《数据通信-2章-物理层-续.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数据通信-2章-物理层-续.ppt（55页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第二章 物理层（续）,2.1 基带(baseband)信号和带通(band pass)信号,基带信号（即基本频带信号）信源发出的未经调制的数字信号或模拟信号，即来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能与信道特性相适应。变换后的信号仍是基带信号。载波调制：使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过
2、信道），经过载波调制后的信号成为带通信号。（带通调制：AM、FM、PM）,2.2 几种最基本的调制方法,基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。,对基带数字信号的几种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,2.3 物理层下面的传输介质,传输介质或称传输媒体，它是数据传
3、输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输介质可分为两大类型：导向传输介质非导向传输介质,2.3 物理层下面的传输介质,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅无线电,调频无线电,海事无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移动无线电,电信领域使用的电磁波的频谱,2
4、.3.1 导向传输介质,双绞线屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆光缆,各种电缆,铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,同轴电缆,常用双绞线的类别、带宽和典型应用,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层（低折射率的媒体）,包层（低折射率的媒体）,纤芯（高折射率的媒体）,包层,纤芯,折射角大于入射角，如果入射角足够大时，就会出现全反射，使光线折射会纤
5、芯。,光纤的工作原理,高折射率(纤芯),低折射率(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,多模光纤与单模光纤,多模光纤,2.3.2 非导向传输介质,无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信,共享信道,2.4 信道复用技术2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a)不使用复用技术,(b)使用复用技术,频分复用 FDM(Frequenc
6、y Division Multiplexing),用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,时分复用TDM(Time Division Multiplexing),时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。,时分复
7、用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A 在 TDM 帧中的位置不变,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B 在 TDM 帧中的位置不变,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,C 在 TDM 帧中的位置不变,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D 在 TDM 帧中的位置不变,时分复用可能会造成线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,使用时分复用系
8、统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。,统计时分复用 STDM(Statistic TDM),用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,统计时分复用是一种改进的时分复用技术，它能明显提高信道的利用率。集中器（concentrator）是实现STDM的一个主要设备。,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
9、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 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing),波分复用就是光的频分复用。用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。,8 2.5 Gb/s1310 nm,20 Gb/s,复用器,分用器,EDFA,120 km,光调制器,光解调器,使用2.5G/s的光载波（波长为1310nm），经光调制，分别将波长变换到15501557nm，每个光载波相隔1nm。,2.4.3 码分复用 CDM(Code Divi
10、sion Multiplexing),CDM是另一种共享信道的方法。每一个用户可以在同样的时间，使用同样的频带进行通信。常用的名词是码分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。,码片序列(chip sequence),每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，S
11、站的 8 bit 码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。S 站的码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1),CDMA 的重要特点,每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。,码片序列的正交关系,令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：,(2-3),码片序列的正交关系举例,令向量 S 为(1 1 1+1+1
12、1+1+1)，向量 T 为(1 1+1 1+1+1+1 1)。把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。,任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,正交关系的另一个重要特性,CDMA 的工作原理,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,T 站发送的信号 Tx,总的发送信号 Sx+Tx,规格化内积 S Sx,规格化内积 S Tx,数据码元比特,发送端,接收端,课堂练习,共有四个站进行码分多址CDMA通信。四个站码片序列为：A:(1 1 1+
13、1+1 1+1+1)，B：(1 1+1 1+1+1+1 1)，C:(1+1 1+1+1+1 1 1)，D：(1+1 111 1+1 1)。现收到这样的码片序列：(1+1 3+11 3+1+1)问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的是1，还是0？提示：1、任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1；任何一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积是-1。2、规格化内积：,2.5 数字传输系统1.脉码调制 PCM 体制,脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的
14、30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。,2.同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH,旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：速率标准不统一。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。不是同步传输。在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。,同步光纤网 SONET,同步光纤网 SONET(Synchronous Optical Network)的各级时钟都来自一个
15、非常精确的主时钟。第 1 级同步传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。,同步数字系列 SDH,ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)。一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块(Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 S
16、ONET 体系中的 OC-3 速率。,SONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系,SONET 的体系结构,光子层,路径层,线路层,段层,线路(line),光子层,路径层,线路层,段层,光子层,线路层,段层,光子层,段层,光子层,线路层,段层,光子层,段层,SDH终端,SDH终端,复用器或分用器,复用器或分用器,转发器,转发器,段,段,段,路径(path),(section),(section),(section),SONET 标准定义了四个光接口层,光子层(Photonic Layer)处理跨越光缆的比特传送。段层(Section Layer)在光缆上传送 STS
17、-N 帧。线路层(Line Layer)负责路径层的同步和复用。路径层(Path Layer)处理路径端接设备 PTE(Path Terminating Element)之间的业务的传输。,2.6 宽带接入技术2.6.1 xDSL技术,xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 3003400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。xDSL 技术就把 04 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。DSL 就是数字用户线(Digital Subscri
18、ber Line)的缩写。而 DSL 的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。,xDSL 的几种类型,ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线HDSL(High speed DSL)：高速数字用户线SDSL(Single-line DSL)：1 对线的数字用户线VDSL(Very high speed DSL)：甚高速数字用户线DSL：ISDN 用户线。RADSL(Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率）。,ADSL 的极限传输距离,ADSL 的极限传输距离与数
19、据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。例如，0.5 毫米线径的用户线，传输速率为 1.5 2.0 Mb/s 时可传送 5.5 公里，但当传输速率提高到 6.1 Mb/s 时，传输距离就缩短为 3.7 公里。如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里,ADSL 的特点,上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调 DMT(
20、Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。,DMT 技术,DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。,DMT 技术的频谱分布,频谱,频率,上行信道,传统电话,0,4,下行信道,(kHz),40,138,1100,ADSL
21、的数据率,由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当 ADSL 启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL。通常下行数据率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之间，而上行数据率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之间。,ADSL 的组成,ATU-C,ATU-C,ATU-R,ATU-C,用户线,电话分离器,区域宽带网,至 I
22、SP,居民家庭,基于 ADSL 的接入网,端局或远端站,DSLAM,至本地电话局,PS,PS,数字用户线接入复用器 DSLAM(DSL Access Multiplexer)接入端接单元 ATU(Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表远端 Remote）电话分离器 PS(POTS Splitter),第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和）ADSL2+（）,通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2 要求至少应支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+则将频谱范
23、围从 1.1 MHz 扩展至2.2 MHz，下行速率可达 16 Mb/s（最大传输速率可达25 Mb/s），而上行速率可达 800 kb/s。采用了无缝速率自适应技术 SRA(Seamless Rate Adaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。,2.6.2 光纤同轴混合网HFC(Hybrid Fiber Coax),HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务
24、。现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造，,HFC 的主要特点,(1)HFC网的主干线路采用光纤HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN(Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。,(2)HFC 网采用结点体系结构,同轴电缆,头端,模拟光纤,放大器
25、,引入线,分路器,光纤结点,服务区,服务区,服务区,(3)HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能,下行信道,上行信道,5 40 50 550 750 1000,原有模拟电视,数字信号,频率(MHz),保留,(4)每个家庭要安装一个用户接口盒,用户接口盒 UIB(User Interface Box)要提供三种连接，即：使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)，然后再连接到用户的电视机。使用双绞线连接到用户的电话机。使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。,电缆调制解调器(cable modem),电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。电缆调制解调器最大
26、的特点就是传输速率高。其下行速率一般在 310 Mb/s之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为 0.22 Mb/s，最高可达 10 Mb/s。电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。,HFC 网的最大优点,具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个 HFC 网的孤岛），也需要相当的资金和时间。在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。,2.6.3 FTTx 技术,FTTx（光纤到）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。光纤到家 FTTH(Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。光纤到大楼 FTTB(Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。光纤到路边 FTTC(Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。,
