第2章物理層PPT課件

1、第第 2 章章 物理層物理層第第 2 章章 物理層物理層n2.1 物理層物理層的基本概念的基本概念n2.2 數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)n2.3 物理層物理層下面的傳輸媒體下面的傳輸媒體n2.4 信道信道復(fù)用技術(shù)復(fù)用技術(shù)n2.5 寬帶寬帶接入技術(shù)接入技術(shù)2.1 物理層的基本概念物理層的基本概念n物物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸媒體上傳輸媒體上傳輸傳輸數(shù)數(shù)據(jù)流據(jù)流，而而不不僅僅僅僅是是指具體的指具體的傳輸媒傳輸媒體體。2.1 物理物理層層的基本概的基本概念念n物物理理層層類比舉例類比舉例2.1 物理物理層層的基本概的基本概念念n物物理理

2、層層實(shí)例（實(shí)例（ZigBee）2.1 物理物理層層的基本概的基本概念念n物物理理層層實(shí)例（實(shí)例（WiFi）2.1 物理物理層層的基本概的基本概念念n物物理理層層實(shí)例（實(shí)例（WiFi）2.1 物理物理層層的基本概的基本概念念n物物理理層層實(shí)例（實(shí)例（WiFi）2.1 物理物理層層的基本概的基本概念念n物物理理層層實(shí)例（實(shí)例（WiFi）1BPSK1/26Mbps2BPSK3/49Mbps3QPSK1/212Mbps4QPSK3/418Mbps516QAM1/224Mbps616QAM3/436Mbps764QAM2/348Mbps864QAM3/454Mbps一些有趣的課外知識(shí)一些有趣的課外知識(shí)n

3、WiFi可以在水里傳輸嗎？可以在水里傳輸嗎？2.2 數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)n2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型n2.2.2 有關(guān)有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念信道的幾個(gè)基本概念n2.2.3 信道信道的極限的極限容量容量2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型一個(gè)數(shù)據(jù)通信一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)系統(tǒng)包括包括三大部分三大部分：源系統(tǒng)（或發(fā)送端、發(fā)送方）、源系統(tǒng)（或發(fā)送端、發(fā)送方）、傳輸系統(tǒng)（或傳輸網(wǎng)絡(luò)）和傳輸系統(tǒng)（或傳輸網(wǎng)絡(luò)）和目的系統(tǒng)（或接收端、接收方目的系統(tǒng)（或接收端、接收方）。傳輸傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)輸輸入入信信息息輸輸入入數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)發(fā)送發(fā)送的信號(hào)的信號(hào)(數(shù)字的或數(shù)字的或模擬的模擬

4、的)接收接收的的信號(hào)信號(hào)(數(shù)字的或數(shù)字的或模擬的模擬的)輸輸出出數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)源點(diǎn)源點(diǎn)終點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器發(fā)送器接收器接收器調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器PC 公用電話網(wǎng)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào)模擬信號(hào)模擬信號(hào) 輸入輸入漢字漢字顯示顯示漢字漢字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸輸出出信信息息PC數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型系統(tǒng)的模型常用常用術(shù)語術(shù)語n數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) (data) 運(yùn)送運(yùn)送消息的實(shí)體。消息的實(shí)體。n信號(hào)信號(hào) (signal) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 n模擬信號(hào)模擬信號(hào) (analog

5、ous signal) 代表代表消息的參數(shù)的消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。取值是連續(xù)的。 n數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào) (digital signal) 代表代表消息的參數(shù)的取值消息的參數(shù)的取值是離散是離散的的。2.2.2 有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念n信道信道 一般用來一般用來表示向某一個(gè)方向傳送信息表示向某一個(gè)方向傳送信息的媒體的媒體。n單向通信單向通信（單工通信）（單工通信）只能有一個(gè)方向的只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。通信而沒有反方向的交互。n雙向交替通信雙向交替通信（半雙工通信）（半雙工通信）通信的雙方通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送都可以發(fā)送信息，但不能雙方

6、同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也當(dāng)然也就不能同時(shí)接收就不能同時(shí)接收)。n雙向同時(shí)通信雙向同時(shí)通信（全雙工通信）（全雙工通信）通信的雙方通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息?？梢酝瑫r(shí)發(fā)送和接收信息。 2.2.2 有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念n基帶信號(hào)基帶信號(hào)（即基本頻帶信號(hào)）（即基本頻帶信號(hào)） 來自來自信源的信源的信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)。件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)。n基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分直流成分，而許多信道并不能傳輸這

7、種低頻分量或直流分量。因此必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行量或直流分量。因此必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制調(diào)制 (modulation)。 (1) 常用編碼方式常用編碼方式n不歸零制：不歸零制：正電平正電平代表代表 1，負(fù)電，負(fù)電平代表平代表 0。n歸零制：歸零制：正脈沖正脈沖代表代表 1，負(fù)脈沖，負(fù)脈沖代表代表 0。n曼徹斯特編碼：曼徹斯特編碼：位周期中心的向上跳變位周期中心的向上跳變代表代表 0，位周期中心的向下跳變位周期中心的向下跳變代表代表 1。但也可反過來定。但也可反過來定義。義。n差分曼徹斯特編碼：差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變有跳變。位開始邊界有

8、跳變代表代表 0，而位開始邊，而位開始邊界沒有跳變界沒有跳變代表代表 1。(1) 常用編碼方式常用編碼方式不歸零制不歸零制曼徹斯特曼徹斯特1111100000比特比特流流差分差分曼徹斯特曼徹斯特歸零制歸零制數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)常用的編碼方式常用的編碼方式(2) 基本的帶通調(diào)制方法基本的帶通調(diào)制方法n基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對(duì)量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制調(diào)制 (modulation)。 n

9、最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：n調(diào)幅調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 n調(diào)頻調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。n調(diào)相調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 (2) 基本的帶通調(diào)制方法基本的帶通調(diào)制方法010011100基帶信號(hào)基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)幅調(diào)頻調(diào)頻調(diào)相調(diào)相最最基本的三種調(diào)制方式基本的三種調(diào)制方式正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r (r, )不是碼元越

10、多越好。若不是碼元越多越好。若每一個(gè)碼元可表示的比特?cái)?shù)越多，則在接收每一個(gè)碼元可表示的比特?cái)?shù)越多，則在接收端端進(jìn)行解調(diào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)要正確識(shí)別每一種狀態(tài)就越時(shí)要正確識(shí)別每一種狀態(tài)就越困難，出錯(cuò)率增加。困難，出錯(cuò)率增加。 舉例舉例為了達(dá)到更高的信息傳輸速率，必須采為了達(dá)到更高的信息傳輸速率，必須采用技術(shù)上更為復(fù)雜的多元制的振幅相位用技術(shù)上更為復(fù)雜的多元制的振幅相位混合調(diào)制混合調(diào)制方法方法。例如：例如：n可可供選擇的相位有供選擇的相位有 12 種種，而，而對(duì)于每一種相對(duì)于每一種相位有位有 1 或或 2 種振幅可供選擇種振幅可供選擇。總共有?？偣灿?16 種種組組合，即合，即 16 個(gè)碼元。個(gè)碼元。n由

11、于由于 4 bit 編碼編碼共有共有 16 種不同種不同的組合的組合，因此，因此這這 16 個(gè)點(diǎn)中的個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)每個(gè)點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于一種可對(duì)應(yīng)于一種 4 bit 的的編碼編碼。數(shù)據(jù)傳輸率可提高。數(shù)據(jù)傳輸率可提高 4 倍。倍。 2.2.3 信道的極限容量信道的極限容量 n任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 n碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，或傳輸媒體質(zhì)量越或傳輸媒體質(zhì)量越差差，在，在信道的輸出端的波形信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。的失真就

12、越嚴(yán)重。 數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道 實(shí)際的信道實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號(hào)波形發(fā)送信號(hào)波形接收信號(hào)波形接收信號(hào)波形有失真，但有失真，但可識(shí)別可識(shí)別發(fā)送信號(hào)波形發(fā)送信號(hào)波形實(shí)際的信道實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號(hào)波形接收信號(hào)波形失真大，失真大，無法識(shí)別無法識(shí)別 信噪比信噪比 n噪聲存在于所有的電子設(shè)備和通信信道中噪聲存在于所有的電子設(shè)備和通信信道中。n噪聲是噪聲是隨機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)產(chǎn)生的，它的瞬時(shí)值有時(shí)會(huì)很大。因此噪的，它的瞬時(shí)值有時(shí)會(huì)很大。因此噪聲聲會(huì)使接收端對(duì)碼元的判決產(chǎn)生

13、會(huì)使接收端對(duì)碼元的判決產(chǎn)生錯(cuò)誤錯(cuò)誤。n但但噪聲的影響是相對(duì)噪聲的影響是相對(duì)的的。如果信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)，那么噪如果信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)，那么噪聲的影響就相對(duì)較小。聲的影響就相對(duì)較小。n信噪比信噪比就是信號(hào)的平均功率和噪聲的平均功率之就是信號(hào)的平均功率和噪聲的平均功率之比比。常常記記為為 S/N，并用，并用分貝分貝 (dB) 作為作為度量單位。即：度量單位。即：信噪比信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB) n例如，例如，當(dāng)當(dāng) S/N = 10 時(shí)時(shí)，信噪比，信噪比為為 10 dB，而，而當(dāng)當(dāng) S/N = 1000時(shí)，信噪比時(shí)，信噪比為為 30 dB。 香農(nóng)公式香農(nóng)公式 n1984年，香農(nóng)年，

14、香農(nóng) (Shannon) 用用信息論的理論推導(dǎo)信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極極限限、無差錯(cuò)的無差錯(cuò)的信息信息傳輸速率（香農(nóng)公式）。傳輸速率（香農(nóng)公式）。n信道的極限信息傳輸速率信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)可表達(dá)為為：C = W log2(1+S/N) (bit/s) 其中：其中：W 為信道的帶寬（以為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；為單位）；S 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N 為為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 香農(nóng)公式表明香農(nóng)公式表明 n信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的

15、極限傳信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。輸速率就越高。 n只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸。一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸。 n若信道帶寬若信道帶寬 W 或信噪比或信噪比 S/N 沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也也就沒有上限。就沒有上限。n實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。傳輸速率低不少。

16、 一些有趣的課外知識(shí)一些有趣的課外知識(shí)nWiFi路由可以放微波爐旁嗎？路由可以放微波爐旁嗎？2.3 物理層物理層下面的傳輸媒體下面的傳輸媒體n2.3.1 導(dǎo)引導(dǎo)引型傳輸媒體型傳輸媒體n2.3.2 非非導(dǎo)引型傳輸媒體導(dǎo)引型傳輸媒體2.3 物理層物理層下面的傳輸媒體下面的傳輸媒體n傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，它就是它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路通路。n傳輸媒體可分為兩大類，即導(dǎo)引型傳輸媒體和傳輸媒體可分為兩大類，即導(dǎo)引型傳輸媒體和非導(dǎo)引型非導(dǎo)引型傳輸媒體傳輸媒體。n在導(dǎo)引型傳輸媒體中，在導(dǎo)引型傳輸媒

17、體中，電磁波被導(dǎo)引沿著固體電磁波被導(dǎo)引沿著固體媒體（銅線或光纖）媒體（銅線或光纖）傳播傳播。n非非導(dǎo)引型傳輸媒體就是指導(dǎo)引型傳輸媒體就是指自由空間自由空間。在在非導(dǎo)引非導(dǎo)引型傳輸媒體型傳輸媒體中中，電磁波電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。的傳輸常稱為無線傳輸。2.3 物理層物理層下面的傳輸媒體下面的傳輸媒體無線電無線電微波微波紅外線紅外線可見光可見光紫外線紫外線X射線射線 射線射線雙絞線雙絞線同軸電纜同軸電纜衛(wèi)星衛(wèi)星地面微波地面微波 調(diào)幅調(diào)幅無線電無線電 調(diào)頻調(diào)頻無線電無線電 海事海事無線電無線電光纖光纖電視電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段波段104 105

18、106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動(dòng)移動(dòng)無線電無線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜：頻譜：2.3.1 導(dǎo)引導(dǎo)引型傳輸媒體型傳輸媒體n雙絞線雙絞線n最常用的最常用的傳輸媒體傳輸媒體。n模擬傳輸和數(shù)字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距模擬傳輸和數(shù)字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾到十幾公里。離一般為幾到十幾公里。n屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)

19、p帶金屬帶金屬屏蔽屏蔽層層n無屏蔽雙絞線無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 2.3.1 導(dǎo)引導(dǎo)引型傳輸媒體型傳輸媒體銅線銅線聚氯乙聚氯乙烯套層烯套層絕緣層絕緣層(a) 無屏蔽雙絞線無屏蔽雙絞線銅線銅線聚氯乙烯聚氯乙烯 套層套層屏蔽層屏蔽層絕緣層絕緣層(b) 屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線3 類線類線5 類線類線(c) 不同的絞合度的雙絞線不同的絞合度的雙絞線雙絞線雙絞線的示意圖的示意圖2.3.1 導(dǎo)引導(dǎo)引型傳輸媒體型傳輸媒體n同軸電纜同軸電纜n同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用于傳輸同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用于傳輸較高速率的較高速率的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。n同軸

20、電纜的帶寬取決于電纜的同軸電纜的帶寬取決于電纜的質(zhì)量質(zhì)量。n50 同軸電纜同軸電纜 LAN / 數(shù)字傳輸常用數(shù)字傳輸常用n75 同軸電纜同軸電纜 有線電視有線電視 / 模擬傳輸常用模擬傳輸常用內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)體外導(dǎo)體屏蔽層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣層絕緣保護(hù)套層絕緣保護(hù)套層同軸電纜同軸電纜的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)2.3.1 導(dǎo)引導(dǎo)引型傳輸媒體型傳輸媒體n光纜光纜n光纖光纖是光纖通信的是光纖通信的傳輸媒體傳輸媒體。n由于可見光的頻率非常由于可見光的頻率非常高，高，約約為為 108 MHz 的的量級(jí)，量級(jí)，因此一個(gè)光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前其因此一個(gè)光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前其他各種傳輸媒體的他各種傳輸

21、媒體的帶寬帶寬。光線在光纖中的折射光線在光纖中的折射 折射角折射角入射角入射角 包層包層（低折射率的媒體）（低折射率的媒體） 包層包層（低折射率的媒體）（低折射率的媒體） 纖芯纖芯（高折射率的媒體）（高折射率的媒體） 包層包層纖芯纖芯光線光線在光纖中的折射在光纖中的折射當(dāng)光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時(shí)，其當(dāng)光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時(shí)，其折射角將大于折射角將大于入射角。入射角。因此，如果入射角足夠大，就因此，如果入射角足夠大，就會(huì)出現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)全反射全反射，光也就沿著光纖傳輸下去光也就沿著光纖傳輸下去。光纖的工作原理光纖的工作原理高折射率高折射率( (纖芯纖芯) )低折射率低

22、折射率( (包層包層) )光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷涔饩€在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷涔獠ü獠ㄔ诶w芯中的傳播在纖芯中的傳播只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某個(gè)只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某個(gè)臨界角度，就可產(chǎn)生臨界角度，就可產(chǎn)生全反射全反射。光纖優(yōu)點(diǎn)光纖優(yōu)點(diǎn)n(1) 通信通信容量非常容量非常大大。n(2) 傳輸傳輸損耗小，中繼距離損耗小，中繼距離長。長。n(2) 抗雷電和電磁干擾性能好抗雷電和電磁干擾性能好。n(3) 無串音干擾，保密性無串音干擾，保密性好。好。n(4) 體積小，重量輕。體積小，重量輕。2.3.2 非導(dǎo)引型傳輸媒體非導(dǎo)引型傳輸媒體 n將自由空間

23、稱為將自由空間稱為“非導(dǎo)引型傳輸媒體非導(dǎo)引型傳輸媒體”。n無線無線傳輸所使用的頻段很廣。傳輸所使用的頻段很廣。n微波微波在空間主要是直線傳播在空間主要是直線傳播。n傳統(tǒng)微波通信有兩種方式：傳統(tǒng)微波通信有兩種方式： n地面微波接力通信地面微波接力通信n衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信 無線局域網(wǎng)使用的無線局域網(wǎng)使用的 ISM 頻段頻段 26 83.5 125頻帶頻帶 MHz MHz MHz頻率頻率 902 928 2.4 2.4835 5.725 5.850 MHz MHz GHz GHz GHz GHz要使用某一段無線電頻譜進(jìn)行通信，通常必須得到本國政府有關(guān)要使用某一段無線電頻譜進(jìn)行通信，通常必須得到本國政府

24、有關(guān)無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)的許可證。但是，也有一些無線電頻段是可無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)的許可證。但是，也有一些無線電頻段是可以自由使用以自由使用的的。例如：。例如：ISM。各國的各國的 ISM 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)有可能略有有可能略有差別差別。無線無線局域網(wǎng)使用局域網(wǎng)使用的的 ISM 頻段頻段 可見光通信可見光通信 衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信一些有趣的課外知識(shí)一些有趣的課外知識(shí)nWiFi信號(hào)對(duì)人體有害嗎？信號(hào)對(duì)人體有害嗎？一些有趣的課外知識(shí)一些有趣的課外知識(shí)nWiFi信號(hào)對(duì)人體有害嗎？信號(hào)對(duì)人體有害嗎？2.4 信道信道復(fù)用技術(shù)復(fù)用技術(shù)n2.4.1 頻分復(fù)用和頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用n2.4.2 碼分復(fù)用碼分復(fù)用2.4.1

25、 頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用 A1A2B1B2C1C2(a) 使用單獨(dú)的信道使用單獨(dú)的信道+( )+A1A2B1B2C1C2共享信道共享信道(b) 使用共享信道使用共享信道復(fù)用復(fù)用分用分用復(fù)用復(fù)用 (multiplexing) 是是通信技術(shù)中的基本概念通信技術(shù)中的基本概念。它允許它允許用戶用戶使用一個(gè)使用一個(gè)共享共享信道進(jìn)行信道進(jìn)行通信通信，降低成本，提高利用率。降低成本，提高利用率。復(fù)用復(fù)用的示意圖的示意圖頻分復(fù)用頻分復(fù)用 FDM(Frequency Division Multiplexing) n將整個(gè)帶寬分為多份，用戶將整個(gè)帶寬分為多份，用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過在分配

26、到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。n頻分復(fù)用頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源占用不同的帶寬資源（請(qǐng)注（請(qǐng)注意，這里的意，這里的“帶寬帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。 頻率頻率時(shí)間時(shí)間頻帶頻帶 1頻帶頻帶 2頻帶頻帶 n頻帶頻帶 3頻分復(fù)用頻分復(fù)用時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing) n時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長的則是將時(shí)間劃分為一段段等長的時(shí)分復(fù)用幀時(shí)分復(fù)用幀（TDM 幀）。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè)幀）。每一

27、個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。n每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)周期性地出現(xiàn)（其周期就（其周期就是是 TDM 幀的長度）。幀的長度）。nTDM 信號(hào)也稱為信號(hào)也稱為等時(shí)等時(shí)(isochronous)信號(hào)。信號(hào)。n時(shí)分復(fù)用的所有用戶是時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間在不同的時(shí)間占用占用同樣的頻帶同樣的頻帶寬度。寬度。時(shí)分復(fù)用可能會(huì)時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路造成線路資源的浪費(fèi)資源的浪費(fèi) 使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，由于，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶性質(zhì)，用戶對(duì)分配對(duì)分

28、配到的子信道的利用率一般是不高的到的子信道的利用率一般是不高的。ABCDaabbcdb cattttt4 個(gè)時(shí)分復(fù)用幀個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1acbcd時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶用戶時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi)可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi)當(dāng)某用戶暫時(shí)無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，當(dāng)某用戶暫時(shí)無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，在時(shí)分復(fù)用幀中分配給該用戶在時(shí)分復(fù)用幀中分配給該用戶的時(shí)隙只能處于的時(shí)隙只能處于空閑狀態(tài)空閑狀態(tài)。2.4.2 碼分復(fù)用碼分復(fù)用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的名詞是常用的名詞是碼分多址碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Acces

29、s)。n各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會(huì)各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾。造成干擾。 碼片序列碼片序列(chip sequence) n每一個(gè)比特時(shí)間劃分為每一個(gè)比特時(shí)間劃分為 m 個(gè)短的間隔，稱為個(gè)短的間隔，稱為碼碼片片 (chip)。n每個(gè)每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的站被指派一個(gè)唯一的 m bit 碼片序列碼片序列。n如發(fā)送比特如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。碼片序列。n如發(fā)送比特如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 n例如，例如，S 站的站的 8 bit 碼片序列是碼片序列是 000

30、11011。n發(fā)送比特發(fā)送比特 1 時(shí)，就發(fā)送序列時(shí)，就發(fā)送序列 00011011，n發(fā)送比特發(fā)送比特 0 時(shí)，就發(fā)送序列時(shí)，就發(fā)送序列 11100100。碼片序列實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻碼片序列實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻n假定假定S站要發(fā)送信息的數(shù)據(jù)率站要發(fā)送信息的數(shù)據(jù)率為為 b bit/s。由于每一個(gè)比。由于每一個(gè)比特要轉(zhuǎn)換特要轉(zhuǎn)換成成 m 個(gè)個(gè)比特的碼片，比特的碼片，因此因此 S 站站實(shí)際上發(fā)送的實(shí)際上發(fā)送的數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)率提高到提高到 mb bit/s，同時(shí)同時(shí) S 站站所占用的頻帶寬度所占用的頻帶寬度也提高到原來數(shù)值也提高到原來數(shù)值的的 m 倍。倍。n這種這種通信方式是通信方式是擴(kuò)擴(kuò)頻頻(spread spectru

31、m)通信中的一種通信中的一種。n擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信通常有兩大通常有兩大類類：n一一種是種是直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)，如上面講的使用碼片序列就是這一類，如上面講的使用碼片序列就是這一類。n另另一種是一種是跳頻擴(kuò)頻跳頻擴(kuò)頻FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。CDMA 的重要特點(diǎn)的重要特點(diǎn)n每個(gè)站分配的碼片序列不僅每個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同，必須各不相同，并并且還且還必須互相必須互相正交正交 (orthogonal)。n在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列

32、。偽隨機(jī)碼序列。 一些有趣的課外知識(shí)一些有趣的課外知識(shí)n為什么為什么kHz的聲波可以做透視成像、的聲波可以做透視成像、PHz的的X光光也可以做透視成像，也可以做透視成像，GHz的無線電磁波卻不行？的無線電磁波卻不行？2.5 寬帶接入技術(shù)寬帶接入技術(shù)n2.5.1 ADSL 技術(shù)技術(shù)n2.5.2 光纖同軸混合光纖同軸混合網(wǎng)（網(wǎng)（HFC網(wǎng)）網(wǎng)）n2.5.3 FTTx 技術(shù)技術(shù)2.5 寬帶接入技術(shù)寬帶接入技術(shù)n用戶要連接到互聯(lián)網(wǎng)，必須先連接到用戶要連接到互聯(lián)網(wǎng)，必須先連接到某個(gè)某個(gè) ISP。n在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展初期，用戶都是利用電話的用在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展初期，用戶都是利用電話的用戶線通過調(diào)制解調(diào)器連接戶線通過

33、調(diào)制解調(diào)器連接到到 ISP 的，的，電話電話用戶用戶線接入到互聯(lián)網(wǎng)的速率最高只能線接入到互聯(lián)網(wǎng)的速率最高只能達(dá)到達(dá)到 56 kbit/s。n美國聯(lián)邦通信委員會(huì)美國聯(lián)邦通信委員會(huì) FCC 認(rèn)為認(rèn)為只要雙向速率之只要雙向速率之和和超過超過 200 kbit/s 就是就是寬帶寬帶。2.5.1 ADSL 技術(shù)技術(shù)n非對(duì)稱非對(duì)稱數(shù)字用戶數(shù)字用戶線線 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技術(shù)技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬就是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。n標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號(hào)的頻帶被限制

34、在標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號(hào)的頻帶被限制在 3003400 Hz 的范的范圍內(nèi)，但用戶線本身實(shí)際可通過的信號(hào)頻率仍然超過圍內(nèi)，但用戶線本身實(shí)際可通過的信號(hào)頻率仍然超過 1 MHz。nADSL 技術(shù)就把技術(shù)就把 04 kHz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。ADSL 的特點(diǎn)的特點(diǎn)n上行和下行帶寬做成不對(duì)稱的。上行和下行帶寬做成不對(duì)稱的。n上行指從用戶到上行指從用戶到 ISP，而下行指從，而下行指從 ISP 到用戶。到用戶。nADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個(gè)在用戶線（銅線）的兩端各安裝一

35、個(gè) ADSL 調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器。n我國目前采用的方案是我國目前采用的方案是離散多音調(diào)離散多音調(diào) DMT (Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)。n這里這里的的“多音調(diào)多音調(diào)”就是就是“多載波多載波”或或“多子信道多子信道”的意思。的意思。DMT 技術(shù)技術(shù)nDMT 調(diào)制技術(shù)采用調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用頻分復(fù)用的方法，把的方法，把 40 kHz 以上一直到以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中子信道，其中 25 個(gè)子信道用于上行信道，而個(gè)子信道用于上行信道，而 249 個(gè)子信道用于下行信道。個(gè)子信道用于下行信道。n每個(gè)子信道占據(jù)每個(gè)

36、子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬（嚴(yán)格講是帶寬（嚴(yán)格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對(duì)用戶線上行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對(duì)用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地并行地傳送數(shù)據(jù)。傳送數(shù)據(jù)。DMT 技術(shù)的頻譜分布技術(shù)的頻譜分布 頻譜頻譜頻率頻率ADSL 的數(shù)字業(yè)務(wù)的數(shù)字業(yè)務(wù)上行信道上行信道傳統(tǒng)電話傳統(tǒng)電話04下行信道下行信道(kHz)401381100ADSL 的數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)率n由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受

37、到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此用戶線的干擾程度等都不同），因此 ADSL 采用自適應(yīng)調(diào)制技采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。n當(dāng)當(dāng) ADSL 啟動(dòng)時(shí)，用戶線兩端的啟動(dòng)時(shí)，用戶線兩端的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器就測(cè)試可用調(diào)制解調(diào)器就測(cè)試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個(gè)頻率上測(cè)試的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個(gè)頻率上測(cè)試信號(hào)的傳輸質(zhì)量。信號(hào)的傳輸質(zhì)量。nADSL 不能保證固定的數(shù)據(jù)率。不能保證固定的數(shù)據(jù)率。通常下行數(shù)據(jù)率在通常下行數(shù)據(jù)率在 32 kbit/s 到到 6.4 Mbit/s 之間，而上行數(shù)據(jù)率在之間，

38、而上行數(shù)據(jù)率在 32 kbit/s 到到 640 kbit/s 之間。之間。2.5.2 光纖同軸混合光纖同軸混合網(wǎng)網(wǎng)（HFC網(wǎng)網(wǎng)）nHFC (Hybrid Fiber Coax) 網(wǎng)網(wǎng)是在目前覆蓋面很是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng)廣的有線電視網(wǎng) CATV 的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。民寬帶接入網(wǎng)。nHFC 網(wǎng)除可傳送網(wǎng)除可傳送 CATV 外，還提供電話、數(shù)據(jù)外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)。和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)。n現(xiàn)有的現(xiàn)有的 CATV 網(wǎng)是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)網(wǎng)是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用對(duì)電視節(jié)目進(jìn)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用對(duì)電視節(jié)目進(jìn)行單向傳輸行單向傳輸。nHFC 網(wǎng)對(duì)網(wǎng)對(duì) CATV 網(wǎng)網(wǎng)進(jìn)行了改造進(jìn)行了改造。 HFC 網(wǎng)網(wǎng)的主干線路采用光纖的主干線路采用光纖nHFC 網(wǎng)將原網(wǎng)將原 CATV 網(wǎng)中的同軸電纜網(wǎng)中的同軸電纜主干部