計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 第二章物理層.ppt

第二章物理層 物理層的基本概念數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)傳輸介質(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) 2 1物理層的基本概念 物理層的作用向上層 datalink 用戶屏蔽物理介質(zhì) media 的差異 使datalink層只考慮如何使用物理層的服務(wù)完成本層的協(xié)議向上層 datalink 用戶提供透明的位流傳輸能力提供為建立 維護(hù)與拆除物理鏈路所需要的機(jī)械的 電氣的 功能的與規(guī)程的特性 信號(hào)在信道 線路 上的傳輸受到各種因素的影響而發(fā)生變化 變化后的信號(hào) 2 2數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ) 變化后的信號(hào) 最后的信號(hào) 還包括噪聲 幾個(gè)基本概念 信道帶寬 bandwidth 是指信道上所能傳輸?shù)碾娦盘?hào)的頻率范圍 單位為赫茲 hz 信號(hào)的帶寬是指信號(hào)的能量按頻率分布最集中的區(qū)域 單位為赫茲 hz 信號(hào)傳輸速率是指每秒鐘傳送的信號(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)傳輸速率是指每秒鐘傳輸?shù)亩M(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 波特率和比特率 波特率rb與比特率rb的關(guān)系 rb rb log2v其中v為數(shù)字傳輸系統(tǒng)中的碼元狀態(tài)數(shù)或離散級(jí)數(shù) 即v進(jìn)制數(shù) 例如 rb 2400波特v 2rb 2400bpsrb 2400波特v 16rb 9600bpsdte dataterminalequipment 數(shù)據(jù)終端設(shè)備dce datacircuit terminatingequipment 數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備 傅立葉分析 任何正常的周期為t的函數(shù)g t 都可由無限個(gè)正弦和余弦函數(shù)合成 1 g t c ansin 2 nft bncos 2 nft 2n 1n 1f 1 t為基頻 an和bn為正弦和余弦函數(shù)的n次諧波的振幅 用表示信號(hào)n次諧波的能量任何持續(xù)時(shí)間有限 t 的非周期為函數(shù)g t 可以把它想象成一個(gè)周期為t的函數(shù) 從而分解成無數(shù)個(gè)正旋和余旋函數(shù)在傳輸介質(zhì)上直接傳送的數(shù)字信號(hào) 電壓脈沖序列 都可表示成時(shí)間的單值函數(shù) 它的諧波 harmonic 分量可用傅立葉級(jí)數(shù)來表示 有限帶寬信號(hào) 考慮傳輸ascii字符 b 01100010 經(jīng)傅立葉變換可得 1an cos n 4 cos 3 n 4 cos 6 n 4 cos 7 n 4 n1bn sin 3 n 4 sin n 4 sin 7 n 4 sin 6 n 4 nc 3 8 幾個(gè)低次諧波振幅的平方根 an2 bn2與相應(yīng)頻率處的能量成正比 有限帶寬的信道會(huì)對(duì)所傳信號(hào)各次諧波的振幅作不等量的衰減及相位延遲 要保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量 信道的帶寬必須適應(yīng)或高于信號(hào)的帶寬 a 為原始二進(jìn)制信號(hào)和它前15次諧波的平方根振幅 b e 為前幾次諧波的合成 在電話語音信道上 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 因而一次諧波的頻率即基頻f 1 t b 8hz 話音信道的截止頻率約為3000hz 采用二值信號(hào)編碼 則話音信道能通過的最大諧波次數(shù)為 3000 f 24000 b次 在接受端要想辨認(rèn)傳來的信號(hào) 信道必須允許信號(hào)的十次諧波通過 所以話音信道的極限信號(hào)傳輸速率為2400波特 數(shù)據(jù)傳輸速率與諧波數(shù)之間的關(guān)系 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率 奈奎斯特 h nyquist 證明 如果一個(gè)任意信號(hào)通過帶寬為h的低通濾波器 每秒采樣2h能完整地重現(xiàn)通過這個(gè)濾波器的信號(hào) 更高的采樣頻率是無意義的 因?yàn)楦哳l分量已被濾波器濾掉無法恢復(fù)了 奈奎斯特定理 一個(gè)無噪音信道 若信號(hào)電平分為v級(jí) 則限定的最大數(shù)據(jù)傳輸率rb 2hlog2vbps 例 對(duì)于一個(gè)3000hz的無噪音信道 若采用兩電平信號(hào)傳輸 最大速率不會(huì)超過2 3000hz 6000bps 若v 16 最大速率則可提高到24000bps 此定理針對(duì)理想信道進(jìn)行計(jì)算 不考慮噪音因素的影響 故與實(shí)際值相差甚大 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率 香農(nóng)定理 任何帶寬為h hz 信噪比為s n的信道 其最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 rb hlog2 1 s n bps實(shí)際中 信噪比常用分貝 db 表示 即10log10s n 例 一個(gè)典型參數(shù)的模擬電話系統(tǒng) 話音信道帶寬為3400hz 信噪比為30db 10log10s n 即s n 103 則信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為3400 log21001 34000bps 香農(nóng)定理限定的信道最大數(shù)據(jù)傳輸速率是理論值 實(shí)際值不可能超越它 但在模擬電話系統(tǒng)中 若超越3400hz的信道帶寬或提高信噪比 就可以超越34000bps的最大數(shù)據(jù)傳輸速率 例如v 90的調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)了50kbps以上的下行傳輸速率 adsl系統(tǒng)甚至可以達(dá)到2mbps的下行傳輸速率 2 2傳輸介質(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)的物理通路 各種傳輸介質(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 無線介質(zhì) 無線電 微波 紅外線以及光波 移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì) 磁帶 磁盤 光盤和硅存儲(chǔ)芯片等也可用來傳送數(shù)據(jù) 但延遲太大 屬于離線傳輸系統(tǒng) 雙絞線 twistedpair 雙絞線由兩條相互絕緣的銅線象螺紋一樣扭絞在一起 扭絞的目的是為了減少線對(duì)之間的電磁干擾 把4對(duì)雙絞線封裝在塑料套中構(gòu)成非屏蔽雙絞線utp unshieldedtp 其中有兩類最常用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 3類 category3 utp 較早應(yīng)用于10mbps以太網(wǎng)和電話通信 其扭絞程度較為松散 5類 category5 或超5類 category5e 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更加緊密 抗干擾能力更強(qiáng) 在100米距離內(nèi)速率可達(dá)100mbps 甚至是250mbps 屏蔽雙絞線stp shieldedtp 有一層總的屏蔽層 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 categoriesofunshieldedtwistedpair typeusecategory1voiceonly telephonewire category2datato4mbps localtalk category3datato10mbps ethernet category4datato20mbps 16mbpstokenring category5datato100mbps fastethernet category5edatato1000mbps gigabitethernet category6datato1000mbps gigabitethernet category7 theeia tia electronicindustryassociation telecommunicationindustryassociation hasestablishedstandardsofutp 雙絞線 twistedpair 3類 category3 utp5類 category5 utp utp的連接標(biāo)準(zhǔn) tia eia568a 568b cat5utp rj 45模塊 使用中的utp stp 同軸電纜 coaxialcable 一對(duì)導(dǎo)體 銅芯和屏蔽網(wǎng) 按 同軸 的形式構(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 兩種同軸電纜 基帶同軸電纜 basebandcoax 阻抗為50 用于數(shù)字傳輸 1公里電纜可達(dá)1 2gbps的傳輸速率 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 broadbandcoax 阻抗匹配為75 用于電視信號(hào)的模擬傳輸 catv 帶寬可達(dá)800mhz以上 采用載波信號(hào)調(diào)制技術(shù) 傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí) 要使用cablemodem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的一種形式 粗 細(xì)同軸電纜的比較 實(shí)際使用中的細(xì)同軸電纜 光纖 fiberoptics 光纖由傳導(dǎo)光波的高純石英玻璃纖維和保護(hù)層 jacket 構(gòu)成 其中纖芯 core 的折射率大于包裹著它的包層 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)固的外殼 sheath 中 形成所謂的多芯光纜 光傳輸系統(tǒng) 由三個(gè)部分組成 光源 光纖和光檢測(cè)器 在光纖的一端放上光源 另一端放上檢測(cè)器 光信號(hào)沿著光纖折射或直線傳輸 一般采用光強(qiáng)調(diào)制 有光表示比特1 而無光脈沖表示比特0 單模光纖和多模光纖 光線可以多個(gè)不同的入射角 大于或等于臨界角 在纖芯內(nèi)全反射傳播 可認(rèn)為每一束不同入射角的光線具有一個(gè)不同的模態(tài) mode 具備這種特性的光纖稱為多模光纖 multi modefiber 當(dāng)光纖的直徑減小到幾個(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)以直線傳播而不會(huì)發(fā)生反射 這種光纖稱為單模光纖 single modefiber 單模光纖和多模光纖 多模光纖的直徑約在幾十 m 而單模光纖不到10 m 實(shí)際使用中 裸光纖 纖芯和包層 的直徑一般為125 m 其中多模的纖芯有62 5 m和50 m兩種 而單模的纖芯只有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)的有和無來表示二進(jìn)制的 1 和 0 接收端由光電二極管構(gòu)成的光檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 光纖的連接 機(jī)械式 快速 一般不需特殊設(shè)備 新技術(shù)和連接器改善了接合的損耗 有些 0 1db 適合于小數(shù)量和應(yīng)急的應(yīng)用 熔結(jié) 需要昂貴的特殊設(shè)備 極低的損耗 可達(dá) 0 05db 長(zhǎng)距離鏈路的唯一方法 光纖傳輸比較昂貴的原因主要在于光端設(shè)備和連接的復(fù)雜性 實(shí)際上 光纖本身并不算貴 光纖傳輸中使用的光信號(hào)頻譜 集中在紅外線到可見光的區(qū)域范圍 uv 可見光 750 380nm x rays ir amradio 1012 108 1014 1010 1016 1018 1 uhf vhf 106 10 3 10 9 常用的光波長(zhǎng)有 850 1300和1550nm 頻率 hz 波長(zhǎng) m 兩種光源的比較 光纖上紅外部分光的衰減 激光產(chǎn)品的級(jí)別 classi 無危險(xiǎn)classiia 觀看時(shí)間小于1000秒則安全classii 長(zhǎng)期觀看有危險(xiǎn)classiiia 直接觀看有嚴(yán)重危害classiiib 直接輻射對(duì)眼睛和皮膚有嚴(yán)重傷害classiv 直接觀看或散射對(duì)眼睛和皮膚有嚴(yán)重傷害 實(shí)際的光纖 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標(biāo)準(zhǔn) 方形 插入鎖定 雙絞線 同軸電纜 光纖的對(duì)比 一些實(shí)際使用中的光纖 光纖網(wǎng)絡(luò) 使用有源中繼器的光纖環(huán) 光纖網(wǎng)絡(luò) 光纖網(wǎng)中一種無源星形連接 光纖的優(yōu)點(diǎn) 高帶寬 低損耗 大數(shù)據(jù)傳輸速率 抗電磁干擾能力強(qiáng) 安全性好 且相對(duì)于金屬導(dǎo)線 體積小 重量輕 應(yīng)用前景一片光明 無線 wireless 傳輸介質(zhì) 無線通信不需要鋪設(shè)任何有線介質(zhì) 只要安裝信號(hào)收發(fā)裝置即可 主要的無線傳輸介質(zhì)有 無線電 radio 微波 microwave 紅外線和毫米波 infraredandmillimeterwaves 光波 lightwave 電磁波頻譜 電磁波的頻率f 波長(zhǎng)l和真空中電磁波的傳播速度即光速c 約為3 108m s 常數(shù) 與頻率無關(guān) 之間的關(guān)系為 c l f電磁波在銅線和光纖中的傳播速度大約要降低到光速的2 3 且與頻率稍有關(guān)系 約為2 108m s 也就是200m s 傳輸速率 帶寬及波段的關(guān)系 根據(jù)上面的推導(dǎo)可得 波段 dl 越寬 波長(zhǎng) l 越短 帶寬 df 就越高 例如 采用1 30 m紅外光的光纖傳輸中 l 1 3 10 6m dl 0 16 10 6m 則帶寬可達(dá)到30thz 而每赫茲信號(hào)又可對(duì)若干位比特編碼 因此可得到很大的數(shù)據(jù)率 無線電傳輸 vlf vhf 無線電波容易產(chǎn)生 可全方位傳播 距離遠(yuǎn) 并能輕易穿過建筑物 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 由于可繞過建筑物 所以傳輸距離遠(yuǎn) 而hf和vhf波段的地表電波會(huì)被地球吸收 但可通過地球上空的電離層反射實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸 缺點(diǎn)是帶寬較低 特別是低頻波段 易受電磁干擾和天氣影響 微波傳輸 在100mhz以上 微波通過拋物狀天線把能量集中于一小束 具有極高的信噪比 沿直線實(shí)現(xiàn)可視距傳輸 在地面因地表彎曲 需中繼站接續(xù)微波信號(hào) 100米高的塔可接續(xù)約80公里 天氣和頻率的影響可造成多路減弱 開放的波段 2 4ghz 2 484ghz 即工業(yè) 科學(xué) 醫(yī)學(xué)波段 微波傳輸 紅外線和毫米波 有方向性 便宜 穿透能力差 傳輸距離短 如 遙控器 防盜報(bào)警等 光波傳輸 成本低 帶寬高 不受管制 但受天氣影響大 如雨 霧 雪 2 3數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)通信的基本方式調(diào)制技術(shù)數(shù)字信號(hào)編碼與同步數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)多路復(fù)用技術(shù)交換技術(shù) 2 3 1數(shù)據(jù)通信的基本方式 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) 2 3 1數(shù)據(jù)通信的基本方式 數(shù)據(jù)通信的四種方式模擬信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù) 傳統(tǒng)電話系統(tǒng) 模擬信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 調(diào)制解調(diào) 數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 數(shù)字信號(hào)編碼 收發(fā)端的信號(hào)同步 數(shù)字信號(hào)傳輸模擬數(shù)據(jù) 脈沖編碼調(diào)制pcm 2 3 1數(shù)據(jù)通信的基本方式 2 3 2調(diào)制技術(shù) 由于基帶 baseband 信號(hào)在長(zhǎng)距離的傳輸信道上會(huì)受到衰減 畸變及噪音等的影響 因此在發(fā)送端必須轉(zhuǎn)換成一種適合于在信道上傳輸?shù)男诺佬盘?hào) 這個(gè)轉(zhuǎn)換過程就叫調(diào)制 modulation 在接收端的相反轉(zhuǎn)換過程稱為解調(diào) demodulation 調(diào)制解調(diào)器 modem 就是調(diào)制器 modulator 和解調(diào)器 demodulator 的組合 調(diào)制技術(shù) 考慮計(jì)算機(jī)通過電話線進(jìn)行通信 需在電話線兩端使用modem將計(jì)算機(jī)中帶寬很大的數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于電話線上 帶寬 3400hz 傳輸?shù)恼Z音模擬信號(hào) 引入一種帶寬在1000 2000hz的正弦波作為載波信號(hào) asin t 調(diào)制技術(shù) 分別將載波信號(hào)中的a 振幅 頻率 相位 對(duì)傳輸?shù)幕鶐盘?hào)進(jìn)行調(diào)制 即可得到三種基本的調(diào)制技術(shù) 振幅調(diào)制 am 用兩種不同的電壓表示 0 和 1 也叫幅移鍵控 amplitudeshiftkeying ask 頻率調(diào)制 fm 用兩種不同的頻率表示 0 和 1 也叫頻移鍵控 frequencyshiftkeying fsk 相位調(diào)制 pm 也叫相移鍵控 phaseshiftkeying psk 分為兩種 絕對(duì)psk 用絕對(duì)相位表示比特信息 相對(duì)psk dpsk 用相鄰兩信號(hào)的相對(duì)相位差來表示比特信息 三種基本的調(diào)制技術(shù)示意圖 基帶信號(hào) ask fsk 絕對(duì)psk 相對(duì)psk psk 先進(jìn)的調(diào)制技術(shù) qam 正交振幅調(diào)制qam quadratureamplitudemodulation 將ask和psk結(jié)合起來 可傳輸多進(jìn)制信號(hào)以獲得更大的數(shù)據(jù)速率 中高速 每個(gè)調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)都有自己的星座模型 constellationpattern 具有相同標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器才可互聯(lián) 先進(jìn)的調(diào)制技術(shù) tcm 網(wǎng)格編碼調(diào)制tcm trelliscodingmodulation 對(duì)星座模型中眾多的點(diǎn)進(jìn)行復(fù)雜的糾錯(cuò)編碼 增加信號(hào)點(diǎn)之間的歐氏距離 以增強(qiáng)抗干擾能力 降低誤碼率 itu tv 32bis 1991 2 14400bps 2400波特 26 64個(gè)點(diǎn) itu tv 34 1994 28800bps 2400波特 212 4096個(gè)點(diǎn) itu tv 34 1996 10 33600bps 2400波特 214 16384個(gè)點(diǎn) 2 3 3數(shù)字信號(hào)編碼與同步 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼收發(fā)端之間的信號(hào)同步 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼 單極性不歸零編碼 雙極性不歸零編碼 單極性歸零編碼 雙極性歸零編碼 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼 歸零碼和不歸零碼 單極性碼和雙極性碼的特點(diǎn) 不歸零碼在傳輸中難以確定一位的結(jié)束和另一位的開始 需要用某種方法使發(fā)送器和接收器之間進(jìn)行定時(shí)或同步 歸零碼的脈沖較窄 根據(jù)脈沖寬度與傳輸頻帶寬度成反比的關(guān)系 因而歸零碼在信道上占用的頻帶較寬 單極性碼會(huì)積累直流分量 這樣就不能使用變壓器在數(shù)據(jù)通信設(shè)備和所處環(huán)境之間提供良好絕緣的交流耦合 直流分量還會(huì)損壞連接點(diǎn)的表面電鍍層 雙極性碼的直流分量大大減少 這對(duì)數(shù)據(jù)傳輸是很有利的 曼徹斯特編碼 曼徹斯特編碼 manchesterencoding 和差分曼徹斯特編碼 differentialmanchesterencoding 都為自同步編碼 曼徹斯特編碼屬絕對(duì)相位編碼 而差分曼徹斯特編碼屬相對(duì)相位編碼 所有的802 3系統(tǒng)都采用曼徹斯特編碼 實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單 其信號(hào)的高電平為 0 85v 低電平為 0 85v 由于在每個(gè)1 2位周期處都會(huì)發(fā)生跳變 不僅可提供用于同步的時(shí)鐘信號(hào) 但編碼效率降低 也為信道偵聽提供了可能 曼徹斯特編碼 收發(fā)端之間的信號(hào)同步 位同步外同步法自同步法群同步 2 3 4數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 2 3 5多路復(fù)用 multiplexing 多路復(fù)用技術(shù)是將多路信號(hào)組合在一條物理信道 主干trunk 上進(jìn)行傳輸 分為多種形式 fdm tdm wdm等 頻分多路復(fù)用 fdm fdm frequencydivisionmultiplexing 將信道的頻帶分割成若干個(gè)子信道 頻段 每個(gè)子信道用來傳輸一路信號(hào) 例如 catv中 帶寬為50mhz 750mhz 子頻帶為6mhz 電話系統(tǒng)中的一個(gè)fdm例子 采用fdm的兩個(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn) 60khz 108khz 12khz 60khz的頻帶 帶寬為48khz 作為一個(gè) 基 群 group 也可提供48kbps 56kbps的租用線 leasedline 服務(wù) 波分多路復(fù)用 wdm wdm wavelengthdivisionmultiplexing 就是使用在光纖信道上的fdm dwdm 密集wdm densewdm 和cwdm 粗wdm coarsewdm 時(shí)分多路復(fù)用 tdm tdm timedivisionmultiplexing 是把信道的時(shí)間分成小的時(shí)間片 每一時(shí)間片由復(fù)用的一個(gè)信號(hào)占用 每一時(shí)刻只有一個(gè)信號(hào)占用信道 時(shí)分多路復(fù)用 tdm 同步時(shí)分多路復(fù)用每個(gè)時(shí)間片被固定地分配給一個(gè)邏輯信道不需攜帶信道標(biāo)識(shí)信道利用率不高異步時(shí)分多路復(fù)用根據(jù)各邏輯信道的狀態(tài)動(dòng)態(tài)分配時(shí)間片需要攜帶信道標(biāo)識(shí)信道利用率提高 tdm與fdm的比較 北美的貝爾t1載波系統(tǒng) pcm t1信道是采用tdm技術(shù)對(duì)24個(gè)語音信道進(jìn)行復(fù)用的傳輸標(biāo)準(zhǔn) 在二十世紀(jì)六十年代由貝爾實(shí)驗(yàn)室為電話線路復(fù)用傳輸而開發(fā)的 關(guān)鍵技術(shù)pcm pulsecodemodulation 脈沖編碼調(diào)制 簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制 通過編解碼器 coder decoder codec 將模擬的語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于tdm信道上傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào) 分為三個(gè)步驟 采樣 使模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化 根據(jù)采樣定理取采樣頻率為8000hz 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)的取值范圍劃分為128個(gè)等級(jí) 27 然后將每個(gè)采樣值 取整 到離它最近的一個(gè)等級(jí)上 注意產(chǎn)生的量化噪音 編碼 用一定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)碼來表示量化后的采樣值 這里為7位 log2128 二進(jìn)制數(shù)編碼 pcm原理示意圖 北美的貝爾t1載波系統(tǒng) 復(fù)用 24路語音信號(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的結(jié)果 另外增加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 用于傳輸同步 模式為0101010101 最后構(gòu)成193比特的數(shù)據(jù)幀 frame 即每125 s輸出193比特 因此t1信道總的數(shù)據(jù)速率 193 8000 1 544mbps 當(dāng)t1系統(tǒng)完全用于數(shù)據(jù)傳輸時(shí) 只有23個(gè)信道用作傳輸數(shù)據(jù) 第24個(gè)信道完全用于同步控制 以便在失去幀同步時(shí)快速恢復(fù) t1信道幀的結(jié)構(gòu) dpcm differentialpcm dpcm 差分pcm 是一種數(shù)字壓縮技術(shù) 由于語音信號(hào)的變化相對(duì)緩慢 兩采樣點(diǎn)間的差值非常之小 只量化第一個(gè)采樣點(diǎn)的絕對(duì)值 后續(xù)的量化都為相鄰兩采樣點(diǎn)的相對(duì)差值 因此只需較少的比特位就可表示 如5bits adpcm adaptivedpcm 自適應(yīng)dpcm 是對(duì)采樣值進(jìn)行自適應(yīng) 量化級(jí)寬度隨幅值而變化 預(yù)測(cè) predictive 然后對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化編碼 如itu t的g 721標(biāo)準(zhǔn) 相當(dāng)于用4bit進(jìn)行編碼 32kbps的數(shù)據(jù)速率 增量調(diào)制 deltamodulation dm或 m 是一種極端的dpcm 只用一個(gè)比特來表示新的采樣值是大于或小于前一個(gè)采樣值 數(shù)據(jù)速率 1 8000 8kbps 注意斜率過載和顆粒噪音 增量調(diào)制示意圖 tdm可為用戶提供更大的帶寬 簡(jiǎn)單地把更多的數(shù)據(jù)放入一個(gè)幀中 t1線路的復(fù)用 tdm允許多個(gè)t1線路復(fù)用到更高級(jí)的線路上 t2及更高級(jí)線路上的復(fù)用是按比特進(jìn)行的 每一次合成都要附加一些額外的比特開銷用于分幀和恢復(fù) 復(fù)用級(jí)別為4 7 6 ccitt的e1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的幀中 其中30個(gè)信道用于信息 2個(gè)信道用于信令 signaling 總的數(shù)據(jù)速率 32 8 8000 2 048mbps同t1一樣 e1也可復(fù)用到更高級(jí)的線路上 復(fù)用級(jí)別都為4 ccitte系列中的各種傳輸速率 sonet sdh 基本的sonet幀是每125 s的810個(gè)字節(jié) 用90列 9行描述 因此數(shù)據(jù)速率 8bit 810byte 8000hz 51 84mbps 這是sonet最基本的信道 稱作同步傳輸信號(hào)sts 1 synchronoustransportsignal 1 多條sts 1支流 tributary 的復(fù)用可構(gòu)成其它的sonet干線 如3條sts 1支流被合成為1條3 51 84mbps 155 52mbps的sts 3流 對(duì)應(yīng)于sts n的光纖線路被稱作oc n opticalcarrierlevel sdh的基本信道從oc 3開始 稱作同步傳輸模塊stm 1 synchronoustransportmodule 1 oc n表示由n條單獨(dú)的oc 1線路組成 而oc nc表示從一個(gè)源來的數(shù)據(jù)流 sonet中的多路復(fù)用示意圖 低速輸入流 sonet sdh的速率等級(jí) 2 3 6交換技術(shù) 數(shù)據(jù)的集中與轉(zhuǎn)發(fā) 交換 switching 為什么要交換 交換技術(shù) 三種基本的交換技術(shù) 電路交換 circuitswitching 在通信雙方之間建立一條實(shí)際的物理通路 且被雙方獨(dú)占 正如傳統(tǒng)的電話系統(tǒng) 分為建立 通信和拆除三個(gè)過程 報(bào)文交換 messageswitching 數(shù)據(jù)被一次性的作為一個(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)完整地接受相鄰的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳來的報(bào)文 暫存在緩沖器中 然后選擇一條合適的輸出線路 排在相應(yīng)的隊(duì)列中等空閑時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn) 分組交換 packetswitching 將被傳的數(shù)據(jù) 報(bào)文 分割成若干個(gè)等長(zhǎng)的小的分組 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) 接收端再將各分組重新組裝成一個(gè)完整的報(bào)文 電路交換和分組交換示意圖 三種基本交換技術(shù)的比較 電路交換在通信時(shí)由于獨(dú)享物理線路 故延遲小 可靠性高 且保證順序 但在通信前后的建立和拆除連接的過程時(shí)間長(zhǎng) 另外獨(dú)享信道方式可能會(huì)造成資源浪費(fèi) 因此適合于質(zhì)量要求高的大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸 報(bào)文交換共享物理信道 提高了線路的利用率 且可一到多點(diǎn)傳輸 但由于報(bào)文的長(zhǎng)度沒有限制 造成中間節(jié)點(diǎn)的緩沖器配置困難 其次大報(bào)文的傳輸延遲大 占用線路時(shí)間長(zhǎng) 另外在誤碼率高的信道上會(huì)極大地影響傳輸效率 實(shí)際中很少使用 分組交換由于限定了分組的長(zhǎng)度 因而降低了對(duì)中間節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力的要求 也減小了傳輸?shù)难舆t 而且由于各分組單獨(dú)路由 這種并行性提高了報(bào)文的整體傳送速度 另外短的分組會(huì)降低出錯(cuò)重發(fā)率 從而提高了傳輸效率 當(dāng)然分組交換也存在著一些問題 需解決由于分組丟失 重復(fù)和亂序帶來的問題 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一般采用分組交換 偶爾使用電路交換 決不會(huì)使用報(bào)文交換 三種交換的事件時(shí)序 2 4物理層協(xié)議 物理層負(fù)責(zé)在傳輸介質(zhì)上為數(shù)據(jù)鏈路層提供一個(gè)傳輸原始二進(jìn)制比特流的物理連接 數(shù)據(jù)電路 物理連接 數(shù)據(jù)電路 可能涉及中間系統(tǒng) 中間系統(tǒng)用來對(duì)傳輸介質(zhì)上的物理信號(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 用戶擁有的數(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 dataterminalequipment 為用戶設(shè)備提供入網(wǎng)連接的設(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 datacircuit terminatingequipment或datacommunicationsequipment 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 規(guī)定了機(jī)械 電氣 功能和規(guī)程的特性 機(jī)械特性 mechanical 規(guī)定了物理連接中采用的連接器的幾何尺寸 插針或插孔的數(shù)量及排列順序 拴鎖及安裝方式等 電氣特性 electrical 規(guī)定了在物理連接上物理信號(hào)的形式及量值 阻抗匹配 傳輸速率和距離的限制等 功能特性 functional 規(guī)定了物理接口上的各條信號(hào)線的功能分配和確切定義 規(guī)程特性 procedural 定義了物理連接上信號(hào)的時(shí)序應(yīng)答關(guān)系及工作過程 eiars 232 c rs recommendedstandard 232 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)號(hào)碼 c 修改的版本號(hào) c為第三版 是eia于1969年為在公用電話交換網(wǎng)pstn publicswitchtelephonenetwork 上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而制定的一個(gè)串行物理接口標(biāo)準(zhǔn) 相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)是ccitt推薦的v 24標(biāo)準(zhǔn) listofdefinitionsforinterchangecircuitsbetweendteanddce rs 232 c的機(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 具體排列 尺寸 拴鎖等 rs 232 c的電氣特性及其改進(jìn) 非平衡雙流接口電路的電氣特性 ccittv 28是與rs 232 c的電氣特性兼容的標(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)線和一條公共的信號(hào)返回 參考地 線 采用負(fù)邏輯電平 0 和 1 分別用 3v 15v的電平和 3v 15v的電平表示 最大傳輸速率 19 2kbps 傳輸距離 15m rs 449為rs 232 c的升級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 由三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成 機(jī)械 功能和規(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 性能提高不大 和rs 422 a 完全不同于舊標(biāo)準(zhǔn) 性能高 分別為革新和革命的產(chǎn)物 在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中 通常與集成電路一起使用的非平衡雙流接口電路的電氣特性 ccittv 10 x 26兼容rs 423 a ic工藝設(shè)計(jì) 發(fā)生器具有整形功能 接收器為差分式 不平衡連接 同v 28一樣需要公共地 距離為100m時(shí) 速率可達(dá)3kbps 距離為10m時(shí) 速率可達(dá)300kbps 在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中 通常與集成電路一起使用的平衡雙流接口電路的電氣特性 ccittv 11 x 27兼容rs 422 a ic工藝設(shè)計(jì) 平衡的發(fā)生器 差分接收 每個(gè)信號(hào)都使用雙線傳輸 不需公共地 最大速率達(dá)10mbps 60m長(zhǎng)的電纜上可達(dá)2mbps的傳輸速率 rs 232 c的功能特性 常用的幾個(gè)信號(hào)說明 空調(diào)制解調(diào)器 nullmodem 用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)dte的直接連接 簡(jiǎn)單型連接 簡(jiǎn)單型連接 完整型連接 rs 232 c的規(guī)程特性 注 on 為高電平 off 為低電平 rs 232 c的工作過程 ccittx 21建議 1976年制定的用于公用數(shù)據(jù)網(wǎng)pdn publicdatanetwork 的dte和dce交換信號(hào)的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn) interfacebetweendteanddceforsynchronousoperationonpublicdatanetworks ccittx 21的機(jī)械 電氣和功能特性 15芯d型連接器 采用平衡雙流接口電路 最大傳輸速率為10mbps 最大傳輸距離為300m ccittx 21的規(guī)程特性 注 c線和i線上 1 稱為斷 0 稱為通 ccittx 21bis建議 是x 21的過渡版本 兼容v 24標(biāo)準(zhǔn) 原來與v系列標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器相連的dte設(shè)備通過x 21bis接口 可連接到基于x 21的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中 2 5幾種電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 接入網(wǎng)寬帶isdn和atmx 25幀中繼ddn蜂窩無線通信通信衛(wèi)星 fully interconnectednetwork b centralizedswitch c two levelhierarchy 電信網(wǎng)的發(fā)展 電信網(wǎng)的結(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)又可以劃分為兩部分 核心網(wǎng) corenetwork 或傳輸網(wǎng) transitnetwork 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的部分 接入網(wǎng) 用戶端局至用戶之間的部分 主要完成使用戶接入到核心網(wǎng)的任務(wù) 也稱作接入環(huán)路 cpn屬用戶所有 一般為集團(tuán)用戶的專用接入網(wǎng) theuseofbothanaloganddigitaltransmissionforacomputertocomputercall conversionisdonebythemodemsandcodecs 三種接入網(wǎng)的比較 n isdnadslcable n isdn narrowbandintegratedservicesdigitalnetwork 一個(gè)全數(shù)字化電路交換電話系統(tǒng) 主要業(yè)務(wù)仍然是老式電話服務(wù)pots plainoldtelephoneservice 還包括其它的一些數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) 數(shù)字化比特管道 digitalbitpipe 結(jié)構(gòu) isdn交換機(jī) u nt1 t nt2 pbx s isdn終端 ta r 非isdn終端 兩個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn)化信道 b信道 64kbps數(shù)字pcm信道 用于話音或數(shù)字 d信道 16kbps數(shù)字信道 用于段外信令 isdn接口 基本速率 basicrate 2b 1d 144kbps 實(shí)際可用為128kbps 應(yīng)用于最終用戶 俗稱一線通 主速率 primaryrate 30b 1d 1936kpbs 實(shí)際可用為1920kbps 美國和日本 23b 1d 應(yīng)用于裝有pbx的商務(wù)應(yīng)用的t參考點(diǎn) n isdn的兩種配置結(jié)構(gòu)及兩種接口 b d c a 主速率的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用 adsl asymmetricdigitalsubscriberline adsl 非對(duì)稱數(shù)字用戶線 下行最大速率為6mbps 上行最大為640kbps 俗稱超級(jí)一線通 adsl將連接用戶和端局的一對(duì)銅線的帶寬分割成四段 高帶寬的單工信道 0 1 536 3 072 4 608 8 192mbps 用于單獨(dú)下行傳輸 低帶寬的雙工信道 0 640kbps 雙工的控制信道 pots信道 0 4khz pots信道與其它信道是完全獨(dú)立分開的 打電話和數(shù)據(jù)傳輸可同時(shí)進(jìn)行 howadslworks dividingthespectrumavailableonthelocalloop whichisabout1 1mhz intothreefrequencybands pots plainoldtelephoneservice upstream usertoendoffice anddownstream endofficetouser frequencydivisionmultiplexing operationofadslusingdiscretemultitonemodulation adsl應(yīng)用的基本體系結(jié)構(gòu) atypicaladslequipmentconfiguration catv寬帶綜合服務(wù)網(wǎng) catv communityantennatv 寬帶綜合服務(wù)網(wǎng)可通過cabletv來傳輸數(shù)據(jù)信息 在看電視的同時(shí) 用戶可獲得1 5 40mbps的數(shù)據(jù)速率 由兩部分通道按fdm進(jìn)行數(shù)?；旌隙?模擬信號(hào)通道傳輸模擬電視信號(hào)及fm聲音等 數(shù)字信號(hào)通道傳輸頻帶寬度在幾十khz 幾mhz的用于電話機(jī) 計(jì)算機(jī)等設(shè)備通信的數(shù)字信號(hào) 用戶需使用cablemodem communityantennatelevision anearlycabletelevisionsystem internetovercable cabletelevision catv寬帶綜合服務(wù)網(wǎng) 我國有線電視寬帶綜合網(wǎng)的頻率上限為750mhz 正向860mhz過渡 cablemodems typicaldetailsoftheupstreamanddownstreamchannelsinnorthamerica wirelesslocalloops afixedtelephoneusingawirelesslocalloopisabitlikeamobilephone butthereathreecrucialdifferences wlluserwantshighspeedinternetconnectivityatleastequaltoadsluserdoesnotmindtoinstallalargedirectionalantennaonhisroofuserdoesnotmove eliminatingalltheproblemswithmobilityandcellhandover architectureofanlocalmultipointdistributionsystem 寬帶isdn和atm b isdn broadbandisdn 是ccitt為了替代沒有流行起來的n isdn而頒布的一種新的服務(wù) 其技術(shù)起點(diǎn)基于atm asynchronoustransfermode 除了提供n isdn的業(yè)務(wù)外 在新的155mbps和622mbps的數(shù)字虛電路上還提供諸如vod videoondemand hdtv multimedia等新業(yè)務(wù) 虛電路 virtualcircuit b isdn是完全建立在虛電路概念上的 收發(fā)兩端之間建立了一條連接 非物理連接 數(shù)據(jù)在其上通過分組交換 非電路交換 進(jìn)行傳輸 永久虛電路 permanentvc 和交換式虛電路 switchedvc atm技術(shù) 以小的 固定長(zhǎng)度的分組 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 來傳輸所有的信息 只需維護(hù)單個(gè)發(fā)送者發(fā)送的信元順序 所有發(fā)