內容簡介本課程共分為9講，主要內容包括：第1講計算機網絡概論第2講數據通信和物理層第3講數據鏈路層第4講局域網技術第5講廣域網技術第6講網絡層第7講傳輸層第8講應用層第9講網絡安全1/106

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北京師范大學BeijingNormalUniversity第2講數據通信和物理層計算機網絡基礎教程第2講數據通信和物理層本講基本要求：理解并掌握物理層的基本概念、主要功能和基本特性理解比特率、波特率和信道容量的定義掌握奈奎斯特定理和香農定理掌握常用的數據編碼理解電路交換和報文交換的基本原理理解并掌握多路復用技術的原理及實現了解各類傳輸介質的基本特性了解物理層協議3/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.1數據通信的基本概念2.2數據通信系統的性能指標2.3信道容量2.4數據傳輸方式2.5數據編碼與數據調制2.6信道復用技術2.7數字傳輸系統2.8物理層的傳輸介質2.9物理層的功能、特性與設備2.10習題4/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity第2講數據通信和物理層2.1.1數據通信系統的基本模型2.1.2信息、數據與信號2.1.3模擬與數字2.1.4

DTE和DCE2.1數據通信的基本概念5/106

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1、數據通信系統的基本結構

任何一個通信系統都可以看作是由發送設備、傳輸信道和接收設備三大部分組成。我們把產生和發送信息的一端稱為信源，把接收信息的一端稱為信宿，把信源傳送到信宿的通信線路稱為信道。在實際通信系統中，難免受到外界電磁波等噪音源的干擾影響。因此，數據通信系統的基本結構如圖2-3所示。圖2-3通信系統的基本結構數據+噪音噪音源信源信道信宿發送設備傳輸信道接收設備2.1.1數據通信系統的基本模型6/106

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2、數據通信類型

在數據通信系統中，將傳輸模擬信號的系統稱為模擬通信系統，將傳輸數字信號的系統稱為數字通信系統。

(1)模擬通信系統：普通的電話、廣播、電視等信號都屬于模擬信號,由模擬信號所構成的通信系統屬于模擬通信系統。模擬通信系統通常由信源、調制器、信道、解調器、信宿以及噪音源組成，其基本結構模型如圖2-4所示。圖2-4模擬通信系統結構信源調制器解調器信宿信道噪音源2.1.1數據通信系統的基本模型7/106

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(2)數字通信系統：計算機通信、數字電話以及數字電視等信號都屬于數字信號，由數字信號構成的通信系統屬于數字通信系統。數字通信系統通常由信源、編碼器、信道、解碼器、信宿以及噪音源組成，其基本結構模型如圖2-5所示。圖2-5數字通信系統結構信源編碼器解碼器信宿信道噪音源由于數字信號不適合遠距離傳輸，所以在傳輸前將其變為模擬信號。因此，數字通信系統通常由信源、信源編碼器、調制器、信道、解調器、信道譯碼器、信源譯碼器、信宿、噪音源組成，其結構模型如圖2-6所示。2.1.1數據通信系統的基本模型8/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity在數字通信系統中，調制器用于將發送端數字信號變換成模擬信號；解調器用于將模擬信號還原成數字信號。我們將具備調制與解調功能的設備稱為調制解調器，它在數據通信系統中的連接如圖2-7所示。信宿噪音源信道編碼器信源譯碼器信源編碼器信源解調器調制器信道信道譯碼器圖2-6數字通信系統結構模型2.1.1數據通信系統的基本模型9/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity以上介紹了數據通信技術的基本概念。事實上，無論是實現模擬通信,還是實現數字通信,都涉及到一系列的技術問題，包括數據調制與編碼技術、數據傳輸技術、多路復用技術、數據交換技術、數據傳輸的差錯檢測與控制技術等。圖2-7調制解調器的功能作用電話線電話交換網計算機Modem電話機Modem電話機計算機電話線2.1.1數據通信系統的基本模型10/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity1、信息信息泛指那些通過各種方式傳播的、可被感受的聲音、文字、圖像、符號等所表征的某一特定事物的消息、情報或知識。

2、數據數據是對客觀事物的符號表示，在計算機科學中是指所有輸入到計算機中并被計算機程序處理的符號的總稱。數據分為模擬數據和數字數據兩種。

⑴模擬數據：在時間和幅值取值上都是連續變化的,例如聲音、語音、視頻和動畫片等。模擬數據通常用傳感器收集。

⑵數字數據：在時間上是離散的,在幅值上是經過量話的,它一般是由0、1構成的二進制代碼組成的數字序列。2.1.2信息、數據與信號11/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity3、信號信號是數據的具體物理表現形式，它具有確定的物理描述,如電信號、光信號或磁場強度等。信號分為數字信號和模擬信號兩種。圖2-2模擬信號與數字信號波形ty（a）連續的模擬信號ty（b）離散的數字信號

⑴模擬信號：是一種連續變化的電脈沖序列，例如電話語音信號、電視信號等，它是隨時間變化的函數曲線。

⑵數字信號：是離散的不連續的電信號,通常用“高”和“低”電平脈沖序列組成的編碼來表示數據。2.1.2信息、數據與信號12/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity1、模擬通信模擬通信的優點是直觀且容易實現，但存在兩個主要缺點：（1）保密性差模擬通信很容易被竊聽。只要收到模擬信號，就容易得到通信內容。（2）抗干擾能力弱電信號在沿線路的傳輸過程中會受到干擾，從而使得通信質量下降。線路越長，噪聲的積累也就越多。

2.1.3模擬通信與數字通信13/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2、數字通信（1）數字化傳輸與交換的優越性①加強了通信的保密性。②提高了抗干擾能力。③可構建綜合數字通信網。（2）數字化通信的缺點①占用頻帶較寬。②技術要求復雜，尤其是同步技術要求精度很高。③進行模/數轉換時會帶來量化誤差。數字信號與模擬信號的區別不在于該信號使用哪個波段（C、KU）進行轉發，而在于信號采用何種標準進行傳輸。2.1.3模擬通信與數字通信14/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity1、DTE

DTE英文全稱DataTerminalEquipment（數字終端設備），是指一般的終端或者計算機。可能是大、中、小型計算機，也可能是一臺只接收數據的打印機。

2、DCEDCE英文全稱DataCircuit-terminatingEquipment（數字通信設備），通常指調制解調器，多路復用器或數字設備。3、DTE、DCE的區別DCE一方提供時鐘，DTE不提供時鐘，但它依靠DCE提供的時鐘工作。比如，PC機和MODEM之間的連接。PC機就是一個DTE，MODEM是一個DCE。DTE可以從硬件上區別它的接口為針式，DCE的接口為孔式。2.1.4

DTE和DCE15/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.1數據傳輸速率2.2.2帶寬2.2.3波特率2.2.4時延2.2.5時延帶寬積2.2.6利用率2.2.7誤碼率2.2數據通信系統的性能指標16/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.1數據傳輸速率1、速率比特（bit）是計算機中數據量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。Bit來源于binarydigit，意思是一個“二進制數字”，因此，一個比特就是二進制數字中的一個1或0。速率即數據率(datarate)或比特率(bitrate)是計算機網絡中最重要的一個性能指標。速率的單位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等速率往往是指額定速率或標稱速率。17/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity【例2-4】脈碼調制系統PCM每秒鐘測量取樣8000次，量化電平為256個，求數據傳輸率。解：信號周期T＝l／8000，量化電平數N＝256＝28

2.2.1數據傳輸速率18/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.2帶寬“帶寬”（bandwidth）本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。現在“帶寬”是數字信道所能傳送的“最高數據率”的同義語，單位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。19/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.2帶寬更常用的帶寬單位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）請注意：在計算機界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。20/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.3波特率1、波特率的含義在信息傳輸通道中，攜帶數據信息的信號單元叫碼元，每秒鐘通過信道傳輸的碼元數稱為碼元傳輸速率，簡稱波特率。波特率是指數據信號對載波的調制速率，用單位時間內載波調制狀態改變的次數來表示（也就是每秒調制的符號數），其單位是波特（Baud，symbol/s）。2、波特率與比特率的關系比特率=波特率*單個調制狀態對應的二進制位數例如，假設數據傳送速率為120符號/秒(symbol/s)(也就是波特率為120Baud)，又假設每一個符號為8位(bit)，則其傳送的比特率為(120symbol/s)*(8bit/symbol)=960bps。21/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.4時延數據經歷的總時延（delay或latency）就是發送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和：總時延=發送時延+傳播時延+處理時延+處理時延22/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.4時延1011001…發送器隊列在鏈路上產生傳播時延結點

B結點

A在發送器產生傳輸時延(即發送時延)在結點A中產生處理時延和排隊時延數據鏈路四種時延所產生的地方23/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity【例2-10】若A、B兩臺計算機之間的距離為1000km,假設在電纜內信號的傳播速度是2×108m/s,試對下列兩種鏈路分別計算發送時延和傳播時延。⑴數據塊長度為108bit，數據發送速率為1Mbps；⑵數據塊長度為1000bit，數據發送速率為1Gbps；解：根據上述計算發送時延公式和計算傳播時延公式，分別求出不同鏈路的不同時延。⑴發送時延＝108bit/(1Mbps)＝100s傳播時延＝1000bit/(2×108m/s)＝5ms⑵發送時延＝1000bit/(1Gbps)＝1μs傳播時延＝1000km/(2×108m/s)＝5ms通過此例說明，并非信道帶寬越寬，數據在信道上跑的速度越快。2.2.4時延24/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.5時延帶寬積（傳播）時延鏈路帶寬時延帶寬積=傳播時延帶寬鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。時延帶寬積25/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.6利用率信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的（有數據通過）。完全空閑的信道的利用率是零。網絡利用率則是全網絡的信道利用率的加權平均值。信道利用率并非越高越好。26/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.7誤碼率

數據在數據通信中,如果發送的信號是“1”,而接收到的信號卻是“0”,這就是“誤碼”,也就是發生了一個差錯。在一定時間內收到的數字信號中發生差錯的比特數與同一時間所收到的數字信號的總比特數之比,就叫做“誤碼率”，也可以叫做“誤比特率”。誤碼率（BER：biterrorrate）是衡量數據在規定時間內數據傳輸精確性的指標。誤碼率=錯誤碼元數/傳輸總碼元數。誤比特率=錯誤比特數/傳輸總比特數。誤碼率是最常用的數據通信傳輸質量指標。它表示數字系統傳輸質量的式是“在多少位數據中出現一位差錯”。舉例來說，如果在一萬位數據中出現一位差錯，即誤碼率為萬分之一，即10E-4。27/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.3.1奈奎斯特定理2.3.2香農定理2.3信道容量28/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity1、奈奎斯特公式奈奎斯特定理（Nyquist'sTheorem）和香農定理（Shannon'sTheorem）是網絡傳輸中的兩個基本定理。

1924年，奈奎斯特（Nyquist）推導出在理想低通信道的最高碼元傳輸速率的公式：理想信道的極限信息速率（信道容量）C=B*log2N(bps)。

2、奈奎斯特公式計算舉例[例1]帶寬為4KHZ,如果有8種不同的物理狀態表示數據,信噪比為30dB.那么按奈氏準則計算,計算其最大限制的數據傳輸速率。答：C=2Wlog2N=2*4K*log28=24Kbps。

2.3.1奈奎斯特定理29/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2、奈奎斯特公式計算舉例

【例2-5】對于帶寬為6MHz的信道，若用4種不同的狀態來表示數據，在不考慮熱噪聲的情況下，該信道的最大數據傳輸速率是多少？答：由無熱噪聲的奈奎斯特公式:C=2Hlog2N=2*6M*log24=24Mbps，即該信道的最大數據傳輸速率是24Mbps。2.3.1奈奎斯特定理30/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity【例2-6】一個無噪音的3000Hz信道傳輸二進制信號，試問信道容量（可允許的數據傳輸速率）是多少？解：由于傳輸的二進制信號是“1”、“0”兩個電平,即N=2，W=3000Hz，則信道容量：2、奈奎斯特公式計算舉例2.3.1奈奎斯特定理31/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity1、香農定理在信號處理和信息理論的相關領域中，通過研究信號在經過一段距離后如何衰減以及一個給定信號能加載多少數據后得到了一個著名的公式，叫做香農（Shannon）定理。香農于1948年在《通信的數學原理》(MathematicalTheoryofCommunication)一文中提出了著名的香農定理。2、香農公式

在有隨機熱噪聲的信道上傳輸數據信號時，數據傳輸率Rmax與信道帶寬W，信噪比S/N關系為：Rmax=W*log2(1+S/N)它以比特每秒（bps）的形式給出一個鏈路速度的上限，表示為鏈路信噪比的一個函數。其中，C是可得到的鏈路速度，W是鏈路的帶寬，S是平均信號功率,N是平均噪聲功率。

2.3.2香農定理32/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity3、信噪比信噪比（S/N）通常用分貝（dB）表示，分貝數=10×log10（S/N）。

4、香農定理計算舉例【例2-8】一個數字信號通過兩種物理狀態，經信噪比為20dB的3kHz帶寬信道傳送，其數據率不會超過多少？

2.3.2香農定理解：按照Shannon定理，已知信噪比電平為20dB，信噪功率比S/N，最大數據傳輸率為：C=WLog2(1+S/N)=3000×Log2(1+100)=19.88kbit/s

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北京師范大學BeijingNormalUniversity4、香農定理計算舉例

[例2-8]已知黑白電視圖像大約由３×105個像素組成，設每個像素有10個亮度等級，它們出現的概率是相等的。要求每秒傳送30幀圖像，為了滿意地再現圖像，需要信噪比為1000倍（30dB），試求傳輸此電視信號所需的帶寬。

2.3.2香農定理34/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity4、香農定理計算舉例

[例2-8]答：由于每個像素有10個亮度等級，且等概率，則每個像素包含的信息量為：

log210=3.32bit。每幀有３×10５個像素,每幀的信息量為：3.32×(3×10^5)=9.96×10^5

bit

每秒傳送30幀，故信息速率為：

R=9.96×10^5×30=2.99×10^7bit/s

2.3.2香農定理35/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity4、香農定理計算舉例

2.3.2香農定理由香農公式可知，信道信道容量必須大于或等于R，則所需信道最小的信道容量為：由題可知，S/N＝30dB=103，可求出最小帶寬為：傳送黑白電視圖像信號所需最小帶寬為3MHz。36/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity例2：已知彩電電視圖像由5×10^5個像素組成，設每個像素有64種色彩，每種色彩有16個亮度等級，試計算：（1）每秒傳送100個畫面所需的信道容量；（2）若接收機的信噪比為30dB，求傳送彩色圖像所需的帶寬。解：(1)每像素信息量I=log2(64×16)=10bit

每幅圖信息量I=10×5×10^5=5×10^6bit

信源信息速率r=100×5×10^6=5×10^8bit/s

信道容量Ct≥r=5×10^8bit/s(2)30dB=10lgS/N，故S/N=1000

由Shannon公式: B=Ct/[log2(1+1000)]≈5×10^7=50MHz2.3.2香農定理37/106

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例3：設有一個圖象要在電話線路中實現傳真傳輸，大約要傳輸2.25×106個象素，每個象素有12個亮度等級且等概，電話電路帶寬3KHz、信噪比30dB，試求在電話線路中傳輸一張傳真圖片需要最少時間？解：信息/象素=

信息/每幅圖=2.3.2香農定理38/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity例4：有一顯示器終端聯接計算機系統，用一條電話線路連接，電話帶寬3000Hz，信噪比為10dB，終端有128個印刷字符，終端輸出字符是相互獨立且等概的，求最大的字符速率是？解：2.3.2香農定理39/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.4.1單向傳輸和雙向傳輸2.4.2并行傳輸和串行傳輸2.4.3同步傳輸和異步傳輸2.4.4基帶傳輸和頻帶傳輸2.4數據傳輸方式40/106

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指傳送的信息始終是一個方向傳送,沒反方向的交互。其信道一般是二線制，一根用于傳輸數據,另一根用于監測信號。

允許數據在兩個方向上傳輸,但在某一時刻，只允許數據在一個方向上傳輸,它實際上是一種切換方向的單工通信。

允許數據同時在兩個方向上傳輸,它是兩個單工通信方式的結合,它要求發送設備和接收設備都有獨立的接收和發送能力。單工數據傳輸半雙工數據傳輸全雙工數據傳輸數據在通信線路上傳輸是有方向的，根據信號傳送的方向與時間關系，數據通信可分為三種基本工作方式：單工通信、半雙工通信與全雙工通信。2.4.1單向傳輸和雙向傳輸41/106

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1、串行傳輸（SerialTransmission）

串行傳輸是指數據以串行方式，在一條信道上傳輸。在計算機中，通常是用8位的二進制代碼來表示一個字符。在數據通信中，串行傳輸方式如圖2-23所示。接收設備發送設備1234567812387645并行到串行的轉換串行到并行的轉換圖2-23串行傳輸示意圖2.4.2并行傳輸和串行傳輸42/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity接收設備發送設備12345678校驗數據位1數據線

2、并行傳輸（ParallelTransmission）

并行傳輸是指數據以成組的方式在多個并行信道上傳輸。將表示一個字符的8位二進制代碼同時通過8條并行的通信信道發送出去，這種工作方式稱為并行通信，如圖圖2-24所示。圖2-24并行傳輸示意圖2.4.2并行傳輸和串行傳輸43/106

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在數據通信系統中，整個計算機通信系統能否正確有效地工作，在相當程度上依賴于是否能很好地實現同步。目前,串行通信的傳輸按通信約定的格式分為兩種，即同步通信方式和異步通信方式。

1、同步傳輸（Synchronous）

⑴位同步：在數據通信過程中，接收端根據發送端發送數據的起止時間和時鐘頻率來校正自己的時間基準與時鐘頻率，這個過程就叫做位同步。實現位同步的方法主要有以下兩種：

①外同步法。是在發送端發送一路數據信號的同時，另外發送一路同步時鐘信號。接收端根據接收到的同步時鐘信號來校正時間基準與時鐘頻率，實現收發雙方的位同步。2.4.3同步傳輸和異步傳輸44/106

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②內同步法。是從自含時鐘編碼的發送數據中提取同步時鐘的方法，曼徹斯特編碼與差分曼徹斯特編碼都是自含時鐘的編碼方法。

⑵字符同步：為保證收發雙方正確傳輸字符,將字符以組為單位傳送，在每組字符之前加上一個用于同步控制的同步字符SYN，數據結束后加上后同步信號，接收端根據SYN與后同步信號確定數據字符的起始與終止。同步傳輸方式如圖2-25所示。圖2-25同步傳輸方式示意圖1011010101101100...11110101101101000111111001111110同步字節數據幀同步字節2.4.3同步傳輸和異步傳輸45/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.異步傳輸（asynchronous）

異步傳輸一次只傳輸一個字符,每個字符用一位起始位引導、一位停止位結束。起始位為“0”,占一位;停止位為“1”,占1-2位。在沒有數據發送時發送方可發送連續的停止位，接收方根據“1”至“0”的跳變來判別一個新字符的開始,然后接收字符中的所有位。異步傳輸方式如圖2-26所示。11011010101001101100100010110101101100數據傳輸方向停止位數據位起始位圖2-26同步傳輸方式示意圖2.4.3同步傳輸和異步傳輸46/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity1.基帶傳輸

基帶傳輸是一種不搬移基帶信號頻譜的傳輸方式。未對載波調制的待傳信號稱為基帶信號，它所占的頻帶稱為基帶，基帶的高限頻率與低限頻率之比通常遠大于1。基帶傳輸廣泛用于音頻電纜和同軸電纜等傳送數字電話信號,同時,在數據傳輸方面的應用也日益擴大。2.4.4基帶傳輸和頻帶傳輸47/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.頻帶傳輸

頻帶傳輸是在計算機網絡系統的遠程通信中把數字信息調制成模擬音頻信號后再發送和傳輸，到達接收端時再把音頻信號解調成原來的數字信號的傳輸技術。它是一種利用調制器對傳輸信號進行頻率交換的傳輸方式，信號調制的目的是為了更好地適應信號傳輸通道的頻率特性，傳輸信號經過調制處理也能克服基帶傳輸同頻帶過寬的缺點，提高線路的利用率，一舉兩得。但是調制后的信號在接收端要解調還原，所以傳輸的收發端需要專門的信號頻率變換設備，傳輸設備費用相應增加。遠距離通信信道多為模擬信道。2.4.4基帶傳輸和頻帶傳輸例如，傳統的電話（電話信道）只適用于傳輸音頻范圍（300-3400Hz）的模擬信號，不適用于直接傳輸頻帶很寬、但能量集中在低頻段的數字基帶信號。48/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.頻帶傳輸

頻帶傳輸就是先將基帶信號變換（調制）成便于在模擬信道中傳輸的、具有較高頻率范圍的模擬信號（稱為頻帶信號），再將這種頻帶信號在模擬信道中傳輸。在采用頻帶傳輸方式時要求收發兩端都安裝解制解調器（Modem）。利用頻帶傳輸不僅解決了數字信號可利用電話系統傳輸的問題，而且可以實現多路復用，以提高傳輸信道的利用率。計算機網絡的遠距離通信時經常借助于電話系統通常采用的是頻帶傳輸。2.4.4基帶傳輸和頻帶傳輸49/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.5數據調制與編碼

在計算機中的數據是用二進制0、1比特序列表示的，在物理上是用低電平和高電平來呈現的。由于在線路上傳輸的數據有模擬數據和數字數據，因而數據傳輸的通信信道有模擬信道與數字信道之分。為了便于不同數據在不同的信道中傳輸（適應不同的傳輸特性),在數據送入信道之前必須對其進行調制和編碼。在通信系統中,數據的調制和編碼可分為4種基本形式：數字數據的模擬調制12模擬數據的模擬調制3數字數據的數字編碼模擬數據的數字編碼450/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.1數字數據的模擬調制圖2-10數字數據的調制原理示意圖

數字數據的調制基于調幅、調頻、調相3種調制技術，分別稱為振幅鍵控、移頻鍵控和移相鍵控。圖2-10顯示了對數字數據“010010”進行不同調制方法的波形。51/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity其數學表達式為：2、移頻鍵控（Frequency-ShiftKeying，FSK）

移頻鍵控方法是通過改變載波信號角頻率來表示數字信號1、0。例如，我們可以用角頻率ω1t表示數字l，用角頻率ω2t表示數字0。FSK信號波形如圖2-10（b）所示。u(t)＝Um?sin（ω1t＋φ）數字10數字0u(t)＝振幅鍵控ASK信號實現容易,技術簡單,但抗干擾能力較差。2.2.1數字數據的模擬調制

1、振幅鍵控（Amplitude-ShiftKeying，ASK）

振幅鍵控是通過改變載波信號振幅來表示數字信號1、0。例如，我們可以用載波幅度Um表示數字1，用載波幅度0表示數字0。ASK信號波形如圖2-10（a）所示。52/106

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由于移頻鍵控FSK信號實現容易，技術簡單，抗干擾能力較強，是目前最常用的調制方法之一。

3、移相鍵控（Phase-ShiftKeying，PSK）

移相鍵控方法是通過改變載波信號的相位值來表示數字信號1、0。如果用相位的絕對值表示數字信號1、0，則稱為絕對調相。如果用相位的相對偏移值表示數字信號1、0，則稱為相對調相。Um?sin（ω2t＋φ）

數字0Um?sin（ω1t＋φ）

數字1u(t)＝2.2.1數字數據的模擬調制其數學表達式為：53/106

北京師范大學BeijingNormalUniversityUm?sin（ωt＋0）

數字1

接收端可以通過檢測載波相位的方法來確定它所表示的數字信號值。絕對調相波形如圖2-10（c）所示。Um?sin（ωt＋π）

數字0u(t)＝

⑵相對調相（DifferentialPSK）：是用載波在兩位數字信號的交接處產生的相位偏移來表示載波數字信號。最簡單的相對調相方法是：兩比特信號交接處遇0，載波信號相位不變；兩比特信號交接處遇1，載波信號相位偏移π。相對調相波形如圖2-10（d）所示。2.2.1數字數據的模擬調制

⑴絕對調相（AbsolutePSK）：在載波信號u(t)中,φ為載波信號的相位。當表示數字1時,取φ＝0；當表示數字0時,取φ＝π。這種最簡單的絕對調相方法可以用下式表示：54/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.1數字數據的模擬調制

4、多相調制（MultiplePhaseModulation，MPM）在模擬數據通信中，為了提高數據傳輸速率，人們常采用多相調制方法，將待發送的數字信號按兩個比特一組的方式組織，兩位二進制比特可以有4種組合，即

00、01、10、11每組是一個雙比特碼元，我們可以用4個不同的相位值去表示這4組雙比特碼元。那么，在調相信號傳輸過程中，相位每改變一次，傳送兩個二進制比特。我們把這種調相方法稱為4相調制。同理，如果將發送的數據每3個比特組成一個3比特碼元組，3位二進制數共有八種組合，那么對應可以用八種不同的相位值去表示，我們把這種調相方法稱為八相調制。55/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity其數學表達式為：

Um?sin（ω1t＋φ）數字1

2、移頻鍵控（Frequency-ShiftKeying，FSK）

移頻鍵控方法是通過改變載波信號角頻率來表示數字信號1、0。例如，我們可以用角頻率ω1t表示數字l，用角頻率ω2t表示數字0。FSK信號波形如圖2-10（b）所示。0數字0u(t)＝振幅鍵控ASK信號實現容易,技術簡單,但抗干擾能力較差。

2.2.1數字數據的模擬調制

1、振幅鍵控（Amplitude-ShiftKeying，ASK）

振幅鍵控是通過改變載波信號振幅來表示數字信號1、0。例如，我們可以用載波幅度Um表示數字1，用載波幅度0表示數字0。ASK信號波形如圖2-10（a）所示。56/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity基帶傳輸信號高頻載波信號(a)振幅調制(b)頻率調制(c)相位調制圖2-11模擬信號的模擬凋制2.2.2模擬數據的模擬調制對模擬數據進行模擬調制的目的：其一是將低頻信號搬遷到較高的頻帶進行傳輸；其二是將模擬信號放大；其三是通過調制可以使用頻分多路復用技術。模擬數據調制可通過調幅、調頻和調相3種方法來實現，如圖2-11所示。57/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.2模擬數據的模擬調制

1、振幅調制（Amplitudemodulation，AM）振幅調制是以原來的模擬數據為調制信號對載波的幅值按調制信號的幅值進行調制，調制后載波信號的頻率和相位不變,幅值隨調制信號的幅值變化而變化,如圖2-11(a)所示。

2、頻率調制（Frequencymodulation，FM）頻率調制是以原來的模擬數據為調制信號,對載波的頻率按調制信號的頻率進行調制,調制后載波信號的相位和幅值不變，頻率隨調制信號的幅值變化而變化，如圖2-11(b)所示。

3、相位調制（Phasemodulation，PM）相位調制是以原來的模擬數據為調制信號,對載波的相位按調制信號的相位進行調制，調制后載波信號的頻率和幅值不變,相位隨調制信號的幅值變化而變化,如圖2-11(c)所示。58/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.3數字數據的數字編碼數字數據的數字編碼就是如何把數字數據用物理信號的波形表示，是用高低電平的不同組合來表示二進制的方法。常用的編碼方式主要有3種：不歸零編碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。

1、不歸零碼（Non-ReturntoZero，NRZ）

不歸零碼是一種全寬碼，即信號波形在一個碼元全部時間內發出或不發出電流，每一位碼占全部碼元的寬度。不歸零碼可分為單極性和雙極性兩種：

⑴單極性不歸零碼(SinglePolarityNRZ)：是以無電壓（無電流）表示“0”，而用恒定的正電壓表示“1”。

⑵雙極性不歸零碼(DoublePolarityNRZ)：是以負電壓表示“0”，而用恒定的正電壓表示“1”。以上反之亦然，即負電壓表示“1”，正電壓表示“0”。

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01101001tO曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼

01101001tO2.2.3數字數據的數字編碼

2、曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼是目前應用最廣泛的編碼方法之一。其編碼規則是：每個比特的周期T分為前T/2與后T/2兩部分；通過前T/2傳送該比特的反碼，通過后T/2傳送該比特的原碼。

3、差分曼徹斯特編碼

是對曼徹斯特編碼的改進,它將時鐘和數據包含在信號中,在傳輸代碼信息的同時將時鐘同步信號一起傳輸到對方，所以都屬于自同步編碼，其數據傳輸速率只有調制速率的1/2。

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北京師范大學BeijingNormalUniversity模擬信號PAM信號PAM信號數字信號圖2-13PCM脈沖編碼調制過程示意圖采樣速率8000t/s指定數值給對應的PAM信號將量化值進行編碼2.2.4模擬數據的數字編碼模擬數據的數字編碼是把模擬數據轉換為數字信號的編碼方法。由于數字信號傳輸失真小、誤碼率低、傳輸速率高、便于計算機存儲，所以將模擬數據數字化已成為必然趨勢。模擬數據數字編碼的最常用方法是脈沖編碼調制（PulseCodeModulation，PCM),PCM的工作過程包括3個步驟：采樣、量化與編碼，其相應的波形信號如圖2-13所示。61/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.4模擬數據的數字編碼

1、采樣（Sampling）

采樣是模擬信號數字化的第一步。模擬信號是電平連續變化的信號,采樣是隔一定的時間間隔,將模擬信號的電平幅度值取出來作為樣本,讓其表示原來的信號。采樣頻率f應為：f≥2B

或f＝l／T≥2·f式中：B為通信信道帶寬；T為采樣周期；f為信道允許通過的信號最高頻率。

2、量化（Quantizing）量化是將采樣樣本幅度按量化級決定取值的過程，經量化后的樣本幅度為離散的量化級值已不是連續值。量化的目的是為每一個PAM信號設定一個信號值。62/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.2.4模擬數據的數字編碼量化之前要將信號分為若干量化級,同時,要規定好每一級對應的幅度范圍。若量化范圍在0～127,則每個采樣用7位二進制(27＝128)來表示,量化速率需要56000bps(8000×7)；若量化的范圍在0～255,則每個采樣用8位二進制（28＝256）來表示，量化速率需要64000bps（8000×8）。3、編碼（Encoding）

編碼是用相應位數的二進制代碼表示量化后的采樣樣本的量級。為了能精確地還原成原來的模擬信號，量化值編碼在傳送數字至數模轉換器時，其速率必須和采樣時一樣。經過轉換后，信號才會和原來模擬信號波形接近。【例2-2】聲音的帶寬為4000Hz，采用頻率為8000次/s，用8位二進制編碼，則信道的數據傳輸速率為：8×8000＝64000bps＝64kbps。

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北京師范大學BeijingNormalUniversity多路復用器多路復用器一條傳輸線路傳輸多路信號計算機計算機圖2-30多路復用基本原理示意圖傳輸信號要求的帶寬與傳輸介質允許通過的帶寬是不一樣的，為了節省開銷，應當充分利用傳輸介質的帶寬。在一條介質上同時傳送多于一路以上信號的傳輸方式，叫做該介質的多路復用。多路復用傳輸技術的基本原理如圖2-30所示。2.6信道復用技術64/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.6.1頻分多路復用2.6.2時分多路復用2.6.3波分多路復用2.6.4碼分多路復用2.6信道復用技術65/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity圖2-31頻分多路復用原理示意圖信道（1）f1信道（2）f2信道（3）f3信道（4）f4信道（5）f5信道（6）f6多路復用器多路復用器源1源2源3源4源5源6目標1目標2目標3目標4目標5目標6信道帶寬Bm警戒頻帶Bg2.6.1頻分多路復用

1、頻分多路復用的概念

在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復用。頻分多路復用的基本工作原理如圖2-31所示。66/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity圖2-32頻分多路技術實現示意圖104～108kHz108kHz0～4Hz60～64kHz64kHz0～4Hz100～104kHz104kHz0～4Hz0～4Hz108kHz104～108kHz0～4Hz104kHz100～104kHz電話機1電話機n電話機20～4Hz64kHz60～64kHz低通調制器帶通多路復用器低通調制器帶通調制器帶通低通帶通調制器低通帶通調制器低通調制器低通帶通多路復用器2.6.1頻分多路復用

2、頻分多路復用的技術實現

頻分多路復用主要用于電話模擬信號的傳輸。頻分多路復用技術用于模擬信號的頻分傳輸，主要用于電話和電視系統。一根CATV電纜的帶寬大約是500MHz，可傳送80個頻道的電視節目。每個頻道6MHz的帶寬中又進一步劃分為聲音子通道、視頻子通道以及彩色子通道，并留有警戒頻帶。67/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.6.2時分多路復用

1、時分多路復用的概念時分多路復用（TDM）是將一條物理信道的傳輸時間劃分為若干個時間片，每個用戶分得一個時間片，在其占有的時間片內用戶使用通信信道的全部帶寬。如果與FDM相比較,由于FDM是以信道頻帶作為分割對象,通過為多個信道分配互不重疊的頻率范圍的方法來實現多路復用，因此頻分多路復用更適于模擬數據信號的傳輸，而TDM則以信道傳輸時間作為分割對象，通過為多個信道分配互不重疊的時間片的方法來實現多路復用，因此更適合于數字數據信號的傳輸。

2、時分多路復用的實現時分多路復用在技術實現上，可分為同步時分多路復用和異步時分多路復用兩種方式。68/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity要接收的數據AAAABBCDDDBCDABDADAAAAAABBCDDD復用器解復器要發送的數據時隙浪費,信道資源利用率底一個周期的數據塊(幀)在不同時刻，開關切換到不同的輸入設備2.6.2時分多路復用

(1)同步時分：指發送端的多臺計算機通過一條線路向接收端發送數據時進行分時處理，它們以固定的時隙進行分配。

(2)異步時分：又被稱為統計時分復用技術，它能動態地按需分配時隙，以避免每個時隙段中出現空閑時隙。異步時分在分配時隙時是不固定的，而是只給想發送數據的發送端分配其時隙段，當用戶暫停發送數據時，則不給它分配時隙。69/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity圖2-34波分多路復用原理2.6.3波分多路復用

1、波分多路復用（WDM）

采用的是波長分隔多路復用技術,在同一傳輸信道內傳輸多路不同波長的光信號。WDM和FDM基本上都基于相同原理,所不同的是WDM應用于光纖信道上的光波傳輸過程,而FDM應用于電模擬傳輸。波分多路復用原理如圖2-34所示。70/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity圖2-35密集波分多路復用原理示意圖復用器012345671550nm1551mn1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm1550nm1551mn1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm0123456720GbpsEDFA120km分用器2.6.3波分多路復用

2、密集波分多路復用密集波分多路復用(DWDM)是在WDM上發展起來的。最初，在一根光纖上只能傳送兩路光波信號，CIENA首先推出了16路信道系統，現在已能做到在一根光纖上復用80路甚至更多路數的光載波信號。

DWDM的工作原理如圖2-35所示。

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北京師范大學BeijingNormalUniversity1、碼分多路復用的概念碼分多路復用(CDM)是一種用于移動通信系統的新技術,筆記本電腦和掌上電腦等移動性計算機的連網通信將會大量使用碼分多路復用技術。在CDM系統中,所有用戶占用相同的帶寬，使用同一頻率同時發送或接收信號，各個用戶的信號用各自不同的地址碼序列來區分。2、碼分多路復用的基本原理

CDM的理論基礎是微波擴頻通信，利用擴頻通信中不同碼型的擴頻碼之間的相關性，為每個用戶分配一個擴頻編碼，以區別不同的用戶信號,發送端可用不同的擴頻編碼分別向不同的接收端發送數據，接收端用不同的擴頻編碼進行解碼,就可得到不同發送端送來的數據，實現多址通信。2.6.4碼分多路復用72/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity圖2-36直接擴頻CDM的衛星通信系統接收端基礎調制多路調制…信碼輸出載波產生器偽碼產生器∑信源上變頻本地碼產生器下變頻帶通積分判決同步/載波IBDDBKJHGFEAC其它地址信號多路解調基礎解調發送端衛星轉發器2.6.4碼分多路復用3、碼分多路復用的實現

CDM是建立在波分多路復用的基礎上,既利用了一個波長不同的信道，又可使不同的用戶共享一個信道，但不同用戶具有不同的正交碼形，互不重疊，其實現技術如圖2-36所示。

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北京師范大學BeijingNormalUniversity2.7.1準同步數字系列2.7.2同步光纖網和同步數字系列2.7數字傳輸系統74/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity準同步數字系列（PlesiochronousDigitalHierarchy，PDH）是數字傳輸系統中兩種數字傳輸系列之一。CCITT推薦了兩類PDH，即北美的24路PCM（簡稱為T1）和歐洲的30/31/32路PCM（簡稱為E1）。我國采用的是歐洲的E1標準。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。2.7.1準同步數字系列75/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity2.7.2同步光纖網和同步數字系列76/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity舊的數字傳輸系統存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個方面：速率標準不統一。如果不對高次群的數字傳輸速率進行標準化，國際范圍的高速數據傳輸就很難實現。

不是同步傳輸。在過去相當長的時間，為了節約經費，各國的數字網主要是采用準同步方式。

同步光纖網SONET同步光纖網

SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。第1級同步傳送信號

STS-1(SynchronousTransportSignal)的傳輸速率是51.84Mb/s。光信號則稱為第1級光載波

OC-1，OC表示OpticalCarrier。77/106

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同步數字系列

SDHITU-T以美國標準SONET為基礎，制訂出國際標準同步數字系列

SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可認為SDH與SONET是同義詞。SDH的基本速率為155.52Mb/s，稱為第1級同步傳遞模塊

(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相當于SONET體系中的OC-3速率。78/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity線路速率(Mb/s)SONET符號ITU-T符號表示線路速率的常用近似值51.840OC-1/STS-1155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/s39813.120OC-768/STS-768STM-25640Gb/sSONET的OC級/STS級與SDH的STM級的對應關系79/106

北京師范大學BeijingNormalUniversitySONET的體系結構光子層路徑層線路層段層線路(line)光子層路徑層線路層段層光子層線路層段層光子層段層光子層線路層段層光子層段層SDH終端SDH終端復用器或分用器復用器或分用器轉發器轉發器段段段路徑(path)(section)(section)(section)80/106

北京師范大學BeijingNormalUniversitySONET標準定義了四個光接口層光子層(PhotonicLayer)處理跨越光纜的比特傳送。段層(SectionLayer)在光纜上傳送STS-N幀。線路層(LineLayer)負責路徑層的同步和復用。路徑層(PathLayer)處理路徑端接設備PTE(PathTerminatingElement)之間的業務的傳輸。

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北京師范大學BeijingNormalUniversity2.8.1導向傳輸介質2.8.2非導向傳輸介質2.8物理層的傳輸介質82/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛星地面微波

調幅無線電

調頻無線電

海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移動無線電電信領域使用的電磁波的頻譜2.8物理層的傳輸介質83/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纜2.8.1導向傳輸介質84/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內導體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜各種電纜2.8.1導向傳輸介質85/106

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1、同軸電纜（CoaxialCable）

同軸電纜是局域網中最早使用而且應用十分廣泛的傳輸介質，可以通過專用的中同軸電纜(俗稱粗纜)或小同軸電纜(俗稱細纜)來組網，并廣泛應用于局域網中。同軸電纜由內導體、絕緣層、屏蔽層及外部保護層組成，其結構如圖2-14所示。保護層、屏蔽層、絕緣層、導體圖2-14同軸電纜結構示意圖同軸電纜的最大優點是抗干擾性強,而且支持多點連接。缺點是物理可靠性不好，所以現在基本上已被雙絞線所替代。2.8.1導向傳輸介質86/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity

2、雙絞線（TwistedPair）

雙絞線的物理結構是由按規則螺旋結構排列的2根、4根或8根絕緣導線組成。一對線可以作為一條通信線路，各個線對螺旋排列的目的是為了使各線對之間的電磁干擾最小。雙絞線是模擬和數字數據通信最普通的傳輸媒體，它的主要應用范圍是電話系統中的模擬話音傳輸，最適合于較短距離的信息傳輸，當超過幾千米時信號因衰減可能會產生畸變，這時就要使用中繼器（Repeater）來放大信號和再生波形。雙絞線的價格在傳輸媒體中是最便宜的，并且安裝簡單，所以得到廣泛的使用。在局域網中一般也采用雙絞線作為傳輸媒體。雙絞線可分為非屏蔽雙絞線UTP（UnshieldedTwistedPair）和屏蔽雙絞線STP（ShieldedTwistedPair）。2.8.1導向傳輸介質87/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity單模光纖多模光纖2.8.1導向傳輸介質3、光纖（Fiber）

光纖是光導纖維（FiberOptics）的簡稱，采用光導纖維作為傳輸介質，是網絡傳輸介質領域中發展最快、性能最好、應用前途最廣泛的一種。光纖分為單模（8.3/125um）和多模（50/125um，62.5/125um）兩種。88/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity光線在光纖中的折射折射角入射角

包層（低折射率的媒體）

包層（低折射率的媒體）

纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯2.8.1導向傳輸介質89/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射2.8.1導向傳輸介質90/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖2.8.1導向傳輸介質91/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity名稱傳輸介質最大段長度每段節點數10Base5粗同軸電纜500米10010Base2細同軸電纜185米3010Base-TUTP100米102410Base-F光纖2000米1024100Base-T4UTP100米100Base-TXUTP100米100Base-FX光纖2000米1000Base-SX光纖550米1000Base-LX光纖5000米1000Base-CXSTP25米1000Base-TUTP100米2.8.1導向傳輸介質無線傳輸所使用的頻段很廣。短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差。微波在空間主要是直線傳播。地面微波接力通信衛星通信

2.8.2非導向傳輸介質93/106

北京師范大學BeijingNormalUniversity地球視線傳輸視線傳輸微波中繼站圖2-19地面微波接力通信2.8.2非導向傳輸介質

1、微波通信（MicrowaveCommunication）

微波在空間主要是直線傳播，并且能穿透電離層進入宇宙空間,其傳播距離受到限制且與天線的高度有關,一般只有50km左右,長途通信時必須建立多個中繼站,中繼站把前一站發來的信號經過放大后再發往下一站,類似于“接力”,所以又把微波通信稱為數字微波接力通信。如果中繼站采用100m高的天線塔，則接力距離