第2章 物理層 _2

1、1 第第 2 章章 物物 理理 層層 2.1 物理層的基本概念物理層的基本概念 2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識 2.3 物理層下面的傳輸媒體物理層下面的傳輸媒體 2.4 模擬傳輸與數(shù)字傳輸模擬傳輸與數(shù)字傳輸 2.5 數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸 2.6 寬帶接入技術(shù)寬帶接入技術(shù) 2 2.1 物理層的基本概念 l物理層的任務(wù)：在連接各計算機(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 l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，有時被稱為0層； l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

2、提供統(tǒng)一的服務(wù)。 現(xiàn)有計算機(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 傳輸 系統(tǒng) 輸 入 信 息 輸 入 數(shù) 據(jù) 發(fā)送 的信號 接收 的信號 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)字比特流模擬信號模擬信號 輸入 漢字 顯示 漢字 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng) 輸 出 信 息 PC 機(jī) 3 4 幾個術(shù)語 n數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送消息的實體。 n是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式。 n信息：數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。 n信息的表示形式可以是數(shù)值、文字、圖形、

3、聲音、圖像、動畫 等。 n信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 n數(shù)據(jù)以信號的形式傳播。 4 5 雪 六角形 涼 白色 信息信息 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 信號信號 信息：人對雪花和馬的認(rèn)識信息：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)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)度信號：電壓，光，磁場強(qiáng)度 6 n模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) n模擬數(shù)據(jù) n模擬數(shù)據(jù)的值是某個區(qū)間內(nèi)的連 續(xù)值。 n模擬數(shù)據(jù)的物理信號容易實現(xiàn)， 但不精確且容易受干擾。 n數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) n數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的值是某個區(qū)間內(nèi)的有 限個離散值。 n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 n模擬信號與數(shù)字信號 n模擬信號的

4、特點(diǎn)： n波動性； n持續(xù)變化； n包含無窮多個值； n在電信業(yè)已經(jīng)被廣泛使用超過100年。 n數(shù)字信號的特點(diǎn)： n離散性； n躍變性； n包含有限個值 n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）。 （2）。 （3）。 （4）。 下圖給出了模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號的示意圖: 9 n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。 n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。 n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 實現(xiàn)的信道。通常把邏輯信道成為

5、“連接”。 n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。 n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； n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 n碼元：是承載數(shù)據(jù)的基本信號單元。 n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） n比特率：指的是每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制比特數(shù)，速率的單位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等。 11 要注意 n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。 n一個n進(jìn)制碼元所包含的信息量為 I=l

6、og2n 位，所以 數(shù)據(jù)傳輸速率的計算公式為： C=BI=Blog2n 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。 n當(dāng)一個碼元只能表示0或1兩種狀態(tài)時，比特率就等于 波特率。 12 誤碼率 n誤碼率：是二進(jìn)制碼元在信道中被傳錯的概率。 nPe=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 。 n在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，要求誤碼率低于10-6。 n如果實際傳輸?shù)牟皇嵌M(jìn)制碼元，需折合成二進(jìn)制碼元計算 。 13 信道容量 n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.

7、2.2 有關(guān)信號的幾個基本概念 n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。 n如，無線廣播和電視信號傳播。 n雙向交替通信（半雙工通信）信息流可以在兩個方 向上傳輸，但同一時刻僅限于一個方向傳輸。 n如，對講機(jī)。 n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。 n雙向同時通信（全雙工通信）通信的雙方可以同時 發(fā)送和接收信息。 n如，計算機(jī)之間的通信。 14 15 基帶(baseband)信號 n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 n即傳送的是數(shù)據(jù)本身 n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

8、和模擬基帶信號 n基帶傳輸是在信道中直接傳送基帶信號。 n使用數(shù)字信號的傳輸都是基帶傳輸。 n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(band pass)信號 n調(diào)制：用模擬信號承載模擬數(shù)據(jù)或數(shù) 字?jǐn)?shù)據(jù)。 n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 n最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種： n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。 n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。 n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)

9、制 n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 。 n若載波信號為 Acos(2ft+) ，則振幅調(diào)制信號可以表示 為： 00 1)ft2cos(A ) t ( S 當(dāng)當(dāng)數(shù)數(shù)字字信信號號為為 當(dāng)當(dāng)數(shù)數(shù)字字信信號號為為 振幅調(diào)制振幅調(diào)制 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為1 1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為0 0 19 頻率調(diào)制 n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。 n若載波信號為 Acos(2ft+) ，則頻率調(diào)制信號可以表示 為： 0)tf2cos(A 1)tf2cos(A )t (S 2 1 當(dāng)當(dāng)數(shù)數(shù)字字信信號號為為 當(dāng)當(dāng)數(shù)數(shù)字字信信號號為為 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為1 1

10、 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為0 0 20 相位調(diào)制 n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。 n若載波信號為 Acos(2ft+) ，則相位調(diào)制信號可以表 示為： 0)ft2cos(A 1)ft2cos(A )t(S 當(dāng)當(dāng)數(shù)數(shù)字字信信號號為為 當(dāng)當(dāng)數(shù)數(shù)字字信信號號為為 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為1 1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為0 0 21 三種類型的調(diào)制 22 n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 n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： nQAM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.

11、2.3 信道的極限容量 n任何實際的信道都不是理想的，在傳輸 信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干 擾。 n碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木?離越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真 就越嚴(yán)重。 24 25 數(shù)字信號通過實際的信道 n有失真，但可識別 n失真大，無法識別 實際的信道 （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 發(fā)送信號波形 實際的信道 （帶寬受限、有噪聲、干擾和失真） 接收信號波形 25 26 信道能夠通過的頻率范圍 n1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了 著名的奈氏準(zhǔn)則。指出在任何信道中， 碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，傳輸速?超過此上限，就會出現(xiàn)嚴(yán)重的

12、碼間串?dāng)_ 問題，使接收端對碼元的識別成為不可 能。 26 27 n他給出了理想低通信道的最高碼元傳輸 速率 = 2W Baud n如，一個無噪聲3kHz信道不能以高于 6000baud/s的速率傳輸信號。 n理想低通信道：是指 n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3 kHz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：例子： 29 (2)香農(nóng)(Shannon)定理 n噪聲通常用信噪比來表示， nS 為信道內(nèi)所傳信號的平均功率； nN

13、為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 n信噪比：S/N n噪聲的單位是分貝（db）：10log10S/N 29 30 n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。 n信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為: C = W log2(1+S/N) bit/s nW 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）； n實際信道上能夠達(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 n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 。這就需要采用(又稱為

14、多進(jìn) 制)的調(diào)制方法。 n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 n雙絞線 n屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair) n無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同軸電纜 n50 同軸電纜 n75 同

15、軸電纜 n光纜 34 35 （1）雙絞線 n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。 n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。 n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 n常用的雙絞線，根據(jù)其電氣性能，可以分為六類。 n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)10bps，5類雙絞線傳輸速率 可達(dá)100bps。它們之間的區(qū)別在于單位

16、長度的絞合 次數(shù)不同：3類的絞合長度為7.5cm10cm，5類為 0.6cm0.85cm。 38 雙絞線 類別 帶寬典型應(yīng)用 316 MHz低速網(wǎng)絡(luò)；模擬電話 420 MHz16Mbps令牌環(huán)局域網(wǎng)；短距離的10BASE-T以太 網(wǎng) 5100 MHz10BASE-T以太網(wǎng)；某些100BASE-T快速以太網(wǎng) 5E（超5 類） 100 MHz100BASE-T快速以太網(wǎng)；某些1000BASE-T千兆以 太網(wǎng) 6250 MHz1000BASE-T千兆以太網(wǎng)；ATM網(wǎng)絡(luò) 7600 MHz屏蔽雙絞線，可能用于今后的萬兆以太網(wǎng) 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（單股實心線或多

17、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)體內(nèi)導(dǎo)體絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣保護(hù)外層絕緣保護(hù)外層 40 n通常按特性阻抗的不同, 可分為:50同軸電纜和75同 軸電纜。 n50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。 n75 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 4141 同軸電纜 10base5 粗同軸電纜粗同軸電纜10base2 細(xì)同軸電纜細(xì)同軸電纜 42 （3）光纖 n光

18、纖（光導(dǎo)纖維）是一種直徑為8m100m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。 n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。 四四 芯芯 光光 纜纜 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

19、可產(chǎn)生全反射，無泄漏。 45 n按光纖傳輸模式的不同，可以分為： n（1）單模光纖（直徑8m10m），工作在長波長 1300,1550nm。 n（2）多模光纖（通常為50m或62.5m）,工作在長波 長850,1300nm。 輸入脈沖 輸出脈沖 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。 輸入脈沖 輸出脈沖單模光纖 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)： n （1）傳輸損耗小，中

20、繼距離長，對遠(yuǎn)距離傳輸特別 經(jīng)濟(jì)。 n （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。 n （3）無串音干擾，保密性好，不易被竊聽或截取數(shù) 據(jù)。 n （4）體積小，重量輕。 光纖的優(yōu)點(diǎn) . 48 n當(dāng)采用光纖連網(wǎng)時，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 到計算機(jī)。 nT形接頭有兩種：和。無源的T形 接頭由于完全是無源的，因此非常可靠。 49 p44 n無源的T形接頭 n有源的T形接頭實際上就是一個(如 圖2-10所示)。 50 2.7.2 非導(dǎo)向傳輸媒體 n用自由空間作為傳輸介質(zhì)來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 n特點(diǎn): 信號沿直線傳播 n適用: 架設(shè)或鋪埋

21、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)。 n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120GHZ（10921010HZ），既可傳輸 模擬信號又可傳輸數(shù)字信號，由于頻率很高，同時可以 傳輸大量信息。 傳輸質(zhì)量較高。因為工業(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

22、，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??；通信比較穩(wěn)定，通 信距離遠(yuǎn)。 缺點(diǎn)：保密性較差,造價較高，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、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用 n復(fù)用(mu

23、ltiplexing)是通信技術(shù)中的基本概 念。 信道 A1A2 B1B2 C1C2 信道 信道 A1A2 B1B2 C1C2 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 (Frequency Division Multiplexing) n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。 n頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時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）。 頻率 時間 頻率 1 頻率 2 頻率 3 頻率 4 頻率 5 55 56 n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

24、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。 n例：安徽臺940KHz，合肥臺800KHz。 n有線電視臺（CATV）也是FDM技術(shù)，F(xiàn)DM技術(shù)一般 用于模擬信號的傳輸上。 56 57 時分復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing) n時分復(fù)用則是將時間劃分為一段段等長的時分復(fù)用幀 （TDM 幀）。每一個時分復(fù)用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。 n每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就 是 TDM 幀的長度）。TDM 信號也稱為等時 (isochronous)信號。 n時分復(fù)用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶 寬

25、度。 n信道的數(shù)據(jù)傳輸率各路信號傳輸率的總和 57 58 時分復(fù)用 頻率 時間 B C DB C DB C DB C DAAAA A 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 TDM 幀 58 59 時分復(fù)用 頻率 時間 C DC DC DAAAABBBB C D B 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 TDM 幀 59 60 時分復(fù)用 頻率 時間 BDBDBDAAAA BCCCC D C 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 TDM 幀 60 61 時分復(fù)用 頻率 時間 B CB CB CAA

26、AA B CDDDD D 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 TDM 幀 61 62 時分復(fù)用可能會造成 線路資源的浪費(fèi) A B C D a ab b c d b ca t t t t t 4 個時分復(fù)用幀 #1 a c b cd 時分復(fù)用 #2#3#4 用戶 使用時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計算機(jī)數(shù)據(jù)時， 由于計算機(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)計時分復(fù)用 STDM(Statistic TDM) 用戶 A B C D a b c d t t t t t 3 個 STDM 幀 #1 a c b ab bcacd #2#3 統(tǒng)

27、計時分復(fù)用 63 n先來先服務(wù)原則：先來先服務(wù)原則： 動態(tài)分配時間片給每個低速線路 n方法：方法：輪流詢問每一路: 如果有數(shù)據(jù)要發(fā)，則分配時間片； 如果無數(shù)據(jù)要發(fā)，跳過該站，不分配時間片。 當(dāng)一幀數(shù)據(jù)放滿就發(fā)送出去。 n開銷：開銷： 對每一個時間片的 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： n10個9.6Kb/s的信道按時分多路復(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、

28、 96Kb 2、 96Kb * 0.3 / 0.9 = 32Kb 66 2.4.2 波分復(fù)用 WDM (Wavelength Division Multiplexing) 66 n這是一種光波分割式多路復(fù)用技術(shù)。 n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。 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7 0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552

29、nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm n波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。 8 2.5 Gb/s 1310 nm 20 Gb/s 復(fù) 用 器 分 用 器 EDFA 120 km 光調(diào)制器光解調(diào)器 67 l 8路傳輸速率均為2.5 Gbit/s的光載波(其波長均為1310 nm)，經(jīng)光的調(diào)制后，分別將波長變換到1550 1557 nm，每個光載波相隔1 nm (這里只是為了說明問題的方 便，實際上光載波的間隔一般是0.8或1.6 nm)。 lEDFA: 光的放大器, 直接放大光信號 68 2.4.3 碼分復(fù)用 CDM(Code Divi

30、sion Multiplexing) n常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 nCDMA在無線LAN和蜂窩技術(shù)中應(yīng)用很廣泛 n每一個用戶可以在同樣時間使用同樣的頻帶 進(jìn)行通信 n CDMA的基本技術(shù)之一是擴(kuò)頻 68 69 nCDMA中，每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼 片(chip)。 n每個站被指派一個唯一的 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，就

31、發(fā)送序列 00011011， n發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。 n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b bit/s時，其實際發(fā)送速率提高到了mb bit/s,同時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（spread spectrum）通信中的一種。 70 n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) nCDMA 的重要特點(diǎn) n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)。 n碼片序列的正交關(guān)系 n令向量 S 表示站 S

32、 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的 碼片向量。 n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(inner product)都是 0： 0 1 1 m i iiT S m TS (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 n正交關(guān)系的另一個重要特性 n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 。 n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

33、+1 1 +1 +1), m i m i i m i ii m S m SS m 11 22 1 1) 1( 111 SS 72 S 站的碼片序列站的碼片序列 S 110 t t t t t t m 個碼 片 t S 站發(fā)送的信號站發(fā)送的信號 Sx T 站發(fā)送的信號站發(fā)送的信號 Tx 總的發(fā)送信號總的發(fā)送信號 Sx + Tx 規(guī)格化內(nèi)積規(guī)格化內(nèi)積 S Sx 規(guī)格化內(nèi)積規(guī)格化內(nèi)積 S Tx 數(shù)據(jù)碼元比特數(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)送信息的疊加接收站接收到的是各站發(fā)送信息的疊加假定所有

34、站發(fā)送的碼片是同步的。 接收站使用接收站使用S 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)項為信號被過濾：內(nèi)積相關(guān)項為0 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（Pulse Code Modulation） 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)。 nE

35、1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。 n當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時，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 n對模擬信號定時取樣，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。 n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 125S，每125S取一個樣本。 n一個話路的的模擬電話信號，經(jīng)模數(shù)變化后，變?yōu)槊棵?/p>

36、8000個脈沖信號 （2）量化 n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 n把量化后的樣本值編碼為數(shù)字信號。 n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 n為了有效利用傳輸線路，通常將許多話路的 PCM信號用時分復(fù)用的方式封裝成幀。 nE1： n一個時分復(fù)用幀長為125s,共劃分為32個相等的時隙，每 個時隙傳送8bit。因此32個時隙共有256bit。每秒傳送 8000幀，因此E1一次群的數(shù)據(jù)率是2.04

37、8Mb/s。 n32個時隙中，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時分復(fù)用幀有30個話路。 nT1： n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。 n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 n當(dāng)需要更高的數(shù)據(jù)率時，可以采用復(fù)用的方法。 n如4個一次群可以構(gòu)成一個2次群。 n一個2次群的速率比4個一次群的速率要高一些，因為復(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)。

38、其中最主 要的是以下兩個方面： n速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。 n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)傳輸就很難實現(xiàn)。 n不是同步傳輸。 n在過去相當(dāng)長的時間，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 n同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network) n是一種同步系統(tǒng)，各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。 nSONET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51.84 Mb/s為基礎(chǔ)，線路速率都是該基本 速率的整數(shù)倍。 n該速率對電信號稱為第 1 級同步傳送信號 STS-1 (Synchronous Trans

39、port Signal)。 n該速率對光信號則稱為第 1 級光載波 OC-1，OC 表示 Optical Carrier。 nITU-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 (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，稱為第 1 級同步傳遞 模塊 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當(dāng) 于 SONET 體系中的 OC-3 速率。 79 線路速率 (Mb/s) SONET 符號 ITU-T 符號 表示線

40、路速率 的常用近似值 51.840OC-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-6 1244.160OC-24/STS-24STM-8 2488.320OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s 4976.640OC-96/STS-96STM-32 9953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/s 39813.120 OC-768/STS-768 STM-256 40 Gb/s 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) n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 2.6.1 xDSL技術(shù) nxDSL 技術(shù)就把 04 kHz 低端頻譜留 給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利 用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。 nDSL 就是數(shù)字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的 前綴 x 則表示在數(shù)字用戶線上實現(xiàn)的 不同寬帶方案。 83 ADSL 的特點(diǎn) n上行和下行帶寬