計算機網(wǎng)絡(luò) 5

1、2.4 模擬傳輸與數(shù)字傳輸 2.4.1 模擬傳輸系統(tǒng) n目前實際上大多數(shù)國家的主干通信線路已實現(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到市話交換機之間的這一段幾公里長的用戶線上。因此，目前的情況是模擬傳輸和數(shù)字傳輸并存。n在長途干線上使用的是四線制，而在市話線路上采用的是二線制。所以當(dāng)市話線路和長途線路相連時，在交換機里就會進行二線四線轉(zhuǎn)換。 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(MOdulato

2、r)：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。 n問題：數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬傳輸系統(tǒng)后會出現(xiàn)差錯是使用modem的根本原因嗎？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)生誤碼。n在調(diào)制解調(diào)器中還要

3、有差錯檢測和糾正的設(shè)施。 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（56K）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 1交換機 2V.34 33.6 kb/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

4、（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

5、有一般精度的時鐘來進行數(shù)據(jù)通信。同步通信異步通信n當(dāng)收發(fā)雙方的時鐘不是精確同步時，在接收端對接收的碼元進行判決的時間就會逐漸向前或向后移動。當(dāng)接收端的判決點移動的時間超過碼元寬度的一半時，就會產(chǎn)生差錯（重讀或漏讀）。同步通信要求準(zhǔn)的時鐘。n異步通信將數(shù)據(jù)以字節(jié)（8bit）為單位進行封裝，對每個字節(jié)增加一個起始位，一個停止位，共10bit，發(fā)送出去。接收段即使和發(fā)送端時鐘有差異，但只接收10bit，還造不成誤碼。2.5 信道復(fù)用技術(shù) n復(fù)用的作用：十個用戶的數(shù)據(jù)集中在一條主干線上傳輸，且互不干擾。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：所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。

6、早期的手機就是采用頻分復(fù)用技術(shù)。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。GSM手機用的是時分復(fù)用技術(shù)。 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

7、CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 數(shù)字傳輸系統(tǒng)的PCM體制 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

8、 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 us15 個話路15 個話路E1 的時分復(fù)用幀nE1的一個分時復(fù)用幀（其長度為125us）共分為32個相同的時隙，為CH1CH31。時隙CH0做幀同步用，時隙CH16用來傳送信令（如用戶的撥號信令），共30個時隙用做話路，每個時隙8bit。整個32個時隙共256bit，每秒8000幀，因此E1一次群的數(shù)據(jù)率為2.048Mb/s。四個一次群

9、組成一個二次群。由于二次群還要在一次群的基礎(chǔ)上加一些信息，所以二次群的數(shù)據(jù)率略大與四個一次群。nT1一次群的數(shù)據(jù)率為1.544Mb/s。典型同步時分復(fù)用的例子：典型同步時分復(fù)用的例子：CCITT指定標(biāo)準(zhǔn)：指定標(biāo)準(zhǔn)：n把24路語音信號利用PCM和TDM復(fù)用在一個介質(zhì)中n（7+1）24+1=193位 n 組成一個幀，用125 s 傳輸 n 193位/125 s=1.544Mbps n 1.544Mbps/24路=64kbps/路 nT1載波的速率是1.544Mbps 把30路語音信號利用PCM和TDM復(fù)用在一個介質(zhì)中，加2路控制，即32個時隙組成一幀 （7+1）（30+2）=256位 組成一個幀，

10、用125 s 傳輸 256位/125 s=2.048Mbps 2.048Mbps/32路=64kbps/路 E1的速率是2.048Mbps n頻分復(fù)用更適合于模擬信號的復(fù)用。如一路模擬信號的帶寬為4KHz，那么若有1000個用戶進行頻分復(fù)用，則復(fù)用后的帶寬為4MHz。n時分復(fù)用更適合于數(shù)字信號的復(fù)用。如每一個用戶的幀長度為125us，若有1000個這樣的用戶復(fù)用信到，則每個用戶分配到的時隙為0.125us。時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費 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 S

11、TDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計時分復(fù)用統(tǒng)計時分復(fù)用的優(yōu)缺點n統(tǒng)計時分復(fù)用幀不是固定的分配時隙，而是按需動態(tài)的分配時隙，因此提高了線路的利用率。n但是，在輸出線路上，某一用戶所占時間并不是周期地出現(xiàn)，因此統(tǒng)計時分復(fù)用又稱為異步時分復(fù)用。由于統(tǒng)計時分復(fù)用中的時隙并不是固定分配給某個用戶，因此在每個時隙中還必須有用戶的地址信息，這樣統(tǒng)計時分復(fù)用必須要有一些開銷。 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

12、1553 nm 4 1554 nm 5 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 km碼分復(fù)用 CDMn1977年，庫帕等首先提出利用擴頻技術(shù)實現(xiàn)碼分多址（code-division multiple access 簡稱CDMA）方案，以使蜂窩移動通信系統(tǒng)的頻譜效率提高25倍。這一成果的發(fā)表引起了極大的轟動。自從1989年以來，美國欲將CDMA方式在移動通信中實用化。美國Qualcomm公司發(fā)展的CDMA系統(tǒng)采用直接序列擴頻技術(shù)，在數(shù)字蜂窩系統(tǒng)、

13、無繩電話系統(tǒng)和個人通信中充分發(fā)揮了技術(shù)優(yōu)勢，使人耳目一新。 n作為一個簡單的例子，下圖示出了兩個時限實信號s1(t),s2(t)。n由圖容易看出，這兩個信號在時域和頻域都是重疊的。但是，這兩個信號的互相關(guān)等于零。即信號s1(t)與s2(t)正交。 TTn設(shè)用戶發(fā)送的信息碼bi+1,-1。則二用戶多址通信系統(tǒng)的設(shè)計是簡單的：當(dāng)用戶i發(fā)送的信息碼bi=+1時就發(fā)射時間間隔為T的信號si(t)，而當(dāng)時bi=-1 ，就發(fā)射-si(t),即發(fā)送bisi(t)。n不考慮噪聲的影響，接收機實際觀測到的數(shù)據(jù)就是b1s1(t)與b2s2(t)之和：n r(t)=b1s1(t)+b2s2(t)n我們可以使用匹配濾

14、波器得到用戶所發(fā)碼。用戶1的匹配濾波器直接求每個比特間隔內(nèi)接收波形r(t)與s1(t)的積分。若積分結(jié)果為正或負，則檢測輸出為+1或-1。n由于信號正交，無論用戶1和用戶2信號之間的相對強度如何，用戶1的相關(guān)器一點也不會受用戶2的影響。因此，可以得到結(jié)論：雖然兩個用戶發(fā)射的信號在時域和頻域都有重疊，但該通信系統(tǒng)的誤碼率宛如兩個發(fā)射在單獨信道的信號一樣。n上面介紹的只是碼分多址(CDMACDMA)系統(tǒng)的一個最簡單的例子。在CDMACDMA系統(tǒng)中，分配給各個用戶的特征波形是近似正交的。從特征波形的角度講，正交CDMACDMA的一個特例是使用時域無重疊的特征波形，這就是TDMATDMA系統(tǒng)的特征波形

15、。 2.5.3 碼分復(fù)用 CDM 每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。 n每個站被指派一個惟一的 m bit 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) 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交，就是向

16、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。 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。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，各國的

17、數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式。當(dāng)傳輸速率高時，會出現(xiàn)問題。收發(fā)雙方時鐘同步是一個急待解決的問題。 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。（通常采用銫原子鐘，精度為正負1*10-11。）n第 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 體系中的 STS-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-