計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)CH2-5ed物理層

1、課件制作人：謝希仁計算機網(wǎng)絡(luò)（第 5 版）第 2 章 物理層課件制作人：謝希仁第 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 信道的極限容量2.2.4 信道的極限信息傳輸速率2.3 物理層下面的傳輸媒體2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體課件制作人：謝希仁第 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) 2.6.1 xDSL技術(shù) 2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)（HF

2、C 網(wǎng)） 2.6.3 FTTx 技術(shù)課件制作人：謝希仁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過程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 課件制作人：謝希仁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

3、號模擬信號 輸入漢字顯示漢字?jǐn)?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 機課件制作人：謝希仁幾個術(shù)語n數(shù)據(jù)(data)運送消息的實體。n信號(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)在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數(shù)字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形。課件制作人：謝希仁 2.2.2 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，但不能雙方同時發(fā)送

4、(當(dāng)然也就不能同時接收)。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。 課件制作人：謝希仁基帶(baseband)信號和帶通(band pass)信號 n基帶信號（即基本頻帶信號）來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。n基帶信號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。因此必須對基帶信號進行調(diào)制(modulation)。 n帶通信號把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號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)能夠通過信道）。 課件制作人：謝希仁幾種最基本的調(diào)制方法 n基帶信號

5、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。為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調(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)字信號而變化。 n調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。n調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。 課件制作人：謝希仁對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法 010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相課件制作人：謝希仁正交振幅調(diào)制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供選擇的相位有 12 種，而對于每一種相位有 1

6、 或2 種振幅可供選擇。 由于4 bit 編碼共有16 種不同的組合，因此這 16 個點中的每個點可對應(yīng)于一種 4 bit 的編碼。 若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多，則在接收端進行解調(diào)時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。 舉例課件制作人：謝希仁2.2.3 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)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。 課件制作人：謝希仁數(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

7、受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形課件制作人：謝希仁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。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?，否則就會出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。n如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。 0021( ),tag t dt fTT1.傅里葉分析(補充)n任何周期信號都是由一個基波信號和各種高次諧波信號合成任何周期信號都是由一個基波信號和各種高次諧波信號合

8、成的的, 按照傅立葉分析法可以把一個周期為按照傅立葉分析法可以把一個周期為T的復(fù)雜函數(shù)的復(fù)雜函數(shù)g(t)表表示為無限個正弦和余弦函數(shù)之和示為無限個正弦和余弦函數(shù)之和:n 其中其中c是常數(shù)是常數(shù), 代表直流分量代表直流分量, 且且 c為基頻為基頻.)2*4cos()2*4sin()2*3cos()2*3sin()2*2cos()2*2sin()2*1cos()2*1sin(21 )2cos()2sin(21)(443322111ftbftaftbftaftbftaftbftacftbnftactgnnn(補充)nan, bn分別是分別是n次諧波振幅的正弦和余弦分量次諧波振幅的正弦和余弦分量:00

9、2sin(2)2cos(2)tntnanft dtTbnft dtT(補充)(補充)n信道帶寬一定時，數(shù)據(jù)傳輸率越高，信道帶寬一定時，數(shù)據(jù)傳輸率越高，f f越大，信道所能越大，信道所能通過的諧波數(shù)越少，信號失真增大，直到無法識別。通過的諧波數(shù)越少，信號失真增大，直到無法識別。n3003400Hz3003400Hznf f=500Hz 1=500Hz 1f f 2 2f f 3 3f f 4 4f f 5 5f f 6 6f fnf f=1000Hz 1=1000Hz 1f f 2 2f f 3 3f fn數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬之間的關(guān)系：數(shù)據(jù)信號傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬之間的關(guān)系：數(shù)據(jù)信號傳輸速

10、率越高，該信號的有效帶寬越寬；信道的帶寬越寬，信越高，該信號的有效帶寬越寬；信道的帶寬越寬，信道所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸速率就越高；道所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸速率就越高；n任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時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。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)木嚯x越遠碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘杺鬏數(shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。 理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud 理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud 奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則

11、n每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 2 個碼元。nBaud 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。 理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud 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) 另一種形式的奈氏準(zhǔn)則 n每赫帶寬的理想帶通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 1 個碼元。理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud W 是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz) 不能通過能通過0頻率(Hz)W (Hz) 不能通過課件制作人：謝希仁(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

12、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)所傳信號的平均功率；nN 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 課件制作人：謝希仁香農(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。 n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。n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

13、輸速率低不少。 課件制作人：謝希仁請注意 n對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碼元攜帶更多比特的信息量。 課件制作人：謝希仁2.3 物理層下面的傳輸媒體無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調(diào)幅無線電 調(diào)頻無線電 海事無線電光纖電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 101

14、0 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動無線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜課件制作人：謝希仁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 同軸電纜n光纜 (補充)課件制作人：謝希仁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套層內(nèi)導(dǎo)體無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜(補充) 雙絞線雙絞線n1 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)n 絞合在一起的相互絕緣的銅導(dǎo)線若

15、干對絞合在一起的相互絕緣的銅導(dǎo)線若干對+ +屏蔽層屏蔽層+ +保護層保護層n 減少對相鄰的導(dǎo)線的電磁干擾，傳輸模擬信號和數(shù)字信號。減少對相鄰的導(dǎo)線的電磁干擾，傳輸模擬信號和數(shù)字信號。n2 2、型號、型號n 1 1類類55類（超類（超5 5類）（類）（3 3類類10M10M，5 5類類100M100M）n3 3、類型與用途、類型與用途n 屏蔽雙絞線（屏蔽雙絞線（ STP STP ）：遠程，應(yīng)用較少）：遠程，應(yīng)用較少n 非屏蔽雙絞線（非屏蔽雙絞線（ utputp）：桌面連接）：桌面連接n3 3、特點、特點n 用于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前局域網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。用于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前局域網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。

16、雙絞線（雙絞線（UTP），兩頭壓接），兩頭壓接RJ45連接器；連接器； 所有站點都與所有站點都與HUB （集線器）相連接；（集線器）相連接； HUB的作用：信號放大與整形的作用：信號放大與整形 星形拓?fù)洌壿嬐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)仍然是總線。星形拓?fù)?，但邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍然是總線。 輕便、安裝密度高、便于維護輕便、安裝密度高、便于維護NICHUB每段最大長度每段最大長度 100m多臺多臺HUB級連級連可以支持更多站點可以支持更多站點( (補充補充) )雙絞線以太網(wǎng)（雙絞線以太網(wǎng)（10Base-T10Base-T）( (補充補充) )非屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線n非屏蔽雙絞線由非屏蔽雙絞線由4 4對導(dǎo)線組成對導(dǎo)線組

17、成n常用的顏色與線號的對應(yīng)關(guān)系常用的顏色與線號的對應(yīng)關(guān)系n橙（橙（2 2）和橙白（）和橙白（1 1）n綠（綠（6 6）和綠白（）和綠白（3 3）n藍（藍（4 4）和藍白（）和藍白（5 5）n棕（棕（8 8）和棕白（）和棕白（7 7）( (補充補充) ) 10M/100M 10M/100M以太網(wǎng)中的非屏蔽雙絞線以太網(wǎng)中的非屏蔽雙絞線n10M/100M10M/100M以太網(wǎng)利用非屏蔽雙絞線中的兩對線以太網(wǎng)利用非屏蔽雙絞線中的兩對線進行信息傳輸進行信息傳輸n10M/100M10M/100M以太網(wǎng)使用的線對以太網(wǎng)使用的線對n發(fā)送：發(fā)送：1 1 （橙白）（橙白） 、2 2 （橙）（橙）n接收：接收：3

18、3 （綠白）（綠白） 、6 6 （綠（綠）( (補充補充) )基本連接規(guī)則基本連接規(guī)則n自己的發(fā)線要與對方的的收線相連自己的發(fā)線要與對方的的收線相連n自己的收線要與對方的的發(fā)線相連自己的收線要與對方的的發(fā)線相連( (補充補充) )直通直通UTPUTP電纜電纜( (補充補充) )交叉交叉UTPUTP電纜電纜(補充) 同軸電纜同軸電纜n1 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)n 內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)體+ +外導(dǎo)體外導(dǎo)體+ +絕緣層絕緣層+ +外保護層外保護層n T T型頭、終端電阻、收發(fā)器等型頭、終端電阻、收發(fā)器等n2 2、型號、型號n RG-8/11RG-8/11（5050）粗纜粗纜n RG-58 RG-58 （5050）細(xì)纜

19、細(xì)纜n RG-59 RG-59 （7575）CATVCATV電纜電纜n RG-62 RG-62 （9393）IBMIBM系統(tǒng)系統(tǒng)n3 3、類型與用途、類型與用途n 基帶：基帶：n 粗纜粗纜局域網(wǎng)主干局域網(wǎng)主干n 細(xì)纜細(xì)纜桌面連接桌面連接n 寬帶：寬帶：n CATVCATV有線電視有線電視n3 3、特點、特點n 抗干擾較好，支持多點連接；故障識別困難，已被雙絞線取代。抗干擾較好，支持多點連接；故障識別困難，已被雙絞線取代。(補充)同軸電纜以太網(wǎng)同軸電纜以太網(wǎng)粗纜以太網(wǎng)（粗纜以太網(wǎng)（10BASE5）粗同軸電纜，可靠性好，抗干擾能力強粗同軸電纜，可靠性好，抗干擾能力強 收發(fā)器收發(fā)器 : 發(fā)送發(fā)送/接

20、收接收, 沖突檢測沖突檢測, 電氣隔離電氣隔離總線型拓?fù)淇偩€型拓?fù)?粗纜粗纜收發(fā)器收發(fā)器AUI 電纜電纜NICVampire tap最大段長度最大段長度 500m每段最多站點數(shù)每段最多站點數(shù) 1002.5m網(wǎng)絡(luò)最大跨度網(wǎng)絡(luò)最大跨度 2.5km 網(wǎng)絡(luò)最多網(wǎng)絡(luò)最多5個段個段 終端匹配器終端匹配器細(xì)纜細(xì)纜BNC接頭接頭NIC細(xì)纜以太網(wǎng)（細(xì)纜以太網(wǎng)（ 10Base2 ）細(xì)同軸電纜，可靠性稍差細(xì)同軸電纜，可靠性稍差 無外置收發(fā)器無外置收發(fā)器 輕便、靈活、成本較低輕便、靈活、成本較低總線型拓?fù)淇偩€型拓?fù)涿慷巫畲箝L度每段最大長度 185m每段最多站點數(shù)每段最多站點數(shù) 300.5 m網(wǎng)絡(luò)最大跨度網(wǎng)絡(luò)最大跨度

21、925 m 網(wǎng)絡(luò)最多網(wǎng)絡(luò)最多5個段個段 終端匹配器終端匹配器 ( (補充補充) )光纖線纜光纖線纜n1 1、原理、原理n 光線由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，若入射角足夠大，可以發(fā)生全反射。光線由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，若入射角足夠大，可以發(fā)生全反射。n2 2、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)n 光纖光纖+ +填充物填充物+ +保護層保護層 細(xì)細(xì) 不到不到0.2mm 0.2mm 光纜光纜 包括一至數(shù)百根光纖包括一至數(shù)百根光纖n3 3、光源：發(fā)光二極管、光源：發(fā)光二極管LEDLED、注入型激光二極管、注入型激光二極管 （幅移鍵控）（幅移鍵控）n4 4、檢波器：、檢波器：PINPIN、APDAPD（光電計數(shù)器）（光電計數(shù)器）

22、n4 4、類型、類型n 室內(nèi)：靈活，單芯室內(nèi)：靈活，單芯+ +保護保護n 室外：抗惡劣，多芯室外：抗惡劣，多芯+ +保護保護n 單模：細(xì)，單模：細(xì)，10um10um成本高，長距離，高速，損耗小成本高，長距離，高速，損耗小n 多模：多條不同入射角度的光線，粗，多模：多條不同入射角度的光線，粗，50um50um便宜，性能略低便宜，性能略低課件制作人：謝希仁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） 包層纖芯課件制作人：謝希仁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瓷湔n件制作人：謝希仁輸入脈沖輸出脈

23、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( (補充補充) )課件制作人：謝希仁2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體 n無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 補充n無線傳輸所使用的頻段很廣，特性與頻率有關(guān)無線傳輸所使用的頻段很廣，特性與頻率有關(guān)，容易被干擾。，容易被干擾。n低頻，容易穿過障礙物，能量隨距離增大而減小。低頻，容易穿過障礙物，能量隨距離增大而減小。n高頻，區(qū)域直線傳播，受障礙物阻擋，被雨水吸收高頻，區(qū)域直線傳播，受障礙物阻擋，被雨水吸收。n短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信

24、道的通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。信質(zhì)量較差。n短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道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。的通信質(zhì)量較差。n微波在空間主要是直線傳播，不能穿建筑物。微波在空間主要是直線傳播，不能穿建筑物。用于長途電話通信、移動電話、電視傳播等。用于長途電話通信、移動電話、電視傳播等。頻譜短缺問題，便宜頻譜短缺問題，便宜 。n地面微波接力通信地面微波接力通信n地面微波系統(tǒng)由視野范圍內(nèi)的兩個互相對準(zhǔn)方向的拋物面天線組地面微波系統(tǒng)由視野范圍內(nèi)的兩個互相對準(zhǔn)方向的拋物面天線組成成, , 長距離通信則需要多個中繼站組成微波中繼鏈路。長距離

25、通信則需要多個中繼站組成微波中繼鏈路。n衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信 n通信衛(wèi)星可看作是懸在太空中的微波中繼站。通信衛(wèi)星可看作是懸在太空中的微波中繼站。 衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器把它的波束對準(zhǔn)地球上的一定區(qū)域把它的波束對準(zhǔn)地球上的一定區(qū)域, , 在此區(qū)域中的衛(wèi)星地面站之在此區(qū)域中的衛(wèi)星地面站之間就可互相通信。間就可互相通信。 （1 1）微波通信）微波通信 n視距傳播視距傳播n電離層反射電離層反射（短波）（短波）地球表面地球表面電離層（2 2）衛(wèi)星通信）衛(wèi)星通信 衛(wèi)星地球表面衛(wèi)星發(fā)送多點接收多點接收n紅外線紅外線n用于短距離通信，電視、錄像機的遙控設(shè)備。用于短距離通信，電視、錄像機的遙控設(shè)備。n有方向性

26、有方向性n不能超過堅實的物體，安全性好不能超過堅實的物體，安全性好n不需政府授權(quán)不需政府授權(quán)n不能在室外使用不能在室外使用n光波傳輸光波傳輸n低成本、高帶寬低成本、高帶寬n不需授權(quán)不需授權(quán)n不能穿透雨或濃霧不能穿透雨或濃霧課件制作人：謝希仁共享信道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(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)課件制作人：謝希仁頻分復(fù)用 FDM(Frequency Division Multiplexing) n用戶在分配到

27、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課件制作人：謝希仁時分復(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）。nTDM 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

28、寬度。課件制作人：謝希仁時分復(fù)用 頻率時間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 幀課件制作人：謝希仁時分復(fù)用 頻率時間C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀課件制作人：謝希仁時分復(fù)用 頻率時間BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀課件制作人：謝希仁時分復(fù)用 頻率時間B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀T

29、DM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀課件制作人：謝希仁時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費 ABCDaabbcdb cattttt4 個時分復(fù)用幀#1acbcd時分復(fù)用#2#3#4用戶使用時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。 課件制作人：謝希仁統(tǒng)計時分復(fù)用 STDM(Statistic TDM) 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計時分復(fù)用課件制作人：謝希仁 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 155

30、6 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 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)器課件制作人：謝希仁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

31、 Access)。n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。n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)。 n每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。 課件制作人：謝希仁碼片序列(chip sequence) 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，就發(fā)送序列 00011011，n發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。nS 站的碼

32、片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 課件制作人：謝希仁CDMA 的重要特點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在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。 課件制作人：謝希仁碼片序列的正交關(guān)系 n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。 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： 011miiiTSmTS(2-3)課件制作人：謝希仁碼片序列的正交關(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

33、+1 +1 1)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。 課件制作人：謝希仁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。 正交關(guān)系的另一個重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS課件制作人：謝希仁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)送端接收端課件制作人：謝希仁2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)1. 脈碼調(diào)制 P

34、CM 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)。nE1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。n當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時，可采用復(fù)用的方法。 3.4.3 數(shù)字傳輸系統(tǒng) n現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)均采用現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)均采用脈碼調(diào)制脈碼調(diào)制 PCM (Pulse PCM (Pulse Code Modulation)Code Modulation)體制。體制。

35、采樣周期 Tt信號t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原(補充)n1 1、采樣定理：如果用大于原信號最高頻率、采樣定理：如果用大于原信號最高頻率2 2倍的速率定期對信號進行采樣，倍的速率定期對信號進行采樣，其樣本就包含足以構(gòu)成原信號的所有信息。其樣本就包含足以構(gòu)成原信號的所有信息。n2 2、脈沖調(diào)制技術(shù)（、脈沖調(diào)制技術(shù)（PCMPCM）n（1 1）采樣）采樣n將模擬信號變成離散的模擬信號。將模擬信號變成離散的模擬信號。n（2 2）量化）量化n 將模擬數(shù)據(jù)分成若干個級別，將每個樣本按其幅度歸為某個級別。級別將模擬數(shù)據(jù)分成若干個級別，將每個樣本按其幅度歸為某個級別。級別越多，精度越

36、高，量化誤差越小。越多，精度越高，量化誤差越小。n（3 3）編碼）編碼n 將各個量化級別用二進制代碼表示級別越多，需要的二進制編碼位數(shù)越將各個量化級別用二進制代碼表示級別越多，需要的二進制編碼位數(shù)越多。多。max2 ff (補充)D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.270.30.620.61.281.31.521.51.261.30.730.70.410.40.120.1(a)樣本量化級二進制編碼編碼信號0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b) ( (補充補充) )PCMPCM用于數(shù)字語

37、音系統(tǒng)用于數(shù)字語音系統(tǒng)：n聲音分為聲音分為128128個量化級；個量化級；n每個量化級采用每個量化級采用7 7位二進制編碼表示；位二進制編碼表示；n采樣速率為采樣速率為80008000樣本樣本/ /秒；秒；n數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達到數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達到7 7位位8000/8000/秒秒 =56kb/s=56kb/s；n如果每個量化級采用如果每個量化級采用7+1=87+1=8位二進制編碼表示位二進制編碼表示; ;n數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達到數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達到8 8位位8000/8000/秒秒 = 64kb/s= 64kb/s。時分復(fù)用時分復(fù)用 n為了有效地利用傳輸線路，可將多個話路的為了有效地利用傳輸線路，可將

38、多個話路的PCM PCM 信號用信號用時分復(fù)用時分復(fù)用 TDM (Time Division TDM (Time Division Multiplexing)Multiplexing)的方法裝成時分復(fù)用幀，然后發(fā)送的方法裝成時分復(fù)用幀，然后發(fā)送到線路上。到線路上。n中國采用歐洲體制，以中國采用歐洲體制，以 E1 E1 為一次群。為一次群。n美國和日本等國采用北美體制，以美國和日本等國采用北美體制，以 T1 T1 為一次群為一次群。E1 E1 的時分復(fù)用幀的時分復(fù)用幀 2.048 Mb/s傳輸線路傳輸線路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1時分

39、復(fù)用幀時分復(fù)用幀T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH08 bitt時分復(fù)用幀時分復(fù)用幀時分復(fù)用幀時分復(fù)用幀T = 125 s15 個話路個話路15 個話路個話路( (補充補充) )貝爾系統(tǒng)的貝爾系統(tǒng)的T1T1載波載波n2424路音頻信道復(fù)用在一條通信線路上；路音頻信道復(fù)用在一條通信線路上；n每路音頻模擬信號在送到多路復(fù)用器之前，要通過一個每路音頻模擬信號在送到多路復(fù)用器之前，要通過一個PCMPCM編碼器；編碼器；n編碼器每秒取樣編碼器每秒取樣80008000次；（太低、太高）次；（太低、太高）125125微秒微秒n2424路路PCMPCM信號的每一

40、路輪流將一個字節(jié)插入到幀中；信號的每一路輪流將一個字節(jié)插入到幀中；n每個字節(jié)的長度為每個字節(jié)的長度為8 8位，其中位，其中7 7位是數(shù)據(jù)位，位是數(shù)據(jù)位，1 1位用于信道控位用于信道控制；制；n每幀由每幀由24248=1928=192位組成，附加一位作為幀開始標(biāo)志位，所位組成，附加一位作為幀開始標(biāo)志位，所以每幀共有以每幀共有193193位；位；nT1T1載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.544Mb/s1.544Mb/s。 課件制作人：謝希仁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。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

41、次群的數(shù)字傳輸速率進行標(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，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式。 調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式 n數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類：數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類：n同步通信要求接收端時鐘頻率和發(fā)送端時鐘頻率一致。同步通信要求接收端時鐘頻率和發(fā)送端時鐘頻率一致。發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流。發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流。n異步通信時不要求接收端時鐘和發(fā)送端時鐘同步。發(fā)送異步通信時不要求接收端時鐘和發(fā)送端時鐘同步。發(fā)送端發(fā)送完一個字節(jié)后，可經(jīng)過任意長的時間間隔再發(fā)送端發(fā)送完一個字節(jié)后

42、，可經(jīng)過任意長的時間間隔再發(fā)送下一個字節(jié)。下一個字節(jié)。 n異步通信的通信開銷較大，但接收端可使用廉價異步通信的通信開銷較大，但接收端可使用廉價的、具有一般精度的時鐘來進行數(shù)據(jù)通信。的、具有一般精度的時鐘來進行數(shù)據(jù)通信。課件制作人：謝希仁同步光纖網(wǎng) SONETn同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network)是一組有關(guān)光纖信道上的同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)協(xié)議。常用于物理層構(gòu)架和同步機制。n同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network) 的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。 n第 1 級同步傳送信號 STS-1 (Synchrono

43、us Transport Signal)的傳輸速率是 51.84 Mb/s。n光信號則稱為第 1 級光載波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 課件制作人：謝希仁同步數(shù)字系列 SDH 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。 線路

44、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-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/

45、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 課件制作人：謝希仁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)課件制作人：謝希仁SONET 標(biāo)準(zhǔn)定義了四個光接口層 n光子層(Photonic Layer)n處理跨越光纜的比特傳送。電信號和光信號的轉(zhuǎn)換。n段層(Section Layer)n在光

46、纜上傳送 STS-N 幀。成幀和差錯檢測。幀和差錯檢測。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處理路徑端接設(shè)備 PTE (Path Terminating Element)之間的業(yè)務(wù)的傳輸。 意義nSDH/SONET標(biāo)準(zhǔn)的制定，使北美、日本和歐洲這三個地區(qū)三種不同的數(shù)字傳輸體制在STM-1等級上獲得統(tǒng)一。這是第一次真正實現(xiàn)了數(shù)字成傳輸體制上的世界性標(biāo)準(zhǔn)。nSDH/SONET標(biāo)準(zhǔn)已成為公認(rèn)的新一代離線的傳輸網(wǎng)體制。課件制作人：謝希仁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)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進行改造，使它

47、能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。n雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號的頻帶被限制在 3003400 Hz 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 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。 課件制作人：謝希仁xDSL 的幾種類型 nADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數(shù)字用戶線nHDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶線

48、nSDSL (Single-line DSL)：1 對線的數(shù)字用戶線nVDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字用戶線nDSL ：ISDN 用戶線。nRADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應(yīng) DSL，是 ADSL 的一個子集，可自動調(diào)節(jié)線路速率）。 課件制作人：謝希仁ADSL 的極限傳輸距離nADSL 的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細(xì)，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)。n例如，0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率為 1.5 2.0 Mb/s 時可傳送 5.5 公里，但

49、當(dāng)傳輸速率提高到 6.1 Mb/s 時，傳輸距離就縮短為 3.7 公里。n如果把用戶線的線徑減小到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 課件制作人：謝希仁ADSL 的特點n上行和下行帶寬做成不對稱的。n上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。nADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調(diào)制解調(diào)器。n我國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“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。課件制作人：謝希仁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.

50、1 MHz 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。n每個子信道占據(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)。課件制作人：謝希仁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)401381100課件制作人：謝希仁ADSL 的數(shù)據(jù)率n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。n當(dāng) ADSL

51、 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。nADSL 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。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。課件制作人：謝希仁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PSPS數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接單元 ATU (Access Termination Uni