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1、计算机网络原理第2章 物理层,主 讲：刘红旗(0377)62076344,第 2 章 物理层,2.1 物理层的基本概念2.2 数据通信系统的基本概念 2.3 数据通信系统的指标 2.4 信道的极限容量（重点、难点）2.5 数据通信方式2.6 数据编码与数据调制（重点）2.7 物理层下面的传输媒体2.8 信道复用技术（重点、难点）2.9 数字传输系统2.10 宽带接入技术,2.1 物理层的基本概念,物理层位于传输媒体（传输介质）之上，它的作用是尽量屏蔽具体物理设备或传输媒体的差异，为上层（数据链路层）提供统一的服务。因此，物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性，即：机械特性 指明采用的
2、连接器的几何尺寸、插件的引脚及分布位置。电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。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。过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,2.2 数据通信系统的基本概念,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,输入汉字,显示汉字,PC 机,数据通信系统的基本模型,2.2.2 信息、数据与信号,信息(Information)是人们对现实世界的事物的存在方式及其运动状态的认识。数据(Data)运送信息的实体，是把事件的某些属性规范化后的表现形式。信号(Signal)是数据传输的载体，即
3、数据的具体物理表现，如电压、电流、磁场的强度等。,信息：人对雪花和马的认识数据：文字，二进制数，十进制数信号：电压，光，磁场强度,2.2.3 模拟与数字,模拟连续 数字离散,模拟信号与数字信号,模拟信号的特点：波动性；持续变化；包含无穷多个值；在电信业已经被广泛使用超过100年。数字信号的特点：离散性；跃变性；包含有限个值设备性能先进，较为便宜。,模拟数据模拟数据的值是某个区间内的连续值。模拟数据的物理信号容易实现，但不精确且容易受干扰。数字数据数字数据的值是某个区间内的有限个离散值。数字数据具有精确以及受扰动可以恢复的特性。,模拟数据和数字数据,模拟信道和数字信道,信道（channel）向某
4、一个方向传输信息的媒体。模拟信道是用来传输连续的模拟信号(如正弦波信号)的信道；如果利用模拟信道传送数字数据，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。数字信道是用来传输离散的数字信号(如脉冲信号)的信道。,模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而也可以用其中任意一种形式传输。,2.2.4 数据传输的形式,DTE(Data Terminal Equipment)是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。如计算机、路由器。DCE(Data Communication Equipment 或Data Circuit-terminating Equ
5、ipment)是数据通信设备（数据电路端接设备），它在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。如调制解调器、交换机、集线器。,2.2.5 DTE 和 DCE,DTE通过 DCE与通信传输线路相连,按照DCE之间传输的信号类型，又可将通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统：DCE之间传输模拟信号的系统是模拟通信系统；DCE之间传输数字信号的系统是数字通信系统。,2.3 数据通信系统的指标,数据通信系统的性能指标主要有以下几项：波特率 码元的传输速率比特率信息的传输速率信道容量信道能达到的最大传输能力。误码率 数据通信系统的传输可靠性的指标,波特率
6、和比特率,码元是承载数据的基本信号单元。波特率（码元传输速率）：每秒传输的码元数，单位是Baud（波特）比特率：指的是每秒传输的二进制比特数，速率的单位是 b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s 等。,要注意,信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上有一定的关系。一个n进制码元所包含的信息量为 I=log2n 位，所以数据传输速率的计算公式为：C=BI=Blog2n 其中 B 代表波特率；n 是一个码元表示的有效状态数；C 为比特率。当一个码元只能表示0或1两种状态时，比特率就等于波特率。,误码率,误码率：是二进制码元在信道中被传错的概率。根据概率统计理论，此概率近似等于被传
7、错的码元数与所传送的码元总数之比。即：Pe=Ne/N其中：Ne为被传错的码元数；N为所传送的码元总数；Pe为误码率。在计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6。如果实际传输的不是二进制码元，需折合成二进制码元计算。,信道容量,信道容量（也称为传输带宽）：指信道能达到的最大传输能力，即信道的最大（极限）数据传输速率。,.,2.4 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,失真不严重失真严重,实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输入信号波
8、形,输出信号波形(失真不严重),奈奎斯特(Nyquist)准则,理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud,W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W(Hz),在任何信道中，码元传输的速率是有限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能过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干扰。,如果编码方式的码元状态数为M，就得到了理想低通信道的极限信息传输速率（即信道容量）Cmax：Cmax=2W log2M(bps)因为信道总是有噪声的，因此奈奎斯特准则给出的是理
9、论上的上限。实际的信道所能传输的最高数据传输速率（或者最高码元速率），要明显地低于奈奎斯特准则给出上限数值。,另一种形式的奈奎斯特准则,理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud,W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W(Hz),不能通过,如果编码方式的码元状态数为M，就得到了理想带通信道的极限信息传输速率（即信道容量）C max：Cmax=W log2M(bps),练习：有一带宽为3 kHz的理想低通信道，求其最高码元速率。若传输的为2进制码元，求其信道容量。若为8进制码元呢？,2.4.2 香农定理,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽
10、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 C（即传输带宽）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。S/N信噪比，常以分贝(dB)表示 记为：信噪比(dB)=10*log10(S/N)(dB),练习：求信噪比为30分贝，带宽为4kHz 的信道的最大数据速率(信道容量)。,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。要想提高信息的极限传输速率，或者必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他任
11、何办法。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。,.,2.5 数据通信方式,数据通信（传输）的方式，可以从不同的角度划分，本节介绍：（1）单向通信、双向交替通信和双向同时通信（2）并行传输和串行传输（3）同步传输和异步传输（4）基带传输和频带传输,2.5.1 数据通信的方向,从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种类型：单向通信（单工通信）信息只能朝着一个方向传递，信息传输方向不能改变。只需一条信道。双向交替通信（半双工通信）数据信息可以双向传递，但不能同时进行。在此方式中信息流轮流使用发送和接收装置。双向同时通信（全双工通信）能同时进行双向通信。需要两条不同方向的
12、信道。,2.5.2 并行传输和串行传输,在计算机通信系统中，根据组成字符的各个二进制位是否同时传输，通信方式分为:并行传输和串行传输。,并行传输,几位数据同时从一个设备发往另一设备，传输速度快。计算机内部常用（并行数据传输线称为“总线”）。亦用于短距传输。,串行传输,数据一位位地按顺序传送，一次只能传送一位。实现容易，但传输速度慢，通常用于远程通信。与线路接口处需要有“并-串”或“串-并”转换器。串行传输又分为：同步方式和异步方式。,2.5.3 同步传输和异步传输,所谓同步，就是要求接收端按照发送端所发送码元的频率或起止时间来接收数据，使得收发双方在时序上保持一致。通常采用的同步方式有两种：异
13、步法（异步传输）：收发双方独立产生同步时钟，但定期进行同步。以字符为单位进行传输。传输的效率比较低。常用于计算机与Modem之间的数据传输。同步法（同步传输）：接收方的时钟完全由发送方控制。以帧为单位进行传输。适用于快速的和较大规模的信息传输。计算机网络通信采用同步传输。,基带传输和频带传输,基带信号：将来自信源的信号常称为基带信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数字信号都属于基带信号。另一种定义：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，然后送到线路上去传输。基带传输是在信道中直接传送基带信号。使用数字信号的传输都是基带传输。基带传输不需要调制解调器，设备费用低
14、，适合短距离的数据输。频带传输是将基带信号调制成模拟信号，放到信道的通频带宽之内进行传输。宽带信号：是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。,.,2.6 数据编码与数据调制,2.6.1 数字数据的数字信号编码2.6.2 模拟数据的数字信号编码2.6.3 数字数据的模拟信号编码,2.6.1 数字数据的数字信号编码,使用基带传输时：在发送端要将数字数据变换为数字信号，以便在数字通信系统中传输，这一过程称为编码。在接收端，要将数字信号还原为原来的形式，这一过程称为解码。最常用的数字信号编码技术有以下几种：（1）非归零码NRI；（2）曼彻斯特编码；（3）差分曼彻斯特编码。,不归零编码（NRZ）,
15、负电平用于表示一个二进制值，正电平用于表示另一个二进制值由比特值决定信号的电平。NRZ码是最容易实现的，实际上是直接将计算机发出的信号加到通信线路上，未作任何处理，代价也最低。但NRZ码的缺点是接收方无法判断一位的开始和结束，即不具备同步特性。主要用于计算机内部通信。,曼彻斯特编码,每个比特的中间位置处都存在一个跳变。这种中间处的跳变既含有时钟信息，也含有数据信息：从低到高的跳变代表1，从高到低的跳变代表0(注意有些系统也可能相反)。,差分曼彻斯特编码,比特中间位置处的跳变仅含有时钟信息。在比特间隔开始处如果出现跳变表示0，如果没有跳变表示1。,曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的应用,曼彻斯特编
16、码是IEEE 802.3（以太局域网）标准规定的编码（使用同轴电缆和双绞线）。差分曼彻斯特编码是IEEE802.5（令牌局域网）标准规定的编码（使用屏蔽双绞线）。,.,2.6.2 模拟数据的数字信号编码,1.PCM脉冲编码调制是最基本的模拟数据数字化编码方法对模拟信号进行幅度采样，使连续信号变为时间轴上的离散信号。该方法的理论基础是奈奎斯特(Nyquist)的采样定理：设模拟信号f(t)的最高频率为fm(Hz)，如果对该模拟信号进行周期性采样，只要采样的频率f 满足f2fm，则这些离散采样值可以无失真地恢复成原来的模拟信号。主要过程：采样 量化 二进制编码,（1）采样,每隔一定的时间间隔，把模
17、拟信号的幅值取出来作为样值来代表原信号。采样频率f 2 fm。,（2）量化,为了将模拟信号进一步离散化，将幅值划分成n个量化级。把采样所得到的样值用取整或四舍五入等方法归并到某个临近的整数幅值。,（3）编码,用一定位数的二进制数字来表示量化后的幅值，其位数称为字长。字长=log2n,“数字-数字”编码,使用各种“数字数据-数字信号”编码技术将二进制数字转换为数字信号进行传送。,习题：PCM用于数字语音系统,声音数据通常限于4000Hz以下的频率，声音数字化时常采用128个量化级。问题：每秒采样多少次可完整地表示声音信号的特征?信道的数据传输速率应达到多少？如果每个样本增加1位冗余，数据传输速率
18、应达到多少？,.,在计算机通信网中，为了利用廉价的公共电话交换网（模拟信道）进行远程通信，必须使用调制解调器进行信号变换。调制器：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（载波信号，载波通常是正弦波或余弦波），以便在电话用户线上传送。解调器：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。所有调制技术均涉及载波信号的下列一个或多个参数的变化：振幅、频率和相位。，分别称为振幅调制、频率调制和相位调制。,2.6.3 数字数据的模拟信号编码,振幅调制,振幅调制又称振幅键控(ASK)，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的振幅。若载波信号为 Acos(2ft+)，则振幅调
19、制信号可以表示为：,数字数据为1数字数据为0,频率调制,频率调制又称频率键控(FSK)，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的频率。若载波信号为 Acos(2ft+)，则频率调制信号可以表示为：,数字数据为1数字数据为0,相位调制,相位调制又称相位键控(PSK)，就是用被传输的数字数据去调制载波信号的相位。若载波信号为 Acos(2ft+)，则相位调制信号可以表示为：,数字数据为1数字数据为0,三种类型的调制,四相位PSK,我们还可以采用四种相位变化方式，让每一种变化代表两个比特(4-PSK)。此时我们可以用两倍于2-PSK的速率传输数据。,正交振幅调制,一种常用于ADSL（非对称数字用户线路
20、）和无线通信的模拟信号传输技术。振幅调制(ASK)和相位调制(PSK)技术的综合(同时改变正弦波三个特性中的振幅和相位)。,.,2.7 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。传输媒体可以分为两大类，即导向传输媒体（有线）：电磁波被导向沿着固体媒体传播：双绞线、同轴电缆、光纤非导向传输媒体（无线）：地面微波、卫星、红外线,2.7.1 导向传输媒体,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同轴电缆光纤 单模
21、光纤多模光纤,（1）双绞线,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起来就构成了双绞线。各个线对绞和的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。,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,局域网中所使用的双绞线有:屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。,常用的双绞线，根据其电气性能，可以分为六类。最常用的双绞线有3类和5类，均由4对双绞线组成，3类双绞线传输速率可达10bps，5类双绞线传输速率可达100bps。它们之间的区别在于单位长度的绞合次数不同：3类的绞合长度为7.5cm10
22、cm，5类为0.6cm0.85cm。,常用的双绞线的类别,.,（2）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（也可以是箔状）以及绝缘保护外层所组成。,内导体,绝缘层,外导体屏蔽层,绝缘保护外层,通常按特性阻抗的不同,可分为:50同轴电缆和75同轴电缆。50同轴电缆主要用于在数据通信中传输数字信号，因此又称为基带同轴电缆。75 同轴电缆用于模拟传输系统，在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号，因此又称为宽带同轴电缆。有线电视系统CATV中使用的就是75同轴电缆。,同轴电缆的分类,50同轴电缆又分为粗缆和细缆两种。粗缆传输性能优于细缆。常用于10
23、Base-5的以太网中，单根最大传输距离500米。而细缆常用于10Base-2的以太网中，单根最大传输距离185米。,.,（3）光纤,光纤（光导纤维）是一种直径为8m100m的柔软、能传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面,用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道；多条光纤组成一束，就构成一条光缆。,四 芯 光 缆,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,光纤的工作原理,高折射率(纤芯),低折射率(包层),光
24、线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,按光纤传输模式的不同，可以分为：（1）单模光纤（直径8m10m）（2）多模光纤（通常为50m或62.5m）只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于临界角，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤。,多模光纤与单模光纤,多模光纤,由于单模光纤完全避免了模式散射，使得单模光纤的传输频带很宽，因而适用于大容量、长距离的光纤通信。多模与单模光纤相比，芯径大得多，色散大得多，限制了传输数字信号的频率，传输容量
25、较小，传输距离也较短，一般只有几千米。,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下尤为重要。（3）无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。（4）体积小，重量轻。,光纤的优点,.,2.7.2 非导向传输媒体,用自由空间作为传输介质来进行数据通信。特点:信号沿直线传播适用:架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方,广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网。分类:地面微波接力通信、卫星通信、红外线与毫米波通信,电信领域使用的电磁波的频谱,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X
26、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,（1）地面微波接力通信,原理:长距离传输时每隔一段距离就需架中继站,将前一信号放大向后传。优点:频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性较好、投资少、见效快、灵活等。缺点:相邻站间必须直视，不能
27、有障碍物；受气候干扰较大、保密性差、中继站的使用与维护问题等。,（2）卫星通信,原理：用位于36000公里高空的人造同步卫星做中继器的一种微波接力通信。优点：频带很宽,通信容量大,信号受干扰小；通信比较稳定，通信距离远。缺点：保密性较差,造价较高，具有较大的传输延迟适用：广播电视通信。,（3）红外线与毫米波通信,优点：价格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被窃听。缺点：不能穿透坚硬的物体。适用：被广泛应用于短距离通信，红外线成为室内无线局域网的主要选择对象。,几种通信介质的性能比较,.,共享信道,2.8 信道复用技术,复用(multiplexing)是将多个信源的彼此无关的信号，组合在一条物理
28、信道上进行传送的技术。多路复用的目的：充分利用昂贵的通信线路，尽可能地容纳较多的用户传输较多的信息。,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,常用的多路复用技术有：频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）时分多路复用（TDM，Time Division Multiplexing）波分多路复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）码分多路复用（CDM，Code Division Multiple）,2.8.1
29、频分复用 FDM,按照频率区分信号的方法，把传输频带分为若干个较窄的频带，每个频带构成一个子信道，独立地传输信息。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）。,频分复用的用途：主要用于模拟信道的复用。如有线电视,频分多路复用的实现过程,频分多路复用技术对整个物理信道的可用带宽进行分割，并利用载波调制技术，实现原始信号的频谱迁移，使得多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内实现频谱上的不重叠。为了避免两个相邻频段的信号互相干扰，频段之间要保留一定的隔离频带，称为保护带。,保护
30、带,频分多路复用技术示例,三路音频模拟信号复用一个带宽为12Hz的物理信道：,300 3400,频分多路复用技术的特点,频分多路复用使信道在同一时刻能同时独立传送多路信号，每路信号占用不同的频带；在线路上传输的是各路信号经过调制后的叠加在一起的复合信号。频分多路复用技术适用于宽带网络。要求传输介质的可用带宽超过各路信源所需带宽的总和：Bfi,在使用频分复用时，若每一个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的总带宽就跟着变宽。,.,2.8.2 时分复用TDM,当物理信道可支持的位传输速率超过单个原始信号要求的数据传输速率时，可以将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。
31、每个帧又划分成若干个时隙，每一个用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。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）。这种时分复用方式又称为同步时分多路复用。主要用于数字信道的复用。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（整个信道的带宽）。,时分复用,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,
32、时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D 在 TDM 帧中的位置不变,A,B,C,D,a,a,b,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,C没有信息,D没有信息,A没有信息,D没有信息,A没有信息,B没有信息,D没有信息,B没有信息,C没有信息,1,2,3,4,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，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。,时分复用可能会造成线路资源的浪费,统计时分复用 STDM,用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,
33、a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用又称为异步时分多路复用，允许动态地分配时间片。根据用户对时间片的需求来分配时间片，没有数据传输的用户不分配时间片。同时对每个时间片加上用户标识，以区别该时间片属于该用户。,.,2.8.3 波分复用 WDM,波分复用就是光的频分复用，它利用了光具有不同的波长的特征。原理：利用波分复用设备（如衍射光栅）将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上。在接收方，采用相同设备分离不同波长的光。,1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557
34、nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,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,8 2.5 Gb/s1310 nm,在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM；,.,2.8.4 码分复用 CDM,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。每个用户可以在同样的时间使用
35、同样的频带进行通信。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。采用CDMA可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，降低手机的平均发射功率等等。,码片序列(chip sequence),每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。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。习惯
36、上，我们将码片中的0写成-1，1写成+1，因此，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),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
37、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,当S站发送比特1时，在接收端计算内积的结果是1；当S站发送比特0时，在接收站计算内积的结果是1；当S站没有发送数据时，在接收站计算内积的结果是0。,例：共有4个站进行码分多址CDMA通信。4个站的码
38、片序列为：A：（1 1 1 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 1 1 1 1 1 1）现收到这样的码片序列：（1 1 3 1 1 3 1 1）。问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的1还是0？答：SA=（11311311）8=1，A发送1 SB=（11311311）8=1，B发送0 SC=（11311311）8=0，C无发送 SD=（11311311）8=1，D发送1,几种复用技术的简单对比,例：假设现在在开会TDM(时分复用)如在同一个房间轮流发言的方式，但一次只能一个人说，一个说完，另一个继续。FDM(频分复用)则
39、先将大房间隔成若干个小房间，每个小房间里的人互相交流。CDMA(码分多路复用)则是把所有的人放在一个大房间里，他们说着不同的语言。这样他要交流只要找自己的语言的那个，而不用担心别的语言的噪声。,.,2.9 数字传输系统,1.脉码调制PCM体制2.同步光纤网SONET和同步数字系列SDH,2.9.1.PCM 体制,现在的数字传输系统均采用脉冲编码调制 PCM 体制。为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。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
40、 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30/31/32 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。,E1线路 2.048Mbps,E1由32个多路复用信道组成每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为8bit，则数据传输速率为64kbps。32个多路复用信道每次采样组成一个帧，即每帧为：32个信道*8bit=256bit。256bit*8000次/秒=2.048Mbps,T=125 s,E1 的时分复用帧,2.048 Mb/s,传输线路,CH0,CH16,CH
41、17,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,15 个话路,15 个话路,1、一条E1是2.048M的链路，用PCM编码。2、一个E1的帧长为256bit（T=125s）,分为32个时隙，一个时隙为8bit。3、每秒有8k个E1的帧通过接口，即8K*256=2048kbps。4、每个时隙在E1帧中占8bit，8*8k=64k，即一条E1中含有32个64K。,E1帧结构,E1有成帧,成复帧与不成帧三种方式：在成帧的E1中
42、第0时隙用于传输帧同步数据,其余31个时隙可以用于传输有效数据;在成复帧的E1中,除了第0时隙外，第16时隙是用于传输信令的,只有第1到15,第17到第31共30个时隙可用于传输有效数据;而在不成帧的E1中,所有32个时隙都可用于传输有效数据。,T1线路 1.544Mbps,T1由24个多路复用信道组成每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为7bit。每个信道每次采样生成的7bit数据加1bit控制位。所以每个信道每秒生成56K+8K的传输速率。24个多路复用信道每次组成一个帧，即每帧为：24*8=192bit，每帧间加1bit帧分割，所以每帧为193bit，193bit*8000次/秒=1
43、554000bps=1.544Mbps,上表给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率。日本的一次群用T1，但自己另有一套高次群的标准。,.,2.9.2.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,美国1988年提出了名为同步光纤网 SONET(Synchronous Optical Network)的标准，同步光纤网的各级时钟都来自
44、一个非常精确的主时钟，并且以51.84 Mb/s为基础定义了同步传输的线路速率等级。第 1 级同步传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s（使用的帧称为STS-1帧）。更高的等级是用N个STS-1帧组成STS-N帧。与第1级同步传输信号对应的光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。,同步数字系列 SDH,ITU-T（国际电信联盟的电信标准化部门）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
45、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。更高的等级是用N个STM-1组成STM-N。,SONET 标准与 SDH标准的对应关系,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),(
46、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-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。,.,2.10 宽带接入技术,为了提高用户的上网速率，近年来已经有多种宽带技术开始进入用户的家庭。“宽带”尚无统一的定义。有人认为只要接入速率超过56kb/s就是宽带。美国联邦通信委员会认为只要双向速率
47、之和超过200kb/s就是宽带。也有人认为数据率要达到1Mb/s以上才能算是宽带。常用的宽带接入技术有：1.xDSL技术2.光纤同轴混合网3.FTTx 技术,2.10.1 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
48、 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据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，
49、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(Discrete Multi-Tone)调制技术
50、。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 的数据率,由于用户线的具体条件往往相差很大（距离
