1、1计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明第第2章章 物理层物理层本章内容本章内容2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体2.4 信道复用技术信道复用技术2.5 数字传输系统数字传输系统2.6 宽带接入技术宽带接入技术2.7 物理层标准举例物理层标准举例本章重点本章重点 数据通信基础知识数据通信基础知识 常见的传输媒体常见的传输媒体 模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输 信道复用技术信道复用技术2计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明思考题：思考题：物理层的任务是什么？物理层的任务是什么？网络中常
2、用的传输媒体有哪些？网络中常用的传输媒体有哪些？媒体中数据传输速率取决于哪些因素？媒体中数据传输速率取决于哪些因素？模拟信道为何能传送数字数据？模拟信道为何能传送数字数据？为什么一些传输媒体能同时传送多道信号为什么一些传输媒体能同时传送多道信号? 第第3 3章章 物理层物理层3计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念物理层考虑的是如何在连接计算机等各种网络设备的传输媒体中物理层考虑的是如何在连接计算机等各种网络设备的传输媒体中传输数据的比特流。传输数据的比特流。物理层应尽可能地屏蔽各种媒体之间的差异，使其上面的数据链物理层应尽可能地屏蔽各种媒体之间的差
3、异，使其上面的数据链路层感觉不到这些差异。路层感觉不到这些差异。 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性：物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性： 机械特性机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。排列、固定和锁定装置等等。 电气特性电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 功能特性功能特性：指明线路上出现的电平的电压表示何种意义。：指明线路上出现的电平的电压表示何种意义。 过程特性过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
4、。：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。4计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机5计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识几个术语几个术语 数据数据(data)运送消息的实体。运送消息的实体。 信息信息(information)数据的内容或解释
5、。数据的内容或解释。 信号信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的模拟的”(analogous)代表消息的参数的代表消息的参数的取值是连续的。取值是连续的。 “数字的数字的”(digital)代表消息的参数的取值代表消息的参数的取值是离散的。是离散的。 码元码元(code)在使用时间域（或简称为时域）在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。基本波形。6计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识数字数据和模拟数据都可以通过模拟信号传输。数
6、字数据和模拟数据都可以通过模拟信号传输。 模拟传输：模拟传输：模拟数据、模拟信号：如早期的电话系统；模拟数据、模拟信号：如早期的电话系统；数字数据、模拟传输：需要调制数字数据、模拟传输：需要调制。模拟数据模拟信号放大器调制器数字数据模拟信号调制器7计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识数字数据和模拟数据也都可以通过数字信号传输数字数据和模拟数据也都可以通过数字信号传输 数字数据、数字信号：可直接传输；数字数据、数字信号：可直接传输； 模拟数据、数字信号：先将模拟数据数字化模拟数据、数字信号：先将模拟数据数字化模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据数字
7、信号 数字发送器8计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识2.2.2 有关信号的几个基本概念有关信号的几个基本概念三种通信方式三种通信方式发送设备发送设备接收设备接收设备数据流数据流发送设备发送设备发送设备发送设备数据流数据流接收设备接收设备接收设备接收设备发送设备发送设备接收设备接收设备数据流数据流接收设备接收设备发送设备发送设备单工通信单工通信半双工通信半双工通信全双工通信全双工通信9计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识信道信道：信号传递的通路。它信号传递的通路。它建立在传输介质之上，建立在传输介质之上
8、，包含传包含传输媒介和必要的设备输媒介和必要的设备。同一传输介质。同一传输介质上可提供多条信道，上可提供多条信道，一条信道允许一路信号通过。一条信道允许一路信号通过。任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。失真以及带来多种干扰。实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)10计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识信道上传送的信号分为基带信号和宽带信号。信道上
9、传送的信号分为基带信号和宽带信号。 基带信号基带信号（即基本频带信号）（即基本频带信号）来自信源的信号，将数来自信源的信号，将数字信号字信号1或或0直接用不同的电压来表示，然后送到线路上传直接用不同的电压来表示，然后送到线路上传输输基带传输，像计算机输出的代表各种文字或图像文基带传输，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。件的数据信号都属于基带信号。 宽带信号宽带信号将基带信号载波调制后把信号的频率范围搬将基带信号载波调制后把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。由于每一路基带信号移到较高的频段以便在信道中传输。由于每一路基带信号可以搬移到不同的频段，因此，在
10、一条线缆中可以同时传可以搬移到不同的频段，因此，在一条线缆中可以同时传送多路数字信号。送多路数字信号。 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行须对基带信号进行调制调制(modulation)。11计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识最基本的二元制调制方法有以下几种：最基本的二元制调制方法有以下几种： y=A sin( t+) 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
11、调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。010011100基带信号调幅调频调相12计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识正交振幅调制正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择。 由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困
12、难。 举例13计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识2.2.3 信道的极限传输容量信道的极限传输容量码元：时间轴上的一个信号编码单元码元：时间轴上的一个信号编码单元同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始 同步脉冲也可位于码元的中部同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应一个码元也可有多个同步脉冲相对应t码元码元1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信号同步脉冲同步脉冲14计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识（1）信道能够通过的频
13、率范围）信道能够通过的频率范围奈奎斯特奈奎斯特给出了在假定的理想条件下，为了避免码给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值，超过这个上限间串扰，码元的传输速率的上限值，超过这个上限就会出现就会出现码间串扰码间串扰的问题，使接收端对码元的判决的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。出现码间串扰。15计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据
14、通信基础知识数据通信基础知识奈奎斯特准则奈奎斯特准则 理想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud，即每即每赫赫带带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒每秒2个码元个码元。 理想带通信道的最高码元传输速率理想带通信道的最高码元传输速率=WBaud，即每即每赫赫带带宽的带通信道的最高码元传输速率为宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒每秒1个码元个码元。不能通过能通过0频率(Hz)W (Hz) 不能通过不能通过能通过0频率(Hz)W (Hz) 16计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识
15、（2）信噪比）信噪比香农香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的噪声干扰的信道的极限极限、无差错的无差错的信息传输速率。信息传输速率。信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 C 可表达为可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。香农定理表明：香农定理表明： 信道的带宽信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。信道的带宽信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，
16、就一定可以找只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就一定可以找到某种办法实现无差错的传输，但并未给出具体实现方法。到某种办法实现无差错的传输，但并未给出具体实现方法。17计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识例例普通电话线路带宽约普通电话线路带宽约3kHz，则码元速率极限值则码元速率极限值B=2*W=2*3k=6kBaud ；若码元的离散值个数若码元的离散值个数N=16，其最其最大数据传输速率计算公式大数据传输速率计算公式C=2*W*log2N (bps) 得：得：C=2*3k*log216=24kbps。例例在在3.1KHz的标准电话信道，如果信
17、噪比的标准电话信道，如果信噪比S/N=2500，那那么由香农定理可知，无论采用何种先进的编码技术，信息的么由香农定理可知，无论采用何种先进的编码技术，信息的传输速率不可能超过传输速率不可能超过3100log2(1+2500) b/s=35Kbps。例例已知信噪比为已知信噪比为30dB，带宽为带宽为3kHz，求信道的最大数据求信道的最大数据传输速率。传输速率。 10lg(S/N)=30 S/N=1030/10=1000 C=3klog2(1+1000)30k bps18计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明3.2 数据通信基础知识数据通信基础知识比特率与波特率是两个不同的概念比特率与波特率是
18、两个不同的概念（补充）（补充） 波特率是每秒传送码元的个数，而比特率是每秒传波特率是每秒传送码元的个数，而比特率是每秒传输二进位数的位数输二进位数的位数 一个码元可以携带一个码元可以携带n个信息位，所以比特率是波特个信息位，所以比特率是波特率的率的n倍。若码元传输速率为倍。若码元传输速率为M baud，则比特率为则比特率为Mn bps。 例：一个带宽为例：一个带宽为3KHz的理想低通信道，其最高码的理想低通信道，其最高码元传输速率为元传输速率为6000Baud。若若1个码元可携带个码元可携带3个比个比特的信息量，则最高信息传输速率特的信息量，则最高信息传输速率=18000bps。 问题：如何使
19、问题：如何使1个码元携带个码元携带3个信息位？调制！如多个信息位？调制！如多相制相制19计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明3.2 数据通信基础知识数据通信基础知识奈氏准则和香农定理的作用范围奈氏准则和香农定理的作用范围源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制20计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体传输媒体也叫传输介质或传输媒介。传输媒体也叫传输介质或传输媒介。传输媒体分为导向传输媒体和非导向传输媒体。传输媒体分为导向
20、传输媒体和非导向传输媒体。无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF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 移动无线电 21计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体2.3.1 导向传输媒体导向传输媒体(1) 双绞线双
21、绞线:把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后然后用规则的方法绞合起来用规则的方法绞合起来,以减少相邻导线间的电磁干扰以减少相邻导线间的电磁干扰. 用户线用户线:电话机到电话交换机之间的双绞线电话机到电话交换机之间的双绞线 可支持模拟传输和数字传输可支持模拟传输和数字传输,长距离需放大或中继长距离需放大或中继 分类分类:屏蔽屏蔽双绞线双绞线STP:双绞外加上金属网屏蔽层双绞外加上金属网屏蔽层无屏蔽无屏蔽双绞线双绞线UTP: 常用双绞线类别（常用双绞线类别（EIA/TIA标准标准-568）：）：3类、类、4类、类、5类、超类、超5类、类、6类和类和7类。类。22
22、计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体双绞线双绞线内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘内屏蔽内屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套-螺旋绞合的双导线螺旋绞合的双导线， 1mm-每根每根4对、对、25对、对、1800对对-典型连接距离典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头插座、插头-优缺点：优缺点： 成本低成本低 组装密度高、节省空间组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率）平衡传输（高速率） 抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离短连接距离短23计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的
23、传输媒体物理层下面的传输媒体(2) 同轴电缆同轴电缆 结构结构 T型分接头：连接计算机型分接头：连接计算机非插入式：剪断导线再连接非插入式：剪断导线再连接插入式：无需剪断导线插入式：无需剪断导线 分类分类基带同轴电缆（基带同轴电缆（50 电缆）：用于数字传输，带宽为电缆）：用于数字传输，带宽为10Mbps，可可将信号传送将信号传送1KM，信号编码可采用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编信号编码可采用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码码宽带同轴电缆（宽带同轴电缆（ 75 电缆）：电缆）： 用于模拟信号传输数字数据宽带模用于模拟信号传输数字数据宽带模拟传输，带宽可达拟传输，带宽可达300500MHz ，如如
24、CATV。500MHz以上信号可以上信号可传达传达100KM，传送的信号采用了频分多路复用的宽带信号，每一个传送的信号采用了频分多路复用的宽带信号，每一个6MHz的信道可传送一路电视信号，传送数字信号时的数据率可达的信道可传送一路电视信号，传送数字信号时的数据率可达3Mbps。 外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体24计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明同轴电缆用于同轴电缆用于10Base2 LAN2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体25计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体粗缆在粗缆在10Base5 LAN中的应用中的应用
25、26计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体常用编码方式常用编码方式（补充）（补充）27计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体(3) 光纤：光纤：由能传导光波的石英玻璃纤维，外加保护层构由能传导光波的石英玻璃纤维，外加保护层构成，利用光脉冲来传输数据。成，利用光脉冲来传输数据。 结构：结构： 传送过程：用光纤来传输电信号时，在发送端先要将传送过程：用光纤来传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端又要由光检波器还原成其转换成光信号，而在接收端又要由光检波器还原成电信号。电信号。驱动
26、器驱动器光源光源光检测器光检测器放大器放大器电信号电信号光信号光信号电信号电信号包带层加强芯外护套远供电源线光纤及其包层填充物28计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体光纤光纤高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射29计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体单模光纤多模光纤多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传播单束光线沿直线传播单束光线沿直线传播输入脉冲输出脉冲输入脉冲输出脉冲30计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的传输媒体
27、物理层下面的传输媒体光纤光纤 光纤的特点光纤的特点通信容量非常大通信容量非常大传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济抗雷电和电磁干扰性能好抗雷电和电磁干扰性能好无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据体积小，重量轻体积小，重量轻缺点是光纤精确地连接需用专用设备缺点是光纤精确地连接需用专用设备 每根光纤只能单向通信，如要双向通信必须每根光纤只能单向通信，如要双向通信必须成对成对31计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体2.3.2 非导向传输媒体非导向传
28、输媒体 适用于：高山或岛屿，甚至城市，无法或很难架设线缆以及移适用于：高山或岛屿，甚至城市，无法或很难架设线缆以及移动数据通信。动数据通信。无线传输：无线传输：LFLF、MFMF、HFHF，以及，以及V V、U U、S S和和E E。目前高带宽的计算机通信主要使用三种技术：微波，红外线和目前高带宽的计算机通信主要使用三种技术：微波，红外线和激光。激光。微波：载波频率为微波：载波频率为2 2 40 40 GHGHZ Z范围，直线传播，可同时传送范围，直线传播，可同时传送大量信息。大量信息。 地面微波接力通信：由于地球表面是曲面，需在地面建立地面微波接力通信：由于地球表面是曲面，需在地面建立中继站
29、，天线越高距离越远。中继站，天线越高距离越远。 卫星通信：人造同步卫星位于卫星通信：人造同步卫星位于3600036000KMKM的高空，可作为中继的高空，可作为中继器实现微波接力通信。器实现微波接力通信。红外通信和激光通信也像微波通信一样，有很强的方向性。红外通信和激光通信也像微波通信一样，有很强的方向性。32计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体33计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分利用频分复用、时分复用和统计时分利用复用：把许多信号组合在单一的物理传输线缆上用
30、单一的复用：把许多信号组合在单一的物理传输线缆上用单一的传输设备进行传输的技术。在远距离传输时可大大节省线传输设备进行传输的技术。在远距离传输时可大大节省线缆的安装和维护费用，同时大大提高信道的利用率。缆的安装和维护费用，同时大大提高信道的利用率。DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿34计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（1）频分复用）频分复用用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。个频带。频分复用频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带
31、宽资源（请注的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的意，这里的“带宽带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 535计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。防护频带以防相互干扰。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2
32、 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器36计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（2）时分复用）时分复用时分复用时分复用则是将时间划分为一段段等长的则是将时间划分为一段段等长的时分时分复用帧复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户帧）。每一个时分复用的用户在每一个在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是每一个用户所占用的时隙是周期性地出现周期性地出现（其（其周期就是周期就是 TDM 帧的长度）。帧的长度）。时分复用的所有用户是在不同的时间占用时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样同样的的频带宽度。
33、频带宽度。37计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（2）时分复用）时分复用频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧38计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（2）时分复用）时分复用频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧39计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（2）时分复用）时分复用频率时间BDBDB
34、DAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧40计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（2）时分复用）时分复用频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧41计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术时分复用可能会造成线路资源的浪费时分复用可能会造成线路资源的浪费 用户在所分得的时隙中可能处于空闲状态用户在所分得的时隙中可能处于空闲状态 ABCDaabbcdb cattttt4 个
35、时分复用帧个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户42计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术统计时分复用统计时分复用STDM(Statistic TDM) 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用集集中中器器43计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术E1标准的时分复用帧标准的时分复用帧2.048 Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 C
36、H17 CH30 CH31 CH08 bitt时分复用帧时分复用帧T = 125 ms15 个话路个话路15 个话路个话路44计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（3）波分复用）波分复用波分复用，实际上是光的频分复用，它把多种波长的光波分复用，实际上是光的频分复用，它把多种波长的光复用到一根光纤上传输。现在最多可在一路光纤上复用复用到一根光纤上传输。现在最多可在一路光纤上复用80路或更多路数的光载波信号路或更多路数的光载波信号密集波分复用密集波分复用F2F1F3 光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱 光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光
37、纤 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅光纤光纤5光纤光纤6光纤光纤4F2F1F3 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅45计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（3）波分复用就是光的频分复用）波分复用就是光的频分复用 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 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/
38、s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器46计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（4）码分复用）码分复用CDM码分多址码分多址CDMA技术允许每个用户可在同样的时间使用同样技术允许每个用户可在同样的时间使用同样的频带进行通信，但各用户使用经过特殊挑选的不同码型，的频带进行通信，但各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。因此彼此不会造成干扰。每一个比特时间划分为每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为个短的间隔，称为码片码片(chip)， m常取常取64 或或128。每个站被指派一个唯一的每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序
39、列，各站互不相同。码片序列，各站互不相同。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，例如，S 站的站的 8 bit 码片序列是码片序列是 00011011。 发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。S 站的码片序列：站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)47计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（4）码分复用）码分复用CDM码片序列的正交关系码片序列的正交关系 两个不同站的码片序列正交，就是向量两个不同站的码片序列正
40、交，就是向量 S 和和T 的规格的规格化化内积内积(inner product)都是都是 0： 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是是1 （-1表示表示“0”）。）。 分析案例：向量分析案例：向量S为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。011miiiTSmTSmimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS48计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（4）码分复用）码分复用CDM CDMA的工作原理的工作原理 当当X站要接收站要
41、接收S站发来的数据，站发来的数据，X站必须知道站必须知道S站所站所特有的码片向量特有的码片向量S，然后用它与所收到的未知信号然后用它与所收到的未知信号进行求内积。进行求内积。 X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。 根据叠加原理可知，所求得的内积结果是：所有其根据叠加原理可知，所求得的内积结果是：所有其它站的信号都被滤掉（内积为它站的信号都被滤掉（内积为0），只剩下），只剩下S站发送站发送来的信号。若来的信号。若S站发送比特站发送比特1时，则时，则X站计算内积的站计算内积的结果为结果为1；当；当S站发送比特站发送比特0时，内积的结果为时，内积的结
42、果为-1。49计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术（4）码分复用）码分复用CDMCDMA的工作原理图的工作原理图S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端50计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.4 信道复用技术信道复用技术频分复用、时分复用和码分复用的比较频分复用、时分复用和码分复用的比较 CDMACDMA与与TDMATDMA和和FDMAFDMA的区别的区别，就好像，就好像一个国际会议上，一个国际会议上，
43、TDMATDMA是任何时间只有是任何时间只有一个人讲话，其他人轮流发言；一个人讲话，其他人轮流发言；FDMAFDMA则则是把与会的人员分成几个小组，分别进是把与会的人员分成几个小组，分别进行讨论；而行讨论；而CDMACDMA就像大家在一起，每个就像大家在一起，每个国家的人使用自己国家的语言进行讨论。国家的人使用自己国家的语言进行讨论。51计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.5 数字传输系统数字传输系统1、脉冲代码调制脉冲代码调制PCMPCMPCM：最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。 采样采样是指在每隔固定长度的时间点上抽取
44、模拟数据的瞬时值，是指在每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值，作为从这一次抽样到下一次抽样之间该模拟数据的代表值。作为从这一次抽样到下一次抽样之间该模拟数据的代表值。根据采样定理，根据采样定理，当抽样的频率大于或等于模拟数据的频带宽当抽样的频率大于或等于模拟数据的频带宽度度( (最高变化频率最高变化频率) )的两倍时，所得的离散信号可以无失真地的两倍时，所得的离散信号可以无失真地代表被抽样的模拟数据代表被抽样的模拟数据。 量化则是把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换为量化则是把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数字值，并取整数。这样，把连续的电平幅值转换为对应的数字值
45、，并取整数。这样，把连续的电平幅值转换为离散的数字量。离散的数字量。 编码把量化的结果转换为对应的二进制编码。编码把量化的结果转换为对应的二进制编码。52计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.5 数字传输系统数字传输系统脉冲代码调制脉冲代码调制PCM53计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.5 数字传输系统数字传输系统模拟数据的数字传输的工作原理模拟数据的数字传输的工作原理采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原54计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.5 数字传输系统数字传输系统欧洲欧洲E1标准：复用帧划分为标准：复用帧划分为32个时
46、隙（个时隙（30路电话，路电话，2路信令），每个时隙传送路信令），每个时隙传送8位，每秒传送位，每秒传送8000个个帧。因此，帧。因此，E1一次群的数据率一次群的数据率2.048Mbps 。北美北美T1标准：标准：24个话路，采样脉冲用个话路，采样脉冲用7位编码，位编码，再加上再加上1位信令，位信令，24路编码之后加路编码之后加1位同步码，故位同步码，故每帧每帧193位。每秒传送位。每秒传送8000帧，帧，T1一次群的数据一次群的数据率率1.544Mbps 。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。55计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.5
47、 数字传输系统数字传输系统数字传输系统高次群的话路数和数据率数字传输系统高次群的话路数和数据率 系统类型系统类型一次群一次群二次群二次群三次群三次群四次群四次群五次群五次群欧洲欧洲体制体制符号符号话路数话路数数据率数据率(Mb/s)E1302.048E21208.488E348034.368E41920139.264E57680565.148北美北美体制体制符号符号话路数话路数数据率数据率(Mb/s)T1241.544T2966.312T367244.736T44032274.17656计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.5 数字传输系统数字传输系统2、同步光纤网、同步光纤网 SON
48、ET 和同步数字系列和同步数字系列 SDH旧的数字传输系统存在着许多缺点：旧的数字传输系统存在着许多缺点： 速率标准不统一，如E1标准与T1标准。 不是同步传输，无统一时钟。同步光纤网同步光纤网 SONET 整个网络的各级时钟来自一个精确的主时钟 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s基本速率 光信号则称为第 1 级光载波 OC-157计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.5 数字传输系统数字传输系统国际标准同步数字系列国际标准同步数字系列SDH 以以SONET为基础为基础 基本速率为基本速率为
49、 155.52 Mb/s，称为第，称为第 1 级级同步传递模块同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即，即 STM-1 定义了四个光接口层定义了四个光接口层光子层(Photonic Layer)：处理跨越光缆的比特传送。段层(Section Layer)：在光缆上传送 STS-N 帧。线路层(Line Layer)：负责路径层的同步和复用。路径层(Path Layer) ：处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输。58计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.5 数字传输系统数字传输系统SONET体系
50、结构体系结构线路 (line)光子层路径层线路层段层光子层线路层段层光子层段层光子层线路层段层光子层段层SDH终端SDH终端复用器或分用器复用器或分用器转发器转发器段段段路径 (path)(section) (section) (section)光子层路径层线路层段层59计算机工程学院计算机工程学院 伍俊明伍俊明2.6 宽带接入技术宽带接入技术2.6.1 xDSL技术技术xDSL技术：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，技术：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。使它能够承载宽带业务。用户线实际可通过的信号频率超过用户线实际可通过的信号频率超过1MHz 04KH
