《網(wǎng)絡(luò)》第2章(zy)

1、第 2 章 物理層*2.1 物理層的基本概念物理層的基本概念*2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識n 2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型n 2.2.2 有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念n 2.2.3 信道的極限容量信道的極限容量2.3 物理層下面的傳輸媒體物理層下面的傳輸媒體n 2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體n 2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體非導(dǎo)向傳輸媒體*2.4 信道復(fù)用技術(shù)n 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 2.4.2 波分復(fù)用n 2.4.3 碼分復(fù)用n SONET/SDH*2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)數(shù)字傳輸系統(tǒng)n 模擬傳輸系統(tǒng)模擬傳輸系統(tǒng)n 數(shù)字傳輸系統(tǒng)數(shù)字傳輸系統(tǒng)*2.6 寬帶接入技術(shù)n 2.6.

2、1 xDSL技術(shù)技術(shù)n 2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)（HFC網(wǎng)）n 2.6.3 FTTx技術(shù)2.1 物理層的基本概念n實(shí)現(xiàn)在特定介質(zhì)上的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收發(fā)送時(shí)：將比特流轉(zhuǎn)換成適合在介質(zhì)上傳輸?shù)男盘柦邮諘r(shí)：將介質(zhì)上的接收到的信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的比特流n為上層提供接口(特性)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規(guī)程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 n相鄰層的依賴關(guān)系li層只規(guī)定其功能及其對上層（i+1層）服務(wù)的接口li層只能使用為其提

3、供服務(wù)的底層（i-1層）所提供的接口，而不能要求底層（i-1層）應(yīng)采用什么樣的接口方式2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型調(diào)制解調(diào)器公用電話網(wǎng)源系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器終點(diǎn)接收器發(fā)送器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)信號源點(diǎn)信息n術(shù)語l數(shù)據(jù)和信號u數(shù)據(jù)(data)信息的抽象表示方式（0/1，代碼）。u信號(signal)信息的物理表現(xiàn)（電/磁/光） 。 l模擬和數(shù)字u模擬(analogous)信號取值和時(shí)間都是連續(xù)變化的信號。u數(shù)字(digital)信號取值和時(shí)間上是離散的信號。l調(diào)制和解調(diào)u調(diào)制(modulation)把數(shù)據(jù)放到信號中。u解調(diào)

4、(demodulation)提取信號中的數(shù)據(jù)。 l傳輸系統(tǒng)數(shù)字傳輸系統(tǒng)：用戶將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過接口送到傳輸系統(tǒng)中；或從系統(tǒng)直接收到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。模擬傳輸系統(tǒng)：用戶將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號后通過接口送到傳輸系統(tǒng)中；或從系統(tǒng)收到模擬信號。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)編碼解碼器編碼解碼器公用電話網(wǎng)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)2.2.2 有關(guān)通信系統(tǒng)的幾個(gè)基本概念n信道（channel）傳送信息的媒體（介質(zhì)），一條電路上至少包含一條發(fā)送信道和一條接收信道n通信的交互方式l單向通信（單工通信）u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）u通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能

5、雙方同時(shí)發(fā)送。l雙向同時(shí)通信（全雙工通信）u通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。 n信號的分類l基帶信號(baseband)：來自信源的信號u數(shù)字基帶信號： 1/0 用兩種不同的電壓表示，形成脈沖波形，直接送到線路上去傳輸。l寬帶信號(broadband) u多個(gè)不同頻率范圍（頻帶）的模擬信號同時(shí)在同一信道上傳輸，構(gòu)成寬帶信號。2.2.3 信道的極限傳輸速率n模擬信道l帶寬（單位：赫茲，Hz）u模擬信道可通過的信號頻率范圍通頻帶，可用幅頻特性曲線（頻譜） A=g(f) 描述W = fH- fLl實(shí)際信道帶寬總是有限的實(shí)際信道帶寬總是有限的l模擬信號帶寬u模擬信號的頻帶范圍u頻率在 fL fH 之

6、內(nèi)的信號，能通過信道*fLfHfA10實(shí)際的特性曲線實(shí)際的特性曲線理想的特性曲線理想的特性曲線l只能傳輸幅度范圍有限的信號u信號功率（幅度）不能太大l功率太大能耗高，且有危險(xiǎn)功率太大能耗高，且有危險(xiǎn)l通常在毫瓦數(shù)量級（電壓不超過通常在毫瓦數(shù)量級（電壓不超過24V）u信號功率（幅度）不能太小l信道上有噪聲信道上有噪聲l功率或幅度太小，會被噪聲功率或幅度太小，會被噪聲“淹沒淹沒”，不能有效接，不能有效接收收噪聲較小的信道噪聲較小的信道噪聲較大的信道噪聲較大的信道n數(shù)字信道速率（數(shù)字帶寬）l數(shù)字信道也有一定的帶寬，即速率上限l數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的速率不能超過信道的速率上限模擬帶寬數(shù)字帶寬？已知：u模擬帶寬W(

7、Hz)信道中實(shí)際傳輸?shù)氖悄M信號u信道中傳輸信號功率上限S(w);u信道中噪聲功率有下限N(w);求：信道傳輸數(shù)據(jù)速率速率的上限值C (bps)。n香農(nóng)公式計(jì)算信道上的信息傳輸極限速率C ：信道的極限信息傳輸速率（b/s）W ：信道的模擬帶寬（Hz）S/N：信道上的信噪比uS：信道內(nèi)所傳信號的平均功率uN：信道內(nèi)部的高斯噪聲功率C = Wlog2 (1+S/N) (b/s)l香農(nóng)公式物理意義u信道的帶寬(W)或信道中的信噪比(S/N)越大，信息的極限傳輸速率就越高u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。 u若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上

8、限，則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。（實(shí)際信道不可能如此）u實(shí)際信道的信息傳輸速率要比極限傳輸速率低一些。 【例1】對頻率范圍3003400Hz，S/N2500的標(biāo)準(zhǔn)話音信道，計(jì)算極限信息傳輸速率。解：W34003003100Hz，SN2500，由香農(nóng)公式CWlog2 (1SN) 3100log2 (2500+1） 35Kbps。（目前編碼技術(shù)水平已接近該數(shù)值，為33.6Kbps）【例2】3003400Hz標(biāo)準(zhǔn)話音信道中（有接近2400Hz理想帶寬），若信息傳輸速率 c 19200 bps，計(jì)算最高信噪比。解：信息傳輸速率 C 19200 bps，帶寬 W 2400 Hz由仙農(nóng)公式

9、計(jì)算信噪比的最大值SN 2(CW)1 2(192002400) 1 255（該信噪比不高，較容易達(dá)到。）2.3 物理層下面的傳輸媒體n通信使用的電磁波的頻譜無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線(Hz)f100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024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)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 移動無線電 2.3.1 導(dǎo)向

10、傳輸介質(zhì)n雙絞線（電纜）兩相互絕緣的銅導(dǎo)線，規(guī)則地紐絞后構(gòu)成一對雙絞線。4對或更多對組合加上護(hù)套，構(gòu)成雙絞線電纜。紐絞（twist）：有效地減少電磁干擾，提高傳輸性能l雙絞線分類u屏蔽雙絞線 (STP, Shielded Twisted Pair)l雙絞線電纜外有抗干擾的金屬屏蔽層雙絞線電纜外有抗干擾的金屬屏蔽層l特征阻抗為特征阻抗為150u非屏蔽雙絞線 (UTP, Unshielded Twisted Pair) l雙絞線電纜外無金屬屏蔽層雙絞線電纜外無金屬屏蔽層l特征阻抗為特征阻抗為100屏蔽雙絞線 STP非屏蔽雙絞線 UTP帶絕緣層的銅導(dǎo)線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層帶絕緣層的銅導(dǎo)線l

11、雙絞線標(biāo)準(zhǔn)uEIA/TIA-568（商用建筑物電信布線標(biāo)準(zhǔn)）：室內(nèi)采用STP和UTPuEIA/TIA-568-A（商用建筑物電信布線標(biāo)準(zhǔn)）：室內(nèi)采用16級（ Category，CAT，類）UTPl常用雙絞線u3級（Category 3）UTPu5級（Category 5）UTPl改進(jìn)導(dǎo)線質(zhì)量改進(jìn)導(dǎo)線質(zhì)量l標(biāo)準(zhǔn)的線徑：標(biāo)準(zhǔn)的線徑：24AWG（American Wire Gauge）l增加單位長度的絞合次數(shù)增加單位長度的絞合次數(shù)增強(qiáng)了增強(qiáng)了UTP的的“衰減衰減”和和“近端串?dāng)_近端串?dāng)_”等傳輸?shù)葌鬏斕匦?。特性。l雙絞線的特點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化u得到更多廠商的廣泛支持u施工規(guī)范l100米規(guī)定米規(guī)定l專用接續(xù)方式（

12、專用接續(xù)方式（RJ45，插頭，插頭/插座）及相應(yīng)的制作插座）及相應(yīng)的制作設(shè)備（插座用打線器，插頭用專用鉗）設(shè)備（插座用打線器，插頭用專用鉗）l標(biāo)準(zhǔn)線序標(biāo)準(zhǔn)線序u可靠性高l無焊接點(diǎn)無焊接點(diǎn)l星型拓?fù)洌c(diǎn)星型拓?fù)洌c(diǎn)點(diǎn)）點(diǎn)）u支持傳輸多種信號l網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)（10BT，100BTx，1000B，TPDDI）l話音，音視頻，樓宇控制話音，音視頻，樓宇控制n同軸電纜l結(jié)構(gòu)：由（單/多芯）內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、外導(dǎo)體（屏蔽層）和保護(hù)外套構(gòu)成?？垢蓴_性能好，傳輸距離遠(yuǎn)，帶寬高；u50 同軸電纜u75 同軸電纜外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)線l50基帶同軸電纜常用于傳輸網(wǎng)絡(luò)基帶信號u方波頻率為10M時(shí)，可無中繼傳

13、輸1KM，常見的方波信號有“曼徹斯特編碼”和“差分曼徹斯特編碼”、“曼碼”、“差分曼碼”與基帶數(shù)字波形的關(guān)系。u細(xì)同軸電纜采用 “T型連接器”實(shí)現(xiàn)分接。l75寬帶同軸電纜常用于傳輸寬帶信號u帶寬在300400MHz，CATV經(jīng)常采用作為用戶接入信號電纜和近距離次主干信號電纜使用，可傳100KM不用信號“再生”，每6MHz為一個(gè)信道（傳輸一路電視信號） 頻分復(fù)用。u采用“插入式分接頭” 實(shí)現(xiàn)分接。n光纖（光纜）l光纖（一芯）結(jié)構(gòu)u光纖芯（透明度高的石英玻璃絲）u包層（折射率低的介質(zhì)）l光纜：多芯光纖 + 保護(hù)和強(qiáng)化護(hù)套等組成包層纖芯l光纖工作原理u利用全反射原理，構(gòu)成光纖的光傳道通路l發(fā)送端：數(shù)

14、據(jù)發(fā)送端：數(shù)據(jù) 光信號光信號l接收端：光信號接收端：光信號 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 纖芯（高折射率的介質(zhì)） 折射角入射角 包層（低折射率的介質(zhì)） 包層（低折射率的介質(zhì)）包層纖芯l光纖分類：單模光纖、多模光纖u多模光纖l光纖芯的直徑相對較大，多條頻率不同、入射角不光纖芯的直徑相對較大，多條頻率不同、入射角不同的光線在同一光纖中傳播同的光線在同一光纖中傳播l全反射次數(shù)不同，傳播的距離不同，到達(dá)的時(shí)間不全反射次數(shù)不同，傳播的距離不同，到達(dá)的時(shí)間不同，造成同，造成“色散色散”u單模光纖l采用單色光源采用單色光源激光（半導(dǎo)體激光器）激光（半導(dǎo)體激光器）l光纖芯的直徑足夠小到光波長的數(shù)量級，只有一種光纖芯的直徑足夠小到

15、光波長的數(shù)量級，只有一種“模式模式”的光在傳播；色散極小，傳輸距離可增加的光在傳播；色散極小，傳輸距離可增加1個(gè)以上數(shù)量級個(gè)以上數(shù)量級l光纖通信特點(diǎn)u高帶寬，通信容量大。帶寬可達(dá)25T30THz。u傳輸損耗小，中繼距離長。在光纖中光傳播的衰減隨傳輸距離增加。u抗干擾能力強(qiáng)。無串音干擾。u保密性好。光難以“泄漏”。u體積小，重量輕。2.3.2 非導(dǎo)向傳輸介質(zhì)無線傳輸，頻段很寬n無線電短波（radio）通信l靠電離層的反射l通信質(zhì)量較差l速率低（100Mbps270ms=27Mb 一個(gè)MB級的文件“同時(shí)”在空中傳播n紅外（infrared）通信l頻率在10111014Hz間的電磁波，室外不能采用。

16、n可見光（visible light）通信l頻率在10141015Hz間的電磁波，如激光通信。2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)(2.5.1) 模擬傳輸系統(tǒng)長途干線：早期是采用頻分復(fù)用（FDM）的模擬傳輸系統(tǒng)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化（數(shù)字傳輸系統(tǒng)）用戶線：（從用戶電話機(jī)到市話交換機(jī)之間幾公里長）多為模擬傳輸公用電話網(wǎng)模擬傳輸模擬傳輸數(shù)字化傳輸調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器公用電話網(wǎng) 電話網(wǎng)：僅能傳輸僅能傳輸3003400Hz的信號的信號 數(shù)據(jù)1/0：有更寬的頻率范圍，不能在電話線上直接傳輸FL =300HzFH =3400HzfA10fL 3400Hzn調(diào)制解調(diào)器 (MODEM)調(diào)制解調(diào)器 = 調(diào)制器 + 解調(diào)器 MODE

17、M = MOdulator + DEModulatorl（音頻）調(diào)制解調(diào)器的作用u調(diào)制器：把要發(fā)送的數(shù)字信號（基帶信號）加載到頻率范圍在 3003400 Hz 之間的模擬信號上 。l以便在電話用戶線上傳送。以便在電話用戶線上傳送。u解調(diào)器：把電話用戶線上傳送來的模擬信號中的數(shù)據(jù)識別出來。l若識別不正確，則產(chǎn)生誤碼若識別不正確，則產(chǎn)生誤碼l在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯(cuò)檢測和糾正的設(shè)施。在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯(cuò)檢測和糾正的設(shè)施。 l調(diào)制原理調(diào)制原理u正弦波 Y=Asin(2 f t + )l具有單一頻率成分具有單一頻率成分l頻率在頻率在3003400Hz內(nèi)內(nèi)即可在電話線上傳輸即可在電話線上傳輸u正弦波

18、Y=Asin(2 f t + )受到數(shù)據(jù)b的控制 將數(shù)據(jù)b調(diào)制到正弦波 Y=Asin(2 f t + )中Y(b)=Y(b)=A(b)A(b)sin( 2 f t + )sin( 2 f t + )Y(b)=Asin( 2 Y(b)=Asin( 2 f(b)f(b) t + ) t + ) Y(b)=Asin( 2 f t + Y(b)=Asin( 2 f t + (b)(b) ) ) FLFHfA10f =1000Hz正弦波正弦波Y=Asin(2 f t + )Y=Asin(2 f t + )中中“載有載有”數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)載波信號載波信號l幅度調(diào)制（調(diào)幅，幅度調(diào)制（調(diào)幅，AM， Amplitude

19、 Modulation） Y(b)=A(b)sin( 2 f t + ) u或稱：移幅鍵控（ASK，Amplitude Shift Keying ）u載波信號的振幅A隨 數(shù)據(jù)b 而變化。例如：例如：lb =“1”，A = A(1)lb =“0”，A = A(0) 1 0 1 1 0 0 0 1A(1) 1，A(0) 0 ；AM/ASK信號波形信號波形數(shù)據(jù) b=l頻率調(diào)制（調(diào)頻，頻率調(diào)制（調(diào)頻，F(xiàn)M， Frequency Modulation ）Y(b)=Asin( 2 f(b) t + ) u或稱：移頻鍵控（FSK，F(xiàn)requency Shift Keying ）u載波信號的頻率隨 數(shù)據(jù)b 而

20、變化。例如：例如：lb =“1” ，f = f (1)lb =“0” ，f = f (0)1 0 1 1 0 0 0 1f(1) = 4f，f(0) = f；FM/FSK信號波形信號波形數(shù)據(jù) b=l相位調(diào)制（調(diào)相相位調(diào)制（調(diào)相，PM ， Phase Modulation ）Y(b)=Asin( 2 f t + (b) )u或稱：移相鍵控（PSK，Phase Shift Keying ）u載波信號的初始相位隨 數(shù)據(jù)b 變化。 例如：例如：lb =“1” ， = (1)l b = “0” ， = (0)1 0 1 1 0 0 0 1 (0) = 0 (0) = 0， (1) = (1) = ；PM

21、/PSKPM/PSK信號波形信號波形數(shù)據(jù)=l總結(jié) 1 0 1 1 0 0 0 1TAMASKA(1) = 1A(0)= 0FMFSKf(1) = 4Ff(0) = FPMPSK(1) (1) = 0(0) =數(shù)據(jù)b=2相調(diào)制：用正弦波幅度、頻率或初相位的2種狀態(tài)表示1和0F(00) / F(01) / F(10) / F(11) F(xx)，F(xiàn)(xxx)，A(1) / A(0)A(1) / A(0)；f(1) / f(0)f(1) / f(0)；(1) / (0) (1) / (0) l星座圖描述調(diào)制解調(diào)原理u星座圖：碼元（信號）幅度、相位表示在平面坐標(biāo)系0，A = 01，A= 12-ASK星

22、座圖0，= 01，= 2-PSK星座圖l多相調(diào)制（不要求掌握）u載波（正弦波）頻率較低，數(shù)據(jù)發(fā)送速率較高時(shí)，波形不是正弦波，難以解調(diào)u正弦波至少持續(xù)1個(gè)周期，發(fā)送多個(gè)比特，2相調(diào)制不能滿足要求M (=2k) 相調(diào)制1 0 1 1 0 0 0 11/2000s1/2000s2000Hz2000Hz1/8000s1/8000su調(diào)制相數(shù)：碼元數(shù)（波形的狀態(tài)數(shù)）l正弦波持續(xù)的最短時(shí)間正弦波持續(xù)的最短時(shí)間碼元周期碼元周期l碼元周期倒數(shù)碼元周期倒數(shù)碼元速率（波特率）碼元速率（波特率）u信息傳輸速率（C）、調(diào)制相數(shù)（M）與碼元速率（B）之間的關(guān)系 C = B log 2 Ml2-ASK/PSK，M=2，

23、C = B log 2 M= Bl16-ASK/PSK，M=16， C = B log 2 M= 4B【例】4-PSK。解：不失一般性，種相位= 0 ，代表00 = /2 ，代表01= ，代表10= 3/2 ，代表11波特率 B1(2T)信息傳輸速率 C1T1 0 1 1 0 0 0 1 : 3 / 2 0 / 22T10= 00= 001= /211= 3/21 0 1 1 0 0 0 1 : 3 / 2 0 / 22T1 0 1 1 0 0 0 1 : / 2 0 3 / 22T10= 00= 011= /201= 3/2課題練習(xí)（作業(yè)）數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)b= 10000110，請畫出下列調(diào)制方式的

24、波形：，請畫出下列調(diào)制方式的波形：（1）AMASK波形。波形。A(0) = A，A(1) = 0.5A；（2）FMFSK波形。波形。f(0) = 2F，f(1) = F；（3）PMPSK波形。波形。(0) = 0，(1) =；星座圖星座圖（4）PMPSK波形。波形。(0) = /2，(1) =3/2。星座圖星座圖l正交調(diào)制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）u可供選擇的相位有 12 種，每一種相位有 1 或2 種振幅可供選擇。u4 bit 編碼共有16 種不同的組合，16 個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)可對應(yīng)于一種 4 bit 的編碼。 u每一個(gè)碼元表示的比特?cái)?shù)越多，解調(diào)

25、時(shí)要正確識別每一種狀態(tài)就越難。0010000100000100100110000011011101011010011010111100111011111101r(r, )u目前調(diào)制解調(diào)器的信息傳輸速率已很接近于香農(nóng)的信道容量極限了。 u要提高信息傳輸速率，只能設(shè)法提高信噪比。 u在電話的用戶線上，最大的噪聲來自模擬到數(shù)字的模數(shù)轉(zhuǎn)換所帶來的量化噪聲。 (2.5.2) 數(shù)字傳輸系統(tǒng)n電話交換網(wǎng)（PSTN，Public Switched Tone Network）l用戶話機(jī)和線路是模擬的（設(shè)備/線路）l交換機(jī)和干線（中繼線）是數(shù)字化設(shè)備和線路n語音編碼（Speech Code）將話音變成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)l基

26、本語音編碼技術(shù)：脈沖編碼調(diào)制(PCM)、增量調(diào)制(DM)、線性預(yù)測編碼(LPC)l改進(jìn)語音編碼技術(shù)：插值PCM(DPCM)，自適應(yīng)插值PCM(ADPCM)，自適應(yīng)DM(ADM)n脈沖編碼調(diào)制(PCM)工作過程采樣：按一定時(shí)間間隔獲取原信號的值采樣值量化：將采樣值用有限個(gè)事先規(guī)定的數(shù)值就近取值量化值編碼：將每個(gè)量化值用為若干位二進(jìn)制表示（編碼）U(v)t(s)T=1/8000s=125 sl采樣：按一定時(shí)間間隔獲取信號的值采樣值。u采樣定理：對最高頻率為f0的信號，采用2f0頻率采樣，采樣值包含信號中斷所有信息。u電話系統(tǒng)用戶線路帶寬3003400Hz，最高頻率3400Hz，每秒采樣8000次，

27、話音成分不丟失。31-1-3-420-24l量化：將采樣值用有限個(gè)事先規(guī)定的數(shù)值就近取值u2n 個(gè)量化等級u引入噪聲（“就近取值”，與原值有差別）U(v)t(s)l編碼：將量化值用進(jìn)行二進(jìn)制表示并壓縮u用n位二進(jìn)制編碼，有2n 個(gè)不同的量化數(shù)值u按ITU-T/CCITT G.711 A/率壓縮到m位l歐洲、中國等用歐洲、中國等用A律律l美國、日本等用美國、日本等用律律t(s)31-1-3-420-2411111111111101011111100000010000000111111011111000111110編碼U(v)l一路PCM話音的速率每個(gè)采樣值的m位編碼在一個(gè)采樣周期T內(nèi)傳輸，傳輸速

28、率=m/T。um =7時(shí)，速率7bit(1/8000)s 56Kbpsum =8時(shí)，速率8bit(1/8000)s 64KbpslPCM解碼：恢復(fù)原信號u低通濾波uD/A轉(zhuǎn)換2.4 信道復(fù)用技術(shù)概念：多路復(fù)用在一個(gè)信道上“同時(shí)”傳輸多路數(shù)據(jù)（信號），而不相互影響。n分類l頻分復(fù)用（FDM）l時(shí)分復(fù)用（TDM）l碼分復(fù)用（CDM）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頻分復(fù)用（FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing） 所有用戶在同樣的時(shí)間占用信道不同的帶寬資源l用于傳輸模擬數(shù)據(jù)u無線電廣播：AM中波段、短波段，F(xiàn)M超短波u電視信號傳播（VL、VH、U等頻段

29、）頻率Hz時(shí)間VH頻率段U 頻段VL頻率段FM頻率段AM頻率段n時(shí)分復(fù)用（TDM，Time Division Multiplexing）l將時(shí)間劃分為周期（125s ），每個(gè)周期再劃分成固定數(shù)量n個(gè)時(shí)隙（slot），n路數(shù)據(jù)信號分別在各自的時(shí)隙內(nèi)使用全部的頻率傳輸l一個(gè)周期內(nèi)的n路數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)TDM幀l有效地提高了傳輸線路利用率話路A：在 TDM 幀中的位置不變頻率時(shí)間AAAATDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀話路B：在 TDM 幀中的位置不變話路C：在 TDM 幀中的位置不變話路D：在 TDM 幀中的位置不變BBBBCCCCDDDDf2f1125slTDM 實(shí)例1T1uTx北

30、美體制中話音數(shù)據(jù)（56Kbps）的復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)l時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用(TDM)lT1最低復(fù)用等級，最低復(fù)用等級，“一次群一次群” / “基群基群”lT3，T4uT1幀的構(gòu)成（ TDM-T1幀）PCM采樣頻率采樣頻率8000次次/秒秒采樣周期采樣周期 = 125sl每幀：每幀：125s，復(fù)用，復(fù)用24個(gè)個(gè)PCM話路，話路，1Bit幀標(biāo)志幀標(biāo)志（分幀碼）開始（分幀碼）開始l每個(gè)每個(gè)T1幀幀PCM話路：數(shù)據(jù)話路：數(shù)據(jù)7Bit編碼編碼 + 1Bit信號位信號位（信令）（信令）lT1幀格式：幀格式：1個(gè)T1幀 (24個(gè)話路，125s內(nèi)發(fā)送)12341bit幀標(biāo)志(分幀碼)/幀7位數(shù)據(jù)/話路1bit信號位(信令)

31、/話路24話路序號：125s內(nèi)發(fā)送12347位話路數(shù)據(jù)24u計(jì)算T1的速率、效率和開銷率l速率速率 =（24（7+1）+1）bit 125s =193 bit 125 s =1.544 Mb/s193比特中，有 7bit/路24路=168bit 用戶數(shù)據(jù)l效率效率 = 16819387%l開銷率開銷率 = (193168)19313%（效率（效率+ +開銷率開銷率 =1 =1 ）l（TDM）實(shí)例2 E1：歐洲體制“一次群”(最小復(fù)用單位 )uE1的構(gòu)成PCM采樣頻率8000次/秒，采樣周期=125s采用256級量化，8位編碼每個(gè)PCM采樣周期傳輸l1路路8Bit同步信息同步信息l115路路PC

32、M 8Bit編碼編碼l1路路8Bit控制信令控制信令l1630路路PCM 8Bit編碼編碼uE1速率 = 8(15+1)2) = 2.048MbpsuE1效率 = 15/(15+1) =15/16 = 93.75%uE1開銷率 = 1- E1效率 = 1/16 = 6.25%作業(yè)：查文獻(xiàn)，畫出E1的幀格式。n統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用（Statistic-TDM，STDM）l在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，由于數(shù)據(jù)傳輸突發(fā)性，不同用戶的需求不同，并在不斷的變化，按實(shí)際需求分配“TDM時(shí)隙”統(tǒng)計(jì)復(fù)用。uFDM通常不采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用，模擬信號事先分配帶寬。u是TDM的改進(jìn)。STDM幀長度不固定（不固定分配時(shí)隙），提高信道利用率。u適

33、用于傳輸突發(fā)數(shù)據(jù)，多用于分組網(wǎng)。u異步時(shí)分復(fù)用A1 B1 B2 C1A2C2D14 4個(gè)個(gè)STDMSTDM幀幀1 2 3 4A1 B1B2 C1A2C2D1TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀A2B2C2A1B1C1D12.4.2 波分復(fù)用n波分復(fù)用(Wave-length Division Multiplexing, WDM)l光的頻分復(fù)用n密集波分復(fù)用(DWDM, Dense Wave Length Division Multiplexing )l一個(gè)波長（頻率）內(nèi)時(shí)分復(fù)用l提高光纖的利用率 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1

34、555 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 8 2.5 Gb/s15501557nm20 Gb/s復(fù)用器分用器EDFA：摻鉺光纖放大器 120 km2.4.3 碼分復(fù)用碼分復(fù)用（CDM，Code Division Multiplexing）碼分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）nCDMA的基本原理l各移動終端（用戶）使用基站提供的特定碼型代表比特1，其反向碼型代表比特0。l各終端的碼

35、型相互不同且正交(orthogonal) ，有很強(qiáng)的抗干擾能力l頻譜類似于白噪聲，不易被發(fā)現(xiàn)n碼片序列(chip sequence)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)，一個(gè)比特的m個(gè)碼片(chip) 為碼片序列(CS, chip sequence) ，l每個(gè)終端被指派一個(gè)惟一的 m bit 碼片序列CS，如00011011 。u比特 1，發(fā)送自己的 碼片序列 CS。u比特 0，發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼 CSn將CS按“1 1”；“0 1”寫成向量V則： 1CS = CS ， V(1) = (+1, +1, +1, 1, 1, +1, 1, 1)-1CS = -CS

36、， V(-1)= ( +1, +1, +1, 1, 1, +1, 1, 1）例如，某終端的碼片序列CS= 00011011l發(fā)送（或接收）比特 1 時(shí) 1CS = 00011011，信號波形為比特“1”碼型向量 = (+1, +1, +1, 1, 1, +1, 1, 1) = Sl發(fā)送比特 0 時(shí)-1CS = 11100100 ，信號波形為比特“0”碼型向量 = ( +1, +1, +1, 1, 1, +1, 1, 1) = -S 1 1 1 + 1 + 1 1 + 1 + 1+ 1 + 1 + 1 1 1 + 1 1 1n碼型信號的疊加l基站與一個(gè)終端通信時(shí)傳送0或1，不通信時(shí)不傳送信號l基

37、站與多個(gè)終端同時(shí)通信時(shí)，各碼型向量的信號波形是 “同步疊加”的。例：終端A、B、C的碼型向量分別為VA：（1 1 1 1 +1 +1 +1 +1 ）VB：（1 1 +1 +1 1 1 +1 +1 ）VC：（1 +1 1 +1 +1 1 +1 1 ）lA、B、C分別發(fā)送1、1、0 疊加后碼型信號 = 1VA +1 VB + (-1) VC =VA + VB VC = - -1 1- -3 31 1- -1 11 1- -1 13 31 1l定義: 向量S與向量T的規(guī)格化內(nèi)積(inner product) “S T” l碼型向量的正交令向量 S 、 T 表示兩個(gè)碼片向量。若：則：S與T “正交正交

38、”miiiTSm11TSm = 向量的維數(shù)011miiiTSmTS式式1，(2-3)例: S = (1, 1, 1, +1, +1, 1, +1, +1) T = (1, +1, +1, 1, +1, +1, +1, 1) S與T “正交正交”)1() 1() 1() 1() 1() 1() 1() 1(811811iiimiiiTSTSmTS0) 1() 1() 1() 1() 1() 1() 1() 1(81l一個(gè)碼片向量和自己的規(guī)格化內(nèi)積是1 。l一個(gè)碼片向量和自己反碼向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1。miimiiiSmSSm12111SSmim121) 1(1式式2，(2-4)miiiSSm1

39、1)( SSmim121)1(1miiSm121式式3n一個(gè)CDMA通信系統(tǒng)由K個(gè)移動終端和一個(gè)基站組成。基站分配了任意兩兩正交的m位碼片向量Sj（ j=1, K）給各終端，用于在基站和終端間通信。則由于通信中不能同時(shí)發(fā)送/接收1和0，式、式不能同時(shí)成立，因此在終端j和基站間采用CDMA通信，不會收到其它終端與基站通信的影響。1iiSS1)-iiSS （0jiSS， i, j=1, K, ij例：終端A、B、C的碼型向量分別為VA：（1 1 1 1 +1 +1 +1 +1 ）VB：（1 1 +1 +1 1 1 +1 +1 ）VC：（1 +1 1 +1 +1 1 +1 1 ）lA、B、C分別發(fā)送

40、1、1、0 疊加后碼型信號 = 1VA +1 VB + (-1) VC = l收到碼型信號X= uVA X= 1，終端A：數(shù)據(jù) 1uVB X= 0 0，終端B：無數(shù)據(jù) uVC X= 1 ，終端C：數(shù)據(jù) 1-1-1-3-31 1-1-11 1-1-13 31 1-2-20 0-2-20 00 02 20 02 2(補(bǔ)充) SONET / SDHn復(fù)用：在高性能電纜或光纖上傳輸更多路PCM話音數(shù)據(jù)l高等級（高速）復(fù)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)l在一定的頻率點(diǎn)采用時(shí)分多路復(fù)用（TDM）l采用高精度時(shí)鐘源，達(dá)到更高的同步性能lSONET (Synchronous Optical Network，同步光纖網(wǎng))lSDH (

41、Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字系列)lSDH 與 SONET有明確的對應(yīng)速率u可認(rèn)為 SDH 與 SONET 是同義詞 u寫成：SONETSDHn準(zhǔn)同步數(shù)字傳輸系統(tǒng)（TE系列）的問題l速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一u國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸，要求高次群的數(shù)字傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)化l不同復(fù)用等級間轉(zhuǎn)換復(fù)雜u不同復(fù)用等級間轉(zhuǎn)換要“分配（解復(fù)用）”下信號u再重新“復(fù)用” 上信號u“下信號上信號”不是簡單的“疊加”l“準(zhǔn)同步”系統(tǒng)u時(shí)鐘精確度低，造成的誤差需要通過填充脈沖，同步程度不能滿足高速傳輸要求u過去的數(shù)字網(wǎng)采用準(zhǔn)同步方式n同步光纖網(wǎng) SONET lSONET(Synchronous

42、 Optical Network) ：美國國家標(biāo)準(zhǔn)，各級時(shí)鐘都來自一個(gè)非常精確的主時(shí)鐘u基本速率是 51.84 Mb/s，稱為第 1 級同步傳送信號 STS-1。STS ：Synchronous Transport Signal。u光信號則稱為第 1 級光載波 OC-1，OC：Optical Carrier。 n同步數(shù)字系列 SDH lITU-T 以美國標(biāo)準(zhǔn) SONET 為基礎(chǔ)，制訂的國際標(biāo)準(zhǔn)。uSDH 的基本速率為 155.52 Mb/s， 稱為第 1 級同步傳遞模塊 STM-1。相當(dāng)于 SONET 的 OC-3 速率。u STM: Synchronous Transfer Module，l

43、125 s（1/8000s）發(fā)送/接收一個(gè)幀各復(fù)用等級相同nSONET/SDH的幀結(jié)構(gòu)STS-1塊幀l1/8000 s 發(fā)送/接收一個(gè)幀l9行前3字節(jié)為“開銷”，說明9行后87字節(jié)“數(shù)據(jù)”的構(gòu)成/處理方法l速率 = (9行90字節(jié)/行8bit/字節(jié))(1/8000s) = 51.84Mbps1291 2 3 4 5 89 90開銷數(shù)據(jù)nSONET 的 OC /STS等級與 SDH 的 STM等級的對應(yīng)關(guān)系 10 Gb/sSTM-64OC-192/STS-1929953.280STM-32OC-96/STS-964876.6402.5 Gb/sSTM-16OC-48/STS-482488.320

44、*STM-12OC-36/STS-361866.240STM-8OC-24/STS-241244.160STM-6OC-18/STS-18 933.120622 Mb/sSTM-4OC-12/STS-12 622.080*STM-3OC-9/STS-9 466.560155 Mb/sSTM-1OC-3/STS-3 155.520*OC-1/STS-1 51.840表示線路速率的常用近似值ITU-T符號SONET符號線路速率(Mb/s)nSONET/SDH的高等級復(fù)用lSDH的STM-1 = SONET的STS-3 = 3 SONET的STS-1l速率 = 351.84 Mbps = 155.5

45、2 Mbpsl操作： 復(fù)用：“疊加”；分用（解復(fù)用）：“拆分”STS-1幀STS-1幀STS-1幀STS-3 / STM-1幀2.6 寬帶接入技術(shù)2.6.1 xDSLn xDSL概念lxDSL 技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對現(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)。uDSL (數(shù)字用戶線，Digital Subscriber Line)u前綴 x：不同寬帶方案。 l標(biāo)準(zhǔn)模擬話路的頻帶 3003400 kHzl但用戶線本身實(shí)際可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz。u04 kHz 低端頻譜留給電話，u原來沒利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。nxDSL 的類型lADSL (Asymmetric Dig

46、ital Subscriber Line，非對稱數(shù)字用戶線）lHDSL (High speed DSL，高速數(shù)字用戶線）lVDSL (Very high speed DSL，甚高速數(shù)字用戶線）lSDSL (Single-line DSL，1 對線的數(shù)字用戶線）lDSL ：ISDN 用戶線。lRADSL (Rate-Adaptive DSL，速率自適應(yīng) DSL）。是 ADSL 的一個(gè)子集，可自動調(diào)節(jié)線路速率。 nADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line，不對稱數(shù)字用戶線）l非對稱上行和下行不對稱。u上行信道：用戶到 ISP，帶寬窄（速率低）u下行信道： IS

47、P 到用戶，帶寬寬（速率高）l離散多音調(diào)（DMT，Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)。u多音調(diào)：“多載波”或“多子信道” 。uDMT是頻分復(fù)用(FM)l 40 kHz 到到 1.1 MHz（高端頻譜）劃分為多個(gè)子信（高端頻譜）劃分為多個(gè)子信道。其中道。其中 25 個(gè)子信道用于上行信道，而個(gè)子信道用于上行信道，而 249 個(gè)子個(gè)子信道用于下行信道。信道用于下行信道。l每個(gè)子信道占據(jù)每個(gè)子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬，使用不同的載波帶寬，使用不同的載波（音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。（音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。相當(dāng)于在一對用戶線相當(dāng)于在一對用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地并

48、行地傳送數(shù)據(jù)。傳送數(shù)據(jù)。幅度（增益）頻率上行信道帶寬小速率低傳統(tǒng)電話帶寬小04下行信道帶寬大速率高(kHz)401381100lDMT 技術(shù)的頻譜分布lADSL 的組成：居民家庭端用戶線端局uPS ：電話分離器，POTS SplitteruATU：接入端接單元，Access Termination Unit，調(diào)制解調(diào)器lATU-C（端局（端局 ），），ATU-R（遠(yuǎn)端（遠(yuǎn)端 ）uDSLAM：(數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 ，DSL Access Multiplexer電話線Internet居民家庭端端局（遠(yuǎn)端站）PSPSATU-RATU-CATU-CATU-CDSLAM本地電話網(wǎng)本地電話網(wǎng)用戶線lAD

49、SL 的極限傳輸距離ADSL 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u用戶線越細(xì)，信號衰減大u最高數(shù)據(jù)傳輸速率與用戶線上的信噪比密切相關(guān)。l例如，例如，0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率為毫米線徑的用戶線，傳輸速率為 1.5 2.0 Mb/s 時(shí)可傳送時(shí)可傳送 5.5 公里，但當(dāng)傳輸速率提高到公里，但當(dāng)傳輸速率提高到 6.1 Mb/s 時(shí)，傳輸距離就縮短為時(shí)，傳輸距離就縮短為 3.7 公里。公里。l如果把用戶線的線徑減小到如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在毫米，那么在6.1 Mb/s的傳輸速率下就只能傳送的傳輸速率下就只能傳送2.7公里公里 lADSL 的速率下行： 32

50、 kb/s6.4 Mb/s上行： 32 kb/s640 kb/su措施l采用自適應(yīng)采用自適應(yīng)DMT。用戶線間差異很大，采用自適。用戶線間差異很大，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。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。l差異：距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等差異：距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同都不同l啟動時(shí)測試。當(dāng)啟動時(shí)測試。當(dāng) ADSL 啟動時(shí)，用戶線兩端的啟動時(shí)，用戶線兩端的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器就測試可用的頻率、各子信道受調(diào)制解調(diào)器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個(gè)頻率上測試信號的傳到的干擾情況，以及在每一個(gè)頻率上測試信

51、號的傳輸質(zhì)量。輸質(zhì)量。u不能保證固定的數(shù)據(jù)率。質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通 ADSL。l第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）u通過提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。l例如，例如，ADSL2 要求至少應(yīng)支持下行要求至少應(yīng)支持下行 8 Mb/s、上行、上行 800 kb/s的速率。而的速率。而 ADSL2+ 則將頻譜范圍從則將頻譜范圍從 1.1 MHz 擴(kuò)展至擴(kuò)展至2.2 MHz，下行速率可達(dá)，下行速率可達(dá) 16 Mb/s（最（最大傳輸速率可達(dá)大傳輸速率可達(dá)25 Mb/s），而上行速率可達(dá)），而上行速率可達(dá) 800 kb/s。u采用了無縫速

52、率自適應(yīng)技術(shù)。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。u改善了線路質(zhì)量評測和故障定位功能，提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)水平。2.6.2光纖同軸混合網(wǎng) （HFC）光纖同軸混合網(wǎng)(Hybrid Fiber Coax， HFC)n結(jié)構(gòu)l在CATV上開發(fā)l主干采用光纖l結(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)（頭端、用戶端）l頭端用戶端：寬帶雙向傳輸n服務(wù)l數(shù)字電視、VoD、網(wǎng)絡(luò)瀏覽l用戶采用“機(jī)頂盒”uCable MODEMu加密、認(rèn)證2.6.3 FTTx 技術(shù)nFiber To The ，光纖到nFTTHl Fiber To The Home，光纖到家 l光纖一直鋪設(shè)到用戶家庭可能是居民接入網(wǎng)最后的解決方法。nFTT

53、B lFiber To The Building，光纖到大樓 l光纖進(jìn)入大樓后轉(zhuǎn)換為電信號，用電纜或雙絞線分配到各用戶。nFTTC lFiber To The Curb，光纖到路邊 l從路邊到各用戶使用星形結(jié)構(gòu)雙絞線作為傳輸媒體。第2章作業(yè)：2-012-052-07(選作)2-082-092-12（選作）2-132-142-16 2-18第第2章練習(xí)題：章練習(xí)題：l 在帶寬為50KHz的線路上要傳輸T1載波（1.544Mb/s）需要多大的信噪比？l 用帶寬為3.1KHz、信噪比為20db的信道發(fā)送二進(jìn)制信號時(shí)，最大數(shù)據(jù)傳輸率是多少？l 畫出10000111的ASK、PSK和FSK的波形示意圖，及ASK、PSK 波形的星座圖。l 分別畫出T1和E1的幀結(jié)構(gòu)，計(jì)算效率和開銷。l 某信道帶寬W=3000，信噪比S/N=512，求該信道的極限信息傳輸速率。若傳輸速率提高10%，帶寬W不變，信噪比應(yīng)提高到原來的多少倍？00，= 011，= 3/210，= 01，= /26. 某信道信噪比S/N=512，若傳輸速率提高10%，帶寬W不變，信噪比應(yīng)提高到原來的多少倍？7. 采用正交調(diào)制（幅相調(diào)制）方式的調(diào)制解調(diào)器的星座圖如右，載頻為2KHz，試畫出信息10110100的波形示意圖?！?/p>