第二章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 物理層

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第 6 版）版）第 2 章 物理層第第 2 章章 物理層物理層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)引型傳輸媒體2.3.2 非導(dǎo)引型傳輸媒體第第 2 章章 物理層（續(xù)）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 ADSL技術(shù) 2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)

2、） 2.6.3 FTTx 技術(shù)2.1 物理層的基本概念物理層的基本概念 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： l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。l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。l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。l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。 2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念l數(shù)據(jù)(data)通常是指預(yù)先約定的具有某種含義的數(shù)字、符號(hào)和字母的組合。l信號(hào)(signal)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電磁波的表示形式。 l“模擬的”(analogous)連續(xù)變化的

3、。l“數(shù)字的”(digital)取值是離散的。l調(diào)制把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過程。l解調(diào)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程。l信道表示向某一方向傳送數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)和信號(hào)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)有意義的實(shí)體涉及數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋在某個(gè)區(qū)間產(chǎn)生連續(xù)的值產(chǎn)生離散的值是數(shù)據(jù)的電磁 (或電子)編碼涉 及 到 事物的形式是一種連續(xù)變化的電磁波是一系列的電壓脈沖信號(hào)2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào) PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào) 數(shù)字發(fā)送器2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基

4、本概念2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念信源和信宿：信源就是信息的發(fā)送端，是發(fā)出待傳送信息的設(shè)備；信宿就是信息的接收端，是接收所傳送信息的設(shè)備。信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備：是將信源發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換成適合于在信道上傳輸?shù)男盘?hào)的設(shè)備。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念傳輸系統(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)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào) 正文正文數(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)2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念通信系統(tǒng)舉例2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念通信系統(tǒng)舉例(b) 局域網(wǎng)用戶通過

5、Internet上網(wǎng)通信SiSiInternetSiSiToken-ring2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)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 公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(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PC2.2數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式1、并行傳輸與串行傳輸2、異步傳輸與同步傳輸3、單工、半雙工和全雙工傳輸4、模擬傳輸和數(shù)字傳輸2.2數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式 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

6、輸。 2.2數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式 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)流在一條信道上逐位順序傳輸。2.2數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式 異步傳輸不論字符所采用的代碼為多少位，在發(fā)送每一個(gè)字符代碼（即字符的數(shù)據(jù)位）時(shí)，都要在前面加上一個(gè)起始位，表示一個(gè)字符的開始；后面加上一個(gè)停止位，表示一個(gè)字符的結(jié)束。 2.2數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式 同步傳輸2.2數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式l單工傳輸只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。l半雙工傳輸通信的雙方都可以發(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)。l全雙工傳輸通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。 2.2數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方

7、式l模擬傳輸模擬信號(hào)：時(shí)間和幅度取值連續(xù)變化 的信號(hào)量。模擬信道：適于模擬信號(hào)傳輸?shù)男诺滥M傳輸系統(tǒng)：傳輸模擬信號(hào)的通信系統(tǒng)l數(shù)字傳輸數(shù)字信號(hào)：時(shí)間和幅度取值離散 （不連續(xù)變化）的信號(hào)量。數(shù)字信道：適于數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)男诺罃?shù)字傳輸系統(tǒng)：傳輸數(shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)幅度時(shí)間幅度時(shí)間 2.2.2 有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念l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。l雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(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)。l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。 2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)l1、數(shù)據(jù)序列的

8、電信號(hào)表示l2、信道容量的概念l3、基帶傳輸l4、頻帶傳輸l5、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)序列單極性不歸零碼單極性歸零碼雙極性不歸零碼雙極性歸零碼 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)序列偽三元編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼差分編碼 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù) 基帶信號(hào) 在數(shù)據(jù)通信中，表示計(jì)算機(jī)中二進(jìn)制比特序列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)是典型的矩形脈沖信號(hào)。人們把矩形脈沖信號(hào)的固有頻帶稱作基本頻帶(簡(jiǎn)稱為基帶)，這種矩形脈沖信號(hào)就叫做基帶信號(hào)。 在數(shù)字信道上，計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)是以矩形脈沖信

9、號(hào)直接傳送的，這種傳送方法稱為基帶傳輸。 2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)l頻帶傳輸又稱為調(diào)制傳輸，就是先將基帶信號(hào)變換成便于在模擬信道中傳輸?shù)?、具有較高頻率范圍的信號(hào)（頻帶信號(hào)），再將這種頻帶信號(hào)在信道中傳輸。2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬傳輸l有些傳輸媒體只適合于傳輸模擬信號(hào)，為充分利用現(xiàn)有的傳輸資源，必須將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)才能傳輸。l將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過程叫調(diào)制（實(shí)際上是用數(shù)字信號(hào)控制模擬信號(hào)的某些參數(shù)，使模擬信號(hào)攜帶信息）。l將攜帶信息的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（或稱從已調(diào)制的模擬信號(hào)中提取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)）的過程叫解調(diào)。l最常用的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備是調(diào)制解調(diào)器

10、（MODEM），同時(shí)具有調(diào)制和解調(diào)的功能，在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，是一種典型的DCE設(shè)備。l常用的調(diào)制技術(shù)：載波：一種便于發(fā)射和接收，及技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高頻簡(jiǎn)諧波或周期性脈沖信號(hào)。當(dāng)載波為高頻簡(jiǎn)諧波時(shí)，可用三個(gè)參數(shù)描述：振幅、頻率、相位?？刂七@三個(gè)參數(shù)變化，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬傳輸2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)l以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)控制載波的幅度，稱為數(shù)字調(diào)幅，又稱幅移鍵控，簡(jiǎn)稱ASK。l以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)控制載波的相位，稱為數(shù)字調(diào)相，又稱相移鍵控，簡(jiǎn)稱PSK。l以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)控制載波的頻率，稱為數(shù)字調(diào)頻，又稱頻移鍵控，簡(jiǎn)稱FSK。 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬傳輸2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)0

11、10011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)抽樣量化編碼模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信道解碼恢復(fù)數(shù)字信號(hào)模擬數(shù)據(jù)2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)時(shí)間量化幅值量化采樣間隔Ts 2 fc模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)基帶基帶(baseband)信號(hào)和信號(hào)和帶通帶通(band pass)信號(hào)信號(hào) l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)。l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)。 l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

12、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）。 幾種最基本的調(diào)制方法幾種最基本的調(diào)制方法 l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)。 l最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法對(duì)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)相正交振幅調(diào)制正交振幅調(diào)制 QAM(Quad

13、rature 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2.2.3 信道的極限容量信道的極限容量 l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。 l碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?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。 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 l有失真，但

14、可識(shí)別有失真，但可識(shí)別l失真大，無法識(shí)別失真大，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l信道容量是指在一定的條件下，給定通信路徑（信道）上所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)信道容量噪聲誤碼率帶寬數(shù)據(jù)傳輸速率信道能夠通過的頻率范圍信道能夠通過的頻率范圍l1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(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。l在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對(duì)碼元

15、的判決（即識(shí)別）成為不可能。l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)_。 l理想低通信道的最高碼元傳輸速率 N= 2W BaudlW 是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz) 不能通過能通過0頻率(Hz)W (Hz) 2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)l在理想低通信道中，如果信道帶寬WHz，則最高碼元傳輸速率是每秒 2 W 個(gè)碼元。l每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 2 個(gè)碼元。lBaud 是波特，是碼元傳輸速率的單位，1 波特為每秒傳送 1 個(gè)碼元。2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)l實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低

16、于奈氏準(zhǔn)則給出上限數(shù)值。l波特(Baud)和比特(bit)是兩個(gè)不同的概念。 波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€(gè)碼元）。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率。比特是信息量的單位。 要強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)l信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上有一定的關(guān)系。l若 1 個(gè)碼元只攜帶 1 bit 的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。l若 1 個(gè)碼元攜帶 n bit 的信息量，則 N Baud 的碼元傳輸速率所對(duì)應(yīng)的信息傳輸速率為 N n b/s。 2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)傳輸比特流 10011100 10 01 11 00 2

17、bit一組4種幅度,1個(gè)碼元攜帶2bit信息, n = log2M (M 碼元狀態(tài)數(shù))t32102.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)l無噪聲的情況下，在帶寬為W的信道，其最大的數(shù)據(jù)傳輸速率C（信道容量）為 C=2Wlog2M2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)l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。l信道的極限信息傳輸速率 C(信道容量） 可表達(dá)為 C = W log2(1+S/N) b/s W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；S 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)l例2-7 一個(gè)數(shù)

18、字信號(hào)通過兩種物理狀態(tài)經(jīng)信噪比為20dB的3kHz帶寬的信道傳送，其數(shù)據(jù)率不會(huì)超過多少？ 應(yīng)用舉例2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)解：已知信噪比電平為20dB，則信噪功率比 S/N = 100 C = 3000log2(1+100)=30006.66=19.98 kbit/s 數(shù)據(jù)率不會(huì)超過19.98 kbit/sl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。 l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。 香農(nóng)公式表明2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)l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

19、息傳輸速率 C 也就沒有上限。l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。 香農(nóng)公式表明2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù) 奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)作用范圍源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)碼元傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制2.3數(shù)據(jù)傳送技術(shù)數(shù)據(jù)傳送技術(shù)香農(nóng)公式表明香農(nóng)公式表明 l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。 l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。 l若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當(dāng)然實(shí)

20、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。l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。 請(qǐng)注意請(qǐng)注意 l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)碼元攜帶更多比特的信息量。 2.3 物理層下面的傳輸媒體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104 105 106 107 108 109 101

21、0 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電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜2.3.1 導(dǎo)引型傳輸媒體導(dǎo)引型傳輸媒體l雙絞線屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) l同軸電纜50 同軸電纜75 同軸電纜l光纜 各種電纜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)體無屏蔽雙絞線無屏

22、蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線 STP同軸電纜光線在光纖中的折射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） 包層纖芯光纖的工作原理光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與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l在交通不便、施工不便的地方（高山、海洋、城市），或距離較遠(yuǎn)的情況下，使用無線傳輸方式，成本較低。l信息技術(shù)的發(fā)展，人們要求在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行電話通信或計(jì)算機(jī)通信。l無線電波可以在自由空間各個(gè)方向傳播，實(shí)現(xiàn)多種通信。這種通信不使用前述的各種導(dǎo)

23、向傳輸媒體，故稱為“非導(dǎo)向傳輸媒體”。2.3.2 非導(dǎo)引型傳輸媒體 l無線傳輸所使用的頻段很廣，人們可以根據(jù)需要使用不同頻段特性進(jìn)行通信。l傳統(tǒng)無線電：長(zhǎng)波、中波、短波 甚高頻、特高頻、超高頻、極高頻l微波通信（240GHz，直線傳播)地面接力微波：在地面建立若干微波中繼站，中繼站將前一站信號(hào)接收，放大后轉(zhuǎn)發(fā)到下一站，實(shí)現(xiàn)“接力”式傳輸。衛(wèi)星通信：將微波中繼站放在衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)。通信建立遠(yuǎn)，覆蓋面積大。l無線傳輸所使用的頻段很廣。l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。(多徑干擾)l微波在空間主要是直線傳播。 地面微波接力通信衛(wèi)星通信 l地面微波的工作頻率范圍一般為120 GHz

24、，其特點(diǎn)是直線傳播，因此只能在視距范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸。由于受到地形和天線高度的限制，兩微波站間的通信距離一般為3050 km。l優(yōu)點(diǎn)：通信信道容量大；傳輸質(zhì)量高；投資少；l缺點(diǎn)：LOS；雨衰；隱蔽、保密性差；人力物力消耗大；l 衛(wèi)星通信的最大特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，且通信費(fèi)用與通信距離無關(guān)。l同步衛(wèi)星發(fā)射出的電磁波能輻射到地球上的通信覆蓋區(qū)的跨度達(dá)18000多公里。l只要地球赤道上空的同步軌道上，等距離地放置3顆相隔120度的衛(wèi)星，就能基本上實(shí)現(xiàn)全球的通信。l無線電波是一個(gè)廣義的概念，從含義上講，無線電波是全向傳播，而微波是定向傳播。l 無線電波不同頻段用于不同通信方式 3 30 MHz，用于短波通信；

25、 30300MHz，用于數(shù)據(jù)通信； 蜂窩無線電移動(dòng)通信。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念l 紅外線技術(shù)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)通信中得到了應(yīng)用，例如兩臺(tái)筆記本電腦對(duì)著紅外接口，可傳輸文件。l 紅外線鏈路只需一對(duì)收發(fā)器，可調(diào)制不相干的紅外光，在視線距離的范圍內(nèi)傳輸，具有很強(qiáng)的方向性。 2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念調(diào)制非相干紅外線光 2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念 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 MHz MHz MHz頻率 902 928 2.4 2.4835 5.725 5.850 MHz MHz GHz GHz GHz G

26、Hz+( )2.4 信道復(fù)用技術(shù)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)用頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 l復(fù)用復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念是通信技術(shù)中的基本概念+A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a) 使用單獨(dú)的信道(b) 使用共享信道復(fù)用分用頻分復(fù)用頻分復(fù)用 FDM(Frequency Division Multiplexing) l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。l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)間頻帶 1頻帶

27、2頻帶 3頻帶 n時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing) l時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)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。l每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是 TDM 幀的長(zhǎng)度）。lTDM 信號(hào)也稱為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。l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。時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B C DB C DB C DB C DAAAATDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀周期性出現(xiàn)周期性出現(xiàn)時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi)

28、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。 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM(Statistic TDM) 用戶ABCDabcdttttt3 個(gè) STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 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 1

29、553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分復(fù)用波分復(fù)用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) l波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用波分復(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2.4.3 碼分復(fù)用碼分復(fù)用 CDM(Code Division Multiplexing) l常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。l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。l

30、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)。 l每一個(gè)比特時(shí)間劃分為 m 個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。 碼片序列碼片序列(chip sequence) l每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 l例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。發(fā)送比特 1 時(shí)，就發(fā)送序列 00011011，發(fā)送比特 0 時(shí)，就發(fā)送序列 11100100。lS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特點(diǎn)的重要特點(diǎn)l每個(gè)站分配的

31、碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。l在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。 碼片序列的正交關(guān)系碼片序列的正交關(guān)系 l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。 l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(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)碼片序列的正交關(guān)系舉例碼片序列的正交關(guān)系舉例 l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)。 l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。

32、 l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 。l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)重要特性正交關(guān)系的另一個(gè)重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSCDMA 的工作原理的工作原理 S 站的碼片序列 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?cái)?shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)數(shù)字傳輸系統(tǒng)l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。l由于歷史上的原因，PCM 有兩個(gè)互不兼容

33、的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的 24 路 PCM（簡(jiǎn)稱為 T1）和歐洲的 30 路 PCM（簡(jiǎn)稱為 E1）。我國(guó)采用的是歐洲的 E1 標(biāo)準(zhǔn)。lE1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。l當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時(shí)，可采用復(fù)用的方法。 舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點(diǎn)存在著許多缺點(diǎn)最主要的是以下兩個(gè)方面： l速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。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(guó)際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實(shí)現(xiàn)。 l不是同步傳輸。在過去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，各國(guó)的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式。 同步光纖網(wǎng)同步光纖網(wǎng) SONETl同步光纖網(wǎng) SONET (Synchron

34、ous Optical Network) 的各級(jí)時(shí)鐘都來自一個(gè)非常精確的主時(shí)鐘。 l第 1 級(jí)同步傳送信號(hào) STS-1 (Synchronous Transport Signal)的傳輸速率是 51.84 Mb/s。l光信號(hào)則稱為第 1 級(jí)光載波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 同步數(shù)字系列同步數(shù)字系列 SDH lITU-T 以美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) SONET 為基礎(chǔ)，制訂出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。l一般可認(rèn)為 SDH 與 SONET 是同義詞。lSDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱為第 1 級(jí)同步傳遞

35、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)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-

36、96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/s39813.120 OC-768/STS-768 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 2.6 寬帶接入技術(shù)寬帶接入技術(shù)2.6.1 ADSL技術(shù)技術(shù)lADSL 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)。l標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號(hào)的頻帶被限制在 3003400 Hz 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。lADSL 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

37、的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。l具體工作流程是：經(jīng)ADSL Modem編碼后的信號(hào)通過電話線傳到電話局后再通過一個(gè)分離器，如果是語音信號(hào)就傳到電話交換機(jī)上，如果是數(shù)字信號(hào)就接入Internet。lDSL 就是數(shù)字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。DSL 的幾種類型的幾種類型 lADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對(duì)稱數(shù)字用戶線lHDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶線lSDSL (Single-line DSL)：1 對(duì)線的數(shù)字用戶線lVDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字

38、用戶線lDSL ：ISDN 用戶線。lRADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應(yīng) DSL，是 ADSL 的一個(gè)子集，可自動(dòng)調(diào)節(jié)線路速率）。 ADSL 的極限傳輸距離的極限傳輸距離lADSL 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)。l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。l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

39、速率下就只能傳送2.7公里 ADSL 的特點(diǎn)的特點(diǎn)l上行和下行帶寬做成不對(duì)稱的。l上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。lADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個(gè) ADSL 調(diào)制解調(diào)器。l我國(guó)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。DMT 技術(shù)技術(shù)lDMT 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。l每個(gè)子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬（嚴(yán)格講是 4.31

40、25 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)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)。每?jī)蓚€(gè)子信道之間就有0.3125kHz的頻隔離區(qū)。l理論上每赫茲可以傳輸15bits數(shù)據(jù)，所以ADSL的理論上行速度為25*4*15=1.5Mbps，而理論下行速度為249415=14.9MbpsDMT 技術(shù)的頻譜分布技術(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)401381100ADSL 的數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)率l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)

41、率。l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。lADSL 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。l通常下行數(shù)據(jù)率在 32 kb/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。ADSL 的組成的組成 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) 第二代第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）l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