計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)CH2-5ed 物理層

1、2021-12-271計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第 5 版）第 2 章 物理層2021-12-272第 2 章 物理層2.1 物理層的基本概念2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型2.2.2 有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念2.2.3 信道的極限容量2.2.4 信道的極限信息傳輸速率2.3 物理層下面的傳輸媒體2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體2021-12-273第 2 章 物理層（續(xù)）2.4 信道復(fù)用技術(shù) 2.4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 2.4.2 波分復(fù)用 2.4.3 碼分復(fù)用2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6 寬帶接入技術(shù) 2.6.1 xDSL技術(shù) 2.6.2 光纖同軸

2、混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)） 2.6.3 FTTx 技術(shù)2021-12-2742.1 物理層的基本概念 物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： n機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。n電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。n功能特性 指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。n過程特性 指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 2021-12-2752.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比

3、特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào) 輸入漢字顯示漢字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機(jī)2021-12-276幾個(gè)術(shù)語n數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送消息的實(shí)體。n信號(hào)(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 n“模擬的”(analogous)代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。 n“數(shù)字的”(digital)代表消息的參數(shù)的取值是離散的。 n碼元(code)在使用時(shí)間域（或簡稱為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。2021-12-277 2.2.2 有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念n單向通信（單工通信）只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。n雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以

4、發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。n雙向同時(shí)通信（全雙工通信）通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。 2021-12-278基帶(baseband)信號(hào)和帶通(band pass)信號(hào) n基帶信號(hào)（即基本頻帶信號(hào)）來自信源的信號(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。因此必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。 n帶通信號(hào)把基帶信號(hào)經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）。 2021-12-2

5、79幾種最基本的調(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)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。 n最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：n調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 n調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。n調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 2021-12-2710數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制技術(shù)1振幅調(diào)制振幅調(diào)制幅移鍵控（幅移鍵控（ASK）改變改變載波信號(hào)的載波信號(hào)的振幅振幅來表示二進(jìn)制來表示二進(jìn)制0 0和和1 1，頻率，頻率和相位保持不變。和相位保持不變。2頻

6、率調(diào)制頻率調(diào)制頻移鍵控（頻移鍵控（FSK） 改變改變載波信號(hào)的載波信號(hào)的頻率頻率來表示二進(jìn)制來表示二進(jìn)制0和和1，振幅，振幅和相位保持不變。和相位保持不變。2021-12-27113. 相位調(diào)制相位調(diào)制相移鍵控（相移鍵控（PSK）改變改變載波信號(hào)的載波信號(hào)的相位相位來表示二進(jìn)制來表示二進(jìn)制0 0和和1 1，振幅和頻率保持不變振幅和頻率保持不變。（1 1）相對(duì)相對(duì)相位調(diào)制相位調(diào)制載波信號(hào)相位的相對(duì)載波信號(hào)相位的相對(duì)變化來表示數(shù)字變化來表示數(shù)字0 0和和1 1。（2 2）絕對(duì)絕對(duì)相位調(diào)制相位調(diào)制載波信號(hào)的不同相位載波信號(hào)的不同相位直接表示數(shù)字直接表示數(shù)字0 0和和1 1。2021-12-2712對(duì)

7、基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法 010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相2021-12-2713例例：規(guī)定：規(guī)定A0A0代表代表1 1， A=0A=0代表代表0 0，對(duì)，對(duì)0100110101001101進(jìn)進(jìn)行行調(diào)制。調(diào)制。（A）（B）（C）（D）2021-12-2714正交正交調(diào)幅調(diào)幅 結(jié)合使用載波信號(hào)中的振幅和相位變化，為每結(jié)合使用載波信號(hào)中的振幅和相位變化，為每個(gè)個(gè)比特組合比特組合分配一個(gè)給定的分配一個(gè)給定的振幅和相位振幅和相位信號(hào)。信號(hào)。 可以增加信號(hào)模式，提高比特率（每秒發(fā)送的可以增加信號(hào)模式，提高比特率（每秒發(fā)送的比特?cái)?shù)），使信號(hào)之間保持較大的差異，提高信比特?cái)?shù)），使信號(hào)之間保持較大的差

8、異，提高信號(hào)的抗干擾能力。號(hào)的抗干擾能力。 信號(hào)星座圖信號(hào)星座圖圖中的每一個(gè)點(diǎn)，圖中的每一個(gè)點(diǎn)，就是一個(gè)合法的信號(hào)模式，信就是一個(gè)合法的信號(hào)模式，信號(hào)的振幅對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)到原點(diǎn)的號(hào)的振幅對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)到原點(diǎn)的距離距離D D，相位對(duì)應(yīng)于振幅和水平，相位對(duì)應(yīng)于振幅和水平軸的夾角軸的夾角a a。2021-12-2715正交振幅調(diào)制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供選擇的相位有 12 種，而對(duì)于每一種相位有 1 或2 種振幅可供選擇。 由于4 bit 編碼共有16 種不同的組合，因此這 16 個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于一種 4 bit 的編碼。 若每一個(gè)碼

9、元可表示的比特?cái)?shù)越多，則在接收端進(jìn)行解調(diào)時(shí)要正確識(shí)別每一種狀態(tài)就越困難。 舉例2021-12-27162個(gè)振幅和個(gè)振幅和4個(gè)個(gè)相位，產(chǎn)生相位，產(chǎn)生8（2*4）種信號(hào)模式，種信號(hào)模式，每每種信號(hào)模式表示種信號(hào)模式表示3位（位（log28）比特串。比特串。比特值比特值調(diào)制信號(hào)的振幅調(diào)制信號(hào)的振幅調(diào)制信號(hào)的相位調(diào)制信號(hào)的相位000A10001A20010A1/2011A2/2100A1101A2110A13/2111A23/2A1A22021-12-2717例數(shù)據(jù)例數(shù)據(jù)001100011000110010111101按按8-QAM調(diào)制調(diào)制 比特值比特值調(diào)制信號(hào)的振幅調(diào)制信號(hào)的振幅調(diào)制信號(hào)的相位調(diào)制信

10、號(hào)的相位000A10001A20010A1/2011A2/2100A1101A2110A13/2111A23/2思考：相位是思考：相位是相對(duì)相位還是相對(duì)相位還是絕對(duì)相位？絕對(duì)相位？2021-12-27183.1.3二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼技術(shù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼技術(shù) 1.單極性編碼單極性編碼 只使用一種極性（正或負(fù)）的電壓脈沖只使用一種極性（正或負(fù)）的電壓脈沖二進(jìn)二進(jìn)制制1，零電壓，零電壓二進(jìn)制二進(jìn)制0。 簡單、易實(shí)現(xiàn)，但經(jīng)過編碼的信號(hào)的平均振幅簡單、易實(shí)現(xiàn)，但經(jīng)過編碼的信號(hào)的平均振幅不為不為0（信號(hào)中含直流分量），不能由沒有處理直（信號(hào)中含直流分量），不能由沒有處理直流分量信號(hào)能力的介質(zhì)傳輸。流分量信號(hào)能力

11、的介質(zhì)傳輸。 例如例如：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)0100110101001101的的單極性編碼單極性編碼 2021-12-27193.1.3二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼技術(shù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼技術(shù) 1.單極性編碼單極性編碼 2.極化編碼極化編碼 采用采用兩種兩種極性（正和負(fù)）的電壓脈沖，減少直流分量。極性（正和負(fù)）的電壓脈沖，減少直流分量。非歸零電平非歸零電平編碼編碼電壓脈沖一種極性為電壓脈沖一種極性為1，另一種極，另一種極性為性為0；存在發(fā)送方和接收方的時(shí)鐘同步問題存在發(fā)送方和接收方的時(shí)鐘同步問題 。2021-12-27203.1.3二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼技術(shù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼技術(shù) 1單極性編碼單極性編碼 2極化編碼極化編碼 3.

12、雙相位雙相位編碼編碼 ：信號(hào)中含同步信息，每個(gè)比特中：信號(hào)中含同步信息，每個(gè)比特中間信號(hào)都跳變間信號(hào)都跳變 。（1）曼徹斯特曼徹斯特編碼編碼：中間跳變中間跳變既既表示同步信息表示同步信息，又表示不同值又表示不同值。 負(fù)負(fù)電平電平到正到正電平電平1， 正正電平電平到負(fù)到負(fù)電平電平0。（2）差分曼徹斯特差分曼徹斯特編碼編碼：中間跳變僅用來表示中間跳變僅用來表示同步信息。同步信息。 每比特的每比特的開始位置開始位置沒有跳變沒有跳變1， 有跳變有跳變0。2021-12-2721例：將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)例：將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)01001101進(jìn)行雙相位編碼進(jìn)行雙相位編碼（設(shè)起始位置的電壓為正電平設(shè)起始位置的電壓為正電平 ）

13、。）。 思考：哪個(gè)是思考：哪個(gè)是曼徹斯特編曼徹斯特編碼？碼？2021-12-27222.2.3 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)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 n碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。 2021-12-2723數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道 n有失真，但可識(shí)別n失真大，無法識(shí)別 實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號(hào)波形接收信號(hào)波形發(fā)送信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號(hào)波形2021-12-2724(1) 信道能夠通過的頻率范圍n1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的

14、奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值。n在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜模駝t就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對(duì)碼元的判決（即識(shí)別）成為不可能。n如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號(hào)高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。 2021-12-2725(2) 信噪比 n香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯(cuò)的信息傳輸速率。n信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為n C = W log2(1+S/N) b/s nW 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；nS 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均

15、功率；nN 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 2021-12-2726香農(nóng)公式表明 n信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 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 W 或信噪比 S/N 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 C 也就沒有上限。n實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。 2021-12-2727請(qǐng)注意 n對(duì)于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個(gè)碼元攜帶

16、更多比特的信息量。 2021-12-27282.3 物理層下面的傳輸媒體無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調(diào)幅無線電 調(diào)頻無線電 海事無線電光纖電視(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 移動(dòng)無線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜2021-12-27292.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體n雙絞線n屏蔽雙絞線 ST

17、P (Shielded Twisted Pair)n無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同軸電纜n50 同軸電纜用于數(shù)字傳輸，由于多用于基帶傳輸，也被稱為基帶同軸電纜 n75 同軸電纜用于模擬傳輸 n光纜 2021-12-2730各種電纜銅線銅線聚氯乙烯 套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜2021-12-2731光線在光纖中的折射 折射角入射角 包層（低折射率的媒體） 包層（低折射率的媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯2021-12-2732光纖的工作原理高折射率(纖

18、芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷?021-12-2733輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖2021-12-27342.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體 n無線傳輸所使用的頻段很廣。n短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質(zhì)量較差。n微波在空間主要是直線傳播。 n地面微波接力通信n衛(wèi)星通信 2021-12-2735共享信道2.4 信道復(fù)用技術(shù)2.4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 n復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用分用(a) 不使用復(fù)用技術(shù)(b)

19、使用復(fù)用技術(shù)2021-12-2736頻分復(fù)用 FDM(Frequency Division Multiplexing) n用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。n頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源（請(qǐng)注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。 頻率時(shí)間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 52021-12-2737時(shí)分復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing) n時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長的時(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) TDM 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)隙是周期性地出

20、現(xiàn)（其周期就是 TDM 幀的長度）。nTDM 信號(hào)也稱為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。n時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。2021-12-2738時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀2021-12-2739時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀2021-12-2740時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀T

21、DM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀2021-12-2741時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀2021-12-2742時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi) ABCDaabbcdb cattttt4 個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對(duì)分配到的子信道的利用率一般是不高的。 2021-12-2743統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM(Statistic TDM) 用戶ABCDabcdttttt3 個(gè) STDM 幀#1acbab

22、bcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用2021-12-2744 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 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分復(fù)用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) n波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120 km光調(diào)制器光解調(diào)器2

23、021-12-27452.4.3 碼分復(fù)用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。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)造成干擾。n這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 n每一個(gè)比特時(shí)間劃分為 m 個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。 2021-12-2746碼片序列(chip sequence) n每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼

24、片序列的二進(jìn)制反碼。 n例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。n發(fā)送比特 1 時(shí)，就發(fā)送序列 00011011，n發(fā)送比特 0 時(shí)，就發(fā)送序列 11100100。nS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 2021-12-2747CDMA 的重要特點(diǎn)n每個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。n在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。 2021-12-2748碼片序列的正交關(guān)系 n令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。 n兩個(gè)不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inne

25、r product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)2021-12-2749碼片序列的正交關(guān)系舉例 n令向量 S 為(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個(gè)碼片序列是正交的。 2021-12-2750n任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。n一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1。 正交關(guān)系的另一個(gè)重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS2021-12-2751CDMA 的工作原理 S 站的碼片序列

26、S110ttttttm 個(gè)碼片tS 站發(fā)送的信號(hào) SxT 站發(fā)送的信號(hào) Tx總的發(fā)送信號(hào) Sx + Tx規(guī)格化內(nèi)積 S Sx規(guī)格化內(nèi)積 S Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端2021-12-27522.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)1. 脈碼調(diào)制 PCM 體制 n脈碼調(diào)制 PCM 體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。n由于歷史上的原因，PCM 有兩個(gè)互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的 24 路 PCM（簡稱為 T1）和歐洲的 30 路 PCM（簡稱為 E1）。我國采用的是歐洲的 E1 標(biāo)準(zhǔn)。nE1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。n當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時(shí)，可采用

27、復(fù)用的方法。 2021-12-2753PCM編碼過程n采樣：每隔一定的時(shí)間對(duì)連續(xù)模擬信號(hào)采樣，連續(xù)模擬信號(hào)成為離散的模擬信號(hào)。 根據(jù)采樣定理，采樣頻率f必須滿足f=2fmax，但f也不能太大，若f太大，雖然容易滿足采樣定理，但卻會(huì)大大增加信息計(jì)算量，而且效果也不明顯。2021-12-2754PCM編碼過程n量化：這是一個(gè)分級(jí)過程，把采樣所得到的脈沖信號(hào)根據(jù)幅度按標(biāo)準(zhǔn)量級(jí)取值（四舍五入取整），這樣脈沖序列就成為數(shù)字信號(hào)了。 例如：1.52約等于1.5，1.08約等于1.12021-12-2755PCM編碼過程n編碼：用一定位數(shù)的二進(jìn)制碼來表示采樣序列量化后的量化幅度。 如果有N個(gè)量化級(jí)，則應(yīng)當(dāng)有

28、log2N位二進(jìn)制數(shù)碼。2021-12-27562. 同步光纖網(wǎng) SONET 和同步數(shù)字系列 SDH n舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點(diǎn)。其中最主要的是以下兩個(gè)方面： n速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。n如果不對(duì)高次群的數(shù)字傳輸速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實(shí)現(xiàn)。 n不是同步傳輸。n在過去相當(dāng)長的時(shí)間，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式。 2021-12-2757同步光纖網(wǎng) SONETn同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network) 的各級(jí)時(shí)鐘都來自一個(gè)非常精確的主時(shí)鐘。 n第 1 級(jí)同步傳送信號(hào) STS-1 (Synchronous Transpo

29、rt Signal)的傳輸速率是 51.84 Mb/s。n光信號(hào)則稱為第 1 級(jí)光載波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 2021-12-2758同步數(shù)字系列 SDH nITU-T 以美國標(biāo)準(zhǔn) SONET 為基礎(chǔ)，制訂出國際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。n一般可認(rèn)為 SDH 與 SONET 是同義詞。nSDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱為第 1 級(jí)同步傳遞模塊 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當(dāng)于 SONET 體系中的 OC-3 速率。 線路速率(Mb/s

30、)SONET符號(hào)ITU-T符號(hào)表示線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/STS-768

31、 STM-256 40 Gb/s SONET 的 OC 級(jí)/STS 級(jí)與 SDH 的 STM 級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 2021-12-2760SONET 的體系結(jié)構(gòu) 光子層路徑層線路層段層線路 (line)光子層路徑層線路層段層光子層線路層段層光子層段層光子層線路層段層光子層段層SDH終端SDH終端復(fù)用器或分用器復(fù)用器或分用器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器段段段路徑 (path)(section)(section)(section)2021-12-2761SONET 標(biāo)準(zhǔn)定義了四個(gè)光接口層 n光子層(Photonic Layer)n處理跨越光纜的比特傳送。n段層(Section Layer)n在光纜上傳送 STS-N 幀

32、。n線路層(Line Layer)n負(fù)責(zé)路徑層的同步和復(fù)用。n路徑層(Path Layer) n處理路徑端接設(shè)備 PTE (Path Terminating Element)之間的業(yè)務(wù)的傳輸。 2021-12-27622.6 寬帶接入技術(shù)2.6.1 xDSL技術(shù)nxDSL 技術(shù)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)。n雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號(hào)的頻帶被限制在 3003400 kHz 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 1 MHz。nxDSL 技術(shù)就把 04 kHz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。nDSL 就是數(shù)字用

33、戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的前綴 x 則表示在數(shù)字用戶線上實(shí)現(xiàn)的不同寬帶方案。 2021-12-2763xDSL 的幾種類型 nADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對(duì)稱數(shù)字用戶線nHDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶線nSDSL (Single-line DSL)：1 對(duì)線的數(shù)字用戶線nVDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字用戶線nDSL ：ISDN 用戶線。nRADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應(yīng) DSL，是 ADSL 的一個(gè)

34、子集，可自動(dòng)調(diào)節(jié)線路速率）。 2021-12-2764ADSL 的極限傳輸距離nADSL 的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細(xì)，信號(hào)傳輸時(shí)的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實(shí)際的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。n例如，0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率為 1.5 2.0 Mb/s 時(shí)可傳送 5.5 公里，但當(dāng)傳輸速率提高到 6.1 Mb/s 時(shí)，傳輸距離就縮短為 3.7 公里。n如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里 2021-12-2765ADSL 的特點(diǎn)n上行和下行帶寬做成不對(duì)稱的。n上行指從用戶到 IS

35、P，而下行指從 ISP 到用戶。nADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個(gè) ADSL 調(diào)制解調(diào)器。n我國目前采用的方案是離散多音調(diào) DMT (Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。2021-12-2766DMT 技術(shù)nDMT 調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中 25 個(gè)子信道用于上行信道，而 249 個(gè)子信道用于下行信道。n每個(gè)子信道占據(jù) 4 kHz 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)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對(duì)

36、用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。2021-12-2767DMT 技術(shù)的頻譜分布 頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道(kHz)4013811002021-12-2768ADSL 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)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。n當(dāng) ADSL 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。nADSL 不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對(duì)于質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通 ADSL。n通常下行數(shù)據(jù)率在 32 kb/

37、s 到 6.4 Mb/s 之間，而上行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之間。2021-12-2769ADSL 的組成 ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線 電話分離器 區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至 ISP居民家庭基于 ADSL 的接入網(wǎng)端局或遠(yuǎn)端站DSLAM至本地電話局PSPS數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接單元 ATU (Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表遠(yuǎn)端 Remote）電話分離器 PS (POTS Splitter) 2021-1

38、2-2770第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）n通過提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。例如，ADSL2 要求至少應(yīng)支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 則將頻譜范圍從 1.1 MHz 擴(kuò)展至2.2 MHz，下行速率可達(dá) 16 Mb/s（最大傳輸速率可達(dá)25 Mb/s），而上行速率可達(dá) 800 kb/s。n采用了無縫速率自適應(yīng)技術(shù) SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在運(yùn)營中不中斷通信和不產(chǎn)生誤碼的情況下，自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)率。n改善了線路質(zhì)量評(píng)測(cè)和故障定位功能，這對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)水平具有非常重要的意義。2021-12-27712.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)HFC (Hybrid Fiber Coax)nHFC 網(wǎng)是在目前覆