第4章 通信基础Word格式.docx
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计算机数据、
数字电话和数字电视等都是数字信号。
图4-1模拟信号与数字信号
虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间并没有存在不可逾越的鸿
沟，在一定条件下它们是可以相互转化的。
模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数
字信号，而数字信号也可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号。
2.通信系统
随着科学技术的不断发展，人们传递信息的手段也在不断进步，从本质上说，无论
是电话、电报、图像、计算机还是短波与移动通信等，都可以抽象地概括为图4-2所示
的一般通信系统模型。
下面就通信系统模型中的各个组成部分及其功能予以简单介绍。
图4-2通信系统
系统组成：
1）信源
顾名思义，是信息产生的源泉。
它可以是人或者机器，所发出的信息可以是多种多
样的，如语音、文字、图像、数据等等，这些信息可以是离散的，也可以是连续的。
2）发送器
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发送器有很多种类型，所要完成的功能也很多，例如调制、放大、滤波、发射等等，
在数字通信系统中还要编码。
一般地，发送器含有与传输线路匹配的接口，其基本作用
是将信源发出的信息变换成一种便于传输的信号。
即所谓的编码。
对于模拟和数字通信
系统，发送器的功能有很大不同。
3）信道
是传递信息的通道，又是传递物质信号的设施，信道可以是明线、电缆、波导、光
纤、无线电波等等。
4）干扰源
它是整个系统噪声与干扰的总折合，用以表征信息在信道上传输时受到的干扰情
况。
对于任何通信系统来说，干扰的性质与大小都是影响系统性能的重要因素。
5）接收器
其作用与发送器的作用相反，主要是将信道中的信号接收下来，并将其变换成与发
送时物理形式相同的信息，再传给信宿，即完成所谓的译码过程。
对接收器的基本要求
是能够从受干扰的信号中最大限度地提取信源输出的信息，并尽可能复现信源的输出。
6）信宿
它是信息传输过程中的接收者，即接收消息的人或机器。
通信的任务是将表示消息的信号从发送方（信源）传递到接收方（信宿）。
既然信
号可分为模拟信号和数字信号，与之相对应的，通信也可分为模拟通信和数字通信。
模
拟通信通常是利用模拟信号来传递消息：
而数字通信则是利用数字信号来传递消息。
按
传送模拟信号而设计的通信系统称为模拟通信系统，按传送数字信号而设计的通信系统
称为数字通信系统。
3.模拟通信
利用模拟信号来传递消息称为模拟通信，普通的电话、广播、电视等都属于模拟通
信。
模拟通信系统的模型如图4-3所示。
图4-3模拟通信
模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。
信源所
产生的原始模拟信号一般都要经过调制再通过信道传输（距离很近的有线通信也可以不
调制，如市内电话）。
调制器是用发送的消息对载波的某个参数进行调制的设备。
解调
器是实现上述过程逆变换的设备。
信道是用来传输表示消息的电信号的介质或通路。
它可以是双绞线、同轴电缆、光
缆、微波以及卫星链路等，有时我们将传输介质两端的设备也看作是信道的一部分。
模拟通信系统中的噪声源包括了影响该系统的所有噪声，如脉冲噪声（天电噪声、
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工业噪声等）和随机噪声（信道噪声、发送设备噪声、接收设备噪声等）。
4.数字通信
利用数字信号来传递消息称为数字通信，计算机通信、数字电话以及数字电视都属
于数字通信。
数字通信系统模型如图4-4所示。
数字通信系统由信源、信源编码器、信
道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪声源以及发送
端和接收端时钟同步组成。
在数字通信系统中，如果信源发出的是模拟信号，就要经过信源编码器对模拟信号
进行采样、量化及编码，将其变换为数字信号。
信源编码有两个主要作用：
一个是实现
数/模转换；
另一个是降低信号的误码率。
而信源译码则是信源编码的逆过程。
图4-4数字通信
由于信道通常会遭受各种噪声的干扰（自然的和人为的）以及通信终端设备本身的
噪声干扰，有可能导致接收端接收信号产生错误，即误码。
为了能够自动地检测出错误
或纠正错误，可采用检错编码或纠错编码，这就是信道编码；
信道译码则是信道编码的
逆变换。
从信道编码器输出的数码序列还是属于基带信号。
除某些近距离的数字通信可以采
用基带传输外，通常为了与采用的信道相匹配，都要将基带信号经过调制变换成频带信
号再传输，这就是调制器所要完成的工作；
而解调则是调制的逆过程。
时钟同步也是数字通信系统的一个重要的不可或缺的部分。
由于数字通信系统传递
的信号是数字信号，所以发送端和接收端必须有各自的发送和接收时钟系统。
而为了保
证接收端正确接收数字信号，接收端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持同步。
近年来，数字通信无论在理论上还是技术上都有了突飞猛进的发展。
数字通信和模
拟通信相比，具有抗干扰能力强、可以再生中继、便于加密、易于集成化等一系列优点。
另外，各种通信业务，无论是话音、电报，还是数据、图像等信号，经过数字化后都可
以在数字通信网中传输、交换并进行处理，这就更显示出数字通信的优越性。
下面我们将讨论数字通信系统的主要特点：
1）抗干扰能力强
模拟通信系统传输的是模拟信号。
模拟信号在传输过程中，噪声将叠加在有用的模
拟信号上，接收端很难将信号和噪声分开，因而模拟通信系统的抗干扰能力比较差。
相
第4章通信基础-73-
反，数字通信系统传输的是二进制信号，消息是寓于数字脉冲波形的两种状态之中。
在
数字通信的接收端对每一个接收信号进行采样并与某个门槛电平进行比较，只要采样时
刻的信号电平不超过门槛电平，接收端就不会形成错判，可以正确接收数据，而不受噪
声的影响。
因此数字通信系统比模拟通信系统的抗干扰能力强。
此外，数字通信系统还
可以采用许多具有检错或纠错能力的编码技术，从而进一步提高了系统的抗干扰能力。
2）可实现高质量的远距离通信
对于模拟通信，噪声是叠加在有用的模拟信号上的。
而模拟通信系统中的模拟放大
器无法将有用的信号与噪声分开，只好将有用信号和噪声同时放大。
随着传输距离的增
加以及模拟放大器的增多，噪声也会越来越大，因此模拟通信系统中的噪声是有积累的，
对远距离通信的质量造成很大的影响。
而数字通信系统则是采用再生中继器的方法。
即，
传输过程中信号所受到的噪声干扰经过中继器时就已经被消除，然后再生器恢复出与原
始信号相同的数字信号，因而克服了模拟通信系统中噪声叠加的问题，因此数字通信系
统可以实现高质量的远距离通信。
现代数字电话的通话质量要比传统模拟电话的通话质
量好得多。
3）能适应各种通信业务
在数字通信系统中，各种消息（电报、电话、图像和数据等）都可以被变换为统一
的二进制数字信号进行传输，所以数字通信系统能灵活地适应各种通信业务。
通常我们
把能够同时传输和处理各种不同业务的数字通信网叫做综合业务数字网（Intergated
ServicesDigitalNetwork，ISDN）。
随着高速光纤传输技术、高速数字交换技术以及高
性能处理技术的不断发展，ISDN将会在21世纪得到更广泛的应用。
4）能实现高保密通信
由于数字通信系统中传输的是数字信号，因而在传输过程中，可以对信号进行各种
数字处理：
如存储、转发、复制、加密、检错纠错等。
这些处理在模拟通信系统中是不
可能实现的。
正因为在数字通信系统中可以对信号进行各种处理，因而也就可以在数字通信系统
中采用复杂的、非线性的的长周期的密码序列对数字信号进行加密，从而使数字通信具
有高度的保密性，能适用于很多对保密性要求非常高的场合，如军事应用领域。
而模拟
通信要实现高度加密是比较困难的。
5）通信设备的集成化和微型化
数字通信设备大都是由数字电路构成，数字电路比模拟电路更容易集成化。
数字信
号处理技术和大规模集成电路技术的发展为数字通信设备的微型化和集成化提供了良
好的条件。
而随着数字处理器件和大规模集成电路芯片价格的不断下降，数字传输设备
以及相关的交换和处理设备都将比模拟传输设备便宜得多。
当然，与模拟通信相比，数字通信也有其缺点。
数字通信的最大缺点是占用的频带
宽。
可以说数字通信的许多优点是以牺牲信道带宽为代价而换来的。
以电话为例，一路
模拟电话占用4KHz信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是64Kbps，所需
占用的带宽要远远大于4KHz。
数字通信的这一缺点限制了它在某些信道带宽不够大的
场合的使用。
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总之，数字通信的优点是主要的。
特别是随着微波、卫星、光纤等高带宽信道的广
泛使用，数字通信的缺点也越来越不明显，数字通信将是现代通信系统的一个重要发展
方向。
4.2数据传输
4.2.1信道、调制/解调
1.信道
信道是信号从发送端到接收端之间进行传输的路径。
这一术语也是线路、电路、链路、数据链路、通路等术语的同义语。
这个术语实际
上是指把两种DCE通信设备连接起来的设施，包括传输介质和有关中间通信设备。
但
信道概念的含义，并不是实际的电缆、电线等，而是指数据流过的由介质提供的路径。
2.调制/解调
使用调制/解调技术的目的：
利用模拟信道支持数据信息传输的技术。
调制（Modulation）：
将数据信息变换成适合于模拟信道上传输的电磁波（称为载
波）信号，并将频率限制在模拟信道支持的频率范围内；
解调（Demodulation）：
将从模拟信道上收取的载波信号还原成数据信息。
编码/解码（COdingandDECcoding）技术：
用于实现模拟信息与数字信号之间的转
换。
编码（Coding）：
编码是将模拟信息转换为数字信号的过程，通常采用脉码调制技
术（PCM）予以实现。
解码（Decoding）：
解码则指将数字信号还原为模拟信息的逆过程。
编码解码器（CODEC）：
具有编码/解码功能的通信设备。
应用场合：
计算机对生产装置进行控制、用数字信道传输模拟信息等。
脉码调制（PCM）的过程:
采样：
通过某种频率的采样脉冲将模拟信息的值取出，变连续的模拟信息为离散信
号。
量化：
量化的目的是确定采样出的模拟信号的数值。
通过规定一定的量化级，对采
样得到的离散值进行“取整”量化，得到离散信号的具体数值。
编码：
将量化后的值编码成一定位数的二进制值。
4.2.2数据传输的基本形式
1.基带传输
由计算机或终端产生的信号，包含有直流、低频和高频等分量是一串脉冲信号，随
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着频率的升高，其相应幅度减小，最后趋于零。
这种由计算机或终端产生的频谱从零开
始，而未经调制的数字信号所占用的频率范围就叫基本频带（这个频带从直流起可高到
数百千赫，甚至若干兆赫），简称基带（baseband）。
这种数字信号就称基带信号。
例如，在有线信道中，直接用电传打字机进行通信时，其传输的信号就是基带信号。
传送数据时，以原封不动的形式，把基带信号送入线路，称为基带传输。
基带传输不需
要调制解调器，设备花费小，适用于短距离的数据传输中，如在一个企业、工厂内，可
以来用这种方式将大量终端接于主计算机。
局域网中采用基带同轴电缆作传输介质进行
数据传输。
2.频带传输
在计算机通信远程线路中，不能直接传达原始的电脉冲信号（即基带信号）。
因此
除市内线路外，不能传输近似于零频率的分量。
为此需要利用频带传输，就是用基带脉
冲对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化，也就是调制。
经过调
制的信号称为已调信号。
已调信号通过线路传输到接收端，然后经过解调恢复为原始基
带脉冲。
这种频带传输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，而
且能实现多路复用的目的，从而提高了通信线路的利用率。
不过频带传输在发送端和接
收端都要设置调制解调器。
3.宽带传输
所谓宽带，是指比音频带宽（4kHz）更宽的频带，包括大部分电磁波频谱。
使用
这种宽频带进行传输的系统，称为宽带传输系统，它可以容纳全部广播，并可进行高速
对于局域网来说，宽带这个术语专门用于使用传输模拟信号的同轴电缆。
可见宽带
传输系统是模拟信号传输系统，它允许在同一信道上进行数字信息和模拟信息服务。
基
带和宽带的区别还在于数据传输速率不同。
基带数据传输速率为0-10Mbps，更典型的
是1Mbps-2.5Mbps，通常用于传输数字信息。
宽带是传输模拟信号，数据传输速率范围
为0-400Mbps，而通常使用的传输速率是5Mbps-10Mbps。
而且一个宽带信道可以被划
分为多个逻辑基带信道。
这样就能把声音、图像和数据信息的传输综合在一个物理信道
中进行，以满足办公自动化系统中电话会议图像传真、电子邮件、事务数据处理等服务
的需要。
因此宽带传输一定是采用频带传播技术的，但频带传输不一定就是宽带传输。
4.2.3数据传输方式
根据组成字符的各个二进制位是否同时传输，字符编码在信源/信宿之间的传输分
为并行传输和串行传输两种方式。
首先，我们来区分串行和并行传输。
并行传输（ParallelTransmission）指可以同时
传输一组比特，每个比特使用单独的一条线路（导线）（见图4-5a）。
这些线路通常被捆
扎在一条电缆里。
并行传输非常普遍，特别是用于两个短距离的设备之间。
比如说，一
个长25英尺的PC机到打印机的连接就被认为是一个可靠的连接。
最常见的例子是计
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算机和外围设备之间的通信。
其他的例子还包括CPU、存储器模块和设备控制器之间
的通信。
图4-5并行传输与串行传输
1.并行传输：
字符编码的各位（比特）同时传输。
特点：
1）传输速度快:
一位（比特）时间内可传输一个字符；
2）通信成本高:
每位传输要求一个单独的信道支持；
因此如果一个字符包含8个
二进制位，则并行传输要求8个独立的信道的支持；
3）不支持长距离传输:
由于信道之间的电容感应，远距离传输时，可靠性较低。
2.串行传输：
将组成字符的各位串行地发往线路。
1）传输速度较低，一次一位；
2）通信成本也较低，只需一个信道。
3）支持长距离传输，目前计算机网络中所用的传输方式均为串行传输。
串行传输有两种传输方式：
1.同步传输
同步传输：
以多个字符或者多个比特组合成的数据块为单位进行传输的，利用独特
的同步模式来限定数据块，达到同步接收的目的。
在这种方式中，利用时钟的同步使发送和接收装置之间的定时不发生误差。
使时钟
保持同步的方法之一，是在接收装置和发送装置之间采用单独的时钟信息，称为同步法。
另一种方法是将定时信号包含在数据信号中发送，直接从数据波形本身中提取同步信
号，称自同步法。
如数字信号利用曼彻斯特编码时，规定传送"
0"
信号时是先正后负，
传送"
1"
信号时是先负后正。
由于数据信号都是由二进制码按预定规律编排而成，它包含位、字、句及帧。
数据
传输的代码结构是由若干位组成字，由若干字组成句，由若干句组成帧，传输时不仅位
需要同步，其余字、句、帧都要同步，这就叫"
群"
同步。
只有做到群同步，接收端才能
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正确识别字、句、帧等码群。
如果只有位同步而无群同步，收到的信号将是一串无意义
的码元序列。
为使接收装置能确定数据块的开始和结束，每一数据块前、后用同步数据
块加上同步定界符等控制信息的组合，常称为"
帧"
。
帧的实际格式，常取决于传输方案，
是面向比特（位）的，还是面向字符方式的。
1）面向字符方式
在面向字符方式中，数据被当作字符（8位）序列，所有控制信息取字符形式。
每
帧以一个或多个同步字符开始。
同步字符常记作SYN，其8位编码为00010110，SYN
告知接收装置是一个数据块的开始。
在有些方案中，具有特定的字符作后定界符。
接收
装置一接收到SYN字符，就得知已发送了数据块，而开始接收数据，直到接收到后同
步字符，一帧数据就告结束。
之后，接收装置又开始寻找新的SYN控制字符。
如图4-6
所示。
图4-6同步传输中面向字符的帧
2）面向比特（位）方式
在面向比特方式中，数据块被当作比特序列，数据或控制信息都不必如同面向字符
传输那样，以8位为单位，而是以8位的标志F开始，同样也以标志F作为后同步。
如图4-7所示面向比特方式与面向字符方式的区别在于格式不同及对控制信息的解释
的细节不同。
图4-7同步传输中面向比特的帧
2.异步传输
异步传输又称起止式传输，其特点是字符内部的每一位采用固定的时间模式，字符
之间间隔任意。
用独特的起始信号（或起始位）和终止信号（或结束位）来限定每个字
符，传输效率较同步传输低。
在异步传输（图4-8）方式中，每次传送一个字符（5-8位），都在每个字符代码前
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加一起始位，表示该字符代码的开始。
在字符和校验码后加一停止位，以示该代码的结
束。
所以又称起止式同步，起始位编码为"
，持续一位时间，停止位编码为"
持续l～
2位。
当不发送数据时，发送端连续地发送停止码"
接收端一旦接收到从1到0信
号跳变，便知道要开始新字符的发送，利用这种极性的改变便可启动定时机构，实现同
步。
图4-8异步传输
当接收到接收停止位，就将定时机构复位，准备接收下一个字符代码。
在异步传输
中不需要传输时钟脉冲。
由于这种方式的字符发送是相互独立的，故称为异步方式。
异步通信设备易于安装，维护简单且价格便宜；
但异步方式由于每一个字符都引入
起始和停止位，所以开销大、效率低、速率低，常用于低速传输，如1200bps或更低的
速度。
分时终端与计算机的通信一般是异步的。
4.2.4数据传输控制方式
根据收发双方信息交换的方向性，传输有单工、半双工和全双工之分。
1.单工
在单工方式中，通信是单向进行的，就象是单行道。
一条链路的两个站点中只有一
个可以进行传输，另一个只能接收。
见图4-9。
图4-9单工
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键盘和传统监视器都是单工设备的例子。
键盘只能接受输入，监视器只能接受输出
信号。
2.半双工
在半双工方式下，每个站点都可以发送和接收，但是不能同时发送和接收。
当其中
一个设备在发送时，另一个只能接收，反之亦然。
见图4-10。
图4-10半双工
半双工方式象只有一个车道的双向交通。
当车辆朝某个方向行驶时，向另一方向行驶的
必须等待。
在半双工方式中，无论那一方开始传输，就使用信道的整个带宽。
对讲机和
民用无线电即是半双工系统。
3.全双工
在全双工方式中（也叫双工方式），两个站点同时都可以进行发送和接收。
见图4-11。
-80-实用联网技术
图4-11传输控制方式
全双工方式象同时允许两个方向的车辆通行的双车道公路交通。
在全双工方式下，
两个方向的信号共享链路带宽。
这种共享可以两种方式进行：
要么链路具有两条物理上
独立的传输路径，一条发送一条接收，或者为同时传输两个方向的信号将信道的带宽一
分为二。
单工和半双工传输可以采用一个信道支持信息的传输，对于全双工传输则需要采用
两个信道，或者利用存储技术，在一个信道上支持宏观的全双工传输。
4.3多路复用
4.3.1多路复用概念
多路复用（MUX）这一术语来源于拉丁词multi（许多）和plex（混合）。
多路复
用指的是复用信道，即是利用一个物理信道同时传输多个信号，以提高信道利用率，使
得一条线路能同时由多个用户使用而互不影响。
多路复用器连接许多条低速线路，并将
它们各自所需的传输容量组合在一起后，在一条速度较高的线路上传输。
也即低速线路
在其远端合并，仅由一条较高速度的线路传输所有信息，而不是在一个发送端和接收端
之间连接着许多低速线路。
多路复用的目的：
充分利用昂贵的通信线路，尽可能地容纳较多的用户和传输较多
的信息。
多路复用的基本原理：
当物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需的带宽时，可
将该物理信道的总带宽分割成若干个固定带宽的子信道，并利用每个子信道传输一路信
号，从而达到多路信号共用一个信道，或者将多路信号组合在一条物理信道上传输的目
的，充分利用信道容量。
多路复用的优点是：
仅需一条传输线路，所需介质较少，所用的传输介质的容量可
以得到充分利用。
从而降低了设备费用，提高了工作效率。
而且用户不需要进行任何实
际的修改，多路复用系统对用户是透明的，每个很远的地点都好像仍然直接接到总部所
在地。
同时，由于线路中用的缓冲部件较少，时间延迟较少。
4.3.2多路复用技术
1.空分复用
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