计算机网络技术CH2-5ed物理层

1、课件制作人：谢希仁计算机网络（第 5 版）第 2 章 物理层课件制作人：谢希仁第 2 章 物理层2.1 物理层的基本概念2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型2.2.2 有关信道的几个基本概念2.2.3 信道的极限容量2.2.4 信道的极限信息传输速率2.3 物理层下面的传输媒体2.3.1 导向传输媒体2.3.2 非导向传输媒体课件制作人：谢希仁第 2 章 物理层（续）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 2.4.2 波分复用 2.4.3 码分复用2.5 数字传输系统2.6 宽带接入技术 2.6.1 xDSL技术 2.6.2 光纤同轴混合网（HF

2、C 网） 2.6.3 FTTx 技术课件制作人：谢希仁2.1 物理层的基本概念 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： n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。n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。n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。n过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 课件制作人：谢希仁2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型 传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器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

3、号模拟信号 输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机课件制作人：谢希仁几个术语n数据(data)运送消息的实体。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 n“模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。 n“数字的”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。 n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。课件制作人：谢希仁 2.2.2 有关信号的几个基本概念n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。n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

4、(当然也就不能同时接收)。n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。 课件制作人：谢希仁基带(baseband)信号和带通(band pass)信号 n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。n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)。 n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）。 课件制作人：谢希仁几种最基本的调制方法 n基带信号

5、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)。 n最基本的二元制调制方法有以下几种：n调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 n调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。n调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 课件制作人：谢希仁对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相课件制作人：谢希仁正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1

6、 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。 举例课件制作人：谢希仁2.2.3 信道的极限容量 n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。 n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。 课件制作人：谢希仁数字信号通过实际的信道 n有失真，但可识别n失真大，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发送信号波形实际的信道（带宽

7、受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形课件制作人：谢希仁信道能够通过的频率范围n1924 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。n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。n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。 0021( ),tag t dt fTT1.傅里叶分析(补充)n任何周期信号都是由一个基波信号和各种高次谐波信号合成任何周期信号都是由一个基波信号和各种高次谐波信号合

8、成的的, 按照傅立叶分析法可以把一个周期为按照傅立叶分析法可以把一个周期为T的复杂函数的复杂函数g(t)表表示为无限个正弦和余弦函数之和示为无限个正弦和余弦函数之和:n 其中其中c是常数是常数, 代表直流分量代表直流分量, 且且 c为基频为基频.)2*4cos()2*4sin()2*3cos()2*3sin()2*2cos()2*2sin()2*1cos()2*1sin(21 )2cos()2sin(21)(443322111ftbftaftbftaftbftaftbftacftbnftactgnnn(补充)nan, bn分别是分别是n次谐波振幅的正弦和余弦分量次谐波振幅的正弦和余弦分量:00

9、2sin(2)2cos(2)tntnanft dtTbnft dtT(补充)(补充)n信道带宽一定时，数据传输率越高，信道带宽一定时，数据传输率越高，f f越大，信道所能越大，信道所能通过的谐波数越少，信号失真增大，直到无法识别。通过的谐波数越少，信号失真增大，直到无法识别。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数据传输速率和带宽之间的关系：数据信号传输速率数据传输速率和带宽之间的关系：数据信号传输速

10、率越高，该信号的有效带宽越宽；信道的带宽越宽，信越高，该信号的有效带宽越宽；信道的带宽越宽，信道所能传输的数据传输速率就越高；道所能传输的数据传输速率就越高；n任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时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。会产生各种失真以及带来多种干扰。 n码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远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。，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud 理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud 奈氏(Nyquist)准则

11、n每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。nBaud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。 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) 另一种形式的奈氏准则 n每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。理想带通特性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) 不能通过课件制作人：谢希仁(2) 信噪比 n香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有

12、高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。n信道的极限信息传输速率 C 可表达为n C = W log2(1+S/N) b/s nW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；nS 为信道内所传信号的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。 课件制作人：谢希仁香农公式表明 n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。 n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。 n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。n实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传

13、输速率低不少。 课件制作人：谢希仁请注意 n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。 课件制作人：谢希仁2.3 物理层下面的传输媒体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(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 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱课件制作人：谢希仁2.3.1 导向传输媒体n双绞线n屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)n无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光缆 (补充)课件制作人：谢希仁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(补充) 双绞线双绞线n1 1、结构、结构n 绞合在一起的相互绝缘的铜导线若

15、干对绞合在一起的相互绝缘的铜导线若干对+ +屏蔽层屏蔽层+ +保护层保护层n 减少对相邻的导线的电磁干扰，传输模拟信号和数字信号。减少对相邻的导线的电磁干扰，传输模拟信号和数字信号。n2 2、型号、型号n 1 1类类55类（超类（超5 5类）（类）（3 3类类10M10M，5 5类类100M100M）n3 3、类型与用途、类型与用途n 屏蔽双绞线（屏蔽双绞线（ STP STP ）：远程，应用较少）：远程，应用较少n 非屏蔽双绞线（非屏蔽双绞线（ utputp）：桌面连接）：桌面连接n3 3、特点、特点n 用于星型网络拓扑结构，目前局域网中广泛应用。用于星型网络拓扑结构，目前局域网中广泛应用。

16、双绞线（双绞线（UTP），两头压接），两头压接RJ45连接器；连接器； 所有站点都与所有站点都与HUB （集线器）相连接；（集线器）相连接； HUB的作用：信号放大与整形的作用：信号放大与整形 星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。 轻便、安装密度高、便于维护轻便、安装密度高、便于维护NICHUB每段最大长度每段最大长度 100m多台多台HUB级连级连可以支持更多站点可以支持更多站点( (补充补充) )双绞线以太网（双绞线以太网（10Base-T10Base-T）( (补充补充) )非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线n非屏蔽双绞线由非屏蔽双绞线由4 4对导线组成对导线组

17、成n常用的颜色与线号的对应关系常用的颜色与线号的对应关系n橙（橙（2 2）和橙白（）和橙白（1 1）n绿（绿（6 6）和绿白（）和绿白（3 3）n蓝（蓝（4 4）和蓝白（）和蓝白（5 5）n棕（棕（8 8）和棕白（）和棕白（7 7）( (补充补充) ) 10M/100M 10M/100M以太网中的非屏蔽双绞线以太网中的非屏蔽双绞线n10M/100M10M/100M以太网利用非屏蔽双绞线中的两对线以太网利用非屏蔽双绞线中的两对线进行信息传输进行信息传输n10M/100M10M/100M以太网使用的线对以太网使用的线对n发送：发送：1 1 （橙白）（橙白） 、2 2 （橙）（橙）n接收：接收：3

18、3 （绿白）（绿白） 、6 6 （绿（绿）( (补充补充) )基本连接规则基本连接规则n自己的发线要与对方的的收线相连自己的发线要与对方的的收线相连n自己的收线要与对方的的发线相连自己的收线要与对方的的发线相连( (补充补充) )直通直通UTPUTP电缆电缆( (补充补充) )交叉交叉UTPUTP电缆电缆(补充) 同轴电缆同轴电缆n1 1、结构、结构n 内导体内导体+ +外导体外导体+ +绝缘层绝缘层+ +外保护层外保护层n T T型头、终端电阻、收发器等型头、终端电阻、收发器等n2 2、型号、型号n RG-8/11RG-8/11（5050）粗缆粗缆n RG-58 RG-58 （5050）细缆

19、细缆n RG-59 RG-59 （7575）CATVCATV电缆电缆n RG-62 RG-62 （9393）IBMIBM系统系统n3 3、类型与用途、类型与用途n 基带：基带：n 粗缆粗缆局域网主干局域网主干n 细缆细缆桌面连接桌面连接n 宽带：宽带：n CATVCATV有线电视有线电视n3 3、特点、特点n 抗干扰较好，支持多点连接；故障识别困难，已被双绞线取代。抗干扰较好，支持多点连接；故障识别困难，已被双绞线取代。(补充)同轴电缆以太网同轴电缆以太网粗缆以太网（粗缆以太网（10BASE5）粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器收发器 : 发送发送/接

20、收接收, 冲突检测冲突检测, 电气隔离电气隔离总线型拓扑总线型拓扑 粗缆粗缆收发器收发器AUI 电缆电缆NICVampire tap最大段长度最大段长度 500m每段最多站点数每段最多站点数 1002.5m网络最大跨度网络最大跨度 2.5km 网络最多网络最多5个段个段 终端匹配器终端匹配器细缆细缆BNC接头接头NIC细缆以太网（细缆以太网（ 10Base2 ）细同轴电缆，可靠性稍差细同轴电缆，可靠性稍差 无外置收发器无外置收发器 轻便、灵活、成本较低轻便、灵活、成本较低总线型拓扑总线型拓扑每段最大长度每段最大长度 185m每段最多站点数每段最多站点数 300.5 m网络最大跨度网络最大跨度

21、925 m 网络最多网络最多5个段个段 终端匹配器终端匹配器 ( (补充补充) )光纤线缆光纤线缆n1 1、原理、原理n 光线由光密介质进入光疏介质时，若入射角足够大，可以发生全反射。光线由光密介质进入光疏介质时，若入射角足够大，可以发生全反射。n2 2、结构、结构n 光纤光纤+ +填充物填充物+ +保护层保护层 细细 不到不到0.2mm 0.2mm 光缆光缆 包括一至数百根光纤包括一至数百根光纤n3 3、光源：发光二极管、光源：发光二极管LEDLED、注入型激光二极管、注入型激光二极管 （幅移键控）（幅移键控）n4 4、检波器：、检波器：PINPIN、APDAPD（光电计数器）（光电计数器）

22、n4 4、类型、类型n 室内：灵活，单芯室内：灵活，单芯+ +保护保护n 室外：抗恶劣，多芯室外：抗恶劣，多芯+ +保护保护n 单模：细，单模：细，10um10um成本高，长距离，高速，损耗小成本高，长距离，高速，损耗小n 多模：多条不同入射角度的光线，粗，多模：多条不同入射角度的光线，粗，50um50um便宜，性能略低便宜，性能略低课件制作人：谢希仁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） 包层纤芯课件制作人：谢希仁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课件制作人：谢希仁输入脉冲输出脉

23、冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤( (补充补充) )课件制作人：谢希仁2.3.2 非导向传输媒体 n无线传输所使用的频段很广。n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。n微波在空间主要是直线传播。 n地面微波接力通信n卫星通信 补充n无线传输所使用的频段很广，特性与频率有关无线传输所使用的频段很广，特性与频率有关，容易被干扰。，容易被干扰。n低频，容易穿过障碍物，能量随距离增大而减小。低频，容易穿过障碍物，能量随距离增大而减小。n高频，区域直线传播，受障碍物阻挡，被雨水吸收高频，区域直线传播，受障碍物阻挡，被雨水吸收。n短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信

24、道的通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。信质量较差。n短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道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。的通信质量较差。n微波在空间主要是直线传播，不能穿建筑物。微波在空间主要是直线传播，不能穿建筑物。用于长途电话通信、移动电话、电视传播等。用于长途电话通信、移动电话、电视传播等。频谱短缺问题，便宜频谱短缺问题，便宜 。n地面微波接力通信地面微波接力通信n地面微波系统由视野范围内的两个互相对准方向的抛物面天线组地面微波系统由视野范围内的两个互相对准方向的抛物面天线组成成, , 长距离通信则需要多个中继站组成微波中继链路。长距离

25、通信则需要多个中继站组成微波中继链路。n卫星通信卫星通信 n通信卫星可看作是悬在太空中的微波中继站。通信卫星可看作是悬在太空中的微波中继站。 卫星上的转发器卫星上的转发器把它的波束对准地球上的一定区域把它的波束对准地球上的一定区域, , 在此区域中的卫星地面站之在此区域中的卫星地面站之间就可互相通信。间就可互相通信。 （1 1）微波通信）微波通信 n视距传播视距传播n电离层反射电离层反射（短波）（短波）地球表面地球表面电离层（2 2）卫星通信）卫星通信 卫星地球表面卫星发送多点接收多点接收n红外线红外线n用于短距离通信，电视、录像机的遥控设备。用于短距离通信，电视、录像机的遥控设备。n有方向性

26、有方向性n不能超过坚实的物体，安全性好不能超过坚实的物体，安全性好n不需政府授权不需政府授权n不能在室外使用不能在室外使用n光波传输光波传输n低成本、高带宽低成本、高带宽n不需授权不需授权n不能穿透雨或浓雾不能穿透雨或浓雾课件制作人：谢希仁共享信道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 n复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术课件制作人：谢希仁频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) n用户在分配到

27、一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。n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）。 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5课件制作人：谢希仁时分复用TDM(Time Division Multiplexing) n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。n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）。nTDM 信号也称为等时(isochronous)信号。n时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带

28、宽度。课件制作人：谢希仁时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧课件制作人：谢希仁时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧课件制作人：谢希仁时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧课件制作人：谢希仁时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧T

29、DM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧课件制作人：谢希仁时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户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。 课件制作人：谢希仁统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用课件制作人：谢希仁 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 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) n波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器课件制作人：谢希仁2.4.3 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple

31、 Access)。n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。n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。 n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 课件制作人：谢希仁码片序列(chip sequence) n每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。n如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。n如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 n例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。n发送比特 1 时，就发送序列 00011011，n发送比特 0 时，就发送序列 11100100。nS 站的码

32、片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 课件制作人：谢希仁CDMA 的重要特点n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)。n在实用的系统中是使用伪随机码序列。 课件制作人：谢希仁码片序列的正交关系 n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。 n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： 011miiiTSmTS(2-3)课件制作人：谢希仁码片序列的正交关系举例 n令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(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)式就可看出这两个码片序列是正交的。 课件制作人：谢希仁n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 。n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 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS课件制作人：谢希仁CDMA 的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 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件制作人：谢希仁2.5 数字传输系统1. 脉码调制 P

34、CM 体制 n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。n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 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。nE1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。n当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。 3.4.3 数字传输系统 n现在的数字传输系统均采用现在的数字传输系统均采用脉码调制脉码调制 PCM (Pulse PCM (Pulse Code Modulation)Code Modulation)体制。体制。

35、采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原(补充)n1 1、采样定理：如果用大于原信号最高频率、采样定理：如果用大于原信号最高频率2 2倍的速率定期对信号进行采样，倍的速率定期对信号进行采样，其样本就包含足以构成原信号的所有信息。其样本就包含足以构成原信号的所有信息。n2 2、脉冲调制技术（、脉冲调制技术（PCMPCM）n（1 1）采样）采样n将模拟信号变成离散的模拟信号。将模拟信号变成离散的模拟信号。n（2 2）量化）量化n 将模拟数据分成若干个级别，将每个样本按其幅度归为某个级别。级别将模拟数据分成若干个级别，将每个样本按其幅度归为某个级别。级别越多，精度越

36、高，量化误差越小。越多，精度越高，量化误差越小。n（3 3）编码）编码n 将各个量化级别用二进制代码表示级别越多，需要的二进制编码位数越将各个量化级别用二进制代码表示级别越多，需要的二进制编码位数越多。多。max2 ff (补充)D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.270.30.620.61.281.31.521.51.261.30.730.70.410.40.120.1(a)样本量化级二进制编码编码信号0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b) ( (补充补充) )PCMPCM用于数字语

37、音系统用于数字语音系统：n声音分为声音分为128128个量化级；个量化级；n每个量化级采用每个量化级采用7 7位二进制编码表示；位二进制编码表示；n采样速率为采样速率为80008000样本样本/ /秒；秒；n数据传输速率应达到数据传输速率应达到7 7位位8000/8000/秒秒 =56kb/s=56kb/s；n如果每个量化级采用如果每个量化级采用7+1=87+1=8位二进制编码表示位二进制编码表示; ;n数据传输速率应达到数据传输速率应达到8 8位位8000/8000/秒秒 = 64kb/s= 64kb/s。时分复用时分复用 n为了有效地利用传输线路，可将多个话路的为了有效地利用传输线路，可将

38、多个话路的PCM PCM 信号用信号用时分复用时分复用 TDM (Time Division TDM (Time Division Multiplexing)Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。到线路上。n中国采用欧洲体制，以中国采用欧洲体制，以 E1 E1 为一次群。为一次群。n美国和日本等国采用北美体制，以美国和日本等国采用北美体制，以 T1 T1 为一次群为一次群。E1 E1 的时分复用帧的时分复用帧 2.048 Mb/s传输线路传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分

39、复用帧时分复用帧T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH08 bitt时分复用帧时分复用帧时分复用帧时分复用帧T = 125 s15 个话路个话路15 个话路个话路( (补充补充) )贝尔系统的贝尔系统的T1T1载波载波n2424路音频信道复用在一条通信线路上；路音频信道复用在一条通信线路上；n每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个PCMPCM编码器；编码器；n编码器每秒取样编码器每秒取样80008000次；（太低、太高）次；（太低、太高）125125微秒微秒n2424路路PCMPCM信号的每一

40、路轮流将一个字节插入到帧中；信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中；n每个字节的长度为每个字节的长度为8 8位，其中位，其中7 7位是数据位，位是数据位，1 1位用于信道控位用于信道控制；制；n每帧由每帧由24248=1928=192位组成，附加一位作为帧开始标志位，所位组成，附加一位作为帧开始标志位，所以每帧共有以每帧共有193193位；位；nT1T1载波的数据传输速率为载波的数据传输速率为1.544Mb/s1.544Mb/s。 课件制作人：谢希仁2. 同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH n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： n速率标准不统一。n如果不对高

41、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。 n不是同步传输。n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。 调制解调器使用异步通信方式调制解调器使用异步通信方式 n数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：n同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。发送端发送连续的比特流。n异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送端发送完一个字节后

42、，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。下一个字节。 n异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。课件制作人：谢希仁同步光纤网 SONETn同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network)是一组有关光纤信道上的同步数据传输的标准协议。常用于物理层构架和同步机制。n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。 n第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchrono

43、us Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。n光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 课件制作人：谢希仁同步数字系列 SDH nITU-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)。n一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。nSDH 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。 线路

44、速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线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 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 课件制作人：谢希仁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)课件制作人：谢希仁SONET 标准定义了四个光接口层 n光子层(Photonic Layer)n处理跨越光缆的比特传送。电信号和光信号的转换。n段层(Section Layer)n在光

46、缆上传送 STS-N 帧。成帧和差错检测。帧和差错检测。n线路层(Line Layer)n负责路径层的同步和复用。n路径层(Path Layer) n处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输。 意义nSDH/SONET标准的制定，使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在STM-1等级上获得统一。这是第一次真正实现了数字成传输体制上的世界性标准。nSDH/SONET标准已成为公认的新一代离线的传输网体制。课件制作人：谢希仁2.6 宽带接入技术2.6.1 xDSL技术nxDSL 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

47、能够承载宽带业务。n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。nxDSL 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。nDSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。而 DSL 的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。 课件制作人：谢希仁xDSL 的几种类型 nADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线nHDSL (High speed DSL)：高速数字用户线

48、nSDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线nVDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线nDSL ：ISDN 用户线。nRADSL (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）。 课件制作人：谢希仁ADSL 的极限传输距离nADSL 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。n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

49、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。n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 课件制作人：谢希仁ADSL 的特点n上行和下行带宽做成不对称的。n上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。nADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。n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“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。课件制作人：谢希仁DMT 技术nDMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.

50、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。n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。课件制作人：谢希仁DMT 技术的频谱分布 频谱频率上行信道传统电话04下行信道(kHz)401381100课件制作人：谢希仁ADSL 的数据率n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。n当 ADSL

51、 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。nADSL 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。n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。课件制作人：谢希仁ADSL 的组成 ATU-CATU-CATU-RATU-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DSLAM至本地电话局PSPS数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接单元 ATU (Access Termination Uni