CH2-L4 介質(zhì)-復用-接入網(wǎng) (2)課件

第4講數(shù)據(jù)通信基礎(2)【第2章

物理層（第2講）】復習（快速提問1）第一章的重點是什么？分組交換及其特點網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的特點什么是協(xié)議什么是協(xié)議數(shù)據(jù)單元物理層的作用數(shù)據(jù)鏈路層的作用網(wǎng)絡層的作用傳輸層的作用上講的重點是什么？上講要點復習（快速提問2）物理層的作用、四類特性信息、數(shù)據(jù)和信號模擬量與數(shù)字量鏈路、信道模擬傳輸、基帶傳輸模擬通信、數(shù)據(jù)通信和數(shù)字通信基帶通信、載波模擬通信本講內(nèi)容及其安排1.傳輸介質(zhì)（§2.3）2.信道復用技術（§2.4）2.1頻分復用2.2時分復用和統(tǒng)計時分復用2.3波分復用2.4碼分復用3.寬帶接入技術（§2.6）3.1xDSL技術(§2.6.1)3.2光纖同軸混合網(wǎng)－HFC網(wǎng)(§2.6.2)3.3FTTx技術(§2.6.3)教材分析和處理傳輸介質(zhì)：教材：介紹了光通信原理講課：主要從應用角度介紹外特性同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH教材：§2.5.2講課：通信專業(yè)：其它課程深入學習計算機專業(yè)：自學了解1.傳輸介質(zhì)（§2.3）傳輸媒體＝傳輸介質(zhì)：傳輸電信號或光信號要求：了解介質(zhì)的類型、應用狀況、外特性傳輸介質(zhì)分類應用狀況三種有線傳輸介質(zhì)外特性雙絞線：同軸電纜：光纖無線介質(zhì)特點應用狀態(tài)早期的主流：同軸電纜

目前的主流：光纖、雙絞線、無線樓間：光纖樓內(nèi)：雙絞線1.1同軸電纜（簡單了解）兩類同軸電纜及其傳輸特性50同軸電纜(又稱為基帶同軸電纜)：

用于數(shù)字傳輸，傳輸速率100M粗纜：早期使用（目前已不使用）細纜：后來推廣（目前很少使用）75同軸電纜(又稱為寬帶同軸電纜)：

可以傳輸模擬信號和數(shù)字信號，帶寬300—450M外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內(nèi)導體1.2雙絞線雙絞線：

兩根相互絕緣的導線按一定扭距絞合在一起

（扭絞：減小電磁干擾的影響）傳輸特性：可以傳輸模擬信號和數(shù)字信號連通性：一般用于點點連接，有時用作多點連接地理范圍：模擬信號可以傳輸幾到十幾公里，

基帶信號(局域網(wǎng))，不超過100米抗干擾性能：低頻時好價格：便宜、安裝方便雙絞線電纜：

封裝了多對雙絞線雙絞線的接頭引腳序號：金屬片面對我們，從左至右引腳序號是1-812345678雙絞線的接頭EIA/TIA標準規(guī)定了兩種雙絞線線序568A標準：綠白--1，綠--2，橙白--3，藍--4，

藍白--5，橙--6，棕白--7，棕--8。568B標準：橙白--1，橙--2，綠白--3，藍--4，

藍白--5，綠--6，棕白--7，棕--8；頭端尾端金屬腳在前卡栓(彈片)在后1.3光纖（光纜）已經(jīng)在主干線上普及光纜：多條光纖（4、8、16芯等）的組裝光纖＝光導纖維＝熔硅纖維＝光導玻璃

可以傳輸光信號（光波）的光導纖維，石英玻璃絲材料：摻加鍺和磷的二氧化硅（透明）直徑：8~10m。光信號運載信息1：有光脈沖0：無光脈沖光纖的外特性傳輸特性：帶寬大(通信容量大)：Gbps數(shù)量級

速率的限制在于光電轉(zhuǎn)換速度跟不上傳輸損耗小，傳輸距離遠

2.4Gbps速率傳輸100km，不需要中繼（單模）連通性：用于點點連接，多點連接尚在實驗地理范圍：可達幾十公里抗干擾性：強

不受雷電等電磁干擾和靜電干擾、無串音干擾。物理特性：體積小，重量輕（外套大、重）。價格：原料豐富，按帶寬單價非常便宜。缺點：連接、安裝、收發(fā)器貴；維護復雜光信道光信道由三部分組成：光源：將電信號轉(zhuǎn)換為光信號(光脈沖)光纖傳輸介質(zhì)檢測器：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號(電脈沖)光源：發(fā)光二極管：用于多模光纖激光二極管：用于單模光纖多模光纖與單模光纖多模光纖（Multi-modeFiber）：傳輸距離較近；收發(fā)器便宜纖芯直徑大光纖中有多種沿不同途徑同時傳播的光

(存在多條不同角度入射的光線)單模光纖（Single-modeFiber）。傳輸距離遠；收發(fā)器貴可以波分復用纖芯直徑小(與波長相當，幾微米)光在光纖中的傳播沒有反射，沿直線傳播光纖傳輸?shù)幕竟ぷ髟恚ɡm(xù)）3.包層的折射率比光纖的折射率低，只要光從纖芯射到纖芯表面的入射角大于某一個臨界角度，就可產(chǎn)生全反射，不會漏入包層。這樣，光線將被完全限制在光纖中，幾乎無損耗地傳播。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）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瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖：直線傳播多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖：多次折射微波通信技術特征微波是頻率在2GHz----40GHz的信號微波在空間主要是直線傳輸長途通信時必須建立多個中繼站主要優(yōu)點頻率高，頻率范圍寬，信道容量大受工業(yè)干擾和雷電干擾小主要缺點中間不能有障礙物（直線傳播，沒有繞射功能）隱蔽性和保密性差紅外線通信和激光通信特點比微波通信具有更強的方向性；難以竊聽、插入數(shù)據(jù)和進行干擾；對雨霧等環(huán)境干擾特別敏感。籃牙通信藍牙技術：近距無線通信技術傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHzISM頻段提供1Mbps的傳輸速率和10m的傳輸距離。發(fā)展始于1994年Ericsson的手機及其附件間的通信計劃，1998年，藍牙技術協(xié)議由Ericsson、IBM、Intel、NOKIA、Toshiba等5家公司達成一致。藍牙協(xié)議的標準版本為802.15.1可能稱為替代紅外的技術傳輸距離和速度都比紅外的性能強，而且方便。2、信道復用技術（p47§2.4）一般，一條線路的能力（帶寬）超過一對用戶傳輸信息所需的能力為提高線路利用率，讓多個信號同時用一條物理線路傳輸。多路復用技術：

多對設備在同一條傳輸介質(zhì)上同時進行通信。信道復用技術復用(multiplexing)的概念共享信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不使用復用技術(b)使用復用技術信道復用技術分類頻分復用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)時分復用TDM(TimeDivisionMultiplexing)波分復用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)光通信的“頻分復用”碼分復用CDM(CodeDivisionMultiplexing)不同用戶在同樣的時間使用互不干擾的碼型傳送數(shù)據(jù)2.1頻分復用（FDM）用于載波模擬通信將信道的頻帶分為若干段（子頻帶），每段分給一對用戶，

不同的用戶同時以不同的頻率傳輸。多路復用器：將不同的用戶信號調(diào)制到不同頻率的載波信號上多路譯碼器：通過帶通濾波器分解出不同頻率的信號，再將其轉(zhuǎn)換為二進制信號。頻分復用所有用戶同時占用不同的帶寬資源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。電話長途干線最初采用頻分復用傳輸方式頻率時間頻率1頻率2頻率32.3時分復用（TDM）類似計算機的分時系統(tǒng)為了有效利用信道將物理信道按等長時間T分段

（稱為TDM幀，時分復用幀）再將每段時間T分為若干個時間片

(timeslot)每個時間片分給一對用戶二類時分復用靜態(tài)分配：

給每個用戶在一個TDM幀中分配固定的一段時隙動態(tài)分配：按需分配靜態(tài)時分復用（TDM）例如，電話系統(tǒng)

TT……t用戶B用戶A用戶C用戶D用戶B用戶A用戶C用戶D靜態(tài)時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA用戶A：在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀用戶C：在

TDM

幀中的位置不變用戶D：在

TDM

幀中的位置不變用戶B：在

TDM

幀中的位置不變例：E1電話系統(tǒng)（中國采用）語音

帶寬4k，周期T=1/8K=125us(采樣頻率8k)，

128級量化，所以每125us只需7位

125us為一幀，分為32個時間片，每個傳送8位，其中30個傳輸30路電話2個用于控制

（每幀開始8位作同步用，中間有8位用作信令）全幀256位。

物理信道數(shù)據(jù)傳輸速率為256÷125us=2.048Mbps靜態(tài)時分復用的缺點計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對分配到的子信道的利用率不高，可能造成線路資源的浪費。ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶浪費的資源靜態(tài)時分與動態(tài)時分靜態(tài)分配：

每個用戶在一個TDM幀中占用固定的一段時隙動態(tài)分配：按需分配爭用（見局域網(wǎng)）異步時分、統(tǒng)計時分STDM等（自學）統(tǒng)計時分復用STDM(StatisticTDM)時間片不是固定分給某個用戶，用戶有數(shù)據(jù)發(fā)送時，才分配時間片；每個內(nèi)的數(shù)據(jù)，需要有目的地址等控制信息（開銷）用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用2.3波分復用WDM簡介（§2.4.2）光的波分復用類似于頻分復用。將光信道劃分為多個波段，在同一時刻能進行多路傳送。1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s(光)復用器分用器EDFA120km8路傳輸速率均為2.5Gbit/s的光載波，

將1310nm波長分別變換到1550~1557nm光調(diào)制器光調(diào)制器2.4碼分復用CDM（P51§2.4.3）CDM＝CodeDivisionMultiplexing

＝碼分多址＝CDMA＝CDMAccess是一種用于移動通信系統(tǒng)的新技術主要特征多對用戶同時使用同樣的頻帶進行通信

（頻率和時間資源均為共享）。每個用戶使用不同的碼型(碼片序列)，而這些碼型經(jīng)過特殊挑選，彼此不會造成干擾有很強的抗干擾能力，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高安全性好（頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)）通信系統(tǒng)容量大（是GSM的4～5倍）要求的發(fā)射功率低對比多對用戶同時使用一個信道進行通信時分復用：時間不同，頻率共享頻分復用：頻率不同，時間共享碼分復用：頻率和時間均為共享。擴頻通信的概念(見通信專業(yè)課)CDMA的技術原理是基于擴頻技術擴頻通信的理論依據(jù)和基本思想香濃公式：C=W×Log2(1+S/N)當傳輸速率C一定時，增加信號帶寬W可以降低對信噪比S/N的要求擴頻通信用寬帶傳輸技術來換取信噪比在發(fā)送端擴展信號頻譜在接收端解擴還原信息基本原理將每個比特時間劃分為m個短的間隔

(m個碼片chip)用m個碼片作為一個傳輸碼元

稱為碼型、特征碼、碼片序列chipsequence：碼型的描述：將碼型中的0寫為-1、1寫為+100011011可記為(-1-1-1+1+1-1+1+1)

即，向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)碼型用來將傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)換為擴頻信息基本原理基于碼型分割信道：每個用戶使用（唯一的）不同的碼型如：S站，00011011

T站：00101110不同用戶的碼型滿足正交性：

同時發(fā)送時彼此不會造成干擾碼型分配的要求之一：正交（了解）任兩個站的碼型正交(orthogonal)：

這兩個碼型S、T的規(guī)格化內(nèi)積為0設，向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，

向量T為(–1–1+1–1+1+1

+1–1)。代入(2-3)式，這兩個碼型是正交的。(2-3)重要特性（了解）任何一個碼型向量和自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1碼型向量和該向量反碼的規(guī)格化內(nèi)積值是–1發(fā)送前：擴頻原理：發(fā)送“數(shù)據(jù)比特和本站碼型的乘積”，有：發(fā)送1，則發(fā)送本站的碼型。發(fā)送0，則發(fā)送本站的碼型的反碼。Sx：S站發(fā)送的擴頻信號S站：1為00011011，0為11100100S站的碼片序列S110ttm個碼片tS站發(fā)送的信號Sx數(shù)據(jù)碼元比特碼元1碼元2碼元3接收（結(jié)論）將發(fā)送站的碼型與收到的數(shù)據(jù)求“內(nèi)積”內(nèi)積＝1：發(fā)送站發(fā)送的信息為“1”內(nèi)積＝－1：發(fā)送站發(fā)送的信息為“0”內(nèi)積＝0：發(fā)送站沒有發(fā)送數(shù)據(jù)

接收原理說明設有三個站，碼型分別A、B、C，

它們發(fā)送的數(shù)據(jù)bit為Ab、Bb、Cb

發(fā)送的擴頻信號分別為Ax、Bx、Cx；接收站接收的信號Yx為Ax、Bx、Cx的疊加

Yx=Ax+Bx+Cx若希望接收A站的信息

A?Yx＝A?(Ax+Bx+Cx)=A?Ax+A?Bx+A?Cx=

＝A?A?Ab+A?B?Bb+A?C?Cb＝Ab+0+01（A站發(fā)送bit1）

＝-1（A站發(fā)送bit0）

0（A站沒有發(fā)送數(shù)據(jù)）CDMA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)送端接收端碼元1碼元2碼元33寬帶接入技術（p56，§2.6）網(wǎng)絡使計算機普及到千家萬戶，如何提供寬帶接入？新建寬帶接入（計算機公司）利用現(xiàn)有的模擬電話用戶線（已經(jīng)普及到千家萬戶）

（電信公司）利用現(xiàn)有的利用現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)

（已經(jīng)普及到千家萬戶）

（廣電公司）xDSL（DigitalSubscriberLine，數(shù)字用戶線）技術:用數(shù)字技術對現(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。光纖同軸混合網(wǎng)對現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)進行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務3.1xDSL技術簡介(p56,§2.6.1)xDSL技術：用數(shù)字技術對現(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。是接入網(wǎng)技術標準模擬電話信號的頻帶：300~3400kHz用戶線實際可通過的信號頻率超過1MHz。xDSL技術把0~4kHz低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用把原來沒有被利用的高端頻譜用作用戶上網(wǎng)。xDSL的幾種類型xDSL的前綴x:

表示在數(shù)字用戶線上實現(xiàn)的不同寬帶方案。ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：

非對稱數(shù)字用戶線HDSL(HighspeedDSL)：高速數(shù)字用戶線SDSL(Single-lineDSL)：1對線的數(shù)字用戶線VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速數(shù)字用戶線DSL：ISDN用戶線RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自適應DSL，是ADSL的一個子集，可自動調(diào)節(jié)線路速率P57，表2-5，幾種xDSL的主要指標ADSL的特點用戶上網(wǎng)的特征：下載數(shù)據(jù)多于上傳數(shù)據(jù)上行＝上傳，指從用戶到ISP下行＝下載，指從ISP到用戶ADSL將上行和下行帶寬做成不對稱。實現(xiàn)

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調(diào)制技術

(DiscreteMulti-Tone)?！岸嘁粽{(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。DMT調(diào)制技術用頻分復用方法，把40kHz～1.1MHz的高端頻譜劃分為許多的子信道每個子信道約4kHz帶寬，用不同的載波進行數(shù)字調(diào)制。25個子信道用于上行信道，249個子信道用于下行信道?！l譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道…(kHz)401381100DMT技術的頻譜分布ADSL的組成ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線電話分離器區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至ISP居民家庭基于ADSL的接入網(wǎng)端局或遠端站DSLAM至本地電話局PSPSDSLAM(DSLAccessMultiplexer)：數(shù)字用戶線接入復用器

ATU(AccessTerminationUnit)：

接入端接單元（即，ADSL調(diào)制解調(diào)器）

ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表遠端Remote）PS(POTSSplitter)：電話分離器

ADSL的數(shù)據(jù)率問題：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），因此，

ADSL采用自適應調(diào)制技術，使用戶線具有盡可能高的數(shù)據(jù)率，不能保證固定的數(shù)據(jù)率。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。根據(jù)測到的信號的信噪比，選擇調(diào)制方案，獲得不同的數(shù)據(jù)率對于質(zhì)量很差的用戶線無法開通ADSL。通常下行數(shù)據(jù)率在32kb/s到6.4Mb/s之間上行數(shù)據(jù)率在32kb/s到640kb/s之間。ADSL的極限傳輸距離ADSL極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率、用戶線的線徑有關例如，0.5毫米線徑的用戶線傳輸速率為1.5~2.0Mb/s時可傳送5.5公里傳輸速率為6.1Mb/s時，傳輸距離為3.7公里。例如，0.4毫米線徑的用戶線傳輸速率為6.1Mb/s時，只能傳送2.7公里最高數(shù)據(jù)傳輸速率與用戶線上的信噪比密切相關第二代ADSLADSL2（G.992.3和G.992.4）

ADSL2+（G.992.5）通過提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。例如，ADSL2：支持下行8Mb/s、上行800kb/s的速率ADSL2+：將頻譜范圍從1.1MHz擴展至2.2MHz，下行速率可達16Mb/s（最大傳輸速率可達25Mb/s）上行速率可達800kb/s。采用無縫速率自適應技術SRA(SeamlessRateAdaptation)在中斷通信和不產(chǎn)生誤碼的情況下，自適應調(diào)整數(shù)率改善線路質(zhì)量評測和故障定位功能3.2光纖同軸混合網(wǎng)簡介(p59,§2.6.2)

HFC(HybridFiberCoax)主要特點HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖

HFC網(wǎng)采用結(jié)點體系結(jié)構(gòu)

HFC網(wǎng)具有比CATV網(wǎng)更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能

每個家庭要安裝一個用戶接口盒HFC網(wǎng)的應用特點：利用現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)具有很寬的頻帶雙向傳輸。HFC網(wǎng)的技術要點主干線路采用光纖結(jié)點體系結(jié)構(gòu)用戶接口盒及教材講課光纖同軸混合網(wǎng)HFCp59現(xiàn)有的CATV網(wǎng)是樹形拓撲結(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡，采用模擬技術的頻分復用對電視節(jié)目進行單向傳輸。

HFC網(wǎng)利用現(xiàn)有的、覆蓋面相當大的有線電視網(wǎng)CATV實現(xiàn)寬帶接入應用特點：可同時傳送CATV、電話、計算機數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務具有很寬的頻帶雙向傳輸。HFC的技術要點(1)HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖(2)HFC網(wǎng)采用結(jié)點體系結(jié)構(gòu)同軸電纜頭端模擬光纖放大器引入線分路器光纖結(jié)點服務區(qū)服務區(qū)服務區(qū)HFC的技術要點(1)HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖將原CATV網(wǎng)主干部分由同軸電纜改換為光纖使用模擬光纖技術。采用光的振幅調(diào)制AM，比使用數(shù)字光纖更為經(jīng)濟。在光纖結(jié)點，光信號被轉(zhuǎn)換為電信號。在光纖結(jié)點以下是同軸電纜?！竟饫w結(jié)點(fibernode)＝即光分配結(jié)點ODN(OpticalDistributionNode)】HFC網(wǎng)具有比CATV網(wǎng)更寬的頻譜，

且具有雙向傳輸功能將450MHz單向傳輸改造為750MHz雙向傳輸下行信道上行信道540505507501000原有模擬電視數(shù)字信號頻率(MHz)保留每個家庭要安裝一個用戶接口盒為了實現(xiàn)電視、電話和計算機通信，用戶接口盒UIB(UserInterfaceBox)要提供三種連接，即：使用同軸電纜連接到機頂盒(set-topbox)，然后再連接到用戶的電視機。使用雙絞線連接到用戶的電話機。使用電纜調(diào)制解調(diào)器連接到用戶的計算機。電纜調(diào)制解調(diào)器(cablem