第3章 資料通信技術
3.1 概述
通信是為了交換資訊（information），而資料（data）是資訊的載體。資訊涉及資料所表達的内涵，而資料涉及資訊的表現形式，它可以是話音、數值、文本、圖形和圖像等，資料是通信雙方交換的具體内容。
一個資料通信系統包括信源、發送裝置、傳輸系統、接收裝置和信宿5個部分，簡單情況下傳輸系統可以隻有一條信道。資料通信系統的基本目标就是将信源的資料可靠地傳輸到信宿。
資料可以有模拟資料（analog data）和數字資料（digital data）之分。模拟資料是随時間連續變化的函數，在一定範圍内有連續的無數個值。模拟資料在現實世界中大量存在，比如我們說話的聲音就是一個典型的例子。數字資料是離散的，隻有有限個值。如數字計算機的電路隻有高、低兩種電平狀态，分别表示二進制數字“1“和“0“，它們采用某種編碼方式，編寫為計算機系統所使用的二進制代碼，用這些代碼表示的資料就是數字資料。
資料是通過信号（signal）進行傳輸的，信号是資料傳輸的載體。資料在發送前要把它轉換成某種實體信号，基于信号的某些特征參數可以表示所傳輸的資料，比如電信号的電平，正弦電信号的幅值、頻率和相位，電脈沖的幅值、上升沿和下降沿，光脈沖信号的有和無，等等。實質上，這些信号在媒體中都是通過電磁波（electro-magnetic wave）進行傳輸的，是以也可以說，信号是資料在媒體中傳輸的電磁波表現形式。
與資料一樣，信号也有模拟信号和數字信号之分。模拟信号是表示資料的特征參數連續變化的信号，而數字信号則是離散的信号。例如，把模拟的話音轉換為電信号進行傳輸，使電信号的幅值與聲音大小成正比，它是幅值連續變化的模拟信号。如果把二進制代碼的“l“和“0“直接用高、低兩種電平信号表示，并直接進行傳輸，那麼這種信号的幅值隻有離散的兩種電平，是一種數字信号。
信号是在信道（channel）上傳輸，信道是信号傳輸的通道。信道一般指連接配接信号發送方和接收方的傳輸線路，包括銅纜、光纖等有線傳輸媒體和微波、紅外等無線傳輸媒體。“信道“這個詞應用得較為廣泛，在不同的背景下可能表示不同的、更為廣義的内涵。比如一條由4個粗纜網段組成的以太網信道，除了傳輸媒體外，它還包含3個中繼器，這些中繼器可以在實體層對信号進行放大、整形和轉發，此時的以太網信道就超越了普通傳輸媒體的概念，包含了實體層的一些協定功能。
使用模拟信号傳輸資料的信道稱為模拟信道，使用數字信号傳輸資料的信道稱為數字信道。數字信道具有更優的傳輸品質，它傳輸的是由二進制“l“和“0“對應的數字信号，一般編碼為高/低電平、脈沖上升/下降沿、有/無光脈沖等兩種狀态，因而有相當大的容差範圍，即使傳輸過程中出現輕微的信号變形，也不會影響到接收端的判斷，正确還原的機率非常高。
一般來講，模拟資料用模拟信号表示，在模拟信道傳輸；數字資料用數字信号表示，在數字信道傳輸。傳輸模拟信号的通信系統稱為模拟傳輸系統（analog transmission system），傳輸數字信号的通信系統則稱為數字傳輸系統（digtal transmission system）。
曆史上，電話系統一直在通信領域占據統治地位，它是一個經典的模拟傳輸系統。早先，模拟的話音轉換成模拟電信号後直接在模拟信道上傳輸。後來，随着數字技術的發展，很多國家把電話主幹線改造為數字幹線，先将模拟話音轉換為數字資料，然後在數字幹線上傳輸，這就是模拟話音的數字傳輸方式。
在計算機網絡中，信源和信宿都是計算機裝置，它們之間交換的是數字資料。一般而言，計算機網絡使用數字信号在數字信道上進行傳輸，稱為基帶傳輸。基帶傳輸不是簡單地把數字資料的二進制位直接對應為高低電平加到通信線路上傳輸，而是先按一定方式編碼（coding）後再變成對應的實體信号線上路上傳輸，到了接收端再進行解碼（decoding）。這種編解碼不同于文字、語音和圖像等應用資料的編解碼，被稱為線路編解碼或信道編解碼。
計算機網絡的數字資料有時也借助于模拟信道傳輸，稱為頻帶傳輸。因為這樣可以利用已有的非常普遍的模拟電話網，通過它來傳輸計算機的數字資料，可以節省大量的線路投資。為了在模拟信道上傳輸數字資料，要先将數字資料調制（modulation）為模拟信号再發送，到了接收端再進行解調（demodulation）。
為了提高傳輸線路的使用率，資料通信中廣泛使用多路複用（multiplexing）技術。在模拟信道上使用頻分多路複用（Frequency Division Multiplexing，FDM），它将信道劃分為多個頻段以傳輸多路信号。在數字信道上使用時分多路複用（Time Division Multiplexing，TDM），即将機關傳輸時間分割為多個時隙以傳輸多路信号，它是資料通信的主流技術。對于光信号的傳輸，還有波分多路複用（Wavelength Division Multiplexing，WDM），該技術能夠充分挖掘光纖的巨大帶寬潛力。
上述的概念和技術屬于資料通信（data communication）領域。“資料通信“一詞是計算機參與到通信系統之後出現的，它提供了有别于原電話和電報的資料傳輸業務。資料通信進行的是編碼後的數字資料的傳輸和處理，與“計算機網絡通信“是同義語，如美國著名的期刊《Data Communications》，現在其所刊登的文章很大一部分都是計算機網絡領域的論文。
3.2 資料通信理論基礎
3.2.1 傅裡葉分析
任何周期信号都是由一個基波信号和各種高次諧波信号合成的，按照傅裡葉分析方法，可以把一個周期為T的複雜函數g(t)表示為無限個簡單的正弦和餘弦函數之和：
由于基頻包含了信号的大部分能量，是以，如果信号的基頻和部分諧波能通過信道，那麼一般來說，接收到的信号是可以被識别的。
3.2.2 周期矩形脈沖信号的頻譜特性
所謂信号的頻譜特性是指組成周期信号的各次諧波的振幅按頻率的分布圖，這樣的頻譜圖以頻率f為橫坐标，相應的各種諧波分量的振幅u為縱坐标，如圖3-1a所示，圖中諧波的最高頻率fh與最低頻率fl之差（fh - fl）稱為信号的頻帶寬度，簡稱信号帶寬。與信号帶寬緊密關聯的另外一個概念就是信道帶寬，它是指信道頻率響應曲線上幅度取其頻帶中心處值的 倍的兩個頻率之間的區間寬度，如圖3-1b所示。為了降低信号在傳輸過程中的失真，信道必須要求足夠的帶寬。
圖3-2a給出了一個周期性矩形脈沖示意圖，其幅值為A，脈沖寬度為τ，周期為T，對稱于縱軸。盡管這是一個最為簡單的周期函數，實際資料中的脈沖信号比這要複雜得多，但是通過這個簡單周期函數的分析，能夠得出關于信号帶寬的一個重要結論。
由該式可得周期性矩形脈沖的頻譜圖，如圖3-2b所示，圖中的橫軸用x表示，縱軸用規一化幅度an/a0表示（，，當x趨于無窮大時，an/a0的值趨于0）。從圖中可以看出，諧波分量的頻率越高，其幅值越小。是以可以認為信号的絕大部分能量集中在第一個零點的左側，在第一個零點處x = π。若取n = 1，則有τ = T。我們定義周期性矩形脈沖信号的帶寬為B = f = 1/T = 1/τ，從中可以發現：信号帶寬與其脈沖寬度成反比，與之相對應的結論就是傳送的脈沖頻率越高，即脈沖寬度越窄，要求信道的帶寬就越大。
3.3 資料通信系統模型
3.3.1 資料通信系統基本結構
如圖3-3所示的是兩台PC經過普通電話通信網絡的資料通信過程，從該圖可以看出：一個資料通信系統大緻可以劃分為三個部分，即源系統、傳輸系統和目的系統。
源系統一般包括以下兩個部件。
1）源點：源點裝置産生通信網絡要傳輸的資料，如使用者輸入PC中待發送的文本，産生輸出的就是數字比特流，源點又稱源站。
2）發送器：通常源點生成的資料要通過發送器編碼後才能夠在傳輸系統中進行傳輸。例如，數據機将PC輸出的數字比特流轉換成能夠在使用者電話線上傳輸的模拟信号。
與源系統相對應，目的系統一般也包括以下兩個部件。
1）接收器：接收傳輸系統傳送過來的信号，并将其轉換為能夠被終點裝置處理的資訊。例如，數據機接收來自傳輸線路上的模拟信号，并将其轉換成數字比特流。
2）終點：終點裝置從接收器擷取傳送來的資訊，終點又稱目的站。
傳輸系統位于源系統和目的系統之間，它可以是簡單的實體通信線路，也可以是連接配接在源系統和目的系統之間的複雜網絡系統。
3.3.2 資料與信号
資料是承載資訊的實體，而信号則是資料的電氣或電磁的表現。無論是資料還是信号，都可以劃分為模拟的和數字的兩種類型。所謂“模拟的“就是連續變化的，而“數字的“則表示取值僅允許為有限的若幹離散數值，如圖3-4所示。例如，數字資料就是取值為不連續數值的資料。
雖然數字化已成為當今的趨勢，但這并不等于說，使用數字資料和數字信号就一定是“先進的“，而使用模拟資料和模拟信号就一定是“落後的“。資料究竟應當是數字的還是模拟的，是由所産生的資料的特性決定的。例如，當我們說話時，聲音大小是連續變化的，是以表示話音資訊的聲波就是模拟資料。資料必須轉換為信号後才能在實體媒體上傳輸，而有的實體媒體比較适合傳送模拟信号；是以，即使資料是數字形式的，有時我們仍要将數字資料轉換為模拟信号後方能在這種媒體上傳輸，将數字資料轉換為模拟信号的過程稱為調制。
明白了上述基本概念後，就可以了解圖3-3所示的資料通信系統基本結構了。這裡要指出的是，如果網絡的傳輸信道都适合傳送數字信号，那麼PC輸出的數字比特流就沒有必要再轉換為模拟信号。但如果要使用一段模拟電話線，就必須使用數據機的調制功能将PC輸出的數字信号轉換為模拟信号。在公用電話網中，交換機之間的中繼線路已經完全數字化了，是以模拟信号還必須轉換為數字信号才能在數字中繼線路上傳輸。等到信号要進入接收端的模拟電話線時，數字信号被還原成模拟信号，最後經過數據機的解調功能轉換為數字信号進入接收端的計算機，經計算機處理後恢複成正文。
一般來說，模拟資料或數字資料都可以轉換為模拟信号或數字信号，這樣就構成了4種組合情況。
1）模拟資料、模拟信号：最早的模拟電話系統就是這樣的。
2）模拟資料、數字信号：将模拟資料轉化成數字形式後，就可以使用先進的數字傳輸和交換裝置。
3）數字資料、模拟信号：為适應有些場合下實體媒體隻能傳輸模拟信号，必須将數字資料調制為模拟信号後才能傳輸。
4）數字資料、數字信号：數字資料變換成數字信号的編碼裝置比數字資料變換成模拟信号的調制裝置要簡單、廉價，目前的主流通信系統都是該種情形。
圖3-5給出了模拟資料、數字資料、模拟信号與數字信号之間的組合通信示意圖。
3.3.3 信道通信方式
在資料通信系統中，我們要經常使用“信道“（channel）這一術語，信道和電路并不等同。信道一般是指用來表示往某一方向傳送資訊的媒介通道，是以，一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。
從通信雙方互動方向來看，資料通信有3種基本方式，即單工通信、半雙工通信和全雙工通信，圖3-6給出了各自的工作過程。
（1）單工通信
如圖3-6a所示，在單工通信中，資料信号僅可從一個站點傳送到另一個站點，即資訊流僅沿單方向流動，發送方和接收方的角色是固定的，如無線電廣播就是單工通信的典型例子。但在資料通信系統中，接收方要對接收的資料進行檢驗，檢出錯誤要求發送方重傳原資料，對于正确接收的資料也要傳回确認信号，是以就必須附有一條反向控制信道，用于傳送确認信号、請求重發信号等監視信号，如圖中的虛線所示。
資料通信系統很少采用單工通信方式。
（2）半雙工通信
如圖3-6b所示，在半雙工通信中，資料信号既可從A（圖中的左邊站點）傳到B（圖中的右邊站點），也可由B傳到A，但不能在兩個方向上同時進行傳輸，如小範圍内使用的報話機就是典型的半雙工通信系統。通信的雙方都有發送器和接收器，但信道一次隻能容納一個方向的傳輸，由一方發送變為另一方發送就必須切換信道方向。例如，A站把發送器連接配接到線路上，B站相應地把接收器連接配接到線路上，A站向B站就可發送資料信号。當B站要發送資料信号時，B站要将接收器與線路斷開，把發送器連接配接到線路上，同時A站相應地将發送器與線路斷開，并把接收器連到線路上，信道方向改變了，這時B站就可向A站發送資料信号了。這種在一條信道上，用開關進行轉換，實作A→B與B→A兩個方向的交替通信，稱為半雙工通信，或稱為單工信道的半雙工系統。
由于在資料傳輸過程中頻繁切換信道方向，是以半雙工通信效率較低，但可節省傳輸線路資源，在區域網路中得到了廣泛應用。
（3）全雙工通信
如圖3-6c所示，在使用全雙工通信中，兩個站點間允許在同一時刻進行雙向傳輸資料信号，它相當于把兩個相反方向的單工通信信道組合在一起。與半雙工通信相比較，全雙工通信的效率高，但它的結構複雜，成本也比較高。
3.3.4 資料傳輸方式
信道上傳送的信号有基帶（baseband）信号、頻帶（frequency-band）信号和寬帶（broadband）信号之分，與之相對應的資料傳輸則分别稱為基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸。
（1）基帶傳輸
基帶信号是指信源直接輸出的原始資料信号，它可以是數字的，也可以是模拟的。例如在計算機等數字裝置中，二進制數字序列最友善的電信号形式表現為方波，即“1“或“0“分别用高（或低）電平或低（或高）電平表示，這種方波信号實際上就是數字基帶信号；而模拟電話機輸出的話音信号則是模拟基帶信号。在信道上直接傳送資料的基帶信号稱為基帶傳輸，一般來說，需要将信源的資料變換成可直接傳輸的數字基帶信号。在發送端由編碼器實作編碼，在接收端由譯碼器進行解碼，恢複發送端原始發送的資料。基帶傳輸是一種最簡單的傳輸方式，常用于區域網路中。
數字基帶信号的頻譜基本上是從零頻率或很低頻率開始一直擴充到很寬，甚至包含有直流成分，如果直接傳送這種基帶信号，就要求信道具有從直流到高頻的全部頻率特性。基帶傳輸容易導緻基帶信号發生畸變，主要是因為傳輸線路中分布電容和分布電感的影響，故其傳輸距離受到一定的限制。
（2）頻帶傳輸
當實作遠距離通信時，經常借助于電話系統，盡管電話系統能夠為衆多的電話使用者提供令人滿意的傳輸服務，但如果直接在這樣的電話通信系統中傳送基帶信号，且不采取适當的措施，則資料傳輸的誤碼率會變得非常高，無法向使用者提供滿意的傳輸服務。
基帶信号通過電話通信系統後會産生嚴重的畸變，造成這一現象的原因有以下幾點。
1）源端發送的基帶信号包含有各種頻率成分，其中的一部分已經落到電話線路所能通過的頻率範圍之外，這些頻率成分是不能通過電話線路的。由于接收端接收的信号中缺少了這部分頻率成分，是以使得信号産生了失真。
2）在能夠通過電話線路的頻率成分中，各頻率成分經受的衰減和時延存在差異，這也會導緻信号失真。
3）電話線路中存在的噪聲和各種幹擾信号會導緻信号失真。
數字通信靠機器來判定接收到的碼元。接收端一般是在每個碼元的中間産生一個采樣時刻，并在這個采樣時刻對收到的信号進行判定。盡管輕微的信号變形不會影響對0、1資料的判定結果，但失真嚴重時也會出現差錯，即産生了誤碼。若傳送的碼元速率越快，則電話線路産生的失真就越嚴重。
為了解決數字信号在模拟信道中傳輸産生的失真問題，須利用頻帶傳輸方式。所謂頻帶傳輸是指将數字信号調制成模拟音頻信号後再發送和傳輸，到達接收端時再把音頻信号解調成原來的數字信号的傳輸方式。是以，當采用頻帶傳輸方式時，要求在發送端安裝調制器，在接收端安裝解調器。當實作全雙工通信時，則要求收發兩端都安裝數據機（modem）。利用頻帶傳輸不僅解決了數字信号可利用電話系統傳輸的問題，而且可以實作多路複用。
（3）寬帶傳輸
寬帶傳輸實質上是相對一般頻帶傳輸而言的寬頻帶傳輸。在資料通信的早期，寬帶是指比音頻帶寬更寬的頻帶，使用這種寬頻帶傳輸的系統稱為寬帶傳輸系統。寬帶傳輸借助頻帶傳輸，可以将鍊路容量分解成兩個或更多的信道，每個信道可以攜帶不同的信号，這就是寬帶傳輸。
寬帶傳輸在不同時期的含義略有不同，早期是指利用寬帶同軸電纜在0～300MHz的頻帶上傳輸信号的技術，使用時通常将寬的頻帶劃分為若幹個子頻帶，并利用這些子頻帶分别傳輸音頻信号、視訊信号以及數字信号。目前的寬帶接入是指網絡接入速率超過2Mbit/s的傳輸技術，如ADSL、Ethernet等，而寬帶骨幹則是指以密集波分複用技術為代表的光纖傳輸技術。
3.4 傳輸媒介
傳輸媒介又稱傳輸媒體或傳輸媒體，它是計算機網絡中連接配接發送器和接收器的實體通道。傳輸媒介一般可分為兩大類，即導向傳輸媒介（guided media）和非導向傳輸媒介（unguided media）。在導向傳輸媒介中，電磁波被導向沿着固體媒介傳播，習慣性地被稱為有線傳輸；而非導向傳輸媒介就是指自由空間，在非導向傳輸媒介中，電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。
計算機網絡常用的傳輸媒介主要包括同軸電纜、雙絞線、光纖、微波、紅外線和衛星，其中前3種屬于導向傳輸媒介，後3種屬于非導向傳輸媒介。
3.4.1 電磁波譜
當電子運動時，它們産生可以自由傳播的電磁波，這種波由英國科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clark Maxwell）于1865年預言，并且于1887年由德國實體學家赫茲首次發現。電磁波每秒振動的次數稱為頻率，機關為赫茲。
在真空中，所有的電磁波以相同的速度傳播，與其頻率無關。該速度通常被稱為光速，大約為3×108m/s；而在銅線或光纖中，速度大約降低到原來的2/3，并且變得與頻率相關。電磁波的真空傳播速度是極限速度，沒有任何信号能夠超過它。
電磁波的頻率f、波長λ及其在真空中的傳播速度c的基本關系為：
電磁波的頻譜分布如圖3-7所示。無線電波、微波、紅外線和可見光部分都可通過調節振幅、頻率和相位來傳輸資訊。紫外線、X射線和γ射線盡管頻率更高，但是很難生成和調制，穿過建築物傳播的性能也不好，且對生物有害，這些頻段目前還不能用于資料傳輸。圖3-7底部列出了各頻率段的正式ITU名稱，劃分的依據是波長。LF頻率範圍為30kHz～300kHz（1km～10km），LF、MF和HF分别指低頻、中頻、高頻，而VHF、UHF、SHF、EHF、THF則分别代表甚高頻、特高頻、超高頻、極高頻和巨高頻。
電磁波可承載的資訊量與它的帶寬緊密相關。對式（3-1）進行變換求f，并對λ求微分，得：
如果以有限微分代替微分，并且僅取絕對值，則有：
是以，一旦給出了頻段的寬度Δλ，就可以計算相應的帶寬Δf，接下來就可以根據編碼方案計算該頻段的資料傳輸速率。由式（3-3）可以發現，頻段的波長越短，則對應的帶寬越寬。例如，對于光纖的1310nm波段而言，λ = 1.3×10-6m，Δλ = 0.17×10-6m，則Δf大約為30THz。
3.4.2 雙絞線
雙絞線也稱雙扭線，它是最古老但又是最常用的傳輸媒體。把兩根互相絕緣的銅導線并排放在一起，然後用規則的方法絞合起來就構成了雙絞線。絞合可減少對相鄰導線的電磁幹擾。使用雙絞線最多的地方就是電話系統中使用者電話機到端局交換機之間的連接配接線路，通常将一定數量（2～1800對）的雙絞線捆成電纜，在其外面包上硬的護套以提高它的機械拉伸力度，計算機網絡使用的雙絞線電纜通常包含2對或4對雙絞線。
雙絞線可以支援模拟傳輸和數字傳輸，其最大傳輸距離一般為十幾千米。距離太長時就要加上放大器以便将衰減了的信号放大到合适的數值（對于模拟傳輸），或者加上中繼器以便将失真了的數字信号進行整形（對于數字傳輸）。銅導線越粗，其可通信距離就越遠，但導線的價格也越高。
由于雙絞線的價格便宜且性能不錯，是以使用十分廣泛，主要用于星形網絡拓撲結構，即以集線器或網絡交換機為中心、各網絡終端通過一對雙絞線與之連接配接，這種拓撲結構非常适用于結構化綜合布線系統，可靠性高；當任一連線發生故障時，故障不會影響到網絡中的其他計算機，對于故障的診斷和修複比較容易。
為了提高雙絞線的抗電磁幹擾能力，可以在雙絞線的外面再加上一個用金屬絲編織成的屏蔽層。這就是屏蔽雙絞線（Shielded Twisted Pair，STP），它的價格比無屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，UTP）貴。圖3-8是無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的示意圖。
1991年，美國電子工業協會（EIA）和電信工業協會（T'IA）聯合釋出了标準EIA/TIA-568，該标準規定了用于室内傳送資料的無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的要求。随着區域網路上資料傳送速率的不斷提高，EIA/TIA在1995年将布線标準更新為EIA/TIA-568-A，此标準規定了5個種類的UTP标準（從1類線到5類線），對傳送資料來說，現在最常用的UTP是5類線（Category 5或CAT 5）。5類線與3類線的主要差別在于：一方面，增加了每機關長度（英寸）的絞合個數，3類線的絞合長度是7.5～10cm，而5類線的絞合長度是0.6～0.85cm；另一方面，5類線線上對間的絞合度和線對内兩根導線的絞合度都經過了精心的設計，并在生産中加以嚴格的控制，使幹擾在一定程度上得以抵消，進而提高了線路的傳輸特性。區域網路常用3類、4類和5類雙絞線，為了适應不斷提高的網絡速度，近來又出現了超5類、6類和7類雙絞線，其中6類雙絞線可滿足千兆以太網的連線要求。
最後需要指明的是，雙絞線能夠傳輸的資料速率除了受導線類型和傳輸距離的影響外，還與數字信号的編碼方法有着很大的關系。
3.4.3 同軸電纜
同軸電纜由内導體銅質芯線、隔離材料、網狀編織的外導體屏蔽層（也可以是單股的）以及保護性塑膠外層所組成，如圖3-9所示。内導體可以是單股的實心導線，也可以是多股絞合線；外導體可以是金屬箔，也可以是編制的網狀線。由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗幹擾特性，被廣泛用于較高速率的資料傳輸。
同軸電纜按特征阻抗的不同可以劃分為基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜兩種類型。
（1）基帶同軸電纜
基帶同軸電纜的屏蔽層是用網狀銅絲編織而成，特征阻抗為50Ω，如RG-8、RG-58等，主要用于在資料通信中傳送基帶數字信号。基帶同軸電纜以10Mbit/s的速率在1km距離内傳送基帶數字信号是完全可行的，但随着傳輸速率的增加，所能傳送的距離就變短了。在早期區域網路中廣泛使用這種同軸電纜作為實體媒介。
根據同軸電纜的直徑粗細，基帶同軸電纜又可分為粗纜（2.54mm，Base5）和細纜（1.02mm，Base2）兩種。粗纜适用于覆寫範圍較大的區域網路，它的連接配接距離長、可靠性高。由于安裝時不需要切斷電纜，是以可以根據需要靈活調整計算機的入網位置。但粗纜網絡必須安裝收發器和收發器電纜，安裝難度較大，總體造價高。相反，細纜安裝則比較簡單、造價低，但由于安裝過程中要切斷電纜，兩頭裝上基本網絡連接配接（BNC）頭，然後接在T型連接配接器兩端，是以當接頭多時容易産生接觸不良的隐患，這是早期以太網發生的最常見故障之一。
為了保證同軸電纜具有良好的電氣特性，電纜屏蔽層必須接地，同時在電纜的兩側盡頭要連接配接有50Ω的終端比對器來削弱信号反射作用。
粗纜和細纜都隻能用于總線拓撲結構，适應于機器密集的網絡應用環境。但是，當任一連接配接點發生故障時，不僅故障影響串接在整根電纜上的所有機器，而且它的診斷和修複都十分麻煩，基于此，基帶同軸電纜已逐漸被雙絞線或光纜所替代。
（2）寬帶同軸電纜
寬帶同軸電纜的屏蔽層是用鋁箔纏繞而成，特征阻抗為75Ω，如RG-59等，是有線電視（CATV）系統中的标準傳輸電纜，主要用于模拟傳輸系統。
寬帶同軸電纜用于傳送模拟信号時，其帶寬可高達500MHz以上，傳輸距離可達100km。寬帶電纜通常都劃分為若幹個獨立信道，例如，每一個6MHz的信道可以傳送一路模拟電視信号。當一個6MHz信道用來傳送數字信号時，資料率一般可達3Mbit/s。由于在寬帶系統中總是要用到放大器來放大模拟信号，而這種模拟放大器隻能單向工作，是以在寬帶電纜的雙工傳輸中，一定要有兩條分别用于資料發送和接收的資料通路，采用雙電纜系統和單電纜系統都可以達到這個目的，如圖3-10所示。
雙電纜寬帶網絡拓撲結構一般為樹形，兩套電纜是一樣的，分别供計算機發送和接收信号之用。由于發送和接收采用的是不同的電纜，是以可以采用同樣的頻率。頂端器（headend）的作用是将各計算機從發送電纜發過來的信号轉換到接收電纜，使得各計算機均能從接收電纜上收到發送給它們的信号。在簡單的情況下，頂端器可以是無源的，但當電纜較長時，也可在頂端器和電纜線路中增加放大器，使接收電纜上的信号有足夠的強度。
單電纜寬帶網絡是在同一條電纜上進行雙向通信，它是把電纜頻帶分成互相獨立的兩部分，各計算機使用低頻段發送信号，頂端器收到後進行變頻，将信号在高頻段轉發出去，然後各計算機再接收這些信号。雖然單電纜系統隻需一條電纜，但可用的頻帶帶寬卻隻有雙電纜系統的一半。
另外，從圖3-10可以看出，頂端器是寬帶同軸網絡的核心部件，其可靠性十分重要，一旦頂端器出現故障，整個網絡就會癱瘓。
3.4.4 光纖
光纖通信就是利用光導纖維（簡稱為光纖）傳遞光脈沖來進行數字通信。有光脈沖相當于1，而沒有光脈沖相當于0。由于可見光的頻率非常高，約為108MHz的量級，是以光纖通信系統的傳輸帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸媒介的帶寬。
光纖是光纖通信系統的傳輸媒介，在發送端有光源，可以使用發光二極管或半導體雷射器，它們在電脈沖的作用下産生光脈沖。而在接收端則利用光敏二極管制作成光檢測器，在檢測到光脈沖時可還原出電脈沖。
光纖通常由非常透明的石英玻璃或塑膠拉成細絲，主要由纖芯和包層構成雙層通信圓柱體。纖芯很細，其直徑隻有8～100μm，光波信号正是通過纖芯進行傳導的。包層較纖芯有較低的折射率。當光線從高折射率的媒介射向低折射率的媒介時，其折射角将大于入射角，如圖3-11所示。是以，如果入射角足夠大，就會出現全反射，即光線碰到包層時就會完全反射回纖芯，這個過程不斷重複，光也就沿着光纖一直傳輸下去，圖3-12描述了光信号在纖芯中的完整傳播過程。現代的生産工藝可以制造出超低損耗的光纖，即做到光信号在纖芯中傳輸數千米而基本上沒有什麼衰耗。這一點正是光纖通信得到飛速發展的關鍵因素。
圖3-12僅僅畫了一束光線的傳播過程，實際上，隻要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某一個臨界角度，都會産生全反射。是以，可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸，這種光纖就稱為多模光纖，如圖3-13a所示。光脈沖在多模光纖中傳輸時會逐漸展寬，造成失真，是以多模光纖隻适合近距離傳輸。若纖芯的直徑減小到隻有單個光波的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會産生反射，這樣的光纖就稱為單模光纖，如圖3-13b所示。單模光纖的纖芯很細，其直徑隻有幾個微米，制造成本較高，同時單模光纖的光源隻能使用昂貴的半導體雷射器，而不能使用較便宜的發光二極管，但單模光纖的衰耗較小，在2.5Gbit/s的傳輸速率下可傳輸數十千米而不必采用中繼器。
光纖的傳輸特性并不是平坦的，對不同頻率的光衰減程度不盡相同，如圖3-14所示。在經常使用的頻率範圍内有3個衰減較小的波段，各自的中心分别位于0.85μm、1.31μm和1.55μm處，其中1.31μm處的損耗值可達到0.5dB/km以下，1.55μm處的損耗值可達到0.2dB/km以下。上述3個波段都能夠提供25 000～30 000GHz的帶寬，除此之外，光纖還可以使用其他衰減系數較大的波段，可見光纖的通信容量非常大。
由于光纖非常細，即使加上包層，直徑也不到0.2mm，是以必須将光纖做成很結實的光纜才能夠滿足實際敷設的拉伸需求。一根光纜少則隻有一根光纖，多則可包括數十至數百根光纖，再加上加強芯和填充物就可以大大提高其機械強度。必要時還可放入遠供電源線。最後加上包帶層和外護套，就可以使抗拉強度達到幾千克，完全可以滿足工程施工的強度要求。
光纖通信不僅具有通信容量非常大的優點，而且具有其他一些特點。
- 傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特别經濟。
- 抗雷電和電磁幹擾性能好。這在有大電流脈沖幹擾的通信環境下尤為重要。
- 無串音幹擾，保密性強，不易被竊聽或截取資料。
- 體積小，重量輕。這在現有電纜管道已擁塞不堪的情況下特别有利。例如，1km長的1000對雙絞線約重8000kg，而同樣長度但容量大得多的一對光纖僅重100kg。
但光纖也有一定的缺點，這就是要将兩根光纖精确地連接配接需要專用裝置，目前光電接口較貴，但随着技術的進步，價格在逐年下降。
3.4.5 無線媒介
大氣和外層空間是提供電磁波信号傳播的無線型媒體，它們不為信号提供導向，這種傳輸形式稱為無線傳輸。無線傳輸有兩種基本方法：定向的和全向的。一般來說，信号頻率越高，越有可能将其聚焦成定向的電磁波束。而使用較低頻率傳輸的信号是全向的，傳送的信号呈球狀擴散，很多天線都能收到。使用定向方法時，天線發射出聚焦的有方向性的高頻電磁波束，是以傳送和接收的天線必須仔細對齊。
（1）微波通信
微波通信在無線資料通信中占有重要地位，微波的頻率範圍為300MHz～300GHz，但主要是使用2～40GHz的頻率範圍。微波在空間主要是直線傳播，且能夠穿透電離層而進入宇宙空間，是以它不像短波那樣可以經電離層反射傳播到地面上很遠的地方。這樣，微波通信就有兩種主要的方式，即地面微波接力通信和衛星微波通信。
由于微波在空間是直線傳播，而地球表面是一個曲面，是以其傳播距離受到限制，一般隻有50km左右。但若采用100m高的天線塔，則傳播距離可增大到100km。為實作遠距離通信，必須在一條無線電通信信道的兩個終端之間建立若幹個中繼站，其作用在于把前一站送來的信号經過放大後再發送到下一站，俗稱“微波接力“通信。20世紀的長途電話業務多使用4～6GHz的頻率範圍，微波裝置信道容量多為960路、1200路、1800路和2700路話音，我國執行的是960路。
微波接力通信可傳輸電話、電報、圖像、資料等資訊，其主要特點如下。
- 微波波段頻率很高，其頻段範圍也很寬，是以其通信信道的容量很大。
- 因為工業幹擾和噪聲幹擾的主要頻譜成分比微波頻率低得多，對微波通信的危害比對短波和毫米波通信小得多，因而微波傳輸品質較高。
- 與相同容量和長度的電纜通信比較，微波接力通信建設投資少，見效快。
當然，微波接力通信也存在如下一些缺點。
- 相鄰站之間必須直視，不能有障礙物。有時一根天線發射出的信号會分成幾條略有差别的路徑到達接收天線，因而造成失真。
- 微波的傳播有時會受到惡劣天氣的影響。
- 對大量中繼站的使用和維護需要耗費一定的人力和物力。
衛星通信是衛星微波通信的簡稱，是指在地球站（或地面站）之間利用位于約36 000km高空的人造同步地球衛星作為中繼器的一種微波接力通信。通信衛星就是位于太空位置的無人值守的微波通信中繼站，由此可見，衛星通信的主要優缺點大體上和地面微波通信的差不多。衛星通信的最大特點是通信距離遠，且通信費用與通信距離無關。同步衛星發射出的電磁波能輻射到地球上的通信覆寫區的跨度達18 000多千米，隻要在地球赤道上空的同步軌道上等距離地放置3顆相隔120度的衛星，就能基本上實作全球通信。
衛星通信的一個顯著特點就是具有較大的傳播時延。由于各地球站的天線仰角并不相同，是以不管兩個地球站之間的地面距離是多少，從一個地球站經衛星到另一個地球站的傳播時延在250～300ms之間，計算時一般可取值為270ms。這和其他通信系統有較大差别，對比之下，地面微波接力通信的傳播時延一般為3.3μs/km。
衛星通信非常适合于廣播通信，因為它的覆寫面很廣。但從安全方面考慮，衛星通信與地面微波接力通信一樣，保密性較差。通信衛星本身和發射衛星的火箭造價都較高。受電源和元器件壽命的限制，同步衛星的使用壽命一般隻有7～8年，加之衛星地球站的技術較複雜，價格比較貴，這些因素都是選擇衛星通信時需要全面考慮的。
（2）雷射傳輸
在空間傳播的雷射束也可以調制成光脈沖以傳輸資料。與地面微波一樣，可以在視野範圍内安裝兩個彼此相對的雷射發射器和接收器進行通信。由于雷射的頻率比微波的更高，因而可獲得更寬的帶寬。雷射束的方向性比微波束的要好，不受電磁幹擾的影響，不怕偷聽。但雷射穿越大氣時會衰減，特别是在空氣污染、下雨有霧、能見度很差的情況下，可能會使通信中斷。一般來說，雷射束的傳播距離不能太遠，是以隻能在短距離通信中使用，當距離較長時隻能用光纜代替。
（3）紅外線通信
紅外線通信近來也經常用于短距離的無線通信中，紅外傳輸系統利用牆壁或屋頂反射紅外線進而形成整個房間内的廣播通信系統。這種系統所用的紅外光發射器和接收器與光纖通信中使用的類似，也常見于家電（如電視機、空調等）的遙控裝置中。紅外通信的裝置相對便宜，可獲得高的帶寬，這是紅外線通信方式的優點。而其缺點是傳輸距離有限，而且易受室内空氣狀态（如有煙霧等）的影響。
紅外線和微波之間的重要差異是前者不能穿越牆壁，這樣，微波通信所遭遇的安全和幹擾問題在這裡不再出現，此外，紅外線也不存在頻率配置設定問題。
（4）短波通信
無線電短波通信早就用在計算機網絡通信中了，已經建成的無線通信區域網路使用了甚高頻VHF（30～300MHz）和超高頻（300～3000MHz）的電視廣播頻段，這個頻段的電磁波是以直線方式在視距範圍内傳播的，是以用作局部地區的通信是很适宜的。短波通信裝置比較便宜，便于移動，沒有像地面微波站那樣的方向性，加上中繼站可以傳送很遠的距離。不過，該種通信方式也容易受到電磁幹擾和地形地貌的影響，而且通信帶寬比更高頻率的微波通信要小很多。
3.5 資料編碼
資料編碼是實作資料通信最基本的一項工作，除了用模拟信号傳送模拟資料不需要編碼外，數字資料在數字信道上傳送須進行數字信号編碼，數字資料在模拟信道上傳送須調制編碼，模拟資料在數字信道上傳送更是需要進行采樣、量化和編碼過程。
3.5.1 信号編碼
對于數字信号傳輸，最直接的方法就是用兩個電壓電平來表示兩個二進制數字。例如，無電壓（也就是無電流）表示0，正電壓表示1，如圖3-15a所示的不歸零制（Non-Return to Zero，NRZ）編碼。
不歸零制編碼存在若幹缺點。第一，它難以界定一個資料位的結束和另一個資料位的開始，需要有某種機制保證發送器和接收器之間的定時或同步。第二，如果連續傳輸1或0的話，那麼在傳輸時間内将有累積的直流分量，這樣，在資料通信裝置和所處環境之間提供良好的絕緣的交流耦合就難以實作。第三，直流分量可使連接配接點産生電蝕或其他損壞。能夠克服上述缺點的候選編碼方案就是曼徹斯特編碼。
圖3-15b中所示的是曼徹斯特編碼，這種編碼通常用于區域網路的資料傳輸，如以太網。在曼徹斯特編碼方式中，每一位的中間有一個跳變，該跳變可以作為時鐘控制信号，而跳變方向又可以作為資料信号，從高電平跳向低電平表示比特1，從低電平跳向高電平表示比特0。相對于不歸零制編碼而言，曼徹斯特編碼盡管有着不少優勢，但也有明顯的不足，即消耗的傳輸帶寬要多一倍。
還有一種常用的編碼方案是差分曼徹斯特編碼，如圖3-15c所示，它的特點為0、1數值是由每個位周期開始的邊界是否存在跳變來确定的，每個位周期開始的邊界有跳變代表“0“，無跳變則代表“1“，與跳變的方向無關。位周期的中間跳變僅代表時鐘控制信号。
3.5.2 調制編碼
數字資料在模拟信道上傳輸的基礎就是調制技術，調制需要一種稱為載波信号的連續的、頻率恒定的信号，載波可用Acos（ωt + φ）表示。圖3-16給出了對數字資料的模拟信号進行調制的三種基本形式。
- 幅移鍵控法（Amplitude-Shift Keying，ASK），簡稱調幅。
- 頻移鍵控法（Frequency-Shift Keying，FSK），簡稱調頻。
- 相移鍵控法（Phase-Shift Keying，PSK），簡稱調相。
在幅移鍵控法（ASK）方式下，用載波頻率的兩個不同的振幅來表示兩個二進制值。例如，用振幅為零的載波表示二進制資料“0“，而用振幅不為零的載波表示二進制資料“1“。ASK方式容易受增益變化的影響，是以是一種品質較差的調制技術。
在頻移鍵控法（FSK）方式下，用載波頻率附近的兩個不同頻率來表示兩個二進制值。這種方式也可用于高頻（3～30MHz）的無線電傳輸，甚至還能用于較高頻率的使用同軸電纜的區域網路絡。
在相移鍵控法（PSK）方式下，利用載波信号的相位移動來表示二進制值。圖3-16c是一個二相調制的例子，用相同的相位表示二進制資料“0“，用反相的相位表示二進制資料“1“。也就是說，用相位是否發生變化來表示二進制資料“1“和“0“。相移鍵控法也可以使用多于二相的相移，如四相調制能把兩個二進制資料編碼到一個信号中。PSK技術有較強的抗幹擾能力，而且比FSK方式更有效。
上述所讨論的各種調制技術也可以組合起來使用，常見的組合是相移鍵控法和幅移鍵控法，組合後在兩個振幅上均可以分别出現部分相移或整體相移。
如圖3-17a所示，可以看到0°、90°、180°和270°的每個位置都有振幅值，其大小由距原點的距離表示。而圖3-17b表示另一種組合調制方案，該方案使用振幅和相移的16種組合。是以，圖3-17a有8種組合，每波特可以傳輸3比特；圖3-17b有16種組合，每波特可以傳輸4比特。當圖3-17b所示的方案用在2400波特的線路上傳輸9600bit/s資料時，它被稱作正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）。
3.5.3 模拟資料數字化編碼
模拟資料的數字信号編碼最典型的例子是PCM。PCM是脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation）的英文縮寫，也稱脈沖調制，是一個把模拟信号轉換為二進制數字序列的過程。這裡先介紹采樣定理，然後再介紹脈沖調制過程。
1.采樣定理
一個連續變化的模拟信号，假設其最高頻率為Fmax，若對它以周期T進行采樣取點，則采樣頻率為F = 1/T，若能滿足F≥2Fmax，那麼采樣後的離散序列就能無失真地恢複出原始的模拟信号，這就是著名的奈奎斯特采樣定理。值得指明的是，這裡所說的不失真是相對于信号的傳輸需求而言，信号采樣在理論上是絕對存在失真的。
可以證明，從頻譜的概念出發，若連續模拟信号存在有限的連續頻譜，那麼采樣後的離散序列的頻譜也是周期的，且其基波和連續信号的波形一樣，隻是幅值相差1/T，而其周期正是采樣周期的倒數1/T。由此可以得出結論：隻要滿足采樣定理的條件，那麼通過一個理想的低通濾波器，就能使采樣後的離散序列的頻譜和模拟信号的頻譜一樣，這是模拟信号數字化的理論基礎。
2. PCM
PCM過程包括三個基本步驟，即采樣、量化和編碼。
采樣：每隔一定的時間對連續模拟信号采樣，之後，連續模拟信号就成為“離散“的模拟信号。根據采樣定理，采樣頻率F必須滿足F≥2Fmax；但F也不能太大，若F太大，雖然能夠提升采樣品質，但卻會大大增加資訊計算量，而且效果也不明顯。
量化：這是一個分級過程，把采樣所得到的脈沖信号根據幅度按标準量級取值，如按四舍五入取整，這樣脈沖序列就成為數字信号了。
編碼：用一定位數的二進制碼來表示采樣序列量化後的量化幅度。如果有N個量化級，就應當至少有log2N位的二進制數位。PCM過程由A/D轉換器實作，在發送端，經過PCM過程，把模拟信号轉換成二進制數字脈沖序列，然後發送到信道上進行傳輸。在接收端首先經D/A轉換器譯碼，将二進制數位轉換成代表原模拟信号的幅度不等的量化脈沖，再經低通濾波器即可還原出原始模拟信号。由于在量化中會産生量化誤差，是以根據精度要求，适當增加量化級數即可滿足信噪比要求。圖3-18描述了一個16位量化級的PCM過程。
下面以模拟電話信号的數字化為例來說明PCM過程。
為了将模拟電話信号轉化為數字信号，必須先對電話信号進行采樣。根據奈奎斯特采樣定理，隻要采樣頻率不低于電話信号最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信号無失真地恢複出原來的電話信号。标準的電話信号的最高頻率為3.4kHz，為計算友善，采樣頻率就确定為8kHz，相當于采樣周期為125μs。
這樣，一個話路的模拟電話信号經模數變換後就變為每秒8000個脈沖信号，每個脈沖信号再編碼為8位二進制碼元。是以一個話路的PCM信号速率為64kbit/s，即8000次/s×8bit/次= 64 000bit/s。需要補充的是：64kbit/s的速率是最早制定出的話音編碼的标準速率，随着話音編碼技術的不斷發展，人們可以用更低的資料率來傳送同樣品質的話音信号，現在已經能夠用32kbit/s、16kbit/s，甚至8kbit/s以下的資料率來傳送一路話音信号。
3.6 資料通信性能名額
3.6.1 時延
計算機網絡中，時延（delay）是指一個資料塊（幀、分組、封包段等）從鍊路或網絡的一端傳送到另一端所需要的時間。一般而言，時延由以下3個部分組成。
（1）發送時延（transmission delay）
節點發送資料時把資料塊從節點送入傳輸媒體所需要的時間，即從發送資料塊的第一比特開始到發送完最後一比特所花費的時間。發送時延的計算公式為：
（2）傳播時延（propagation delay）
電磁波信号在一定長度的傳輸信道上傳播所需要的時間，即信号從信道的一端傳播到另一端所經曆的時間。傳播時延的計算公式為：
在真空中，電磁波信号以光速傳播，其速度為300 000km/s；而在銅線或光纖中，電磁波信号的速度大約下降到光速的2/3，即200 000km/s，相當于200m/μs。
（3）轉發時延（relay delay）
資料塊在中間節點（中繼器/交換機/路由器等）執行存儲轉發所引起的時延。不同中間節點引入不同類型的轉發時延，但主要包括以下兩種類型。
- 排隊時延（queueing delay）：資料塊在輸入和輸出緩沖區排隊所花費的時間，與網絡負載狀況緊密有關，不同情形下該時延的數值可能相差較大，是影響轉發時延的主要因素。
- 處理時延（processing delay）：進行轉發處理資料塊所花費的時間，如首部檢查、差錯檢驗、端口交換等。
這樣，資料塊所經曆的總時延為上述3種時延之和，即
時延是衡量計算機網絡性能的一項重要名額，各種時延也影響到網絡參數的設計。與時延相關的一個概念是往返時間（Round Trip Time，RTT），例如在TCP中，RTT表示從封包段發送出去的時刻到确認傳回時刻這一段時間，即在TCP連接配接上封包段往返所經曆的時間，TCP的重傳政策設計将會使用到這一概念。
與時延關聯緊密的另外一個性能名額就是時延帶寬積，它是指信道傳播時延與信道帶寬的乘積，時延帶寬積的機關是比特（位）。
用一個圓柱形管道代表一條傳輸信道，管道的長度代表信道的傳播時延，管道的截面積代表信道的帶寬，是以管道的體積就是信道的時延帶寬積，表示這一信道可以容納多少比特。比如，某一信道的傳播時延為500μs，帶寬為100Mbit/s，則時延帶寬積為50 000比特。這就意味着，當發送端發送的第一個比特到達終點時，發送端已發出了50 000比特，這50 000比特充滿了整個信道，正在信道上傳輸。對于傳輸信道而言，隻有在信道的傳輸過程中充滿比特流時，信道才能得到充分的利用。
時延帶寬積又稱比特長度，即以比特為機關的信道長度。資料鍊路控制中的ARQ和以太網的性能分析、令牌環和FDDI環網的運作性能分析中都使用了比特長度的概念。而在TCP的視窗比例因子分析設計中也使用了時延帶寬積的概念。
3.6.2 傳輸速率
傳輸速率是通信系統的重要名額，直接表明了通信系統能夠提供的傳輸能力，根據傳輸對象的不同，可以區分為資訊傳輸速率和碼元傳輸速率，二者又可以簡稱為資訊速率和碼元速率。
（1）資訊傳輸速率
資訊傳輸速率表示信道機關時間内傳輸的編碼前的數字資料的二進制比特數，機關是比特/秒，即bit/s（bit per second）。資訊傳輸速率又稱比特率。
通常所說的100兆以太網指的就是其資訊傳輸速率為100Mbit/s，這裡包括傳輸的淨負荷以及為控制傳輸所附加的資訊。
（2）碼元傳輸速率
一個數字脈沖稱為一個碼元，碼元傳輸速率表示機關時間内信号波形的變換次數，即機關時間内通過信道傳輸的碼元個數，機關是波特（Baud）/秒。若信号碼元寬度為T秒，則碼元速率B = 1/T。碼元傳輸速率在不同的場合下有多個名稱，如波特率、調制速率、波形速率或符号速率。
在條件允許的情況下，數字傳輸可以采用多進制編碼方式，以獲得更高的資訊傳輸速率。例如在有4種碼元狀态的多進制編碼中，每種碼元可以攜帶2比特資料，此時的比特率等于2倍的波特率。一般情況下，如果碼元狀态數為M（M通常為2的整數次幂），則資訊速率C和碼元速率B的關系為：
例如，對于波特率B = 2000Baud/s，若M分别為2、4和8，則對應的比特率C分别為2000bit/s、4000bit/s和6000bit/s。
碼元速率決定了資訊速率，而碼元速率的大小又與什麼因素相關呢？答案就是信道帶寬。我們已經知道，數字信号是通過實體信道進行傳輸的，一旦實體信道确定，其所有實體特性也就随之确定，而描述信道實體特性的一個重要參數就是帶寬。帶寬受信道的實體材料、加工性能、傳輸環境以及長度等因素影響，一般認為，通信系統中的信道帶寬是一個常數。
3.6.3 可靠性
計算機網絡和資料通信系統的可靠性名額一般使用誤碼率和誤比特率表示，它們都是統計型名額。
（1）誤碼率
衡量通信信道傳輸品質的一個重要參數是誤碼率Pc，它是指傳輸的碼元被傳錯的機率，當傳輸的碼元總數很大時，Pc可以近似定義為：
Pc =傳錯的碼元數 傳輸的碼元總數
（2）誤比特率
誤比特率又稱比特誤碼率（Bit Error Rate，BER），是指傳輸的比特被傳錯的機率，當傳輸的比特總數很大時，Pb可以近似定義為：
Pb =傳錯的比特數 傳輸的比特總數
計算機網絡的速率一般使用資訊傳輸速率，即比特率，而傳輸差錯一般使用誤比特率，有時簡稱為誤碼率。一般而言，當Pb≤10-6時，屬于正常通信範圍。區域網路和光纖傳輸通常有更低的誤碼率，随着數字通信技術的進步，通信媒體的誤碼率還在不斷下降，但永遠不可能降到零誤碼率，隻能接近于或趨向于該理想值。
3.6.4 信道極限容量
奈奎斯特準則和香農定理給出了通信信道的極限傳輸能力，稱為信道容量，用信道的最大資訊傳輸速率來表示。
（1）奈奎斯特準則
任何通信信道所能通過的頻率範圍總是有限的，待傳送信号中的許多高頻分量往往不能通過信道。如果信号中的高頻分量在傳輸時受到衰減，則接收端收到的信号波形前沿和後沿就變得不像發送端那麼陡峭，使得每一個碼元所占的時間寬度不是十分明确，而是前後都拖了“尾巴“。換言之，接收端收到的信号波形失去了碼元之間的清晰界限，這種現象稱為碼間串擾。早在1924年，奈奎斯特（H. Nyquist）就給出了一個準則：對于一個帶寬為WHz的無噪聲低通信道，其最高的碼元傳輸速率Bmax為2倍的W，即
上式就是著名的奈氏準則，而對于寬帶為WHz的理想的帶通矩形特性的信道，則奈氏準則就變為最高碼元傳輸速率Bmax = W（Baud），因為理想的帶通矩形特性隻允許上下限的信号頻率成分不失真地通過信道，其他頻率成分則不能通過。
如果編碼方式的碼元狀态數為M，那麼信道的極限資訊傳輸速率，即信道容量Cmax定義為
例如，對于帶寬為100MHz的5類非屏蔽雙絞線，其最高的碼元傳輸速率為200M Baud，如果編碼方式的碼元狀态數M為4，則信道的極限資訊傳輸速率為400Mbit/s。
奈氏準則表明，資訊傳輸速率越快，要求信道的帶寬越寬，即對傳輸媒體和裝置的要求就越高。在計算機網絡特别是高速計算機網絡中，在滿足資訊傳輸速率要求的前提下，可以尋求巧妙合适的編碼方式，使信号的波特率減小，進而降低對傳輸媒體和裝置的要求。
實際通信中的信道總是存在噪聲的，是以，奈氏準則給出的是理論上的上限。
（2）香農定理
噪聲總是存在于所有的電子裝置和通信信道中。由于噪聲是随機産生的，它的瞬時值有時會很大，導緻接收端對碼元的判決産生錯誤，将1判決為0或将0判決為1。不過，噪聲的影響是相對的，如果信号功率相對較強，則噪聲的影響就相對較弱。為此，信噪比得以提出，它是指信号的平均功率與噪聲平均功率之比，記為S/N，并用分貝（dB）作為度量機關，定義為：
例如，當S/N = 10時，信噪比為10dB；當S/N = 1000時，信噪比則為30dB。
資訊論的創始人香農（C. Shannon）在1948年推導出了有高斯白噪聲幹擾情況下的信道極限傳輸速率Cmax，不管使用多麼巧妙的編碼方式，也不能超過此極限速率，當低于此速率進行傳輸時，理論上可以不産生差錯。這就是著名的香農定理，可以用公式表示成如下形式：
式中：W為信道的帶寬；S為信道内所傳信号的平均功率；N為信道内部的高斯噪聲功率；S/N為信道的信噪比。例如，對于一條帶寬為3.1kHz的标準電話信道，若信噪比為30dB，其資訊傳輸速率不會超過其極限速率31kbit/s。
香農定理表明，信道的帶寬越寬或信道中的信噪比越大，則資訊的極限傳輸速率就越高，隻要資訊傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實作無差錯的傳輸。遺憾的是，香農并沒有給出實作極限傳輸速率的方法。
對于帶寬已确定的信道，如果信噪比不能再提高，并且碼元傳輸速率也達到了上限，那麼是否還有辦法提高資訊的傳輸速率呢？答案是肯定的，這就是用編碼方法讓每一個碼元攜帶更多的比特資訊量。
3.7 信道複用技術
若一條傳輸線路的傳輸能力遠遠超過傳輸一路使用者信号所需的能力，為了提高線路使用率，經常會讓多路信号共用一條實體線路，不同的使用者信号共用實體線路的方法就是信道複用技術。
3.7.1 頻分、時分複用
頻分複用（Frequency Division Multiplexing，FDM）和時分複用（Time Division Multiplexing，TDM）是最為常用的信道複用技術，其工作原理分别如圖3-19a和圖3-19b所示。頻分複用較為簡單，使用者在配置設定到一定的頻帶後，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分複用的所有使用者在同一時刻占用的是同一媒介的不同帶寬資源。而時分複用則是将時間域劃分為若幹段等長的時分複用幀（TDM幀），每一個時分複用的使用者在周期性的TDM幀中占用固定序号的時隙，在配置設定給自己的時隙内使用全部媒介帶寬資源。頻分複用和時分複用的優點是技術成熟，缺點是不夠靈活，頻分複用适合模拟信号的傳輸，時分複用适合數字信号的傳輸。
使用複用技術進行通信時，複用器（multiplexer）和分用器（demultiplexer）必須成對地使用。在複用器和分用器之間是使用者共享的高速線路，複用器的功能是将多路使用者信号聚合成高速信号；分用器的作用正好和複用器的相反，它是将高速線路傳送過來的資料進行分用，分别送到相應的使用者處。
當使用時分複用技術傳送計算機資料時，由于計算機資料的突發性質，使用者對固定配置設定到的時隙的使用率往往是不高的。當使用者在某一段時間暫時無資料傳輸時，那就隻能讓已經配置設定給自己的時隙保持空閑，而其他使用者也無法使用這個空閑時隙的線路資源。圖3-20說明了這一現象，假定有4個使用者A、B、C和D進行時分複用，複用器按①→②→③→④的順序依次掃描使用者A、B、C和D的時隙，然後構成一個個時分複用幀。圖中共畫出了4個時分複用幀，每個時分複用幀有4個時隙。可以看出，當某使用者暫時無資料發送時，在時分複用幀中配置設定給該使用者的時隙隻能處于空閑狀态，其他使用者即使一直有資料要發送，也不能額外使用這些空閑的時隙，這使得複用後的通信線路使用率偏低。這種時分複用技術要求使用者與時分複用幀的時隙嚴格同步，通常稱之為同步時分複用。
3.7.2 統計時分複用
統計時分複用（Statistic TDM，STDM）是相對于同步時分複用的一種改進，它能明顯地提高通信線路的使用率。集中器（concentrator）是統計時分複用的典型應用。圖3-21描述了統計時分複用的工作原理，使用統計時分複用的集中器連接配接4個低速使用者，然後将它們的資料集中起來通過高速線路發送到遠地計算機。
統計時分複用使用STDM幀來傳送複用的資料，但每一個STDM幀中的時隙數必須小于連接配接在集中器上的使用者數，各使用者有了資料就可以随時發往集中器的輸入緩存，然後集中器按順序依次掃描輸入緩存，将緩存中的輸入資料放入STDM幀中。對沒有資料的緩存就跳過去。當一個幀的資料放滿了，就發送出去。由于STDM幀不是固定地面向使用者來配置設定時隙，而是按需動态地配置設定時隙，是以統計時分複用明顯提高了通信線路的使用率。另外，在輸出線路上，一個使用者所占用的時隙不再是周期性地出現，是以統計時分複用又稱異步時分複用，而普通的時分複用稱為同步時分複用。這裡應注意的是，雖然統計時分複用的輸出線路上的資料率小于各輸入線路資料率的總和，但從平均的角度來看，這二者是平衡的。如果所有的使用者都不間斷地向集中器發送資料，那麼集中器肯定無法應付，它内部設定的緩存将溢出。是以集中器能夠正常工作的前提是假定各使用者都是間歇地工作。
由于STDM幀中的時隙并不是固定地配置設定給某個使用者，是以在每個時隙中還必須設定有使用者的位址資訊，這是統計時分複用不可避免的一些額外開銷。在圖3-21的輸出線路上每個時隙之前的白色小時隙就是被置入的位址資訊。使用統計時分複用的集中器能夠提供對整個資料塊的存儲轉發能力，通過排隊方式使各使用者更合理地共享通信線路。
3.7.3 波分複用
波分複用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）的本質就是光域的頻分複用。光纖技術的應用使得資料的傳輸速率空前提高，一根單模光纖的傳輸速率可達2.5Gbit/s，再提高傳輸速率就比較困難了。如果設法對光纖傳輸中的色散（dispersion）、非線性失真等問題加以解決，則一根單模光纖的傳輸速率可達10Gbit/s，但這已到單個光載波信号傳輸的極限值。
基于此，人們借用傳統載波電話的頻分複用的思想，使用一根光纖同時傳輸多個頻率很接近的光載波信号，這樣就使光纖的傳輸能力能夠成倍地提高。由于光載波的頻率很高，是以習慣上用波長而不用頻率來表示所使用的光載波，于是就提出了波分複用這一概念。最初，人們隻能在一根光纖上複用850nm和1310nm這兩路光載波信号，這種複用方式稱為波分複用，或者是CWDM（Coarse WDM）。随着技術的發展，在一根光纖上可複用的光載波數量越來越多，現在已能做到在一根光纖上複用80、120、260、240路甚至更多路數的光載波，于是就使用了密集波分複用（Dense WDM，DWDM）這一名詞。
圖3-22說明了密集波分複用的工作原理，8路傳輸速率均為2.5Gbit/s的光載波信号（中心波長都是1310nm）經光調制後，将波長分别變換到1550～1557nm，相鄰光載波相隔1nm。這8個波長接近的光載波經過光複用器（波分複用的複用器又稱合波器）複用後進入一根光纖中傳輸。是以，一根光纖上資料傳輸的總速率就達到8×2.5Gbit/s = 20Gbit/s。不過，光信号經過一段距離的傳輸後也會衰減，是以必須對衰減了的光信号進行放大才能繼續傳輸。現在已經有了很好的摻铒光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplif ier，EDFA），它是一種光放大器，不需要進行光電轉換而直接對光信号進行放大，并且在1550nm波長附近的35nm（即4.2THz）頻帶範圍能夠提供較均勻的、最高可達40～50dB的增益。兩個光纖放大器之間的光纜線路長度最長可達120km，光複用器和光分用器（波分複用的分用器又稱分波器）之間的無光電轉換的距離可達600km（須設定4個光纖放大器）。而在使用波分複用技術和光纖放大器之前，要在600km的距離傳輸20Gbit/s，需要敷設8根速率為2.5Gbit/s的光纖，而且每隔35km左右就要使用一個再生中繼器進行光電轉換後的電信号放大，然後再調制為光信号（這樣的中繼器總共需要128個之多）。
3.7.4 碼分複用
碼分複用（Code Division Multiplexing，CDM）是比較新穎的一種複用使用者信号、共享線路的方法。實際上，常用的名詞是碼分多址通路（Code Division Multiple Access，CDMA），該技術允許多個使用者在同一時刻使用相同的頻帶進行通信，但由于各使用者使用經過特殊挑選的不同碼型，是以各使用者之間不會造成幹擾。由于CDMA發送的信号具有很強的抗幹擾能力，是以最初用于軍事通信。但随着技術的進步，CDMA裝置的價格和體積都大幅度下降，現在已廣泛使用在民用的移動通信中，特别是在無線區域網路和第三代、第四代移動通信系統中。采用CDMA可提高話音通信的品質和資料傳輸的可靠性，減少外界幹擾對通信效果的影響，增大系統的通信容量（是GSM的4～5倍），降低終端裝置的平均發射功率等。
在CDMA中，每一個比特時間進一步被劃分為m個短的時間段，稱為碼片（chip）。通常情況下，m的取值是64或128，在下面的例子中，為了描述友善，設定m的取值為8。
使用CDMA的每一個站必須指派一個唯一的m位碼片序列（chip sequence）。如果一個站要發送比特1，則發送對應的m位碼片序列；如果要發送比特0，則發送該碼片序列的二進制反碼。例如，指派給A站的8位碼片序列是00011011，當A發送比特1時，它就發送序列00011011；而當A發送比特0時，就發送11100100。
由于CDMA需要為單個資料位發送m位的碼片，故在相同傳輸速率要求下，CDMA占用的頻帶寬度也要提高到原來的m倍，這使得CDMA成為一種擴頻（spread spectrum）方式的通信（假設調制及編碼技術不變）。擴頻通信通常有兩大類，一種是直接序列（direct sequence），記為DS-CDMA；另一種是跳頻（frequency hopping），記為FH-CDMA。假設100個站點共用1MHz的帶寬，在使用FDM時每個站點的傳輸速率為10kbit/s（假設1b/Hz），而以CDMA方式傳輸，每個站點使用完整的1MHz的帶寬，每秒能夠傳輸1M/m個碼片。隻要實際發送的站點數超過m，則CDMA中各個站點的總傳輸速率就高于FDM，于是信道使用效率就能夠得到更大的提高，下面的例子将會進一步說明這一點。
為了講解和計算友善，我們按慣例采用了雙極型形式，即二進制的0由-1代替，1由+1代替；書寫時，将碼片序列用括号括起來，比如站點A的碼片序列的雙極型形式表示為（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）。圖3-23a給出了4個站點的二進制碼片序列，圖3-23b給出了它們的雙極型形式。
CDMA的一個重要特點就是必須為系統中的每一個站點配置設定一個唯一的碼片序列。這裡用S表示站點的m維碼片向量，S′為它的反碼序列。系統要求所有的碼片序列必須兩兩正交（orthogonal），在實際系統中通常使用僞随機碼序列作為碼片序列。
為了清楚地表示碼片序列間的正交關系，可以采用數學公式來進行具體描述。任意兩個不同站點的碼片序列S和T的内積（inner product）均等于0，即
碼片序列的正交特性至關重要，隻要S·T = 0，那麼S·T′ = 0。任何一個碼片向量和該碼片向量自己的内積恒定為1，即
上式成立是因為内積中的每個分項值為1，是以其和為m。另外，我們可以推導出
在每個比特時間内，站點可以發送其碼片序清單示發送比特1，也可以發送其碼片序列的二進制反碼表示發送比特0，還可以什麼都不發送。這裡假定系統的所有站點要發送的碼片序列必須在時間上是同步的，即所有的碼片序列都在同一個時刻開始，這一點通過全球定位系統（GPS）可以做到。
若兩個或兩個以上的站點同時開始傳輸，它們的雙極型信号就線性相加。比如，在某一碼片内，3個站點輸出+1，一個站點輸出-1，那麼結果就為+2。讀者可把它想象為電壓相加：3個站點輸出電壓為+1V，另一個站點輸出為-1V，最終輸出電壓就為+2V。
圖3-23c給出了不同站點同時發送的6個例子。在第1個例子中，隻有C發送了資料1，是以傳輸結果隻有C的碼片序列。在第2個例子中，B和C均發送1，是以結果為它們的序列之和。在第3個例子中，站點A發送1，站點B發送0，其餘保持沉默。在第4個例子中，站點A、C發送1，站點B發送0。在第5個例子中，4個站點均發送1。在最後一個例子中，站點A、B和D都發送1，而站點C發送0。
要從混合的傳輸信号中還原出單個站點的比特流，接收方必須事先知道發送站點的碼片序列。通過計算收到的碼片序列（所有站點發送的雙極型信号線性總和）和欲還原站點的碼片序列的内積，就可還原出原比特流。假設收到的碼片序列為S，接收方想接收的站點碼片序列為C，則隻要計算它們的内積S·C，就可得出原比特流。假設站點A、站點C均發送1，站點B發送0，接收方收到的信号線性總和為S = A + B′ + C，則
式中的前兩項消失，因為所有的碼片序列都經過仔細的挑選，確定它們兩兩正交。通過這個例子，大家應該清楚為什麼要給碼片序列強加上這個兩兩正交的前提條件。
為了使解碼過程更具體一些，考慮圖3-23d中的6個例子。假設接收方想從S1～S6的6個序列中還原出站點C發送的比特值，它需要分别計算接收到的S與C向量兩兩相乘的内積，再取結果的1/8（因為碼片長度為8），即為站點C所發送的比特值。
理想狀态下，無噪聲的CDMA系統的容量（即站點的數量）可以任意大，就像無噪聲的奈奎斯特信道在對采樣使用多比特編碼情況下其信道容量任意大一樣。但在實際中，由于實體條件的限制，容量大打折扣。首先，CDMA要求所有的碼片在時間上都是同步的，但在實際中這是不可能的。在實際應用中，發送方發送一個足夠長的使得接收方可以鎖定的碼片序列，使發送方和接收方同步。其他的所有傳送（非同步的）都被認為是随機噪聲。隻要非同步傳送不是太多，基本解碼算法的工作效果仍然相當好。
3.8 數字傳輸系統
3.8.1 PCM體制
現在的數字傳輸系統都是采用PCM體制，但PCM最初并不是為傳送計算機資料而提出的，其初衷是使電話局之間的中繼線可以利用時分複用技術同時傳輸多路電話以節省通信代價。由于曆史原因，PCM目前有兩個互不相容的國際标準，即北美的24路PCM（簡稱為T1，其速率是1.544Mbit/s）和歐洲的30路PCM（簡稱為E1，其速率是2.048Mbit/s）。我國采用的是歐洲的El标準。下面将說明這些速率是如何得出的。
為了有效地利用傳輸線路，人們總是将多路話音的PCM信号用時分複用的方法裝成幀（即時分複用幀），然後再送往長途中繼線路上，完成一幀接一幀的傳輸。圖3-24說明了El的時分複用幀的構成，不難看出，時分複用是所有的使用者在不同的時間，即在配置設定給自己的專用時隙（當然用完後要歸還）内占用大家共享的公共信道（因而不會發生幹擾）。但從頻域來看，大家所占用的頻率範圍卻都是一樣的。
E1的一個時分複用幀（其長度T = 125μs）共劃分為32個等長的時隙，時隙編号為CH0～CH31，其中時隙CH0用作幀同步用，時隙CH16用來傳送信令（如使用者的撥号信令）。是以，真正可供使用者使用的話路是時隙CH1～CH15和CHl7～CH31，共30個時隙傳輸30個話路。每個時隙傳送8位。是以整個32時隙能夠傳送256位，且每秒傳送8000個幀，是以PCM一次群（或稱為基群）El的資料速率就是2.048Mbit/s，計算過程如下：
El = 8000×32×8 = 2 048 000bit/s
圖3-24中2.048Mbit/s傳輸線路兩端同步旋轉的開關表示32個時隙中比特的發送和接收必須與時隙的編号相對應，不能發生錯亂。
北美使用的T1共有24個話路。每個話路的采樣脈沖使用7位編碼，然後再加上1位的信令控制，是以一個話路也是占用8位。幀同步碼是在24個話路的編碼之後加上1個專門的同步位，這樣每個時分複用幀共有193位。是以T1一次群的資料速率為1.544Mbit/s，計算過程如下：
3.8.2SONET與SDH
當需要有更高的資料速率時，可以采用逐級複用的方法。例如，4個一次群可以構成一個二次群，4個二次群可以構成一個三次群。當然，一個二次群的資料速率要比4個一次群的資料速率的總和略大，因為複用後還需要添加一些同步的控制位。表3-1給出了歐洲和北美系統的高次群的話路數和資料速率。日本的一次群使用了T1，但自己卻另有一套高次群複用的标準。
表3-1所列舉的數字傳輸系統存在諸多缺點，其中最主要的有以下兩個方面：
1）速率标準不統一。PCM的一次群數字傳輸速率有兩個國際标準，一個是北美和日本的T1速率，而另一個是歐洲和中國的E1速率。但是在高次群複用時，日本又使用了第三種不相容的标準。如果不對高次群的數字傳輸速率進行标準化，國際範圍的高速資料傳輸就很難實作，因為高次群的數字傳輸速率的轉換十分困難。然而，高次群的數字傳輸速率在各國都已使用了很長時間，誰都不願意抛棄正在使用的大量裝置而改用其他的數字傳輸速率标準。
2）不是同步傳輸。在過去相當長的時間裡，為了節約經費，各國的數字傳輸網主要是采用準同步（plesiochronous）方式。這時，必須采用複雜的脈沖填充方法才能補償由于頻率不精确而造成的定時誤差。這就給數字信号的複用和解複用帶來許多麻煩。當資料傳輸的速率較低時，收發雙方時鐘頻率的微小差異并不會帶來嚴重的不良影響。但是，當資料傳輸的速率不斷提高時，收發雙方時鐘同步的問題就成為迫切需要解決的問題。
為了解決上述問題，美國在1988年首先推出了一個數字傳輸标準，即同步光纖網（Synchronous Optical Network，SONET）。整個同步網絡的各級時鐘都來自一個非常精确的主時鐘（通常采用昂貴的豔原子鐘，其精度優于±1×10-11）。SONET為光纖傳輸系統定義了同步傳輸的線路速率等級結構，其傳輸速率以51.84Mbit/s為基礎，約對應于T3/E3的傳輸速率，此速率對于電信号被稱為第1級同步傳送信号（Synchronous Transport Signal），即STS-1；對光信号則被稱為第1級光載波（Optical Carrier），即OC-1。現已定義了從51.84Mbit/s（即OC-1）到9953.280Mbit/s（即OC-192/STS-192）的标準。
ITU-T以美國的SONET标準為基礎，制定出了國際标準同步數字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH），即1988年通過的G.707～G.709建議書，到1992年又增加了十幾個建議書。一般認為，SDH與SONET的内容是等同的，但其主要不同點在于SDH的基本速率為155.52Mbit/s，稱為第1級同步傳遞子產品（Synchronous Transfer Module），即STM-1，相當于SONET體系中的OC-3速率。表3-2為SONET和SDH的比較，其中帶有星号（*）的幾種速率最常用。為友善起見，在提及SONET/SDH的常用速率時，往往不使用速率的精确數值，而是使用表中最後一列給出的近似值。
SDH/SONET定義了标準光信号，規定了波長為1310nm和1550nm的雷射源；在實體層的寬帶接口中使用了幀技術以傳遞資訊；為數字信号的複用和操作過程定義了嚴格的幀結構。
SONET标準定義了4個光接口層。這雖然在概念上類似于OSI參考模型，但SONET自身隻對應于OSI的實體層和資料鍊路層。參照圖3-25，SONET的層次自下而上劃分如下。
- 光子層（photonic layer）：處理跨越光纜的比特傳送，并負責進行同步傳送信号STS的電信号和光載波OC的光信号之間的轉換，在此層由電光轉換器進行通信。
- 段層（section layer）：在光纜上傳送STS-N幀，有成幀和差錯檢測功能。
- 線路層（line layer）：負責路徑層的同步和複用，以及交換的自動保護。
- 路徑層（path layer）：處理路徑端接裝置（Path Terminating Element，PTE）之間業務的傳輸，這裡的PTE是具有SONET能力的交換機。路徑層還提供與非SONET網絡互動的接口。
在上述層次中，前兩層是必需的，後兩層可以選擇使用。
SDH的幀結構是一種塊狀幀，其基本信号是STM-1，更高的等級是用N個STM-1複用組成STM-N。如4個STM-1構成STM-4、16個STM-1構成STM-16。相對PDH而言，SDH簡化了複用和分用技術，需要時可直接接入低速支路，而無須經過高速到低速的逐級分用，上下電路友善。SDH采用自愈混合環形網結構，通過分插複用器（Add Drop Multiplexer，ADM）和數字交叉連接配接（Digital Cross-Connect，DXC）裝置的結合使用，可使網絡按預定方式重新組配，避免了耗資過大的人工操作，因而大大提高了通信網的靈活性和可靠性。加之光纖信道的帶寬充裕，SDH可在其幀結構中使用較多的比特用于管理，這就大大增強了通信網的運作、維護、監控和管理功能。
SDH/SONET标準的制定使北美、日本和歐洲這三個地區的三種不同的數字傳輸體制在STM-1等級上獲得了統一，各國都同意将這一速率以及在此基礎上複用的更高數字傳輸速率作為國際标準。這是第一次真正實作了數字傳輸體制上的世界性标準。現在SDH/SONET标準已成為公認的新一代理想的傳輸網絡體制，因而對世界電信網絡的發展具有重大的意義。SDH/SONET标準也适合于無線微波和衛星傳輸的技術體制。
3.9 資料交換技術
兩個遠距離的終端裝置要進行通信時，可以在它們之間架設一條專門的點到點線路來實作，但這種方案下的通信線路的使用率肯定很低。尤其是當終端數目很多時，要在所有終端之間都建立專門的點到點通信線路（對應于全連接配接拓撲結構）是不可能實作的。實際廣域網絡的拓撲結構多為部分連接配接，當兩個終端之間沒有直連線路時，就必須經過中間節點的轉接才能實作通信，這種由中間節點進行轉接的通信方式稱為交換，中間節點稱為交換節點或轉接節點。當網絡規模很大時，多個交換節點可互相連接配接構成交換網絡，這樣，終端間的通信就可以避免使用專門的點到點連線，而是使用由交換網絡提供的臨時通信路徑完成資料傳送，既節省了線路投資，又提高了線路使用率。
交換技術主要有三種：電路交換、封包交換和分組交換。
3.9.1 電路交換
所謂電路交換，就是在兩個使用者要進行通信時，首先建立一條臨時的專用通信線路，使用者通信時獨占這條臨時線路，不與其他使用者共享，直到通信一方釋放這條專用線路。專用線路可以是一條真正的實體線路，也可以是在實體線路上通過多路複用方法建立的一條實體通信信道，而這個信道通常隻是整個線路可用帶寬的一部分。電路交換的傳輸速率較低，通常在128kbit/s以下。電路交換的線路使用效率也較低，根據統計，其效率很少能超過50％。電路交換主要用于電話通信網絡、遠端使用者或移動使用者連接配接企業區域網路，或用作高速線路的備份。
電路交換需要經曆3個階段：建立電路、資料傳輸和拆除電路。
1）建立電路。在開始正式通信之前，源節點發出建立電路的請求，這個請求将在中間節點引起一系列的接續過程，并最終在源節點和目的節點之間建立起一條合适的傳輸通道，即實體電路。
2）資料傳輸。電路建立後，通信雙方就可以開始進行資料傳輸。在整個資料傳輸期間，傳輸通道一直被獨占，這意味着這個傳輸通道所占用的線路資源不能用于其他傳輸。
3）拆除電路。通信結束後，可以由任意一方發出拆除電路的請求，于是各中間節點釋放傳輸通道占用的線路資源，這些資源在接下來的時間裡可以被其他電路所使用。
圖3-26是電話網絡中電路交換的工作原理。電話網絡中的電話交換局（中間節點）可以看成由開關群組成的網絡。當使用者通過撥号發出連接配接請求後，會在該開關群網中的入線和出線之間直接形成通信路徑（相應的觸點閉合），當兩個使用者的開關與開關之間的線路被完全連通時，使用者雙方就可以進行通信了。當主叫使用者和被叫使用者跨越的地域範圍很大時，往往要經過多個交換機才能形成一條連通的通信路徑。
電路交換主要有兩種實作方式，傳統的模拟交換機采用空分交換方式，而數字交換機則采用時分交換方式。
電路交換的優點是資料傳輸可靠、傳輸延遲小（通常隻有傳播延遲）、實時性強，适用于電信業務資訊的傳輸。
當使用電路交換來傳送計算機資料時，其線路的傳輸效率很低，這是因為計算機資料經常是突發式地出現在傳輸線路上，而線路上真正用于傳送資料的時間一般不到10%，甚至不到1%。可以說，在絕大部分時間裡，已被使用者占用的通信線路資源實際上是空閑的。例如，當使用者閱讀終端螢幕上的資訊或用鍵盤輸入和編輯檔案時，或計算機正在進行複雜處理而無法及時傳回結果時，寶貴的通信線路資源實際上并沒有被利用，而是白白地被浪費了。
3.9.2 封包交換
計算機網絡中經常要傳送非即時性的突發數字資料，如共享公用資料庫中的資料傳輸等。對于這樣的實時性要求不高的資料傳輸，中轉節點可先把收到的資料暫時存儲起來，等待信道空閑時再把資料轉發給下一節點，這樣經過多個中轉節點的處理，最後到達目标節點。這種交換方式就稱為存儲交換或存儲轉發（store and forward），其工作原理如圖3-27所示。
封包交換是以封包為機關進行存儲交換的技術。所謂封包，就是需要發送的應用資料塊，如一個資料檔案、一篇新聞稿件等。每個封包都包括三個部分：報頭、正文和報尾。報頭中有封包号、源位址和目的位址，中間節點根據目的位址對封包進行路由選擇；正文就是要發送的資料塊；報尾包含封包的校驗資訊，用來進行差錯檢查和糾錯。
與電路交換相比，封包交換的優點表現在以下幾方面。
1）封包交換不要求交換網絡為通信雙方預先建立一條專門的傳輸通道，是以不存在建立電路和拆除電路的過程，也不再有建立電路和拆除電路所需的等待時間。
2）線路資源使用率高，使用者的通信無須獨占線路資源，不同使用者的封包可共享節點間的通信線路資源。
3）傳輸可靠性高，表現在兩個方面：一是能夠對封包進行差錯檢查，若有錯，則可以讓發送方重新發送；二是如果中間節點發現某條線路有故障，則它可以選擇其他轉發路徑。
相對于優勢而言，封包交換也存在諸多不足，具體表現在下述幾個方面。
1）中間節點存儲轉發的時延較大，并且有時延抖動現象。
2）實際應用中封包的大小變化懸殊，這為存儲封包的緩沖器的配置設定帶來困難。
3）對于長封包，一旦出錯就需要從頭全部重發，是以會影響傳輸效率，且帶來更大的時延。
鑒于封包交換的上述不足，現在已經基本上不再使用，并被分組交換所取代。
3.9.3 分組交換
分組交換是把待傳輸的封包拆分成若幹個較小的資料塊，稱為分組（packet），然後以分組為機關遵照存儲交換方式進行傳輸。分組頭部中包含了分組編号，當各分組都到達目的節點後，目的節點按分組編号重組封包。目前存在兩種類型的分組，一種是在最大長度限制内分組的長度允許變化，稱之為可變長分組；另一種就是固定長度分組，所有分組的長度都是一樣的。
較小的分組使得分組交換具有對中間節點存儲容量要求不高、轉發延時小、傳輸差錯少以及容易進行差錯處理等優點。但由于在目的節點要對封包進行重新組裝，是以增加了目的節點加工處理的時間和處理的複雜性。
分組交換有兩類：資料報（datagram）方式和虛電路（virtual circuit）方式。
1.資料報方式
在資料報方式中，交換網絡對各分組獨立進行處理，而不考慮隸屬同一封包各分組的關聯關系，是以，每個分組都必須包含目的節點的位址。網絡中的交換機根據分組中的目的位址獨立地為其确定路由，這樣，不同的分組在網絡中可能會經過不同的路徑到達目的站點。由于交換機為每個分組獨立地尋找路徑，使得各個分組到達目的節點的順序有可能與發出時的順序不同，是以，目的節點有時需要對到達的分組按編号重新排序群組裝。圖3-28a給出了資料報方式傳輸分組的示意圖。
由于沒有建立連接配接和拆除連接配接過程，資料報方式對短封包傳輸具有效率高、通信開銷小等優點，并且每個分組獨立進行路由使得其對網絡故障具有較強的适應能力。其缺點是分組傳輸時延較大，因網絡擁塞容易丢失分組以及無法保證分組按序到達。
TCP/IP協定簇中的IP協定就是一個典型的使用資料報方式傳輸IP分組的協定。
2.虛電路方式
虛電路方式就是源節點與目的節點在互相通信前必須建立一條邏輯連接配接，即虛電路。這條虛電路可以事先建立，也可以臨時建立。在建立時，網絡為虛電路确定路由，該路由由若幹條實際的實體鍊路組成。一旦建立了虛電路，網絡為使用者提供的服務就好像在源節點與目的節點之間建立了一條穿越網絡的臨時數字“管道“，源節點發送的分組依次進入并穿越該數字管道到達目的節點，圖3-28b給出了虛電路方式傳輸的示意圖。可以看出，采用虛電路方式傳輸時，目的節點收到的分組順序與源節點發送的順序是相同的。需要指出的是，虛電路并不是實際的實體電路，無須在交換網絡内部預先配置設定傳輸所需要的資源。虛電路建立後，封包的所有分組都将在這條虛電路上傳輸，不用再進行獨立的路由選擇，路由選擇僅在建立虛電路時執行一次。通信結束時，需要有拆除虛電路的操作。
在虛電路方式中，僅在請求建立虛電路的控制分組中指明目的節點的位址，而在分組傳輸時隻要在分組頭部中指明使用哪條虛電路傳輸即可。
虛電路方式可以看成是結合了電路交換技術的分組交換。它提供的傳輸服務是面向連接配接的，但在網絡内部卻是用分組交換實作而不是用電路交換實作，兩個節點在通信期間并沒有自始至終地占用一條實體信道資源，隻是按照統計複用原則使用虛電路跨越的網絡節點和通信線路上的實體資源。
因為虛電路需要有建立和拆除操作，是以不适合短封包的傳輸，但對大資料量的應用而言，其傳輸效率較高，這是因為虛電路一旦建立，每個分組傳輸時就不再需要進行路由選擇，同時，交換機在建立虛電路時已經為其預留了一定數量的緩存和其他資源，不需要在接收分組時再臨時申請，因而減少了發生網絡擁塞的機率。
虛電路的實作過程是，在建立虛電路時，虛電路途徑的所有交換機都會在内部路由表中登記該虛電路的編号和轉發路徑，并根據需要預留一些必需資源。交換機收到分組時，就會根據分組中的虛電路号查找路由表來決定轉發路徑，同時執行存儲轉發操作。
虛電路有兩種類型：永久虛電路（Permanent Virtual Circuit，PVC）和交換虛電路（Switched Virtual Circuit，SVC）。PVC是由網絡服務提供商為使用者預先建立的虛電路，一旦建立，即可長期存在，直到使用者申請撤銷為止。SVC則類似于電話呼叫，需要時由使用者自主請求建立，用完後撤銷，何時建立以及何時撤銷均由使用者自己決定。一般來說，需要長期頻繁交換資訊的站點之間應該使用PVC，而間歇性的應用以及高度網狀連接配接的網絡應該使用SVC。
虛電路方式的優點是能保證分組按序傳輸、提高網絡的吞吐量以及強化對網絡的管理和控制，但并不意味着它能夠提供差錯處理等通信服務品質的保證。
3.10 實體層規程
關于實體層的規程，ISO/OSI參考模型和ITU的X.25建議書都給出了類似的定義。
ISO/OSI參考模型對實體層的定義：實體層在資料鍊路實體之間合理地通過中間系統，為“位“傳輸所需的實體連接配接的激活、保持和取消提供機械的、電氣的、功能的和規程的手段。
ITU在X.25建議書中對實體層的功能做出如下定義：利用實體的、電氣的、功能的和規程的特性，在DTE和DCE之間實作對實體鍊路的建立、保持和拆除功能。
由此可見：實體層接口協定定義了網絡的實體接口，并規定了實體接口的機械連接配接特性、電氣信号特性、信号的功能特性以及交換電路的規程特性，這樣就保證了各個制造廠家按統一實體接口标準生産出來的通信裝置能夠互相相容。
3.10.1 DTE與DCE
DTE是Data Terminal Equipment（資料終端裝置）的英文縮寫，是指具有一定的資料處理能力以及收發能力的資料輸入/輸出裝置、終端裝置或計算機等終端裝置。由于大多數資料處理裝置的資料傳輸能力有限，難以通過線路直接将兩個資料處理裝置連接配接起來，為此，必須在資料處理裝置和傳輸線路之間加上一個中間裝置以增強資料傳輸能力，這個中間裝置就是資料通信裝置（Data Communication Equipment，DCE），它是指自動呼叫應答裝置、交換機以及其他一些中間裝置的集合，其作用就是在DTE和傳輸線路之間提供信号變換和編碼的功能，并且負責建立、保持和釋放實體連接配接。圖3-29是DTE通過DCE連接配接到通信傳輸線路的連接配接方式。
DTE可以是一台計算機或一個資料終端，也可以是各種I/O裝置。典型的DCE則是一個與模拟電話線路相連接配接的數據機。從圖3-28可以看到，DCE雖然處于通信環境内，但它和DTE均屬于使用者設施。
DTE與DCE之間的接口一般都有多條并行連線，包括各種信号線和控制線。DCE将DTE傳過來的資料，按比特順序逐個發往傳輸線路；反之，從傳輸線路接收串行的比特流，然後再交給DTE。很明顯，DTE與DCE之間需要高度協調地工作，為了減輕資料處理裝置的負擔，就必須對DTE和DCE的接口進行标準化，這種接口标準就是所謂的實體層
協定。
多數實體層協定使用了如圖3-28所示的模型，但也有一些不是這樣的。例如，在區域網路中，實體層協定所定義的是一個資料終端裝置和傳輸媒體的接口，并沒有使用這種DTE/DCE模型。
3.10.2 實體層接口标準
遵照ISO/OSI參考模型和ITU的X.25建議書，實體層規程主要關注4個方面的特性，即機械特性、電氣特性、功能特性以及規程特性。
（1）機械特性
機械特性詳細說明了實體接口連接配接器的尺寸、插針的數目、排列方式、插頭與插座的尺寸、電纜長度以及電纜所含導線的數目等。下面列舉幾種已被ISO标準化的機械接口。
- ISO-2110。采用25針的DTE/DCE接口連接配接器與插針配置設定。EIA RS-232C和EIA RS-336A等均是與- - ISO-2110相相容的标準，可用在音頻數據機、公用資料網絡的接口中。
- ISO-2593。采用34針的DTE/DCE接口連接配接器與插針配置設定。可用在ITU V.35建議的寬帶數據機中。
- ISO-4902。采用37針和9針的DTE/DCE接口連接配接器。可用在音頻和寬帶數據機中，與EIA RS-449相相容。
- ISO-4903。采用15針的DTE/DCE接口連接配接器。可用在由ITU X.20、X.21及X.22建議中所指定公用資料網絡的接口中。
- RJ-45。采用8針的DTE/DCE接口連接配接器。可用在IEEE 802區域網路的10/100M BASE-T網絡接口中。
（2）電氣特性
電氣特性說明了資料交換信号以及有關電路的特性。這些特性主要包括最大資料傳輸速率的說明，信号狀态（邏輯電平、通/斷、傳号/空号）表示電壓或電平的說明，以及接收器和發送器電路特性的說明。也給出了與連接配接電纜相關的規則等。
圖3-30給出了幾種ITU定義的實體接口電路的電氣特性，具體如下：
- V.28。非平衡式電氣特性，與之相相容的标準有EIA RA-232C。
- V.10/X.26。新型非平衡式電氣特性，與之相相容的标準有EIA RA-423A等。
- V.11/X.26。新型平衡式電氣特性，與之相相容的标準有EIA RA-422A等。
（3）功能特性
功能特性是指接口的信号根據其來源、作用以及與其他信号之間的關系而定義的特性功能。
下面是ITU對兩個交換電路功能特性的定義。
- V.24。通過電話交換網進行資料通信的DTE/DCE和DTE/ACE（Automatic Calling Equipment，自動呼叫裝置）之間的交換電路。
- X.24。公共資料網絡中的DTE/DCE交換電路，它是在X.20、X.21和X.22的基礎上發展而成的。
（4）規程特性
規程特性說明了交換電路進行資料交換的一組操作序列，由這些規程來完成0、1資料位的傳輸。
ITU建議在實體層使用的規程有V.24、V.54、V.24、V.22等V系列标準，X.20、X.21、X.20bis和X.21bis等X系列标準，兩個系列的标準分别适用于不同的交換電路中。
3.10.3 EIA-232
EIA-232-E是美國電子工業協會（EIA）制定的實體層異步通信接口标準，它最早是于1962年制定的标準RS-232，其中的RS表示EIA的一種“推薦标準“，232是編号。在1969年修訂為RS-232-C，C是标準RS-232以後的第三個修訂版本，1987年1月，修訂為EIA-232-D，1991年又修訂為EIA-232-E。由于标準内容修改得并不多，是以現在很多廠商仍沿用舊的名稱。有時簡稱為EIA-232，甚至說得更簡單些：提供232接口。
EIA-232實體接口的4個特性如下。
EIA-232使用ISO 2110關于插頭座的标準，就是使用25根引腳的DB-25插頭座，引腳分為上、下兩排，分别有13根和12根引腳，其編号分别規定為1～13和14～25，都是從左到右排列。
EIA-232與CCITT的V.28建議書一緻。EIA-232采用負邏輯，即邏輯0相當于對信号地線有+3V或更高的電壓，而邏輯1相當于對信号地線有-3V或更低的電壓。邏輯0相當于資料“0“或控制線的“接通“狀态，而邏輯1則相當于資料“1“或控制線的“斷開“狀态。當連接配接電纜線的長度不超過15m時，允許資料傳輸速率不超過20kbit/s。但是當連接配接電纜長度較短時，資料傳輸速率可以大大提高。
EIA-232的功能特性與CCITT的V.24建議書一緻，它規定了什麼電路應當連接配接到25根引腳中的哪一根以及該引腳的作用。圖3-31為最常用的10根引腳的作用，圖中的數字代表引腳編号，其餘的引腳可以懸空不用。有時隻用圖中的9個引腳（“保護地“引腳不用）制作成專用的9芯插頭，供計算機與數據機的連接配接使用。
EIA-232的規程特性與CCITT的V.24建議書一緻，它規定了在DTE與DCE之間的控制信号在不同的情況下有效（連通狀态）和無效（斷開狀态）的互動順序。
下面結合圖3-32說明DTE-A向DTE-B發送資料所要經過的幾個主要步驟。
- 當DTE-A要和DTE-B進行通信時，先将引腳20（DTE就緒）置為ON，同時通過引腳2（發送資料）向DCE-A傳送電話号碼信号。
- DCE-B将引腳22（振鈴訓示）置為ON，表示通知DTE-B有呼叫信号到達（在振鈴的間隙以及其他時間，振鈴訓示均為OFF狀态），DTE-B就将其引腳20（DTE就緒）置為ON，DCE-B接着産生載波信号，并将引腳6（DCE就緒）置為ON，表示已準備好接收資料。
-
當DCE-A檢測到載波信号時，将引腳8（載波檢測）和引腳6（DCE就緒）都置為ON，以便使DTE-A知道通信電路已經建立。DCE-A還要通過引腳3（接收資料）向DTE-A發送在其螢幕上顯示的資訊。
DCE-A接着向DCE-B發送其載波信号，DCE-B将其引腳8（載波檢測）置為ON。
- 當DTE-A要發送資料時，将其引腳4（請求發送）置為ON。DCE-A作為響應将引腳5（允許發送）置為ON，然後DTE-A通過引腳2（發送資料）來發送其資料。DCE-A将數字信号轉換為模拟信号向DCE-B發送過去。
- DCE-B将收到的模拟信号轉換為數字信号，經過引腳3（接收資料）向DTE-B發送。
盡管許多産品都聲稱自己的串行接口是“與EIA-232标準相容“，但讀者應當注意，這隻是說明該接口的電氣特性和機械特性與EIA-232沒有沖突，但我們仍無法得知該接口是否能夠支援EIA-232的全部功能，這是因為很多廠商出售的數據機隻使用了接口的25根引腳中的4～12根，是以其所實作的功能很可能隻是整個EIA-232标準的一個子集，是以應明确你所需要的功能是否已包括在這個子集中。
EIA還規定了插頭應裝在DTE上，插座應裝在DCE上。是以，當終端或計算機與數據機相連時就非常友善，然而有時卻需要将兩台計算機通過EIA-232串行接口直接相連，這顯然有點麻煩。例如，一台計算機通過引腳2發送資料，但仍然傳送到另一台計算機的引腳2，這就使對方無法接收。為了不改動計算機内标準的串行接口線路，可以采用虛數據機的方法。所謂虛數據機本質上就是一段電纜，這樣對每一台計算機來說，都好像是與一個數據機相連，但實際上并沒有真正的數據機存在。
3.11 習題
一、填空題
1.一個通信系統必須具備的三要素是 、 和 。
2.資料的總時延是 、 和 三種時延之和。
3.從雙方資訊互動的方式來看，通信有以下3種基本方式，即 、 和 。
4.基帶傳輸中常用的資料編碼形式有： 、 、 、 和 等。
5.相應于載波信号的振幅、頻率和相位這3個特征，數字信号的模拟調制有3種基本技術，即 、 和 。
6.将模拟信号數字化的方法有兩種，即 和 ，其中，PCM處理信号的方法，可分為 、 和 三個步驟。
7.常用的多路複用技術有 、 、 和 等。
8.常用的傳輸媒體有 、 、 和 等。
9.實體層的任務就是透明地傳送 。
10.實體層主要關注4個方面的内容，即 、 、 和 。
二、選擇題
1.（ ）是指将數字信号轉換成可以在電話線上傳輸的模拟信号的過程。
A.解調 B.采樣 C.調制 D.壓縮 2.利用模拟通信信道傳輸資料信号的方法稱為（ ）。
A.頻帶傳輸 B.基帶傳輸 C.異步傳輸 D.同步傳輸 3.Internet上的資料交換采用的是（ ）。
A.分組交換 B.電路交換 C.封包交換 D.光交換 4.為了實作長距離傳輸，模拟傳輸系統都使用放大器來使信号中的能量得到增加，其噪聲分量（ ）。
A.增大 B.減小 C.不變 D.不一定 5.封包的内容不按順序到達目的節點的是（ ）方式。
A.電路交換 B.分組交換 C.虛電路交換 D.資料報交換 6.關于時延說法正确的是（ ）。
A.發送時延=信道長度/電磁波在信道上的傳播速度
B.傳播時延=資料塊長度/信道帶寬
C.總時延=傳播時延+發送時延+排隊時延
D.提高鍊路帶寬減小了資料的傳播時延 7.在無噪聲情況下，若某通信鍊路的帶寬為3kHz，采用4個相位，每個相位具有4種振幅的QAM調制技術，則該通信鍊路的最大資料傳輸率是（ ）
A. 12kbit/s B. 24kbit/s C. 48kbit/s D. 96kbit/s 8.描述計算機網絡中資料通信的基本技術參數是資料傳輸速率與（ ）
A. 服務品質 B.傳輸延遲 C.誤碼率 D.響應時間 三、簡答及計算題
1.試比較模拟通信方式與數字通信方式的優缺點。
2.如何利用話音通道傳輸計算機資料？
3.試比較電路交換、封包交換、虛電路交換和資料報交換的特點。
4.請畫出1101110001的不歸零編碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼的波形圖。
5.對于帶寬為4kHz的通信信道，如果采用16種不同的實體狀态來表示資料，信道的信噪比為30dB，按照奈奎斯特定理，信道的最大傳輸速率是多少？按照香農定理，信道的最大傳輸速率是多少？
6.現在需要在一條光纖上發送一系列計算機螢幕圖像。螢幕的分辨率為480像素×640像素，每個像素為24位。每秒鐘有60幅螢幕圖像。請問：需要多少帶寬？在1.30μm波長上，這段帶寬需要多少μm的波長？
7.在最初的IEEE 802.3标準中，一比特如果以米（m）來衡量長度，長為多少米？假設IEEE 802.3網絡的資料傳輸速率為10Mbit/s，電磁波在同軸電纜中的傳播速度為200 000 000m/s。
8.如果要在50kHz的信道線路上傳輸資料的速率為1.544Mbit/s的T1載波，則至少需要多少dB的信噪比？
9.為什麼PCM采樣時間被設定為125μs？
10.請比較在一個電路交換網絡與在一個輕負載的分組交換網絡上，沿k跳的路徑發送一個x位消息的延遲情況。假設電路建立的時間為s秒，每一跳的傳播延遲為d秒，分組的大小為p位，資料傳輸速率為bbit/s。試問在什麼條件下分組網絡的延遲比較短？