第2章 物理層-網(wǎng)絡(luò)原理課件.ppt

1 第2章物理層 2 1物理層的基本概念2 2數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識2 3物理層下面的傳輸媒體2 4模擬傳輸與數(shù)字傳輸2 5數(shù)字傳輸2 6寬帶接入技術(shù) 2 2 1物理層的基本概念 物理層的任務(wù) 在連接各計(jì)算機(jī)的傳輸媒體上透明地傳輸數(shù)據(jù)比特流 確定與傳輸媒體的接口特性 機(jī)械特性電氣特性功能特性過程特性物理層與傳輸媒體 物理層不是傳輸媒體 傳輸媒體位于物理層之下 有時(shí)被稱為0層 物理層的作用 盡量屏蔽具體物理設(shè)備或傳輸媒體的差異 為數(shù)據(jù)鏈路層提供統(tǒng)一的服務(wù) 現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備和傳輸媒體的總類非常多 通信手段也不同 2 3 2 2數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識2 2 1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 調(diào)制解調(diào)器 PC機(jī) 公用電話網(wǎng) 調(diào)制解調(diào)器 數(shù)字比特流 數(shù)字比特流 模擬信號 模擬信號 輸入漢字 顯示漢字 PC機(jī) 3 4 幾個術(shù)語 數(shù)據(jù) data 運(yùn)送消息的實(shí)體 是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式 信息 數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋 信息的表示形式可以是數(shù)值 文字 圖形 聲音 圖像 動畫等 信號 signal 數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn) 數(shù)據(jù)以信號的形式傳播 4 5 信息 人對雪花和馬的認(rèn)識數(shù)據(jù) 文字 二進(jìn)制數(shù) 十進(jìn)制數(shù)信號 電壓 光 磁場強(qiáng)度 6 模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)的值是某個區(qū)間內(nèi)的連續(xù)值 模擬數(shù)據(jù)的物理信號容易實(shí)現(xiàn) 但不精確且容易受干擾 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的值是某個區(qū)間內(nèi)的有限個離散值 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)具有精確以及受擾動可以恢復(fù)的特性 7 模擬信號與數(shù)字信號模擬信號的特點(diǎn) 波動性 持續(xù)變化 包含無窮多個值 在電信業(yè)已經(jīng)被廣泛使用超過100年 數(shù)字信號的特點(diǎn) 離散性 躍變性 包含有限個值設(shè)備性能先進(jìn) 較為便宜 一般說來 模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換為模擬信號或數(shù)字信號 因此我們有以下四種情況 1 模擬數(shù)據(jù) 模擬信號 2 模擬數(shù)據(jù) 數(shù)字信號 3 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 模擬信號 4 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 數(shù)字信號 下圖給出了模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù) 信號的示意圖 9 信道 channel 向某一個方向傳輸信息的媒體 包含發(fā)送和接收信道 物理信道 用來傳送信號或數(shù)據(jù)的物理通路 由傳輸介質(zhì)及有關(guān)通信設(shè)備組成 邏輯信道 在物理信道的基礎(chǔ)上 通過由節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的連接來實(shí)現(xiàn)的信道 通常把邏輯信道成為 連接 如 在一根頻帶很寬的電纜上使用頻分多路復(fù)用技術(shù) 怎這根電纜 物理信道 上可以有多條路基信道 模擬信道 是用來傳輸連續(xù)的模擬信號 如正弦波信號 的信道 數(shù)字信道 是用來傳輸離散的數(shù)字信號 如脈沖信號 的信道 10 波特率和比特率 碼元 是承載數(shù)據(jù)的基本信號單元 波特率 碼元傳輸速率 每秒傳輸?shù)拇a元數(shù) 單位是Baud 波特 比特率 指的是每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制比特?cái)?shù) 速率的單位是b s 或kb s Mb s Gb s等 11 要注意 信息的傳輸速率 比特 秒 與碼元的傳輸速率 波特 在數(shù)量上有一定的關(guān)系 一個n進(jìn)制碼元所包含的信息量為I log2n位 所以數(shù)據(jù)傳輸速率的計(jì)算公式為 C BI B log2n其中B代表波特率 n是一個碼元表示的有效狀態(tài)數(shù) C為比特率 當(dāng)一個碼元只能表示0或1兩種狀態(tài)時(shí) 比特率就等于波特率 12 誤碼率 誤碼率 是二進(jìn)制碼元在信道中被傳錯的概率 Pe Ne N其中 Ne為被傳錯的碼元數(shù) N為所傳送的碼元總數(shù) Pe為誤碼率 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中 要求誤碼率低于10 6 如果實(shí)際傳輸?shù)牟皇嵌M(jìn)制碼元 需折合成二進(jìn)制碼元計(jì)算 13 信道容量 信道容量 也稱為傳輸帶寬 指信道能達(dá)到的最大傳輸能力 即信道的最大 極限 數(shù)據(jù)傳輸速率 14 2 2 2有關(guān)信號的幾個基本概念 單向通信 單工通信 只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互 如 無線廣播和電視信號傳播 雙向交替通信 半雙工通信 信息流可以在兩個方向上傳輸 但同一時(shí)刻僅限于一個方向傳輸 如 對講機(jī) 半雙工需要頻繁調(diào)換信道方向 因此效率低 但可以節(jié)省傳輸線路 雙向同時(shí)通信 全雙工通信 通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息 如 計(jì)算機(jī)之間的通信 14 15 基帶 baseband 信號 基帶信號 信源 信息源也稱發(fā)終端 發(fā)出的沒有經(jīng)過調(diào)制 進(jìn)行頻譜搬移和變換 的原始電信號即傳送的是數(shù)據(jù)本身根據(jù)原始電信號的特征 基帶信號可分為數(shù)字基帶信號和模擬基帶信號基帶傳輸是在信道中直接傳送基帶信號 使用數(shù)字信號的傳輸都是基帶傳輸 基帶傳輸不需要調(diào)制解調(diào)器 設(shè)備費(fèi)用低 適合短距離的數(shù)據(jù)輸 15 16 帶通 bandpass 信號 調(diào)制 用模擬信號承載模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 帶通信號 把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后的信號 17 幾種最基本的調(diào)制方法 最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種 調(diào)幅 AM 振幅鍵控 ASK 載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)頻 FM 頻移鍵控 FSK 載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)相 PM 相移鍵控 PSK 載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化 17 18 振幅調(diào)制 振幅調(diào)制就是用被傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)去調(diào)制載波信號的振幅 若載波信號為Acos 2 ft 則振幅調(diào)制信號可以表示為 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為0 19 頻率調(diào)制 頻率調(diào)制用被傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)去調(diào)制載波信號的頻率 若載波信號為Acos 2 ft 則頻率調(diào)制信號可以表示為 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為0 20 相位調(diào)制 相位調(diào)制就是用被傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)去調(diào)制載波信號的相位 若載波信號為Acos 2 ft 則相位調(diào)制信號可以表示為 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為0 21 三種類型的調(diào)制 22 正交幅度調(diào)制 QAM 是一種將振幅和相位結(jié)合起來的機(jī)制較之前三種調(diào)制方式效率最高 也是現(xiàn)在所有的調(diào)制解調(diào)器中經(jīng)常采用的技術(shù) 23 例 QAM將符號分成8個不同的相位和兩個不同的振幅 則每個符號表示幾比特 24 2 2 3信道的極限容量 任何實(shí)際的信道都不是理想的 在傳輸信號時(shí)會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?或信號傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn) 在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重 24 25 數(shù)字信號通過實(shí)際的信道 有失真 但可識別失真大 無法識別 實(shí)際的信道 帶寬受限 有噪聲 干擾和失真 發(fā)送信號波形 接收信號波形 25 26 信道能夠通過的頻率范圍 1924年 奈奎斯特 Nyquist 就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則 指出在任何信道中 碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?傳輸速率超過此上限 就會出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_問題 使接收端對碼元的識別成為不可能 26 27 他給出了理想低通信道的最高碼元傳輸速率 2WBaud如 一個無噪聲3kHz信道不能以高于6000baud s的速率傳輸信號 理想低通信道 是指有限帶寬 無噪聲信道的假定的理想條件 信號中的低頻成分 只要頻率不超過某個上限值 都能夠不失真地通過此信道 而頻率超過該上限值的所有高頻分量都不能通過該信道 28 有一帶寬為3kHz的理想低通信道 求其最高碼元速率 若傳輸?shù)臑?進(jìn)制碼元 求其信道容量 若為8進(jìn)制碼元呢 例子 29 2 香農(nóng) Shannon 定理 噪聲通常用信噪比來表示 S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率 N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率 信噪比 S N噪聲的單位是分貝 db 10log10S N 29 30 香農(nóng) Shannon 定理給出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限 無差錯的信息傳輸速率 信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為 C Wlog2 1 S N bit sW為信道的帶寬 以Hz為單位 實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少 30 31 例 求信噪比為30分貝 帶寬為4kHz的信道的最大數(shù)據(jù)速率 信道容量 31 由于碼元的傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的制約 所以要提高信息的傳輸速率 就必須設(shè)法使每一個碼元能攜帶更多個比特的信息量 這就需要采用多元制 又稱為多進(jìn)制 的調(diào)制方法 下圖說明了奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍 32 33 2 3物理層下面的傳輸媒體 傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介 它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路 傳輸媒體可以分為兩大類 即導(dǎo)向傳輸媒體 有線 電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒體傳播 雙絞線 同軸電纜 光纖非導(dǎo)向傳輸媒體 無線 地面微波 衛(wèi)星 紅外線 34 2 3 1導(dǎo)向傳輸媒體 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 34 35 1 雙絞線 把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起 然后用規(guī)則的方法絞合起來就構(gòu)成了雙絞線 各個線對絞和的目的是為了使各線對之間的電磁干擾最小 雙絞線既可以傳輸模擬信號 也可以傳輸數(shù)字信號 36 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 無屏蔽雙絞線UTP 屏蔽雙絞線STP 局域網(wǎng)中所使用的雙絞線有 屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線 37 常用的雙絞線 根據(jù)其電氣性能 可以分為六類 最常用的雙絞線有3類和5類 均由4對雙絞線組成 3類雙絞線傳輸速率可達(dá)10 bps 5類雙絞線傳輸速率可達(dá)100 bps 它們之間的區(qū)別在于單位長度的絞合次數(shù)不同 3類的絞合長度為7 5cm 10cm 5類為0 6cm 0 85cm 38 常用的雙絞線的類別 39 2 同軸電纜 由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線 單股實(shí)心線或多股絞合線 絕緣層 網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層 也可以是箔狀 以及絕緣保護(hù)外層所組成 內(nèi)導(dǎo)體 絕緣層 外導(dǎo)體屏蔽層 絕緣保護(hù)外層 40 通常按特性阻抗的不同 可分為 50 同軸電纜和75 同軸電纜 50 同軸電纜主要用于在數(shù)據(jù)通信中傳輸數(shù)字信號 因此又稱為基帶同軸電纜 75 同軸電纜用于模擬傳輸系統(tǒng) 在這種電纜上傳送的信號采用了頻分復(fù)用的寬帶信號 因此又稱為寬帶同軸電纜 有線電視系統(tǒng)CATV中使用的就是75 同軸電纜 同軸電纜的分類 41 41 同軸電纜 10base5粗同軸電纜 10base2細(xì)同軸電纜 42 3 光纖 光纖 光導(dǎo)纖維 是一種直徑為8 m 100 m的柔軟 能傳導(dǎo)光波的介質(zhì) 多種玻璃和塑料可以用來制造光纖 其中使用超高純度石英玻璃纖維制作的光纖可以得到最低的傳輸損耗 在折射率較高的單根光纖外面 用折射率較低的包層包裹起來 就可以構(gòu)成一條光纖通道 多條光纖組成一束 就構(gòu)成一條光纜 四芯光纜 43 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 44 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?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷?只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于臨界角 就可產(chǎn)生全反射 無泄漏 45 按光纖傳輸模式的不同 可以分為 1 單模光纖 直徑8 m 10 m 工作在長波長1300 1550nm 2 多模光纖 通常為50 m或62 5 m 工作在長波長850 1300nm 多模光纖 多模與單模光纖相比 芯徑大得多 色散大得多 限制了傳輸數(shù)字信號的頻率 傳輸容量較小 傳輸距離也較短 一般只有幾千米 由于單模光纖完全避免了模式散射 使得單模光纖的傳輸頻帶很寬 因而適用于大容量 長距離的光纖通信 47 光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點(diǎn) 而且還具有其他的一些特點(diǎn) 1 傳輸損耗小 中繼距離長 對遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì) 2 抗雷電和電磁干擾性能好 這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要 3 無串音干擾 保密性好 不易被竊聽或截取數(shù)據(jù) 4 體積小 重量輕 光纖的優(yōu)點(diǎn) 48 當(dāng)采用光纖連網(wǎng)時(shí) 常常將一段段點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路串接起來構(gòu)成一個環(huán)路 通過T形接頭連接到計(jì)算機(jī) T形接頭有兩種 無源的和有源的 無源的T形接頭由于完全是無源的 因此非?？煽?49 p44 無源的T形接頭有源的T形接頭實(shí)際上就是一個有源轉(zhuǎn)發(fā)器 如圖2 10所示 50 2 7 2非導(dǎo)向傳輸媒體 用自由空間作為傳輸介質(zhì)來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 特點(diǎn) 信號沿直線傳播適用 架設(shè)或鋪埋電纜或光纜較困難的地方 廣泛應(yīng)用于電話領(lǐng)域構(gòu)成的蜂窩式無線電話網(wǎng) 分類 地面微波接力通信 衛(wèi)星通信 紅外線與毫米波通信 51 1 地面微波接力通信 優(yōu)點(diǎn) 通信信道的容量很大 微波波段頻率很高 頻段范圍很寬 頻率范圍1 20GHZ 109 2 1010HZ 既可傳輸模擬信號又可傳輸數(shù)字信號 由于頻率很高 同時(shí)可以傳輸大量信息 傳輸質(zhì)量較高 因?yàn)楣I(yè)干擾和天電干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小得多 與同容量和同距離電纜比 微波接力通信投資少 見效快 原理 長距離傳輸時(shí)每隔一段距離就需架中繼站 將前一信號放大向后傳 缺點(diǎn) 相鄰站間必須直視 不能有障礙物 受氣候干擾較大 保密性差 中繼站的使用與維護(hù)問題等 52 2 衛(wèi)星通信 原理 用位于36000公里高空的人造同步衛(wèi)星做中繼器的一種微波接力通信 優(yōu)點(diǎn) 頻帶很寬 通信容量大 信號受干擾小 通信比較穩(wěn)定 通信距離遠(yuǎn) 缺點(diǎn) 保密性較差 造價(jià)較高 具有較大的傳輸延遲適用 廣播電視通信 53 3 紅外線與毫米波通信 優(yōu)點(diǎn) 價(jià)格便宜 易制造 有良好的安全性 不易被竊聽 缺點(diǎn) 不能穿透堅(jiān)硬的物體 適用 被廣泛應(yīng)用于短距離通信 紅外線成為室內(nèi)無線局域網(wǎng)的主要選擇對象 54 共享信道 2 4信道復(fù)用技術(shù)2 4 1頻分復(fù)用 時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 復(fù)用 multiplexing 是通信技術(shù)中的基本概念 信道 A1 A2 B1 B2 C1 C2 信道 信道 A1 A2 B1 B2 C1 C2 復(fù)用 分用 a 不使用復(fù)用技術(shù) b 使用復(fù)用技術(shù) 54 55 頻分復(fù)用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 用戶在分配到一定的頻帶后 在通信過程中自始至終都占用這個頻帶 頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源 請注意 這里的 帶寬 是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率 55 56 無線電廣播通信也是采用FDM的例子 多個廣播電臺頻分復(fù)用自由空間這個傳輸介質(zhì) 每個電臺占用一個頻道 頻道之間有一定間隔 以防干擾 例 安徽臺940KHz 合肥臺800KHz 有線電視臺 CATV 也是FDM技術(shù) FDM技術(shù)一般用于模擬信號的傳輸上 56 57 時(shí)分復(fù)用TDM TimeDivisionMultiplexing 時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長的時(shí)分復(fù)用幀 TDM幀 每一個時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時(shí)隙 每一個用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn) 其周期就是TDM幀的長度 TDM信號也稱為等時(shí) isochronous 信號 時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度 信道的數(shù)據(jù)傳輸率 各路信號傳輸率的總和 57 58 時(shí)分復(fù)用 頻率 時(shí)間 B C D B C D B C D B C D A在TDM幀中的位置不變 58 59 時(shí)分復(fù)用 頻率 時(shí)間 C D C D C D A A A A C D B在TDM幀中的位置不變 59 60 時(shí)分復(fù)用 頻率 時(shí)間 B D B D B D A A A A B D C在TDM幀中的位置不變 60 61 時(shí)分復(fù)用 頻率 時(shí)間 B C B C B C A A A A B C D在TDM幀中的位置不變 61 62 時(shí)分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費(fèi) A B C D a a b b c d b c a t t t t t 4個時(shí)分復(fù)用幀 1 a c b c d 時(shí)分復(fù)用 2 3 4 用戶 使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí) 由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì) 用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的 62 63 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM StatisticTDM 用戶 A B C D a b c d t t t t t 3個STDM幀 1 a c b a b b c a c d 2 3 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 63 先來先服務(wù)原則 動態(tài)分配時(shí)間片給每個低速線路方法 輪流詢問每一路 如果有數(shù)據(jù)要發(fā) 則分配時(shí)間片 如果無數(shù)據(jù)要發(fā) 跳過該站 不分配時(shí)間片 當(dāng)一幀數(shù)據(jù)放滿就發(fā)送出去 開銷 對每一個時(shí)間片的數(shù)據(jù)前要加一個控制字段 地址 標(biāo)識屬于哪一條低速線路 64 例 10個9 6Kb s的信道按時(shí)分多路復(fù)用在一條線路上傳輸 假定每個信道只有30 的時(shí)間忙 1 如果忽略控制開銷 在同步TDM情況下 復(fù)用線路的帶寬應(yīng)該是多少 2 在統(tǒng)計(jì)TDM情況下 復(fù)用線路的控制開銷為10 那么復(fù)用線路的帶寬應(yīng)該是多少 65 答 1 96Kb2 96Kb 0 3 0 9 32Kb 66 2 4 2波分復(fù)用WDM WavelengthDivisionMultiplexing 66 這是一種光波分割式多路復(fù)用技術(shù) 原理 對于光纖信道 不同信源使用不同波長的光波來傳輸數(shù)據(jù) 各路光波通過一個棱鏡 或衍射光柵 合成一個光束 在光纖干道上傳輸 在接收端利用相同的設(shè)備將各路光波分開 1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7 01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm 波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用 8 2 5Gb s1310nm 20Gb s 復(fù)用器 分用器 EDFA 120km 光調(diào)制器 光解調(diào)器 67 8路傳輸速率均為2 5Gbit s的光載波 其波長均為1310nm 經(jīng)光的調(diào)制后 分別將波長變換到1550 1557nm 每個光載波相隔1nm 這里只是為了說明問題的方便 實(shí)際上光載波的間隔一般是0 8或1 6nm EDFA 光的放大器 直接放大光信號 68 2 4 3碼分復(fù)用CDM CodeDivisionMultiplexing 常用的名詞是碼分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess CDMA在無線LAN和蜂窩技術(shù)中應(yīng)用很廣泛每一個用戶可以在同樣時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信CDMA的基本技術(shù)之一是擴(kuò)頻 68 69 CDMA中 每一個比特時(shí)間劃分為m個短的間隔 稱為碼片 chip 每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列 如發(fā)送比特1 則發(fā)送自己的mbit碼片序列 如發(fā)送比特0 則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼 例如 S站的8bit碼片序列是00011011 發(fā)送比特1時(shí) 就發(fā)送序列00011011 發(fā)送比特0時(shí) 就發(fā)送序列11100100 由于每一個bit需要轉(zhuǎn)換成m個bit的碼片 因此 當(dāng)S站要發(fā)送信息的數(shù)據(jù)率為bbit s時(shí) 其實(shí)際發(fā)送速率提高到了mbbit s 同時(shí)S站所占用的頻帶也提高到原來的m倍 這種通信方式是擴(kuò)頻 spreadspectrum 通信中的一種 70 把碼片中的0記為 1 1記為 1 S站的碼片序列可記為 1 1 1 1 1 1 1 1 CDMA的重要特點(diǎn)每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同 并且還必須互相正交 orthogonal 碼片序列的正交關(guān)系令向量S表示站S的碼片向量 令T表示其他任何站的碼片向量 兩個不同站的碼片序列正交 就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積 innerproduct 都是0 2 3 如 令向量S為 1 1 1 1 1 1 1 1 向量T為 1 1 1 1 1 1 1 1 把向量S和T的各分量值代入 2 3 式就可看出這兩個碼片序列是正交的 71 正交關(guān)系的另一個重要特性任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1 如 令向量S為 1 1 1 1 1 1 1 1 72 S站的碼片序列S 1 1 0 t t t t t t m個碼片 t S站發(fā)送的信號Sx T站發(fā)送的信號Tx 總的發(fā)送信號Sx Tx 規(guī)格化內(nèi)積S Sx 規(guī)格化內(nèi)積S Tx 數(shù)據(jù)碼元比特 發(fā)送端 接收端 每一站發(fā)送的數(shù)據(jù)比特與本站碼片序列的乘積 接收站接收到的是各站發(fā)送信息的疊加 假定所有站發(fā)送的碼片是同步的 接收站使用S站的碼片序列與接收到的信號進(jìn)行求內(nèi)積運(yùn)算 所有其他站的信號被過濾 內(nèi)積相關(guān)項(xiàng)為0 CDMA的工作原理 73 2 5數(shù)字傳輸系統(tǒng) 1 脈碼調(diào)制PCM PulseCodeModulation 體制脈碼調(diào)制PCM體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話 由于歷史上的原因 PCM有兩個互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn) 即北美的24路PCM 簡稱為T1 和歐洲的30路PCM 簡稱為E1 我國采用的是歐洲的E1標(biāo)準(zhǔn) E1的速率是2 048Mb s 而T1的速率是1 544Mb s 當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時(shí) 可采用復(fù)用的方法 73 PCM脈沖編碼調(diào)制原理 通過對模擬信號定時(shí)取樣 把連續(xù)信號離散化為數(shù)字脈沖信號 再將脈沖振幅進(jìn)行編碼 其過程分為取樣 量化 編碼三階段 1 取樣對模擬信號定時(shí)取樣 根據(jù)Nyquist取樣定理 只要取樣頻率不低于模擬信號最高頻率的2倍 就可以使取樣信號無失真地恢復(fù)為原來的模擬信號 例如 標(biāo)準(zhǔn)電話的最高頻率為3 4KHZ 為方便起見 取樣頻率定為8KHZ 取樣周期125 S 每125 S取一個樣本 一個話路的的模擬電話信號 經(jīng)模數(shù)變化后 變?yōu)槊棵?000個脈沖信號 2 量化把連續(xù)樣本量化為離散性 離散值的個數(shù)決定量化的精度 一般話音樣本量化可用128個等級 北美 日本標(biāo)準(zhǔn) 和256級 歐洲 我國 每個脈沖信號再編為8bit的碼元 3 編碼把量化后的樣本值編碼為數(shù)字信號 標(biāo)準(zhǔn)話路每秒8000個脈沖信號 因此每一話路的PCM的信號速率為64kbps 74 75 為了有效利用傳輸線路 通常將許多話路的PCM信號用時(shí)分復(fù)用的方式封裝成幀 E1 一個時(shí)分復(fù)用幀長為125 s 共劃分為32個相等的時(shí)隙 每個時(shí)隙傳送8bit 因此32個時(shí)隙共有256bit 每秒傳送8000幀 因此E1一次群的數(shù)據(jù)率是2 048Mb s 32個時(shí)隙中 有2個分別用于幀同步和傳送信令 如 用戶的撥號信令 因此E1時(shí)分復(fù)用幀有30個話路 T1 有24個話路 每個話路的采樣脈沖是7bit編碼 加上一位信令碼元 一個話路也占用8bit 幀同步是在24路編碼后加上1bit 因此每幀工193bit 因此T1一次群的數(shù)據(jù)率是1 544Mb s 76 當(dāng)需要更高的數(shù)據(jù)率時(shí) 可以采用復(fù)用的方法 如4個一次群可以構(gòu)成一個2次群 一個2次群的速率比4個一次群的速率要高一些 因?yàn)閺?fù)用后還需要一些同步的碼元 77 2 同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH PCM數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點(diǎn) 其中最主要的是以下兩個方面 速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一 如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化 國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實(shí)現(xiàn) 不是同步傳輸 在過去相當(dāng)長的時(shí)間 為了節(jié)約經(jīng)費(fèi) 各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式 78 同步光纖網(wǎng)SONET SynchronousOpticalNetwork 是一種同步系統(tǒng) 各級時(shí)鐘都來自一個非常精確的主時(shí)鐘 SONET為光纖傳輸系統(tǒng)定義了同步傳輸?shù)木€路速率等級結(jié)構(gòu) 傳輸速率以51 84Mb s為基礎(chǔ) 線路速率都是該基本速率的整數(shù)倍 該速率對電信號稱為第1級同步傳送信號STS 1 SynchronousTransportSignal 該速率對光信號則稱為第1級光載波OC 1 OC表示OpticalCarrier ITU T以美國標(biāo)準(zhǔn)SONET為基礎(chǔ) 制訂出國際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系列SDH SynchronousDigitalHierarchy 一般可認(rèn)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(dāng)于SONET體系中的OC 3速率 79 SONET的OC級 STS級與SDH的STM級的對應(yīng)關(guān)系 80 81 2 6寬帶接入技術(shù) 細(xì)節(jié)部分請結(jié)合第一章接入網(wǎng)部分及本章知識自學(xué) 81 82 2 6 1xDSL技術(shù) xDSL技術(shù)就把0 4kHz低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用 而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用 DSL就是數(shù)字用戶線 DigitalSubscriberLine 的縮寫 而DSL的前綴x則表示在數(shù)字用戶線上實(shí)現(xiàn)的不同寬帶方案 83 ADSL的特點(diǎn) 上行和下行帶寬做成不對稱的 上行指從用戶到ISP 而下行指從ISP到用戶 ADSL在用戶線 銅線 的兩端各安裝一個ADSL調(diào)制解調(diào)器 83 頻譜 頻率 上行信道 傳統(tǒng)電話 0 4 下行信道