物理層專業(yè)知識(shí)講座市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、第二章 物 理 層物理層基本概念數(shù)據(jù)通信理論基礎(chǔ)傳播介質(zhì)數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)物理層協(xié)議幾種電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第1頁(yè)第1頁(yè)2.1 物理層基本概念物理層作用向上層(Data Link)用戶屏蔽物理介質(zhì)(media)差別，使Data Link層只考慮如何使用物理層服務(wù)完畢本層協(xié)議向上層(Data Link)用戶提供透明位流傳播能力提供為建立、維護(hù)與拆除物理鏈路所需要機(jī)械、電氣、功效與規(guī)程特性 第2頁(yè)第2頁(yè)信號(hào)在信道（線路）上傳播受到各種原因影響而發(fā)生改變。改變后信號(hào)2.2 數(shù)據(jù)通信理論基礎(chǔ)原始信號(hào)距離信號(hào)傳播延遲距離第3頁(yè)第3頁(yè)信號(hào)衰減 距離改變后信號(hào)最后信號(hào)（還包括噪聲）距離第4頁(yè)第4頁(yè)幾種基本概念信道帶寬

2、（bandwidth）是指信道上所能傳播電信號(hào)頻率范圍，單位為赫茲（Hz）。信號(hào)帶寬是指信號(hào)能量按頻率分布最集中區(qū)域，單位為赫茲（Hz）。信號(hào)傳播速率是指每秒鐘傳送信號(hào)數(shù)量（碼元數(shù)），單位為波特（Baud）。也叫碼元速率或波特率。數(shù)據(jù)傳播速率是指每秒鐘傳播二進(jìn)制位數(shù)，單位為比特/秒（bit/s=b/s=bps）。又稱位速率或比特率。（注：1Kbps=1000bps，1Mbps=1000Kbps， 1Gbps=1000Mbps，1Byte/s=1Bps=8bps）第5頁(yè)第5頁(yè)波特率和比特率波特率RB與比特率Rb關(guān)系：Rb=RBlog2V其中V為數(shù)字傳播系統(tǒng)中碼元狀態(tài)數(shù)或離散級(jí)數(shù)，即V進(jìn)制數(shù)。比如

3、：RB=2400波特V=2Rb=2400 bpsRB=2400波特V=16Rb=9600 bpsDTE（data terminal equipment）數(shù)據(jù)終端設(shè)備DCE（data circuit-terminating equipment）數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備DTEDCEDCEDTE傳播介質(zhì)波特率Baud rate比特率Bit rate接口接口第6頁(yè)第6頁(yè)傅立葉分析任何正常周期為T函數(shù)g(t)，都可由無(wú)限個(gè)正弦和余弦函數(shù)合成： 1 g(t) = c + an sin( 2nft ) + bn cos( 2nft ) 2 n=1 n=1f = 1T 為基頻，an和bn為正弦和余弦函數(shù)n次諧波振幅。

4、用 表示信號(hào)n次諧波能量任何連續(xù)時(shí)間有限(T)非周期為函數(shù)g(t),可以把它想象成一個(gè)周期為T函數(shù),從而分解成無(wú)數(shù)個(gè)正旋和余旋函數(shù)在傳播介質(zhì)上直接傳送數(shù)字信號(hào)（電壓脈沖序列），都可表示成時(shí)間單值函數(shù)，它諧波（harmonic）分量可用傅立葉級(jí)數(shù)來(lái)表示。第7頁(yè)第7頁(yè)有限帶寬信號(hào)考慮傳播ASCII字符“b” 01100010，經(jīng)傅立葉變換可得： 1 an = cos(n/4) - cos(3n/4) + cos(6n/4) - cos(7n/4) n 1bn = sin(3n/4) - sin(n/4) + sin(7n/4) - sin(6n/4) n c = 3/8 幾種低次諧波振幅平方根an

5、2 + bn2 與相應(yīng)頻率處能量成正比。 有限帶寬信道會(huì)對(duì)所傳信號(hào)各次諧波振幅作不等量衰減及相位延遲。要確保信號(hào)傳播質(zhì)量，信道帶寬必須適應(yīng)或高于信號(hào)帶寬。第8頁(yè)第8頁(yè)(a)為原始二進(jìn)制信號(hào)和它前15次諧波平方根振幅。(b)(e)為前幾次諧波合成。第9頁(yè)第9頁(yè)諧波分解與合成演示視頻第10頁(yè)第10頁(yè)在電話語(yǔ)音信道上采用二值信號(hào)編碼，波特率等于比特率。假設(shè)比特率為b，發(fā)送8比特所需要得時(shí)間T=8/b秒，因而一次諧波頻率即基頻f =1/T=b/8Hz。話音信道截止頻率約為3000 Hz，采用二值信號(hào)編碼，則話音信道能通過(guò)最大諧波次數(shù)為：3000/f =24000/b次。在接受端要想辨認(rèn)傳來(lái)信號(hào)，信道必

6、須允許信號(hào)十次諧波通過(guò)，因此話音信道極限信號(hào)傳播速率為2400波特。第11頁(yè)第11頁(yè)數(shù)據(jù)傳播速率與諧波數(shù)之間關(guān)系波特率(Baud)周期(ms)一次諧波頻率(Hz)通過(guò)諧波數(shù)30026.6737.58060013.3375.04012006.67150.02024003.33300.01048001.67600.0596000.831200.02192000.422400.01384000.214800.00第12頁(yè)第12頁(yè)信道最大數(shù)據(jù)傳播速率奈奎斯特（H. Nyquist）證實(shí)，假如一個(gè)任意信號(hào)通過(guò)帶寬為H低通濾波器，每秒采樣2H能完整地重現(xiàn)通過(guò)這個(gè)濾波器信號(hào)。更高采樣頻率是無(wú)意義，由于高頻分

7、量已被濾波器濾掉無(wú)法恢復(fù)了。奈奎斯特定理：一個(gè)無(wú)噪音信道，若信號(hào)電平分為V級(jí)，則限定最大數(shù)據(jù)傳播率Rb = 2H log2V bps。例：對(duì)于一個(gè)3000 Hz無(wú)噪音信道，若采用兩電平信號(hào)傳播，最大速率不會(huì)超出 23000 Hz = 6000 bps。若V = 16，最大速率則可提升到 24000 bps。此定理針對(duì)抱負(fù)信道進(jìn)行計(jì)算，不考慮噪音原因影響，故與實(shí)際值相差甚大。第13頁(yè)第13頁(yè)信道最大數(shù)據(jù)傳播速率香農(nóng)定理：任何帶寬為 H（Hz），信噪比為 S/N 信道，其最大數(shù)據(jù)傳播速率為：Rb = H log2 ( 1 + S/N ) bps 實(shí)際中，信噪比慣用分貝（dB）表示，即10 log1

8、0 S/N。例：一個(gè)典型參數(shù)模擬電話系統(tǒng)，話音信道帶寬為 3400Hz，信噪比為 30dB = 10 log10 S/N，即S/N = 103，則信道最大數(shù)據(jù)傳播速率為 3400 log2 1001 34 000 bps。香農(nóng)定理限定信道最大數(shù)據(jù)傳播速率是理論值，實(shí)際值不也許超越它。但在模擬電話系統(tǒng)中，若超越 3400Hz 信道帶寬或提升信噪比，就能夠超越34000 bps 最大數(shù)據(jù)傳播速率。比如V.90調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)了50Kbps以上下行傳播速率，ADSL系統(tǒng)甚至能夠達(dá)到2Mbps下行傳播速率。第14頁(yè)第14頁(yè)2.2 傳播介質(zhì)傳輸介質(zhì)是通信網(wǎng)絡(luò)中從一臺(tái)機(jī)器到另一臺(tái)機(jī)器之間傳送信號(hào)物理通路。各

9、種傳輸介質(zhì)在帶寬、延遲、傳輸距離、抗干擾和成本等性能上不同。通信網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)分為有線和無(wú)線兩大類：有線介質(zhì)：雙絞線、基帶同軸電纜、寬帶同軸電纜和光纖。無(wú)線介質(zhì)：無(wú)線電、微波、紅外線以及光波。移動(dòng)存放介質(zhì)：磁帶、磁盤、光盤和硅存放芯片等也可用來(lái)傳送數(shù)據(jù)。但延遲太大，屬于離線傳輸系統(tǒng)。第15頁(yè)第15頁(yè)雙絞線（Twisted Pair）雙絞線由兩條互相絕緣銅線象螺紋同樣扭絞在一起。扭絞目的是為了減少線對(duì)之間電磁干擾。把4對(duì)雙絞線封裝在塑料套中構(gòu)成非屏蔽雙絞線UTP（Unshielded TP），其中有兩類最慣用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：3類（category 3）UTP：較早應(yīng)用于10 Mbps以太網(wǎng)和電話通信

10、，其扭絞程度較為松散。5類（category 5）或超5類（category 5e） UTP ：現(xiàn)普遍用于百兆和千兆以太網(wǎng)中，其扭絞程度比3類UTP愈加快密，抗干擾能力更強(qiáng)。在100米距離內(nèi)速率可達(dá)100 Mbps，甚至是250 Mbps。屏蔽雙絞線STP（Shielded TP）有一層總屏蔽層，STP中每對(duì)線及總體都有屏蔽層。價(jià)格貴，性能好，應(yīng)用少。第16頁(yè)第16頁(yè)Categories of Unshielded Twisted PairTypeUseCategory 1Voice Only (Telephone Wire)Category 2Data to 4 Mbps (LocalTal

11、k)Category 3Data to 10 Mbps (Ethernet)Category 4Data to 20 Mbps (16 Mbps Token Ring)Category 5Data to 100 Mbps (Fast Ethernet)Category 5eData to 1000 Mbps (Gigabit Ethernet)Category 6Data to 1000 Mbps (Gigabit Ethernet)Category 7?The EIA/TIA (Electronic Industry Association/Telecommunication Industr

12、y Association) has established standards of UTP. 第17頁(yè)第17頁(yè)雙絞線（Twisted Pair）3類（category 3）UTP5類（category 5）UTP第18頁(yè)第18頁(yè)UTP連接原則TIA/EIA 568A/568BTIA/EIA 568B原則 白橙 橙 白綠 蘭 白蘭 綠 白棕 棕 1 2 3 4 5 6 7 8Cat 5 UTP第19頁(yè)第19頁(yè)RJ-45連接器（水晶頭）1 2 3 4 5 6 7 8TIA/EIA 568A原則 1 2 3 4 5 6 7 8 白綠 綠 白橙 蘭 白蘭 橙 白棕 棕RJ-45模塊第20頁(yè)第20頁(yè)

13、使用中UTP第21頁(yè)第21頁(yè)STP第22頁(yè)第22頁(yè)同軸電纜（Coaxial Cable）一對(duì)導(dǎo)體（銅芯和屏蔽網(wǎng)）按“同軸”形式構(gòu)成線對(duì)。帶寬高，抗干擾能力強(qiáng)。同軸電纜分為基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜兩種。銅芯絕緣材料外園編織導(dǎo)線外層保護(hù)塑料第23頁(yè)第23頁(yè)兩種同軸電纜基帶同軸電纜（Baseband Coax）：阻抗為50，用于數(shù)字傳播，1公里電纜可達(dá)12Gbps傳播速率。又分為：粗纜（Thick）：10Base-5，AUI，單段長(zhǎng)度500米，最長(zhǎng)5段達(dá)2.5公里。細(xì)纜（Thin）：10Base-2，BNC，單段長(zhǎng)度185米，最長(zhǎng)5段達(dá)925米。寬帶同軸電纜（Broadband Coax）：阻抗匹

14、配為75，用于電視信號(hào)模擬傳播（CATV），帶寬可達(dá)800MHz以上，采用載波信號(hào)調(diào)制技術(shù)。傳播數(shù)字信號(hào)時(shí)，要使用Cable MODEM設(shè)備調(diào)制解調(diào)數(shù)字信號(hào)，現(xiàn)在綜合有線電視網(wǎng)絡(luò)已成為MAN一個(gè)形式。第24頁(yè)第24頁(yè)粗、細(xì)同軸電纜比較第25頁(yè)第25頁(yè)實(shí)際使用中細(xì)同軸電纜第26頁(yè)第26頁(yè)光纖（Fiber Optics）光纖由傳導(dǎo)光波高純石英玻璃纖維和保護(hù)層（jacket）構(gòu)成，其中纖芯（core）折射率不小于包裹著它包層（cladding）折射率，這樣光信號(hào)就被保持在纖芯中不會(huì)散播出去。經(jīng)常將多根光纖封裝在堅(jiān)固外殼（sheath）中，形成所謂多芯光纜。第27頁(yè)第27頁(yè)光傳播系統(tǒng)由三個(gè)部分構(gòu)成：光

15、源、光纖和光檢測(cè)器。在光纖一端放上光源，另一端放上檢測(cè)器，光信號(hào)沿著光纖折射或直線傳播。普通采用光強(qiáng)調(diào)制，有光表示比特1，而無(wú)光脈沖表示比特0。第28頁(yè)第28頁(yè)單模光纖和多模光纖光線能夠多個(gè)不同入射角（大于或等于臨界角）在纖芯內(nèi)全反射傳輸，可認(rèn)為每一束不同入射角光線含有一個(gè)不同模態(tài)（mode），具備這種特性光纖稱為多模光纖（multi-mode fiber）。當(dāng)光纖直徑減小到幾個(gè)光波波長(zhǎng)時(shí)，光纖就如同一個(gè)波導(dǎo)，光線在纖芯內(nèi)以直線傳輸而不會(huì)發(fā)生反射，這種光纖稱為單模光纖（single-mode fiber）。第29頁(yè)第29頁(yè)單模光纖和多模光纖多模光纖直徑約在幾十 m，而單模光纖不到10 m。實(shí)際

16、使用中，裸光纖（纖芯和包層）直徑普通為125 m，其中多模纖芯有62.5 m和50 m兩種；而單模纖芯只有9 m。有兩種光源可用于信號(hào)源：LED（發(fā)光二極管）和ILD（注入型激光二極管）。以光信號(hào)有和無(wú)來(lái)表示二進(jìn)制“1”和“0”。接受端由光電二極管構(gòu)成光檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光纖連接：機(jī)械式：快速，普通不需特殊設(shè)備，新技術(shù)和連接器改進(jìn)了接合損耗（有些 0.1 dB），適合于小數(shù)量和應(yīng)急應(yīng)用。熔結(jié)：需要昂貴特殊設(shè)備，極低損耗（可達(dá) 0.05 dB），長(zhǎng)距離鏈路唯一辦法。光纖傳播比較昂貴原因主要在于光端設(shè)備和連接復(fù)雜性。事實(shí)上，光纖本身并不算貴。第30頁(yè)第30頁(yè)光纖傳播中使用光信號(hào)頻譜集中在

17、紅外線到可見光區(qū)域范圍。UV可見光（750 - 380 nm）X-RaysIRAMRadio101210810141010101610181UHFVHF10610-310-9慣用光波長(zhǎng)有：850、1300和1550 nm頻率(Hz)波長(zhǎng)(m)第31頁(yè)第31頁(yè)兩種光源比較LEDILD波段0.66m，0.85m或1.30m1.31m或1.55m（慣用），0.85m或1.30m光譜寬度50m10m功率低大數(shù)據(jù)速率低高模式多模多模和單模距離短長(zhǎng)生命期長(zhǎng)短溫度敏感度較小較敏感價(jià)格低貴第32頁(yè)第32頁(yè)光纖上紅外部分光衰減第33頁(yè)第33頁(yè)激光產(chǎn)品級(jí)別Class I：無(wú)危險(xiǎn)Class IIa：觀看時(shí)間小于10

18、00秒則安全Class II：長(zhǎng)期觀看有危險(xiǎn)Class IIIa：直接觀看有嚴(yán)重危害Class IIIb：直接輻射對(duì)眼睛和皮膚有嚴(yán)重傷害Class IV：直接觀看或散射對(duì)眼睛和皮膚有嚴(yán)重傷害第34頁(yè)第34頁(yè)實(shí)際光纖第35頁(yè)第35頁(yè)一些光纖連接器件MIC：用于FDDI，雙光纜ST：插入鎖定光耦合器（ST）SC：568A原則， 方形，插入鎖定第36頁(yè)第36頁(yè)雙絞線、同軸電纜、光纖對(duì)比第37頁(yè)第37頁(yè)一些實(shí)際使用中光纖第38頁(yè)第38頁(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)使用有源中繼器光纖環(huán)第39頁(yè)第39頁(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)光纖網(wǎng)中一個(gè)無(wú)源星形連接第40頁(yè)第40頁(yè)光纖長(zhǎng)處高帶寬，低損耗，大數(shù)據(jù)傳播速率，抗電磁干擾能力強(qiáng)，安全性好；且相對(duì)于

19、金屬導(dǎo)線，體積小，重量輕，應(yīng)用前景一片光明。第41頁(yè)第41頁(yè)無(wú)線（wireless）傳播介質(zhì)無(wú)線通信不需要鋪設(shè)任何有線介質(zhì)，只要安裝信號(hào)收發(fā)裝置即可。主要無(wú)線傳播介質(zhì)有：無(wú)線電（Radio）微波（Microwave）紅外線和毫米波（Infrared and Millimeter Waves）光波（Light Wave）第42頁(yè)第42頁(yè)電磁波頻譜電磁波頻率f 、波長(zhǎng)l和真空中電磁波傳播速度即光速c（約為3108 m/s，常數(shù)，與頻率無(wú)關(guān)）之間關(guān)系為：c = l f 電磁波在銅線和光纖中傳播速度大約要減少到光速2/3，且與頻率稍相關(guān)系，約為2108 m/s，也就是200 m/ s 。1m1mm1k

20、m1m（1G）（1M）（1T）第43頁(yè)第43頁(yè)傳播速率、帶寬及波段關(guān)系依據(jù)上面推導(dǎo)可得：波段（Dl）越寬，波長(zhǎng)（l）越短，帶寬（Df）就越高。比如：采用1.30m紅外光光纖傳播中，l=1.310-6 m，Dl=0.1610-6m，則帶寬可達(dá)到30 THz，而每赫茲信號(hào)又可對(duì)若干位比特編碼，因此可得到很大數(shù)據(jù)率。第44頁(yè)第44頁(yè)無(wú)線電傳播（VLFVHF）無(wú)線電波容易產(chǎn)生，可全方位傳播，距離遠(yuǎn)，并能容易穿過(guò)建筑物（低頻波段），被廣泛應(yīng)用于各種通信領(lǐng)域。VLF、LF、MF低頻波段電波沿地表傳播，由于可繞過(guò)建筑物，因此傳播距離遠(yuǎn)。而HF和VHF波段地表電波會(huì)被地球吸取，但可通過(guò)地球上空電離層反射實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)

21、距離傳播。缺點(diǎn)是帶寬較低（尤其是低頻波段），易受電磁干擾和天氣影響。第45頁(yè)第45頁(yè)微波傳播在100MHz以上，微波通過(guò)拋物狀天線把能量集中于一小束，含有極高信噪比，沿直線實(shí)現(xiàn)可視距傳播。在地面因地表彎曲，需中繼站接續(xù)微波信號(hào)，100米高塔可接續(xù)約80公里。天氣和頻率影響可造成多路削弱。開放波段：2.4 GHz 2.484 GHz，即工業(yè)/科學(xué)/醫(yī)學(xué)波段。第46頁(yè)第46頁(yè)微波傳播第47頁(yè)第47頁(yè)紅外線和毫米波有方向性，廉價(jià)，穿透能力差，傳播距離短。如：遙控器，防盜報(bào)警等。第48頁(yè)第48頁(yè)光波傳播成本低，帶寬高，不受管制。但受天氣影響大，如雨、霧、雪。第49頁(yè)第49頁(yè)2.3 數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

22、通信基本方式調(diào)制技術(shù)數(shù)字信號(hào)編碼與同時(shí)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)普通結(jié)構(gòu)多路復(fù)用技術(shù)互換技術(shù)第50頁(yè)第50頁(yè)2.3.1 數(shù)據(jù)通信基本方式數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)：取連續(xù)值（聲音，溫度等）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：取離散值（0，1）信號(hào)第51頁(yè)第51頁(yè)2.3.1 數(shù)據(jù)通信基本方式數(shù)據(jù)通信四種方式模擬信號(hào)傳播模擬數(shù)據(jù)（老式電話系統(tǒng)）模擬信號(hào)傳播數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（調(diào)制解調(diào)）數(shù)字信號(hào)傳播數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（數(shù)字信號(hào)編碼，收發(fā)端信號(hào)同時(shí)）數(shù)字信號(hào)傳播模擬數(shù)據(jù)（脈沖編碼調(diào)制PCM）第52頁(yè)第52頁(yè)2.3.1 數(shù)據(jù)通信基本方式第53頁(yè)第53頁(yè)2.3.2 調(diào)制技術(shù)由于基帶（baseband）信號(hào)在長(zhǎng)距離傳播信道上會(huì)受到衰減、畸變及噪音等影響，因此在發(fā)送端必須轉(zhuǎn)換成一個(gè)

23、適合于在信道上傳播信道信號(hào)，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程就叫調(diào)制（modulation）。在接受端相反轉(zhuǎn)換過(guò)程稱為解調(diào)（demodulation）。調(diào)制解調(diào)器（MODEM）就是調(diào)制器（MOdulator）和解調(diào)器（DEModulator）組合。第54頁(yè)第54頁(yè)調(diào)制技術(shù)考慮計(jì)算機(jī)通過(guò)電話線進(jìn)行通信。需在電話線兩端使用MODEM將計(jì)算機(jī)中帶寬很大數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于電話線上（帶寬 所有信號(hào)總速率物理信道有效帶寬 所有信號(hào)總帶寬條件數(shù)字模擬信道信號(hào)TDMFDM第74頁(yè)第74頁(yè)北美貝爾T1載波系統(tǒng)（PCM）T1信道是采用TDM技術(shù)對(duì)24個(gè)語(yǔ)音信道進(jìn)行復(fù)用傳播原則，在二十世紀(jì)六十年代由貝爾試驗(yàn)室為電話線路復(fù)用傳播而

24、開發(fā)。關(guān)鍵技術(shù)PCM（Pulse Code Modulation，脈沖編碼調(diào)制，簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制）通過(guò)編解碼器（coder-decoder，codec）將模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于TDM信道上傳播數(shù)字信號(hào)。分為三個(gè)環(huán)節(jié)：采樣：使模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化。依據(jù)采樣定理取采樣頻率為8000 Hz，即每125 s采樣一次。量化：使采樣值在取值上離散化（數(shù)字量化）。先把原始信號(hào)取值范圍劃分為128 個(gè)等級(jí)（27），然后將每個(gè)采樣值“取整”到離它最近一個(gè)等級(jí)上。注意產(chǎn)生量化噪音。編碼：用一定位數(shù)二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示量化后采樣值。這里為7位（log2128）二進(jìn)制數(shù)編碼。第75頁(yè)第75頁(yè)P(yáng)CM原理示意圖AtAtTAt

25、T000001010011100101110111原始信號(hào)采樣量化編碼第76頁(yè)第76頁(yè)北美貝爾T1載波系統(tǒng)（復(fù)用）24路語(yǔ)音信號(hào)被輪詢進(jìn)行PCM，每個(gè)信道按順序在輸出流中插入8個(gè)比特，其中7比特為數(shù)據(jù)（PCM結(jié)果），另外增長(zhǎng)1比特用于控制。 24路輪詢一次輸出24 8=192比特，再加上1比特（放在幀頭）用于傳播同時(shí)，最后構(gòu)成193比特?cái)?shù)據(jù)幀（frame）。即每125 s輸出193比特，因此T1信道總數(shù)據(jù)速率=193 8000=1.544 Mbps。當(dāng)T1系統(tǒng)完全用于數(shù)據(jù)傳播時(shí)，只有23個(gè)信道用作傳播數(shù)據(jù)，第24個(gè)信道完全用于同時(shí)控制，以便在失去幀同時(shí)時(shí)快速恢復(fù)。第77頁(yè)第77頁(yè)T1信道幀結(jié)構(gòu)

26、第78頁(yè)第78頁(yè)DPCM（Differential PCM）DPCM（差分PCM）是一個(gè)數(shù)字壓縮技術(shù)。由于語(yǔ)音信號(hào)改變相對(duì)緩慢，兩采樣點(diǎn)間差值非常之小，只量化第一個(gè)采樣點(diǎn)絕對(duì)值，后續(xù)量化都為相鄰兩采樣點(diǎn)相對(duì)差值，因此只需較少比特位就可表示，如5 bits。ADPCM（Adaptive DPCM，自適應(yīng)DPCM）是對(duì)采樣值進(jìn)行自適應(yīng)（量化級(jí)寬度隨幅值而改變）預(yù)測(cè)，然后對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化編碼。如ITU-TG.721原則，相稱于用4bit進(jìn)行編碼，32 kbps數(shù)據(jù)速率。 增量調(diào)制（Delta Modulation，DM或M）是一個(gè)極端DPCM，只用一個(gè)比特來(lái)表示新采樣值是不小于或小于前一個(gè)采樣值，

27、數(shù)據(jù)速率= 1 8000 = 8 kbps。注意斜率過(guò)載和顆粒噪音。第79頁(yè)第79頁(yè)增量調(diào)制示意圖第80頁(yè)第80頁(yè)TDM可為用戶提供更大帶寬簡(jiǎn)樸地把更多數(shù)據(jù)放入一個(gè)幀中。Sender - 1Sender - 2Sender-2頻率要加快第81頁(yè)第81頁(yè)T1線路復(fù)用TDM允許多個(gè)T1線路復(fù)用到更高級(jí)線路上。T2及更高級(jí)線路上復(fù)用是按比特進(jìn)行，每一次合成都要附加一些額外比特開銷用于分幀和恢復(fù)。復(fù)用級(jí)別為4，7，6。第82頁(yè)第82頁(yè)CCITTE1載波系統(tǒng)將32個(gè)8比特（量化級(jí)別為256）信道數(shù)據(jù)封裝在基于125 s幀中，其中30個(gè)信道用于信息，2個(gè)信道用于信令（signaling）?？倲?shù)據(jù)速率=32

28、 8 8000=2.048 Mbps同T1同樣，E1也可復(fù)用到更高級(jí)線路上，復(fù)用級(jí)別都為4。第83頁(yè)第83頁(yè)CCITT E系列中各種傳播速率565.1488912E5（五次群）139.2642048E4（四次群）34.304512E3（三次群）8.848128E2（二次群）2.04832E1（一次群）數(shù)據(jù)率（Mbps）語(yǔ)音信道載波系統(tǒng)第84頁(yè)第84頁(yè)SONET/SDH基本同時(shí)光網(wǎng)絡(luò)（SONET）幀是每125 s810個(gè)字節(jié)（用90列 9行描述），因此數(shù)據(jù)速率= 8 bit 810 Byte 8000 Hz = 51.84 Mbps，這是SONET最基本信道，稱作同時(shí)傳播信號(hào)STS-1（Sync

29、hronous Transport Signal-1）。多條STS-1支流（tributary）復(fù)用可構(gòu)成其它SONET干線，如3條STS-1支流被合成為1條3 51.84 Mbps = 155.52 MbpsSTS-3流。相應(yīng)于STS-n光纖線路被稱作OC-n（Optical Carrier Level）。同時(shí)數(shù)字序列（SDH）基本信道從OC-3開始，稱作同時(shí)傳播模塊STM-1（Synchronous Transport Module-1）。OC-n表示由n條單獨(dú)OC-1線路構(gòu)成。而OC-nc表示從一個(gè)源來(lái)數(shù)據(jù)流。第85頁(yè)第85頁(yè)SONET中多路復(fù)用示意圖低速輸入流第86頁(yè)第86頁(yè)SONET

30、/SDH速率等級(jí)9953.280OC-192/STS-192 （129024 CH）STM-64（122880 CH）10 G2488.320OC-48/STS-48 （32356 CH）STM-16（30720 CH）2.5 G1866.240OC-36/STS-36STM-121244.160OC-24/STS-24STM-8933.120OC-18/STS-18STM-6622.080OC-12/STS-12 （8046 CH）STM-4（7696 CH）622 M466.560OC-9/STS-9STM-3155.520OC-3/STS-3 （1440 CH）STM-1（1920 CH

31、）155 M51.8400OC-1/STS-1 （480 CH）原則速率（Mbps）SONET等級(jí)SDH等級(jí)第87頁(yè)第87頁(yè)2.3.6 互換技術(shù)數(shù)據(jù)集中與轉(zhuǎn)發(fā)互換（switching）為何要互換？第88頁(yè)第88頁(yè)互換技術(shù)三種基本互換技術(shù)：電路互換（circuit switching）：在通信雙方之間建立一條實(shí)際物理通路，且被雙方獨(dú)占。正如老式電話系統(tǒng)。分為建立、通信和拆除三個(gè)過(guò)程。報(bào)文互換（message switching）：數(shù)據(jù)被一次性作為一個(gè)報(bào)文采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)（store-and-forward）方式一步步地向前傳遞。中間節(jié)點(diǎn)完整地接受相鄰上一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳來(lái)報(bào)文，暫存在緩沖器中，然后選擇一條

32、適當(dāng)輸出線路，排在相應(yīng)隊(duì)列中檔空閑時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)。分組互換（packet switching）：將被傳數(shù)據(jù)（報(bào)文）分割成若干個(gè)等長(zhǎng)小分組，這些分組分別獨(dú)立地采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，接受端再將各分組重新組裝成一個(gè)完整報(bào)文。第89頁(yè)第89頁(yè)電路互換和分組互換示意圖第90頁(yè)第90頁(yè)三種基本互換技術(shù)比較電路互換在通信時(shí)由于獨(dú)享物理線路，故延遲小，可靠性高，且確保順序。但在通信前后建立和拆除連接過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，另外獨(dú)享信道方式也許會(huì)造成資源浪費(fèi)。因此適合于質(zhì)量要求高大規(guī)模數(shù)據(jù)傳播。報(bào)文互換共享物理信道，提升了線路利用率，且可一到多點(diǎn)傳播。但由于報(bào)文長(zhǎng)度沒(méi)有限制，造成中間節(jié)點(diǎn)緩沖器配備困難；另

33、一方面大報(bào)文傳播延遲大，占用線路時(shí)間長(zhǎng)；另外在誤碼率高信道上會(huì)極大地影響傳播效率。實(shí)際中很少使用。分組互換由于限定了分組長(zhǎng)度，因而減少了對(duì)中間節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力要求，也減小了傳播延遲；并且由于各分組單獨(dú)路由，這種并行性提升了報(bào)文整體傳送速度；另外短分組會(huì)減少犯錯(cuò)重發(fā)率，從而提升了傳播效率。當(dāng)然分組互換也存在著一些問(wèn)題，需處理由于分組丟失、重復(fù)和亂序帶來(lái)問(wèn)題。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)普通采用分組互換，偶然使用電路互換，不會(huì)使用報(bào)文互換。第91頁(yè)第91頁(yè)三種互換事件時(shí)序第92頁(yè)第92頁(yè)2.4 物理層協(xié)議物理層負(fù)責(zé)在傳播介質(zhì)上為數(shù)據(jù)鏈路層提供一個(gè)傳播原始二進(jìn)制比特流物理連接（數(shù)據(jù)電路）。物理連接（數(shù)據(jù)電路）也許涉及中間

34、系統(tǒng)，中間系統(tǒng)用來(lái)對(duì)傳播介質(zhì)上物理信號(hào)進(jìn)行中轉(zhuǎn)（再生放大），稱作中繼器（repeater）。DTE和DCE：物理層通信中，用戶擁有數(shù)據(jù)設(shè)備（如計(jì)算機(jī)或終端）稱為數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（Data Terminal Equipment）。為用戶設(shè)備提供入網(wǎng)連接設(shè)備（如MODEM）稱作數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備或數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE（Data Circuit-terminating Equipment或Data Communications Equipment）。第93頁(yè)第93頁(yè)2.6 物理層協(xié)議物理層協(xié)議：為了建立、維持和拆除物理連接，要求了機(jī)械、電氣、功效和規(guī)程特性。機(jī)械特性（mechanical）要求了物理連

35、接中采用連接器幾何尺寸、插針或插孔數(shù)量及排列順序、拴鎖及安裝方式等。電氣特性（electrical）要求了在物理連接上物理信號(hào)形式及量值、阻抗匹配、傳播速率和距離限制等。功效特性（functional）要求了物理接口上各條信號(hào)線功效分派和確切定義。規(guī)程特性（procedural）定義了物理連接上信號(hào)時(shí)序應(yīng)答關(guān)系及工作過(guò)程。第94頁(yè)第94頁(yè)EIA RS-232-CRS（Recommended Standard）-232（原則標(biāo)識(shí)號(hào)碼）-C（修改版本號(hào)，C為第三版）是EIA于1969年為在公用電話互換網(wǎng)PSTN（Public Switch Telephone Network）上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而制定一

36、個(gè)串行物理接口原則。相應(yīng)國(guó)際原則是CCITT推薦V.24原則（List of definitions for interchange circuits between DTE and DCE）。PSTNDTE 計(jì)算機(jī)DCE MODEMRS-232-C接口DTE 計(jì)算機(jī)DCE MODEMRS-232-C接口第95頁(yè)第95頁(yè)RS-232-C機(jī)械特性25芯或9芯D型連接器，DTC側(cè)為插針，DCE側(cè)為插孔。詳細(xì)排列、尺寸、拴鎖等。V.3525芯RS-232-C9芯RS-232-C第96頁(yè)第96頁(yè)RS-232-C電氣特性及其改進(jìn)“非平衡雙流接口電路電氣特性”： CCITT V.28是與RS-232-C電

37、氣特性兼容標(biāo)準(zhǔn)。分立元件設(shè)計(jì)，非平衡接口，每個(gè)信號(hào)都使用一條導(dǎo)線和一條公共信號(hào)返回（參考地）線。采取負(fù)邏輯電平：“0”和“1”分別用+3V +15V電平和-3V -15V電平表示。最大傳輸速率 19.2 kbps，傳輸距離 15 m。RS-449為RS-232-C升級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，由三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成：機(jī)械、功效和規(guī)程特性由RS-449本身定義；另外有兩個(gè)電氣特性標(biāo)準(zhǔn)RS-423-A（與舊標(biāo)準(zhǔn)兼容，性能提升不大）和RS-422-A（完全不同于舊標(biāo)準(zhǔn)，性能高）分別為革新和革命產(chǎn)物。非平衡第97頁(yè)第97頁(yè)“在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中，通常與集成電路一起使用非平衡雙流接口電路電氣特性”：CCITT V.10/X.26兼容R

38、S-423-A。IC工藝設(shè)計(jì)，發(fā)生器含有整形功效，接受器為差分式，不平衡連接（同V.28同樣需要公共地）。距離為100m時(shí)，速率可達(dá)3kbps；距離為10m時(shí)，速率可達(dá)300kbps?！霸跀?shù)據(jù)通信領(lǐng)域中，通常與集成電路一起使用平衡雙流接口電路電氣特性”：CCITT V.11/X.27兼容RS-422-A。IC工藝設(shè)計(jì)，平衡發(fā)生器，差分接受，每個(gè)信號(hào)都使用雙線傳播，不需公共地。最大速率達(dá)10Mbps；60m長(zhǎng)電纜上可達(dá)2Mbps傳播速率。全平衡半平衡第98頁(yè)第98頁(yè)RS-232-C功效特性慣用幾種信號(hào)闡明DTEDCETxD發(fā)送數(shù)據(jù)（2）RxD接受數(shù)據(jù)（3）RTS請(qǐng)求發(fā)送（4）CTS清除發(fā)送（5）

39、DSR數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好（6）DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好（20）CD載波檢測(cè)（8）RI振鈴批示（22）GND信號(hào)地（7）第99頁(yè)第99頁(yè)空調(diào)制解調(diào)器（NULL MODEM）：用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)DTE直接連接DTEDTE237237簡(jiǎn)樸型連接第100頁(yè)第100頁(yè)簡(jiǎn)樸型連接完整型連接第101頁(yè)第101頁(yè)RS-232-C規(guī)程特性數(shù)據(jù)傳播CTS “on”4RxD接受數(shù)據(jù)TxD發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)TxD發(fā)送數(shù)據(jù)RxD接受數(shù)據(jù)5CD “on”載波信號(hào)RTS “on”3CTS “off”7DTR “off”8DSR “off”9CD “off”停發(fā)載波RTS “off”6拆除連接DSR “on”2DTR “on”1建立連接遠(yuǎn)程信號(hào)

40、信道信號(hào)當(dāng)?shù)匦盘?hào)環(huán)節(jié)階段注：“on”為高電平，“off”為低電平。第102頁(yè)第102頁(yè)RS-232-C工作過(guò)程第103頁(yè)第103頁(yè)CCITT X.21提議1976年制定用于公用數(shù)據(jù)網(wǎng)PDN（Public Data Network）DTE和DCE互換信號(hào)數(shù)字接口原則。（Interface between DTE and DCE for synchronous operation on public data networks）PDNDTE 計(jì)算機(jī)DCE 數(shù)字MODEMX.21接口DTE 計(jì)算機(jī)X.21接口DCE 數(shù)字MODEM第104頁(yè)第104頁(yè)CCITT X.21機(jī)械、電氣和功效特性15芯D型

41、連接器。采用平衡雙流接口電路，最大傳播速率為10Mbps，最大傳播距離為300m。DTEDCET發(fā)送數(shù)據(jù)（2，9）R接受數(shù)據(jù)（4，11）C控制（3，10）I批示（5，12）S位定期信號(hào)（6，13）B字節(jié)定期信號(hào)（7，14）SEXT擴(kuò)展定期信號(hào)（15，1）GND信號(hào)地/公共回路（8）第105頁(yè)第105頁(yè)CCITT X.21規(guī)程特性拆除連接數(shù)據(jù)傳播建立連接過(guò)程T=1DTE掛機(jī)斷斷12R=1DCE掛機(jī)斷斷11R=0DCE說(shuō)再會(huì)斷斷10T=0DTE說(shuō)再會(huì)通斷8R=數(shù)據(jù)T=數(shù)據(jù)對(duì)話通通7R=1遠(yuǎn)地DTE摘機(jī)通通6R=呼喊進(jìn)行遠(yuǎn)地電話振鈴斷通5T=地址DTE撥電話號(hào)碼斷通4R=“+”DCE給出撥號(hào)音斷通3

42、T=0DTE摘機(jī)斷通2R=1T=1線路空閑斷斷1DCE在R上發(fā)送DTE在T上發(fā)送電話類似事件I線C線環(huán)節(jié)注：C線和I線上，“1”稱為斷，“0”稱為通。第106頁(yè)第106頁(yè)CCITT X.21bis提議是X.21過(guò)渡版本，兼容V.24原則。本來(lái)與V系列原則調(diào)制解調(diào)器相連DTE設(shè)備通過(guò)X.21bis接口，可連接到基于X.21公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中。PDNDTE 計(jì)算機(jī)DCE 數(shù)字MODEMX.21bis接口RS-232-c接口第107頁(yè)第107頁(yè)2.5 幾種電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)接入網(wǎng)寬帶ISDN和ATM X.25幀中繼DDN蜂窩無(wú)線通信通信衛(wèi)星 第108頁(yè)第108頁(yè)Fully-interconnected net

43、work. (b) Centralized switch. (c) Two-level hierarchy電信網(wǎng)發(fā)展第109頁(yè)第109頁(yè)電信網(wǎng)結(jié)構(gòu)電信網(wǎng)可分為公用電信網(wǎng)和用戶駐地網(wǎng)（CPN）兩大類：公用電信網(wǎng)又能夠劃分為兩部分：關(guān)鍵網(wǎng)（Core Network）或傳播網(wǎng)（Transit Network）包括：長(zhǎng)途網(wǎng)：長(zhǎng)途局以上部分。中繼網(wǎng)：長(zhǎng)途局與市話局之間及市話局之間部分。接入網(wǎng)：用戶端局至用戶之間部分，主要完畢使用戶接入到關(guān)鍵網(wǎng)任務(wù)。也稱作接入環(huán)路。CPN屬用戶所有，普通為集團(tuán)用戶專用接入網(wǎng)。用戶電話用戶電話用戶端局用戶端局長(zhǎng)途局長(zhǎng)途局中心互換局接入網(wǎng)接入網(wǎng)中繼網(wǎng)中繼網(wǎng)長(zhǎng)途網(wǎng)第110頁(yè)第1

44、10頁(yè)The use of both analog and digital transmission for a computer to computer call. Conversion is done by the modems and codecs.第111頁(yè)第111頁(yè)三種接入網(wǎng)比較N-ISDNADSLCable第112頁(yè)第112頁(yè)N-ISDN（Narrowband Integrated Services Digital Network ）一個(gè)全數(shù)字化電路互換電話系統(tǒng)。主要業(yè)務(wù)仍然是老式電話服務(wù)POTS（Plain Old Telephone Service），還包括其它一些數(shù)據(jù)傳播服務(wù)

45、。數(shù)字化比特管道（digital bit pipe）。結(jié)構(gòu)：ISDN互換機(jī)UNT1TNT2(PBX)SISDN終端/TA R非ISDN終端。兩個(gè)主要原則化信道：B信道：64 kbps數(shù)字PCM信道，用于話音或數(shù)字。D信道：16 kbps數(shù)字信道，用于段外信令。ISDN接口：基本速率（basic rate）：2B+1D=144 kbps，實(shí)際可用為128 kbps。應(yīng)用于最后用戶。俗稱一線通。主速率（primary rate）：30B+1D=1936 kpbs。實(shí)際可用為1920 kbps（美國(guó)和日本：23B+1D）。應(yīng)用于裝有PBX商務(wù)應(yīng)用T參考點(diǎn)。第113頁(yè)第113頁(yè)N-ISDN兩種配備結(jié)構(gòu)

46、及兩種接口(b)(d)(c)(a)第114頁(yè)第114頁(yè)主速率一個(gè)實(shí)際應(yīng)用五個(gè)主速率接口第115頁(yè)第115頁(yè)ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）ADSL（非對(duì)稱數(shù)字用戶線）：下行最大速率為6 Mbps，上行最大為640 kbps。俗稱超級(jí)一線通。ADSL將連接用戶和端局一對(duì)銅線帶寬分割成四段：高帶寬單工信道，01.536/3.072/4.608/8.192 Mbps，用于單獨(dú)下行傳播。低帶寬雙工信道，0640 kbps。雙工控制信道。POTS信道，04 kHz。POTS信道與其它信道是完全獨(dú)立分開，打電話和數(shù)據(jù)傳播可同時(shí)進(jìn)行。第116頁(yè)第116頁(yè)How

47、 ADSL WorksDividing the spectrum available on the local loop, which is about 1.1MHz, into three frequency bands: POTS (Plain Old Telephone Service) upstream (user to end office) and downstream (end office to user), frequency division multiplexing.Operation of ADSL using discrete multitone modulation

48、.第117頁(yè)第117頁(yè)ADSL應(yīng)用基本體系結(jié)構(gòu)第118頁(yè)第118頁(yè)A typical ADSL equipment configuration.第119頁(yè)第119頁(yè)CATV寬帶綜合服務(wù)網(wǎng)CATV（Community Antenna TV）寬帶綜合服務(wù)網(wǎng)可通過(guò)Cable TV來(lái)傳播數(shù)據(jù)信息。在看電視同時(shí)，用戶可取得1.540 Mbps數(shù)據(jù)速率。由兩部分通道按FDM進(jìn)行數(shù)模混合而成：模擬信號(hào)通道傳播模擬電視信號(hào)及FM聲音等。數(shù)字信號(hào)通道傳播頻帶寬度在幾十kHz幾MHz用于電話機(jī)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備通信數(shù)字信號(hào)，用戶需使用Cable MODEM。第120頁(yè)第120頁(yè)Community Antenna Te

49、levisionAn early cable television system.第121頁(yè)第121頁(yè)Internet over CableCable television第122頁(yè)第122頁(yè)CATV寬帶綜合服務(wù)網(wǎng)我國(guó)有線電視寬帶綜合網(wǎng)頻率上限為750MHz，正向860MHz過(guò)渡。第123頁(yè)第123頁(yè)Cable ModemsTypical details of the upstream and downstream channels in North America.第124頁(yè)第124頁(yè)Wireless Local LoopsA fixed telephone using a wireless

50、 local loop is a bit like a mobile phone, but there a three crucial differences:WLL user wants high speed Internet connectivity at least equal to ADSLUser does not mind to install a large directional antenna on his roofUser does not move, eliminating all the problems with mobility and cell handoverA

51、rchitecture of an local multipoint distribution system.第125頁(yè)第125頁(yè)寬帶ISDN和ATMB-ISDN（Broadband ISDN）是CCITT為了替換沒(méi)有流行起來(lái)N-ISDN而頒布一個(gè)新服務(wù)。其技術(shù)起點(diǎn)基于ATM（Asynchronous Transfer Mode）。除了提供N-ISDN業(yè)務(wù)外，在新155 Mbps和622 Mbps數(shù)字虛電路上還提供諸如VOD（video on demand）、HDTV、Multimedia等新業(yè)務(wù)。第126頁(yè)第126頁(yè)虛電路（virtual circuit）B-ISDN是完全建立在虛電路概念上：收發(fā)兩端之間建立了一條連接（非物理連接），數(shù)據(jù)在其上通過(guò)度組互換（非電路互換）進(jìn)行傳播。永久虛電路（Permanent VC）和互換式虛電路（Switched VC）第127頁(yè)第127頁(yè)ATM技術(shù)以小、固定長(zhǎng)度分組信元（cell，長(zhǎng)53字節(jié)，其中5字節(jié)為信元頭，48字節(jié)為有效載荷）來(lái)傳播所有信息。只需維護(hù)單個(gè)發(fā)送者發(fā)送信元順序。所有發(fā)送者發(fā)送順序能夠是任意，沒(méi)有尤其模式，因此叫異步傳播模式。第128頁(yè)第128頁(yè)