计算机网络基础谢希仁第五版2章useppt课件

1、计算机网络第 5 版）第 2 章 物理层第 2 章 物理层2.1 物理层的基本概念2.2 物理层下面的传输媒体2.2.1 导向传输媒体2.2.2 非导向传输媒体2.3 数据通信的基础知识2.3.1 数据通信系统的模型2.3.2 有关信道的几个基本概念2.3.3 信道的极限容量2.3.4 信道的极限信息传输速率第 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HFC 网） 2.6.3 FTTx 技术2.1 物理层的基本概念

2、 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。 通信分为有线通信和无线通信两种。有线通信是利用电缆、光缆或电话线来充当传输导体的。无线通信是利用卫星、微波、红外线来充当传输导体。在通信线路上常用的有线传输介质有双绞线、大对数线和光缆。2.2 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

3、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 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 挪动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱2.2.1 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 各种

4、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n双绞线缆线n双绞线缆线n计算机网络工程使用4对非屏蔽双绞线导线，物理结构如图1-6所示。n1非屏蔽双绞线电缆的优点n非屏蔽双绞线电缆的优点如下。n1无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间。n2质量小、易弯曲、易安装。n3将串扰减至最小或加以消除。n4具有阻燃性。n5具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。n双绞线缆线n2双绞线的绞距n在双绞线电缆内，不同线对具有不同的绞距长度。一般地说，4对双绞线绞距周期在38.1mm长度内，按逆时针方向扭绞，一对线对的扭

5、绞长度在12.7mm以内。n3双绞线的生产制造过程n铜棒拉丝单芯覆盖绝缘层两芯绞绕4对绞绕覆盖绝缘层印刷标记成卷。n4双绞线施工影响原因n1网络双绞线配线端接工程技术。n2布线拉力。n3布线曲率半径。n4布线绑扎技术。n5电磁干扰。n6工作温度。n大对数双绞线n大对数双绞线是由25对具有绝缘保护层的铜导线组成的。它有3类25对大对数双绞线，5类25对大对数双绞线，为用户提供更多的可用线对，并被设计为扩展的传输距离上实现高速数据通信应用，传输带宽为100MHz。导线色彩由蓝、橙、绿、棕、灰和白、红、黑、黄、紫编码组成。n同轴电缆n同轴电缆是由一根空心的外圆柱导体及其所包围的单根内导线所组成，如图

6、1-8所示。柱体同导线用绝缘材料隔开，其频率特性比双绞线好，能进行较高速率的传输。v同轴电缆v同轴电缆可分为两种基本类型：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。目前基带常用的电缆，其屏蔽线是用铜做成网状的，特征阻抗为50 ，如RG-8、RG-58等；宽带常用的电缆，其屏蔽层通常是用铝冲压成的，特征阻抗为75 ，如RG-59等。v同轴电缆根据其直径大小可以分为粗同轴电缆与细同轴电缆。v细缆的直径为0.26cm，最大传输距离为185m，细缆的阻抗是50 。 v粗缆RG-11的直径为1.27cm，最大传输距离达到500m，粗缆的阻抗是75 。v为了保持同轴电缆的正确电气特性，电缆屏蔽层必须接地，同时两头要有终

7、端来削弱信号反射作用。themegalleryv水晶头与信息模块v1水晶头v水晶头，专业术语为RJ-45连接器RJ-45是一种网络接口规范，类似的还有RJ-11接口，就是我们平常所用的电话接口，用来连接电话线）。之所以把它称为水晶头，是因为它的外表晶莹透亮的原因，如图1-15所示。v水晶头与信息模块v2信息模块v信息模块是网络工程中经常使用的一种器材，分为6类、超5类和3类，且有屏蔽和非屏蔽之分。信息模块如图1-17所示。v面板、底盒v1面板v常用面板按面板外形尺寸可分为国标86型和120型；按上面集成接口数量可分为单口面板和双口面板；按应用场合不同又可分为地弹插座面板、墙面插座面板和桌面型面

8、板。v2底盒v网络信息点插座底盒按照材料一般分为金属底盒和塑料地盒，按照安装方式一般分为暗装底盒和明装底盒，按照配套面板规格分为86系列和120系列。v配线架v配线架是管理子系统中最重要的组件，是实现干线和配两个子系统交叉连接的枢纽，一般放置在管理区和设备间的机柜中。在网络工程中常用的配线架有双绞线配线架和光纤配线架。v理线器 v理线器为电缆提供了平行进入RJ-45模块的通路，使电缆在压入模块之前不再多次直角转弯，减少了自身的信号辐射损耗，同时也减少了对周围电缆的辐射干扰。v机柜v机柜是存放设备和缆线交接的地方，机柜以U为单元区分1U=44.45mm）。v标准的机柜端接设备宽度为600mm，一

9、般情况下，服务器机柜的深度大于800mm，而网络机柜的深度小于800mm。v机柜v网络机柜可分为两种：常用服务器机柜和壁挂式网络机柜。v双绞线安装工具v15对110打线钳v该工具是一种简便快捷的110型连接端子打线工具，是110配线跳线架卡接连接块的最佳手段，如图1-29所示。v2单对110打线钳v该工具适用于缆线、110型模块及配线架的连接作业。v3RJ-45+RJ-11双用压线钳v该工具适用于RJ-45和RJ-11水晶头的压接。一把钳子包括了双绞线切割、剥离外护套、水晶头压接等多种功能，如图1-31所示。v双绞线安装工具v4RJ-45单用压线钳v在双绞线网线制作过程中，压线钳是最主要的制作

10、工具，如图1-32所示。v5剥线器v6扎带v扎带分尼龙扎带与金属扎带。综合布线工程中使用的是尼龙扎带。尼龙扎带按紧固方式分为4种：可松式扎带、插销式扎带、固定式扎带和双扣式扎带。还可使用线扣将扎带和缆线等进行固定，它分粘贴型和非粘贴型两种。信息模块端接技术信息模块的端接有两种标准：EIA/TIA568A和EIA/TIA568B。如图所示为两种标准规定的导线排列顺序。信息模块端接技术二、信息模块端接技术要点 下面介绍IBDN GigaFlex模块压接的具体操作步骤。剥除线缆外皮； 剥除线缆至末端10cm处；剪除线缆的外皮及抗拉线； 将线对插入模块的槽帽内； 压紧槽帽并整理线对；线缆及槽帽一起压入

11、模块插座；将各线对压入模块各槽位内； 使用打线工具加固线对与插座的连接。如下图所示： 信息模块端接技术要点 12345678信息插座安装要求 模块端接完成后，接下来就要安装到信息插座内，以便工作区内终端设备的使用。下面以IBDN EZ-MDVO插座安装为例，介绍信息插座的安装步骤。 模块卡接到面板插槽内； 面板与底盒接合在一起； 用螺丝固定插座面板； 在插座面板上安装标签条。 14RJ45-RJ45跳线端接技术1.RJ45-RJ45跳线简介 RJ45-RJ45跳线是由一根双绞线电缆与两个RJ45连接头端接而成的，如下图。RJ45-RJ45跳线根据连接系统性能的要求分为5类、超5类、6类跳线。只

12、有设备之间级联时才会使用反序跳线连接，即两端线序的1、2线对分别与3、6线对连接。下面主要介绍常用的直通RJ45-RJ45跳线端接技术。 RJ45-RJ45跳线 RJ45-RJ45跳线端接技术2. RJ45-RJ45跳线端接技术要点在综合布线施工中，RJ45接头端接也要遵循一定的标准规范。 RJ45接头端接具体步骤如下： 切开电缆直至距端头20mm； 4对导线解钮并平行排列； 将导线排列整齐并修整；将导线插入RJ45接头； 使用压线压接RJ45接头；重复以上步骤，在双绞线的另一端压接另一个RJ45接头，最终得到一根完整的RJ45-RJ45跳线。 RJ45-RJ45跳线端接技术125110配线系

13、统安装技术一、110配线系统构成 IBDN 110配线系统主要由配线架、连接块、线缆管理槽、标签、胶条等组成。（1100对或300对110配线架，如下图；（24线对连接块、5线对连接块，如下图。100对或300对110配线架 4对或5对连接块 110配线系统构成（3胶条和标签条，用于标注各连接块的信息，如下图。（4线缆管理槽和线缆管理环，安装在配线架上用于整理和固定线缆，如下图。胶条和标签条 线缆管理环和线缆管理槽 110配线系统安装技术要点 下面详细介绍使用110配线系统构建4对UTP电缆交叉连接管理系统的步骤：（1在墙上标记好110配线架安装的水平和垂直位置，如下图。（2300线对配线架及

14、线缆管理槽固定方法 ，如下图。100线对配线架及线缆管理槽固定方法 ，如图。8英寸76英寸12110配线系统安装技术要点（3成组绑扎电缆并引入配线架 。（4在配线架上标注各线缆连接的位置 。110配线系统安装技术要点（5按连接接线块的位置整理线缆 。（6剥除电缆外皮 。（7按线序将线对压入槽内。 110配线系统安装技术要点（8将多根线缆的线对压入上下相邻的槽位（9使用110压线工具将线对冲压入线槽内 110配线系统安装技术要点（10使用多线对压接工具将4线对连接块压接到配线架上 。（11在配线架上下槽位间安装标签条 。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

15、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)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射输入脉冲输出脉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v光缆v1光缆v光缆通常是由石英玻璃制成，是横截面积很小的双层同心圆柱体，也称为纤芯，它质地脆，易断裂，由于这一缺点，需要外加一保护层，其结构如图1-10所示。光缆是数据传输中最有效的一种传输介质，它有以下几个优点：v1较宽的频带。v2电磁绝缘性能好。v3衰减较小。v4中继器的间隔距离较大。themegalleryv光缆v2光纤的种类v光纤主要有两大类，即单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径很小，在给定的工作

16、波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。多模光纤是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。v1按照纤芯直径可划分为以下几种。v50/125 缓变型多模光纤。v62.5/125 缓变增强型多模光纤。v10/125 缓变型单模光纤。v2按照光纤芯的折射率分布可分为以下几种。v阶跃型光纤Step Index Fiber，SIF）。v梯度型光纤Graded Index Fiber，GIF）。v环形光纤Ring Fiber）。vW形光纤。v光缆v3光纤通信系统简述v（1光纤通信系统v光纤通信系统是以光波为载体、光导纤维为传输介质的通信方式，起主导作用的是光源、光纤、光发送机和光接收机。

17、v（2光纤通信系统的主要优点v1传输频带宽、通信容量大，短距离时达几千兆的传输速率。v2线路损耗低、传输距离远。v3抗干扰能力强，应用范围广。v4抗化学腐蚀能力强。v（3光端机v光端机是光通信的一个主要设备，其外观如图1-11所示，主要分两大类：模拟信号光端机和数字信号光端机。v在网络工程中，一般是62.5/125 规格的多模光纤，有时用50/125 规格的多模光纤。户外布线大于2km时可选用单模光纤。1、光纤熔接需用到的工具 v光纤安装工具v1光纤剥离钳v2光纤切割刀v切割长度一般为1620mm。 v3光纤熔接机v光纤熔接技术是用光纤熔接机如图1-38所示进行高压放电，使待接续光纤端头熔融，

18、合成一段完整的光纤。这种方法接续损耗小一般小于0.1dB），而且可靠性高，是目前最普遍使用的方法。2.先将光纤穿过光纤收容箱3、光纤熔接的准备工作 步骤一：剥光纤加固钢丝 (约剥1米长) 步骤二：2 步骤三：3 步骤四：剥光纤外皮(约剥1米长) 步骤五：剥光纤属保护层 (用美工刀轻刻) 步骤6：轻拆光纤让属保护层断(注弯曲角能大于45) 步骤7： (用美工刀在四周轻刻，要太用以免损伤光纤。) 步骤8：轻拆光纤让塑料保护管断(注弯曲角能大于45) 步骤9：9 步骤十： 用较好纸巾沾酒精 步骤11： 清洁每一小根光纤 步骤12：套光纤热缩套管 下图是光纤热缩套管 步骤13：剥光纤绝缘层 步骤14：

19、用沾酒精纸巾将光纤擦试干净 步骤15：用光纤割器斩光纤 (斩长要适中) 步骤16：将斩好的光纤放到光纤熔接机的一侧(如下图最好) 步骤17：固定好光纤 步骤18、光纤跳线的加工，当中剪断分开(头圆口)。19剪光纤跳线石棉保护层 (要用石英剪刀) 步骤20：剥好的跳线内绝缘层与外保护层之间长至少20cm 步骤21： 用沾酒精纸巾将光纤擦试干净 步骤22： 用光纤割器斩光纤跳线 (斩长要适中) 步骤23： 将斩好的光纤跳线放到光纤熔接机的另一侧(注：光纤尽对齐) 步骤24：固定光纤跳线 步骤25：按“SET键开始熔接光纤 步骤26：光纤 X、Y 轴自动调节 步骤27：熔接结束观察损耗值熔接成功会告

20、知原因 步骤28：用光纤热缩套管完全套住剥掉绝层部份(剥光纤时要控制好长) 步骤29： 将套好热缩套管的光纤放到加热器中 步骤30：按“HEAT键加热 步骤31：取出已加热好的光纤 上述项是焊一芯光纤步骤，重复至其它熔接完成。 步骤32：取出已加热好的光纤将熔接好的光纤装入光纤收容箱步骤33：取出已加热好的光纤将光纤盘好并用封箱胶纸固定步骤34：取出已加热好的光纤固定好盘光纤并将光纤接头接入光纤耦合器步骤35：取出已加热好的光纤固定光纤收容箱步骤36：取出已加热好的光纤跳线的另一头(方口)接SWITCH HUB光纤模块2.2.2 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

21、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 增加： 综合布线系统实例n网吧布线系统的发展n网吧在我国开始于20世纪90年代中期，网络布线采用同轴电缆。n2000年，五类双绞线100M星型、2M ADSL 接入，网络布线主要5类双绞线。n2019年，六类双绞线1000M星型、100M光纤专线接入。n网吧布线系统设计n网吧综合布线的一般要求如下：n1选用四芯单模光纤与电信部门连接，目前电信部门给定带宽100M，但光纤的传输速率可达到千兆以上，为将来网络速度的提高提供了冗余。n2服务器与核心交换机之间采用多模光纤连接，保证核心层千兆连接。n3核心

22、交换机与接入层交换机之间采用六类双绞线，保证交换机之间最高达到千兆的连接。n4接入层交换机与客户计算机之间采用超五类双绞线连接，保证网络到达桌面为100M。n网吧布线系统设计n网吧综合布线的一般要求如下：n5网吧监控服务器与摄像头之间用75 同轴电缆，保证视频信号的传输。n在网吧布线设计时，必须确认：双绞线最长的通信距离和交换机最大的级联数目。n网吧布线系统实施n 1掌握双绞线正确接法n 建议使用568B的接线标准，定义的标准线序是橙白、橙、绿 白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。n 2选择质量过关的水晶头n 3正确安放交换机的位置n 4合理布放双绞线n 5尽量布放备份线路n 6做好线路标记n网吧布线

23、系统测试n 1网线测试。n 2网络设备测试。n 3综合测试。n综合布线的发展n1984年，世界上第一座智能大厦产生。 n1985年初，计算机工业协会CCIA提出对大楼布线系统标准化的倡议。n1991年7月，ANSI/EIA/TIA568即问世，同时，与布线通道及空间、管理、电缆性能及连接硬件性能等有关的相关标准也同时推出。n2019年底，EIA/TIA 568标准正式更新为EIA/TI A/568A，同时，国际标准化组织ISO推出相应标准ISO/IEC/IS11801。n2019年，TIA出台六类布线系统草案，同期，基于光纤的千兆网标准推出。n2019年至今，TIA又陆续推出了六类布线系统正式

24、标准，ISO推出七类布线标准。n n综合布线的发展n综合布线是自20世纪90年代初传入我国的，特别是我国于2019年10月1日开始实施的综合布线系统工程设计规范（GB 503112019和综合布线系统工程验收规范（GB 503122019两个国家标准。n1.2.2 综合布线系统概述n 综合布线系统指用通信电缆、光缆、各种软电缆及有关连接硬 件构成的通用布线系统，它能支持语音、数据、影像和其他信息技术的标准应用系统。设计等级分为三大类。n 1基本型综合布线系统n 2增强型综合布线系统n 3综合型综合布线系统n综合布线系统子系统n综合布线系统工程设计规范（GB 503112019规定，在综合布线系

25、统工程设计中，需要按照下列七个部分进行：工作区子系统、配线子系统、干线子系统、建筑群子系统、设备间、进线间和管理。n综合布线系统子系统n1工作区系统n工作区子系统又称为服务区子系统，它是由跳线与信息插座所连接的设备组成。其中信息插座包括墙面型、地面型、桌面型等，常用的终端设备包括计算机、电话机、传真机、报警探头、摄像机、监视器、各种传感器件、音响设备等。工作区子系统的设计要点：n1从RJ-45插座到计算机等终端设备间的连线宜用双绞线，且不要超过5m。n2RJ-45插座宜首先考虑安装在墙壁上或不易被触碰到的地方。n3RJ-45信息插座与电源插座等应尽量保持20cm以上的距离。n4对于墙面型信息插

26、座和电源插座，其底边距离地面一般应为30cm。n综合布线系统子系统n2配线子系统n配线子系统应由工作区信息插座模块、模块到搂层管理间连接缆线、配线架、跳线等组成。配线子系统的设计要点如下：n1确定介质布线方法和缆线的走向。n2双绞线的长度一般不超过90m。n3尽量避免水平线路长距离与供电线路平行走线，应保持一定的距离非屏蔽缆线一般为30cm，屏蔽缆线一般为7cm）。n4缆线必须走线槽或在天花板吊顶内布线，尽量不走地面线槽。n5如在特定环境中布线要对传输介质进行保护，使用线槽或金属管道等。n综合布线系统子系统n3干线子系统n干线子系统提供建筑物的干线电缆、负责连接管理间子系统到设备间子系统的子系

27、统，实现主配线架与中间配线架，计算机、PBX、控制中心与各管理子系统间的连接，该子系统由所有的布线电缆组成，或由导线和光缆以及将此光缆连接到其他地方的相关支撑硬件组合而成。干线子系统的设计要点如下：n1干线子系统一般选用光缆，以提高传输速率。n2干线子系统应为星形拓扑结构。n3干线子系统干线光缆的拐弯处不要用直角拐弯，而应该有相当的弧度，以避免光缆受损，干线电缆和光缆布线的交叉不应该超过两次，从楼层配线到建筑群配线架间只应有一个配线架。n4主干线电缆要防破坏，确定大楼的干线要求和防雷电设施。n综合布线系统子系统n4管理间n管理间主要安装建筑物配线设备，是专门安装楼层机柜、配线架、交换机的楼层管

28、理间。在交接区应有良好的标记系统，如建筑物名称、建筑物楼层位置、区号、起始点和功能等标志。管理间子系统的布线设计要点如下：n1配线架的配线对数由所管理的信息点数决定。n2进出线路以及跳线应采用色表或者标签等进行明确标识。n3供电、接地、通风良好、机械承重合适，保持合理的温度、湿度和亮度。n4采取防尘、防静电、防火和防雷击措施。n综合布线系统子系统n5设备间n设备间在实际应用中一般称为网络中心或者机房，是在每栋建筑物适当地点进行网络管理和信息交换的场地。设备间在设计方面要注意的要点如下：n1设备间的位置和大小应根据建筑物的结构、布线规模和管理方式及应用系统设备的数量综合考虑。n2设备间要有足够的

29、空间。n3良好的工作环境：温度应保持在027、相对湿度应保持在60%80%、亮度适宜。n5设备间具有防静电、防尘、防火和防雷击措施。n综合布线系统子系统n6进线间n进线间是建筑物外部通信和信息管线的入口部位，并可作为入口设施和建筑群配线设备的安装场地。n进线间缆线入口处的管孔数量应满足建筑物之间、外部接入业务及多家电信业务经营者缆线接入的需求，并应留有24孔的余量。n7建筑群子系统n建筑群子系统实现楼与楼之间的通信连接，一般采用光缆并配置相应设备，它支持楼宇之间通信所需的硬件，包括缆线、端接设备和电气保护装置。设计时应考虑布线系统周围的环境，确定楼间传输介质和路由，并使线路长度符合相关网络标准

30、规定。布线系统中除了缆线外，槽管是一个重要的组成部分。金属槽、PVC槽、金属管、PVC管是综合布线系统的基础性材料。除了槽管以外，水晶头、信息模块、信息插座面板、底盒、配线架、理线架和机柜等也都是综合布线系统中常见的布线器材。v金属线槽和塑料线槽v1金属槽v金属槽由槽底和槽盖组成，每根槽一般长度为2m，槽与槽连接时使用相应尺寸的铁板和螺钉固定，槽的外形如图1-12所示。v在综合布线系统中，一般使用的金属槽有50mm100mm、100mm100mm、100mm200mm、100mm300mm和200400mm等多种规格。v2塑料槽v塑料槽与金属槽类似，只是材质不同。与PVC槽配套的附件有阳角、阴

31、角、直转角、平三通、左三通、右三通、连接头、终端头和接线盒暗盒、明盒等。v金属管和塑料管v1金属管v金属管是用于分支结构或暗埋的线路，以其外径单位为mm进行区分。金属管的外形如图1-13所示。v工程施工中常用的金属管有D16、D20、D25、D32、D40、D50、D63和D110等规格，一般管内填充物占30%左右。v2塑料管v塑料管产品分为两大类：PE阻燃导管和PVC阻燃导管。塑料管的外形与金属管类似。与PVC管安装配套的附件有接头、螺圈、弯头、弯管弹簧、一通接线盒、二通接线盒、三通接线盒、四通接线盒、开口管卡和专用截管器等。v桥架v桥架分为普通型桥架、重型桥架和槽式桥架。在普通桥架中还可分

32、为普通型桥架和直边普通型桥架。桥架的外形如图1-14所示。v在普通桥架中，有以下主要配件供组合：梯架、弯通、三通、四通、多节二通、凸弯通、凹弯通、调高板、端向连接板、调宽板、垂直转角连接件、连接板、小平转角连接板和隔离板等。2.3 数据通信的基础知识2.3.1 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”

33、(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。 2.3.2 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(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。 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

34、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）。 几种最基本的调制方法 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。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

35、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。 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 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2.3.3 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

36、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。 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（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形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

37、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 n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。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。 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

38、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输速率低不少。 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。 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) 使用复用技术频分复用 FDM(Frequency

39、Division Multiplexing) n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。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

40、有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。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TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧

41、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。 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 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm

42、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2.4.3 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的名词是码分多址 CDMA n (Code Division Multiple 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

43、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)。n 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 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 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

44、互相正交(orthogonal)。n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 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)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 +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。 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

45、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(111SSCDMA 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2.5 数字传输系统1. 脉码调制 PCM 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

46、欧洲的 E1 规范。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。 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。 同步光纤网 SONETn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

47、第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous 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。 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 SON

48、ET 体系中的 OC-3 速率。 线路速率(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

49、/s39813.120 OC-768/STS-768 STM-256 40 Gb/s 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途径 (path)(section)(section)(section)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。n段层(Section Layer)n在光缆上传送 STS-N

50、 帧。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。 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 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。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

51、 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。 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）。 ADSL 的极

52、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 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

53、。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。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 1.1 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。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)401381100ADSL 的数据率n由于用户线的具体条件往往相差很大间隔、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因而 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 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