波分多路復用技術的基本原理是在發(fā)送端將不同的光信號組合起來（也即是復用過程），然后耦合到光纜線路上，再用一根光纖進行傳輸；在接收端將組合波長的光信號區(qū)分開來（即解復用過程），再通過進一步處理恢復出原信號后送入不同的終端。波分多路復用技術實質上是利用了光具有不同波長的特征。WDM的原理十分類似于FDM，不同的是它利用波分復用設備將不同信道的信號調制成不同波長的光，并復用到光纖信道上。在接收方，采用波分設備分離不同波長的光。相對于電多路復用器，WDM發(fā)送和接收端的器件分別稱為分波器和合波器。光波多路復用技術除WDM外，還有密集波分技術（DWDM），光纖的密集波分技術可極大地增加光纖信道的數量，從而充分利用光纖的潛在帶寬，是計算機網絡今后使用的重要技術。 碼分多路復用碼分多路復用技術（CDM）是一種用于移動通信系統(tǒng)的新技術，筆記本電腦和掌上電腦等移動性計算機的聯(lián)網通信將會大量使用碼分多路復用技術。碼分多路復用的基礎是微波擴頻通信，其特點是頻率和時間資源均為共享。因此，在頻率和時間資源緊缺的情況下，CDM技術將獨具魅力，越來越受到人們的關注。 數據交換技術各種數據經過編碼后要在通信線路上進行傳輸，最簡單的形式是用傳輸介質將兩個端點直接連接起來進行數據傳輸。但是，每個通信系統(tǒng)都采用把收發(fā)兩端直接相連的形式是不可能的，一般要通過一個由多個節(jié)點組成的中間網絡來把數據從源節(jié)點轉發(fā)到目的節(jié)點，以此實現通信。這個中間網絡不關心所傳輸數據的內容，而只是為這些數據從一個節(jié)點到另一個節(jié)點直至到達目的節(jié)點提供交換的功能。數據交換是多節(jié)點網絡中實現數據傳輸的有效手段。常用的數據交換方式有兩大類：電路交換和存儲轉發(fā)交換，存儲轉發(fā)交換又可分為報文交換和報文分組交換方式。 電路交換電路交換也叫線路交換，是數據通信領域最早使用的交換方式。電路交換方式與電話交換方式基本相同，即在兩臺計算機通過通信子網進行數據交換之前，必須在通信子網中建立一個實際的物理線路連接。1．電路交換的基本工作原理電路交換過程主要有3個階段：線路建立、數據傳輸和線路釋放。電路交換的基本工作原理如圖218所示。圖218 電路交換的基本工作原理（1）線路建立階段如果主機HA 要向主機HB傳輸數據，那么首先要通過通信子網在HA與HB之間建立線路連接。HA首先向通信子網節(jié)點A發(fā)送“呼叫請求包”?！昂艚姓埱蟀眱群行枰⒕€路連接的源主機地址和目的主機地址。節(jié)點A根據目的主機地址，啟動路由算法選擇下一個節(jié)點如果為B，則向節(jié)點B發(fā)送“呼叫請求包”；節(jié)點B收到呼叫請求后，同樣根據路選算法，如選擇下一個節(jié)點為C，節(jié)點B向節(jié)點C發(fā)送“呼叫請求包”；節(jié)點C收到呼叫請求后，也要根據路選算法，選擇下一個節(jié)點為D，節(jié)點C向節(jié)點D發(fā)送“呼叫請求包”；節(jié)點D收到呼叫請求后，向與其直接連接的HB發(fā)送“呼叫請求包”；HB如接受HA的呼叫連接請求，則通過已經建立的物理連接DCBA，向HA發(fā)送“呼叫應答包”。至此，從HA―ABCD―HB的專用物理線路連接建立完成，該物理連接為此次HA與HB的數據交換提供服務。（2）數據傳輸階段在HA與HB通過通信子網的物理線路建立連接以后，就可以通過該連接將數據從源站發(fā)往目的站了，線路連接是全雙工的，即數據可以在兩個方向進行傳輸。在整個數據傳輸過程中，所建立的連接必須始終保持連接狀態(tài)。（3）線路釋放階段數據傳輸完成后，進入線路釋放階段。一般由HA向HB發(fā)送“釋放請求包”，HB同意結束傳輸、釋放線路后，將向節(jié)點D發(fā)送“釋放應答包”；建立的物理連接將由D―C―B－A逐節(jié)點釋放，將線路的使用權交還給網絡，以供其他用戶使用，至此結束此次通信。 電路交換屬于電路資源預分配系統(tǒng)，即每次通信時，通信雙方都要連接電路，且在一次連接中，電路被預分配給一對固定用戶。不管該電路上是否有數據傳輸，其他用戶都不能使用該電路，直至通信雙方要求釋放此電路為止。2．電路交換的特點電路交換方式的特點是在整個連接路徑中均采用物理連接，它具有以下的一些優(yōu)點：信息傳輸延遲（時延）小；電路是透明的；信息傳送的吞吐量大。采用電路交換方式傳送數據的缺點是：所占用的帶寬是固定的，造成網絡資源的利用率較低；由于通信的傳輸通路是專用的，采用電路交換方式進行數據通信的效率較低；通信雙方在信息傳輸速率、編碼格式、同步方式、通信規(guī)程等要完全兼容，不同速率和不同通信協(xié)議之間的用戶不能通信。采用電路交換方式進行的數據通信，可以用于公用交換網，即電話網，以及專線方式，如數字數據網DDN。電路交換適用于信息量大的場合。 報文交換報文交換采用“存儲轉發(fā)”技術，將要發(fā)送的信息分成若干個報文正文，報文交換方式是以報文為單位來交換信息的。存儲轉發(fā)的原理是輸入的信息在交換設備控制下，先在存儲區(qū)暫存，并對存儲的信息進行處理，待指定輸出線空閑時，再分別將信息轉發(fā)出去。1．報文交換的工作原理報文交換的過程是：發(fā)送方先把待傳送的信息分為多個報文正文，在報文正文上附加發(fā)送方和接收方的地址及其他控制信息，形成一份完整的報文；然后，以報文為單位在交換網絡的各個節(jié)點間進行傳送；節(jié)點在接收到整個報文后對報文進行緩存和必要的處理，等到指定輸出端的線路和下一個節(jié)點空閑時，再將報文轉發(fā)出去，直到目的節(jié)點；目的節(jié)點將收到的各份報文按原來的順序進行組合，然后再將完整的信息交付給接收端計算機或終端。2．報文交換的特點報文交換的優(yōu)點是：交換過程沒有電路連接，可以采用多路復用技術，從而提高線路的利用率；用戶不需要叫通對方就可以發(fā)送報文；容易實現不同類型的終端之間的通信。報文交換的缺點是：數據延遲較大，不利于實時通信；要求交換機有高速處理能力及大的存儲容量，因此增加了設備的開銷。 分組交換分組交換采用的也是“存儲轉發(fā)”技術，但它把報文分割成若干較短的按一定格式組成的報文分組（也叫包）來進行交換和傳輸。由于報文分組長度較短，傳輸差錯檢錯容易，出錯重發(fā)花費的時間較少，這樣有利于提高存儲轉發(fā)節(jié)點存儲空間的利用率和傳輸效率，因此分組交換（包交換）成為計算機網絡中使用最廣泛的一種交換技術。分組交換技術在實際應用中又分為兩類：虛電路分組交換和數據報分組交換。（1）虛電路分組交換虛電路分組交換是在傳送數據前必須在發(fā)送端和接收端之間建立一條邏輯連接，數據按照事先建好的路徑順序進行傳輸。傳送數據量較大時，通常采用虛電路方式。（2）數據報分組交換數據報分組交換中每個分組的大小有嚴格的限制，每個數據報自身攜帶足夠的地址信息。各數據報所走的路徑不一定相同，各數據報到達目的地的順序也可能不同，有的數據報甚至可能會丟失。（3）分組交換的特點分組交換的優(yōu)點是：采用“存儲轉發(fā)”方式，不獨占信道；信息傳輸延遲較?。粸椴煌ㄐ乓?guī)程的數據終端間能相互通信提供了會話環(huán)境；可靠性高。分組交換的缺點是：技術實現復雜，軟件及硬件結構都較為復雜；網絡附加的信息較多。分組交換主要應用于計算機終端連網。 交換技術的比較如圖219所示為電路交換、報文交換與分組交換的數據傳輸特點和主要區(qū)別，圖中A和D分別是源站點和目的站點，而B和C是中間節(jié)點。