第2章.物理层

1、第二章、物理层第二章、物理层理论分析研究在一个信道上传输数据时有些什么样的本质限制。三种传输介质有线的(铜线和光纤)、无线的(地面上的无线电波)和卫星。三个通信系统(固定的)电话系统、移动电话系统和有线电视系统。2.1 数据通信的理论基础 通过某种物理特性(比如电压或者电流)的变化，就可以在线路上传输信息。如果用一个以时间t为自变量的单值函数f(t)来表示电压或者电流的值，我们就可以对信号的行为进行建模，并且用数学的手段对信号进行分析。 2.1.1傅立叶分析 任何一个正常的周期为T的函数g(t)，都可以展开成多个(可能无限个)正弦和余弦函数的和：其中，f=1/T是基频，an和bn是n次谐波(h

2、armonics)的正弦和余弦振幅，C是常数。这种分解称为傅立叶级数(Fourier series)。 111( )sin(2)cos(2) (2-1)2nnnng tCanftbnft2.1.1傅立叶分析 利用傅立叶级数，一个函数可以重构；也就是说，如果周期T是已知的，振幅也已经给定了，那么通过等式(2-1)进行求和可以得到原始函数g(t)。 一个有限时间的数据信号(所有的数据信号都是这样的)可以想象成它在一遍又一遍地重复整个模式(也就是说，在T-2T之间的信号与0-T之间的信号完全一样，以此类推)。 2.1.1有限带宽信号一个二进制信号和它的平方根傅立叶振幅对该信号进行傅立叶分析，可以得到

3、系数an，bn ，c。开始几项的平方根振幅 如图右边所示。我们之所以对这些值感兴趣，是因为它们的平方与对应频率处传输的能量成正比。22nnab2.1.1有限带宽信号(2) 所有的传输设施在传输过程中都要损失一些能量。如果所有的傅立叶分量都等量地衰减，则结果信号将会在振幅上有所减小，但不会变形。所有的传输设施对于不同傅立叶分量的衰减并不相同，因此会导致信号变形。 通常情况下，在从0到某一个频率fc这一段范围内，振幅在传输过程中不会衰减，而在此截止频率fc之上的频率所对应的振幅都会有不同程度的减弱。这里fc可以用Hz(赫兹)来度量。2.1.1有限带宽信号(3) 传输过程中振幅不会明显减弱的这一段频

4、率范围称为带宽(bandwidth)。在实践中，截止频率并不会那么明显，所以，通常引用的带宽是指从0到某一个能保留一半能量的频率处。 带宽是传输介质的一种物理特性，通常取决于介质的材料构成、厚度和长度。2.1.1有限带宽信号(4)如果传输设施的带宽很低，以至于只有几个最低的频率才能被传输的话，也就是说只取傅立叶级数的前面几项作为信号函数的近似值，那么信号会变成怎么样呢？8个谐波4个谐波谐波号1个谐波2个谐波2.1.1有限带宽信号(5) 假设比特率为每秒b，发送8比特信息所需要的时间为8/b秒。因而一次谐波的频率为b/8Hz，普通的电话线称为话音级线路，因此人为设置的截止频率大约为3000Hz。

5、这个限制意味着最高谐波次数大约为3000/(b/8)次或24000/b次。2.1.1有限带宽信号(6)数据传输率和谐波之间的关系如果数据传输速率超过了38.4kbps，即使传输设备没有任何噪声，也不可能传输任何二进制信号。限制了带宽，也就限制了数据传输率。第1个谐波发送的谐波数2.1.3 信道的最大数据传输率 尼奎斯特定理 如果任意一个信号已经通过了一个带宽为H的低通滤波器，则只要每秒2H(要求精确)次采样，过滤之后的信号就可以被完全重构出来。采样率超过每秒2H次是没有意义的，因为通过采样恢复出来的高频成分已经被滤掉了。如果该信号电平分为V级，则 最大数据传输速率= 例如，无噪声的3kHz信道

6、不可能以超过6000bps的速率传输二进制(即只有两级)信号。 b/s log22VH S/N 为信噪比。S为信号功率， N为噪声功率。通常情况下，人们并不使用信噪比本身，而是使用10log10S/N的值，该值称为分贝(dB)。信噪比S/N为10，则称为10dB；信噪比为100，则称为20dB；信噪比为1000，则称为30dB；等等。 香农定理 最大数据传输速率(b/s) =2.1.3 信道的最大数据传输率 (2) )/1 (log2NSH 例如，假设一条信道的带宽为3000Hz，信噪比为30dB(这是电话系统中模拟部分的典型参数)，则不管传输的信号级数是多少，也不管采样频率是多少，该信道上最

7、大数据传输率不超过30000bps。香农的结论可以从信息论的角度推演得到，并且适用于任何热噪声信道。2.1.3 信道的最大数据传输率 (3)2.2 有导向的传输介质 物理层的目的是将原始位流从一台机器传输到另一台机器上。有多种物理介质可以用于实际的传输过程。每一种介质都有它自己的特性，包括带宽、延迟、造价，以及安装和维护的难易程度。大致上可以将介质分为导向的介质(比如铜线和光纤)和无导向的介质(比如空气中的无线电波和激光)。2.2.1 磁介质 工业标准的Ultrium磁带可以容纳200GB(字节)信息。一个606060cm的箱子可以装下1000个这样的磁带，所以总容量为200TB，或者1600

8、Tb(即1.6Pb)。通过快递公司，在24小时之内这一箱磁带可以投递到美国任何一个地方。这样一次传输的有效带宽是1600terabits/86,400s，或者19Gbps。如果离目标只有 一小时路程的话，则带宽可以超过400Gbps。现在没有一个计算机网络可以达到这样的传输能力。 2.2.1 磁介质(2) Ultrium磁带的批发价大约是40美元。 一盒磁带至少可以重用10次，所以每一箱磁带每一次使用的代价差不多是4000美元。再加上运输的费用大约是1000美元，我们可以计算出，运送200TB的成本大约是5000美元。这样算下来，运输1GB数据的费用不到3美分。没有一个网络能与它竞争。2.2.

9、2 双绞线(a) 3类UTP(16MHz).(b) 5类UTP(100MHz).2.2.3 同轴电缆同轴电缆示意图铜芯绝缘材料网状导体保护性塑料外层2.2.4 光纤 计算机运行的时钟速度差不多每10年增长20倍。 例如1981年，IBM PC的时钟速度是4.77MHz。今天的PC可以运行在2GHz上。但是，广域数据通信从56KHz发展到1Gbps，每10年增长125倍还多。而错误率从每位10-5下降到几乎为0。 单个CPU开始接近物理的极限。相反，利用当前的光纤技术，可以达到的带宽肯定会超过50Tbps。限制是我们不能更快地在电和光学信号之间进行转换。2.2.4 光纤 一个光纤传输系统有三个关

10、键部件： 光源：一个光脉冲表示位“1”，无光则表示位“0”。 传输介质：一根极细的玻璃纤维。 检测器。光照到检测器上会产生一个电脉冲。1.在光纤的一端放上一个光源，另一端放上一个检测器，我们就有了一个单向的数据传输系统，它接受电信号，转换成光脉冲并传输出去，然后在接收端重新转换成电信号。 2.2.4 光纤由于任何入射角度大于临界值的光束都会在内部反射，所以许多不同的光束可以在不同的反射角传播。可以这样说，每一束光都有不同的模式(mode)，所以，一根具有这种特性的光纤称为多模光纤(multimode fiber)。如果光纤的直径减小到几个光波波长大小的时候，则光纤就如同一个波导，光只能按直线传

11、播了，而不会反射，这样的光纤称为单模光纤(single-mode fiber)。 空气二氧化硅空气/二氧化硅的边界光源完全内部反射通过光纤传输光光通过玻璃的衰减取决于光的波长(以及玻璃的某些物理特性)。对于光纤中所使用的玻璃而言，这种衰减如图所示。图中显示了光谱中接近红外区域的光通过每公里光纤衰减的分贝。衰减的分贝数可由下列公式计算：衰减的分贝数=10lg(传输的能量/接收的能量)例如，如果损失了一半能量，则衰减为10lg2=3dB。通过光纤传输光(2)红外区域的光通过光纤时的衰减情况波长/m衰减（dB/km）光纤(a) 单根光纤的结构(b) 三根光纤封起来的截面芯(玻璃)封套(玻璃)外套(塑

12、料)外壳芯外套封套光纤(2)光纤的连接方式连接器：损失大约10%20%的光。机械接合：会有10%的光损失。熔合：几乎和单根光纤一样好，但仍存在少量的衰减。光源信号：LED和半导体激光。波长调节：在光源和光纤之间插入干涉计。接收端：光敏二极管。响应时间为1ns。光纤(2)半导体激光和LED作为光源的比较半导体激光高多模或单模长寿命短敏感昂贵低多模短寿命长小成本低数据传输速率光纤类型距离寿命温度敏感性成本光纤网络带有有源中继器的光纤环网计算机接口光纤光纤光接收器(光敏二极管)信号再生器(电子)光发送器(LED)光传播方向到或来自计算机铜线光纤网络(2)光纤网络中的无源星形连接接收器发送器每根进线照

13、亮性型中所有线每根出线能看见所有进线的光计算机接口光纤和铜线的比较光纤的优点能处理更高的带宽。具有相对较低的衰减。不受电源震荡、电磁干扰以及电源故障的影响。不受腐蚀性化学物质侵蚀。难以接入，具有高安全性。将来，凡是超过几米距离的所有固定数据通信显然都应该使用光纤。电话公司的理由：光纤细小而且重量轻。可以腾出管道空间，降低机械支撑系统的需要。2.3 无线传输2.3.1电磁波谱当电子运动的时候，它们就会产生电磁波，而电磁波可以在空气中传播。电磁波每秒振动的次数称为它的频率f，可以用Hz来度量。两个相邻的波峰(或者波谷)之间的距离称为波长。在真空中，所有的电磁波按同样的速度传播，跟频率无关。这个速度

14、称为光速 c。在铜线或者光纤中，电磁波的速度大约是光速的2/3，并且和频率稍有关系。f、 和c之间的基本关系是：f=c2.3.1电磁波谱(2)电磁波谱和它在通信中的用途无线电微波红外光可见光X射线伽玛射线双绞线同轴电缆卫星光纤地面微波AM无线电FM无线电海事通信2.3.1电磁波谱(3)电磁波可以承载的信息量与它的波长有关。利用当前技术，在低频处每个赫兹编码少量几位信息是可以做到的，但是在高频处通常可以编码8位信息，所以750MHz带宽的同轴电缆可以承载几个Gbps。跳频扩频技术跳频扩频技术：发送方每秒几百次地从一个频率跳到另一种频率。直接序列扩频直接序列扩频：移动电话。2.3.2 无线电传输无

15、线电波的特性与频率有关。在低频部分，无线电波能够很好地穿透障碍物，但是随着离开源越来越远，能量急剧减少。在高频部分，无线电倾向于按直线传播，并且会受到障碍物的阻挡。无线电波会被雨水吸收。在所有频段上，无线电波都会受到发动机和其它电子设备的干扰。2.3.2无线电传输(2)(a) 在 VLF, LF和 MF波段，无线电波沿着地面传播(b) 在 HF波段，无线电波被电离层折射回来地面波地球表面地球表面电离层2.3.3 微波传输 在100MHz以上的频段内，电波几乎按直线传播，因此它们可以被聚集成窄窄的一束。通过抛物线形状的天线，可以把所有的能量集中于一小束，从而获得极高的信噪比，但是发射端和接收端的

16、天线必须精确地相互对齐。而且，这种方向性也允许多个排成一行的发射器与多个排成一行的接收器进行通信，只要它们的空间排布有规则，相互之间就不会干扰。在光纤出现之前的几十年时间中，这种微波构成了长途电话传输系统的核心。 2.3.3 微波传输(2)微波传输的缺点微波传输的缺点：地球本身会阻挡微波的传输路径。因此，需要一个中继器。微波不能很好地穿透建筑物，会产生多路衰减。高频段微波只有几厘米的波长，会被雨水吸收。微波传输的优点微波传输的优点：不需要路权。相对比较廉价。电磁波谱的政策频段分配问题频段分配问题选美比赛法：导致腐败。抓阄：拍卖：给承运商留下太多的债务。根本不分配频率，但是对所用的功率进行管制：

17、大多数政府留出一些频段，称为ISM(Industrial，Scientific，Medical)用于非授权用户。电磁波谱的政策(2)美国的ISM(Industrial，Scientific，Medical)频段带宽频率蓝牙和有些802.11无线LAN工作在这个频段802.11a用到了这个频段2.3.4 红外线和毫米波 无导向的红外线和毫米波有方向性、便宜、易于制造，广泛应用于短距离通信。 红外线不能通过固体物质，因此一个建筑物的某个房间中的一个红外系统不会干扰相邻房间或者相邻建筑物内的另一个类似的系统。所以无需政府批准。 红外通信在桌面环境中也有一定的用途，例如，将笔记本计算机与打印机连接起来

18、。 在整个通信领域中，它并没有重要的地位。2.3.5光波传输气流可以干扰激光通信系统 。这里显示了一个具有两个激光源的双向系统光接收器扰动区大楼产生的热气流激光束偏离了接收器激光2.4 通信卫星 早在20世纪50年代和60年代初期，人们尝试利用金属化的气象气球对信号的反射作用来建立通信系统。后来，美国海军通过月球对信号的反射作用建立了一个可实际运行的船-岸通信系统。 第一颗通信卫星发射上天，天体通信领域有了进一步发展。 想象成天空中一个大的微波中继器。对近来的信号进行放大，在另一个频率上重新发射出去。2.4 通信卫星 通信卫星和它们的一些特征，包括离地球的高度、上下往返的延迟时间、为覆盖整个地

19、球所需要的卫星数高度(km) 类型 延迟(ms) 需要的卫星数 地球同步轨道 中间地球轨道 低地球轨道 上范艾伦带 下范艾伦带2.4.1 地球同步卫星1962年第一颗人造通信卫星(Telstar)发射上天，这些高空中飞行的卫星通常称为GEO(Geostationary Earth Orbit，地球同步轨道)卫星。在当前的技术水平下，在360 的赤道平面上，同步卫星之间的距离小于2是不明智的。因此最多只能有180颗同步卫星。轨道槽的分配问题：由ITU完成。保持站位问题：通过火箭发动机微调。2.4.1 地球同步卫星(2)基本的卫星频段 地球同步卫星的轨道槽和频率分配工作是由ITU完成的。频段下行链

20、路上行链路带宽问题低带宽，拥挤低带宽，拥挤地面干扰雨水雨水，设备成本2.4.1 地球同步卫星(3)第一颗地球同步卫星只有一个空间波束，它大约可以覆盖地球表面的1/3，这个范围称为它的足迹足迹(footprint)。每颗同步卫星都装了多个天线和异频发射应答器。每个下行波束可以聚集到很小的地理区域中，所以多个上行和上行传输可以同时进行。这些所谓的点波束点波束(spot beam)是椭圆形的，可以小到只有几百公里。2.4.1 地球同步卫星(4)使用中心站的VSAT低成本的微型站：VSAT(Very Small Aperture Terminals)。上行19.2kbps下行512kbps中心站2.4

21、.1 地球同步卫星(5)通信卫星的特性：较长的距离造成了相当的延迟，GEO端到端的传输时间大约在250300ms之间。地面微波链路的传输延迟大致上是3s/km；同轴电缆和光纤链路大约是5s/km。天生是一种广播介质。向上千个站发送一条消息与发送给一个站的成本是一样的。跨越海洋的会话服务不比跨越街道的会话服务更贵。加密是必需的。部署起来极为快速。2.4.2 中间轨道卫星MEO(Medium-Earth Orbit，中间地球轨道中间地球轨道)卫星比GEO低，所以在地面上的足迹要小一些，但是功率弱一些的发射器也能够到达这些卫星。24颗GPS(Global Positioning System全球定位

22、系统 )卫星的轨道大约在18000公里的高度。2.4.3 低轨道卫星LEO(Low-Earth Orbit，低地球轨道低地球轨道) 卫星运动速度极快，所以一个完整的系统需要大量的LEO卫星。与地球相距如此之近，地面站不需要多大的功率，而且上下往返的延迟往往只有几毫秒。Iridium(铱星计划)1990年，Motolola向FCC提交申请，要求发射77棵低轨道卫星用于铱计划。基本思路是，一旦一棵卫星移出了视线，另一棵卫星立即就能替代它。1997年发射上天，1998年11月开始提供通信服务。1990年后移动电话网络发展迅猛，相反，卫星电话的商业需求却被忽略了。1999年8月宣布破产。2001年3月

23、服务又重新开始。依星计划(2)Iridium 的卫星构成了6条项链，覆盖了整个地球1628个移动的蜂窝覆盖了地球高度在750kmGlobalstarGlobalstar系统有48颗LEO卫星，但是使用了不同于铱星的交换方案。由于铱星需要在卫星之间转发数据，所以卫星上要有复杂的交换设备，而Globalstar使用了传统的弯曲管道设计。呼叫信号被送回到地球上。然后通过地面网络该呼叫被路由到另外一个地面站(位于被呼叫者附近)，并且通过一个弯曲管道连接递交给被呼叫者。Globalstar(a) Iridium在太空中转发信号(b) Globalstar在地面上转发信号 在空中通过卫星交换 弯曲管道卫星

24、 在地面上交换TeledesicTeledesic的目标是遍布全球的、对带宽需求非常大的Internet用户。上行链路100Mbps，下行链路720Mbps。30颗卫星，使用Ka频段。在空中分组交换。当一个用户需要带宽来发送分组的时候，系统大约在50ms之内接受请求，并完成动态分配。卫星和光纤1984年，电话公司开始用光纤代替长途电话网络，并且引入了ADSL这样的高带宽服务。地面的光纤似乎是赢家。光纤基本上用于电话系统内部，不是为用户提供高带宽服务。但是，通过卫星可以做到。光纤对移动通信没有任何用处，卫星链路有这样的潜力。蜂窝电话和光纤可以提供移动通信，但是对于在空中或者海上的人来说可能就不行

25、了。通过卫星大量发送信息比地面模拟广播更加便宜。卫星和光纤(2)适合位于恶劣地形或地面设施很差的地区通信。适用于很难获得路权来铺设光纤的地区，或者获得路权的代价太高的地区。当快速部署网络显得非常重要时，例如：军事通信系统。看起来将来的主流通信是地面光纤与蜂窝无线电通信的结合，但是对于某些特殊用途，卫星通信更有优势。如果部署卫星的成本大大下降，或者低轨道卫星抓住了市场机遇，光纤未必会赢。2.5 公共交换电话网络网络设计者必须使用已有的电信设施。公共交换电话网络公共交换电话网络 (PSTN，Public Switched Telephone Network)是多年前设计的，用于传输语音信号。勉强用

26、于计算机通信。连接特性的比较计算机之间通过电缆连接：109bps。拨号线路：56kbps。ADSL连接：8Mbps下行，1Mbps上行。如何有效地使用公共交换电话网络？2.5.1电话系统的结构1876，Bell获得了电话专利。一对电话一条线。1878，组建Bell电话公司，开放第一个交换局。发明了二级交换局，最终增长到5级。2.5.1电话系统的结构(2)1890年，电话系统的三个主要部分已经具备了：交换局、顾客与交换局之间的线路，交换局之间的长距离连接。保持了100多年没有变化。1984年之前，电话系统被组织成一个高度冗余的、多层次的结构。每部电话机有两根铜线伸出来，直接连接到电话公司最近的端

27、局端局(end office)，这段距离通常是110km。每个用户的电话机和端局之间的双线连接称为本地回路本地回路(local loop)。如果世界上所有的本地回路都端到端连接起来，则其长度相当于到月球来回1000次的长度。 2.5.1电话系统的结构(3)如果连接到某个端局的用户呼叫另一个也连接到该端局的用户，则局内的交换机制会在这两个本地回路之间建立起一个直接的电连接。在通话过程中，这个连接保持不变。 每个端局都有一些长途连接干线长途连接干线(toll connection trunk)连接到一个或者多个附近的交换中心，这些交换中心称为长途局长途局(toll office)，如果它们在同一个

28、局部地区的话，则称为汇接局汇接局(tandem office)。2.5.1电话系统的结构(4)某个端局的用户呼叫另一个端局的用户。如果呼叫方和被呼叫方的端局碰巧都有一条长途干线连接到同一个长途局(如果他们相距很近的话，则这种可能性很大)，那么双方的连接就可能在这个长途局内建立起来。 如果呼叫方和被呼叫方没有共同的长途局，那么他们之间的路径将在更高层次上的某个地方建立起来。初级局(primary office)、区域局(sectional office)和地区局(regional office)形成了一个网络，长途局连接到这一网络中。 2.5.1电话系统的结构(5)长途局、初级局、区域局和地区局

29、通过高带宽的内部长途中继线(intertoll trunk，或者interoffice trunk)相互交换信息。不同种类交换中心的数目以及它们的拓扑结构随着国家的不同而不同，这取决于每个国家的电话的密度。 本地回路 端局长途局中心交换局长途局 端局长途连接干线很高带宽的长途局之间的干线长途连接干线 本地回路2.5.1电话系统的结构(6)过去，整个电话系统中传输的信号都是模拟的，实际的语音信号以电压的形式从源端传输到目标端。现在，所有的干线和交换设备都是数字的，只有本地回路仍然是模拟的。对于数字传输而言，只需要能够正确地区分0和1就足够了。这种特性使得数字传输比模拟传输更加可靠，维护更加容易，

30、维护成本也要便宜。 2.5.1电话系统的结构(7)电话系统是由三个主要的部件构成的本地回路本地回路(双绞线进入家庭和业务部门，模拟信号)；这个系统中最为脆弱的链路。干线干线(通过光纤将交换局连接起来，数字信号)；如何将多个呼叫收集起来，并且通过同一条光纤将它们发送出去。这项技术称为多路复用。交换局交换局(电话呼叫从一条干线接入到另一条干线)。电路交换与分组交换。 2.5.2 电话业中的政治学1984年1月1日，AT&T公司被分解为AT&T长话公司(AT&T Long Lines)、23个BOC(Bell Operating Company，Bell运行公司)和其他一些部

31、门。23个BOC又被组织成7个区域性BOC(RBOC)，以便使它们在经济上可以继续生存下去。这次事件导致了更为激烈的竞争、更好的服务，以及更低的长途电话价格。 2.5.2 电话业中的政治学(2)整个美国分成164个LATA(Local Access and Transport Areas，本地访问和传输区域本地访问和传输区域)。粗略地来说，一个LATA是指可以由一个地区码来覆盖的大 区 域 。 在 每 个 L ATA 的 内 部 ， 只 有 一 个LEC(Local Exchange Carrier，本地交换承运商本地交换承运商)，它垄断了该区域内部的传统电话服务。但是，禁止LEC提供跨LAT

32、A的电话服务。 2.5.2 电话业中的政治学(3)LATA之间的所有流量是由另一种不同类型的公司IXC(IntereXchange Carrier，跨区域交换承运商跨区域交换承运商)来处理的。但是，禁止IXC提供本地电话业务。确保所有的IXC在线路质量、价格，以及顾客为了使用IXC而拨打的电话号码位数等方面，都能够被同等对待。最初，AT&T长话公司是惟一正式的IXC，但是现在WorldCom和Sprint公司也是组建良好的IXC业务竞争者。2.5.2 电话业中的政治学(4)LATA, LEC和IXC之间的关系. 所有的圆圈都是 LEC交换局，每个六边形都属于某一个 IXC，内部的数字标

33、明了该IXC的号码2.5.2 电话业中的政治学(5)任何一个IXC，如果它想处理来自某个LATA的呼叫 ， 则 可 以 在 这 个 L ATA 中 建 立 一 个 称 为POP(Point of Presence，汇接点汇接点)的交换局。LEC负责将每个IXC连接到每个端局，可以是直接的连接，也可以是间接的连接。而且，这种连接关系，无论从技术方面还是经济方面来看，对所有的IXC都必须一视同仁。 2.5.2 电话业中的政治学(6)技术的发展：有线电视和移动电话。法律变得过时：LEC和IXC购买或兼并有线电视和移动电话运营商。维护各种公司之间的业务界限不再可行。1996年法案的新思路：任何公司都可

34、以提供全套的综合服务，在服务和价格上进行竞争。有趣的特点：要求LEC实现本地电话号码的可移动性，从而加剧了竞争。2.5.3 本地回路 从计算机到计算机的呼叫同时用到了模拟和数字传输，在调制解调器和编码解码器之间完成数模转换 调制解调器 本地回路(模拟，双绞线) 中带宽干线(数字，光纤) 端局高带宽干线(数字，光纤) 数字线10000条本地回路 调制解调器群最后一公里2.5.3 本地回路(2)衰减(attenuation)：衰减是指在信号往外传播的过程中能量的损失。傅立叶级数中的一些分量。每个分量被衰减的程度不一样，因而导致了在接收方得到一个完全不同的傅立叶频谱。 延迟畸变(delay dist

35、ortion)：不同的傅立叶分量在线路上的传播速度也不同。这种速度的差异会导致接收端信号的畸变。 噪声(noise)：指一些来自于非发射器的多余能量。热噪声、串音、脉冲噪声。 2.5.3 调制解调器衰减和延迟畸变都与频率有关。 但是，在数字信号中使用的方波有一个很宽的频谱，因而它的衰减和延迟畸变很严重。所以基带(DC)信号只能在低速和短距离的情况下使用。采用交流(AC)信号传输。引入1000-2000Hz范围内的一个连续波，称为正弦载波正弦载波(sine wave carrier)。它的振幅、频率或相位被调制后可用来传输信息。2.5.3 调制解调器(2)一个二进制信号调幅调频相位调制相位改变处

36、2.5.3 调制解调器(2)如果一个设备接受一个位序列作为输入，并且产生一个经过以上一种(或者多种)方法调制的载波输出(或者输入输出正好相反)，则这样的设备称为调制调制解调器解调器(modem，代表代表modulator-demodulator)。调制解调器位于计算机(数字)和电话系统(模拟)之间。大多数调制解调器采样率为2400次/秒，为了获得更高的速度，研究的焦点集中在每次采样如何表达更多的位信息。2.5.3 调制解调器(3) 采样率为2400次/秒就是说每秒传输2400个码元。如果该码元用0伏电压表示逻辑0， 1伏电压表示逻辑1，则位传输率为2400bps。然而，如果0、1、2和3伏电压

37、都使用的话，则每个码元可以包含2位，因此，2400波特的线路可以传输2400码元/秒，数据传输率为4800bps。 使用四种可能的相移的话，每个码元也可以表达2位。这种技术称为QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控正交相移键控)。2.5.3 调制解调器(4)带宽：在最小衰减的情况下能够通过这种介质的频率范围。它是介质的一种物理特性，度量单位为Hz(赫兹)。波特率：每秒钟的采样次数。码元：每次采样发送的一份信息。因此，波特率和码元率是相同的。位传输率：一条信道上发送的信息的数量，它等于每秒采样数乘以每次采样的位数。 2.5.3 调制解调器(5)QPSK

38、：每个码元传输2位QAM-16：每个码元传输4位QAM-64：每个码元传输6位振幅和相位的合法组合，这些图形称为星座图星座图。2.5.3 调制解调器(6)纠错机制：TCM (Trellis Coded Modulation，格子格子架编码调制架编码调制)。V.32标准使用了32个星座点，每个码元传输4个数据位和1个奇偶校验位，在2400波特率上可以达到9600bps(带纠错特性)。V.32bis的星座模型有128个点，每次采样传输6个数据位和1个奇偶校验位。V.34标准每次采样传输12个数据位，28.8kbps。 V.34bis标准每次采样传输14个数据位，33.6kbps。2.5.3 调制解

39、调器(7)(a) 传输速率为9600 bps的 V.32，4个数据位，1个奇偶校验位。(b) 传输速率为14,400 bps的 V32 bis， 6个数据位，1个奇偶校验位。(a)(b)2.5.3 调制解调器(8)为什么标准调制解调器在33.6kbps上停住？电话系统的香农限制大约是35kbps。 35kbps与本地回路平均长度，以及这些线路的质量有关。如果消除一端的本地回路，则最大速率可以增加一倍，即70kbps。为什么使用56kbps调制解调器？电话信道的带宽大约是4000Hz(包括防护频段)。根据尼奎斯特定理，最大采样次数为8000。在美国，每次采样位数是8，其中数据位是7位，所以允许用

40、户每秒传输56000位。2.5.3 调制解调器(9)V.90标准提供33.6kbps的上行信道(从用户到ISP)和56kbps的下行信道(从ISP到用户)。V.92标准：如果线路允许，上行信道可以达到48kbps。2.5.3 数字用户线路电话公司(LEC)开始意识到，他们需要一种更具竞争力的产品。他们给出的答案是：利用本地回路提供新的数字服务。 开始的时候，有许多相互重叠的服务都使用了xDSL(Digital Subscriber Line，数字用户线路数字用户线路)这样的一般性名称，只是x不同而已。下面我们将讨论这些服务，但是主要焦点集中在一种可能会变得最为流行的服务上：ADSL(Asymm

41、etric DSL，非对称非对称数字用户线路数字用户线路)。 2.5.3 数字用户线路(2) 调制解调器为什么慢调制解调器为什么慢？电话的发明是为了承载人类的语音。每条本地回路都在端局那里被终止，就在这个终止的点上，有一个滤波器把所有300Hz以下、3400Hz以上的频率都减弱了。 使使xDSL工作的诀窍工作的诀窍是，本地回路被连接到另一种不同的交换机上，这种交换机上没有滤波器。于是，限制的因素就变成了本地回路的物理特性，而不再是人工加入的滤波器所建立起来的3100Hz带宽限制。 2.5.3 数字用户线路(3)3类 UTP用于DSL时带宽与距离的关系.当电话公司承诺提供某一速度的传输率的时候，

42、它也同时划定了一个以端局为中心的圆。2.5.3 数字用户线路(4)所有的xDSL服务都有一些特定的设计目标。这些服务必须在现有的3类双绞线本地回路上工作。它们不能影响顾客原来的电话机和传真机。它们必须比56kbps还要快。这些服务应该总是可用的，并且按月租方式收费，而不是按每分钟收费。2.5.3 数字用户线路(5)最初的ADSL服务是AT&T公司提供的，它的工作原理是，将本地回路上可供使用的频谱(大约是l.1MHz)分成三个频段：POTS(Plain Old Telephone Service，传统的简单电传统的简单电话服务话服务)、上行数据流(从用户到端局)下行数据流(从端局到用户)

43、。使用多个频段范围的技术称为频分多路复用频分多路复用 。2.5.3 数字用户线路(6)使用DMT(Discrete MultiTone，离散的多信道调制)的ADSL频谱划分方案256条4kHz的信道下行数据流上行数据流语音功率2.5.3 数字用户线路(3)一个典型的 ADSL设备配置图电话线电话分离器计算机以太网分离器编解码器电话公司端局用户语音交换机网络接口设备 1996 年以后，在美国等国家，允许其它公司开展本地电话服务。 如何将顾客的电话机和计算机连接到新开张的端局呢?购买必要的路权并且铺设电话线或者光纤可能会非常昂贵。许多竞争者发现了一种比传统的双绞线本地回路更加廉价的方案：WLL(W

44、ireless Local Loop，无线本地回路)。2.5.3 无线本地回路 三个关键的技术区别：无线本地回路的消费者通常希望具备高速的Internet连接能力，其速度至少等于ADSI。新的顾客可能并不介意在他家的屋顶上安装一个大的有向天线指向端局。用户并不移动，从而消除了因为移动和蜂窝之间移交而带来的所有问题。 2.5.3 无线本地回路-2 1998年，2.1GHz，每个频道各6MHz，2.5GHz，总共198MHz (31个频道)用于无线本地回路。 在这些频率上，微波的波长是1012cm长。它们的传输范围大约是50km，穿透植物和雨水的能力还算可以。所提供的服务名称为MMDS(Multi

45、channel Multipoint Distribution Service，多信道多点分发服务)。2.5.3 无线本地回路-3 随着砷化镓集成电路的发明，毫米波用于无线通信的大门也随之被打开了。 FCC对这种需求做出了响应，它将1.3GHz分配给一种新的无线本地回路服务，称为LMDS(Local Multipoint Distribution Service，本地多点分发服务)。这次FCC分配了大量的带宽，足够任何人使用。欧洲在40GHz以上。2.5.3 无线本地回路-42.5.3 无线本地回路-5LMDS系统的结构每个天线定义了一个扇区。36MHz的下行数据流和1MHz的上行数据流 IE

46、EE建立了一个名为802.16的委员会，由它为LMDS拟定一个标准。2002年4月，802.16已经发布了，称为无线MAN(Metropolitan Area Network，城域网) 。 IEEE 802.16的应用目标是：数字电话、 Internet访问、连接两个远距离的LAN、电视和电台广播等。2.5.3 无线本地回路-6 在一条物理干线上尽可能地并发传输多个会话。FDM(Frequency Division Multiplexing，频分多路复用)：频谱被分成频段，每个用户可以单独拥有某个频段。TDM(Time Division Multiplexing，时分多路复用)：用户轮流(循环

47、法)获得整个带宽，每次仅使用一小段时间。 2.5.4 干线和多路复用 2.5.4 频分多路复用(a) 原来的带宽、(b) 被升频之后的带宽、(b) 复用之后的信道衰减系数频率 信道1 信道2 信道3频率频率 信道1 信道3 信道22.5.4 波分多路复用波分多路复用 光纤1光谱 光纤2光谱 光纤3光谱 光纤4光谱共享光纤上的光谱 光纤1 光纤2 光纤3 光纤4 组合器 长距离的共享光纤 分离器 过滤器2.5.4 波分多路复用-2 1990年：8条信道，每条信道的带宽为2.5Gbps。 1998年：40条信道，每条信道的带宽为2.5Gbps。 2001年：96条信道(每条信道的带宽为10Gbps

48、，总共960Gbps)的产品。这样的带宽足够每秒钟传输30部全长度的电影(MPEG-2格式)。 具有200条信道的系统在实验室中已经可以工作了。 这样的系统通常称为DWDM(Dense WDM，密集WDM)。 2.5.4 波分多路复用-3 通过在不同的波长上并行地运行多条信道，则聚合起来的带宽就会随着信道的数量而线性增加。由于单根光纤的带宽大约为25000GHz(见图2.6)，所以，从理论上算，即使在每赫兹1位的情况下(更高的速率也是可能的)，仍有2500条10Gbps信道的发展空间 . 以前，每100公里就必须分离出所有的信道，并将每条信道转换为电信号，以便单独放大，然后重新转换为光信号，再

49、将所有的信道组合起来。现在，全光放大器可以重新产生整个信号，每隔1000公里做一次，不需要再进行多次光-电转换了。 2.5.4 时分多路复用电话系统中大量的铜线该怎么办? FDM仍然被用于铜线或者微波信道，但是，它要求模拟电路，并且不适合由计算机来完成。 TDM则可以完全由数字电路来处理，但是，它只能用于数字数据。由于本地回路产生的是模拟信号，所以，在端局需要执行一个从模拟到数字的转换，而在端局中，所有的本地回路聚集到一起，并组合到少量的输出干线上。 2.5.4 时分多路复用-2 模拟信号在端局中被数字化，这项工作是由一个称为编解码器的设备来完成的，它产生一个8位数字序列。编解码器每秒钟采样8

50、000次(每次采样125s)，因为尼奎斯特定理表明，对于4kHz电话信道的带宽而言，这样的采样率足以捕获所有的信息。这项技术称为PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)。PCM构成了现代电话系统的核心。2.5.4 时分多路复用-32.5.4 时分多路复用-4 T1 线路 (80001931.544 Mbps).第1位是成帧码每次采样每个信道7个数据位第8位用于信令信道信道信道信道信道193位的帧2.5.4 时分多路复用-5 用统计技术来减少每条信道所需要的位数。这些技术不仅仅只适用于编码语音信号，也可以用于其他任何模拟信号的数字化处理。所有的压缩方法依据的原理是，信号

51、的变化相对于采样频率而言比较慢，所以7位或者8位数字级别中的大部分信息是多余的。 2.5.4 时分多路复用-6 差分脉冲编码调制(differential pulse code modulation)，它的输出并不是数字化的振幅本身，而是当前值与前一个值之差。因为在128的尺度上，16或者更大的跳跃可能性不大，所以5位应该足够了，而不需要7位。如果信号偶尔有很大的跳跃，则编码逻辑部分可能需要几个采样周期才能“赶上”它。对于语音信号，这种因为偶尔的跳跃而引入的错误可以忽略。 2.5.4 时分多路复用-7增量调制采样间隔发送的位流相邻样本总是差1信号变化太快，编码跟不上数字化级值2.5.4 时分多

52、路复用-8更高阶线路上多路复用的T1流.4个T1输入流1个T2输出流7个T2输入流6个T3输入流复用是按位完成的 复用是按字节完成的 本地电话公司必须连接到多家长途电话承运商，而这些承运商各有不同的光纤TDM系统。 Bellcore开始制定标准，称为SONET(Synchronous Optical NETwork，同步光网络)。 CCITT建议称为SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列) 。2.5.4 SONET/SDHSONET必须使不同的承运商可以协同工作。统一美国、欧洲和日本的数字系统，这些系统都基于64kbps的PCM信道，但是，这些信道被组

53、合起来的方式却各不相同，而且互不兼容。复用多条数字信道。 必须支持操作(operation)、管理(administration)和维护(maintenance)，即OAM。2.5.4 SONET/SDH-2基本的SONET帧是每125s间隔中送出810字节的数据块。由于SONET是同步的，所以，不管是否有实际要发送的数据，帧都存在。每秒8000帧的速率正好符合所有数字电话系统中使用的PCM信道的采样率。SONET系统每秒钟传输8000次，每次88106480位，因而总的数据传输率为51.84Mbps。这是基本的SONET信道，称为STS-1(Synchronous transport Sig

54、nal-1，同步传输信号)。所有的SONET干线都是STS-1的倍数。 2.5.4 SONET/SDH-32.5.4 SONET/SDH-4两个背靠背的 SONET 帧3列用于系统管理信息开销9行87列Sonet帧Sonet帧段开销线路开销路径开销SPE：Synchronous Payload Envelope，同步净荷包封线路开销的第一行指向SPE的第一个字节2个字节有固定模式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，并负责进行同步传送信号STS的电信号和光载波OC的光信号之间的转换。在此层由电光转换器进行通信。段层(Section La

55、yer) 在光缆上传送STS-N帧，有成帧和差错检测功能。线路层(Line Layer) 负责路径层的同步和复用，以及交换的自动保护。1.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，这里PTE是具有SONET能力的交换机。路径层还具有与非SONET网络的接口。2.5.4 SONET/SDH-5 2.5.4 SONET/SDH-62.5.4 SONET/SDH-7SONET 和 SDH复用率数据传输率电的光的光的总的用户电话系统分为两大基本部分：局外部分(本地回路和干线，因为从物理位置来看，它们位于交换局的外部)和局内

56、部分(交换机，它们在交换局的内部)。电话系统中用到了两种不同的交换技术：电路交换和分组交换。 当你或者你的计算机呼叫一个电话的时候，电话系统的交换设备就会寻找一条从你的电话通向接收方电话的物理路径。这项技术称为电路交换(circuit switching)。2.5.5 交换2.5.5 电路交换(a) 电路交换、(b) 分组交换交换局呼叫时建立物理铜线连接分组排队以便顺序传输电路交换的一个重要特点是，在发送数据之前需要建立一条端到端的路径。从拨完号码到开始响铃，这段时间很有可能达到10秒钟，长途电话或者国际电话所需要的时间更长。在这段时间间隔中，电话系统正在寻找路径，如图239(a)所示。请注意

57、，在开始传输数据之前，呼叫请求信号必须一路传向目标，并且沿途要被确认。对于许多计算机应用来说(比如销售点的信用卡验证)，长时间的建立过程是不合适的。 2.5.5 电路交换-2在电话呼叫双方之间保留一条路径带来的好处是，一旦连接建立完成，则惟一的数据传输延迟是电磁信号的传输时间，每1000公里大约5ms。建立路径的另一个好处是，没有拥塞的危险，也就是说，一旦电话呼叫已经接通，你永远不会再听到忙信号。当然，在建立连接之前，可能由于交换能力不足，或者干线传输能力不足，你会听到忙信号。 2.5.5 电路交换-3报文交换(message switching)，如图239(b)所示。当使用这种交换形式的时

58、候，在发送方和接收方之间事先并没有建立物理路径。相反，当发送方有一块数据要发送的时候，它被存储在第一个交换局(即路由器)中，以后再转发出去，一次一级地中转。每块数据都会被完整地接收下来，并检查错误，然后再重新转发。使用这项技术的网络称为存储一转发网络(store-and-forward network) 。 2.5.5 报文交换2.5.5 报文交换-2图2.39 (a) 电话交换 (b)报文交换 (c) 分组交换呼叫请求信号呼叫接受信号传播延迟排队延迟2.5.5 分组交换分组交换网络对于数据块的大小有一个很严格的上限，这使得这些分组可以被缓存在路由器的主内存中，而不是磁盘上。由于分组交换网络可

59、以保证用户不会霸占通信线路很长时间(毫秒级)，所以它非常适合用来处理交互式通信流量。 如果一个报文包含了多个分组，那么，在后一个分组完全到达之前，前一个分组就可以被转发出去，这样不仅降低了延迟，而且也提高了系统的吞吐量。计算机网络通常是分组交换的，偶尔也会是电路交换的，但绝对不会是报文交换的。 2.5.5 分组交换-22.6 移动电话系统 无线电话有两种基本的流行方式：无绳电话无绳电话和移动电移动电话话(有时候也称为蜂窝电话蜂窝电话(cell phone)。 移动电话(mobile phone)已经经过了三代发展，每一代有不同的技术： 模拟语音模拟语音。数字语音数字语音。数字语音和数据数字语音

60、和数据(Internet、e-mail等)。 2.6 移动电话系统-2政策和细微的市场决策如何产生巨大影响？第一个移动系统由AT&T设计，全美只有一个系统。欧洲每个国家设计自己的系统，导致一片混乱。在数字系统到来时，欧洲从失败中吸取教训，完成了一个标准化系统GSM。但是美国政府把数字系统留给市场去运行。美国现在有互不兼容的两个数字移动电话系统。2.6 移动电话系统-3欧洲的移动电话的拥有量和应用大大超过美国。全欧洲使用同一个系统。电话号码的分区范围。在美国移动电话号码和固定电话号码混合在一起，呼叫方无法区分。电话公司决定接听电话也必须付费，导致购买移动电话的人犹豫不决。欧洲的移动电话有特殊的区域码。欧洲广泛使用了预付话费的移动电