计算机网络-物理层

计算机网络（第 5 版）第 2 章 物理层5/17/2024辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件第第 2 章章 物理层物理层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2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型2.2.2 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量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2.3.2 非导向传输媒体非导向传输媒体5/17/20242辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件第第 2 章章 物理层（续）物理层（续）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复用频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用波分复用 2.4.3 码分复用码分复用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 2.6.1 xDSL技术技术 2.6.2 光纤同轴混合网光纤同轴混合网(HFC 网网)2.6.3 FTTx 技术技术5/17/20243辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件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物理层考虑的是怎样在连接各种计算机的传输媒体上怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流，屏蔽不同硬件设备、传输媒体和通信方传输比特流，屏蔽不同硬件设备、传输媒体和通信方式所带来的各种差异。式所带来的各种差异。物理层的主要任务物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口的一些：确定与传输媒体的接口的一些特性，即：特性，即：n机械特性机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等等。和排列、固定和锁定装置等等。n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范围指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围n功能特性功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。意义。n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指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序5/17/20244辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 传输传输系统系统输输入入信信息息输输入入数数据据发送发送的信号的信号接收接收的信号的信号输输出出数数据据源点源点终点终点发送器发送器接收器接收器调制解调器调制解调器PC 机机公用电话网公用电话网调制解调器调制解调器数字比特流数字比特流数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 输入输入汉字汉字显示显示汉字汉字数据通信系统数据通信系统源系统源系统目的系统目的系统传输系统传输系统输输出出信信息息PC 机机数据通信系统的模型数据通信系统的模型5/17/20245辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件几个术语n数据数据(data)信息信息的数据化形式。的数据化形式。n信号信号(signal)数据电气的或电磁的表现，或数据的物数据电气的或电磁的表现，或数据的物理量编码。理量编码。n模拟信号模拟信号在时间域上幅度取值连续的信号在时间域上幅度取值连续的信号n数字信号数字信号在时间域上幅度取值离散的信号在时间域上幅度取值离散的信号 n码元码元(code)在使用时间域在使用时间域(或简称为时域或简称为时域)的波形表示的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。5/17/20246辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 模拟信号、数字信号和码元模拟信号、数字信号和码元ta)模拟信号模拟信号tb)数字信号数字信号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5/17/20247辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 2.2.2 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念n信道和通信电路不同信道和通信电路不同n根据通信双方信息交换的方式，根据通信双方信息交换的方式，通信方式通信方式可以分为可以分为以下三种：以下三种：n单向通信单向通信(单工通信单工通信)只能有一个方向的通信而只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。没有反方向的交互。n双向交替通信双向交替通信(半双工通信半双工通信)通信的双方都可以通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同当然也就不能同时接收时接收)。n双向同时通信双向同时通信(全双工通信全双工通信)通信的双方可以同通信的双方可以同时发送和接收信息。时发送和接收信息。5/17/20248辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 基带信号和带通信号 n基带信号基带信号(基本频带信号基本频带信号)来自信源的信号。像来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号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。都属于基带信号。n基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流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。因此必须对基带信号进行分量。因此必须对基带信号进行调制调制(modulation)。n调制分为两大类调制分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然属于基带信号。这类调制称为号仍然属于基带信号。这类调制称为基带调制基带调制。5/17/20249辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件带通信号和几种最基本调制方法 n另一类需要使用载波另一类需要使用载波(carrier)进行调制，把基带信号进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。这类的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。这类调制称为调制称为带通调制带通调制。经载波调制后的信号称为。经载波调制后的信号称为带通信号带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道即仅在一段频率范围内能够通过信道)。n最基本的带通调制方法最基本的带通调制方法有以下几种：有以下几种：n调幅调幅(AM，幅度调制，幅移键控，幅度调制，幅移键控):载波的振幅随基带载波的振幅随基带数字信号而变化。数字信号而变化。n调频调频(FM):载波的频率随基带数字信号而变化。载波的频率随基带数字信号而变化。n调相调相(PM):载波的初始相位随基带数字信号而变化载波的初始相位随基带数字信号而变化 5/17/202410辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件对基带数字信号的几种调制方法对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号基带信号调幅调幅调频调频调相调相正交调幅正交调幅QAM5/17/202411辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 第第1章章 内容回忆内容回忆(4)n1.7 计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构 实体、协议、服务、服务原语和服务访问点实体、协议、服务、服务原语和服务访问点；TCP/IP的体系结构；的体系结构；everything over IP、IP over everythingn2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念物理层的主要任务物理层的主要任务n2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 数据通信系统的模型；几个术语数据通信系统的模型；几个术语(数据、信号、模拟数据、信号、模拟信号、数字信号、码元信号、数字信号、码元)；三种通信方式；基带信号；三种通信方式；基带信号和带通信号；基带调制和带通调制；四种带通调制和带通信号；基带调制和带通调制；四种带通调制的方法；的方法；5/17/202412辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量 n任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种生各种失真失真。n数字信号的优点数字信号的优点：在接收端只要能从失真的波形识：在接收端只要能从失真的波形识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。影响。n码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在信道输出噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在信道输出端的端的波形的失真就越严重波形的失真就越严重。5/17/202413辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件数字信号通过实际的信道 n有失真，但有失真，但可识别可识别n失真大，失真大，无法识别无法识别 实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形发送信号波形接收信号波形接收信号波形发送信号波形发送信号波形实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形接收信号波形5/17/202414辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件(1)信道能够通过的频率范围信道能够通过的频率范围n码间串扰：码间串扰：如果信号中的如果信号中的高频分量高频分量在传输时受到衰减，那么接在传输时受到衰减，那么接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每个码元所收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每个码元所占的时间界限不再很明确，前后都拖了占的时间界限不再很明确，前后都拖了“尾巴尾巴”。也就是说，。也就是说，扩散了的码元波形所占的时间变得更宽了。这样，在接收端收扩散了的码元波形所占的时间变得更宽了。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。n1924 年，奈奎斯特年，奈奎斯特(Nyquist)推导出了著名的推导出了著名的奈氏准则奈氏准则。他给。他给出了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率的上限值。n在任何信道中，码元传输的速率是有上限的在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别即识别)成为不可能成为不可能n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，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出现码间串扰。那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。5/17/202415辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件(2)信噪比信噪比 n噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。同时噪噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。同时噪声是随机的；噪声的影响是相对的。声是随机的；噪声的影响是相对的。n信噪比信噪比S/N 1dB=10 log10(S/N)n香农香农(Shannon)用信息论的理论推导出了香农公式。用信息论的理论推导出了香农公式。香农公式香农公式指出：指出：n信道的信道的极限极限信息传输速率信息传输速率(极限容量极限容量)C 可表达为可表达为n C=W log2(1+S/N)b/s nW 为信道的带宽为信道的带宽(以以 Hz 为单位为单位)；nS 为信道内所传信号的平均功率；为信道内所传信号的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。为信道内部的高斯噪声功率。5/17/202416辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件香农公式的含义 n信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信道的极限信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信道的极限传输速率传输速率C就越高。就越高。n只要信息传输速率只要信息传输速率低于低于信道的极限信息传输速率，信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输实现无差错的传输。n若信道带宽若信道带宽 W 或信噪比或信噪比 S/N 没有上限没有上限(当然实际信当然实际信道不可能是这样的道不可能是这样的)，则信道的极限信息传输速率，则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。也就没有上限。n实际信道上实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率限传输速率低不少低不少。5/17/202417辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件注意 n对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还还有办法提高信息的传输速率吗有办法提高信息的传输速率吗？n这就是用这就是用编码的方法编码的方法让每一个码元携带更多比特的让每一个码元携带更多比特的信息量。也就是说，若以同样的速率发送码元，则信息量。也就是说，若以同样的速率发送码元，则同样的时间所传送的信息量就提高了。同样的时间所传送的信息量就提高了。n因此，自香农公式发表后，各种新的信号处理和调因此，自香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香制方法不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。农公式给出的传输速率极限。5/17/202418辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体n传输媒体也称为传输介质或传输媒介传输媒体也称为传输介质或传输媒介，是数据传，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理线路。输系统中在发送器和接收器之间的物理线路。n传输媒体分为两大类：传输媒体分为两大类：导向传输媒体和非导向传导向传输媒体和非导向传输媒体输媒体。n在导向传输媒体中，电磁波被导向在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固定媒体沿着固定媒体(铜线或光纤铜线或光纤)传播传播；非导向传输媒体就是指；非导向传输媒体就是指自由自由空间空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。无线传输。5/17/202419辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件2.3.1 导向传输媒体导向传输媒体n双绞线双绞线(双扭线双扭线)n把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法方法绞合绞合起来，就构成了双绞线。起来，就构成了双绞线。绞合度绞合度越大，抗电磁越大，抗电磁干扰能力越强。干扰能力越强。n使用双绞线最多的地方是使用双绞线最多的地方是电话系统电话系统。其通信距离一般为。其通信距离一般为几到几十公里，距离太长需使用几到几十公里，距离太长需使用放大器或中继器放大器或中继器。另外，。另外，导线越粗，其通信距离越远。导线越粗，其通信距离越远。n双绞线的分类双绞线的分类n屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)和无屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)n3类、类、4类、类、5类、超类、超5类、类、6类、类、7类双绞线类双绞线5/17/202420辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件双绞线和同轴电缆铜线铜线铜线铜线聚氯乙烯聚氯乙烯 套层套层聚氯乙烯聚氯乙烯套层套层屏蔽层屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层外导体屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘保护套层绝缘保护套层内导体内导体无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP同轴电缆同轴电缆同轴电缆具有很好的抗同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛应用干扰特性，被广泛应用于于传输较高速率传输较高速率的数据。的数据。目前同轴电缆主要用于目前同轴电缆主要用于有线电视网有线电视网的居民小区。的居民小区。5/17/202421辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件光纤和光缆n光纤通信就是利用光导纤维光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤简称光纤)传递光脉冲传递光脉冲来进行通信。因此，来进行通信。因此，光纤是光纤通信的传输媒体光纤是光纤通信的传输媒体。n光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由纤芯纤芯和包层和包层构成，直径仅有构成，直径仅有8至至100um。光波通过。光波通过纤芯纤芯传传导。导。n由于光纤非常细，因此必须将由于光纤非常细，因此必须将光纤做成很结实的光光纤做成很结实的光缆缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物提高其机械至数百根光纤，再加上加强芯和填充物提高其机械强度。强度。5/17/202422辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件光线在光纤中的折射 折射角折射角入射角入射角 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体）包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体）纤芯纤芯（高折射率的媒体）（高折射率的媒体）包层包层纤纤芯芯5/17/202423辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件光纤的工作原理高折射率高折射率(纤芯纤芯)低折射率低折射率(包层包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射5/17/202424辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲单模光纤单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲多模光纤多模光纤多模光纤只适合近距离传输；单模光纤适合远距离传输多模光纤只适合近距离传输；单模光纤适合远距离传输5/17/202425辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件光纤的特点和缺点n特点特点n通信容量非常大通信容量非常大n传输损耗小，对远距离传输特别经济传输损耗小，对远距离传输特别经济n抗雷电和电磁干扰性能好抗雷电和电磁干扰性能好n无串音干扰，保密性好，不易被窃听和截取数据无串音干扰，保密性好，不易被窃听和截取数据n体积小，重量轻体积小，重量轻n缺点缺点n将两根光纤精确地连接需要专用设备将两根光纤精确地连接需要专用设备n光接口连接器较贵光接口连接器较贵5/17/202426辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件2.3.2 非导向传输媒体非导向传输媒体 n若通信线路要通过一些高山或岛屿；在城市中挖开若通信线路要通过一些高山或岛屿；在城市中挖开马路铺设电缆，都不是一件很容易的事。马路铺设电缆，都不是一件很容易的事。n无线传输无线传输所使用的频段很广。所使用的频段很广。n短波短波通信通信(高频通信高频通信)主要是靠电离层的反射，但短主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。波信道的通信质量较差。n微波微波在空间主要是直线传播。在空间主要是直线传播。n地面微波接力通信地面微波接力通信n卫星通信卫星通信 5/17/202427辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件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复用频分复用、时分复用和统计时分复用 n复用复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念，是通信技术中的基本概念，即多个信息源共享一个公共信道。即多个信息源共享一个公共信道。复用的目的复用的目的在于提高线路利用率。在于提高线路利用率。信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道信道信道共享信道共享信道A1A2B1B2C1C2复用器复用器分用器分用器(a)不使用复用技不使用复用技术术(b)使用复用技术使用复用技术5/17/202428辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件频分复用频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)n原理：原理：整个传输频带被划分为整个传输频带被划分为若干个频带若干个频带，每路信号占用一，每路信号占用一个频带进行传输。频带之间留有个频带进行传输。频带之间留有防护频带防护频带以防相互干扰。以防相互干扰。n用户在分配到一定的频带后，在通信过程中用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终自始至终都占用都占用这个频带。因此，频分复用的所有用户这个频带。因此，频分复用的所有用户在同样的时间占用不在同样的时间占用不同的带宽资源同的带宽资源。频分复用适用于频分复用适用于模拟信号的传输模拟信号的传输。频率频率时间时间频带频带 1频带频带 2频带频带 3频带频带 4频带频带 55/17/202429辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件时分复用时分复用TDM(Time Division Multiplexing)n时分复用原理：时分复用原理：将时间划分为一段段等长的将时间划分为一段段等长的时分复时分复用帧用帧(TDM 帧帧)。每一个时分复用的用户在每一个。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的帧中占用固定序号的时隙时隙。n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(其周期其周期就是就是 TDM 帧的长度帧的长度)。因此。因此TDM 信号也称为信号也称为等等时时(isochronous)信号。信号。n时分复用的所有用户是在时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频不同的时间占用同样的频带宽度带宽度。n时分复用适合于时分复用适合于数字信号数字信号的传输。的传输。5/17/202430辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件时分复用(同步时分复用)频率频率时间时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧B、C、D在在TDM帧中的位置也不变帧中的位置也不变5/17/202431辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件时分复用系统传输计算机数据 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧个时分复用帧#1acbcd时分复用时分复用#2#3#4用户用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的利用率一般是不高的。5/17/202432辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件统计时分复用统计时分复用 STDM(Statistic TDM)用户用户ABCDabcdttttt3 个个 STDM 帧帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用统计时分复用集集中中器器各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按按顺序依次扫描输入缓存顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，对于没有数据的缓存就帧中，对于没有数据的缓存就跳过去跳过去。优点和缺点优点和缺点5/17/202433辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件2.4.2 波分复用波分复用 WDM2.4.3 码分复用码分复用CDMn波分复用波分复用就是光的频分复用。即在一根光纤上复用就是光的频分复用。即在一根光纤上复用多路波长接近的光载波信号。多路波长接近的光载波信号。n码分复用码分复用：各用户使用经过特殊挑选的不同码型，：各用户使用经过特殊挑选的不同码型，使得各用户之间不会造成干扰。因此，每个用户可使得各用户之间不会造成干扰。因此，每个用户可以在以在同样的时间使用同样的频带进行通信同样的时间使用同样的频带进行通信。n码分复用系统现在广泛用在民用的移动通信中。采码分复用系统现在广泛用在民用的移动通信中。采用用CDMA(码分多址码分多址)可提高通信的话音质量和数据可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信容量容量(是是GSM的的45倍倍)，降低手机的平均发射功率，降低手机的平均发射功率等等。等等。5/17/202434辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件2.5 数字传输系统数字传输系统1.脉码调制脉码调制 PCM 体制体制 n脉码调制脉码调制 PCM(Pulse Code Modulation)体制最初体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路话音。是为了在电话局之间的中继线上传送多路话音。n由于历史上的原因，由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际有两个互不兼容的国际标准，即北美的标准，即北美的 24 路路 PCM(简称为简称为 T1)和欧洲的和欧洲的 30 路路 PCM(简称为简称为 E1)。我国采用的是欧洲的。我国采用的是欧洲的 E1 标准。标准。nE1 的速率是的速率是 2.048 Mb/s，而，而 T1 的速率是的速率是 1.544 Mb/s。n当需要有更高的数据率时，可采用当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法复用的方法。5/17/202435辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件电话信号转变为数字信号的过程n首先必须对首先必须对电话信号采样电话信号采样，采样频率不低于电话信，采样频率不低于电话信号最高频率的号最高频率的2倍，这样可以从采样脉冲信号无失真倍，这样可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。连续的电话信号经采样地恢复出原来的电话信号。连续的电话信号经采样后成为后成为离散脉冲信号离散脉冲信号。经。经模数变换模数变换后，每个脉冲信后，每个脉冲信号编码为号编码为二进制码元二进制码元。n为了有效地利用传输线路，通常将许多个话路的为了有效地利用传输线路，通常将许多个话路的PCM信号用信号用时分复用时分复用TDM的方法装成帧的方法装成帧(TDM帧帧)，然后再送往线路上一帧一帧地传输。然后再送往线路上一帧一帧地传输。nE1的时分复用帧共划分为的时分复用帧共划分为32个时隙个时隙，其中有，其中有2个时隙个时隙用于帧同步和传送信令。用于帧同步和传送信令。5/17/202436辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 第第2章章 内容回忆内容回忆(1)n2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 信道的极限容量信道的极限容量(香农公式香农公式)；n2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体 传输媒体的分类；双绞线的分类；光纤和光缆；光传输媒体的分类；双绞线的分类；光纤和光缆；光纤的工作原理；光纤的分类；光纤的特点和缺点；纤的工作原理；光纤的分类；光纤的特点和缺点；非导向传输媒体非导向传输媒体n2.4 信道复用技术信道复用技术n2.5 数字传输系统数字传输系统 脉码调制脉码调制PCM5/17/202437辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 2.同步光纤网和同步数字系列同步光纤网和同步数字系列n旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：是以下两个方面：n速率标准不统一速率标准不统一nPCM一次群数字传输速率有两个标准；高次群有三个标一次群数字传输速率有两个标准；高次群有三个标准。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际准。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。范围的高速数据传输就很难实现。n不是同步传输不是同步传输n在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用要是采用准同步方式准同步方式，给复用和分用带来许多麻烦。，给复用和分用带来许多麻烦。5/17/202438辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件同步光纤网同步光纤网 SONETn同步光纤网同步光纤网 SONET(Synchronous Optical Network)由由美国美国提出，其各级时钟都来自一个非常精确的主提出，其各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。时钟。nSONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率等级结构，其传输速率以以51.84 Mb/s为基础为基础。此速率。此速率对于电信号称为第对于电信号称为第 1 级级同步传送信号同步传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)；对于光信号则称；对于光信号则称为为第第 1 级光载波级光载波 OC-1，OC 表示表示Optical Carrier。5/17/202439辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件同步数字系列同步数字系列 SDH nITU-T 以美国标准以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准为基础，制订出国际标准同步数字系列同步数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)n一般可认为一般可认为 SDH 与与 SONET 是同义词是同义词，主要不同点主要不同点是：是：SDH 的基本速率为的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第，称为第 1 级级同同步传递模块步传递模块(Synchronous Transfer Module)，即，即 STM-1，相当于，相当于 SONET 体系中的体系中的 OC-3 速率。速率。nSONET标准定义了四个光接口层标准定义了四个光接口层，自下而上分别为：，自下而上分别为：光子层、断层、线路层、路径层。其中前两层是必须光子层、断层、线路层、路径层。其中前两层是必须有的，后两层是可供选择的。有的，后两层是可供选择的。5/17/202440辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件线路速率线路速率(Mb/s)SONET符号符号ITU-T符号符号表示线路速率表示线路速率的常用近似值的常用近似值 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-82488.320OC-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 的的 OC 级级/STS 级与级与 SDH 的的 STM 级的对应关系级的对应关系 5/17/202441辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件四个光接口层四个光接口层 的作用的作用n光子层光子层(Photonic Layer)n处理跨越光缆的比特传送，并负责电信号和光信号之间处理跨越光缆的比特传送，并负责电信号和光信号之间的转换。的转换。n段层段层(Section Layer)n在光缆上传送在光缆上传送 STS-N 帧，有组装成帧和差错校验功能。帧，有组装成帧和差错校验功能。n线路层线路层(Line Layer)n负责路径层的同步和复用，以及交换的自动保护。负责路径层的同步和复用，以及交换的自动保护。n路径层路径层(Path Layer)n处理路径端接设备处理路径端接设备 PTE(Path Terminating Element)之间之间的业务的传输。的业务的传输。5/17/202442辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件2.6 宽带接入技术宽带接入技术2.6.1 xDSL技术技术nxDSL 技术技术就是用数字技术对现有的就是用数字技术对现有的模拟电话用户线模拟电话用户线进进行改造，使它能够承载宽带业务。行改造，使它能够承载宽带业务。n虽然标准模拟电话信号的频带被限制在虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 3003400 Hz(P56)的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过仍然超过 1 MHz。nxDSL 技术就把技术就把 04 kHz 低端频谱留给传统电话使用，低端频谱留给传统电话使用，而而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。nDSL 就是就是数字用户线数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。的缩写。而而 DSL 的前缀的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。带方案。5/17/202443辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件xDSL 的几种类型的几种类型 nADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对：非对称数字用户线称数字用户线nHDSL(High speed DSL)：高速数字用户线：高速数字用户线nSDSL(Single-line DSL)：1 对线的数字用户线对线的数字用户线nVDSL(Very high speed DSL)：甚高速数字用户线：甚高速数字用户线nDSL：综合业务数字网：综合业务数字网ISDN 用户线。用户线。nRADSL(Rate-Adaptive DSL)：速率自适应：速率自适应 DSL，是是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率。的一个子集，可自动调节线路速率。5/17/202444辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件xDSL 的极限传输距离的极限传输距离nxDSL 的极限传输距离的极限传输距离与数据率以及用户线的线径与数据率以及用户线的线径都有很大的关系都有很大的关系。n例如，例如，0.5 毫米线径的用户线，传输速率为毫米线径的用户线，传输速率为 1.5 2.0 Mb/s 时可传送时可传送 5.5 公里，但当传输速率提高到公里，但当传输速率提高到 6.1 Mb/s 时，传输距离就缩短为时，传输距离就缩短为 3.7 公里。公里。n如果把用户线的线径减小到如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在毫米，那么在6.1 Mb/s的传输速率下就只能传送的传输速率下就只能传送2.7公里。公里。n用户线越细用户线越细，传输速率越大传输速率越大，信号传输时的衰减就，信号传输时的衰减就越大，越大，传输距离就越短传输距离就越短。5/17/202445辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件ADSL 的特点的特点n上行和下行带宽不对称上行和下行带宽不对称。上行指从用户到。上行指从用户到 ISP，而，而下行指从下行指从 ISP 到用户。到用户。nADSL 在用户线在用户线(铜线铜线)的两端各安装一个的两端各安装一个 ADSL 调调制解调器制解调器。n我国目前采用的我国目前采用的ADSL调制解调器的实现方案是调制解调器的实现方案是离离散多音调散多音调 DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术。调制技术。这里的这里的“多音调多音调”就是就是“多载波多载波”或或“多子信道多子信道”的意思。的意思。5/17/202446辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件DMT 技术技术nDMT 调制技术采用调制技术采用频分复用频分复用的方法，把的方法，把 40kHz 以以上一直到上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，的高端频谱划分为许多的子信道，其中其中 25 个子信道用于上行信道，而个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用个子信道用于下行信道。于下行信道。n每个子信道占据每个子信道占据 4 kHz 带宽带宽(严格讲是严格讲是 4.3125 kHz)，并使用不同的载波，并使用不同的载波(即不同的音调即不同的音调)进行数字调制。进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器解调器并行地并行地传送数据。传送数据。5/17/202447辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件DMT 技术的频谱分布技术的频谱分布 频谱频谱频率频率上行信道上行信道传统电话传统电话04下行信道下行信道(kHz)4013811005/17/202448辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件ADSL 的数据率的数据率n由于用户线的具体条件往往相差很大由于用户线的具体条件往往相差很大(距离、线径、距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同受到相邻用户线的干扰程度等都不同)，因此，因此 ADSL 采用采用自适应调制技术自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的使用户线能够传送尽可能高的数据率。数据率。n当当 ADSL 启动时，用户线两端的启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。及在每一个频率上测试信号的传输质量。nADSL 不能保证固定的数据率不能保证固定的数据率。对于质量很差的用。对于质量很差的用户线甚至户线甚至无法开通无法开通 ADSL。n通常向用户通常向用户承诺的承诺的ADSL数据率数据率：下行数据率在：下行数据率在 32 kb/s 到到 6.4 Mb/s 之间，而上行数据率在之间，而上行数据率在 32 kb/s 到到 640 kb/s 之间。之间。5/17/202449辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件第二代第二代 ADSL n通过提高调制效率得到了通过提高调制效率得到了更高的数据率更高的数据率。n采用了采用了无缝速率自适应技术无缝速率自适应技术 SRA(Seamless Rate Adaptation)，可在运营中不中断通信和，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实时情况，不产生误码的情况下，根据线路的实时情况，自适应地调整数据率。自适应地调整数据率。n改善了改善了线路质量评测和故障定位功能线路质量评测和故障定位功能，这对提，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。5/17/202450辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件2.6.2 光纤同轴混合网光纤同轴混合网HFC(Hybrid Fiber Coax)nHFC 网是在目前覆盖面很广的网是在目前覆盖面很广的有线电视网有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。的基础上开发的一种居民宽带接入网。nHFC 网除可传送网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。其他宽带交互型业务。n现有的现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的它采用模拟技术的频分复用频分复用对电视节目进行对电视节目进行单向传单向传输输。而。而 HFC 网则需要对网则需要对 CATV 网进行改造。网进行改造。5/17/202451辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件HFC 的主要特点的主要特点 (1)HFC网的主干线路采用光纤网的主干线路采用光纤nHFC 网将原网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用换为光纤，并使用模拟光纤技术模拟光纤技术。n在模拟光纤中采用光的振幅调制在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用，这比使用数字光纤更为经济。数字光纤更为经济。n模拟光纤从头端连接到模拟光纤从头端连接到光纤结点光纤结点(fiber node)，即即光分配结点光分配结点 ODN(Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。以下就是同轴电缆。5/17/202452辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件(2)HFC 网采用结点体系结构网采用结点体系结构 同轴电缆同轴电缆头端头端模拟光纤模拟光纤放大器放大器引入线引入线分路器分路器光纤结点光纤结点服务区服务区服务区服务区服务区服务区从头端到各个光纤结点用模拟光纤连接，构成星形网；光纤结点以下从头端到各个光纤结点用模拟光纤连接，构成星形网；光纤结点以下是树形网。采用结点体系结构的优点是提高了网络的可靠性。是树形网。采用结点体系结构的优点是提高了网络的可靠性。5/17/202453辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件(3)HFC 网具有比网具有比 CATV 网更宽网更宽的频谱，且具有双向传输功能的频谱，且具有双向传输功能 下行信道下行信道上行上行信道信道5 40 50 550 750 1000原有模拟电视信号原有模拟电视信号数字信号数字信号频率频率(MHz)保留保留5/17/202454辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件(4)每个家庭要安装一个用户接口盒每个家庭要安装一个用户接口盒 n用户接口盒用户接口盒 UIB(User Interface Box)要提供三种连要提供三种连接，即：接，即：n使用同轴电缆连接到使用同轴电缆连接到机顶盒机顶盒(set-top box)，然后，然后再连接到用户的再连接到用户的电视机电视机。n使用双绞线连接到用户的使用双绞线连接到用户的电话机电话机。n使用使用电缆调制解调器电缆调制解调器连接到用户的连接到用户的计算机计算机。HFC最大的优点是具有很宽的带宽，能够利用已经有最大的优点是具有很宽的带宽，能够利用已经有很大覆盖面的有线电视网。很大覆盖面的有线电视网。5/17/202455辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件电缆调制解调器电缆调制解调器(cable modem)n电缆调制解调器电缆调制解调器是为是为 HFC 网而使用的调制解调器。网而使用的调制解调器。n电缆调制解调器最大的特点就是电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高传输速率高。其下。其下行速率一般在行速率一般在 3 10 Mb/s之间，最高可达之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为而上行速率一般为 0.2 2 Mb/s，最高可达，最高可达 10 Mb/s。n电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且器要复杂得多，并且不是成对使用不是成对使用，而是只安装在，而是只安装在用户端。用户端。5/17/202456辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件2.6.3 FTTx 技术技术 nFTTx(光纤到光纤到)也是一种实现宽带居民接入网也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母的方案。这里字母 x 可代表不同意思。可代表不同意思。n光纤到家光纤到家 FTTH(Fiber To The Home)：光纤一直：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。n光纤到大楼光纤到大楼 FTTB(Fiber To The Building)：光纤：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。分配到各用户。n光纤到路边光纤到路边 FTTC(Fiber To The Curb)：从路边到：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。5/17/202457辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件小结小结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2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型2.2.2 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量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2.3.2 非导向传输媒体非导向传输媒体5/17/202458辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件小结（续）小结（续）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复用频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用波分复用 2.4.3 码分复用码分复用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 2.6.1 xDSL技术技术 2.6.2 光纤同轴混合网光纤同轴混合网(HFC 网网)2.6.3 FTTx 技术技术5/17/202459辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件