第2章+物理層

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第 2 章 物理層2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -2 2- -第 2 章 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)向傳輸媒體2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -3 3- -第 2 章 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.

2、1 xDSL技術(shù) 2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)） 2.6.3 FTTx 技術(shù)2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -4 4- -2.1 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： 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。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。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。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。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -5 5- -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 傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)

3、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) 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PC 機(jī)2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -6 6- -幾個(gè)術(shù)語數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送消息的實(shí)體。信號(hào)(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 “模擬的”(analogous)代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。 “數(shù)字的”(digital)代表消息的參數(shù)的取值是離散的。 碼元(code)在使用時(shí)間域（或簡(jiǎn)稱為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -7 7

4、- - 2.2.2 有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念單向通信（單工通信）只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。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)。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。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -8 8- -基帶信號(hào)和帶通信號(hào) 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)?；鶐盘?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)。 帶通信號(hào)把基帶

5、信號(hào)經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號(hào)的頻率范圍搬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）。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -9 9- -幾種最基本的調(diào)制方法 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)。 最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：u調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 u調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。u調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -1010- -對(duì)基帶數(shù)

6、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2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -1111- -正交振幅調(diào)制 QAMr(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2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -1212- -2. 常用的幾種編碼方式1）不歸零制碼（NRZ：Non-Return to Zero）規(guī)則：用兩種不同的電平分別表示二進(jìn)制信

7、息“0”和“1”。例如，低電平表示“0”，高電平表示“1”。缺點(diǎn)： l(1)難以分辨一位的結(jié)束和另一位的開始；l(2)發(fā)送方和接收方必須有時(shí)鐘同步；l(3)若信號(hào)中“0”或“1”連續(xù)出現(xiàn)，信號(hào)直流分量將累加。結(jié)論：不適宜作為傳輸碼形。適宜與系統(tǒng)內(nèi)部。2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -1313- -2）曼徹斯特碼（Manchester），也稱相位編碼 規(guī)則：每一位中間都有一個(gè)跳變，從低跳到高表示“0”，從高跳到低表示“1”。 優(yōu)點(diǎn)：克服了NRZ碼的不足。每位中間的跳變即可作為數(shù)據(jù)，又可作為時(shí)鐘，能夠自同步。3）差分曼徹斯特碼（Differential Manchester） 規(guī)則：若本碼

8、周期前半個(gè)碼元電平與上一個(gè)碼周期后半個(gè)碼元電平一樣,則表示“1”；若兩者電平相反，則表示“0”。 特點(diǎn)：每個(gè)碼周期的1/2處，有電平跳變。便于時(shí)鐘提取，抗干擾能力強(qiáng)。2. 常用的幾種編碼方式0T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T碼周期碼周期t2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -1515- -2.2.3 信道的極限容量 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。 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。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -1616- -數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道 有失真，但可識(shí)別失真大，無法識(shí)

9、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2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -1717- -信道能夠通過的頻率范圍1924 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。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)碼元的判決（即識(shí)別）成為不可能。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)_。奈奎斯特（H. Nyquist）公式：

10、 C = 2H log2 L (bps) 式中 H：信道帶寬；L：某時(shí)刻信號(hào)可能取的電平數(shù)例：某信道帶寬為4KHz，數(shù)字信號(hào)可取0,1,2,3四種電平之一。 則：C = 2*4* log2 4 =16 Kbps 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -1818- -(2) 信噪比 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。信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為 C = W log2(1+S/N) b/s uW 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；uS 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；uN 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 2022-4-14網(wǎng)

11、絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -1919- -香農(nóng)公式表明 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。 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。 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），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。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。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -2020- -請(qǐng)注意 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

12、特的信息量。 u例:對(duì)于一個(gè)帶寬為3 kHz ，信噪比為35dB 的信道，無論其使用多少個(gè)量化電平，也不管采樣速度多快，其數(shù)據(jù)傳輸率不可能大于35000比特/秒，計(jì)算過程如下：35 = 10 log10(S/N) S/N = 103.5 = 3162Rmax = 3000* log2(1+S/N ) = 3000*log2 (1+3162) 3000*11.6334880bpsu56Kbps的調(diào)制解調(diào)器只有在與因特網(wǎng)服務(wù)商連接時(shí)才能達(dá)到這么高的速率，它利用了服務(wù)商端無須進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換這一事實(shí).說明：說明：(1) 電話系統(tǒng)的典型信噪比一般能達(dá)到電話系統(tǒng)的典型信噪比一般能達(dá)到30dB;(2) 此

13、式是利用信息論得出的，具有普遍意義；此式是利用信息論得出的，具有普遍意義；(3) 與信號(hào)電平級(jí)數(shù)、采樣速度無關(guān)；與信號(hào)電平級(jí)數(shù)、采樣速度無關(guān)；(4) 此式僅是上限，難以達(dá)到。此式僅是上限，難以達(dá)到。2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -2222- -2.3 物理層下面的傳輸媒體無線電無線電微波微波紅外線紅外線可見光可見光紫外線紫外線X射線射線 射線射線雙絞線雙絞線同軸電纜同軸電纜衛(wèi)星衛(wèi)星地面微波地面微波 調(diào)幅調(diào)幅無線電無線電 調(diào)頻調(diào)頻無線電無線電 海事海事無線電無線電光纖光纖電視電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段波段104 105 106 107

14、108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動(dòng)移動(dòng)無線電無線電 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2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -2323- -2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體雙絞線u屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)u無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同軸電纜u50 同軸電纜u75 同軸電纜光纜 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -24

15、24- -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 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -2525- -屏蔽雙絞線 (STP)和非屏蔽雙絞線 (UTP)金屬屏蔽網(wǎng)以減少 干擾和串音雙絞線外沒有任何雙絞線外沒有任何附加屏蔽附加屏蔽2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -2626- -RJ-45插頭的打線標(biāo)準(zhǔn)與制作以及插頭的打線標(biāo)準(zhǔn)與制作以及T568A/T568B 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -2727- -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

16、媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -2828- -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?022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -2929- -輸入脈沖輸出脈沖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2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -3030- -光纖結(jié)構(gòu)護(hù)套護(hù)套 (一般為一般為PVC)纖芯纖芯加強(qiáng)材料加強(qiáng)材料 (Aramid 紗線紗線)緩沖層緩沖層包層包層光纖光纖保護(hù)膜保護(hù)膜緩沖層緩沖層Aramid Aramid 紗線紗線護(hù)套護(hù)套2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -3131- -

17、2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -3232- -光纖特點(diǎn)衰減少，無中繼傳輸距離遠(yuǎn) 帶寬寬，傳輸速率高，傳輸能力強(qiáng) 不受電磁干擾，抗干擾能力強(qiáng)，無輻射，保密性好 重量輕，容量大，十分適合多媒體通信光纖斷裂的檢測(cè)和修復(fù)都很困難2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -3333- -2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體 無線傳輸所使用的頻段很廣。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。微波在空間主要是直線傳播。 u地面微波接力通信u衛(wèi)星通信 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -3434- -共享信道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 復(fù)用(multi

18、plexing)是通信技術(shù)中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用分用(a) 不使用復(fù)用技術(shù)(b) 使用復(fù)用技術(shù)2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -3535- -頻分復(fù)用 FDM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。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)間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 52022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -3636- -時(shí)分復(fù)用TDM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

19、個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。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）。TDM 信號(hào)也稱為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。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。2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -3737- -時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -3838- -時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀

20、TDM 幀2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -3939- -時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -4040- -時(shí)分復(fù)用 頻率時(shí)間B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -4141- -時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(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)

21、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。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -4242- -統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM用戶ABCDabcdttttt3 個(gè) STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -4343- - 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 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 15

22、56 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分復(fù)用 WDM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2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -4444- -2.4.3 碼分復(fù)用 CDM常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。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。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)。 每一個(gè)比特時(shí)間劃分為 m 個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -

23、4545- -碼片序列(chip sequence) 每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的 m bit 碼片序列。u如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。u如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。u發(fā)送比特 1 時(shí)，就發(fā)送序列 00011011，u發(fā)送比特 0 時(shí)，就發(fā)送序列 11100100。S 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -4646- -CDMA 的重要特點(diǎn)每個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實(shí)用的系統(tǒng)中是使

24、用偽隨機(jī)碼序列。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -4747- -碼片序列的正交關(guān)系 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。 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)2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -4848- -碼片序列的正交關(guān)系舉例 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)。 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。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工

25、程學(xué)院：方睿- -4949- -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 。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 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -5050- -CDMA 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)碼元比特發(fā)送端接收端2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -5151- -2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)1. 脈碼調(diào)制 PCM 體制 脈碼

26、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。由于歷史上的原因，PCM 有兩個(gè)互不兼容的國(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)。E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時(shí)，可采用復(fù)用的方法。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -5252- -PCM的過程：采樣、量化、編碼采樣：按照一定的時(shí)間間隔提取模擬信號(hào)的幅值。 采樣率必須滿足Nyquist定理Nyquist定理: 在理想的無噪聲信道，若 f 是模擬信號(hào)的最高頻率, 采

27、樣頻率為2*f 時(shí)，接收方就可以從采樣脈沖信號(hào)中完全恢復(fù)原信號(hào)。量化：將采樣點(diǎn)處測(cè)得的信號(hào)幅值分級(jí)取整的過程。編碼：將量化后的整數(shù)值用二進(jìn)制數(shù)來表示。2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -5353- -PCM轉(zhuǎn)換過程及波形示意圖模擬信號(hào)模擬信號(hào)采樣時(shí)鐘采樣時(shí)鐘PAM 信號(hào)信號(hào)PCM 信號(hào)信號(hào)采樣電路采樣電路量化和編碼量化和編碼數(shù)字化信號(hào)數(shù)字化信號(hào)PCM原理框圖原理框圖0111000110110011000111000110110011003.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信號(hào)原始信號(hào)PAM脈沖脈沖PCM 脈沖脈沖 有量化差錯(cuò)有量化差錯(cuò)P

28、CM 輸出輸出波形示意圖波形示意圖2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -5454- -PCM的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(1) T-標(biāo)準(zhǔn) 24路PCM，簡(jiǎn)稱T1，速率1.544Mbps,北美、日本(2) E-標(biāo)準(zhǔn) 30/32路PCM，簡(jiǎn)稱E1，速率2.048 Mbps,歐洲、中國(guó)、南美 ，E-標(biāo)準(zhǔn)中，以幀的形式，利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行傳輸。下圖為E1時(shí)分復(fù)用幀示意圖。ch0ch0ch1ch1ch15ch15ch16ch16ch31ch312.048Mbps傳輸線路傳輸線路時(shí)分復(fù)用原理示意圖時(shí)分復(fù)用原理示意圖ch0ch1ch2ch16ch31125 m ms = 32 時(shí)隙時(shí)隙 = 2.048 Mbps幀同步幀

29、同步信令信道信令信道30 話音信道話音信道+2 控制信道控制信道說明：說明：v(1)(1)話音信號(hào)頻率話音信號(hào)頻率3.4KHz3.4KHz，據(jù)，據(jù)NyquistNyquist定理，采樣頻率為定理，采樣頻率為8000Hz8000Hz，即采樣周期，即采樣周期125s125s。每個(gè)采樣值編碼。每個(gè)采樣值編碼 8bit8bit。v(2)(2)單個(gè)話路的傳輸率：?jiǎn)蝹€(gè)話路的傳輸率：80008000個(gè)個(gè)/s/s8bit/8bit/個(gè)個(gè)=64Kbit/s=64Kbit/sv(3)(3)將多個(gè)（將多個(gè)（3232個(gè)）話路的個(gè)）話路的PCMPCM信號(hào)用時(shí)分復(fù)用的方法裝成信號(hào)用時(shí)分復(fù)用的方法裝成幀，送往線路逐幀傳輸。

30、幀，送往線路逐幀傳輸。PCMPCM基群基群E1E1的數(shù)據(jù)率為：的數(shù)據(jù)率為：323264Kbit/s=2.048Mbps64Kbit/s=2.048Mbps。v(4) (4) 采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，可以得到高次群。例如，四個(gè)基群采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，可以得到高次群。例如，四個(gè)基群復(fù)接成二次群，四個(gè)二次群復(fù)接成三次群，依此類推。復(fù)接成二次群，四個(gè)二次群復(fù)接成三次群，依此類推。2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -5656- -三大數(shù)字體系 2.0488.44834.368139.264564.9921.5446.31244.736274.1761.5446.31232.06497.728397.200

31、64KJ1E1T1J2E2T2J3E3T3J4E4T4J5E5x32x24x24x 4x 4x 4x 4x 7x 5x 4x 6x 3x 4x 4北美北美日本日本歐洲歐洲中國(guó)中國(guó)2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -5757- -2. 同步光纖網(wǎng) SONET 和同步數(shù)字系列 SDH 舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點(diǎn)。其中最主要的是以下兩個(gè)方面： 速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。u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)。 不是同步傳輸。u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。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -5858- -同步光纖網(wǎng) S

32、ONET同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network) 的各級(jí)時(shí)鐘都來自一個(gè)非常精確的主時(shí)鐘。 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。光信號(hào)則稱為第 1 級(jí)光載波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -5959- -同步數(shù)字系列 SDH ITU-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)。一般可認(rèn)為 SDH 與 SON

33、ET 是同義詞。SDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱為第 1 級(jí)同步傳遞模塊 (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-8248

34、8.320OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s4976.640OC-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 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -6161- -SONET 的體系結(jié)構(gòu) 光子層路徑層線路層段層線路 (line)光子層路徑層線路層段層光子層線路層段層光子層段層光子層線路層段層光子層段層SDH終端SDH終端復(fù)用器或分用器復(fù)用器或分用器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器段段段

35、路徑 (path)(section)(section)(section)2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -6262- -SONET 標(biāo)準(zhǔn)定義了四個(gè)光接口層 光子層(Photonic Layer)u處理跨越光纜的比特傳送。段層(Section Layer)u在光纜上傳送 STS-N 幀。線路層(Line Layer)u負(fù)責(zé)路徑層的同步和復(fù)用。路徑層(Path Layer) u處理路徑端接設(shè)備 PTE (Path Terminating Element)之間的業(yè)務(wù)的傳輸。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -6363- -2.6 寬帶接入技術(shù)2.6.1 xDSL技術(shù)xDSL 技術(shù)就是

36、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)。雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號(hào)的頻帶被限制在 3003400 kHz 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。xDSL 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的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。DSL 就是數(shù)字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的前綴 x 則表示在數(shù)字用戶線上實(shí)現(xiàn)的不同寬帶方案。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -6464- -xDSL 的幾種類型 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)

37、：非對(duì)稱數(shù)字用戶線HDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶線SDSL (Single-line DSL)：1 對(duì)線的數(shù)字用戶線VDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字用戶線RADSL (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）。 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -6565- -ADSL 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（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)。例如，0.5 毫米線徑

38、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。如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -6666- -ADSL 的特點(diǎn)上行和下行帶寬做成不對(duì)稱的。上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。ADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個(gè) ADSL 調(diào)制解調(diào)器。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。

39、2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -6767- -DMT 技術(shù)DMT 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。每個(gè)子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬（嚴(yán)格講是 4.3125 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)。2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -6868- -DMT 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)4013811002022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)

40、院：方睿- -6969- -ADSL 的數(shù)據(jù)率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)率。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。ADSL 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。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。2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -7070- -ADSL 的組

41、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) 2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -7171- -第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.9

42、92.5）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，下行速率可達(dá) 16 Mb/s（最大傳輸速率可達(dá)25 Mb/s），而上行速率可達(dá) 800 kb/s。采用了無縫速率自適應(yīng)技術(shù) SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在運(yùn)營(yíng)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。改善了線路質(zhì)量評(píng)測(cè)和故障定位功能，這對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)水平具有非常重要的意義。2022-4-14網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院：方睿- -7272- -2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)HFCHFC 網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng) CATV 的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。H