第2章：數(shù)據(jù)通信與物理層

第二章物理層1194,195,196本章學(xué)習(xí)要求：掌握：物理層與物理層協(xié)議的基本概念。掌握：數(shù)據(jù)通信的基本概念。掌握：數(shù)據(jù)編碼的類型和基本方法。掌握：數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕靖拍?。掌握：多路?fù)用的分類與特點。掌握：傳輸介質(zhì)的基本特性。2194,195,196第2章物理層2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念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

2.2.2有關(guān)信道的幾個基本概念

2.2.3提高數(shù)據(jù)傳輸速率的途徑2.3物理層下面的傳輸媒體

3.3.1導(dǎo)引型傳輸媒體

3.3.2非導(dǎo)引型傳輸媒體3194,195,196第2章物理層（續(xù)）

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

2.4.2波分復(fù)用

2.4.3碼分復(fù)用

2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6寬帶接入技術(shù)

2.6.1ADSL技術(shù)

2.6.2光纖同軸混合網(wǎng)

2.6.3FTTx

技術(shù)2.6.4無線接入4194,195,1962.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

2.1.1信息、數(shù)據(jù)與信號

1.信息的基本概念通信的目的是交換信息，信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像，計算機產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像的組合；為了傳送這些信息，首先要將字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像用二進制代碼的數(shù)據(jù)來表示；為了傳輸二進制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它們用模擬或數(shù)字信號編碼的方式表示；數(shù)據(jù)通信是指在不同計算機之間傳送表示字母、數(shù)字、符號的二進制代碼0、1比特序列的模擬或數(shù)字信號的過程。5194,195,196信息編碼標(biāo)準ASCII碼被國際標(biāo)準化組織ISO接受，成為國際標(biāo)準ISO646，又稱為國際5號碼;它用于計算機內(nèi)碼，也用做數(shù)據(jù)通信中的編碼標(biāo)準;ASCII碼采用7位二進制比特編碼，可以表示128個字符;字符分為圖形字符與控制字符兩類。圖形字符包括數(shù)字、字母、運算符號、商用符號等。6194,195,1962.信號的概念

信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中電信號的表示形式；模擬信號（analogsignal）的信號電平是連續(xù)變化的；數(shù)字信號（digitalsignal）是用兩種不同的電平去表示0、1比特序列的電壓脈沖信號表示；按照在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘栴愋?，通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兩種。7194,195,196

模擬信號波型數(shù)字信號波型8194,195,196課件制作人：謝希仁謝鈞

2.1.2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)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機公用電話網(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9194,195,196

2.2傳輸概念

頻率、頻譜及帶寬信號的特性包括時間特性和頻率特性對信號時間特性的分析在時域（TimeDomain）上進行振幅、頻率、相位是在時域上描述信號的主要參數(shù)在時域上表示信號的圖象稱為時域圖任一信號都可看成由某個頻率范圍內(nèi)的頻譜成分組成信號的頻率特性對信號帶寬和數(shù)據(jù)率等至關(guān)重要對信號頻率特性的分析在頻域（FrequencyDomain）上進行在頻域上表示信號的圖象稱為頻域圖頻域圖有最大振幅-頻率和相位-頻率兩種圖象在頻域上進行信號分析通常比在時域上簡便10194,195,1962.2.1時域概念連續(xù)信號隨時間平滑變化離散信號持續(xù)一恒定電平然后跳變到另一恒定電平周期信號信號模式在時間上重復(fù)非周期信號模式在時間上不重復(fù)11194,195,196連續(xù)與離散信號12194,195,196周期信號

s(t+T)=s(t)(-∞<t<+∞)13194,195,196正弦波—最簡單的周期信號

s(t)=Asin(2πft+)

最大振幅(A)

信號的最大強度電壓、電流或功率值

頻率(f)信號的變化速率每秒循環(huán)個數(shù)周期是完成一次循環(huán)所需時間(T)T=1/f相位()

相對于時間零點的位置14194,195,196改變正弦波AmplitudePhasefrequency15194,195,196改變相位

16194,195,196波長一個周期所占距離兩個連續(xù)周期中具有相同相位的兩點間距離波長

、信號的速度v與周期T（或頻率f

）三者關(guān)系f=v(=vT

)v=2×108m/s(speedofwaveinguidedmedium)c=3×108m/s(speedofwaveinfreespace)17194,195,1962.2.2頻域概念信號通常由若干頻率成分組成這些成分是正弦波可以證明（傅里葉分析）任何信號都是由不同頻率的正弦波組成的．可以畫出頻域圖問題：信號分析可以把復(fù)合信號分解為簡單信號分量的疊加，為什么這種分解在頻域上比在時域上方便，尤其對非周期函數(shù)？舉例說明

提示：從計算和圖示兩方面考慮18194,195,196周

期

方

波

信

號

的

構(gòu)

成

πππππ19194,195,196

方波頻率分量20194,195,196

時域和頻域表示

21194,195,1962.2.3數(shù)據(jù)率和頻帶的關(guān)系任何傳輸系統(tǒng)具有有限的頻帶由此限制了可以運載的數(shù)據(jù)速率22194,195,196可以看出信號中心頻率（基頻）決定了數(shù)據(jù)率信號的帶寬必須適應(yīng)傳輸信道帶寬，不能超出信道帶寬限制如果信道帶寬增加，在保持信號質(zhì)量不變的前提下數(shù)據(jù)率也隨之增加如果在帶寬不增加的情況下單純追求數(shù)據(jù)率的提高，是以犧牲信號質(zhì)量為代價的23194,195,196討論任何數(shù)字波形都具有無限的帶寬數(shù)字信號的能量主要集中在信號的基頻附近根據(jù)中心頻率（基頻）可估算出數(shù)字信號數(shù)據(jù)率傳輸信號的帶寬受限于傳輸媒體帶寬越受限制，差錯機會越多24194,195,1962.3信道容量兩個重要定理：奈奎斯特準則香農(nóng)定理25194,195,1962.3.1信道的最高碼元傳輸速率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。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。26194,195,196奈氏(Nyquist)準則理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaud

W是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)不能通過能通過0頻率(Hz)W(Hz)每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒

2碼元。Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個碼元。

27194,195,196要強調(diào)以下兩點實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準則給出上限數(shù)值。波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念。波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€碼元）。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。比特是信息量的單位。

28194,195,196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)量上卻有一定的關(guān)系。若1個碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。若1個碼元攜帶nbit的信息量，則

MBaud的碼元傳輸速率所對應(yīng)的信息傳輸速率為M

n

b/s。29194,195,1962.3.2信道的極限信息傳輸速率香農(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、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為

C=Wlog2(1+S/N)b/s

W為信道的帶寬（以Hz為單位）；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。

30194,195,196香農(nóng)公式表明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。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當(dāng)然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。31194,195,1962.3.3提高數(shù)據(jù)傳輸速率的途徑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。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。32194,195,196數(shù)字信號通過實際的信道失真不嚴重失真嚴重實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴重)輸入信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴重)33194,195,196提高數(shù)據(jù)傳輸速率的途徑首先，要使用更好的傳輸媒體。其次，使用先進的編碼和調(diào)制技術(shù)。但不管采用怎樣好的傳輸媒體和怎樣先進的調(diào)制技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率總是受限的，不可能任意地提高，否則就會出現(xiàn)較多的差錯。34194,195,1962.4模擬數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸在計算機中，數(shù)據(jù)是以離散的二進制“0”、“1”比特序列方式表示的。計算機數(shù)據(jù)在傳輸過程中的數(shù)據(jù)編碼類型主要取決于它采用的通信信道所支持的數(shù)據(jù)通信類型。通信信道分為模擬信道和數(shù)字信道，而依賴于信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)的編碼方法包括數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制和模擬數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制。35194,195,196數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼模擬數(shù)據(jù)－－模擬信號傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)－－模擬信號傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)－－數(shù)字信號傳輸模擬數(shù)據(jù)－－數(shù)字信號傳輸36194,195,1962.4.1模擬數(shù)據(jù)的模擬信號傳輸為何調(diào)制模擬信號?高頻可以更有效的傳輸允許頻分復(fù)用調(diào)制類型調(diào)幅（AM）調(diào)頻（FM）調(diào)相（PM）37194,195,196載波信號sin2πfc

t原始模擬信號m(t)調(diào)制后信號s(t)38194,195,19639194,195,196傳統(tǒng)的電話通信信道是為傳輸語音信號設(shè)計的，只適用于傳輸音頻范圍（300Hz～3400Hz）的模擬信號，無法直接傳輸計算機的數(shù)字信號；為了利用模擬語音通信的電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機的數(shù)字數(shù)據(jù)信號的傳輸，必須首先將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；將發(fā)送端數(shù)字數(shù)據(jù)信號變換成模擬數(shù)據(jù)信號的過程稱為調(diào)制，將調(diào)制設(shè)備稱為調(diào)制器（modulator）；將接收端模擬數(shù)據(jù)信號還原成數(shù)字數(shù)據(jù)信號的過程稱為解調(diào)，將解調(diào)設(shè)備稱為解調(diào)器（demodulator）；同時具備調(diào)制與解調(diào)功能的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器（modem）。

2.4.2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的模擬信號傳輸40194,195,196

41194,195,196在調(diào)制過程中，選擇音頻范圍內(nèi)的某一角頻率ω的正（余）弦信號作為載波，該正（余）弦信號可以寫為：

u（t）=um·sin（ωt+φ0）3個可以改變的電參量：—振幅um

—角頻率ω—相位φ可以通過變化3個電參量，來實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)信號編碼的目的。1.幅移鍵控

2.頻移鍵控

3.相移鍵控42194,195,1961.幅移鍵控（amplitudeshiftkeying,ASK）

um·sin（ω1t+φ0）數(shù)字1

u（t）=0

數(shù)字0振幅鍵控ASK信號實現(xiàn)容易，技術(shù)簡單，但抗干擾能力較差。43194,195,1962.頻移鍵控（frequency-shiftkeying

，F(xiàn)SK）

um·sin（ω1t+φ0）數(shù)字1

u（t）=um·sin（ω2t+φ0）數(shù)字0移頻鍵控FSK信號實現(xiàn)容易，技術(shù)簡單，抗干擾能力較強，是目前最常用的調(diào)制方法之一。

44194,195,1963.相移鍵控（phase-shiftkeying，PSK）

絕對調(diào)相

um·sin（ωt+0）數(shù)字1

u（t）=um·sin（ωt+π）數(shù)字0移相鍵控可以分為：絕對調(diào)相相對調(diào)相

二相調(diào)相多相調(diào)相45194,195,1962.4.3數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳輸基帶傳輸在基本不改變數(shù)字數(shù)據(jù)信號頻帶（即波形）的情況下直接傳輸數(shù)字信號，可以達到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率與系統(tǒng)效率;在基帶傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)信號的編碼方式主要有：非歸零碼NRZ；

曼徹斯特（manchester）編碼；差分曼徹斯特（differencemanchester）編碼。46194,195,1961.非歸零碼NRZ編碼方法：高電平：表示：“1”

零電平：表示：“0”NRZ碼的缺點是無法判斷一位的開始與結(jié)束，收發(fā)雙方不能保持同步；為保證收發(fā)雙方的同步，必須在發(fā)送NRZ碼的同時，用另一個信道同時傳送同步信號；如果信號中“1”與“0”的個數(shù)不相等時，存在直流分量。47194,195,1962.曼徹斯特（manchester）編碼曼徹斯特編碼的規(guī)則：每一位的中間有一個跳變；跳變從高到低：表示“0”。跳變從低到高：表示“1”曼徹斯特編碼的優(yōu)點：每個比特的中間有一次電平跳變，兩次電平跳變的時間間隔可以是T/2或T；利用電平跳變可以產(chǎn)生收發(fā)雙方的同步信號；曼徹斯特編碼信號又稱做“自含鐘編碼”信號，發(fā)送曼徹斯特編碼信號時無需另發(fā)同步信號。

48194,195,196差分曼徹斯特（differencemanchester）編碼差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進。每一位的中間有一個跳變；每位開始處出現(xiàn)電平跳變表示：“0”每位開始處不出現(xiàn)電平跳變表示：“1”差分曼徹斯特編碼與曼徹斯特編碼不同點主要是：每比特的中間跳變僅做同步之用；每比特的值根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變來決定;49194,195,196數(shù)字數(shù)據(jù)編碼信號的波形50194,195,1962.4.4模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號傳輸語音信號低通取樣量化編碼信道解碼語音信號發(fā)送端A/D接收端D/A51194,195,196PCM基本原理

1、PCM主要包括抽樣、量化、編碼三個過程，實現(xiàn)

A/D變換，成為二元代碼。

2、PCM編碼過程是模擬信號調(diào)制一個二進制脈沖序列，載波是脈沖序列，調(diào)制改變脈沖序列的有無，所以稱為脈碼調(diào)制。

3、解調(diào)主要由解碼和低通二個過程完成。52194,195,196采樣量化編碼四位二進制；16個量化級；編碼后的數(shù)據(jù)：0011011011011111110101110100000153194,195,196PCM用于數(shù)字語音系統(tǒng)：聲音分為128個量化級；（音頻<4KHZ）每個量化級采用7位二進制編碼表示；采樣速率為8000樣本/秒；數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達到7位×8000/秒=56kb/s；如果每個量化級采用7+1=8位二進制編碼表示;數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達到8位×8000/秒=64kb/s。采樣定理：只要采樣頻率不低于模擬信號最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號無失真的恢復(fù)出原來的模擬信號。54194,195,1962.5

多路復(fù)用技術(shù)

多路復(fù)用的基本概念55194,195,1963.5.1多路復(fù)用技術(shù)的分類頻分多路復(fù)用FDM波分多路復(fù)用WDM時分多路復(fù)用TDM碼分多路復(fù)用CDM56194,195,1962.5.2頻分多路復(fù)用在一條通信線路設(shè)計多路通信信道;每路信道的信號以不同的載波頻率進行調(diào)制;各個載波頻率是不重疊的,那么一條通信線路就可以同時獨立地傳輸多路信號。57194,195,196復(fù)用的時域圖58194,195,196復(fù)用的頻域圖59194,195,196解復(fù)用的時域圖60194,195,196解復(fù)用的頻域圖61194,195,196北美無線電視頻道頻率分配62194,195,196

2.5.3波分多路復(fù)用

光纖通道（fiberopticchannel）技術(shù)采用了波長分隔多路復(fù)用方法，簡稱為波分復(fù)用WDM;在一根光纖上復(fù)用80路或更多路的光載波信號稱為密集波分復(fù)用DWDM；目前一根單模光纖的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到26Tb/s。63194,195,196波分復(fù)用圖示64194,195,196課件制作人：謝希仁謝鈞1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分復(fù)用WDM波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器65194,195,1962.5.4時分多路復(fù)用

TDM-時分多路復(fù)用

（同步時分復(fù)用）傳輸媒體數(shù)據(jù)率超出要傳輸?shù)臄?shù)字信號的數(shù)據(jù)率多個數(shù)字信號在時間上交錯傳輸可以是比特級、字符級或數(shù)據(jù)塊級的交錯時隙（Timeslot）預(yù)分配給數(shù)據(jù)源，且是固定的即使無數(shù)據(jù)也分配時隙STDM–統(tǒng)計時分復(fù)用（異步時分復(fù)用）只把時隙分配給發(fā)送的數(shù)據(jù)源

66194,195,196TDM時分多路復(fù)用67194,195,196TDM復(fù)用示例68194,195,196TDM解復(fù)用示例69194,195,196時分多路復(fù)用的分類

同步時分多路復(fù)用

統(tǒng)計時分多路復(fù)用

70194,195,1962.5.5碼分復(fù)用CDM常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

71194,195,196碼片序列(chipsequence)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制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列00011011，發(fā)送比特0時，就發(fā)送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)72194,195,196CDMA的重要特點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)。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。73194,195,196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：(3-4)74194,195,196碼片序列的正交關(guān)系舉例令向量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(3-4)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。75194,195,196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。正交關(guān)系的另一個重要特性76194,195,196CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm

個碼片tS站發(fā)送的信號SxT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77194,195,1962.6數(shù)字載波系統(tǒng)TDM應(yīng)用舉例：T1數(shù)字載波系統(tǒng)24路音頻信道復(fù)用在一條通信線路上；每路音頻模擬信號在送到多路復(fù)用器之前，要通過一個PCM編碼器；編碼器每秒取樣8000次；24路PCM信號的每一路輪流將一個字節(jié)插入到幀中；每個字節(jié)的長度為8位，其中7位是數(shù)據(jù)位，1位用于信道控制；每幀由24×8=192位組成，附加一位作為幀開始標(biāo)志位，所以每幀共有193位；發(fā)送一幀需要125微秒；(=1秒/8000次)T1載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.544Mb/s(=193*8000幀)。78194,195,196數(shù)字載波系統(tǒng)79194,195,196T-1幀80194,195,196PCM24路數(shù)字載波系統(tǒng)——T-1線路81194,195,196北美多路數(shù)字載波系統(tǒng)分級結(jié)構(gòu)82194,195,196PCM30/32路數(shù)字載波系統(tǒng)(E1線路）幀結(jié)構(gòu)與時隙-每幀由32個時隙組成，每個時隙8比特，每幀共256比特-同步時隙：第0時隙-信令時隙：第16時隙-話路時隙：第1時隙至第15時隙和第17時隙至第31時隙…...3101…...151617310…...…...第N幀第N+1幀第N-1幀12345678話路時隙話路時隙信令時隙同步時隙PCM采樣頻率為8KHz，1個樣本8比特。每個時隙信號速率：8Kbpsx8=64Kbps；每幀的總速率:64Kbpsx32=2.048Mbps。83194,195,196準同步數(shù)字復(fù)接系列PDH84194,195,196數(shù)字傳輸系統(tǒng)早期的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個方面：速率標(biāo)準不統(tǒng)一。如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進行標(biāo)準化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實現(xiàn)。

不是同步傳輸。在過去相當(dāng)長的時間，為了節(jié)約經(jīng)費，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準同步方式。

85194,195,196同步光纖網(wǎng)SONET同步光纖網(wǎng)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。86194,195,196

同步數(shù)字系列SDH

ITU-T以美國標(biāo)準SONET為基礎(chǔ)，制訂出國際標(biāo)準同步數(shù)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(dāng)于SONET體系中的OC-3速率。87194,195,196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-1155.520*OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080*OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/sSONET的OC級/STS級與SDH的STM級的對應(yīng)關(guān)系88194,195,1962.7數(shù)據(jù)傳輸方式并行與串行同步與異步單工、半雙工與全雙工數(shù)據(jù)傳輸并行串行同步異步89194,195,196串行通信與并行通信90194,195,196異步與同步傳輸時序問題需要一種機制來使發(fā)送器與接收器同步舉例兩種解決方案異步同步91194,195,196異步一次一個字符傳輸數(shù)據(jù)5至8個比特有時需要一個奇偶檢驗比特僅需要在每個字符內(nèi)進行定時在每個字符內(nèi)實現(xiàn)比特的同步每個字符重新同步字符間的異步92194,195,196異步傳輸圖示時鐘間隔100時鐘間隔9493194,195,196實際的起始比特和停止比特94194,195,196異步–優(yōu)點與缺點簡單廉價每個字符2至3個比特額外開銷(~20%)適用于較大時間間隔的數(shù)據(jù)(鍵盤)95194,195,196同步一次傳輸一個數(shù)據(jù)塊需要指示數(shù)據(jù)塊的開始與結(jié)束使用前文和后文面向字符的方案：以同步字符SYN開始,以結(jié)束字符END結(jié)束.面向比特的方案：以01111110字符串開始和結(jié)束。比異步更有效(額外開銷更低)舉例:HDLC48比特的控制、前文和后文每個數(shù)據(jù)塊1000字符額外開銷=48/(8x1000+48)x100%=0.6%96194,195,196兩種同步方案面向字符的同步方式：數(shù)據(jù)傳輸以字符串為單位，發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)信息前，先向接收端發(fā)出一個或多個同步字符SYN(編碼為00101000)。面向位的同步方式：數(shù)據(jù)傳輸以數(shù)據(jù)塊為單位，發(fā)送端在要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊的前后加上同步位模式F標(biāo)志(編碼為01111110）。SYNSYN……

一個或多個SYN字符控制字符數(shù)據(jù)字符控制字符

F……

8比特標(biāo)志控制字符數(shù)據(jù)字符控制字符8比特標(biāo)志F97194,195,196單工、半雙工與全雙工通信98194,195,1962.8傳輸介質(zhì)傳輸媒體種類雙絞線同軸電纜光纖無線電微波衛(wèi)星紅外有線媒體信道通常是抽象的描述，傳輸媒體即是物理信道。無線媒體99194,195,196傳輸媒體的基本特性物理結(jié)構(gòu)：傳輸媒體物理結(jié)構(gòu)的描述傳輸特性：通信容量、傳輸頻率、調(diào)制技術(shù)抗干擾性：對于抵御噪聲、電磁干擾等可靠性狀況

地理范圍：傳輸距離與移動性

連接情況：允許點對點或多點傳輸

應(yīng)用背景：當(dāng)前應(yīng)用及其前景，以及價格等內(nèi)容100194,195,196雙絞線(Twisted-pair)也稱雙扭線由兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線用規(guī)則的方法扭絞起來構(gòu)成101194,195,196雙絞線一、局域網(wǎng)中的傳輸介質(zhì)1、雙絞線雙絞線就是由兩根相互絕緣的導(dǎo)線絞合而成。（普通的電話線就是一種雙絞線）雙絞線電纜就是由一對或多對雙絞線和一個保護套構(gòu)成。102194,195,196雙絞線雙絞線的分類：（1）按屏蔽與否可以分為屏蔽雙絞線（STP）和非屏蔽雙絞線（UTP），其中屏蔽雙絞線可以防止竊聽，安全性高，但造價也很高。局域網(wǎng)組建中使用最多的是UTP。103194,195,196UTP雙絞線2）按規(guī)格和性能的不同可以分為：三類、四類、五類、超五類、六類、七類。它們的性能依次增強。局域網(wǎng)中最為流行的雙絞線為三類和五類線。其中三類線應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbps的網(wǎng)絡(luò)中；五類線應(yīng)用于速率為100Mbps網(wǎng)絡(luò)中?，F(xiàn)在千兆以太網(wǎng)和萬兆以太網(wǎng)也在蓬勃的發(fā)展，特別是千兆網(wǎng)。其使用的雙絞線一般為超五類和六類線。104194,195,196UTP電纜的近端串?dāng)_與衰減的限制

（三類、四類和五類線）單位：dB105194,195,196AvayaGigaspeedUTPWires10BASE-T100BASE-TX/T41000BASE-T106194,195,196AvayaRJ-45Jakes107194,195,196AvayaUTPInsideofRJ45Jack108194,195,1964對線的UTP與RJ-45的連接

TIA/EIA-568A

RJ-45

UTP線對引腳線顏色1綠白2綠3橙白4藍5藍白6橙7棕白8棕TRTRTRTR12345678對3對4對2對1109194,195,196對線的UTP與RJ-45的另一種可選連接

TIA/EIA-568BTRTRTRTR12345678對2對4對1

RJ-45

UTP線對引腳線顏色1

橙白2橙3綠白4藍5藍白6綠7棕白8棕110194,195,196雙絞線的使用棕白棕綠白藍藍白綠橙白橙另一頭棕白棕綠白藍藍白綠橙白橙一頭87654321直連網(wǎng)線棕白棕橙白藍藍白橙綠白綠另一頭棕白棕綠白藍藍白綠橙白橙一頭87654321交叉線111194,195,196RJ-45

制作112194,195,196同軸電纜(CoaxialCable)

由單股實心或多股絞合的銅質(zhì)芯線（內(nèi)導(dǎo)體）、絕緣層、網(wǎng)狀編織的屏蔽層(外導(dǎo)體)以及保護外層所組成113194,195,196①粗同軸電纜簡稱粗纜，用于傳送基帶數(shù)字信號.②細同軸電纜簡稱細纜，也用于傳送基帶數(shù)字信號。最大傳輸距離不及粗纜，但因比粗纜便宜而被廣泛使用。③TV電纜用于模擬傳輸系統(tǒng)，它是社區(qū)天線電視系統(tǒng)(CATV)中的標(biāo)準傳輸電纜。采用的是頻分復(fù)用的寬帶信號。同軸電纜的種類

114194,195,196雙絞線減少相鄰導(dǎo)線間的串?dāng)_。主要缺點是存在較強的趨膚效應(yīng)，隨著傳輸速率的增加，導(dǎo)線中的電流趨向于在導(dǎo)體的外層流動，從而減少可使用的有效截面積，增大導(dǎo)線的電阻和信號的衰減。雙裸線構(gòu)成的線路的串?dāng)_現(xiàn)象非常嚴重。優(yōu)缺點同軸電纜由于外導(dǎo)體的作用，外來的電磁干擾被有效地屏蔽了，因此具有很好的擾干擾特性，并且因趨膚效應(yīng)所引起的功率損失也大大減小。同時，與雙絞線相比，同軸電纜具有更寬的帶寬和更快的傳輸速率。115194,195,196光纖的基本知識（一）光光是一種電磁能量形式在真空中傳播最快，300000km/s光速與傳輸媒質(zhì)密度成反比光的自然特性折射全反射角反射（全反射）116194,195,196BendingofLightRay折射率117194,195,196Refraction(折射)在均勻物質(zhì)中光以直線形式傳播當(dāng)一束光線由某種密度的媒質(zhì)傳播到不同密度的另一種媒質(zhì)時，光線會在兩種媒質(zhì)的界面處向垂直的法線方向折射折射光線發(fā)生的角度變化取決于媒質(zhì)發(fā)生的密度變化的大?。ㄈ缢鼓鶢柖伤枋觯┕饩€從密度較低的媒質(zhì)穿入較高密度的媒質(zhì)中時，折射角小于入射角光線從密度較高的媒質(zhì)穿入較低密度的媒質(zhì)中時，折射角大于入射角118194,195,196Refraction折射角R比入射角I小折射角R比入射角I大119194,195,196CriticalAngle(全反射角)從高密度媒質(zhì)進入到低密度媒質(zhì)的光線，隨著入射角增大，折射角也增大，并逐漸遠離垂直軸而靠近水平軸入射角的變化使折射角增大到90度，折射光線完全成了沿媒質(zhì)界面?zhèn)鞑ニ焦饩€，此時的入射角稱為臨界角，或稱全反射角120194,195,196Reflection(反射)對于從高密度媒質(zhì)到低密度媒質(zhì)的光線，當(dāng)入射角大于全反射角時，就產(chǎn)生了反射光線再不會進入低密度媒質(zhì)，此時反射光線與法線之間的夾角稱為反射角在此情況下，入射角總是等于反射角121194,195,196斯涅爾反射定律斯涅爾折射定律1=1′

(1）n1sin1=n2sin2(2)

n1、n2為不同媒質(zhì)的折射率電磁場理論中的斯涅爾定理描述了入射光線與反射光線、折射光線之間的關(guān)系′122194,195,196光纖的物理構(gòu)成光纖由三部分組成：纖芯、包層和保護層。光纖的基本知識（二）123194,195,196FiberConstruction124194,195,196TypicalFiberCable125194,195,196CableStructures126194,195,196光纖的導(dǎo)光原理光纖利用全反射將光線在信道內(nèi)定向傳輸光纖中心是密度較高的石英玻璃（二氧化硅）或塑料的纖芯，外面覆蓋著密度較小的石英玻璃或塑料的包層兩種材料的密度差異必須保證能夠使纖芯中的光線只能反射回來而不能折射入包層光纖的基本知識（三）127194,195,196

*光纖的纖芯和包層材料兩者的折射率不同。設(shè)纖芯的折射率為n1，包層的折射率為n2，則要求有n1>n2。纖芯和包層構(gòu)成橫截面很小的雙層同心圓柱體，該圓柱體稱為裸光纖。128194,195,196129194,195,196光線A以入射角1A射到空氣,在分界面被折射進纖芯。折射角為2A，光線A折射進纖芯后繼續(xù)傳播，到達纖芯和包層的分界面時，因為n1>n2且1’A大于臨界角，發(fā)生全反射，2’A等于1’A。此后，入射到纖芯的光線將在包層界面上不斷發(fā)生全反射，使光線在纖芯中以“Z”折線方式傳播至另一端；光線B的入射角1B過大，使光線到達纖芯和包層的分界面時的入射角1’B小于臨界角，所以光線將折射進包層；光線C是特殊情況，它平行于纖芯軸線射入光纖，入射1C為0,光線沿著纖芯軸線傳播。130194,195,196

漸變型光纖纖芯的折射率n1是半徑r的函數(shù)，n1隨r的增加而按一定規(guī)律減小，到達與包層的交界面為n2，而包層的折射率恒為n2，這種光纖的導(dǎo)光原理與上述不同.由于n1隨r的增加按一定規(guī)律減小，因此可根據(jù)n1（r）的不同，將纖芯分成若干層.131194,195,196OpticalFiber-BenefitsGreatercapacityDataratesofhundredsofGbpsSmallersize&weightLowerattenuationElectromagneticisolation132194,195,196光纖的傳播模式多模傳播多束光線從光源經(jīng)由芯材通過不同的光路傳播；按折射率分布的不同分為兩種類型階躍模式n1、n2都為常數(shù)且n1>n2漸變模式n2為常數(shù)且n1隨r增加而有規(guī)律減小單模傳播階躍模式，因纖芯直徑很小，入射角與反射角很大，幾乎是沿軸線直線傳播133194,195,196光纖的種類按照折射率分布的不同來分134194,195,196

如果光纖只能傳輸一個光線模式，這種光纖稱為單模光纖（SingleModefiber，簡稱SM）。

如果光纖允許光線中的多個模式傳輸，這種光纖稱為多模光纖（MultiModefiber，簡稱MM）。

再根據(jù)光纖的折射率分布的不同，多模光纖又分為多模階躍型光纖和多模漸變型光纖。按照傳輸模式的多少來分135194,195,196PropagationModes136194,195,196OpticalFiberTransmissionModes137194,195,196MultimodeStep-Index光線以折線形狀傳輸，脈沖信號畸變大，用于近距離傳輸138194,195,196MultimodeGraded-Index光線以曲線形狀傳輸，脈沖信號畸變相對較小，比階躍型傳輸距離更大，傳輸距離更長139194,195,196SingleMode光線以直線傳輸，脈沖信號畸變小，用于長距離高速傳輸，當(dāng)前光纖發(fā)展的主流140194,195,196OpticalFiberComparison141194,195,196LightSource142194,195,196光纖的傳輸特性損耗特性（類似于衰減）吸收損耗（材料中雜質(zhì)吸收）散射損耗（材料、形狀、折射率分布有缺陷或不均勻）主要是瑞利散射：光纖材料折射率的隨機性變化色散特性（類似于時延失真）材料色散（材料折射率隨頻率變化引起）波導(dǎo)色散（幾何結(jié)構(gòu)、形狀不完善使光進入包層傳播）模式色散（多模光纖的主要色散，單模光纖無）143194,195,196波長衰耗單模多模多模與單模144194,195,196Avaya12-fiberOpFibBundle145194,195,196AvayaOpFibPatchWires146194,195,196MediaSpecificationsfor

Opticalfiber10BASE-F850nm光纖多模

2公里100BASE-FX2根光纖412m;全雙工2公里1000BASE-SX62.5um(275m)/50um(550m)多模1000BASE-LX62.5um(550m)多模/10um(5000m)單模147194,195,196無線傳輸介質(zhì)無線傳輸介質(zhì)（又稱為視線媒體）用自由空間作為傳輸介質(zhì)來進行數(shù)據(jù)通信。特點：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：紅外通信、無線電通信、和微波通信（微波通信又主要有兩種方式：地面微波接力通信和衛(wèi)星通信）。148194,195,196電磁波的頻譜和應(yīng)用149194,195,196無線電波傳播方式球面?zhèn)鞑?/p>

長波通過緊靠地球表面的大氣最低層傳播對流層傳播

中波對流層是離地面30英里的大氣層(包括同溫層)信號直線傳播或通過對流層反射兩種傳播方式電離層傳播

短波電離層是對流層之上太空之下的大氣層信號通過電離層反射視線傳播

地面微波天線與天線相向直線傳播空間傳播

空間微波采用衛(wèi)星代替大氣折射150194,195,196無線電基站覆蓋的無線電區(qū)域基站特點頻率范圍在10kHz-1GHz之間。射頻信號的能量可由天線和收發(fā)器決定。

能穿透墻壁，也可到達普遍網(wǎng)絡(luò)線無法到達的地方。可全方向廣播，也可定向廣播。不受雪、雨天氣的干擾。151194,195,196地面微波接力通信原理：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。適用：微波接力通信可傳輸電話、電報、圖像、數(shù)據(jù)等信息。優(yōu)點：頻帶寬、通信容量大、傳輸質(zhì)量高、可靠性較好、投資少、見效快、靈活等。缺點：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問題等。152194,195,196地面微波接力通信153194,195,196衛(wèi)星通信原理：用位于36000Km高空的人造同步通信衛(wèi)星作中繼器的一種微波接力通信。特點：通信距離遠、費用與距離遠近無關(guān)；具有較大的傳輸延遲，且傳輸延遲相對確定。優(yōu)點：頻帶很寬，通信容量大，信號受干擾小，通信比較穩(wěn)定。缺點：保密性較差，造價較高。適用：廣播電視通信。154194,195,196衛(wèi)星通信155194,195,196衛(wèi)星通信156194,195,196紅外線與毫米波特點：具有一定的方向性。優(yōu)點：價格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被竊聽或截取。缺點：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)無線網(wǎng)的主要選擇對象。。157194,195,1962.6寬帶接入技術(shù)

2.6.1ADSL技術(shù)ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine）

技術(shù)用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。雖然標(biāo)準模擬電話信號的頻帶被限制在300~3400kHz的范圍內(nèi)，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過1MHz。ADSL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?！胺菍ΨQ”是指ADSL的下行（從ISP到用戶）帶寬都遠遠大于上行（從用戶到ISP）帶寬。158194,195,196ADSL的極限傳輸距離ADSL的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。159194,195,196ADSL的特點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。我國目前采用的方案是離散多音調(diào)

DMT(DiscreteMulti-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。160194,195,196DMT技術(shù)DMT調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法，把26kHz以上一直到1.1MHz的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中25個子信道用于上行信道，而249個子信道用于下行信道。每個子信道占據(jù)4kHz帶寬（嚴格講是4.3125kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。161194,195,196DMT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)約1100kHz162194,195,196ADSL的數(shù)據(jù)率由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此ADSL采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。當(dāng)ADSL啟動時，用戶線兩端的ADSL調(diào)制解調(diào)器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質(zhì)量。ADSL不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對于質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通ADSL。通常下行數(shù)據(jù)率在32kb/s到8Mb/s之間，而上行數(shù)據(jù)率在32kb/s到640kb/s之間。163194,195,196ADSL的組成ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線

電話分路器

區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至ISP居民家庭基于ADSL的接入網(wǎng)端局或遠端站DSLAM至本地電話局PSPS數(shù)字用戶線接入復(fù)用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接單元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表遠端Remote）電話分路器PS(POTSSplitter)

164194,195,1962.6.2光纖同軸混合網(wǎng)

HFC(HybridFiberCoax)HFC網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng)CATV的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。HFC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)?，F(xiàn)有的CATV網(wǎng)是樹形拓撲結(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)用對電視節(jié)目進行單向傳輸。而HFC網(wǎng)則需要對CATV網(wǎng)進行改造，165194,195,