计算机网络-CH2-物理层(V08)

1、计算机网络第第2 2章章物物 理理 层层本章主要内容本章主要内容 数据通信系统简介数据通信系统简介 传输媒体传输媒体 多路复用多路复用 传输系统传输系统 宽带接入技术宽带接入技术 物理层标准物理层标准 本章基本要求本章基本要求掌握数据通信中常用参数指标的意义、计算方法掌握数据通信中常用参数指标的意义、计算方法（数据传输率、误码率、信道容量）（数据传输率、误码率、信道容量）充分了解数据通信中的相关技术（通信码、基带传充分了解数据通信中的相关技术（通信码、基带传输及常用波形编码、多路复用技术等）输及常用波形编码、多路复用技术等）充分了解模拟传输和数字传输的相关内容（调制技充分了解模拟传输和数字传输

2、的相关内容（调制技术、术、PCM技术）技术）了解各种传输介质了解各种传输介质了解了解RS232物理层标准物理层标准数据通信系统简介数据通信系统简介本节重点内容本节重点内容 重点：重点：l数据数据通信系统模型、通信系统模型、数据通信方式（单工、半双工、全数据通信方式（单工、半双工、全双工等）双工等）l数据通信的理论基础数据通信的理论基础l常用参数指标（波特率、比特率、误码率、信道容量）常用参数指标（波特率、比特率、误码率、信道容量）l基带传输和频带传输基带传输和频带传输 、异步传输和同步传输异步传输和同步传输2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2.1.

3、1 通信系统模型通信系统模型 说明：说明： 信源：信息源，有模拟信号、数字信号信源：信息源，有模拟信号、数字信号 信宿：信息的接收点信宿：信息的接收点 变换：调制解调、多路复用、数据编码变换：调制解调、多路复用、数据编码 信道：信号的传输介质及有关的传输设备。信道：信号的传输介质及有关的传输设备。 噪声：噪声：信道中的噪声及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表现信道中的噪声及分散在通信系统其它各处的噪声的集中表现信源信源信宿信宿变换变换变换变换噪声噪声信道信道数据通信系统的模型数据通信系统的模型模拟信号模拟信号调制解调器调制解调器PC 机机公用电话网公用电话网调制解调器调制解调器数字比特流数字

4、比特流数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文正文正文数据通信系统数据通信系统源系统源系统目的系统目的系统传输系统传输系统PC 机机2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介数据通信系统举例数据通信系统举例 电话网ModemModem(a) 用户通过电话网拨号通信用户通过电话网拨号通信2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介数据通信系统举例数据通信系统举例(b) 局域网用户通过局域网用户通过Internet上网通信上网通信SiSiInternetSiSiToken-ring2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2.1.2 数据通信过程数据通信过程一般分为五个阶段：一般分为五个阶段： 阶段

5、一：数据通信线路的建立（建立物理连接）阶段一：数据通信线路的建立（建立物理连接） 阶段二：建立数据传输链路（建立逻辑连接）阶段二：建立数据传输链路（建立逻辑连接） 阶段三：传送数据和控制信息阶段三：传送数据和控制信息 阶段四：结束数据链路的连接（断开逻辑连接）阶段四：结束数据链路的连接（断开逻辑连接） 阶段五：断开通信线路（断开物理连接）阶段五：断开通信线路（断开物理连接）说明：说明：并非所有通信过程都需要这五个阶段。如租用专用线的通信方式。并非所有通信过程都需要这五个阶段。如租用专用线的通信方式。2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2.1.3 数据通信方式数据通信方式 1 按连接方式划分

6、按连接方式划分 (1) 点点点连接方式点连接方式 (2) 多点连接方式多点连接方式 (3) 环形连接方式环形连接方式计算机计算机M计算机计算机M计算机计算机MMTMTMT2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2 按信息传送方向划分按信息传送方向划分 (1) 单向通信（单工通信）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。只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。(2) 双向交替通信（半双工通信）双向交替通信（半双工通信）信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输AB数据监视信号AB数据监视信号2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介(

7、3) 双向同时通信（全双工通信）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。通信的双方可以同时发送和接收信息。AB数据监视信号2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介 3 按交换方式划分按交换方式划分 主要的交换方式分为：主要的交换方式分为： 电路交换电路交换 报文交换报文交换存储转发方式存储转发方式 分组交换（包交换）分组交换（包交换）存储转发方式存储转发方式2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2.1.4 数据通信的理论基础数据通信的理论基础 傅立叶分析傅立叶分析 任何一个周期为任何一个周期为T的有理周期性函数的有理周期性函数 g(t) 可分解为可分解为若干项（可能无限

8、多项）正弦若干项（可能无限多项）正弦与与余弦函数之和：余弦函数之和： g(t) = c + + 其中：其中：f = 1/T 基本频率基本频率 an, bnn次谐波项的正弦和余弦振幅值次谐波项的正弦和余弦振幅值)2sin(1nftann)2cos(1nftbnn2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介 an = bn = c = 是直流分量是直流分量 讨论：讨论： * 一个周期信号可以分解成无穷多个不同频率的正、余弦分量一个周期信号可以分解成无穷多个不同频率的正、余弦分量 *反过来，当一个二进制序列脉冲通过信道传输，如果信道的带反过来，当一个二进制序列脉冲通过信道传输，如果信道的带宽足够宽，则大

9、量的频率成分能够通过，接收端的信号失真就宽足够宽，则大量的频率成分能够通过，接收端的信号失真就小。如图所示：小。如图所示： T2Tdttg0)(T2Tdtnfttg0)2sin()(Tdtnfttg0)2cos()(T22.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2.1.5 常用参数指标常用参数指标 1. 数据传输率数据传输率 波特率：波特率：每秒钟信号电平变化的次数，也称调制速率。每秒钟信号电平变化的次数，也称调制速率。 单位为波特（单位为波特（Baud） 比特率：比特率：每秒钟传送的二进制位数。单位为比特每秒钟传送的二进制位数。单位为比特/秒秒 记为：记为：bit/s或或bps波特率和比特率的

10、关系：波特率和比特率的关系： Rb=RBlog2L 其中：其中：Rb比特率；比特率； RB波特率；波特率； L：多进制电平数，一般为多进制电平数，一般为L=2N2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介 例如：一个传输系统采用四进制码元表示信号，例如：一个传输系统采用四进制码元表示信号， 即有四个电平，即有四个电平，L=4，则，则 Rb=2RB。若。若波特率波特率 为为1200波特，则比特率为波特，则比特率为2400bps。 2. 误码率误码率 二进制码元在传输系统中被传错的概率。二进制码元在传输系统中被传错的概率。 设：传输的二进制码元总数为设：传输的二进制码元总数为N，传错的码元数为传错的码

11、元数为Ne， 则误码率为：则误码率为： Pe=Ne/N 误码率是衡量系统可靠性的指标。误码率是衡量系统可靠性的指标。2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介 3. 带宽（带宽（传统意义上的传统意义上的） 带宽：信道所能传输信号的频率范围。带宽：信道所能传输信号的频率范围。 带宽由传输介质的电气特性及信道上传输设备与电路带宽由传输介质的电气特性及信道上传输设备与电路 的频率特性综合决定。的频率特性综合决定。 4. 信道容量信道容量 信道容量：信道所能达到的最大传输能力。信道容量：信道所能达到的最大传输能力。 单位：单位：bit/sbit/s。2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介 (1) (1

12、) 对无噪声有限带宽信道对无噪声有限带宽信道 奈奎斯特（奈奎斯特（H. NyquistH. Nyquist）公式：公式： C = 2H logC = 2H log2 2 L (bps)L (bps) 式中式中 H H：信道带宽；信道带宽； L L：某时刻信号可能取的电平数某时刻信号可能取的电平数 例：某信道带宽为例：某信道带宽为4KHz4KHz，数字信号可取四种电平之一。数字信号可取四种电平之一。 则：则：C = 2C = 24 4 log log2 2 4 =16 Kbps4 =16 Kbps(2) (2) 对有噪声有限带宽信道对有噪声有限带宽信道 香农（香农（C. ShannonC. Sh

13、annon）公式：公式： C = H logC = H log2 2(1 + S/N) (bps)(1 + S/N) (bps) 式中式中 H H：信道带宽；信道带宽； ：信号功率；：信号功率； ：噪声功率：噪声功率2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介 例：某信道带宽为例：某信道带宽为3000Hz3000Hz，信噪比，信噪比20dB20dB，求此信道的最求此信道的最 大传输速率。大传输速率。 解：信噪比解：信噪比20dB20dB，即：即：10 lg S/N=20dB S/N=100 则：则：C= 3000 log2(1 +100)19980(bps) 20 Kbps 说明：说明：(1) 电

14、话系统的典型信噪比一般能达到电话系统的典型信噪比一般能达到30dB;(2) 此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；此式是利用信息论得出的，具有普遍意义；(3) 与信号电平级数、采样速度无关；与信号电平级数、采样速度无关；(4) 此式仅是上限，难以达到此式仅是上限，难以达到。记住：若信噪比的单记住：若信噪比的单位为位为dB，一定要转换，一定要转换2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2.1.6 通信码通信码 通信码：通信码：数据传输系统中，将字符按一定的规则用二进制序数据传输系统中，将字符按一定的规则用二进制序列的代码表示。当这些代码用于交换信息时，称为信息交换码，或列的代码表示。当这些代码用

15、于交换信息时，称为信息交换码，或通信码。通信码。 通信码的种类有：通信码的种类有：BCD码、码、ASCII码、码、EBCDIC码、国际码、国际2号号五单位电传码、五单位电传码、ISO/R646七单位码等。七单位码等。 ASCII码码 ASCII码是对字符、数字和其它符号进行编码的一种码是对字符、数字和其它符号进行编码的一种规定。规定。ASCII码中，前码中，前32个编码（十进制个编码（十进制0到到31）专门起）专门起控制作用。控制作用。部分控制字符的涵义如下：部分控制字符的涵义如下：2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介 SOH（Start of Header）：）：报文标题开始符，表示标题

16、开始。报文标题开始符，表示标题开始。 STX（Start of Text）：）：正文开始符，表示标题结束和正文开始。正文开始符，表示标题结束和正文开始。 ETX（End of Text）：）：正文结束符，表示正文已发送完毕。正文结束符，表示正文已发送完毕。 EOT（End of Transmission）：）：传送结束符。传送结束符。 ACK（Acknowledge）：）：肯定符。肯定符。 NAK（Negative Acknowledge）：）：否定符。否定符。 DLE（Data Link Escape）：）：数据链转义码控制符，用来改变有数据链转义码控制符，用来改变有 限数量的后续字符的含义

17、。限数量的后续字符的含义。例如，使用上面的部分控制字符装配如下传输数据：例如，使用上面的部分控制字符装配如下传输数据：SOH目的地址目的地址STX正文正文ETX校验校验EOT2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2.1.7 基带传输和频带传输基带传输和频带传输 1. 数字数据的数字传输（基带传输）数字数据的数字传输（基带传输） 基带：基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号 所固有的频带。所固有的频带。 基带传输：基带传输：在传输时直接使用基带信号在传输时直接使用基带信号 基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表基带传输是

18、一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表 示示“0”0”，高电平表示，高电平表示“1”1”。 限制：限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以要求信道有较因基带信号所带的频率成分很宽，所以要求信道有较 宽的带宽。宽的带宽。2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介 常用的几种编码方式：（对码波形编码）常用的几种编码方式：（对码波形编码）1 1）不归零制码（）不归零制码（NRZNRZ：Non-Return to ZeroNon-Return to Zero） 规则：规则：用两种不同的电平分别表示二进制信息用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”0”和和“1”1”。例如，低电平表示。例如，低电平表示

19、“0”0”，高电平表示，高电平表示“1”1”。缺点：缺点： (1)(1)难以分辨一位的结束和另一位的开始；难以分辨一位的结束和另一位的开始； (2)(2)发送方和接收方必须有时钟同步；发送方和接收方必须有时钟同步； (3)(3)若信号中若信号中“0”0”或或“1”1”连续出现，信号直流分量将累加。连续出现，信号直流分量将累加。结论：结论：不适宜作为传输码形，适宜与系统内部。不适宜作为传输码形，适宜与系统内部。2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2 2）曼彻斯特码（）曼彻斯特码（Manchester），），也称相位编码也称相位编码 规则：规则：每一位中间都有一个跳变，每一位中间都有一个跳变，

20、 从高跳到低表示从高跳到低表示“1”1”，从低跳到高表示，从低跳到高表示“0”0” 优点：优点：克服了克服了NRZNRZ码的不足。每位中间的跳变即可作码的不足。每位中间的跳变即可作 为数据，又可作为时钟，能够自同步。为数据，又可作为时钟，能够自同步。 3 3）差分曼彻斯特码（）差分曼彻斯特码（Differential Manchester） 规则：规则：若本码周期前半个码元电平与上一个码周期后半个码若本码周期前半个码元电平与上一个码周期后半个码 元电平一样元电平一样, ,则表示则表示“1”1”；若两者电平相反，则表示；若两者电平相反，则表示“0”0”。 特点：特点：每个码周期的每个码周期的1/

21、21/2处，有电平跳变。便于时钟提取，处，有电平跳变。便于时钟提取， 抗干扰能力强。抗干扰能力强。2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介0T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T码周期码周期t2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介 2. 数字数据的模拟传输（频带传输）数字数据的模拟传输（频带传输） 频带传输：频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波指在一定频率范围内的线路上，进行载波 传输。用基带信号对载波进行调制，使其传输。用基带信号对载波进行调制，使其 变为适合于线路传送的信号。变为适合于线路传送的信号。 调制（调制（ModulationModulation）：）：用基带脉

22、冲对载波信号的某些用基带脉冲对载波信号的某些 参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。 解调（解调（DemodulationDemodulation）：）：调制的反变换。调制的反变换。2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2.1.8 并行传输并行传输(parallel)(parallel)与串行传输与串行传输(serial)(serial)并行传输：并行传输：多位数据同时传输的方式，如图多位数据同时传输的方式，如图(a)(a)。计算机内部计算机内部 的数据多是并行传输。的数据多是并行传输。串行传输：串行传输：数据一位一位地由源向目的地传输的。如图数据一

23、位一位地由源向目的地传输的。如图(b)(b)。成本因素，远距离通信一般采用串行传输。成本因素，远距离通信一般采用串行传输。b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道并行信道(a)并行数据传输(b)串行数据传输2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2.1.9 异步传输和同步传输异步传输和同步传输 数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间。满足上述要求的办法有两类：异步传输

24、和同步传输。持续时间。满足上述要求的办法有两类：异步传输和同步传输。 异步传输异步传输 工作原理：工作原理：以字符作为数据单位进行传输以字符作为数据单位进行传输，字符之间的传输间隔任意。为，字符之间的传输间隔任意。为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1 1位或位或2 2位停止位，数据位的长度由不同的编码规则决定。如下图所示：位停止位，数据位的长度由不同的编码规则决定。如下图所示：起始位数据位0数据位1数据位2数据位3数据位4数据位5数据位6校验位停止位停止位字符2字符1字符3字符4任意间隔任意间隔任意间隔2.

25、1 数据通信系统简介数据通信系统简介 同步传输同步传输 工作原理：工作原理：以若干以若干字符组成的数据块作为数据单位进行传输。字符组成的数据块作为数据单位进行传输。同步的方法是在数据块前面加特殊模式的位组合同步的方法是在数据块前面加特殊模式的位组合( (如如01111110)01111110)或或同步字符同步字符(SYN)(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆的数据不会与同步字符混淆。SYNSYNBAX. .SYN同步字符(一个或多个)01111110BAX. .01111110同步位模式可变长度的位数据块可变长度的

26、字符数据块2.1 数据通信系统简介数据通信系统简介2.2 2.2 传输媒体传输媒体传输媒体：传输媒体：实际传送信息的载体。实际传送信息的载体。2.2.1 2.2.1 双绞线双绞线 双绞线由两根绞合成有规则的螺旋形图样的绝缘铜线组成。双绞线由两根绞合成有规则的螺旋形图样的绝缘铜线组成。 分类：分类：非屏蔽双绞线（非屏蔽双绞线（UTPUTP）：）：外皮为塑料，不具有屏蔽能力。外皮为塑料，不具有屏蔽能力。 屏蔽双绞线：外皮为金属，具有屏蔽能力。屏蔽双绞线：外皮为金属，具有屏蔽能力。 LANLAN上常用上常用UTPUTP，分，分:3:3类、类、5 5类、超类、超5 5类。类。 RJ45RJ45接口接口

27、 有线传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤）有线传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤）无线传输介质（微波、通信卫星、红外线等）无线传输介质（微波、通信卫星、红外线等）传输介质传输介质 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 (UTP)金属屏蔽网以减少金属屏蔽网以减少 干扰和串音干扰和串音3类、类、5类、超类、超5类类双绞线外没有任何双绞线外没有任何附加屏蔽附加屏蔽2.2 2.2 传输媒体传输媒体双绞线的特点双绞线的特点 结构简单，容易安装，普通结构简单，容易安装，普通UTPUTP较便宜较便宜 有一定的传输速率有一定的传输速率 具有较高的容性阻抗，信号衰减较大，传输具有较高的容性阻抗

28、，信号衰减较大，传输 距离有限（距离有限（100m100m） 有辐射，容易被窃听有辐射，容易被窃听2.2 2.2 传输媒体传输媒体2.2.2 同轴电缆同轴电缆同轴电缆由同心的内导体、绝缘层、屏蔽层、保护外套组成。同轴电缆由同心的内导体、绝缘层、屏蔽层、保护外套组成。 分类：分类：l 粗缆（直径为粗缆（直径为1.471.47厘米）和细缆（直径为厘米）和细缆（直径为0.700.70厘米）厘米） l 基带电缆（基带电缆（5050 ）和宽带电缆（和宽带电缆（ 7575 ） 外层绝缘层外层绝缘层屏蔽金属网屏蔽金属网绝缘层绝缘层内导体内导体2.2 传输媒体传输媒体特点：特点： 频带较宽，传输率较高。频带较

29、宽，传输率较高。 损耗较低，传输距离较远损耗较低，传输距离较远(200m,500m)(200m,500m)。 辐射低，保密性好，抗干扰能力强。辐射低，保密性好，抗干扰能力强。 宽带电缆可实现多路复用传输宽带电缆可实现多路复用传输2.2 传输媒体传输媒体 2.2.3 光纤光纤 光纤由能传导光波的石英玻璃，外加保护层构成。光纤由能传导光波的石英玻璃，外加保护层构成。 原理：原理：基于光在具有不同折射率的两种介质交界基于光在具有不同折射率的两种介质交界 面上的全反射现象，将光线约束在光纤内，面上的全反射现象，将光线约束在光纤内， 并引导光沿着轴线向前传播。并引导光沿着轴线向前传播。2.2 传输媒体传

30、输媒体 光纤结构光纤结构护套护套 (一般为一般为PVC)纤芯纤芯加强材料加强材料 (Aramid 纱线纱线)缓冲层缓冲层包层包层光纤光纤保护膜保护膜缓冲层缓冲层AramidAramid 纱线纱线护套护套2.2 2.2 传输媒体传输媒体2.2 2.2 传输媒体传输媒体包层包层纤芯纤芯n n1 1n n0 0折射系数：折射系数：n n0 0 n n1 12.2 2.2 传输媒体传输媒体 光纤的分类光纤的分类 多模光纤：多模光纤：不同光线在介质内部以不同反射角传播，可以认不同光线在介质内部以不同反射角传播，可以认 为每束光线对应不同模式。为每束光线对应不同模式。 单模光纤：单模光纤：光纤直径小到光波

31、波长时，光在其中无反射，而光纤直径小到光波波长时，光在其中无反射，而 沿直线传播。沿直线传播。多模多模单模单模125m125m125m125m62.5 62.5 或或 50 m50 m 9m9m2.2 2.2 传输媒体传输媒体多模多模多模多模多模多模100/140 100/140 mm62.5/125 62.5/125 mm50/125 50/125 mm单模单模9/125 9/125 mm2.2 2.2 传输媒体传输媒体 工作原理工作原理 入射角入射角，折射角折射角2.2 2.2 传输媒体传输媒体 信号在光纤中的传输过程信号在光纤中的传输过程 光源：光源：LEDsLEDs - - 发光二极管

32、发光二极管 LASERsLASERs - -受激光发射光频放大器，简称激光器受激光发射光频放大器，简称激光器 VCSELsVCSELs -垂直空腔表面发射激光器垂直空腔表面发射激光器光检测器：光检测器：光电二极管光电二极管驱动器驱动器光源光源光检测光检测放大器放大器电信号电信号电信号电信号光信号光信号2.2 2.2 传输媒体传输媒体特点：特点： 衰减少，无中继传输距离远衰减少，无中继传输距离远 带宽宽，传输速率高，传输能力强带宽宽，传输速率高，传输能力强 不受电磁干扰，抗干扰能力强，无辐射，保不受电磁干扰，抗干扰能力强，无辐射，保密性好密性好 重量轻，容量大，十分适合多媒体通信重量轻，容量大，

33、十分适合多媒体通信 光纤断裂的检测和修复都很困难光纤断裂的检测和修复都很困难2.2 2.2 传输媒体传输媒体2.2.4 2.2.4 无线传输介质无线传输介质 1.1.地面微波接力通信地面微波接力通信 可传输电话、电报、图象、数据等信息。微波设备信道容量多可传输电话、电报、图象、数据等信息。微波设备信道容量多为为960960路、路、12001200路、路、18001800路和路和27002700路。我国多为路。我国多为960960路。路。两个地面站之间传送两个地面站之间传送距离：距离：50 -100 km50 -100 km，4-6GHz4-6GHz的频率范围。的频率范围。地面站之间的直视线路地

34、面站之间的直视线路微波传送塔微波传送塔2.2 2.2 传输媒体传输媒体2.2.卫星通信卫星通信 特点特点: :(1)(1)通信距离远，且通信费用与通信距离无关。通信距离远，且通信费用与通信距离无关。 (2)(2)频带很宽，通信容量很大，信号所受的干扰小，通信比较稳定。频带很宽，通信容量很大，信号所受的干扰小，通信比较稳定。 (3)(3)具有较大的传播时延。不管两个地球站的距离是多少，从一个具有较大的传播时延。不管两个地球站的距离是多少，从一个 地球站经卫星到另一个地球站的传播时延在地球站经卫星到另一个地球站的传播时延在250-300ms250-300ms之间，一之间，一 般可取为般可取为270

35、ms270ms。使用微波使用微波使用转发器接收和转发使用转发器接收和转发地面站地面站地面站地面站C波段波段 4/6 GHz 上行上行5.925 - 6.425 GHz 下行下行3.7 - 4.2 GHz KU波段波段 12/14 GHz 上行上行14 - 14.5 GHz 下行下行11.7 - 12.2 GHz2.2 2.2 传输媒体传输媒体多路复用技术多路复用技术 由于一条传输线路的能力远远超过传输一个由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。常让多个信号同时共用一条物理线路。

36、常用多路复用技术：常用多路复用技术：频分多路复用频分多路复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）时分多路复用时分多路复用 TDM（Time Division Multiplexing） 主要用于数字传输主要用于数字传输波分多路复用波分多路复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）码分复用码分复用CDMA（ Code Division Multiple Access ）2.3 2.3 多路复用多路复用1 1、频分多路复用（、频分多路复用（FDMFDM）MUXCH1 CH2 CH3频分复用频分复用fCH2CH1CH3原始信

37、号原始信号ffffffCH1CH2CH3调制后的信号调制后的信号频分复用常用于载波电话系统、电视等。频分复用常用于载波电话系统、电视等。2.3 2.3 多路复用多路复用2 2、时分多路复用（、时分多路复用（TDMTDM）A2A1A3原始信号原始信号D2D1D3数字化信号数字化信号MUX复用后数据复用后数据时隙时隙1234D3D2D12.3 2.3 多路复用多路复用ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧个时分复用帧#1acbcd静态时分复用静态时分复用#2#3#42.3 2.3 多路复用多路复用ABCDabcdttttt3 个个 STDM 帧帧#1acbab bcacd#2#3动

38、态时分复用动态时分复用2.3 2.3 多路复用多路复用l静态时分复用中，每个数据终端的信号与传静态时分复用中，每个数据终端的信号与传输时隙分配关系固定，无数据传输时，对应输时隙分配关系固定，无数据传输时，对应时隙空闲，因此时隙空闲，因此效率较低效率较低。l动态时分复用又称动态时分复用又称异步时分复用异步时分复用，或称统计，或称统计时分复用（时分复用（STDM），），是按需分配媒体资源，是按需分配媒体资源，提高了传输媒体的利用率。提高了传输媒体的利用率。l动态时分复用中需要使用缓冲存储和流量控动态时分复用中需要使用缓冲存储和流量控制技术来保证数据正确传送。制技术来保证数据正确传送。2.3 2.3

39、 多路复用多路复用3、波分复用（、波分复用（WDM）l波分复用就是光的频分复用波分复用就是光的频分复用，即在一根光纤，即在一根光纤上传输多路光载波信号。上传输多路光载波信号。l密集波分复用（密集波分复用（DWDM）是一种支持巨大数是一种支持巨大数量信道的系统。量信道的系统。l波分复用技术可以进一步提高光纤的传输容波分复用技术可以进一步提高光纤的传输容量，满足通信需求量的迅速增长和多媒体通量，满足通信需求量的迅速增长和多媒体通信。信。2.3 2.3 多路复用多路复用8 2.5 Gb/s1310 nm 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm

40、4 1555 nm 5 1556 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 20 Gb/s光光复复用用器器光光分分用用器器EDFA120 km掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器2.3 2.3 多路复用多路复用模拟传输和数字传输模拟传输和数字传输本讲基本内容及要求：本讲基本内容及要求： 2.4 传输系统传输系统 重点：重点：模拟传输与调制技术、数字传输与模拟传输与调制技术、数字传输与PCM技术技术2.4 传输系统传输系统2.4.1 数据和信号数据和信号数据分

41、为：数据分为：模拟数据和数字数据模拟数据和数字数据模拟数据：模拟数据：在一定的数据区间内可连续取值的数据，即连续变化的数据。在一定的数据区间内可连续取值的数据，即连续变化的数据。数字数据：数字数据：只能取离散数值的数据。只能取离散数值的数据。信号分为：信号分为：模拟信号和模拟信号和数字信号数字信号信号发送方式：信号发送方式：模拟信号发送（模拟信道）和数字信号发送（数字信道）模拟信号发送（模拟信道）和数字信号发送（数字信道）利用模拟信号发送：利用模拟信号发送：利用数字信号发送：利用数字信号发送：电话系统电话系统调制解调器调制解调器MODEM模拟数据（声音）模拟数据（声音）模拟信号模拟信号模拟信号

42、模拟信号数字数据数字数据编码解码器编码解码器CODEC数字数字编码解码器编码解码器数字信号数字信号数字信号数字信号数字数据数字数据模拟数据模拟数据2.4 传输系统传输系统2.4.2 模拟传输模拟传输 调制技术调制技术 调制：调制：利用调制信号对载波信号进行调制，使载波信号的某利用调制信号对载波信号进行调制，使载波信号的某 些量随调制信号的规律变化的过程。些量随调制信号的规律变化的过程。 例如：普通调幅波例如：普通调幅波2.4 传输系统传输系统t调制信号调制信号t载波信号载波信号t普通调幅波普通调幅波包络包络调制器调制器 根据载波根据载波ASin (2ft+)的三个特性：幅度、频率、相位，产生的

43、三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：调幅常用的三种调制技术：调幅、调频、调相。调频、调相。 数字调制：数字调制：调制信号为数字信号的正弦波调制。调制信号为数字信号的正弦波调制。 利用模拟信道进行数据通信时要使用数字调制。利用模拟信道进行数据通信时要使用数字调制。 分为：分为： 幅移键控法幅移键控法 Amplitude-shift keying (ASK)Amplitude-shift keying (ASK) 原理：用恒定幅值的载波的有或无分别代表原理：用恒定幅值的载波的有或无分别代表“0”0”和和“1”1”。 频移键控法频移键控法 Frequency-shift keying

44、 (FSK)Frequency-shift keying (FSK) 原理：用两个不同频率的载波分别代表原理：用两个不同频率的载波分别代表“0”0”和和“1”1”。 相移键控法相移键控法 Phase-shift keying (PSK)Phase-shift keying (PSK) 原理：用载波的相位变化分别代表原理：用载波的相位变化分别代表“0”0”和和“1”1”。例如，前。例如，前后码后码 元的相位差为元的相位差为 时，代表时，代表“1”1”；相位差为；相位差为0 0 时，代表时，代表“0”0”。2.4 传输系统传输系统2.4 传输系统传输系统说明：说明： (1) 在数字调制中，可以利用

45、数字电路的开关特性实现在数字调制中，可以利用数字电路的开关特性实现ASK、 FSK和和PSK。 例如，实现例如，实现FSK的示意图。的示意图。 (2) 可以采用多元制的混合调制方法，提高信息传输率。可以采用多元制的混合调制方法，提高信息传输率。001f1f22.4 传输系统传输系统 2.4.3 数字传输数字传输 数字传输的特点：数字传输的特点： (1) (1) 抗干扰能力强。抗干扰能力强。 (2) (2) 传输质量与通信线路长度无关。传输质量与通信线路长度无关。 (3) (3) 安全性能好。安全性能好。 (4) (4) 造价低，功耗低。造价低，功耗低。 (5) (5) 占用较宽的信道频带。占用

46、较宽的信道频带。 脉码调制（脉码调制（PCMPCM） 当模拟信号通过数字传输系统传输时，必须使用编码解码器当模拟信号通过数字传输系统传输时，必须使用编码解码器（CodecCodec），），即要将模拟信号变换成数字信号。完成此过程的基本即要将模拟信号变换成数字信号。完成此过程的基本方法是脉码调制（方法是脉码调制（PCMPCM）。）。2.4 传输系统传输系统 PCM的过程：的过程：采样、量化、编码采样、量化、编码 采样：采样：按照一定的时间间隔提取模拟信号的幅值。按照一定的时间间隔提取模拟信号的幅值。 采样率必须满足采样率必须满足Nyquist定理定理 Nyquist定理定理: 在理想的无噪声信道

47、，若在理想的无噪声信道，若 f 是模拟信号的最高是模拟信号的最高 频率频率, 采样频率为采样频率为2f 时，接收方就可以从采时，接收方就可以从采 样脉冲信号中完全恢复原信号。样脉冲信号中完全恢复原信号。 量化：量化：将采样点处测得的信号幅值分级取整的过程。将采样点处测得的信号幅值分级取整的过程。 编码：编码：将量化后的整数值用二进制数来表示。将量化后的整数值用二进制数来表示。 PCMPCM转换过程及波形示意图如下转换过程及波形示意图如下2.4 传输系统传输系统A/DA/D变换变换PCM 转化过程转化过程模拟信号模拟信号采样时钟采样时钟PAM 信号信号PCM 信号信号采样电路采样电路量化和编码量

48、化和编码数字化信号数字化信号PCM原理框图原理框图0111000110110011000111000110110011003.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信号原始信号PAM脉冲脉冲PCM 脉冲脉冲 有量化差错有量化差错PCM 输出输出波形示意图波形示意图2.4 传输系统传输系统 PCM PCM的的国际标准国际标准(1) T-标准标准 24路路PCM，简称简称T1，速率速率1.544Mbps,北美、日本北美、日本 (2) E-标准标准 30/32路路PCM，简称简称E1，速率速率2.048 Mbps,欧洲、中国、欧洲、中国、南美南美 两者均

49、以帧的形式，利用两者均以帧的形式，利用时分复用技术时分复用技术进行传输。进行传输。 下图下图为为E1时分复用帧示意图。时分复用帧示意图。2.4 传输系统传输系统E1-帧帧2.048 Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用原理示意图时分复用原理示意图时分复用帧时分复用帧T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH318 bitt时分复用帧时分复用帧时分复用帧时分复用帧T = 125 us15 个话路15 个话路E1 的时分复用帧的时分复用帧帧同步帧同步信令信令2.4 传输系统传输系统 说明：说明

50、： (1) (1) 话音信号频率话音信号频率3.4KHz3.4KHz，据，据NyquistNyquist定理，采样频率为定理，采样频率为8000Hz8000Hz， 即采样周期即采样周期125s125s。每个采样值编码每个采样值编码 8bit8bit。 (2) (2) 单个话路的传输率：单个话路的传输率：80008000个个/s/s8bit/8bit/个个=64Kbit/s=64Kbit/s (3) (3) 将多个（将多个（3232个）话路的个）话路的PCMPCM信号用时分复用的方法装成帧，送信号用时分复用的方法装成帧，送 往线路逐帧传输。往线路逐帧传输。 PCMPCM基群基群E1E1的数据率为

51、：的数据率为：323264Kbit/s=2.048Mbps64Kbit/s=2.048Mbps。 (4) (4) 采用时分复用技术，可以得到高次群。例如，四个基群复接采用时分复用技术，可以得到高次群。例如，四个基群复接 成二次群，四个二次群复接成三次群，依此类推。成二次群，四个二次群复接成三次群，依此类推。 如下图所示：如下图所示：2.4 传输系统传输系统 三大数字体系三大数字体系2.0488.44834.368139.264564.9921.5446.31244.736274.1761.5446.31232.06497.728397.20064KJ1E1T1J2E2T2J3E3T3J4E4T

52、4J5E5x32x24x24x 4x 4x 4x 4x 7x 5x 4x 6x 3x 4x 4USA日本日本中国中国2.4 传输系统传输系统 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： l 速率标准不统一速率标准不统一 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。范围的高速数据传输就很难实现。 l 不是同步传输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体制（网主要是采用准同步体制（PDH）。）。SDH的背景的背景 2.4.4

53、同步数字系列同步数字系列 SDH2.4 传输系统传输系统 1988年，年，ITU-T 制订出国际标准同步数字系列制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。 SDH 的的基本速率为基本速率为 155.52 Mb/s，称为第称为第 1 级同步传递模块级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即，即 STM-1。 2.4 传输系统传输系统线路速率线路速率(Mb/s)SONET符号符号ITU-T符号符号表示线路速率表示线路速率的常用近似值的常用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520OC-3/S

54、TS-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/STS-768 STM-256 40 Gb/s SONET 的的 OC 级级/STS 级与级与 SDH 的的 STM 级的对应关系

55、级的对应关系 2.4 传输系统传输系统平时所说的宽带，一般是指宽带互联网平时所说的宽带，一般是指宽带互联网 。宽带互联网分为宽带互联网分为:宽带骨干网宽带骨干网和和接入网接入网两部分。两部分。 骨干网又被称为核心网络，通常是基于光纤的，能实现大范围骨干网又被称为核心网络，通常是基于光纤的，能实现大范围（在城市之间和国家之间）的数据流传送。（在城市之间和国家之间）的数据流传送。骨干网通常采用骨干网通常采用高速传输网络（如高速传输网络（如SONET/SDH）传输数据，传输数据，高速包交换设备高速包交换设备（如（如ATM和基于和基于IP的交换）提供网络路由。的交换）提供网络路由。宽带骨干网的传输速率

56、约定俗成的定义是至少应达到宽带骨干网的传输速率约定俗成的定义是至少应达到2Gbps。 2.5 宽带接入技术宽带接入技术宽带接入网提供通常说的宽带接入网提供通常说的“最后一公里最后一公里”的连接，即的连接，即用户用户和骨干网络和骨干网络之间的连接。之间的连接。目前国际上主流且比较成熟的接入网技术包括：目前国际上主流且比较成熟的接入网技术包括：xDSL技术技术光纤接入技术光纤接入技术Cable技术技术LAN技术技术无线宽带接入网技术无线宽带接入网技术2.5 宽带接入技术宽带接入技术2.5.1 xDSL技术技术xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进

57、行改造，使它能够承载宽带业务。线进行改造，使它能够承载宽带业务。因用户线实际可通过的信号频率超过因用户线实际可通过的信号频率超过 1 MHz。xDSL 技术就把技术就把 04 kHz 低端频谱留给传统电话，低端频谱留给传统电话，而而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。DSL 称为称为数字用户线数字用户线(Digital Subscriber Line) 。DSL 的前缀的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。带方案。 2.5 宽带接入技术宽带接入技术xDSL 的几种类型的几种类型ADSL (Asymm

58、etric Digital Subscriber Line)：非对称数字：非对称数字用户线用户线HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线：高速数字用户线SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线对线的数字用户线VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线：甚高速数字用户线RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应：速率自适应 DSL，是，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率。的一个子集，可自动调节线路速率。 2.5 宽带接入技术宽带接入技术1 1）非对称数字用户线（）非对称数字用户线（ADSLADS

59、L）ADSLADSL允许在一对铜线上，在不影响现有电话业务的情况允许在一对铜线上，在不影响现有电话业务的情况下，进行非对称性高速数据传输。下，进行非对称性高速数据传输。ADSLADSL上行速率为上行速率为32kbps32kbps640kbps640kbps，下行传输速率为下行传输速率为32Kbps32Kbps6.4Mbps6.4Mbps；传输距离为传输距离为2.72.75.55.5公里。公里。2 2）高比特率数字用户线（）高比特率数字用户线（HDSLHDSL）HDSLHDSL是一种对称的高速数字用户环路技术，上行和下行速率是一种对称的高速数字用户环路技术，上行和下行速率相等，通过两对或三对双绞

60、铜线提供全双工相等，通过两对或三对双绞铜线提供全双工1.544/2.048Mbps 1.544/2.048Mbps (T1/E1)(T1/E1)的数据信息传输能力。的数据信息传输能力。3 3）对称数字用户线（）对称数字用户线（SDSLSDSL）使用一对铜双绞线对在上、下行方向上实现使用一对铜双绞线对在上、下行方向上实现E1/T1E1/T1传输速率传输速率的技术。的技术。SDSLSDSL采用采用2B1Q2B1Q线路编码，上行与下行速率相同，传输线路编码，上行与下行速率相同，传输速率由几百速率由几百kbpskbps到到2Mbps2Mbps，传输距离可达传输距离可达3 3公里左右。公里左右。2.5