計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)_第二章__物理層.ppt

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(shí)2.3 物理層下面的傳輸媒體2.4 信道復(fù)用技術(shù)2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6 寬帶接入技術(shù)2.1 物理層的基本概念 物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： n機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。n電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。n功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。n過(guò)程特性 指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信

2、號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(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(hào)模擬信號(hào) 輸入漢字顯示漢字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng):信源目的系統(tǒng)：信宿傳輸系統(tǒng)：信道輸出信息PC 機(jī)幾個(gè)術(shù)語(yǔ)n數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送消息的實(shí)體。n信號(hào)(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 n“模擬的”(analogous)代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。 n“數(shù)字的”(digital)代表消息的參數(shù)的取值是離散的。 n碼元(code)在使用時(shí)間域（或簡(jiǎn)稱(chēng)為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。 2.2.2 有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念n單向通信（單工通信）只能有一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交

3、互。n雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。n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。 發(fā)送接收單向通道雙向通道雙向通道(a)(b)(c)發(fā)送接收發(fā)送接收接收發(fā)送接收發(fā)送基帶(baseband)信號(hào)和帶通(band pass)信號(hào) n基帶信號(hào)（即基本頻帶信號(hào)）來(lái)自信源的信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)。n基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。 n帶通信號(hào)把基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)載波調(diào)制后

4、，把信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過(guò)信道）。 幾種最基本的調(diào)制方法 n基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問(wèn)題，就必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。 n最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：n調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 n調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。n調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 基本原理n用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的不同參量進(jìn)行調(diào)制。n載波 S(t) = A cos (t+) nS(t)的參量包括： 幅度A、頻率 、相

5、位n調(diào)制就是要使這三個(gè)參量隨數(shù)字基帶信號(hào)的變化而變化振幅鍵控（ASK） u um mcoscos（1 1t+t+0 0） 數(shù)字?jǐn)?shù)字1 1 u u（t t）= = 0 0 數(shù)字?jǐn)?shù)字0 0n振幅鍵控振幅鍵控ASKASK信號(hào)實(shí)現(xiàn)容易，技術(shù)簡(jiǎn)單，但抗干擾能力較差。信號(hào)實(shí)現(xiàn)容易，技術(shù)簡(jiǎn)單，但抗干擾能力較差。 移頻鍵控（ FSK ） u um msinsin（1 1t+t+0 0） 數(shù)字?jǐn)?shù)字1 1 u u（t t）= = u um msinsin（2 2t+t+0 0） 數(shù)字?jǐn)?shù)字0 0n移頻鍵控移頻鍵控FSK信號(hào)實(shí)現(xiàn)容易，技術(shù)簡(jiǎn)單，抗信號(hào)實(shí)現(xiàn)容易，技術(shù)簡(jiǎn)單，抗干擾能力較強(qiáng)，是目前最常用的調(diào)制方法之干擾能力

6、較強(qiáng)，是目前最常用的調(diào)制方法之一。一。 移相鍵控（PSK）絕對(duì)調(diào)相絕對(duì)調(diào)相 u um msinsin（t+0t+0） 數(shù)字?jǐn)?shù)字1 1 u u（t t）= = u um msinsin（t+t+ ） 數(shù)字?jǐn)?shù)字0 0n移相鍵控可以分為移相鍵控可以分為： 絕對(duì)調(diào)相絕對(duì)調(diào)相 相對(duì)調(diào)相相對(duì)調(diào)相 二相調(diào)相二相調(diào)相 多相調(diào)相多相調(diào)相對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法 010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相01001000+0+0+0+0212+數(shù)據(jù)(a)ASK(b)FSK(c)PSK(絕對(duì))(d)PSK(相對(duì))121正交振幅調(diào)制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r,

7、)采用30度相位偏移，在相位差45,135,225,315允許有2個(gè)幅度值，其余相位處只有1個(gè)幅度值。 由于4 bit 編碼共有16 種不同的組合，因此這 16 個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于一種 4 bit 的編碼。 若每一個(gè)碼元可表示的比特?cái)?shù)越多，則在接收端進(jìn)行解調(diào)時(shí)要正確識(shí)別每一種狀態(tài)就越困難。 舉例傳輸技術(shù)（補(bǔ)充）n模擬傳輸n數(shù)字傳輸模擬傳輸n模擬傳輸是一種不考慮其內(nèi)容的模擬信號(hào)傳輸方式。n在傳輸過(guò)程中，信號(hào)由于噪音的干擾和能量的損失會(huì)發(fā)生畸變和衰減。n在模擬信號(hào)中，每隔一定的距離就要通過(guò)放放大器大器來(lái)放大信號(hào)的強(qiáng)度，但在放大信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí)也放大了由噪音引起的信號(hào)失真。數(shù)字傳輸n數(shù)字傳輸關(guān)心的

8、是信號(hào)的內(nèi)容。n不論傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)還或模擬信號(hào)，只要它代表了0和1變化模式的數(shù)據(jù)，就可以采用數(shù)字傳輸。n在數(shù)字傳輸中，每隔一定的距離不是采用放大器來(lái)放大衰減和失真的信號(hào)，而是采用轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)器來(lái)代替。n在長(zhǎng)距離傳輸中，數(shù)字傳輸技術(shù)已逐步取代早先的模擬傳輸技術(shù)。但在諸如局域網(wǎng)這種近距離的通信中，模擬傳輸技術(shù)仍由一席之地。話音模擬傳輸模擬數(shù)字模擬模擬CODEC數(shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)字編碼數(shù)字模擬數(shù)據(jù)，模擬信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)10101010模擬信號(hào)的脈碼調(diào)制n發(fā)送端，將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的裝置稱(chēng)為編碼器n接收端，將接收到的數(shù)字信號(hào)復(fù)原成模擬信號(hào)的裝置則稱(chēng)為解碼器n雙向

9、通信，使用既能編碼又能解碼的裝置，即編碼解碼器。n模擬信號(hào)通過(guò)編碼解碼器進(jìn)行數(shù)字傳輸?shù)墓ぷ鬟^(guò)程示意圖如下圖：codeccodec模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)圖 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸n將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的常用方法是脈碼調(diào)制PCM。n脈碼調(diào)制的過(guò)程由取樣、量化和編碼構(gòu)成。n取樣：取樣就是按照一定的時(shí)間間隔采樣測(cè)量模擬信號(hào)幅值。n量化：量化的步驟就是將取樣點(diǎn)測(cè)量的信號(hào)幅值分級(jí)取整的過(guò)程n編碼 ：編碼就是將量化后的整數(shù)值用二進(jìn)制來(lái)表示模擬信號(hào)的脈碼調(diào)制模擬信號(hào)的脈碼調(diào)制PCM用于數(shù)字語(yǔ)音系統(tǒng)用于數(shù)字語(yǔ)音系統(tǒng)n聲音分為聲音分為128個(gè)量化級(jí)；個(gè)量化級(jí)；n每個(gè)量化級(jí)采用每個(gè)量化級(jí)采用7位二進(jìn)制編碼表示；位

10、二進(jìn)制編碼表示；n采樣速率為采樣速率為8000樣本樣本/秒；秒；n數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到7位位8000/秒秒 =56kb/s；n如果每個(gè)量化級(jí)采用如果每個(gè)量化級(jí)采用7+1=8位二進(jìn)制編碼表示位二進(jìn)制編碼表示;n數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到8位位8000/秒秒 = 64kb/s。PCM轉(zhuǎn)換過(guò)程舉例轉(zhuǎn)換過(guò)程舉例D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.270.30.620.61.281.31.521.51.261.30.730.70.410.40.120.1(a)樣本量化級(jí)二進(jìn)制編碼編碼信號(hào)0001010001111101111111010110001136

11、131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)數(shù)字信號(hào)的編碼技術(shù)數(shù)字信號(hào)的編碼技術(shù)n不歸零制不歸零制(NRZ，Non-Return to Zero)n二進(jìn)制數(shù)字二進(jìn)制數(shù)字0、1分別用兩種電平來(lái)表示。分別用兩種電平來(lái)表示。5V表示表示0，5V表示表示1n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：n存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器；存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器；n不具備自同步機(jī)制，必須使用外同步不具備自同步機(jī)制，必須使用外同步數(shù)字信號(hào)的編碼技術(shù)數(shù)字信號(hào)的編碼技術(shù)n曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼(Manchester code)n用電壓的變化表示用電壓的變化表示0和和1。n規(guī)定在每個(gè)碼元的中間發(fā)生跳變：規(guī)定在每個(gè)碼元

12、的中間發(fā)生跳變：n 高高 低的跳變低的跳變1，低，低高的跳變高的跳變0n每個(gè)碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此變化提取每個(gè)碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此變化提取出來(lái)作為同步信號(hào)，使接收端的時(shí)鐘與發(fā)送設(shè)備的時(shí)出來(lái)作為同步信號(hào)，使接收端的時(shí)鐘與發(fā)送設(shè)備的時(shí)鐘保持一致。曼徹斯特編碼也稱(chēng)為自同步碼。它具有鐘保持一致。曼徹斯特編碼也稱(chēng)為自同步碼。它具有自同步機(jī)制，無(wú)需外同步信號(hào)。自同步機(jī)制，無(wú)需外同步信號(hào)。n 缺點(diǎn)：需要雙倍的傳輸帶寬（即信號(hào)速率是數(shù)據(jù)速率缺點(diǎn)：需要雙倍的傳輸帶寬（即信號(hào)速率是數(shù)據(jù)速率的的2倍）。倍）。n差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼(Differential Manchester

13、 code)n與曼徹斯特編碼相同，在每個(gè)碼元的中間，信號(hào)都與曼徹斯特編碼相同，在每個(gè)碼元的中間，信號(hào)都會(huì)發(fā)生跳變；不同之處在于：會(huì)發(fā)生跳變；不同之處在于：n用在碼元開(kāi)始處有無(wú)跳變來(lái)表示用在碼元開(kāi)始處有無(wú)跳變來(lái)表示0和和1 ：n碼元開(kāi)始處有跳變碼元開(kāi)始處有跳變0n碼元開(kāi)始處無(wú)跳變碼元開(kāi)始處無(wú)跳變1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼信號(hào)的波形數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼信號(hào)的波形01001011數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(a)非歸零碼同步時(shí)鐘(b)曼徹斯特編碼(c)差分曼徹斯特編碼2.2.3 信道的極限容量 n任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來(lái)多種干擾。 n碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真

14、就越嚴(yán)重。 數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道 n有失真，但可識(shí)別n失真大，無(wú)法識(shí)別 實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號(hào)波形接收信號(hào)波形發(fā)送信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號(hào)波形(1) 信道能夠通過(guò)的頻率范圍n1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值。n在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問(wèn)題，使接收端對(duì)碼元的判決（即識(shí)別）成為不可能。n如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過(guò)的信號(hào)高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。 奈奎斯特

15、公式（無(wú)熱噪音）nC=2Hlog2 L b/snH是信道的帶寬，L表示某給定時(shí)刻數(shù)字信號(hào)可能取得的離散值的個(gè)數(shù)。C是該信道最大的數(shù)據(jù)速率。(2) 信噪比 n香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無(wú)差錯(cuò)的信息傳輸速率。n信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為n C = W log2(1+S/N) b/s nW 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；nS 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；nN 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。nS/N為信噪比，單位為分貝(db)。 香農(nóng)公式表明 n信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 n只要信息傳輸速率低于信道的

16、極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。 n若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒(méi)有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒(méi)有上限。n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。 請(qǐng)注意 n對(duì)于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個(gè)碼元攜帶更多比特的信息量。 波特率vs.比特率n碼元速率：n每秒信號(hào)狀態(tài)變化的次數(shù)，以波特（Baud）作為單位,波特率，也叫調(diào)制速率 。n碼元速率和數(shù)據(jù)速率之間的關(guān)系：n C=B Log2Ln比特率取決

17、于波特率和信號(hào)編碼方式，比特率不一定等于波特率。n若電壓0，1，2，3，4，5，6，7被使用，那么每個(gè)信號(hào)可代表3個(gè)比特，因而比特率是波特率的三倍。n當(dāng)信號(hào)只用0和1 來(lái)代表時(shí)，波特率=比特率2.3 物理層下面的傳輸媒體無(wú)線電微波紅外線可見(jiàn)光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調(diào)幅無(wú)線電 調(diào)頻無(wú)線電 海事無(wú)線電光纖電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 10

18、18 1020 1022 1024 移動(dòng)無(wú)線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體n雙絞線n屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)n無(wú)屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同軸電纜n50 同軸電纜n75 同軸電纜n光纜 各種電纜銅線銅線聚氯乙烯 套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無(wú)屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜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） 包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層

19、)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}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2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體 n無(wú)線傳輸所使用的頻段很廣。n短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質(zhì)量較差。n微波在空間主要是直線傳播。 n地面微波接力通信n衛(wèi)星通信 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 n復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用分用(a) 不使用復(fù)用技術(shù)(b) 使用復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)用 FDM(Frequency Division Multiplexin

20、g) n用戶(hù)在分配到一定的頻帶后，在通信過(guò)程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。n頻分復(fù)用的所有用戶(hù)在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源（請(qǐng)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）。 頻率時(shí)間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 5時(shí)分復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing) n時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀（TDM 幀）。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶(hù)在每一個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。n每一個(gè)用戶(hù)所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是 TDM 幀的長(zhǎng)度）。nTDM 信號(hào)也稱(chēng)為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。n時(shí)分復(fù)用的所有用戶(hù)是在不同的時(shí)間占用同樣的頻

21、帶寬度。時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi)

22、 ABCDaabbcdb cattttt4 個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶(hù)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(hù)對(duì)分配到的子信道的利用率一般是不高的。 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM(Statistic TDM) 用戶(hù)ABCDabcdttttt3 個(gè) STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)n北美、日本n歐洲、中國(guó)、南美E1標(biāo)準(zhǔn)n每每125us為一個(gè)時(shí)間片，每時(shí)間片分為為一個(gè)時(shí)間片，每時(shí)間片分為32個(gè)通道（供個(gè)通道（供32個(gè)用戶(hù)輪流使用）。個(gè)用戶(hù)輪流使用）。n 每通道占用每通道占用125 us /32=3.90625 usn

23、每通道一次傳送每通道一次傳送8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即每位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即每個(gè)二進(jìn)制位占用個(gè)二進(jìn)制位占用0.48828125 us，所以，所以nE1速率速率 = 1/0.48828125=2.048Mb/s E1-幀格式0 01 12 216163131幀同步幀同步信令信道信令信道30 路話音數(shù)據(jù)信道路話音數(shù)據(jù)信道 + 2 路控制信道路控制信道T1標(biāo)準(zhǔn)n一個(gè)使用很廣的方法是貝爾系統(tǒng)的T1載波。nT1載波能處理n復(fù)用在一起的24條話音信道。n輪流對(duì)各信道的模擬信號(hào)進(jìn)行周期性采樣，模擬信號(hào)串就被輸入到1個(gè)(而不是24個(gè))編碼解碼器進(jìn)行數(shù)字化，再將數(shù)字輸出合成一串。n 24條信道輪流將其采樣的8位數(shù)字插入輸出

24、串，其中7位是數(shù)據(jù)，1位是控制信號(hào)，從而每條信道獲得78000即56kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸和18000即8K的控制信號(hào)傳輸。n1幀包含248=192比特和1個(gè)附加的幀位，這樣每125s193比特，總的數(shù)據(jù)率為1.544Mbit/s，第193位用于幀同步。 T1-幀格式 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.2

25、波分復(fù)用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) n波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120 km光調(diào)制器光解調(diào)器2.4.3 碼分復(fù)用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n各用戶(hù)使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾。n這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類(lèi)似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 n每一個(gè)比特時(shí)間劃分為 m 個(gè)短的間隔，稱(chēng)為碼片(chip)。 碼片

26、序列(chip sequence) n每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 n例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。n發(fā)送比特 1 時(shí)，就發(fā)送序列 00011011，n發(fā)送比特 0 時(shí)，就發(fā)送序列 11100100。nS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特點(diǎn)n每個(gè)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)。n在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。 碼片序列的正交關(guān)系 n令向量 S 表示站 S

27、的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。 n兩個(gè)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(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)碼片序列的正交關(guān)系舉例 n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)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個(gè)碼片序列是正交的。 n任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。n一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1。 正交關(guān)系的另一個(gè)重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(11

28、1SSCDMA 的工作原理 S 站的碼片序列 S110ttttttm 個(gè)碼片tS 站發(fā)送的信號(hào) SxT 站發(fā)送的信號(hào) Tx總的發(fā)送信號(hào) 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2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)1. 脈碼調(diào)制 PCM 體制 n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。n由于歷史上的原因，PCM 有兩個(gè)互不兼容的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的 24 路 PCM（簡(jiǎn)稱(chēng)為 T1）和歐洲的 30 路 PCM（簡(jiǎn)稱(chēng)為 E1）。我國(guó)采用的是歐洲的 E1 標(biāo)準(zhǔn)。nE1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。n當(dāng)需要有

29、更高的數(shù)據(jù)率時(shí)，可采用復(fù)用的方法。 2. 同步光纖網(wǎng) SONET 和同步數(shù)字系列 SDH n舊的數(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(gè)方面： n速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。n如果不對(duì)高次群的數(shù)字傳輸速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實(shí)現(xiàn)。 n不是同步傳輸。n在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，各國(guó)的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式。 同步光纖網(wǎng) SONETn同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network) 的各級(jí)時(shí)鐘都來(lái)自一個(gè)非常精確的主時(shí)鐘。 n第 1 級(jí)同步傳送信號(hào) STS-1 (Synchronous Transport Signal)的傳輸速率是 5

30、1.84 Mb/s。n光信號(hào)則稱(chēng)為第 1 級(jí)光載波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 同步數(shù)字系列 SDH nITU-T 以美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) SONET 為基礎(chǔ)，制訂出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。n一般可認(rèn)為 SDH 與 SONET 是同義詞。nSDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱(chēng)為第 1 級(jí)同步傳遞模塊 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當(dāng)于 SONET 體系中的 OC-3 速率。 線路速率(Mb/s)SONET符號(hào)ITU-T符號(hào)表示線路速率的常用近似值 51

31、.840OC-1/STS-1 155.520OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/s39813.120 OC-768/STS-768 STM-256 40 Gb/s SONET 的 OC 級(jí)/

32、STS 級(jí)與 SDH 的 STM 級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 SONET 的體系結(jié)構(gòu) 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(fù)用器或分用器復(fù)用器或分用器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器段段段路徑 (path)(section)(section)(section)SONET 標(biāo)準(zhǔn)定義了四個(gè)光接口層 n光子層(Photonic Layer)n處理跨越光纜的比特傳送。n段層(Section Layer)n在光纜上傳送 STS-N 幀。n線路層(Line Layer)n負(fù)責(zé)路徑層的同步和復(fù)用。n路徑層(Path Layer) n處理路徑端接

33、設(shè)備 PTE (Path Terminating Element)之間的業(yè)務(wù)的傳輸。 2.6 寬帶接入技術(shù)2.6.1 xDSL技術(shù)nxDSL 技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶(hù)線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。n雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號(hào)的頻帶被限制在 3003400 kHz 的范圍內(nèi)，但用戶(hù)線本身實(shí)際可通過(guò)的信號(hào)頻率仍然超過(guò) 1 MHz。nxDSL 技術(shù)就把 04 kHz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來(lái)沒(méi)有被利用的高端頻譜留給用戶(hù)上網(wǎng)使用。nDSL 就是數(shù)字用戶(hù)線(Digital Subscriber Line)的縮寫(xiě)。而 DSL 的前綴 x 則表示在數(shù)字用戶(hù)線上實(shí)現(xiàn)的不同寬帶方案。 xD

34、SL 的幾種類(lèi)型 nADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)線nHDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶(hù)線nSDSL (Single-line DSL)：1 對(duì)線的數(shù)字用戶(hù)線nVDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字用戶(hù)線nDSL ：ISDN 用戶(hù)線。nRADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應(yīng) DSL，是 ADSL 的一個(gè)子集，可自動(dòng)調(diào)節(jié)線路速率）。 ADSL 的極限傳輸距離nADSL 的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶(hù)線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶(hù)線越細(xì)，信號(hào)傳輸時(shí)的衰減就越大）

35、，而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實(shí)際的用戶(hù)線上的信噪比密切相關(guān)。n例如，0.5 毫米線徑的用戶(hù)線，傳輸速率為 1.5 2.0 Mb/s 時(shí)可傳送 5.5 公里，但當(dāng)傳輸速率提高到 6.1 Mb/s 時(shí)，傳輸距離就縮短為 3.7 公里。n如果把用戶(hù)線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里 ADSL 的特點(diǎn)n上行和下行帶寬做成不對(duì)稱(chēng)的。n上行指從用戶(hù)到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶(hù)。nADSL 在用戶(hù)線（銅線）的兩端各安裝一個(gè) ADSL 調(diào)制解調(diào)器。n我國(guó)目前采用的方案是離散多音調(diào) DMT (Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多

36、音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。DMT 技術(shù)nDMT 調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中 25 個(gè)子信道用于上行信道，而 249 個(gè)子信道用于下行信道。n每個(gè)子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬（嚴(yán)格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對(duì)用戶(hù)線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。DMT 技術(shù)的頻譜分布 頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道(kHz)401381100ADSL 的數(shù)據(jù)率n由于用戶(hù)線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶(hù)線的干擾程度等都

37、不同），因此 ADSL 采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)使用戶(hù)線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。n當(dāng) ADSL 啟動(dòng)時(shí)，用戶(hù)線兩端的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器就測(cè)試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個(gè)頻率上測(cè)試信號(hào)的傳輸質(zhì)量。nADSL 不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對(duì)于質(zhì)量很差的用戶(hù)線甚至無(wú)法開(kāi)通 ADSL。n通常下行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之間，而上行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之間。ADSL 的組成 ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶(hù)線 電話分離器 區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至 ISP居民家庭基于 ADSL 的接入網(wǎng)端局或遠(yuǎn)端站DSLAM至本地電話局PSPS數(shù)字用戶(hù)線接

38、入復(fù)用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接單元 ATU (Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表遠(yuǎn)端 Remote）電話分離器 PS (POTS Splitter) 第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）n通過(guò)提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。例如，ADSL2 要求至少應(yīng)支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 則將頻譜范圍從 1.1 MHz 擴(kuò)展至2.2 MHz，下行速率可達(dá) 16 Mb

39、/s（最大傳輸速率可達(dá)25 Mb/s），而上行速率可達(dá) 800 kb/s。n采用了無(wú)縫速率自適應(yīng)技術(shù) SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在運(yùn)營(yíng)中不中斷通信和不產(chǎn)生誤碼的情況下，自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)率。n改善了線路質(zhì)量評(píng)測(cè)和故障定位功能，這對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)水平具有非常重要的意義。2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)HFC (Hybrid Fiber Coax)nHFC 網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng) CATV 的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。nHFC 網(wǎng)除可傳送 CATV 外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)。n現(xiàn)有的 CATV 網(wǎng)是樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用對(duì)電視節(jié)目進(jìn)行單向傳輸。而 HFC 網(wǎng)則需要對(duì) CATV 網(wǎng)進(jìn)行改造， HFC 的主要特點(diǎn) (1) HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖nHFC