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1、第2章 物理层Phisical Layer,四川师范大学计算机科学学院 College of Computer Science Sichuan Normal University 刘霞,本章主要内容,2.1 物理层的基本概念2.2 数据通信的基础知识2.3 物理层下面的传输媒体2.4 信道复用技术2.5 数字传输系统2.6 宽带接入技术,2.1 物理层的基本概念,用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性:指明在接口电缆的各条线上
2、出现的电压的范围。功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,数据在计算机中采用并行传输方式，但数据在通信线路上的传输方式是串行传输，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。因此，物理层还要完成传输方式的转换。,2.2 数据通信的基础知识,数据通信系统的模型两个PC机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端)。源系统一般包括以下两个部分：源站和发送器。目的系统一般包括以下两个部分：接收器和目的站。,调制解调器,PC 机,公用电
3、话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,正文,正文,PC 机,数据通信系统的模型,几个术语,数据(data)运送信息的实体。信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)连续变化的。“数字的”(digital)取值是离散数值。调制把数字信号转换为模拟信号的过程。解调把模拟信号转换为数字信号的过程。码元(code)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码元。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率或波特率。,模拟的和数字的数据、信号,一般说来，模拟数据和
4、数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况：,2.2.2 有关信号的几个基本概念,从通信双方信息交互的方式来看，可以有三种基本方式：单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。,基带(baseband)信号和带通(band pass)信号,基带信号（即基本频带信号）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。基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，
5、然后送到线路上去传输。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)。带通信号把基带信号经过载波调制后，把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信道）。,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。
6、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,波特率和比特率的关系比特率：用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示，其单位为每秒比特数bit/s(bps)、每秒千比特数(Kbps)或每秒兆比特数(Mbps)来表示。波特率：波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数（即码元数）来表示。波特率与比特率的关系为：b=Blog2L(比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数（波形变换或码元数）)。因此二者存在以下的情况：若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量
7、，则波特率和比特率在数值上相等。若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M 个码元的传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。,由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制(又称为多进制)的调制方法。如，当采用16元制时，每个码元可以携带4bit的信息。一个标准电话话路的频带为300-3400Hz，即带宽为3100Hz，其中接近理想信道的带宽为2400Hz。若使码元的传输速率为2400码元/秒，则信息的传输速率可达到9600bit/s。,正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude
8、 Modulation),r,(r,),可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择。,由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。,若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。,举例,(a)QPSK.(b)QAM-16.(c)QAM-64.,2.2.3 信道的极限容量,任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。,数字信号通过实际的信道,有失真，但可识别失真大，
9、无法识别,实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,发送信号波形,接收信号波形,信道能够通过的频率范围,1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。,(2)信噪比,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率
10、C 可表达为 C=W log2(1+S/N)b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。,香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。,W=4MHz 3MHz=1MHz 利用香农公式，该信道最大传输率为：,例：某信道的频谱在3MHz到4MH
11、z之间，信噪比SNR为24分贝，求该信道最大的传输率。,请注意,对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。,2.3 物理层下面的传输媒体,传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。这里需强调一下，传输媒体处于物理层之下。在通信媒体上传输的
12、是信号，传输媒体本身没有物理层，因此传输媒体并不知道它传输了多少比特，当然也更不知道传输了多少帧或分组,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,导向传输媒体1双绞线
13、把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。从用户电话机到交换机的这段线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。下图是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。,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,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,T568标准（双绞线打线标准）,网络工程中一般均采用T568B的接线标准交叉线(1,2与3,6对调)直通或交叉线的选择,2同轴电缆同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成,外导体屏蔽层,绝缘层,
14、绝缘保护套层,内导体,按特性阻抗数值的不同，同轴电缆分为两类：50 同轴电缆，主要用于数据通信中传送基带数字信号。50 同轴电缆又称为基带同轴电缆。曾在局域网中广泛使用。在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法。下图是未经编码的原基带数字信号和在计算机网络中常用的两种编码方法，即：曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。,75 同轴电缆75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆。在计算机通信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。在传输模拟信号时，频率可高达500MHz，传输距离可达100km。其带宽通常划分为若干个独立的信道。比如每6MHz可传输一路电视信
15、号，当用来传输数字信号时，数据率可达3Mbit/s.目前同轴电缆主要用在居民小区中。,3光缆光纤通信是利用光导纤维（光纤）传递光脉冲来进行通信。在发送方有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，他们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收方利用二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 100 m。正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。如果入射角足够大，就会出现全反射。,折射角,入射角,包层（低折射率的媒体）,包
16、层（低折射率的媒体）,纤芯（高折射率的媒体）,包层,纤芯,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,多模光纤多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤适合近距离传输。单模光纤若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。因纤芯很细，所以造价很高，但损耗小，可进行远距离传输。,多模光纤,光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：（1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。（2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境
17、下尤为重要。（3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。（4）体积小，重量轻。,当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过T形接头连接到计算机。T形接头有两种：无源的和有源的。无源的T形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。有源的T形接头实际上就是一个有源转发器。,使用有源转发器的光纤环路,非导向传输媒体1无线传输短波微波地面微波接力卫星通信,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
18、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,地面微波接力通信其主要特点是：微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高；与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。,地面微波接力,实例1电话传输实例2 电视传输,微波接力通信缺点：相
19、邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真；微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差；对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。,卫星通信卫星通信系统由卫星和地球站组成卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。低轨卫星在天空上构成了高速的链路注意：卫星信道的传播时延较大，不等于用卫星信道传输数据的时延较大。,使用微波使用转发器接收和转发,C波段 4/6波段 上行5.925-6.425 GHz 下行3.7-4.2 GHz
20、Ku波段 11/14波段 上行14-14.5 GHz 下行11.7-12.2 GHzKa波段即20/30波段 上行27.530.5GHz 下行17.721.7GHz,卫星,与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球,地球同步卫星,Communication satellites and some of their properties,including altitude above the earth,round-trip delay time and number of satellites needed for global coverage.,其它无线介质,红外线和毫米波 应用：短距离通
21、信如电视、录象机等遥控，也可用于无线LAN 缺点：不能穿透固体 光波传输应用：在屋顶用激光连接两个建筑物的LAN缺点：不能穿透雨和浓雾，易受天气影响,常用传输媒体的比较,共享信道,2.4 信道复用技术,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,2.4.1 频分复用 FDM(Frequency 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
22、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）。,2.4.2 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing),波分复用就是光的频分复用。下图表示8路传输速率均为2.5 Gbit/s的光载波(其波长均为1310 nm)，经光的调制后，分别将波长变换到1550 1557 nm，每个光载波相隔1 nm(这里只是为了说明问题的方便，实际上光载波的间隔一般是0.8或1.6 nm)。,2.4.3 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
23、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。,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,各用户的时隙在 TDM 帧中的位置不变,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,各用户的时隙在 TDM 帧中的位置不变,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,各用户的时隙在 TDM 帧中的位置不变,在进行通信时，复用器
24、(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用。当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时(例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息)，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。,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,统计时分复用 STDM,用户,A,B,C,D,a,b
25、,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STDM(Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。从平均的角度来看，这两者是平衡的。,2.4.4 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing),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
26、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 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(orthog
27、onal)。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 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
28、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,2.5 数字传输系统 2.5.1 模拟传输系统,长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式FDM(Frequency Division Multiplexing)目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。,1、调制解调器,计算机数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。,失真的原因？,调制解调
29、器的作用,调制解调器(modem)包括：调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。,调制解调器的作用（续）,调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。若识别不正确，则产生误码。在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。进行数据的压缩（一个码元携带多个比特）,3、调制解调器的速率,目前调制解调器的信息传输速
30、率已很接近于香农的信道容量极限了。要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。,产生量化噪声的地方（经过 A/D 变化的地方）,A,2/4,A/D,A/D,D/A,D/A,交换机 1,交换机 2,V.34 33.6 kb/s 调制解调器,B,D/A,A/D,4/2,V.34 33.6 kb/s 调制解调器,使用 V.34 调制解调器（33.6 kb/s）,产生量化噪声的地方（续）（经过 A/D 变化的地方）,使用 V.90 调制解调器（56 kb/s）,A,2/4,A/D,A/D,交换机,因特网服务提供者,V.90 56 kb/
31、s调制解调器,D/A,V.90 56 kb/s调制解调器,数据通信可分为同步通信和异步通信两大类。同步通信就是要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等(这常称为收发双方的时钟是同步的)，以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的。当接收端的判决点移动的时间超过码元宽度的一半时(本来判决点应当处于每一个码元的中间)，就要产生差错(比特重读或漏读)，这就是所谓的滑动(slip)。,4、调制解调器使用异步通信方式,出现时钟偏差的情况,上述差错导致两方面误差：1.接收到的最后一个bit 样本是错误的2.比特计数器可能越界，出现组帧差错,准同步方式是各有关信号使用一些独立的、具有相同的频率标称
32、值的时钟源，但这些频率的实际数值允许有微小的误差(在容许范围之内)。异步通信则采用另一种方法。这就是在发送端将欲发送的数据以字节(8个比特)为单位进行逐个字节的封装。异步通信是通过增加通信开销(每发送10个比特就有两个比特的额外开销，因而数据的有效传输速率就降低了)使接收端能够使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。根据线路情况来自适应停止后再续发后续字节。,1、数字传输系统现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM(Pulse Code Modulation)体制。它实质上是对模拟信号进行采样量化（编码）的过程。,2.5.2 数字传输系统,PCM最初用于传多路电话的。为了将模拟电话信号转
33、变为数字信号，必须先对电话信号进行采样。根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4 kHz，为方便起见，采样频率就定为8 kHz，相当于采样周期为125s。,PCM的基本原理,多个话路的PCM信号用时分复用TDM的方法装成帧（时分复用帧），然后一帧接一帧的传输。我国的电话采用欧洲E1的标准，30路，速率是2.048 Mbit/s（125s的时分复用帧分成32个时隙，即32个话路，每个时隙传8 bit，32个时隙传256bit，每秒传8000个帧）每路用户占用分配给自己的专用时隙，但占用的频率一样,E
34、1 的时分复用帧 注：CH0作帧同步，CH16传送信令,2.048 Mb/s,传输线路,CH0,CH16,CH17,CH15,CH15,CH16,CH17,CH31,CH31,CH0,CH1,CH1,时分复用帧,CH0,CH1,CH2,CH15,CH16,CH17,CH30,CH31,CH0,8 bit,t,时分复用帧,时分复用帧,T=125 s,15 个话路,15 个话路,欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率,2、同步光纤网SONET和同步数字系列SDH,数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个。（1）速率标准不统一（2）不是同步传输为了解决上述问题，美国首先在1988年推出了一
35、个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)。,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非常精确的主时钟。对电信号第 1 级同步传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。对光信号则称为第 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 Dig
36、ital 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 SONET 体系中的 OC-3 速率。,SONET标准定义了四个光接口层。SONET的层次自下而上为：光子层(Photonic Layer)数字段层(Section Layer)线路层(Line Layer)路径层(Path Layer),SONET 的体系结构,光子层,路径层,线路层,段层,线路,光子层,路径层,线路层,段层,光子层,线路层,段层,光子层,段层,
37、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,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 kHz 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 Subscriber Line)的缩写。而 DSL 的前缀 x 则表示在数字
38、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
39、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(Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音
40、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 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
41、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 ISP,居民家庭,基于 ADSL 的接入网,端局或远端站,DSL
42、AM,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+则将频谱范围从 1.1 MHz 扩展至2.2 MHz，下行速率可达 16
43、 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。现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟
44、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,引入线,分路器,光纤结点,服务区,服务区,服务区,(3)HF
45、C 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的特点就是传输速率高。其下行速率一般在 310 Mb/s之间，
46、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。,习题与思考,习题1、3、4、5、6、7、8、9、10、13、14、15、16、17区分频分复用、时分复用和码分复用。调制解调器有什么功能？对基带数字信号的几种调制方法有哪几种？,
