计算机网络-谢希仁-第7版-02章课件

第第 2 章章 物理层物理层教材：计算机网络（第七版）谢希仁著第第 2 章章 物理层物理层n2.1 物理层物理层的基本概念的基本概念n2.2 数据通信数据通信的基础知识的基础知识n2.3 物理层物理层下面的传输媒体下面的传输媒体n2.4 信道信道复用技术复用技术n2.5 数字传输数字传输系统系统n2.6 宽带宽带接入技术接入技术2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念n物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上输媒体上传输数据比特流，传输数据比特流，而而不是指具体的传输不是指具体的传输媒体媒体。n物理层的物理层的作用是作用是要尽可能地要尽可能地屏蔽屏蔽掉掉不同不同传输媒体传输媒体和通信手段的和通信手段的差异差异。n用于物理层的协议也常称为物理层用于物理层的协议也常称为物理层规程规程(procedure)。物理层的主要任务物理层的主要任务n机械特性机械特性：指明指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置数目和排列、固定和锁定装置等。等。n电气电气特性：特性：指明指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。围。n功能功能特性：特性：指明指明某条线上出现的某一电平的电压表示何某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。种意义。n过程特性过程特性：指明指明对于不同功能的各种可能事件的出现对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。顺序。主要任务：确定主要任务：确定与传输媒体的接口的一些与传输媒体的接口的一些特性。特性。2.2 数据通信数据通信的基础知识的基础知识n2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型n2.2.2 有关有关信道的几个基本概念信道的几个基本概念n2.2.3 信道信道的极限的极限容量容量2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型一个数据通信一个数据通信系统系统包括包括三大部分三大部分：源系统（或发送端、发送方）、源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方目的系统（或接收端、接收方）。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(数字的或数字的或模拟的模拟的)接收接收的的信号信号(数字的或数字的或模拟的模拟的)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 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数据通信数据通信系统的模型系统的模型常用常用术语术语n数据数据(data)运送运送消息的实体。消息的实体。n信号信号(signal)数据数据的电气的或电磁的表现。的电气的或电磁的表现。n模拟信号模拟信号(analogous signal)代表代表消息的参数的消息的参数的取值是连续的。取值是连续的。n数字信号数字信号(digital signal)代表代表消息的参数的取值消息的参数的取值是离散的。是离散的。n码元码元(code)在在使用时间域（或简称为时域）的波使用时间域（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基本波形。形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。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信道信道 一般用来一般用来表示向某一个方向传送信息表示向某一个方向传送信息的媒体的媒体。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只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。信而没有反方向的交互。n双向交替通信双向交替通信（半双工通信）（半双工通信）通信的双方都通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就当然也就不能同时接收不能同时接收)。n双向同时通信双向同时通信（全双工通信）（全双工通信）通信的双方可通信的双方可以同时发送和接收信息。以同时发送和接收信息。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基带信号基带信号（即基本频带信号）（即基本频带信号）来自来自信源的信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。的数据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直流分量。因此必须对基带信号进行调制调制(modulation)。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调制调制分为两大类分为两大类：n基带基带调制调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与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。信道特性相适应。变换后的信号仍然是变换后的信号仍然是基带信号基带信号。把这把这种过程称为种过程称为编码编码(coding)。n带通带通调制调制：使用使用载波载波(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，并的频率范围搬移到较高的频段，并转换为转换为模拟信号，模拟信号，这这样就能够更好地在模拟信道中样就能够更好地在模拟信道中传输传输（即仅在一段频率范（即仅在一段频率范围内能够通过信道）围内能够通过信道）。n带通信带通信号号：经过经过载波调制载波调制后的后的信号信号。(1)常用编码方式常用编码方式不归零制不归零制曼彻斯特曼彻斯特1111100000比特比特流流差分差分曼彻斯特曼彻斯特归零制归零制数字信号数字信号常用的编码方式常用的编码方式(1)常用编码方式常用编码方式n不归零制：不归零制：正电平正电平代表代表 1，负电，负电平代表平代表 0。n归零制：归零制：正脉冲正脉冲代表代表 1，负脉冲，负脉冲代表代表 0。n曼彻斯特编码：曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变位周期中心的向上跳变代表代表 0，位周期中心的向下跳变位周期中心的向下跳变代表代表 1。但也可反过来定。但也可反过来定义。义。n差分曼彻斯特编码：差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变跳变。位开始边界有跳变代表代表 0，而位开始边界，而位开始边界没有跳变没有跳变代表代表 1。(1)常用编码方式常用编码方式n从信号波形中可以看出，从信号波形中可以看出，曼彻斯特编码曼彻斯特编码和差分和差分曼曼彻斯特彻斯特编码编码产生产生的信号频率比不归零制高的信号频率比不归零制高。n从从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这身中提取信号时钟频率（这叫叫作作没有没有自同步能力）自同步能力），而而曼彻斯特编码曼彻斯特编码和差分和差分曼彻斯特曼彻斯特编码编码具有具有自同自同步能力。步能力。(2)基本的带通调制方法基本的带通调制方法n基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直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流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行号进行调制调制(modulation)。n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：n调幅调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。载波的振幅随基带数字信号而变化。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。(2)基本的带通调制方法基本的带通调制方法010011100基带信号基带信号调幅调幅调频调频调相调相最最基本的三种调制方式基本的三种调制方式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，在传输信号时会任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种产生各种失真失真以及带来多种以及带来多种干扰干扰。n码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越或传输媒体质量越差差，在，在信道的输出端的波形的信道的输出端的波形的失真就越严重。失真就越严重。数字信号通过实际的信道数字信号通过实际的信道 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有失真，但有失真，但可识别可识别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失真大，失真大，无法识别无法识别 2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量从从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两的因素有以下两个个：n信道能够通过的频率信道能够通过的频率范围范围n信噪比信噪比(1)信道能够通过的频率范围信道能够通过的频率范围n具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过号中的许多高频分量往往不能通过信道信道。n1924年年，奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)就就推导出了著名推导出了著名的的奈氏准则。奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为他给出了在假定的理想条件下，为了避免了避免码间串扰，码间串扰，码元的传输速率的上限值码元的传输速率的上限值。(1)信道能够通过的频率范围信道能够通过的频率范围在任何信道中，在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现否则就会出现码间串扰码间串扰的问题，使接收端对码的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能元的判决（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。码元而不出现码间串扰。(2)信噪比信噪比 n噪声存在于噪声存在于所有所有的电子设备和通信信道中的电子设备和通信信道中。n噪声是噪声是随机随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生会使接收端对码元的判决产生错误错误。n但但噪声的影响是噪声的影响是相对相对的的。如果信号相对较强，那么噪声如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。的影响就相对较小。n信噪比信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比比。常常记记为为 S/N，并用，并用分贝分贝(dB)作为作为度量单位。即：度量单位。即：信噪比信噪比(dB)=10 log10(S/N)(dB)n例如，例如，当当 S/N=10 时时，信噪比，信噪比为为 10 dB，而，而当当 S/N=1000时，信噪比时，信噪比为为 30 dB。(2)信噪比信噪比 n1984年，香农年，香农(Shannon)用用信息论的理论推导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出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限极限、无差错的无差错的信息信息传输速率（香农公式）。传输速率（香农公式）。n信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 C 可表达可表达为为：C=W log2(1+S/N)(bit/s)其中：其中：W 为信道的带宽（以为信道的带宽（以 Hz 为单位）；为单位）；S 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；N 为为信道内部的高斯噪声功率。信道内部的高斯噪声功率。香农公式表明香农公式表明 n信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。速率就越高。n只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。定可以找到某种办法来实现无差错的传输。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（当然实际信道没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也也就没有上限。就没有上限。n实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。输速率低不少。请注意请注意 n对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再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，那提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率么还有办法提高信息的传输速率。n这就是这就是：用用编码的方法让每一个码元携带更多比编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。特的信息量。2.3 物理层物理层下面的传输媒体下面的传输媒体n2.3.1 导引导引型传输媒体型传输媒体n2.3.2 非非导引型传输媒体导引型传输媒体2.3 物理层物理层下面的传输媒体下面的传输媒体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，它就是数它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路通路。n传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型导引型传输媒体传输媒体。n在导引型传输媒体中，在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）体（铜线或光纤）传播传播。n非非导引型传输媒体就是指导引型传输媒体就是指自由空间自由空间。在在非导引型非导引型传输媒体传输媒体中中，电磁波电磁波的传输常称为无线传输。的传输常称为无线传输。2.3 物理层物理层下面的传输媒体下面的传输媒体无线电无线电微波微波红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线X射线射线 射线射线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆卫星卫星地面微波地面微波 调幅调幅无线电无线电 调频调频无线电无线电 海事海事无线电无线电光纤光纤电视电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段波段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 移动移动无线电无线电 电信领域使用的电磁波的电信领域使用的电磁波的频谱：频谱：2.3.1 导引导引型传输媒体型传输媒体n双绞线双绞线n最常用的最常用的传输媒体传输媒体。n模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。离一般为几到十几公里。n屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)p带金属带金属屏蔽屏蔽层层n无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)2.3.1 导引导引型传输媒体型传输媒体铜线铜线聚氯乙聚氯乙烯套层烯套层绝缘层绝缘层(a)无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线铜线铜线聚氯乙烯聚氯乙烯 套层套层屏蔽层屏蔽层绝缘层绝缘层(b)屏蔽双绞线屏蔽双绞线3 类线类线5 类线类线(c)不同的绞合度的双绞线不同的绞合度的双绞线双绞线双绞线的示意图的示意图双绞线标准双绞线标准n1991年，年，美国电子工业协会美国电子工业协会 EIA 和和电信行业电信行业协协会联合会联合发布了一发布了一个个用于室内传送数据的无屏蔽双用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的绞线和屏蔽双绞线的标准标准 EIA/TIA-568。n1995年将布线标准更新年将布线标准更新为为 EIA/TIA-568-A。n此标准规定此标准规定了了 5 个个种类种类的的 UTP 标准标准（从从 1 类类线线到到 5 类类线）线）。n对对传送数据来说，现在最常用传送数据来说，现在最常用的的 UTP 是是5类线类线（Category 5 或或 CAT5）。双绞线标准双绞线标准绞合线类别绞合线类别带宽带宽线缆特点线缆特点典型应用典型应用316 MHz2对对4芯双绞线芯双绞线模模拟拟电电话话；曾曾用用于于传传统统以以太太网网（10 Mbit/s）420 MHz4对对8芯双绞线芯双绞线曾用于令牌局域网曾用于令牌局域网5100 MHz与与4类类相相比比增增加加了了绞绞合度合度传传输输速速率率不不超超过过100 Mbit/s的的应应用用5E（超（超5类）类）125 MHz与与5类相比衰减更小类相比衰减更小传输速率不超过传输速率不超过1 Gbit/s的应用的应用6250 MHz与与5类类相相比比改改善善了了串串扰等性能扰等性能传输速率高于传输速率高于1 Gbit/s的应用的应用7600 MHz使用屏蔽双绞线使用屏蔽双绞线传输速率高于传输速率高于10 Gbit/s的应用的应用常用常用的绞合线的类别、带宽和典型应用的绞合线的类别、带宽和典型应用2.3.1 导引导引型传输媒体型传输媒体n同轴电缆同轴电缆n同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的较高速率的数据数据。n同轴电缆的带宽取决于电缆的同轴电缆的带宽取决于电缆的质量质量。n50 同轴电缆同轴电缆 LAN/数字传输常用数字传输常用n75 同轴电缆同轴电缆 有线电视有线电视/模拟传输常用模拟传输常用内导体内导体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同轴电缆同轴电缆的结构的结构2.3.1 导引导引型传输媒体型传输媒体n光缆光缆n光纤光纤是光纤通信的是光纤通信的传输媒体传输媒体。n由于可见光的频率非常由于可见光的频率非常高，高，约约为为 108 MHz 的的量级，量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的他各种传输媒体的带宽带宽。光线在光纤中的折射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）包层包层纤芯纤芯光线光线在光纤中的折射在光纤中的折射当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于折射角将大于入射角。入射角。因此，如果入射角足够大，就因此，如果入射角足够大，就会出现会出现全反射全反射，光也就沿着光纤传输下去光也就沿着光纤传输下去。光纤的工作原理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光波光波在纤芯中的传播在纤芯中的传播只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生临界角度，就可产生全反射全反射。多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤n多模光纤多模光纤 可以可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为中传输。这种光纤就称为多模光纤多模光纤。n单模光纤单模光纤若若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单单模光纤模光纤。多模光纤与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单模光纤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多模光纤(a)和和 单模光纤单模光纤(b)的的比较比较光纤优点光纤优点n(1)通信通信容量非常容量非常大大。n(2)传输传输损耗小，中继距离损耗小，中继距离长。长。n(2)抗雷电和电磁干扰性能好抗雷电和电磁干扰性能好。n(3)无串音干扰，保密性无串音干扰，保密性好。好。n(4)体积小，重量轻。体积小，重量轻。2.3.2 非导引型传输媒体非导引型传输媒体 n将自由空间称为将自由空间称为“非导引型传输媒体非导引型传输媒体”。n无线无线传输所使用的频段很广。传输所使用的频段很广。n短波短波通信通信（即高频通信）（即高频通信）主要主要是靠电离层的反射，是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量但短波信道的通信质量较差，传输速率低。较差，传输速率低。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传统微波通信有两种方式：传统微波通信有两种方式：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 无线局域网使用的无线局域网使用的 ISM 频段频段 26 83.5 125频带频带 MHz MHz MHz频率频率 902 928 2.4 2.4835 5.725 5.850 MHz MHz GHz GHz GHz GHz要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用由使用的的。例如：。例如：ISM。各国的各国的 ISM 标准标准有可能略有有可能略有差别差别。无线无线局域网使用局域网使用的的 ISM 频段频段2.4 信道信道复用技术复用技术n2.4.1 频分复用频分复用、时分复用和统计时分复用、时分复用和统计时分复用n2.4.2 波分复用波分复用n2.4.3 码分复用码分复用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 A1A2B1B2C1C2(a)使用单独的信道使用单独的信道+()+A1A2B1B2C1C2共享信道共享信道(b)使用共享信道使用共享信道复用复用分用分用复用复用(multiplexing)是是通信技术中的基本概念通信技术中的基本概念。它允许它允许用户用户使用一个使用一个共享信道共享信道进行进行通信通信，降低成本，提高利用率。降低成本，提高利用率。复用复用的示意图的示意图频分复用频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)n将整个带宽分为多份，用户将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程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。中自始至终都占用这个频带。n频分复用频分复用的所有用户在同样的时间的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源占用不同的带宽资源（请注意，（请注意，这里的这里的“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）。频率频率时间时间频带频带 1频带频带 2频带频带 n频带频带 3频分复用频分复用时分复用时分复用TDM(Time Division Multiplexing)n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复用帧时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个帧）。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（其周期就是（其周期就是 TDM 帧的长度）。帧的长度）。nTDM 信号也称为信号也称为等时等时(isochronous)信号。信号。n时分复用的所有用户是时分复用的所有用户是在不同的时间在不同的时间占用占用同样的频带宽同样的频带宽度。度。时分复用时分复用TDM 频率频率时间时间B C DB C DB C DB C DAAAATDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧周期性出现周期性出现时分复用时分复用时分复用可能会时分复用可能会造成线路造成线路资源的浪费资源的浪费 使用时分复用系统传送计算机数据时使用时分复用系统传送计算机数据时，由于，由于计算机数据的突发计算机数据的突发性质，用户性质，用户对分配对分配到的子信道的利用率一般是不高的到的子信道的利用率一般是不高的。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用户用户时分复用时分复用可能会造成线路资源的浪费可能会造成线路资源的浪费当某用户暂时无数据发送时，当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于的时隙只能处于空闲状态空闲状态。统计时分复用统计时分复用 STDM(Statistic TDM)STDM 帧帧不是固定分配不是固定分配时时隙，而是隙，而是按需动态地按需动态地分配分配时隙。因此统计时分复用时隙。因此统计时分复用可以提高线路的可以提高线路的利用率利用率。用户用户ABCDabcdttttt3 个个 STDM 帧帧#1acbab b cac d#2#3统计统计时分复用时分复用统计统计时分复用的工作原理时分复用的工作原理2.4.2 波分复用波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)波分复用就是光的频分复用波分复用就是光的频分复用。使用一根使用一根光纤来同时传输多光纤来同时传输多个光个光载波载波信号信号。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/s复复用用器器分分用用器器EDFA120 km光调制器光调制器光解调器光解调器8 2.5 Gb/s1310 nm波分复用波分复用的概念的概念2.4.3 码分复用码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)n常用的名词是常用的名词是码分多址码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造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。成干扰。n这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。于白噪声，不易被敌人发现。码片序列码片序列(chip sequence)n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，称为码码片片(chip)。n每个每个站被指派一个唯一的站被指派一个唯一的 m bit 码片序列码片序列。n如发送比特如发送比特 1，则发送自己的，则发送自己的 m bit 码片序列。码片序列。n如发送比特如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。，则发送该码片序列的二进制反码。n例如，例如，S 站的站的 8 bit 码片序列是码片序列是 00011011。n发送比特发送比特 1 时，就发送序列时，就发送序列 00011011，n发送比特发送比特 0 时，就发送序列时，就发送序列 11100100。nS 站的码片序列：站的码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)码片序列实现了扩频码片序列实现了扩频n假定假定S站要发送信息的数据率站要发送信息的数据率为为 b bit/s。由于每一个比。由于每一个比特要转换特要转换成成 m 个个比特的码片，比特的码片，因此因此 S 站站实际上发送的实际上发送的数据率数据率提高到提高到 mb bit/s，同时同时 S 站站所占用的频带宽度所占用的频带宽度也提高到原来数值也提高到原来数值的的 m 倍。倍。n这种这种通信方式是通信方式是扩扩频频(spread spectrum)通信中的一种通信中的一种。n扩频通信扩频通信通常有两大通常有两大类类：n一一种是种是直接序列扩频直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，如上面讲的使用码片序列就是这一类，如上面讲的使用码片序列就是这一类。n另另一种是一种是跳频扩频跳频扩频FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)。CDMA 的重要特点的重要特点n每个站分配的码片序列不仅每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，必须各不相同，并且并且还还必须互相必须互相正交正交(orthogonal)。n在实用的系统中是使用在实用的系统中是使用伪随机码序列。伪随机码序列。码片序列的正交关系码片序列的正交关系 n令向量令向量 S 表示站表示站 S 的码片向量，令的码片向量，令 T 表示其他表示其他任何站的码片向量。任何站的码片向量。n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交，就是向量 S 和和T 的规格化的规格化内积内积(inner product)等于等于 0：正交关系的另一个重要特性正交关系的另一个重要特性 n任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积积都是都是 1。n一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是值是 1。CDMA 的工作原理的工作原理 S 站的码片序列站的码片序列 S110ttttttm 个码片个码片tS 站发送的信号站发送的信号 SxT 站发送的信号站发送的信号 Tx总的发送信号总的发送信号 Sx+Tx规格化内积规格化内积 S Sx规格化内积规格化内积 S Tx数据码元比特数据码元比特发发送送端端接接收收端端2.5 数字传输系统数字传输系统n在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用频分复用 FDM 的的模拟传输模拟传输方式方式。n与与模拟通信相比模拟通信相比，数字通信数字通信无论是无论是在在传输传输质量上质量上还是经还是经济济上都有明显的上都有明显的优势优势。n目前，长途干线大都采用目前，长途干线大都采用时分复用时分复用 PCM 的的数字传输方数字传输方式。式。n脉码调制脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话上传送多路的电话。2.5 数字传输系统数字传输系统n由于由于历史上的原因，历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的有两个互不兼容的国国际标准：际标准：n北美北美的的 24 路路 PCM（简称为（简称为 T1）n欧洲欧洲的的 30 路路 PCM（简称为（简称为 E1）n我国我国采用的是欧洲的采用的是欧洲的 E1 标准。标准。nE1 的速率是的速率是 2.048 Mbit/s，而，而 T1 的速率是的速率是 1.544 Mbit/s。n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。旧的数字传输旧的数字传输系统存在许多系统存在许多缺点缺点最主要的是以下两个方面：最主要的是以下两个方面：n速率标准不速率标准不统一统一n如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围范围的的基于光纤基于光纤高速高速数据传输就很难实现。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准同步方式。网主要是采用准同步方式。n当数据传输的速率很高时，当数据传输的速率很高时，收发双方的时钟同步就收发双方的时钟同步就成为很大的问题。成为很大的问题。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)的的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。nSONET 为为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等等级结构级结构n对电信信号称为第对电信信号称为第 1 级级同步传送信号同步传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)，其传输速率，其传输速率是是 51.84 Mbit/s。n对光信号对光信号则称为第则称为第 1 级级光载波光载波 OC-1(OC 表示表示Optical Carrier)。n现已定义了现已定义了从从 51.84 Mbit/s(即即OC-1)一直到一直到 9953.280 Mbit/s(即即 OC-192/STS-192)的的标准。标准。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，制订出国际为基础，制订出国际标准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。n其其主要不同点是主要不同点是：SDH 的基本速率为的基本速率为 155.52 Mbit/s，称为第，称为第 1 级级同步传递同步传递模块模块(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。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 Mbit/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080OC-12/STS-12STM-4622 Mbit/s 933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5 Gbit/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gbit/s39813.120 OC-768/STS-768 STM-256 40 Gbit/s SONET的的 OC级级/STS级级 与与SDH的的 STM级级 的的对应关系对应关系SONET/SDH 标准的意义标准的意义n使使不同不同的数字传输体制在的数字传输体制在 STM-1 等级等级上获得了上获得了统一统一。n第一次第一次真正实现了数字传输体制上的世界性真正实现了数字传输体制上的世界性标准标准。n已成为公认的新一代理想的传输网已成为公认的新一代理想的传输网体制体制。nSDH 标准标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。也适合于微波和卫星传输的技术体制。2.6 宽带接入技术宽带接入技术n2.6.1 ADSL 技术技术n2.6.2 光纤同轴混合网（光纤同轴混合网（HFC网）网）n2.6.3 FTTx 技术技术2.6 宽带接入技术宽带接入技术n用户要连接到互联网，必须先连接到用户要连接到互联网，必须先连接到某个某个 ISP。n在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户线通过调制解调器连接线通过调制解调器连接到到 ISP 的，的，电话电话用户用户线线接入到互联网的速率最高只能接入到互联网的速率最高只能达到达到 56 kbit/s。n美国联邦通信委员会美国联邦通信委员会 FCC 认为认为只要双向速率之只要双向速率之和和超过超过 200 kbit/s 就是就是宽带宽带。2.6 宽带接入技术宽带接入技术n从从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类类：n有线有线宽带宽带接入接入n无线无线宽带宽带接入接入n下面讨论下面讨论有线的宽带接入有线的宽带接入。2.6.1 ADSL 技术技术n非对称非对称数字用户数字用户线线 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)技术技术就是用数字技术对现有的模拟就是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。电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。n标准模拟电话信号的频带被限制在标准模拟电话信号的频带被限制在 3003400 Hz 的范的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。nADSL 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 就是就是数字用户数字用户线线(Digital Subscriber Line)的的缩缩写。写。DSL 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(Digital Subscriber Line)：数字用户：数字用户线。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）。ADSL 的传输的传输距离距离nADSL 的的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。线越细，信号传输时的衰减就越大）。nADSL 所所能得到的最高数据能得到的最高数据传输速率与传输速率与实际的用户线上实际的用户线上的信噪比密切相关的信噪比密切相关。n例如：例如：n0.5 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 Mbit/s 时可传时可传送送 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 Mbit/s 时，传输距离时，传输距离就缩短为就缩短为 3.7 公里。公里。n如果把用户线的线径减小如果把用户线的线径减小到到 0.4 毫米毫米，那么，那么在在 6.1 Mbit/s 的的传输速率下就只能传输速率下就只能传送传送 2.7 公里。公里。ADSL 的特点的特点n上行和下行带宽做成不对称的。上行和下行带宽做成不对称的。n上行指从用户到上行指从用户到 ISP，而下行指从，而下行指从 ISP 到用户。到用户。nADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器调制解调器。n我国目前采用的方案是我国目前采用的方案是离散多音调离散多音调 DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术调制技术。n这里这里的的“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。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 40 kHz 以上一直到以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的的高端频谱划分为许多的子信道，其中子信道，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 个子信道用于下行信道。个子信道用于下行信道。n每个子信道占据每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是带宽（严格讲是 4.3125 kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器用许多小的调制解调器并行地并行地传送数据。传送数据。DMT 技术的频谱分布技术的频谱分布 频谱频谱频率频率ADSL 的数字业务的数字业务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)401381100ADSL 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（距离、线径、受到相邻用由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 采用自适应调制技术采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。使用户线能够传送尽可能高的数据率。n当当 ADSL 启动时，用户线两端的启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信的频率、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。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。对于质量很差的用户线甚至无法对于质量很差的用户线甚至无法开通开通 ADSL。n通常下行数据率在通常下行数据率在 32 kbit/s 到到 6.4 Mbit/s 之间，而上行数据率之间，而上行数据率在在 32 kbit/s 到到 640 kbit/s 之间。之间。ADSL 的组成的组成 ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线用户线 电话电话分离器分离器 区域宽带网区域宽带网至至 ISP居民家庭居民家庭基于基于 ADSL 的接入网的接入网端局或远端站端局或远端站DSLAM至本地电话局至本地电话局PSPSDSLAM(DSL Access Multiplexer)：数字：数字用户线接入复用器用户线接入复用器 ATU(Access Termination Unit)：接入端接接入端接单元单元ATU-C(C 代表端局代表端局 Central Office)ATU-R(R 代表远端代表远端 Remote)PS(POTS Splitter)：电话电话分离器分离器基于基于 ADSL 的的接入网的组成接入网的组成第二代第二代 ADSL n包括包括 ADSL2（G.992.3 和和 G.992.4）和）和 ADSL2+（G.992.5）n通过通过提高调制效率得到了提高调制效率得到了更高的数据率更高的数据率。nADSL2 要求至少应支持下行要求至少应支持下行 8 Mbit/s、上行、上行 800 kbit/s的速率的速率。nADSL2+则将频谱范围从则将频谱范围从 1.1 MHz 扩展扩展至至 2.2 MHz，下行速率可达，下行速率可达 16 Mbit/s（最大传输速率可（最大传输速率可达达 25 Mbit/s），而上行速率可达），而上行速率可达 800 kbit/s。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不产生误码的情况下，自适应地调整，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。数据率。n改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。水平具有非常重要的意义。2.6.2 光纤同轴混合光纤同轴混合网网（HFC网网）nHFC(Hybrid Fiber Coax)网网是在目前覆盖面很是在目前覆盖面很广的有线电视网广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居的基础上开发的一种居民宽带接入网。民宽带接入网。nHFC 网除可传送网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。和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网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输单向传输。nHFC 网对网对 CATV 网网进行了改造进行了改造。HFC 网网的主干线路采用光纤的主干线路采用光纤nHFC 网将原网将原 CATV 网中的同轴电缆网中的同轴电缆主干部分改主干部分改换为光纤，换为光纤，并使用并使用模拟光纤技术。模拟光纤技术。n在模拟光纤中采用在模拟光纤中采用光的振幅调制光的振幅调制 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模拟光纤从模拟光纤从头端头端连接到连接到光纤光纤结点结点(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。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。光纤结点以下就是同轴电缆。HFC 网采用结点体系结构网采用结点体系结构 同轴电缆同轴电缆光纤光纤光纤结点光纤结点头端头端高带宽光纤高带宽光纤同轴电缆同轴电缆光纤光纤HFC 网网的结构图的结构图HFC 网具网具有双向传输功能有双向传输功能，扩展，扩展了传输频带了传输频带下行信道下行信道上行上行信道信道5 65 87 1000调频广播、模拟和数字电视、数据业务调频广播、模拟和数字电视、数据业务频率频率(MHz)我国的我国的 HFC 网网的频谱划分的频谱划分每个每个家庭要安装一个用户接口盒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)要要提供提供三三种连接，种连接，即：即：n使用同轴电缆连接到机顶使用同轴电缆连接到机顶盒盒(set-top box)，然后再，然后再连接到用户的电视机。连接到用户的电视机。n使用双绞线连接到用户的电话机。使用双绞线连接到用户的电话机。n使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。电缆电缆调制解调器调制解调器(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传输速率高电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。n下行下行速率一般在速率一般在 3 10 Mbit/s之间，最高可达之间，最高可达 30 Mbit/s。n上行上行速率一般为速率一般为 0.2 2 Mbit/s，最高可达，最高可达 10 Mbit/s。n电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要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，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。2.6.3 FTTx 技术技术 nFTTx 是是一种实现宽带居民接入网的一种实现宽带居民接入网的方案，代表方案，代表多种多种宽宽带光纤接入带光纤接入方式方式。nFTTx 表示表示 Fiber To The（光纤到（光纤到），例如：），例如：n光纤光纤到户到户 FTTH(Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用：光纤一直铺设到用户户家庭家庭，可能可能是居民接入网最后的解决方法。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)：光纤进入大楼：光纤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。后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。n光纤到路边光纤到路边 FTTC(Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从：光纤铺到路边，从路边到各路边到各用户可用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体使用星形结构双绞线作为传输媒体。头端头端1:NONUONUOLT光纤干线光纤干线光分路器光分路器光网络单元光网络单元ONU发往特定发往特定 ONU 的数据的数据下行下行局端局端用户端用户端光配线光配线网网(ODN)无源无源光光网络网络 PON(Passive Optical Network)的的组成组成 头端头端1:NONUONUOLT光纤干线光纤干线ONU特定特定 ONU 发来的数据发来的数据上行上行OLT：光线光线路路终端终端第第 2 章章 物理层物理层第第 2 章章 物理层物理层n2.1 物理层物理层的基本概念的基本概念n