計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之物理層

1、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第 2 章 物理層第 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)信道的幾個基本概念2.2.3 信道的最高碼元傳輸速率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)向傳輸媒體第 2 章 物理層（續(xù)） 2.4 模擬傳輸與數(shù)字傳輸 2.4.1 模擬傳輸系統(tǒng)*2.4.2 調(diào)制解調(diào)器*2.4.3 數(shù)字傳輸系統(tǒng)*2.5 信道復(fù)用技術(shù) 2.5.1 頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用 2.5.2 波分復(fù)用 2.5.3 碼分復(fù)用*2.6 同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SD

2、H 2.7 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例2.7.1 EIA-232-E接口標(biāo)準(zhǔn)2.7.2 RS-449接口標(biāo)準(zhǔn)2.1 物理層的基本概念n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： n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。n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。n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。n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。 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)的模型 傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(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)

3、字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號 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)幾個術(shù)語n數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送信息的實體。n信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 n“模擬的”(analogous)連續(xù)變化的。n“數(shù)字的”(digital)取值是離散數(shù)值。n調(diào)制把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程。n解調(diào)把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程。 模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號 模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號 PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號 數(shù)字發(fā)送器 2.2.2 有關(guān)信號的幾個基本概念n單向通信（單工通信）只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。n雙向交替通

4、信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時接收)。n雙向同時通信（全雙工通信）通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。 基帶(baseband)信號和寬帶(broadband)信號 n基帶信號就是將數(shù)字信號 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。 n寬帶信號則是將基帶信號進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號。 信道的最高碼元傳輸速率信道的最高碼元傳輸速率奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)(Nyquist)公式公式理想低通信道：理想低通信道：信道的最高碼元傳輸速率信道的最高碼元傳輸速率 2 W (Baud)理想帶通信道：理想帶通信道：信道的最高碼

5、元傳輸速率信道的最高碼元傳輸速率 W (Baud) 信道的碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。信道的碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。單位為：碼元單位為：碼元/ /秒，稱為：波特（秒，稱為：波特（BaudBaud）。）。對于模擬信號的傳輸，波特率是指調(diào)制解調(diào)器上輸出的調(diào)制信對于模擬信號的傳輸，波特率是指調(diào)制解調(diào)器上輸出的調(diào)制信號每秒鐘調(diào)制載波狀態(tài)改變的次數(shù)。號每秒鐘調(diào)制載波狀態(tài)改變的次數(shù)。對于數(shù)字信號傳輸，波特率是指線路上每秒鐘傳送的波形個數(shù)。對于數(shù)字信號傳輸，波特率是指線路上每秒鐘傳送的波形個數(shù)。2.2.3 信道的最高碼元傳輸速率 n任何實際的信道都不是理想的，在傳

6、輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 n碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘杺鬏數(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。 波特率和比特率的比較波特率和比特率的比較 波特率是信道的碼元傳輸速率，單位為：碼元波特率是信道的碼元傳輸速率，單位為：碼元/ /秒。比特率是秒。比特率是指信道上數(shù)字信號的傳輸速率。指信道上數(shù)字信號的傳輸速率。如果一個碼元攜帶一個比特的信息，則信息傳輸率（如果一個碼元攜帶一個比特的信息，則信息傳輸率（bit/s）和碼元傳輸率在數(shù)值上是相等的。如果一個碼元攜帶和碼元傳輸率在數(shù)值上是相等的。如果一個碼元攜帶 n 個比個比特的信息，則信息傳輸率是碼元率的特的信息，則信息傳輸率是碼

7、元率的 n 倍。倍。數(shù)字信號通過實際的信道 n失真不嚴(yán)重n失真嚴(yán)重 實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴(yán)重)奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則 n每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 2 個碼元。nBaud 是波特，是碼元傳輸速率的單位，1 波特為每秒傳送 1 個碼元。 理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud W 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) 另一種形式的奈氏準(zhǔn)則 n每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒

8、 1 個碼元。理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud W 是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz) 不能通過能通過0頻率(Hz)W (Hz) 不能通過要強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn) n實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準(zhǔn)則給出上限數(shù)值。n波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念。 n波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€碼元）。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。n比特是信息量的單位。 要注意 n信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有一定的關(guān)系。n若 1 個碼元只攜帶 1 bit 的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。n若 1

9、個碼元攜帶 n bit 的信息量，則 M Baud 的碼元傳輸速率所對應(yīng)的信息傳輸速率為 M n b/s。 2.2.4 信道的極限信息傳輸速率 n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、無差錯的信息傳輸速率。n信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為n C = W log2(1+S/N) b/s nW 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；nS 為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；nN 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。 香農(nóng)公式表明 n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。 n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現(xiàn)無

10、差錯的傳輸。 n若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當(dāng)然實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。n實際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。 奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍 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)送的信號接收的信號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 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 SHFEH

11、FTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動無線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體n雙絞線n屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)n無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同軸電纜n50 同軸電纜n75 同軸電纜n光纜 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

12、層內(nèi)導(dǎo)體無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜（1）雙絞線）雙絞線雙雙 絞絞 線線物理特性：把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起物理特性：把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起, ,然然后用規(guī)則的方法絞合起來就構(gòu)成了雙絞線。一對線可以后用規(guī)則的方法絞合起來就構(gòu)成了雙絞線。一對線可以作為一條通信線路作為一條通信線路, ,各個線對螺旋排列的目的是為了使各個線對螺旋排列的目的是為了使各線對之間的電磁干擾最小。局域網(wǎng)中所使用的雙絞線各線對之間的電磁干擾最小。局域網(wǎng)中所使用的雙絞線有有: :屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線。屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線。 傳輸特性：可分為五類，最常用的雙絞線有傳輸特性：可分為五類

13、，最常用的雙絞線有3 3類和類和5 5類，類，均由均由4 4對雙絞線組成，對雙絞線組成，3 3類雙絞線傳輸速率可達(dá)類雙絞線傳輸速率可達(dá)1010bpsbps，5 5類雙絞線傳輸速率可達(dá)類雙絞線傳輸速率可達(dá)100100bpsbps。它們之間的區(qū)別在于。它們之間的區(qū)別在于單位長度的絞合次數(shù)不同：單位長度的絞合次數(shù)不同：3 3類的絞合長度為類的絞合長度為7.5cm 7.5cm 10cm，5類為類為0.6cm 0.6cm 0.85cm。雙雙 絞絞 線線雙雙 絞絞 線線 連通性連通性: :雙絞線既可用于點(diǎn)一點(diǎn)連接雙絞線既可用于點(diǎn)一點(diǎn)連接, ,也可用于多點(diǎn)連接。也可用于多點(diǎn)連接。 地理范圍地理范圍: :雙絞

14、線用做遠(yuǎn)程中繼線時雙絞線用做遠(yuǎn)程中繼線時, ,最大距離可達(dá)最大距離可達(dá)1515公里公里; ;用于用于10Mbps10Mbps局域網(wǎng)時局域網(wǎng)時, ,與集線器的距離最大為與集線器的距離最大為100m100m?？垢蓴_性抗干擾性: :雙絞線的抗干擾性取決于一束線中相鄰線對的扭曲雙絞線的抗干擾性取決于一束線中相鄰線對的扭曲長度及適當(dāng)?shù)钠帘伍L度及適當(dāng)?shù)钠帘蝺r格價格: :雙絞線的價格低于其他傳輸介質(zhì)雙絞線的價格低于其他傳輸介質(zhì), ,并且安裝、維護(hù)方便。并且安裝、維護(hù)方便。（2）同軸電纜）同軸電纜 物理特性：由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線（單股實心線或多股絞合線）、物理特性：由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣

15、層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層（也可以是箔狀）以及絕緣保絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層（也可以是箔狀）以及絕緣保護(hù)外層所組成。護(hù)外層所組成。內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)體絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣保護(hù)外層絕緣保護(hù)外層同同 軸軸 電電 纜纜傳輸特性：根據(jù)帶寬不同傳輸特性：根據(jù)帶寬不同, , 可分為可分為: :基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜?；鶐S電纜和寬帶同軸電纜。基帶基帶(50(50歐姆歐姆) )同軸電纜一般僅用于數(shù)字信號的傳輸。寬帶同軸電纜一般僅用于數(shù)字信號的傳輸。寬帶(75(75歐姆歐姆) )同同軸電纜可以使用頻分多路復(fù)用方法軸電纜可以使用頻分多路復(fù)用方法, ,將一條寬帶同軸電纜的頻帶劃分成將一條寬

16、帶同軸電纜的頻帶劃分成多條通信信道多條通信信道, ,使用各種調(diào)制方式使用各種調(diào)制方式, ,支持多路傳輸。寬帶同軸電纜也可支持多路傳輸。寬帶同軸電纜也可以只用于一條通信信道的高速數(shù)字通信以只用于一條通信信道的高速數(shù)字通信, ,此時稱之為單信道寬帶。此時稱之為單信道寬帶。連通性：同軸電纜既支持點(diǎn)一點(diǎn)連接連通性：同軸電纜既支持點(diǎn)一點(diǎn)連接, ,也支持多點(diǎn)連接。也支持多點(diǎn)連接。 地理范圍地理范圍: :基帶同軸電纜使用的最大距離限制在幾公里范圍內(nèi)基帶同軸電纜使用的最大距離限制在幾公里范圍內(nèi), ,而寬帶而寬帶同軸電纜最大距離可達(dá)幾十公里左右。同軸電纜最大距離可達(dá)幾十公里左右?？垢蓴_性抗干擾性: :同軸電纜的

17、結(jié)構(gòu)使得它的抗干擾能力較強(qiáng)。同軸電纜的結(jié)構(gòu)使得它的抗干擾能力較強(qiáng)。 價格價格: :同軸電纜的造價介于雙絞線與光纜之間同軸電纜的造價介于雙絞線與光纜之間, ,使用與維護(hù)方便。使用與維護(hù)方便。（3）光）光 纜纜 物理特性：光纖是一種直徑為物理特性：光纖是一種直徑為8m100m的柔軟、能傳導(dǎo)光的柔軟、能傳導(dǎo)光波的介質(zhì)，多種玻璃和塑料可以用來制造光纖，其中使用超高純波的介質(zhì)，多種玻璃和塑料可以用來制造光纖，其中使用超高純度石英玻璃纖維制作的光纖可以得到最低的傳輸損耗。在折射率度石英玻璃纖維制作的光纖可以得到最低的傳輸損耗。在折射率較高的單根光纖外面較高的單根光纖外面,用折射率較低的包層包裹起來，就可以

18、構(gòu)用折射率較低的包層包裹起來，就可以構(gòu)成一條光纖通道；多條光纖組成一束，就構(gòu)成一條光纜。成一條光纖通道；多條光纖組成一束，就構(gòu)成一條光纜。四四 芯芯 光光 纜纜光光 纜纜 傳輸特性：光導(dǎo)纖維通過內(nèi)部的全反射來傳輸一束經(jīng)過編碼的傳輸特性：光導(dǎo)纖維通過內(nèi)部的全反射來傳輸一束經(jīng)過編碼的光信號。光波通過光纖內(nèi)部全反射進(jìn)行光傳輸?shù)倪^程。由于光纖光信號。光波通過光纖內(nèi)部全反射進(jìn)行光傳輸?shù)倪^程。由于光纖的折射系數(shù)高于外部包層的折射系數(shù)，因此可以形成光波在光纖的折射系數(shù)高于外部包層的折射系數(shù)，因此可以形成光波在光纖與包層的界面上的全反射。在光纖發(fā)送端，主要采用兩種光源與包層的界面上的全反射。在光纖發(fā)送端，主要

19、采用兩種光源:發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED(Light-EmittingDiode)與注入型激光二極管與注入型激光二極管ILD(Injection laser Diode)。光纖傳輸分為單模與多模兩類。光纖傳輸分為單模與多模兩類 。折射角折射角入射角入射角包層（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）纖芯（高折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）光光 纜纜 連通性連通性: :光纖最普遍的連接方法是點(diǎn)一點(diǎn)方式，在某些實驗系光纖最普遍的連接方法是點(diǎn)一點(diǎn)方式，在某些實驗系統(tǒng)中，也可以采用多點(diǎn)連接方式統(tǒng)中，也可以采用多點(diǎn)連接方式。 地理范圍地理范圍: :光纖信號衰

20、減極小光纖信號衰減極小, ,它可以在它可以在6km6km8km8km公里的距離內(nèi)公里的距離內(nèi), ,在不使用中繼器的情況下在不使用中繼器的情況下, ,實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。 抗干擾性抗干擾性: :光纖不受外界電磁干擾與噪聲的影響光纖不受外界電磁干擾與噪聲的影響, ,能在長距離、能在長距離、高速率的傳輸中保持低誤碼率。高速率的傳輸中保持低誤碼率。 價格價格: :目前目前, ,光纖價格高于同軸電纜與雙絞線。光纖價格高于同軸電纜與雙絞線。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高折射率(纖芯)低

21、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輸入脈沖輸出脈沖多模光纖2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體 n無線傳輸所使用的頻段很廣。n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。n微波在空間主要是直線傳播。 n地面微波接力通信n衛(wèi)星通信 用自由空間作為傳輸介質(zhì)來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。用自由空間作為傳輸介質(zhì)來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 特點(diǎn)特點(diǎn): :信號沿直線傳播信號沿直線傳播 適用適用: :架設(shè)或鋪埋電纜或光纜較困難架設(shè)或鋪埋電纜或光纜較困難的地方的地方, ,廣泛應(yīng)用于電話領(lǐng)域構(gòu)成的蜂窩式無線電話網(wǎng)。廣泛應(yīng)用于電話領(lǐng)域構(gòu)成的蜂窩式無線電話網(wǎng)。分類分類: :紅外通

22、信、激光通信和微波通信紅外通信、激光通信和微波通信( (微波通信又主要有兩微波通信又主要有兩種方式種方式: :地面微波接力通信和衛(wèi)星通信地面微波接力通信和衛(wèi)星通信。2.3.2 2.3.2 無線傳輸媒體無線傳輸媒體（1 1）地面微波接力通信）地面微波接力通信原理原理: :長距離傳輸時每隔一段距離就需架中繼站長距離傳輸時每隔一段距離就需架中繼站, ,將前一信號放將前一信號放大向后傳。大向后傳。適用適用: :微波接力通信可傳輸電話、電報、圖象、數(shù)據(jù)等信息。微波接力通信可傳輸電話、電報、圖象、數(shù)據(jù)等信息。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :頻帶寬、通信容量大、傳輸質(zhì)量高、可靠性較好、投資少、頻帶寬、通信容量大、傳輸質(zhì)量高、

23、可靠性較好、投資少、見效快、靈活等。見效快、靈活等。缺點(diǎn)缺點(diǎn): :相鄰站間必須直視，不能有障礙物；受氣候干擾較大、保相鄰站間必須直視，不能有障礙物；受氣候干擾較大、保密性差、中繼站的使用與維護(hù)問題等。密性差、中繼站的使用與維護(hù)問題等。 （2 2）衛(wèi)星通信）衛(wèi)星通信原理：用位于原理：用位于3600036000公里高空的人造同步衛(wèi)星做中繼器的一種微波接力公里高空的人造同步衛(wèi)星做中繼器的一種微波接力通信。通信。特點(diǎn)：通信距離遠(yuǎn)、費(fèi)用與距離遠(yuǎn)近無關(guān)特點(diǎn)：通信距離遠(yuǎn)、費(fèi)用與距離遠(yuǎn)近無關(guān); ;具有較大的傳輸延遲具有較大的傳輸延遲, ,且傳輸且傳輸延遲相對確定。延遲相對確定。優(yōu)點(diǎn)：頻帶很寬優(yōu)點(diǎn)：頻帶很寬,

24、,通信容量大通信容量大, ,信號受干擾?。煌ㄐ疟容^穩(wěn)定。信號受干擾小；通信比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)：保密性較差缺點(diǎn)：保密性較差, ,造價較高。造價較高。適用：廣播電視通信。適用：廣播電視通信。 （3 3）紅外線與毫米波通信）紅外線與毫米波通信特點(diǎn)：具有一定的方向性。特點(diǎn)：具有一定的方向性。優(yōu)點(diǎn)：價格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被切聽或截取。優(yōu)點(diǎn)：價格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被切聽或截取。缺點(diǎn)：不能穿透堅硬的物體。缺點(diǎn)：不能穿透堅硬的物體。適用：被廣泛應(yīng)用于短距離通信，紅外線成為室內(nèi)無線局域網(wǎng)網(wǎng)的主要適用：被廣泛應(yīng)用于短距離通信，紅外線成為室內(nèi)無線局域網(wǎng)網(wǎng)的主要選擇對象。選擇對象。 數(shù)據(jù)編

25、碼技術(shù)研究數(shù)據(jù)在信號傳輸過程中如何進(jìn)行編碼（變換）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字傳輸（基帶傳輸）基帶：基本頻帶，指傳輸變換前所占用的頻帶，是原始信號所固 有的頻帶?；鶐鬏敚涸趥鬏敃r直接使用基帶信號?；鶐鬏斒且环N最簡單最基本的傳輸方式，一般用低電平表示“0”，高電平表示“1”。適用范圍：低速和高速的各種情況。限制：因基帶信號所帶的頻率成分很寬，所以對傳輸線有一定的要求。常用的幾種編碼方式：1）不歸零制碼（NRZ：Non-Return to Zero）原理：用兩種不同的電平分別表示二進(jìn)制信息“0”和“1”，低電平表示“0”，高電平表示“1”。缺點(diǎn)： a難以分辨一位的結(jié)束和另一位的開始； b發(fā)送方和接收方必須有

26、時鐘同步； c若信號中“0”或“1”連續(xù)出現(xiàn)，信號直流分量將累加。結(jié)論：容易產(chǎn)生傳播錯誤。2）曼徹斯特碼（Manchester），也稱相位編碼原理：每一位中間都有一個跳變，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)，又可作為時鐘，能夠自同步。3）差分曼徹斯特碼（Differential Manchester）原理：每一位中間都有一個跳變，每位開始時有跳變表示“0”，無跳變表示“1”。位中間跳變表示時鐘，位前跳變表示數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：時鐘、數(shù)據(jù)分離，便于提取。4）逢“1”變化的NRZ碼原理：在每位開始時，逢“1”電平跳變，逢“0”電平不跳變。5）

27、逢“0”變化的NRZ碼原理：在每位開始時，逢“0”電平跳變，逢“1”電平不跳變。 001101NRZ曼徹斯特差分曼徹斯特逢“1”變化NRZ逢“0”變化NRZ2.4 模擬傳輸與數(shù)字傳輸 2.4.1 模擬傳輸系統(tǒng) n長途干線最初采用頻分復(fù)用 FDM 的傳輸方式nFDM (Frequency Division Multiplexing)n目前我國長途通信線路已實現(xiàn)了數(shù)字化，因而現(xiàn)在的模擬通信電路就只剩下從用戶電話機(jī)到市話交換機(jī)之間的這一段幾公里長的用戶線上。 2.4.2 調(diào)制解調(diào)器 n數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬傳輸系統(tǒng)后會出現(xiàn)差錯。 出現(xiàn)差錯010010 0100還原后的數(shù)據(jù)t接收到的失真信號010011100t

28、發(fā)送的基帶信號t采樣時刻調(diào)制解調(diào)器的作用n調(diào)制解調(diào)器(modem)包括：n調(diào)制器(MOdulator)：把要發(fā)送的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為頻率范圍在 3003400 Hz 之間的模擬信號，以便在電話用戶線上傳送。n解調(diào)器(DEModulator)：把電話用戶線上傳送來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。n本書中的調(diào)制解調(diào)器是指使用在標(biāo)準(zhǔn)的二線模擬話路（3.1 kHz 的標(biāo)準(zhǔn)話路帶寬）上的調(diào)制解調(diào)器。 調(diào)制解調(diào)器的作用（續(xù)）n調(diào)制器的主要作用就是個波形變換器，它把基帶數(shù)字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ?n解調(diào)器的作用就是個波形識別器，它將經(jīng)過調(diào)制器變換過的模擬信號恢復(fù)成原來的數(shù)字信號。n若識別不正確，則產(chǎn)

29、生誤碼。n在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯檢測和糾正的設(shè)施。 n數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬傳輸（頻帶傳輸）n頻帶傳輸：指在一定頻率范圍內(nèi)的線路上，進(jìn)行載波傳輸。用基帶信號對載波進(jìn)行調(diào)制，使其變?yōu)檫m合于線路傳送的信號。n調(diào)制（Modulation）：用基帶脈沖對載波信號的某些參量進(jìn)行控制，使這些參量隨基帶脈沖變化。n解調(diào)（Demodulation）：調(diào)制的反變換。n調(diào)制解調(diào)器MODEM（modulation-demodulation) Figure幾種最基本的調(diào)制方法 n調(diào)制就是進(jìn)行波形變換（頻譜變換）。 n最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：n調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。 n調(diào)頻(FM)：載波的頻

30、率隨基帶數(shù)字信號而變化。n調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。 n根據(jù)載波 Asin(t + )的三個特性：幅度、頻率、相位，產(chǎn)生常用的三種調(diào)制技術(shù)：n幅移鍵控法 Amplitude-shift keying (ASK)n頻移鍵控法 Frequency-shift keying (FSK)n相移鍵控法 Phase-shift keying (PSK) 1）幅移鍵控法（調(diào)幅） 幅移就是把頻率、相位作為常量，而把振幅作為變量，即： A(t) 取不同的值表示不同的信息碼。 例如：A(t) 取A1，A2，A1表示“0”，A2表示“1”。NAAAtAtt,)()()(21002）頻移鍵控

31、法（調(diào)頻） 頻移就是把振幅、相位作為常量，而把頻率作為變量，即： (t) 取不同的值表示不同的信息碼。 例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0”， 2表示“1”。NttAtA,)()()(21003）相移鍵控法（調(diào)相） 相移就是把振幅、頻率作為常量，而把相位作為變量，即： (t) 取不同的值表示不同的信息碼。 例如： (t) 取 1， 2， 1表示“0”， 2表示“1”。NttAtA,)()()(2100對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法 010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相一種正交調(diào)制 QAM nQAM (Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供選擇

32、的相位有 12 種，而對于每一種相位有 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 個點(diǎn)中的每個點(diǎn)可對應(yīng)于一種 4 bit 的編碼。 若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多，則在接收端進(jìn)行解調(diào)時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。 調(diào)制解調(diào)器的速率 n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。 n要提高信息傳輸速率，只能設(shè)法提高信噪比。 n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。 產(chǎn)生量化噪聲的地方（經(jīng)過 A/D 變化的地方） A2/4A/DA/DD/AD/A數(shù)字信號數(shù)字信號交換機(jī) 1交換機(jī) 2V.34 33.6 kb

33、/s 調(diào)制解調(diào)器BD/AA/D4/2V.34 33.6 kb/s 調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生量化噪聲產(chǎn)生量化噪聲使用 V.34 調(diào)制解調(diào)器（33.6 kb/s） 產(chǎn)生量化噪聲產(chǎn)生量化噪聲用戶環(huán)路模擬信號用戶環(huán)路模擬信號產(chǎn)生量化噪聲的地方（續(xù)） （經(jīng)過 A/D 變化的地方） 使用 V.90 調(diào)制解調(diào)器（56 kb/s） A2/4A/DA/D交換機(jī)因特網(wǎng)服務(wù)提供者V.90 56 kb/s調(diào)制解調(diào)器D/AV.90 56 kb/s調(diào)制解調(diào)器數(shù)字信號數(shù)字信號 至因特網(wǎng)（數(shù)字信號）用戶環(huán)路模擬信號僅在此處產(chǎn)生量化噪聲僅在此處產(chǎn)生量化噪聲調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式 n數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類：n同步通信要

34、求接收端時鐘頻率和發(fā)送端時鐘頻率一致。發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流。n異步通信時不要求接收端時鐘和發(fā)送端時鐘同步。發(fā)送端發(fā)送完一個字節(jié)后，可經(jīng)過任意長的時間間隔再發(fā)送下一個字節(jié)。 n異步通信的通信開銷較大，但接收端可使用廉價的、具有一般精度的時鐘來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。2.4.3 數(shù)字傳輸系統(tǒng) n現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)均采用脈碼調(diào)制 PCM (Pulse Code Modulation)體制。 采樣周期 Tt信號t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原2.5 2.5 信道復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用：在一個物理信道上傳輸多路信號（共享信道資源）。多路復(fù)用：在一個物理信道上傳輸多路信號（共享信道資

35、源）。通過通過多路復(fù)用器多路復(fù)用器將多路信號組合在一條物理信道上傳輸將多路信號組合在一條物理信道上傳輸, ,到接收到接收端再用端再用多路分用器（也稱多路譯碼器）多路分用器（也稱多路譯碼器）將各路信號分離并輸出將各路信號分離并輸出, ,從而提高通信線路的利用率，降低通信成本。從而提高通信線路的利用率，降低通信成本。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的信道復(fù)用技術(shù)有：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的信道復(fù)用技術(shù)有：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、波分復(fù)用、碼分復(fù)用等。波分復(fù)用、碼分復(fù)用等。2.4.1 2.4.1 頻分復(fù)用頻分復(fù)用FDMFDM（Frequency Division MultiplexingFrequen

36、cy Division Multiplexing）信道帶寬分割：信道帶寬分割：在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同( (或略寬或略寬) )的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復(fù)用。的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復(fù)用。頻譜搬移：頻譜搬移：多路原始信號在頻分復(fù)用前，先要通過頻譜搬移技術(shù)將各路信多路原始信號在頻分復(fù)用前，先要通過頻譜搬移技術(shù)將各路信號的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同段上，使各信號

37、的帶寬不相互重疊，然號的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同段上，使各信號的帶寬不相互重疊，然后用不同的頻率調(diào)制每一個信號，每個信號要一個樣以它的載波頻率為中心后用不同的頻率調(diào)制每一個信號，每個信號要一個樣以它的載波頻率為中心的一定帶寬的通道。為了防止互相干擾，使用保護(hù)帶來隔離每一個通道。的一定帶寬的通道。為了防止互相干擾，使用保護(hù)帶來隔離每一個通道。頻頻分多路復(fù)用主要應(yīng)用于模擬信號分多路復(fù)用主要應(yīng)用于模擬信號。2.4.2 2.4.2 時分復(fù)用時分復(fù)用TDMTDM（Time Division MultiplexingTime Division Multiplexing） 若媒體能達(dá)到的位傳輸速率超過傳

38、輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，可采用時若媒體能達(dá)到的位傳輸速率超過傳輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，可采用時分多路復(fù)用分多路復(fù)用TDMTDM技術(shù)，即將一條物理信道按時間分成若干個時間片輪流地分配技術(shù)，即將一條物理信道按時間分成若干個時間片輪流地分配給多個信號使用。每一時間片由復(fù)用的一個信號占用，這樣，利用每個信號給多個信號使用。每一時間片由復(fù)用的一個信號占用，這樣，利用每個信號在時間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。在時間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。時分多路復(fù)用不僅限于傳輸數(shù)字信號，也可同時交叉?zhèn)鬏斈M信號。時分多路復(fù)用不僅限于傳輸數(shù)字信號，也可同時交叉?zhèn)鬏斈M信號

39、。（1 1）同步時分：時分方案中的時間片是分配好的，而且是固定不變的。）同步時分：時分方案中的時間片是分配好的，而且是固定不變的。（2 2）異步時分：允許動態(tài)地分配傳輸媒體的時間片。）異步時分：允許動態(tài)地分配傳輸媒體的時間片。2.4.3 2.4.3 波分復(fù)用波分復(fù)用WDMWDM（Wavelength Division MultiplexingWavelength Division Multiplexing）在光纖信道上使用的頻分復(fù)用的一個變種。用來實現(xiàn)使用一根在光纖信道上使用的頻分復(fù)用的一個變種。用來實現(xiàn)使用一根光纖同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號。目前已經(jīng)做到一根光光纖同時傳輸多個頻率很接

40、近的光載波信號。目前已經(jīng)做到一根光纖上復(fù)用纖上復(fù)用8080路甚至更多路數(shù)的光載波信號。路甚至更多路數(shù)的光載波信號。2.4.4 2.4.4 碼分復(fù)用碼分復(fù)用CDMCDM（Code Division MultiplexingCode Division Multiplexing）這種技術(shù)更常用的名詞是碼分多址這種技術(shù)更常用的名詞是碼分多址CDMA（ Code Division Multiple Access ），是），是一種用于移動通信系統(tǒng)的技術(shù)；一種用于移動通信系統(tǒng)的技術(shù)；共享時間共享時間和頻率資源和頻率資源。 在在CDMA中，每一個比特時間再劃分為中，每一個比特時間再劃分為 m 個短的間隔，稱為

41、碼片，個短的間隔，稱為碼片，通常通常 m 的取值為的取值為64或或128。使用。使用CDMACDMA的每一個站被指派一個的每一個站被指派一個m bit碼片碼片序列序列，一個站如果要發(fā)送比特，一個站如果要發(fā)送比特1，則發(fā)送它自己的，則發(fā)送它自己的m bit碼片序列；如碼片序列；如果要發(fā)送比特果要發(fā)送比特0，該發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。，該發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 給每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，而且必須互相正交給每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，而且必須互相正交（碼片向量規(guī)格化內(nèi)積為零）。（碼片向量規(guī)格化內(nèi)積為零）。時分復(fù)用 n為了有效地利用傳輸線路，可將多個話路的PCM 信號

42、用時分復(fù)用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法裝成時分復(fù)用幀，然后發(fā)送到線路上。n中國采用歐洲體制，以 E1 為一次群。n美國和日本等國采用北美體制，以 T1 為一次群。E1 的時分復(fù)用幀 2.048 Mb/s傳輸線路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1時分復(fù)用幀T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH08 bitt時分復(fù)用幀時分復(fù)用幀T = 125 ms15 個話路15 個話路2.5 信道復(fù)用技術(shù) n2.5.1 頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用 n頻分復(fù)用：所有用

43、戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。n時分復(fù)用：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。 頻分復(fù)用 頻率時間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 5時分復(fù)用 頻率時間B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 頻率時間C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 頻率時間BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 頻率時間B CB CB CAAAA

44、B CDDDD在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費(fèi) ABCDaabbcdb cattttt4 個時分復(fù)用幀#1acbcd時分復(fù)用#2#3#4用戶統(tǒng)計時分復(fù)用 STDM 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計時分復(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 1553 nm 4 1554 nm 5

45、1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.5.2 波分復(fù)用 WDM n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 km2.5.3 碼分復(fù)用 CDM n常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。n這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(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)。 n每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。 碼片序列(chip sequence) n每個站被指派一個惟一的 m bit

46、 碼片序列。n如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 n例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。n發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011，n發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。nS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特點(diǎn)n每個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)。n在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。 碼片序列的正交關(guān)系 n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。 n兩個不同站的碼片序列正

47、交，就是向量 S 和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-4)碼片序列的正交關(guān)系舉例 n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)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-4)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。 n任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。n一個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)系的另一個重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSCDMA 的工作原理 S 站的碼片序列 S110ttttttm 個

48、碼片tS 站發(fā)送的信號 SxT 站發(fā)送的信號 Tx總的發(fā)送信號 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2.6 同步光纖網(wǎng) SONET 和同步數(shù)字系列 SDH n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方面： n速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。n如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實現(xiàn)。 n不是同步傳輸。n在過去相當(dāng)長的時間，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式。 同步光纖網(wǎng) SONETn同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network) 的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。 n第

49、1 級同步傳送信號 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的傳輸速率是 51.84 Mb/s。n光信號則稱為第 1 級光載波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 同步數(shù)字系列 SDH nITU-T 以美國標(biāo)準(zhǔn) SONET 為基礎(chǔ)，制訂出國際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。n一般可認(rèn)為 SDH 與 SONET 是同義詞。nSDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱為第 1 級同步傳遞模塊 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當(dāng)于 SONET

50、 體系中的 OC-3 速率。 線路速率(Mb/s)SONET符號ITU-T符號表示線路速率的常用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520*OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080*OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s4876.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/sSONET 的 OC 級/STS 級與 SDH 的 STM 級的對應(yīng)關(guān)系 SONET 的體系結(jié)構(gòu) 光子層路徑層線路層段層線路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