第三章 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù).doc

第三章 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)3.1 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕靖拍?.1.1信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕靖拍钪皇抢斫庑畔?、?shù)據(jù)和信號(hào)這三個(gè)術(shù)語(yǔ)的含義。信息(Information)一詞也可譯成資訊。從通信的意義上理解，信息可用來(lái)解除不確定度。為了定量地研究通信系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，客觀(guān)地評(píng)價(jià)各種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)，需要對(duì)信息進(jìn)行度量。著名的美國(guó)數(shù)學(xué)家、信息論的奠基人香農(nóng)(C.E.Shannon)給出了關(guān)于度量信息的公式，即信息量I為若上式的對(duì)數(shù)以2為底，則信息量的單位為比特(bit)。由上式可知，一個(gè)消息所承載的信息量I等于它所表示的事件發(fā)生的概率P的倒數(shù)的對(duì)數(shù)。如果一個(gè)消息為必然事件，即該事件發(fā)生的概率為1，則該消息所傳遞的信息量為零。數(shù)據(jù)(Data)是任何描述物體、概念、形態(tài)的事實(shí)、數(shù)字、符號(hào)和字母,可定義為有意義的實(shí)體，它涉及到事物的形式。數(shù)據(jù)中包含著信息，信息可通過(guò)解釋數(shù)據(jù)而產(chǎn)生。從形式上，數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩種,如圖3.1.1所示。模擬數(shù)據(jù)是指在某個(gè)區(qū)間內(nèi)連續(xù)的值。例如，聲音或視頻都是強(qiáng)度連續(xù)變化的波形；又如，用傳感器采集到的數(shù)據(jù)，包括溫度和壓力等，都是連續(xù)的。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)泛指離散的值，諸如文字、整數(shù)等。信號(hào)(Signal)是數(shù)據(jù)的電磁(或電子)編碼。通信系統(tǒng)中所使用的信號(hào)指的是電、磁信號(hào)，即隨時(shí)間變化的電壓、電流或磁場(chǎng)。從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，信號(hào)通常是時(shí)間的函數(shù)，在時(shí)域上可劃分為連續(xù)函數(shù)和離散函數(shù)。從通信的信號(hào)形式上看，信號(hào)是傳遞消息的載體，信號(hào)可分為以下兩種：模擬信號(hào)：指連續(xù)變化的電信號(hào)，例如語(yǔ)音信號(hào)、當(dāng)前的電視信號(hào)等；數(shù)字信號(hào)：指離散的一系列電脈沖，如計(jì)算機(jī)所用的二進(jìn)制代碼“1”和“0”表示的信號(hào)。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都可以在合適的傳輸介質(zhì)上進(jìn)行傳輸。我們常用“信道”一詞來(lái)表示向某一方向傳送數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)。由于目前使用的傳輸介質(zhì)有多種，它們?cè)趥鬏斕匦陨洗嬖谥顒e,因此，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備采用不同的信號(hào)變換技術(shù)，以取得滿(mǎn)意的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。與信號(hào)的分類(lèi)相似，現(xiàn)代通信網(wǎng)中的信道也可分為兩種：數(shù)字信道，主要用于傳輸數(shù)字信號(hào)，具有64kb/s或較高速率的同步數(shù)字傳輸通路；模擬信道，用于傳輸模擬信號(hào)，具有通頻帶為3003400Hz的長(zhǎng)途載波電話(huà)通路或?qū)嵕€(xiàn)通路。3.1.2 傳輸方式信號(hào)的傳輸方式分為并行傳輸與串行傳輸。1.并行傳輸并行傳輸指的是數(shù)據(jù)以成組的方式，在多條并行信道上同時(shí)進(jìn)行傳輸，如圖3.1.2(a)所示。例如,一個(gè)采用8單位二進(jìn)制碼構(gòu)成一個(gè)字符進(jìn)行并行傳輸?shù)南到y(tǒng)，需采用8個(gè)信道并行傳輸，一次傳送8位，即一個(gè)字符，因此收、發(fā)雙方不存在字符同步的問(wèn)題，不需要額外的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的字符同步，這是并行傳輸?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)。在實(shí)用中，需另外加一條控制信號(hào),即“選通”脈沖，它在數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)出之后傳送，用以通知接收設(shè)備所有的位已經(jīng)發(fā)送完畢，可對(duì)各條信道上的信號(hào)進(jìn)行取樣了。并行傳輸常用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)或PC微機(jī)與打印機(jī)接口，但由于使用的線(xiàn)路多，成本較高，不適宜遠(yuǎn)距離傳輸。圖3.1.2 傳輸方式(a)并行傳輸；(b)串行傳輸2.串行傳輸串行傳輸指的是組成字符的若干位二進(jìn)制碼排列成數(shù)據(jù)流,以串行的方式在一條信道上傳輸，如圖3.1.2(b)所示。通常傳輸順序?yàn)橛傻臀坏礁呶?，傳完這個(gè)字符再傳下一個(gè)字符，因此收、發(fā)雙方必須保持字符同步，以使接收方能夠從接收的數(shù)據(jù)比特流中正確區(qū)分出與發(fā)送方相同的字符，這是串行傳輸必須解決的問(wèn)題。串行傳輸只需要一條傳輸信道，易于實(shí)現(xiàn)，是目前遠(yuǎn)程通信主要采用的一種傳輸方式。3.2 傳輸介質(zhì)及其特性上一章在ISO/OSIRM中簡(jiǎn)述了物理層的基本功能,涉及到物理層規(guī)程或建議，直接面向著各種不同的通信方式,各式各樣的傳輸介質(zhì)。特別需注意這些物理層功能并不是指具體所要連接的計(jì)算機(jī)等設(shè)備和傳輸介質(zhì),因此在實(shí)際的計(jì)算機(jī)等數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE，Data Terminal Equipment)之間的通信必須通過(guò)具體的通信設(shè)備和傳輸介質(zhì)來(lái)完成信息的傳輸?？梢?jiàn)，傳輸介質(zhì)是計(jì)算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，在遠(yuǎn)程傳輸工程的投資成本中占有很大的比例。因此，如何利用傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用的一個(gè)基本問(wèn)題。傳輸介質(zhì)可以分為線(xiàn)傳輸介質(zhì)(有線(xiàn)線(xiàn)路)和軟傳輸介質(zhì)(無(wú)線(xiàn)信道)兩類(lèi)。前者包括雙絞線(xiàn)、同軸電纜及光纜等；后者主要包括地面微波、衛(wèi)星微波、無(wú)線(xiàn)電波及紅外傳輸技術(shù)等。傳輸介質(zhì)的特性影響著數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，不同的傳輸介質(zhì)具有不同的傳輸特性，可從物理結(jié)構(gòu)、連通性、抗干擾性、可允許直連最長(zhǎng)距離以及價(jià)格等方面來(lái)衡量。從傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)看，首先關(guān)注的是能符合應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)傳輸速率愈高，允許傳輸距離愈遠(yuǎn)而價(jià)格合理為優(yōu)選。3.2.1 線(xiàn)傳輸介質(zhì)1.雙絞線(xiàn)雙絞線(xiàn)(TP，TwistedPair)是由線(xiàn)對(duì)扭絞而成的，其結(jié)構(gòu)如圖3.2.1所示。芯線(xiàn)為軟銅線(xiàn)，一般線(xiàn)徑為0.41.4mm不等。采用雙絞線(xiàn)的好處是可減少相鄰線(xiàn)對(duì)間的電磁串?dāng)_(與扭絞距有關(guān))。多對(duì)雙絞線(xiàn)封裝后構(gòu)成對(duì)稱(chēng)電纜。由于價(jià)格相對(duì)便宜，應(yīng)用十分廣泛，在市話(huà)用戶(hù)線(xiàn)、部分中繼線(xiàn)以及部分長(zhǎng)途載波線(xiàn)路中仍然使用雙絞線(xiàn)或?qū)ΨQ(chēng)電纜。圖 3.2.1 雙絞線(xiàn)電話(huà)通信對(duì)稱(chēng)電纜中雙絞線(xiàn)對(duì)數(shù)的可選范圍為21800對(duì)，市話(huà)用戶(hù)線(xiàn)采用雙絞線(xiàn)的傳輸距離可達(dá)15km。雙絞線(xiàn)既可用來(lái)傳輸模擬信號(hào)，也可用于傳輸數(shù)字信號(hào)。當(dāng)雙絞線(xiàn)用來(lái)傳輸信號(hào)時(shí)，其傳輸距離與雙絞線(xiàn)的線(xiàn)徑有關(guān)。導(dǎo)線(xiàn)加粗，其傳輸距離相對(duì)可較遠(yuǎn)，但導(dǎo)線(xiàn)的成本也增加。通常，電話(huà)系統(tǒng)的用戶(hù)在一個(gè)載波話(huà)路帶寬為4kHz(實(shí)際有效帶寬為0.33.4kHz)的通路上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，其一般速率為24009600b/s(需要加Modem)。目前，經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的雙絞線(xiàn)，如在計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中，采用三類(lèi)無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)(3UTP，Unshielded Twisted Pair)在基帶傳輸距離100m內(nèi)其允許數(shù)據(jù)傳輸速率也可達(dá)10Mb/s；五類(lèi)無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)(5UTP)在基帶傳輸距離100m內(nèi)其允許數(shù)據(jù)傳輸速率已可高達(dá)100155Mb/s。無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)的傳輸特性如表3.2.1所示。千兆局域網(wǎng)中一般選用超5類(lèi)、6類(lèi)或7類(lèi)雙絞線(xiàn)。為了改善雙絞線(xiàn)的抗電磁干擾性能,可在雙絞線(xiàn)的外面包上用金屬絲編織的屏蔽層，稱(chēng)為有屏蔽雙絞線(xiàn)(STP，Shielded Twisted Pair)。表3.2.1 無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)類(lèi)型和傳輸特性在局域網(wǎng)中常用的EIA/TIA568AUTP內(nèi)4對(duì)8線(xiàn)的編號(hào)與線(xiàn)色如圖3.2.2所示。圖3.2.2 局域網(wǎng)UTP內(nèi)4對(duì)8線(xiàn)的編號(hào)與線(xiàn)色2. 同軸電纜同軸電纜(CoaxialCable)是由同軸管內(nèi)的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體構(gòu)成的一種通信傳輸介質(zhì)。同軸管的內(nèi)導(dǎo)體采用半硬銅線(xiàn)(單芯)或多股線(xiàn)扭絞而成，外導(dǎo)體采用軟銅線(xiàn)或鋁帶縱包而成，內(nèi)外導(dǎo)體間用聚乙烯塑料制成的墊片絕緣，如圖3.2.3所示。同軸電纜的低頻串音及抗干擾特性不如對(duì)稱(chēng)雙絞線(xiàn)電纜，但隨著頻率升高，外導(dǎo)體的屏蔽作用增強(qiáng)，其串音和抗干擾能力大為改善，因此它適用于高頻大通路長(zhǎng)途干線(xiàn)。通常，根據(jù)內(nèi)外導(dǎo)體直徑的尺寸，可分為中同軸電纜(2.6/9.5mm)、小同軸電纜(1.2/4.4mm)及微同軸電纜(0.7/2.9mm)。目前，中同軸電纜載波電話(huà)系統(tǒng)最高可傳送10800條話(huà)路(或13200條話(huà)路)。我國(guó)國(guó)內(nèi)主要采用1800路和4380路載波電話(huà)系統(tǒng)，線(xiàn)路最高傳輸頻率分別為8.428MHz和21.664MHz。小同軸電纜造價(jià)相對(duì)較低，使用靈活，常用的載波系統(tǒng)可達(dá)3600路，而我國(guó)國(guó)內(nèi)主要采用300路和960路系統(tǒng)，線(xiàn)路最高傳輸頻率分別為1.3MHz和4.188MHz。微同軸電纜主要用于數(shù)字通信中傳輸二次群(120話(huà)路)、三次群(480話(huà)路)的脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)字信號(hào)。此外，在計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)、共用天線(xiàn)電視(CATV)中，同軸電纜也得到了廣泛的應(yīng)用，其型號(hào)及特性如表3.2.2所示。表3.2.2 局域網(wǎng)所用同軸電纜的型號(hào)及特性由表3.2.2中可見(jiàn)，同軸電纜可用于基帶(Baseband)和寬帶(Broadband)傳輸。同軸電纜(RG8/RG11)的特性阻抗為50，通常用于傳輸基帶的數(shù)字信號(hào)。所謂“基帶”，是指未經(jīng)頻率變換的傳輸頻帶。在局域網(wǎng)中使用這種基帶粗同軸電纜，加中繼器可在2.5km內(nèi)以10Mb/s傳送基帶的數(shù)字信號(hào)。同軸電纜(RG59U)的特性阻抗為75，它可用于有線(xiàn)電視(CATV)傳輸系統(tǒng)，采用頻分復(fù)用技術(shù)來(lái)傳送模擬信號(hào)，其頻率高達(dá)300450MHz，傳輸距離可達(dá)100km(需加多級(jí)放大器)；如要傳送數(shù)字信號(hào)，則需進(jìn)行信號(hào)變換，即將數(shù)字信號(hào)變換成模擬信號(hào)，才能在電纜上分頻傳輸。一般，每秒傳送1比特要用1Hz的帶寬，這取決于編碼方式和所用的傳輸系統(tǒng)。通常在300MHz的電纜上可支持300kb/s150Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。3.光纜光纖(Optical Fiber)是一種光傳輸介質(zhì)，由于可見(jiàn)光的頻率高達(dá)108MHz，因此光纖傳輸系統(tǒng)具有足夠的傳輸帶寬。光纜是由一束光纖組裝而成的，用于傳輸調(diào)制到光載頻上的已調(diào)信號(hào)。光纜的結(jié)構(gòu)示意如圖3.2.4所示。圖3.2.4 四芯光纜示意圖(a)光纜結(jié)構(gòu)剖面圖；(b)光波在纖芯中傳播光纖通常由純凈的石英玻璃拉成細(xì)絲構(gòu)成，主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體，其直徑(含包層)僅為0.2mm，因此，必須加上加強(qiáng)芯和填充物,增加其機(jī)械強(qiáng)度。必要時(shí)在光纖內(nèi)可接入遠(yuǎn)供電源線(xiàn)，最后加封包帶層和外護(hù)套,以滿(mǎn)足工程施工和應(yīng)用的強(qiáng)度要求。實(shí)際上，只要使射到光纖表面的光線(xiàn)入射角大于某一個(gè)臨界角度，就可以產(chǎn)生全反射，如圖3.2.4(b)所示。含有許多條不同入射角的光線(xiàn)在一條光纖中傳輸，這種光纖稱(chēng)為多模光纖(MMF)。若光纖的直徑足夠細(xì)，如使用一個(gè)光的波長(zhǎng)，則光纖就會(huì)像波導(dǎo)那樣，能使光線(xiàn)一直向前傳播，這種光纖稱(chēng)為單模光纖(SMF)。一個(gè)簡(jiǎn)單的光收發(fā)系統(tǒng)如圖3.2.5所示。在光纖的發(fā)送端需要光源，可選用發(fā)光二極管(或半導(dǎo)體注入型激光管)作電光轉(zhuǎn)換，即在電脈沖的作用下產(chǎn)生光脈沖。在接收端利用光電二極檢波管(或雪崩光電二極管)做成光電檢測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，即檢測(cè)到光脈沖后將其還原成電脈沖。一條裸纖只能支持單方向點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸。由于發(fā)光二極管產(chǎn)生的可見(jiàn)光定向性較差，因而常用于多模光纖系統(tǒng)；而半導(dǎo)體注入型激光管能產(chǎn)生一個(gè)超輻射的極窄光束，即單一波長(zhǎng)的激光，因而常用于單模光纖系統(tǒng)。圖3.2.5 光收發(fā)系統(tǒng)光纖的傳輸特性主要用損耗和色散來(lái)衡量。損耗是光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)單位長(zhǎng)度的衰減，通常用dB/km來(lái)表示；光纖的損耗會(huì)影響傳輸?shù)闹欣^距離。色散則是光信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)延差，即脈沖展寬；色散會(huì)影響傳輸碼率(即傳輸帶寬)。光纖的頻帶特性以兆赫千米(MHzkm)來(lái)表示。研究表明，單模光纖在光波長(zhǎng)為1.3m或1.5m時(shí)，其損耗分別為0.5dB/km和0.2dB/km，從而使中繼站的距離延長(zhǎng)到50100km，碼速可增加到2.4Gb/s，接近于0，此時(shí)的最大傳輸距離：海底光纜可達(dá)100010000km，地面光纜為1001000km，而在大城市中繼為1070km。自AT&T公司率先公布了采用光放大器和單光子相結(jié)合的方法后，在13000km的距離內(nèi)，單模光纖的傳輸速率已達(dá)20Gb/s。光纖作傳輸介質(zhì)用于通信，其主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)傳輸速率極高，頻帶極寬，傳送信息的容量極大。(2)光纖不受電磁干擾和靜電干擾等影響，即使在同一光纜中，各光纖間幾乎沒(méi)有干擾；易于保密；光纖的衰減頻率特性平坦，對(duì)各頻率的傳輸損耗和色散幾乎相同，因而接收端或中繼站不必采取幅度和時(shí)延等均衡措施。(3)光纖的原料為石英玻璃砂(即二氧化硅)，原料充足。光纖上傳輸光信號(hào)，因此光纖適宜無(wú)分叉的點(diǎn)到點(diǎn)連接。相對(duì)雙絞線(xiàn)、同軸電纜，光纜每公里的單價(jià)較貴。隨著生產(chǎn)成本的日益降低，光纜必將成為21世紀(jì)全球信息基礎(chǔ)設(shè)施的主要傳輸介質(zhì)。3.2.2 軟傳輸介質(zhì)1.無(wú)線(xiàn)電波無(wú)線(xiàn)電波是一個(gè)廣義的術(shù)語(yǔ)，從含義上講，無(wú)線(xiàn)電波是全向傳播的，而微波則是定向傳播的。無(wú)線(xiàn)電波的頻段分配見(jiàn)表3.1.3。表3.1.3 無(wú)線(xiàn)電波頻段和波段名稱(chēng)無(wú)線(xiàn)電波的不同頻段可用于不同的無(wú)線(xiàn)通信方式。(1)頻率范圍330MHz通稱(chēng)為高頻(HF)段，可用于短波通信。它是在地面發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波，通過(guò)電離層的多次反射到達(dá)接收端的一種通信方式。由于電離層隨季節(jié)、晝夜以及太陽(yáng)黑子活動(dòng)情況而變化，所以通信質(zhì)量難以達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)用高頻段作數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，鄰近的傳輸碼元將會(huì)引起干擾。(2)頻率范圍30300MHz為甚高頻(VHF)段，頻率范圍3003000MHz為特高頻(UHF)段。在這兩個(gè)頻率范圍內(nèi)，電磁波可穿過(guò)電離層，不會(huì)因反射而引起干擾，因而可用于數(shù)據(jù)通信。例如，夏威夷ALOHA系統(tǒng)使用兩個(gè)頻率：上行頻率為407.35MHz,下行頻率為413.35MHz，兩個(gè)信道的帶寬均為100kHz，可傳輸數(shù)據(jù)率為9600b/s,其傳輸是以分組形式進(jìn)行的，所以也稱(chēng)ALOHA系統(tǒng)為無(wú)線(xiàn)分組通信(Packet Radio Communication)。此外，蜂窩無(wú)線(xiàn)電移動(dòng)通信(Cellular Radio Mobile Communication)系統(tǒng)已得到了廣泛的應(yīng)用。例如，蜂窩式移動(dòng)電話(huà)模擬系統(tǒng)有多種制式提供服務(wù)，其中TACS制式的基站發(fā)射頻段為935960MHz；移動(dòng)臺(tái)發(fā)射頻率范圍為890915MHz，收發(fā)間隔45MHz，頻道間隔為25kHz，可有1000個(gè)頻道用于通話(huà)。另一種蜂窩式移動(dòng)電話(huà)數(shù)字系統(tǒng)，如GSM，是基于數(shù)字射頻調(diào)制技術(shù)、時(shí)分多址或碼分多址技術(shù)的，它提高了系統(tǒng)容量和傳送質(zhì)量，有利于引入ISDN業(yè)務(wù)。2.地面微波地面微波的工作頻率范圍一般為120GHz，它是利用無(wú)線(xiàn)電波在對(duì)流層的視距范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸?shù)?。由于受到地形和天線(xiàn)高度的限制，兩微波站間的通信距離一般為3050km。當(dāng)用于長(zhǎng)途傳輸時(shí)，必須架設(shè)多個(gè)微波中繼站，每個(gè)中繼站的主要功能是變頻和放大，這種通信方式稱(chēng)為微波接力通信，如圖3.2.6所示。目前，模擬微波通信主要采用調(diào)頻制，每個(gè)射頻波道可開(kāi)通300、600、1800、2700及3600條話(huà)路。也可采用單邊帶調(diào)幅制，每個(gè)射頻波道可最多開(kāi)通6000條話(huà)路。微波天線(xiàn)的通用類(lèi)型是拋物型“碟”，其直徑為3m，兩天線(xiàn)間直徑距離l為式中，k為調(diào)整因子，考慮微波隨地球的曲面而折射的因素，取經(jīng)驗(yàn)值k為4/3；h為天線(xiàn)高度(m)。微波損耗隨距離平方的對(duì)數(shù)關(guān)系變化，可用下式來(lái)表示：式中，為波長(zhǎng)。數(shù)字微波系統(tǒng)大多采用相移鍵控(PSK)調(diào)制方式，有4相制和8相制，目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)途干線(xiàn)主要采用4GHz的960路系統(tǒng)和6GHz的1800路系統(tǒng)。微波通信可傳輸電話(huà)、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等信息，其主要特點(diǎn)是：(1)微波波段頻率高，其通信信道的容量大，傳輸質(zhì)量較平穩(wěn)，但遇到雨、雪天氣時(shí)會(huì)增加損耗。(2)與電纜通信相比，微波接力信道能通過(guò)有線(xiàn)線(xiàn)路難于跨越或不易架設(shè)的地區(qū)(如高山或深水)，故有較大的靈活性，抗災(zāi)能力也較強(qiáng)；但通信隱蔽性和保密性不如電纜通信。2.衛(wèi)星微波通信衛(wèi)星是現(xiàn)代電信的重要通信設(shè)施之一，它被置于地球赤道上空35784km處的對(duì)地靜止的軌道上，與地球保持相同的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，故稱(chēng)為同步通信衛(wèi)星。實(shí)際上，它是一個(gè)懸空的微波中繼站，用于連接兩個(gè)或多個(gè)地面微波發(fā)射/接收設(shè)備(稱(chēng)之為衛(wèi)星通信地球站，簡(jiǎn)稱(chēng)為地球站),如圖3.2.7所示。圖3.2.7 衛(wèi)星微波中繼通信衛(wèi)星通信是利用同步通信衛(wèi)星作為中繼站，接收地球站送出的上行頻段信號(hào)，然后以下行頻段信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到其他地球站的一種通信方式。通過(guò)衛(wèi)星一跳(Hop)一跳(Hop)指從地面至衛(wèi)星、衛(wèi)星返地面的傳輸過(guò)程。 可連通地面最長(zhǎng)達(dá)1.3104km的兩個(gè)地球站間的通信。根據(jù)1992年世界無(wú)線(xiàn)電行政大會(huì)規(guī)定，固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)(FSS)常用下列三個(gè)頻段：1)C頻段上行：59256425MHz,帶寬500MHz下行：37004200MHz,帶寬500MHz從1984年起，為擴(kuò)展衛(wèi)星固定通信業(yè)務(wù)(FSS)用的頻譜，其頻段調(diào)整為：上行： 1區(qū)57257075MHz,帶寬1350MHz2、3區(qū)58507075MHz,帶寬1225MHz下行：13區(qū)34004200MHz,45004800MHz,帶寬合計(jì)為1100MHz2)Ku頻段上行：13區(qū) 14.014.25GHz,帶寬250MHz14.2514.50GHz,帶寬250MHz下行： 13區(qū) 10.9511.20GHz,帶寬250MHz11.4511.70GHz,帶寬250MHz2區(qū) 11.711.95GHz,帶寬250MHz11.9512.2GHz,帶寬250MHz3區(qū) 12.212.5GHz,帶寬300MHz1、3區(qū) 12.512.75GHz,帶寬250MHz3) Ka頻段上行：29.530GHz,帶寬500MHz下行：19.720.2GHz,帶寬500MHz目前，應(yīng)用較多的是C頻段。通常將可用的頻段帶寬(如500MHz)分為36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶，因此，一星可含12個(gè)或更多的轉(zhuǎn)發(fā)器，實(shí)現(xiàn)多信道衛(wèi)星通信。今后發(fā)展的方向是Ku頻段。衛(wèi)星微波通信的主要特點(diǎn)是：通信覆蓋區(qū)域廣，距離遠(yuǎn)；從衛(wèi)星到地球站是廣播型信道，易于實(shí)現(xiàn)多址傳輸；通信衛(wèi)星本身和發(fā)射衛(wèi)星的火箭費(fèi)用很高，且受電源和元器件壽命等因素的限制，同步衛(wèi)星的使用壽命一般多則七八年，少則四五年；衛(wèi)星通信的傳輸時(shí)延大，一跳的傳播時(shí)延約為270ms，利用衛(wèi)星微波作數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，必須要考慮這一特點(diǎn)。此外，甚小孔徑衛(wèi)星終端(VSAT，Very Small Aperture Satelite Terminals)，中、低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，如銦(Indium)系統(tǒng)、全球衛(wèi)星系統(tǒng)、ICO(Intermediate Circular Orbit)系統(tǒng)等還可提供頻段租賃服務(wù)。4.紅外線(xiàn)技術(shù)紅外線(xiàn)(Infrared)技術(shù)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)通信中得到了廣泛應(yīng)用，例如兩臺(tái)筆記本電腦對(duì)接紅外接口即可傳輸文件。紅外線(xiàn)鏈路只需一對(duì)收發(fā)器，在調(diào)制不相干的紅外光(10121014Hz)后，即可在視線(xiàn)距離的范圍內(nèi)傳輸。紅外線(xiàn)傳輸具有很強(qiáng)的方向性，可防止竊聽(tīng)、插入數(shù)據(jù)等，但對(duì)環(huán)境(如雨、霧)干擾特別敏感。3.3 數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)，源站的數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)制或編碼變成信號(hào)，沿傳輸介質(zhì)傳播到目的地。模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可用模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)來(lái)表示，圖3.3.1表示了模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3.3.2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制3.3.1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制調(diào)制解調(diào)器(Modem)是一種信號(hào)變換設(shè)備，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)Modem可變?yōu)槟M信號(hào)，以利于在模擬信道中傳送，如圖3.3.2所示。基本的調(diào)制方法有下列三種：(1)幅移鍵控法(ASK，AmplitudeShift Keying):用載波頻率不同的幅度來(lái)表示兩個(gè)二進(jìn)制值，如圖3.3.3(a)所示。圖3.3.3 基本的調(diào)制方法(a)ASK;(b)FSK;(c)PSK(2)頻移鍵控法(FSK，F(xiàn)requencyShiftKeying):用不同的載波頻率(相同幅度)來(lái)表示兩個(gè)二進(jìn)制值，如圖3.3.3(b)所示。(3)相移鍵控法(PSK，PhaseShiftKeying):用不同的載波相位(相同幅度)來(lái)表示兩個(gè)二進(jìn)制值，如圖3.3.3(c)所示。在現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)中，常將上述基本調(diào)制方法加以組合應(yīng)用，以求在給定的傳輸帶寬內(nèi)提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。數(shù)據(jù)傳輸速率是衡量系統(tǒng)傳輸能力的主要指標(biāo)。數(shù)據(jù)傳輸速率表示單位時(shí)間內(nèi)傳送二進(jìn)制“1”和“0”的數(shù)量(單位b/s)，記作C。調(diào)制速率則表示調(diào)制信號(hào)波形變換的程度，即單元信號(hào)碼元周期T的倒數(shù)(單位為baud,波特)，記作B。C與B之間的關(guān)系如下：?jiǎn)温氛{(diào)制多路調(diào)制式中,m為調(diào)制的通路數(shù)，i表示通路序號(hào)，N表示不同的碼元數(shù)，lbN為每個(gè)碼元的比特?cái)?shù)。從傳輸速率以及抗干擾能力來(lái)看，PSK最優(yōu)，F(xiàn)SK其次，ASK最差。現(xiàn)代通信中所采用的先進(jìn)的格柵調(diào)制技術(shù)可使數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)33.6kb/s。3.3.2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼計(jì)算機(jī)通信中的二進(jìn)制數(shù)字的基本表示方法是：“1”表示正電壓；“0”表示無(wú)電壓，稱(chēng)之為不歸零(NRZ，Non Return to Zero)碼，如圖3.3.5(a)所示。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼的目標(biāo)是將二進(jìn)制數(shù)“1”、“0”經(jīng)過(guò)編碼成為數(shù)字信號(hào)，使其特性有利于傳輸，其示意圖如圖3.3.4所示。典型的幾種數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼如圖3.3.5所示。圖3.3.4 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼圖3.3.5 典型的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼1.不歸零見(jiàn)一反轉(zhuǎn)碼不歸零見(jiàn)一反轉(zhuǎn)(NRZI，Non Returnto Zero，Invertonone)碼是NRZ碼的變種，如圖3.3.5(b)所示。其編碼規(guī)則為：二進(jìn)制數(shù)“1”表示在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換(低-高或高-低)；二進(jìn)制數(shù)“0”表示在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)無(wú)信號(hào)轉(zhuǎn)換。2.替換標(biāo)志反向編碼替換標(biāo)志反向(AMI，Alternate MarkInversion)編碼采用了多級(jí)二進(jìn)制編碼技術(shù)，即碼元選用兩個(gè)以上的信號(hào)電平，如圖3.3.5(c)所示。其編碼規(guī)則為：二進(jìn)制數(shù)“1”表示正-負(fù)交換出現(xiàn)；二進(jìn)制數(shù)“0”表示無(wú)信號(hào)。3.偽三元碼偽三元(Pseudoternary)碼也采用多級(jí)二進(jìn)制編碼技術(shù)，如圖3.3.5(d)所示。其編碼規(guī)則為：二進(jìn)制數(shù)“0”表示正-負(fù)交換出現(xiàn)；二進(jìn)制數(shù)“1”表示無(wú)信號(hào)。4.曼徹斯特(Machester)編碼曼徹斯特碼是采用雙相位技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖3.3.5(e)所示。其編碼規(guī)則為：每個(gè)比特的中間有跳變(極性轉(zhuǎn)換)；二進(jìn)制數(shù)“0”表示由低到高的跳變；二進(jìn)制數(shù)“1”表示由高到低的跳變。5.差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特碼是采用雙相位技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖3.3.5(f)所示。其編碼規(guī)則為：每個(gè)比特的中間有跳變(極性轉(zhuǎn)換)；二進(jìn)制數(shù)“0”表示每比特的開(kāi)始有跳變；二進(jìn)制數(shù)“1”表示每比特的開(kāi)始無(wú)跳變。曼徹斯特碼、差分曼徹斯特碼都是歸零碼(RZ)，其特點(diǎn)是：自同步；無(wú)直流分量；差錯(cuò)檢測(cè)；最大調(diào)制率是NRZ的兩倍。10Mb/s的以太網(wǎng)中使用曼徹斯特碼，標(biāo)記環(huán)網(wǎng)中使用差分曼徹斯特碼。除了上述介紹的幾種典型數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼，數(shù)字通信PCM中還常使用HDB3線(xiàn)路碼，在高速以太網(wǎng)中使用4B/5B、8B/10組合碼(在第6章專(zhuān)題介紹)。3.3.3 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼使用數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，其典型的實(shí)例是在程控電話(huà)交換設(shè)備的用戶(hù)接口電路上采用脈沖編碼調(diào)制(PCM，Pulse Coded Modulation)，如圖3.3.6所示。脈沖編碼調(diào)制的過(guò)程如下(參見(jiàn)圖3.3.7)：圖3.3.6 脈沖編碼調(diào)制圖3.3.7 脈沖編碼調(diào)制過(guò)程(1)取樣(Sampling)。一個(gè)連續(xù)變化的模擬數(shù)據(jù)，設(shè)其最高頻率或帶寬為Fmax，則取樣定理為：若取樣頻率2Fmax，則取樣后的離散序列就可無(wú)失真地恢復(fù)出原始的連續(xù)模擬信號(hào)。(2)量化(Quantizing)。量化即分級(jí)處理，將取樣所得的脈沖信號(hào)幅度按量級(jí)比較，進(jìn)行“取整”。(3)編碼(Coding)。將量化后的量化幅度用一定位數(shù)的二進(jìn)制碼來(lái)表示。大多數(shù)話(huà)音能量的頻率范圍在3003400Hz標(biāo)準(zhǔn)頻譜內(nèi)，當(dāng)取其帶寬為4kHz時(shí)，取樣頻率為每秒8000次。二進(jìn)制碼組稱(chēng)為碼字，其位數(shù)稱(chēng)為字長(zhǎng)。話(huà)音數(shù)字化過(guò)程由模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。在PCM系統(tǒng)的數(shù)字化話(huà)音中，通常分為N=256個(gè)量級(jí)，即用lbN=8位二進(jìn)制碼。二進(jìn)制碼組稱(chēng)為碼字，其位數(shù)稱(chēng)為字長(zhǎng)。這樣，話(huà)音信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸率為8000Hz(每秒8000次取樣)8(每次取樣8比特)=64kb/s3.3.4 模擬數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制使用模擬信號(hào)對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制的方法有三種：(1)幅度調(diào)制(AM，Amplitude Modulation)：簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)幅；使載波幅度隨原始的模擬數(shù)據(jù)(即調(diào)制信號(hào))的幅度變化，而載波的頻率不變。(2)頻率調(diào)制(FM，F(xiàn)requency Modulation)：簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)頻；使載波頻率隨原始的模擬數(shù)據(jù)的幅度變化，而載波的幅度不變。(3)相位調(diào)制(PM，Phase Modulation)：簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)相；使載波相位隨原始的模擬數(shù)據(jù)的幅度變化，而載波的幅度不變。載波通信就是采用幅度調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率搬移的一種模擬通信方式。現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)廣播電臺(tái)仍采用調(diào)幅、調(diào)頻技術(shù)。3.4 多路復(fù)用技術(shù)我們知道，在整個(gè)通信工程的投資成本中，傳輸介質(zhì)占有相當(dāng)大的比重，尤其是線(xiàn)傳輸介質(zhì)。對(duì)于軟傳輸介質(zhì)來(lái)說(shuō)，雖然它是一個(gè)自由空間，不需要使用線(xiàn)傳輸介質(zhì)連接，但可用頻率資源是有限的。因此，提高傳輸介質(zhì)的利用率是研究通信系統(tǒng)的一個(gè)不可忽視的重要內(nèi)容。既經(jīng)濟(jì)又有效地使用傳輸介質(zhì)的方法就是多路復(fù)用技術(shù)。多路復(fù)用技術(shù)有多種不同的方式：時(shí)分復(fù)用(TDM，Time Division Multiplexing)、頻分復(fù)用(FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing)、碼分復(fù)用(CDM，Coding Division Multiplexing)和波分復(fù)用(WDM，Wave Division Multiplexing)3.4.1 時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用(TDM)是利用時(shí)間分片方式來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸信道的多路復(fù)用的。從如何分配傳輸介質(zhì)資源的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，時(shí)分多路復(fù)用又可分為靜態(tài)時(shí)分復(fù)用和動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用兩種。1.靜態(tài)時(shí)分復(fù)用靜態(tài)時(shí)分復(fù)用是一種固定分配資源的方式，即將多個(gè)用戶(hù)終端的數(shù)據(jù)信號(hào)分別置于預(yù)定的時(shí)隙(TS，TimeSlot)內(nèi)傳輸，如圖3.4.1所示。不論用戶(hù)有無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送，其分配關(guān)系都是固定的。這種方式的發(fā)、收之間周期性地依次重復(fù)傳送數(shù)據(jù)，且保持嚴(yán)格的同步,所以又稱(chēng)為同步時(shí)分復(fù)用。使用這種方式時(shí)，高速的傳輸介質(zhì)容量(即線(xiàn)路可允許的數(shù)據(jù)速率)等于各個(gè)低速用戶(hù)終端的數(shù)據(jù)傳輸率之和。圖3.4.1 時(shí)分復(fù)用(TDM)(a)靜態(tài)時(shí)分復(fù)用；(b)動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用2.動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用又稱(chēng)異步時(shí)分復(fù)用，或稱(chēng)統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用(STDM，Statistical Time Division Multiple)。這是一種按需分配媒體資源的方式，即當(dāng)用戶(hù)有數(shù)據(jù)要傳輸時(shí)才分配資源;若用戶(hù)暫停發(fā)送數(shù)據(jù)，則不分配，如圖3.4.1(b)所示。由此可知，動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用方式可以提高線(xiàn)路傳輸?shù)睦寐?，這種方式特別適合于計(jì)算機(jī)通信中突發(fā)性或斷續(xù)性的應(yīng)用環(huán)境?；谶@種方式構(gòu)成的設(shè)備常稱(chēng)為集中器(Concentrator)。分組交換設(shè)備及分組型終端設(shè)備也采用了這種工作機(jī)制。比較圖3.4.1(a)和(b)可見(jiàn)，當(dāng)采用動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用時(shí)，每個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)傳輸速率可高于平均速率，最高可達(dá)到線(xiàn)路傳輸速率。但采用動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用方式時(shí)，在各個(gè)線(xiàn)路接口處應(yīng)采取下列必要的技術(shù)措施：(1)設(shè)置緩沖區(qū)，用于存儲(chǔ)已到達(dá)但尚未發(fā)出的數(shù)據(jù)單元。(2)設(shè)置流量控制，以利于緩和用戶(hù)爭(zhēng)用資源而引發(fā)的沖突。在動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用方式中，每個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)單元在一條線(xiàn)路上互相交替著傳輸，為了便于接收端能區(qū)分其歸屬，必須在所傳數(shù)據(jù)單元前附加用戶(hù)識(shí)別標(biāo)志，并對(duì)所傳數(shù)據(jù)單元加以編號(hào)。這種機(jī)理就像把傳輸信道分成了若干子信道一樣，子信道通常也稱(chēng)為邏輯信道(Logical Channel)。每個(gè)子信道可用相應(yīng)的號(hào)碼表示，稱(chēng)作邏輯信道號(hào)。邏輯信道號(hào)作為傳輸線(xiàn)路的一種資源，可由網(wǎng)中分組交換機(jī)或分組型終端根據(jù)數(shù)據(jù)用戶(hù)的通信要求予以動(dòng)態(tài)地分配。邏輯信道為用戶(hù)提供了獨(dú)立的數(shù)據(jù)流通路，對(duì)同一個(gè)用戶(hù)，各次通信可分配不同的邏輯信道號(hào)。3.4.2 頻分復(fù)用頻分復(fù)用(FDM)是利用頻率分隔方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的，其工作原理是采用調(diào)制技術(shù)，將待送的信號(hào)頻率搬移到傳輸介質(zhì)的相應(yīng)頻段上，尤如在馬路上劃出多個(gè)車(chē)道，使汽車(chē)可在多個(gè)車(chē)道上同時(shí)行駛。一般，汽車(chē)在行駛中可借助超車(chē)道加速或見(jiàn)空變換車(chē)道，但頻分復(fù)用所傳輸?shù)男盘?hào)在傳送段內(nèi)不可隨意變更信道。傳統(tǒng)的多路載波電話(huà)系統(tǒng)就是一種典型的頻分多路復(fù)用系統(tǒng)。盡管數(shù)字化技術(shù)發(fā)展迅速，但在利用軟傳輸介質(zhì)的無(wú)線(xiàn)電通信、微波通信、衛(wèi)星通信以及移動(dòng)通信中，仍然少不了頻分復(fù)用技術(shù)。3.4.3 碼分多址碼分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)是蜂窩移動(dòng)通信中迅速發(fā)展的一種信號(hào)處理方式。在第二代移動(dòng)通信中，GSM(全球通)采用了時(shí)分多址(TDMA，Time Division Multiple Access)技術(shù)，依據(jù)幀的屬性來(lái)分配信道，將整個(gè)信道按TDM(靜態(tài))和按ALOHA(動(dòng)態(tài))方法分配給連網(wǎng)的各個(gè)站點(diǎn)，是一種強(qiáng)制性的信道分配方法，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而CDMA則完全不同，它允許所有站點(diǎn)同時(shí)在整個(gè)頻段上進(jìn)行傳輸，采用擴(kuò)頻(Spread Spectrum)編碼原理對(duì)同時(shí)發(fā)生的多路傳輸加以識(shí)別。擴(kuò)頻系統(tǒng)一般有三種擴(kuò)頻方法：直序擴(kuò)頻(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)、跳頻擴(kuò)頻(FHSS，F(xiàn)requency Hopping Spread Spectrum)和跳時(shí)擴(kuò)頻(THSS，Time Hopping Spread Spectrum)。直序擴(kuò)頻(DSSS)是CDMA移動(dòng)通信、無(wú)線(xiàn)LAN中所使用的擴(kuò)頻通信方法，它關(guān)鍵是在多重線(xiàn)性疊加的信號(hào)中提取出所需的信號(hào)，將其他信號(hào)當(dāng)作隨機(jī)噪聲丟棄。在CDMA中，每比特時(shí)間被分成m個(gè)切片(Chip)，通常，每比特可有64個(gè)或128個(gè)切片。每個(gè)站點(diǎn)被指定一個(gè)惟一的m位代碼或切片序列(Chip Squence)。當(dāng)發(fā)送比特1時(shí)，站點(diǎn)送出的是切片序列；若發(fā)送比特0，則站點(diǎn)送出的是切片序列的補(bǔ)碼。為簡(jiǎn)單說(shuō)明其工作原理，現(xiàn)設(shè)每比特含8個(gè)切片。假設(shè)某站點(diǎn)的切片序列為00011011，在信道上傳輸?shù)那衅蛄?0011011表示發(fā)送了比特1，而其補(bǔ)碼11100100則表示發(fā)送了比特0。顯然，CDMA要求的帶寬增加了m倍。例如，1.25MHz的帶寬給100個(gè)站點(diǎn)來(lái)共享，在使用FDM方法時(shí)，每個(gè)站點(diǎn)的傳輸速率只能為12.5kb/s(假定1b/Hz)；當(dāng)使用CDMA技術(shù)時(shí)，每個(gè)站點(diǎn)能使用1.25MHz的全部帶寬，切片速率則為1.25M片/秒。因此，CDMA每站的切片只要小于100片/秒，其有效帶寬就可高出FDM。在接收端，若要從信號(hào)中提取單個(gè)站點(diǎn)的比特流，則必須事先知道該站點(diǎn)的切片序列。通過(guò)計(jì)算收到的切片序列(各站發(fā)送的線(xiàn)性總和)和待還原站點(diǎn)的切片序列的內(nèi)標(biāo)積，就可導(dǎo)出比特流。3.4.4 波分復(fù)用波分復(fù)用(WDM)是在光纖成纜的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的大容量傳輸技術(shù)。第一代光纖使用0.8m波長(zhǎng)的激光器，傳輸速率可達(dá)280Mb/s。目前使用了第四代摻鉺光放大器(EDFA，ErbiumDoped Fiber Amplifier)的單模光纖，其數(shù)據(jù)傳輸速率已達(dá)1020Gb/s。采用波分復(fù)用技術(shù)后，在一根光纖上可以使用不同的波長(zhǎng)傳輸多種光信號(hào)，如圖3.4.2所示。單纖可傳送16種波長(zhǎng)，每一波長(zhǎng)速率為2.5Gb/s，由此可構(gòu)成傳輸速率為40Gb/s的傳輸系統(tǒng)。圖3.4.2 波分復(fù)用(WDM)密集波分復(fù)用(DWDM)一詞經(jīng)常被用來(lái)描述支持巨大數(shù)量信道的系統(tǒng)，“密集”沒(méi)有明確的定義。例如，100GHz(通道間隔)40CH(通道數(shù))的DWDM模塊采用干涉濾波器技術(shù)，其功能是將滿(mǎn)足ITU波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)或?qū)⒉煌ㄩL(zhǎng)的光信號(hào)合成(復(fù)用)至一根光纖上，可支持100萬(wàn)個(gè)話(huà)音和1500個(gè)視頻信道。3.5 傳輸系統(tǒng)3.5.1 數(shù)字傳輸系統(tǒng)1.準(zhǔn)同步數(shù)字系列當(dāng)前的數(shù)字傳輸系統(tǒng)不少仍采用脈碼調(diào)制(PCM，Pulse Code Modulation)方式。PCM方式的數(shù)字通信系統(tǒng)是一種典型的同步時(shí)分多路復(fù)用系統(tǒng)，它將話(huà)音信號(hào)或其他各種模擬信號(hào)(如電視圖像信號(hào)等)數(shù)字化。數(shù)字化需經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：取樣、量化和編碼，然后按一定的格式把各路數(shù)字信號(hào)分配在預(yù)定的時(shí)隙內(nèi)，形成一個(gè)幀。傳輸時(shí)以幀為單元，周期性地依次重復(fù)傳送幀，發(fā)、收方之間應(yīng)保持嚴(yán)格的同步。根據(jù)取樣定理，只要取樣頻率fs等于或大于模擬傳輸信號(hào)最高頻率fm的二倍，則樣值信號(hào)序列就足夠代表原先的模擬信號(hào)。在接收端將這些樣值序列通過(guò)一個(gè)理想低通濾波器，就可以還原出原來(lái)的模擬信號(hào)。例如，標(biāo)準(zhǔn)的話(huà)音信號(hào)最高頻率為3.4kHz，設(shè)話(huà)音帶寬為4kHz。則取樣頻率一般為fs=8kHz，相當(dāng)于取樣周期T1/125s。取樣后形成了幅度連續(xù)、時(shí)間離散的脈沖信號(hào)，即脈幅調(diào)制(PAM)信號(hào)。量化是將PAM信號(hào)的幅度進(jìn)行分級(jí)、取整的幅度離散化過(guò)程，且將每一個(gè)取樣瞬時(shí)幅度納入鄰近的整數(shù)級(jí)。編碼則是把量化后脈沖取樣值按幅度大小變換成相應(yīng)的二進(jìn)制碼元，形成PCM信號(hào)。PCM現(xiàn)有兩個(gè)不兼容的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：歐洲的E系列，其一次群PCM為32/30路，數(shù)字信號(hào)傳輸速率為2.048Mb/s；北美(美國(guó)、日本等)的T系列，其一次群PCM為24路，傳輸速率為1.544Mb/s。在我國(guó)采用的E系列PCM體制中，模擬信號(hào)的量化等級(jí)為256級(jí)，折算成8比特編碼后，一個(gè)模擬話(huà)路信號(hào)的PCM信號(hào)傳輸速率為64kb/s。為了有效地利用傳輸介質(zhì)，PCM數(shù)字傳輸系統(tǒng)采用了同步時(shí)分多路復(fù)用方式，其幀結(jié)構(gòu)如圖3.5.1所示。圖3.5.1 PCM一次群32/30路幀結(jié)構(gòu)PCM32/30路系統(tǒng)中，一個(gè)幀(一次群E1，數(shù)據(jù)傳輸速率為2.048Mb/s)的時(shí)間長(zhǎng)度為125s，共分為32個(gè)時(shí)隙(TimeSlot)，時(shí)隙編號(hào)為T(mén)S0TS31。1)時(shí)隙TS0偶數(shù)幀TS0的第28比特為發(fā)送幀同步碼組“0011011”，第1比特供國(guó)際圖像用，不用時(shí)可暫定為“1”。奇數(shù)幀TS0的第3比特A1為失步對(duì)告碼，正常為“0”，失步時(shí)為“1”；第2比特為奇幀監(jiān)視碼，定為“1”，防止奇數(shù)幀中TS0的第28比特出現(xiàn)假同步碼；第48比特為國(guó)內(nèi)圖像用，暫定全為“1”。2)話(huà)路時(shí)隙話(huà)路時(shí)隙為T(mén)S1TS15，TS17TS31，共30個(gè)話(huà)路。每個(gè)話(huà)路時(shí)隙由8位二進(jìn)制碼元組成，每個(gè)碼元稱(chēng)為1比特。3) 標(biāo)志時(shí)隙TS16TS16用來(lái)表示30個(gè)話(huà)路的標(biāo)志信號(hào)。每個(gè)話(huà)路的標(biāo)志信號(hào)用4位碼元，因此，對(duì)應(yīng)30個(gè)話(huà)路的標(biāo)志信號(hào)，需采用“復(fù)幀”來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)幀由16個(gè)幀所組成，其編號(hào)分別為F0F15，也就是每16幀重復(fù)一次30個(gè)話(huà)路的標(biāo)志信號(hào)。由圖3.5.1可知，每一幀的TS16可同時(shí)傳送兩個(gè)話(huà)路的標(biāo)志信號(hào)，分別占14比特和58比特。其中F1到F15中的TS16的前4比特用來(lái)傳送第115路(CH1CH15)的標(biāo)志信號(hào)；后4比特則用來(lái)傳送第1630路(CH16CH30)的標(biāo)志信號(hào)。F0的前4比特為復(fù)幀失步對(duì)告碼，同步時(shí)為“0”，失步時(shí)為“1”，余下3比特留作備用，暫定為“1”。由上述可知，每幀時(shí)間為125s，一個(gè)復(fù)幀為2ms，每個(gè)時(shí)隙為3.91s，每比特為0.488s。一次群E1的傳輸速率為2.048Mb/s，每一路的數(shù)據(jù)傳輸速率為64kb/s。在一次群的基礎(chǔ)上，采取分級(jí)復(fù)用方式可構(gòu)成大容量的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，如表3.5.1所示。表3.5.1 PCM分級(jí)復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)表中也列出了T系列的分級(jí)復(fù)用方式，其中T1的傳輸速率為1.544Mb/s,一幀為24個(gè)話(huà)路。每個(gè)話(huà)路的取樣脈沖用7比特編碼，然后再加上1比特信令碼元用于控制，因此一個(gè)話(huà)路時(shí)隙也有8比特。幀同步碼是在24個(gè)話(huà)路的編碼之后再加上1比特，所以每幀共有193比特。PCM數(shù)字傳輸系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：抗干擾能力強(qiáng)；信號(hào)可再生中繼(傳輸中噪聲和信號(hào)畸變不會(huì)累積)；數(shù)字電路易于集成與小型化，可直接提供數(shù)字傳輸信道，適宜于數(shù)據(jù)和其他數(shù)字信號(hào)的傳輸，與數(shù)字交換系統(tǒng)相配合，有利于組成綜合數(shù)字網(wǎng)(IDN)；便于加密；在相同的條件下，PCM要求占用的傳輸頻帶較寬，可使用光纖傳輸。PCM數(shù)字傳輸系統(tǒng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要求全網(wǎng)的時(shí)鐘系統(tǒng)保持同步，由于已經(jīng)存在兩種不同的PCM體制，在全球系統(tǒng)的PCM環(huán)境中，只能實(shí)現(xiàn)PDH(準(zhǔn)同步數(shù)字系列)。2.同步數(shù)字系列/同步光纖網(wǎng)1)同步數(shù)字系列為了在干線(xiàn)網(wǎng)上有效地傳送高次群的比特流，以利于全球范圍的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)網(wǎng)間互聯(lián)，美國(guó)貝爾通信研究所(Bellcore)最早提出了同步光纖網(wǎng)(SONET，Synchronous Optical Network)的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)后來(lái)成為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSIT1.105106。SONET標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)用光纖傳輸系統(tǒng)定義了線(xiàn)路傳輸速率的等級(jí)結(jié)構(gòu)。以51.840Mb/s(相當(dāng)于PDH的E3/T3傳輸速率)為基礎(chǔ)的傳輸速率，對(duì)電信號(hào)來(lái)說(shuō)，是第1級(jí)同步傳送信號(hào)，即STS1(Synchronous Transport Signal1)；對(duì)于光信號(hào)而言，則是第1級(jí)光載波，即OC1(Optical Carrier1)。1988年，ITUT在SONET的基礎(chǔ)上，經(jīng)修改制定了相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系列(SDH，Synchronous Digital Hierarchy)，即G.707、G.708、G.709系列建議，隨后又增加了10多條建議。SDH以155.520Mb/s作為第1級(jí)同步轉(zhuǎn)移模式，即STM1(Synchronous Transfer Mode1)，較高等級(jí)的STMN則是N個(gè)STM1的復(fù)用。表3.5.2列出了SDH和SONET各級(jí)的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。SDH是新一代的傳輸網(wǎng)體制。所謂SDH，是一個(gè)將同步信息傳輸、復(fù)用、分插和交叉連接功能融為一體的結(jié)構(gòu)化傳送網(wǎng)絡(luò)，并由統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行、管理、維護(hù)和指配(OAM&P)。表3.5.2 SDH和SONET各級(jí)的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)2) SDH的幀結(jié)構(gòu)SDH技術(shù)中采用的幀格式是基于字節(jié)的塊狀結(jié)構(gòu)，如圖3.5.2所示。SDH采用標(biāo)準(zhǔn)化的等級(jí)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)之為同步傳送模塊STMN，其中N=1，4，16，64等。最基本的模塊為SMN1，傳輸速率為155.520Mb/s；將4個(gè)STM1同步復(fù)用構(gòu)成STM4，傳輸速率為622.080Mb/s；依次類(lèi)推。字節(jié)傳送的次序是從左到右逐排進(jìn)行，傳送一幀需125s。與一般信息的幀格式不同，SDH幀由9行(270N)列字節(jié)組成，傳輸順序自左到右，從上到下，依次排成串形碼流。傳輸一幀需要125s，每秒可傳送8000幀。由此可知，對(duì)STM1來(lái)說(shuō)，N=1，傳輸速率為9行270列8比特/字節(jié)8000幀/秒=155.520Mb/s。高階同步傳送模塊可由基本模塊STM1的N倍組成，即STMN。其中，N的取值為4的倍數(shù)。例如N=4，則為STM4，所對(duì)應(yīng)的傳輸速率為4155.520=622.080Mb/s；N=16，則為STM16，所對(duì)應(yīng)的傳輸速率為16155.520=2.488320Gb/s。從格式上來(lái)看，SDH幀結(jié)構(gòu)可分為三部分：段開(kāi)銷(xiāo)(SOH，Section Over Head)、管理單元指針(AUPTR)和STMN凈負(fù)荷(Payload)。其中，SOH可分為再生段SOH(RSOH)、復(fù)用段SOH(MSOH)；凈負(fù)荷中含9行(1N)列的通道開(kāi)銷(xiāo)(POH，Path Over Head)，其他為信息凈負(fù)荷，用于承載電信業(yè)務(wù)的比特。如STM1有9行260列字節(jié)用于業(yè)務(wù)傳輸。3) SDH的特點(diǎn)。(1)SDH具有統(tǒng)一的光接口和復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)。SDH網(wǎng)不僅能與現(xiàn)有的PDH網(wǎng)完全兼容，即能使PDH的T系列和E系列(含三個(gè)地區(qū)性標(biāo)準(zhǔn)：歐洲、北美、日本)在STM1上獲得統(tǒng)一，同時(shí)還可容納各種新的數(shù)字業(yè)務(wù)信號(hào)，如ATM信元、FDDI幀等。另一方面，統(tǒng)一的NNI(網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口)，使網(wǎng)絡(luò)單元(NE)在光通路橫向上得以互通。(2) SDH采用同步復(fù)用和靈活的復(fù)用映射結(jié)構(gòu)。SDH采用了先進(jìn)的指針調(diào)整技術(shù)，使來(lái)自不同業(yè)務(wù)提供者的信息凈負(fù)荷在不同環(huán)境下同步復(fù)用，且可承受一定的定時(shí)基準(zhǔn)丟失。此外，SDH引入了“虛容器(VC，Virtual Container)”的概念。所謂虛容器(VC)，是一種支持通道層連接的信息結(jié)構(gòu)，當(dāng)各種業(yè)務(wù)信息經(jīng)處理裝入VC后，系統(tǒng)可不管所承載的信息結(jié)構(gòu)，只需處理各種虛容器即可。這種方式尤如當(dāng)前使用集裝箱的運(yùn)輸方式，既減少了管理實(shí)體的數(shù)量，又具有信息傳送的透明性。(3)SDH具有健全的網(wǎng)絡(luò)管理功能。SDH具有可統(tǒng)一的網(wǎng)管系統(tǒng)操作，并可對(duì)網(wǎng)絡(luò)單元進(jìn)行分布式的有效管理，具有開(kāi)設(shè)業(yè)務(wù)的性能監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)維護(hù)、不同供應(yīng)商設(shè)備間的互通等功能。SDH/SONET標(biāo)準(zhǔn)不僅適用光纖傳輸系統(tǒng)，也可用于衛(wèi)星和微波通信傳輸，并已成為寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的物理協(xié)議3.5.2 模擬傳輸系統(tǒng)傳統(tǒng)的四通八達(dá)的電話(huà)通信系統(tǒng)是典型的模擬傳輸系統(tǒng)，一般采用多層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)現(xiàn)有電話(huà)網(wǎng)共分為長(zhǎng)途電話(huà)網(wǎng)和市內(nèi)電話(huà)網(wǎng)。長(zhǎng)途電話(huà)網(wǎng)為4級(jí)匯接輻射方式，這4級(jí)交換中心分別為：一級(jí)中心(又稱(chēng)省間中心，C1)、二級(jí)中心(又稱(chēng)省中心，C2)、三級(jí)中心(又稱(chēng)縣間中心，C3)和四級(jí)中心(又稱(chēng)縣中心，C4)。一級(jí)中心之間構(gòu)成全連通網(wǎng)，每一個(gè)上級(jí)中心均按輻射狀與若干下一級(jí)中心形成輻射式星型網(wǎng)，縣中心下接的市話(huà)局可與其管轄范圍內(nèi)的電話(huà)用戶(hù)相連。為了減少層次，現(xiàn)將C