信道復(fù)用和數(shù)字傳輸技術(shù)應(yīng)用

信道復(fù)用和數(shù)字傳輸技術(shù)應(yīng)用知識(shí)回顧數(shù)據(jù)通信模型一些術(shù)語信道、信號(hào)、單工通信、雙工通信、半雙工通信、模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)物理層的傳輸媒體 導(dǎo)向傳輸媒體 非導(dǎo)向傳輸媒體本講內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)掌握時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用的基本原理。理解波分復(fù)用基本原理。了解碼分復(fù)用的基本原理理解PCM的工作機(jī)制。了解SONET和SDH的傳輸機(jī)制。了解寬帶接入技術(shù)的常用方法。共享信道頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用

為了提高通信系統(tǒng)信道的利用率，話音信號(hào)的傳輸往往采用多路復(fù)用通信的方式。多路復(fù)用通信方式通常是指：在一個(gè)信道上同時(shí)傳輸多個(gè)話音信號(hào)的技術(shù)，有時(shí)也將這種技術(shù)簡稱為復(fù)用技術(shù)。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頻分復(fù)用(FrequencyDivisionMultiplexing)就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個(gè)子頻帶(或稱子信道)，每一個(gè)子信道傳輸1路信號(hào)。頻分復(fù)用要求總頻率寬度大于各個(gè)子信道頻率之和，同時(shí)為了保證各子信道中所傳輸?shù)男盘?hào)互不干擾，應(yīng)在各子信道之間設(shè)立隔離帶。時(shí)分復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)是所有子信道傳輸?shù)男盘?hào)以并行的方式工作，每一路信號(hào)傳輸時(shí)可不考慮傳輸時(shí)延，因而頻分復(fù)用技術(shù)取得了非常廣泛的應(yīng)用。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(gè)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(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5FrequencyDivisionMultiplexing(a)Theoriginalbandwidths.(b)Thebandwidthsraisedinfrequency.(b)Themultiplexedchannel.時(shí)分復(fù)用TDM是將不同的信號(hào)相互交織在不同的時(shí)間段內(nèi)，沿著同一個(gè)信道傳輸；在接收端再用某種方法，將各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)提取出來還原成原始信號(hào)的通信技術(shù)。這種技術(shù)可以在同一個(gè)信道上傳輸多路信號(hào)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(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。每一個(gè)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(hào)也稱為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。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。時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAAA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ABCDaabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd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(duì)分配到的子信道的利用率一般是不高的。

TimeDivisionMultiplexingTheT1carrier(1.544Mbps).TimeDivisionMultiplexing(Cont.)MultiplexingT1streamsintohighercarriers.統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用

STDM用戶ABCDabcdttttt3個(gè)STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用波分復(fù)用波分復(fù)用（wavelength-divisionmultiplexing,WDM）是將一系列載有信息、但波長不同的光信號(hào)合成一束，沿著單根光纖傳輸；在接收端再用某種方法，將各個(gè)不同波長的光信號(hào)分開的通信技術(shù)。這種技術(shù)可以同時(shí)在一根光纖上傳輸多路信號(hào)，每一路信號(hào)都由某種特定波長的光來傳送，這就是一個(gè)波長信道。密集波分復(fù)用（DWDM,DenseWavelengthDivisionMultiplexing）技術(shù)，指的是一種光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，這一技術(shù)利用激光的波長按照比特位并行傳輸或者字符串行傳輸方式在光纖內(nèi)傳送數(shù)據(jù)。DWDM首先把引入的光信號(hào)分配給特定頻帶內(nèi)的指定頻率（波長，lambda），然后把信號(hào)復(fù)用到一根光纖中去，采用這種方式就可以大大增加已鋪設(shè)光纜的帶寬。由于引入（incoming）信號(hào)并不在光層終止，接口的速率和格式就可以保持獨(dú)立，這樣就允許服務(wù)供應(yīng)商把DWDM技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的設(shè)備集成起來，同時(shí)又獲得了現(xiàn)有鋪設(shè)光纜中沒有得以利用的大量帶寬.1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分復(fù)用WDM波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。這是FDM在光纖信道的一個(gè)變例。是指在一根光纖上不只是傳送一個(gè)載波，而是同時(shí)傳送多個(gè)波長不同的光載波。則原來在一根光纖上只能傳送一個(gè)光載波的單一信道變?yōu)榭蓚魉投鄠€(gè)不同波長光載波的信道，從而使得光纖的傳輸能力成倍增加。

82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器摻鉺光纖放大器ErbiumDopedFiberAmplifier(EDFA)

制作光纖時(shí)，采用特殊工藝，在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的鉺離子，制作出相應(yīng)的摻鉺光纖。光纖中摻雜離子在受到泵浦光激勵(lì)后躍遷到亞穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下，產(chǎn)生受激輻射，形成對(duì)信號(hào)光的相干放大。EDFA工作在1550窗口。已商用的EDFA噪聲低，增益曲線好，放大器帶寬大，與波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)兼容，泵浦效率高，工作性能穩(wěn)定，技術(shù)成熟，在現(xiàn)代長途高速光通信系統(tǒng)中備受青睞。目前，“摻鉺光纖放大器（EDFA）+密集波分復(fù)用（DWDM）+非零色散光纖（NZDF）+光子集成（PIC）”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。WavelengthDivisionMultiplexingWavelengthdivisionmultiplexing.碼分復(fù)用CDM常用的名詞是碼分多址CDMA各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。CDMA的特點(diǎn)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)。在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。這種技術(shù)多用于移動(dòng)通信，不同的移動(dòng)臺(tái)(或手機(jī))可以使用同一個(gè)頻率，但是每個(gè)移動(dòng)臺(tái)(或手機(jī))都被分配帶有一個(gè)獨(dú)特的“碼序列”，該序列碼與所有別的“碼序列”都有不同，所以各個(gè)用戶相互之間也沒有干擾。因?yàn)槭强坎煌摹按a序列”來區(qū)分不同的移動(dòng)臺(tái)(或手機(jī))，所以又叫做“碼分多址”技術(shù)。

碼片序列(chipsequence)每個(gè)站被指派一個(gè)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。發(fā)送比特1時(shí)，就發(fā)送序列。發(fā)送比特0時(shí)，就發(fā)送序列。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)碼片序列的正交關(guān)系例如令向量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(gè)碼片序列是正交的。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(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(innerproduct)都是0.一個(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。CDMA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CDMA–CodeDivisionMultipleAccess(a)Binarychipsequencesforfourstations(b)Bipolarchipsequences(雙極性編碼,+1表示1,0表示沉默,-1表示0)(c)Sixexamplesoftransmissions(d)RecoveryofstationC’ssignalPCM歷史和基本原理脈碼調(diào)制，由A.里弗斯于1937年提出的，這一概念為數(shù)字通信奠定了基礎(chǔ)，60年代它開始應(yīng)用于市內(nèi)網(wǎng)以擴(kuò)充容量，使已有音頻電纜的大部分芯線的傳輸容量擴(kuò)大24～48倍。到70年代中、末期，各國相繼把脈碼調(diào)制成功地應(yīng)用于同軸電纜通信、微波接力通信、衛(wèi)星通信和光纖通信等中、大容量傳輸系統(tǒng)。80年代初，脈碼調(diào)制已用于市話中繼傳輸和大容量干線傳輸以及數(shù)字程控交換機(jī)，并在用戶話機(jī)中采用。為了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行取樣。即每隔一定的時(shí)間間隔，取模擬信號(hào)的當(dāng)前值作為樣本。該樣本代表了模擬信號(hào)在某一時(shí)刻的瞬時(shí)值。一系列連續(xù)的樣本可用來代表模擬信號(hào)在某一區(qū)間隨時(shí)間變化的值。取樣的頻率可根據(jù)奈氏取樣定理確定。奈氏取樣定理表述為，只要取樣頻率大于模擬信號(hào)最高頻率的2倍，則可以用得到的樣本空間恢復(fù)原來的模擬信號(hào)。即脈碼調(diào)制（PCM）現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)都是采用脈碼調(diào)制（PulseCodeModulation）體制。PCM最初并非傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)用的，而是使交換機(jī)之間有一條中繼線不是只傳送一條信號(hào)。PCM有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)即E1和T1。我國采用的是歐洲的E1標(biāo)準(zhǔn)。T1的速率是1.544Mbit/s,E1的速率是2.048Mbit/s。PCM編碼必須經(jīng)過三個(gè)過程，即抽樣、量化和編碼，PCM編碼的主要過程是將話音、圖像等模擬信號(hào)每隔一定時(shí)間進(jìn)行取樣,使其離散化,同時(shí)將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化,同時(shí)將抽樣值按一組二進(jìn)制碼來表示抽樣脈沖的幅值，以實(shí)現(xiàn)話音數(shù)字化。PCM編碼的最大的優(yōu)點(diǎn)就是音質(zhì)好，最大的缺點(diǎn)就是體積大。我們常見的AudioCD就采用了PCM編碼，一張光盤的容量只能容納72分鐘的音樂信息。脈碼調(diào)制PCM的基本原理（a）模擬信號(hào)（b）取樣后的脈沖信號(hào)（c）編碼后的數(shù)字信號(hào)（d）解碼后的脈沖信號(hào)（e）恢復(fù)后的模擬信號(hào)脈碼調(diào)制為有效利用傳輸線路，通常總是將多個(gè)話路的PCM信號(hào)用時(shí)分多路復(fù)用的方法裝成幀后再一幀一幀地傳輸。PCM有兩個(gè)互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)，北美的24路PCM（T1）和歐洲的30路PCM（E1），T1的速率是1.544Mbps，E1的速率是2.048Mbps。我國采用的是E1標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字傳輸系統(tǒng)高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率，如表所示。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)編碼基帶傳輸中采用的編碼方式常用的有以下3種：不歸零編碼NRZ規(guī)定用負(fù)電平表示“0”，用正電平表示“1”，亦可有其他表示方法。為保證收發(fā)正確，必須另外傳送時(shí)鐘同步信號(hào)，且如果“1”與“0”個(gè)數(shù)不相等時(shí)，存在直流分量，增大了損耗，如圖所示。曼氏編碼差分曼氏編碼編碼示意圖數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)編碼曼徹斯特編碼（ManchesterEncoding），也叫做相位編碼(PE)，是一個(gè)同步時(shí)鐘編碼技術(shù)，被物理層使用來編碼一個(gè)同步位流的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。常用于局域網(wǎng)傳輸。曼徹斯特編碼，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時(shí)鐘信號(hào)，又作數(shù)據(jù)信號(hào)；從高到低跳變表示“1”，從低到高跳變表示“0”。中間的跳變作為同步信號(hào)。差分曼徹斯特編碼，每位中間的跳變僅提供時(shí)鐘定時(shí)，而用每位開始時(shí)有無跳變表示“0”或“1”，有跳變?yōu)椤?”，無跳變?yōu)椤?”。它與曼氏編碼的不同之處主要是：每比特的中間跳變僅做同步用；每比特的值根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變決定。字符編碼數(shù)字傳輸時(shí)，在信道上傳送的數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制位的形式出現(xiàn)的，如何組合“0”與“1”這兩種碼元，使之代表不同的字符或信息（數(shù)據(jù)信息和控制信息）,叫做字符編碼。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織1967年推薦了一個(gè)7單位編碼（每個(gè)字符由七位二進(jìn)制碼元組成，另外附加一位奇偶校驗(yàn)位）,即國際標(biāo)準(zhǔn)ISO646,為世界各國廣泛采用。同步光纖網(wǎng)SONET舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)最主要的兩個(gè)方面的缺點(diǎn)：速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。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。同步光纖網(wǎng)SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各級(jí)時(shí)鐘都來自一個(gè)非常精確的主時(shí)鐘。第1級(jí)同步傳送信號(hào)STS-1(SynchronousTransportSignal)的傳輸速率是51.84Mb/s。光信號(hào)則稱為第1級(jí)光載波OC-1，OC表示OpticalCarrier

同步數(shù)字系列SDH

SDH/SONET定義了一組在光纖上傳輸光信號(hào)的速率和格式,通常統(tǒng)稱為光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)，是寬帶綜合數(shù)字網(wǎng)B-ISDN的基礎(chǔ)之一.SDH/SONET采用TDM技術(shù),是同步系統(tǒng)。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(jí)同步傳遞模塊

(SynchronousTransferModule)，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51.840OC-1/STS-1155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/s39813.120

OC-768/STS-768

STM-256

40Gb/s

STS級(jí)與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的四個(gè)光接口層光子層(PhotonicLayer)處理跨越光纜的比特傳送。段層(SectionLayer)在光纜上傳送STS-N幀。線路層(LineLayer)負(fù)責(zé)路徑層的同步和復(fù)用。路徑層(PathLayer)處理路徑端接設(shè)備PTE(PathTerminatingElement)之間的業(yè)務(wù)的傳輸。xDSL技術(shù)xDSL技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)的頻帶被限制在300~3400kHz的范圍內(nèi)，但用戶線本身實(shí)際可通過的信號(hào)頻率仍然超過1MHz。xDSL技術(shù)就把0~4kHz低端頻譜留給傳統(tǒng)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。xDSL的幾種類型ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)HDSL(HighspeedDSL)SDSL(Single-lineDSL)VDSL(VeryhighspeedDSL)DSLRADSL(Rate-AdaptiveDSL)ADSL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。例如，0.5毫米線徑的用戶線，傳輸速率為1.5~2.0Mb/s時(shí)可傳送5.5公里，但當(dāng)傳輸速率提高到6.1Mb/s時(shí)，傳輸距離就縮短為3.7公里。如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里ADSL的特點(diǎn)上行和下行帶寬做成不對(duì)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(gè)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。DMT技術(shù)DMT調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法把40kHz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(gè)子信道用于上行信道，而249個(gè)子信道用于下行信道。每個(gè)子信道占據(jù)4kHz帶寬（嚴(yán)格講是4.3125kHz），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)04下行信道…(kHz)~40~138~1100ADSL的組成ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線

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至本地局PSPS數(shù)字用戶線接入復(fù)用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接單元ATU(AccessTerminationU