计算机网络之物理层讲义课件

计算机网络第 2 章 物理层第 2 章 物理层*2.1 物理层的基本概念*2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型2.2.2 有关信道的几个基本概念2.2.3 信道的最高码元传输速率2.2.4 信道的极限信息传输速率 2.3 物理层下面的传输媒体2.3.1 导向传输媒体2.3.2 非导向传输媒体第 2 章 物理层（续）2.4 模拟传输与数字传输 2.4.1 模拟传输系统*2.4.2 调制解调器*2.4.3 数字传输系统*2.5 信道复用技术 2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.5.2 波分复用 2.5.3 码分复用*2.6 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH 2.7 物理层标准举例2.7.1 EIA-232-E接口标准2.7.2 RS-449接口标准2.1 物理层的基本概念n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，即：n机械特性 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。n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。n功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。n规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。2.2 数据通信的基础知识2.2.1 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 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机几个术语n数据(data)运送信息的实体。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。n“模拟的”(analogous)连续变化的。n“数字的”(digital)取值是离散数值。n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。n解调把模拟信号转换为数字信号的过程。模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器 2.2.2 有关信号的几个基本概念n单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。n双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。n双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号 n基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。n宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率奈奎斯特奈奎斯特(NyquistNyquist)公式公式理想低通信道：理想低通信道：信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率 2 W(Baud)理想带通信道：理想带通信道：信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率 W(Baud)信道的码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。信道的码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。单位为：码元单位为：码元/秒，称为：波特（秒，称为：波特（BaudBaud）。）。对于模拟信号的传输，波特率是指调制解调器上输出的调制信对于模拟信号的传输，波特率是指调制解调器上输出的调制信号每秒钟调制载波状态改变的次数。号每秒钟调制载波状态改变的次数。对于数字信号传输，波特率是指线路上每秒钟传送的波形个数。对于数字信号传输，波特率是指线路上每秒钟传送的波形个数。2.2.3 信道的最高码元传输速率 n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。n码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。波特率和比特率的比较波特率和比特率的比较波特率是信道的码元传输速率，单位为：码元波特率是信道的码元传输速率，单位为：码元/秒。比特率是秒。比特率是指信道上数字信号的传输速率。指信道上数字信号的传输速率。如果一个码元携带一个比特的信息，则信息传输率（如果一个码元携带一个比特的信息，则信息传输率（bit/s）和码元传输率在数值上是相等的。如果一个码元携带和码元传输率在数值上是相等的。如果一个码元携带 n 个比个比特的信息，则信息传输率是码元率的特的信息，则信息传输率是码元率的 n 倍。倍。数字信号通过实际的信道 n失真不严重n失真严重 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)奈氏(Nyquist)准则 n每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。nBaud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)另一种形式的奈氏准则 n每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。理想带通特性信道的最高码元传输速率=W Baud W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)不能通过要强调以下两点 n实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。n波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。n波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。n比特是信息量的单位。要注意 n信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。n若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。n若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。2.2.4 信道的极限信息传输速率 n香农(Shannon)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极限、无差错的信息传输速率。n信道的极限信息传输速率 C 可表达为n C=W log2(1+S/N)b/s nW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；nS 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。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，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。n若信道带宽 W 或信噪比 S/N 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 C 也就没有上限。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输速率低不少。奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 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2.3 物理层下面的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 电信领域使用的电磁波的频谱2.3.1 导向传输媒体n双绞线n屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)n无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光缆 各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆（1）双绞线）双绞线双双 绞绞 线线物物理理特特性性：把把两两根根互互相相绝绝缘缘的的铜铜导导线线并并排排放放在在一一起起,然然后后用用规规则则的的方方法法绞绞合合起起来来就就构构成成了了双双绞绞线线。一一对对线线可可以以作作为为一一条条通通信信线线路路,各各个个线线对对螺螺旋旋排排列列的的目目的的是是为为了了使使各各线线对对之之间间的的电电磁磁干干扰扰最最小小。局局域域网网中中所所使使用用的的双双绞绞线线有有:屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。传输特性：可分为五类，最常用的双绞线有传输特性：可分为五类，最常用的双绞线有3 3类和类和5 5类，类，均由均由4 4对双绞线组成，对双绞线组成，3 3类双绞线传输速率可达类双绞线传输速率可达1010bpsbps，5 5类双绞线传输速率可达类双绞线传输速率可达100100bpsbps。它们之间的区别在于单。它们之间的区别在于单位长度的绞合次数不同：位长度的绞合次数不同：3 3类的绞合长度为类的绞合长度为7.5cm 7.5cm 10cm，5类为类为0.6cm 0.6cm 0.85cm。双双 绞绞 线线双双 绞绞 线线 连通性连通性:双绞线既可用于点一点连接双绞线既可用于点一点连接,也可用于多点连接。也可用于多点连接。地地理理范范围围:双双绞绞线线用用做做远远程程中中继继线线时时,最最大大距距离离可可达达1515公公里里;用于用于10Mbps10Mbps局域网时局域网时,与集线器的距离最大为与集线器的距离最大为100m100m。抗抗干干扰扰性性:双双绞绞线线的的抗抗干干扰扰性性取取决决于于一一束束线线中中相相邻邻线线对对的的扭扭曲曲长度及适当的屏蔽长度及适当的屏蔽价格价格:双绞线的价格低于其他传输介质双绞线的价格低于其他传输介质,并且安装、维护方便。并且安装、维护方便。（2）同轴电缆）同轴电缆 物理特性：由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、物理特性：由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是箔状）以及绝缘保绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是箔状）以及绝缘保护外层所组成。护外层所组成。内导体内导体绝缘层绝缘层外导体屏蔽层外导体屏蔽层绝缘保护外层绝缘保护外层同同 轴轴 电电 缆缆传传输输特特性性：根根据据带带宽宽不不同同,可可分分为为:基基带带同同轴轴电电缆缆和和宽宽带带同同轴轴电电缆缆。基基带带(50(50欧欧姆姆)同同轴轴电电缆缆一一般般仅仅用用于于数数字字信信号号的的传传输输。宽宽带带(75(75欧欧姆姆)同同轴轴电电缆缆可可以以使使用用频频分分多多路路复复用用方方法法,将将一一条条宽宽带带同同轴轴电电缆缆的的频频带带划划分分成成多多条条通通信信信信道道,使使用用各各种种调调制制方方式式,支支持持多多路路传传输输。宽宽带带同同轴轴电电缆缆也也可可以以只只用于一条通信信道的高速数字通信用于一条通信信道的高速数字通信,此时称之为单信道宽带。此时称之为单信道宽带。连通性：同轴电缆既支持点一点连接连通性：同轴电缆既支持点一点连接,也支持多点连接。也支持多点连接。地地理理范范围围:基基带带同同轴轴电电缆缆使使用用的的最最大大距距离离限限制制在在几几公公里里范范围围内内,而而宽宽带带同轴电缆最大距离可达几十公里左右。同轴电缆最大距离可达几十公里左右。抗干扰性抗干扰性:同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。价格价格:同轴电缆的造价介于双绞线与光缆之间同轴电缆的造价介于双绞线与光缆之间,使用与维护方便。使用与维护方便。（3）光）光 缆缆 物理特性：光纤是一种直径为物理特性：光纤是一种直径为8m100m的柔软、能传导光的柔软、能传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面较高的单根光纤外面,用折射率较低的包层包裹起来，就可以构用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道；多条光纤组成一束，就构成一条光缆。成一条光纤通道；多条光纤组成一束，就构成一条光缆。四四 芯芯 光光 缆缆光光 缆缆 传输特性：光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的传输特性：光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光波通过光纤内部全反射进行光传输的过程。由于光纤光信号。光波通过光纤内部全反射进行光传输的过程。由于光纤的折射系数高于外部包层的折射系数，因此可以形成光波在光纤的折射系数高于外部包层的折射系数，因此可以形成光波在光纤与包层的界面上的全反射。在光纤发送端，主要采用两种光源与包层的界面上的全反射。在光纤发送端，主要采用两种光源:发光二极管发光二极管LED(Light-EmittingDiode)与注入型激光二极管与注入型激光二极管ILD(Injection laser Diode)。光纤传输分为单模与多模两类。光纤传输分为单模与多模两类。折射角折射角入射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）光光 缆缆 连连通通性性:光光纤纤最最普普遍遍的的连连接接方方法法是是点点一一点点方方式式，在在某某些些实实验验系系统中，也可以采用多点连接方式统中，也可以采用多点连接方式。地地理理范范围围:光光纤纤信信号号衰衰减减极极小小,它它可可以以在在6km6km8km8km公公里里的的距距离离内内,在不使用中继器的情况下在不使用中继器的情况下,实现高速率的数据传输实现高速率的数据传输。抗抗干干扰扰性性:光光纤纤不不受受外外界界电电磁磁干干扰扰与与噪噪声声的的影影响响,能能在在长长距距离离、高速率的传输中保持低误码率。高速率的传输中保持低误码率。价格价格:目前目前,光纤价格高于同轴电缆与双绞线。光纤价格高于同轴电缆与双绞线。光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯光纤的工作原理高折射率(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输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤2.3.2 非导向传输媒体 n无线传输所使用的频段很广。n短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。n微波在空间主要是直线传播。n地面微波接力通信n卫星通信 用自由空间作为传输介质来进行数据通信。用自由空间作为传输介质来进行数据通信。特特点点:信信号号沿沿直直线线传传播播 适适用用:架架设设或或铺铺埋埋电电缆缆或或光光缆缆较较困困难难的的地方地方,广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网。广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网。分分类类:红红外外通通信信、激激光光通通信信和和微微波波通通信信(微微波波通通信信又又主主要要有有两两种方式种方式:地面微波接力通信和卫星通信地面微波接力通信和卫星通信。2.3.2 2.3.2 无线传输媒体无线传输媒体（1 1）地面微波接力通）地面微波接力通信信原理原理:长距离传输时每隔一段距离就需架中继站长距离传输时每隔一段距离就需架中继站,将前一信号放大将前一信号放大向后传。向后传。适用适用:微波接力通信可传输电话、电报、图象、数据等信息。微波接力通信可传输电话、电报、图象、数据等信息。优点优点:频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性较好、投资少、频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性较好、投资少、见效快、灵活等。见效快、灵活等。缺点缺点:相邻站间必须直视，不能有障碍物；受气候干扰较大、保相邻站间必须直视，不能有障碍物；受气候干扰较大、保密性差、中继站的使用与维护问题等。密性差、中继站的使用与维护问题等。（2 2）卫星通信）卫星通信原理：用位于原理：用位于3600036000公里高空的人造同步卫星做中继器的一种微波接力公里高空的人造同步卫星做中继器的一种微波接力通信。通信。特点：通信距离远、费用与距离远近无关特点：通信距离远、费用与距离远近无关;具有较大的传输延迟具有较大的传输延迟,且传输且传输延迟相对确定。延迟相对确定。优点：频带很宽优点：频带很宽,通信容量大通信容量大,信号受干扰小；通信比较稳定。信号受干扰小；通信比较稳定。缺点：保密性较差缺点：保密性较差,造价较高。造价较高。适用：广播电视通信。适用：广播电视通信。（3 3）红外线与毫米波通信）红外线与毫米波通信特点：具有一定的方向性。特点：具有一定的方向性。优点：价格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被切听或截取。优点：价格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被切听或截取。缺点：不能穿透坚硬的物体。缺点：不能穿透坚硬的物体。适用：被广泛应用于短距离通信，红外线成为室内无线局域网网的主要适用：被广泛应用于短距离通信，红外线成为室内无线局域网网的主要选择对象。选择对象。数据编码技术研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换）数字数据的数字传输（基带传输）基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固 有的频带。基带传输：在传输时直接使用基带信号。基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。适用范围：低速和高速的各种情况。限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要求。常用的几种编码方式：1）不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，低电平表示“0”，高电平表示“1”。缺点：a难以分辨一位的结束和另一位的开始；b发送方和接收方必须有时钟同步；c若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将 累加。结论：容易产生传播错误。2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。3）差分曼彻斯特码（Differential Manchester）原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。优点：时钟、数据分离，便于提取。4）逢“1”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。5）逢“0”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。NRZ曼彻斯特差分曼彻斯特逢“1”变化NRZ逢“0”变化NRZ2.4 模拟传输与数字传输 2.4.1 模拟传输系统 n长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式nFDM(Frequency Division Multiplexing)n目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。2.4.2 调制解调器 n数据经过模拟传输系统后会出现差错。出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻调制解调器的作用n调制解调器(modem)包括：n调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。n解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。n本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1 kHz 的标准话路带宽）上的调制解调器。调制解调器的作用（续）n调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 n解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。n若识别不正确，则产生误码。n在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。n数字数据的模拟传输（频带传输）n频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。n调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。n解调（Demodulation）：调制的反变换。n调制解调器MODEM（modulation-demodulation)Figure几种最基本的调制方法 n调制就是进行波形变换（频谱变换）。n最基本的二元制调制方法有以下几种：n调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。n调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。n调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。n根据载波 Asin(t+)的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：n幅移键控法 Amplitude-shift keying(ASK)n频移键控法 Frequency-shift keying(FSK)n相移键控法 Phase-shift keying(PSK)1）幅移键控法（调幅）幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，即：A(t)取不同的值表示不同的信息码。例如：A(t)取A1，A2，A1表示“0”，A2表示“1”。2）频移键控法（调频）频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，即：(t)取不同的值表示不同的信息码。例如：(t)取 1，2，1表示“0”，2表示“1”。3）相移键控法（调相）相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位作为变量，即：(t)取不同的值表示不同的信息码。例如：(t)取 1，2，1表示“0”，2表示“1”。对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相一种正交调制 QAM nQAM(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难。调制解调器的速率 n目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了。n要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。n在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。产生量化噪声的地方（经过 A/D 变化的地方）A2/4A/DA/DD/AD/A数字信号数字信号交换机 1交换机 2V.34 33.6 kb/s 调制解调器BD/AA/D4/2V.34 33.6 kb/s 调制解调器产生量化噪声产生量化噪声使用 V.34 调制解调器（33.6 kb/s）产生量化噪声产生量化噪声用户环路模拟信号用户环路模拟信号产生量化噪声的地方（续）（经过 A/D 变化的地方）使用 V.90 调制解调器（56 kb/s）A2/4A/DA/D交换机因特网服务提供者V.90 56 kb/s调制解调器D/AV.90 56 kb/s调制解调器数字信号数字信号 至因特网（数字信号）用户环路模拟信号仅在此处产生量化噪声仅在此处产生量化噪声调制解调器使用异步通信方式 n数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：n同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。n异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。n异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。2.4.3 数字传输系统 n现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM(Pulse Code Modulation)体制。采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原2.5 2.5 信道复用技术信道复用技术多路复用：在一个物理信道上传输多路信号（共享信道资源）。多路复用：在一个物理信道上传输多路信号（共享信道资源）。通通过过多多路路复复用用器器将将多多路路信信号号组组合合在在一一条条物物理理信信道道上上传传输输,到到接接收收端端再再用用多多路路分分用用器器（也也称称多多路路译译码码器器）将将各各路路信信号号分分离离并并输输出出,从而提高通信线路的利用率，降低通信成本。从而提高通信线路的利用率，降低通信成本。在计算机网络中常用的信道复用技术有：频分复用、时分复用、在计算机网络中常用的信道复用技术有：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用等。波分复用、码分复用等。2.4.1 2.4.1 频分复用频分复用FDMFDM（Frequency Division Frequency Division MultiplexingMultiplexing）信信道道带带宽宽分分割割：在在物物理理信信道道的的可可用用带带宽宽超超过过单单个个原原始始信信号号所所需需带带宽宽情情况况下下，可可将将该该物物理理信信道道的的总总带带宽宽分分割割成成若若干干个个与与传传输输单单个个信信号号带带宽宽相相同同(或或略略宽宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。频频谱谱搬搬移移：多多路路原原始始信信号号在在频频分分复复用用前前，先先要要通通过过频频谱谱搬搬移移技技术术将将各各路路信信号号的的频频谱谱搬搬移移到到物物理理信信道道频频谱谱的的不不同同段段上上，使使各各信信号号的的带带宽宽不不相相互互重重叠叠，然然后后用用不不同同的的频频率率调调制制每每一一个个信信号号，每每个个信信号号要要一一个个样样以以它它的的载载波波频频率率为为中中心心的的一一定定带带宽宽的的通通道道。为为了了防防止止互互相相干干扰扰，使使用用保保护护带带来来隔隔离离每每一一个个通通道道。频频分多路复用主要应用于模拟信号分多路复用主要应用于模拟信号。2.4.2 2.4.2 时分复用时分复用TDMTDM（Time Division Time Division MultiplexingMultiplexing）若若媒媒体体能能达达到到的的位位传传输输速速率率超超过过传传输输数数据据所所需需的的数数据据传传输输速速率率，可可采采用用时时分分多多路路复复用用TDMTDM技技术术，即即将将一一条条物物理理信信道道按按时时间间分分成成若若干干个个时时间间片片轮轮流流地地分分配配给给多多个个信信号号使使用用。每每一一时时间间片片由由复复用用的的一一个个信信号号占占用用，这这样样，利利用用每每个个信信号号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。时分多路复用不仅限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号。时分多路复用不仅限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号。（1 1）同步时分：时分方案中的时间片是分配好的，而且是固定不变的。）同步时分：时分方案中的时间片是分配好的，而且是固定不变的。（2 2）异步时分：允许动态地分配传输媒体的时间片。）异步时分：允许动态地分配传输媒体的时间片。2.4.3 2.4.3 波分复用波分复用WDMWDM（Wavelength Division Wavelength Division MultiplexingMultiplexing）在光纤信道上使用的频分复用的一个变种。用来实现使用一根在光纤信道上使用的频分复用的一个变种。用来实现使用一根光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号。目前已经做到一根光光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号。目前已经做到一根光纤上复用纤上复用8080路甚至更多路数的光载波信号。路甚至更多路数的光载波信号。2.4.4 2.4.4 码分复用码分复用CDMCDM（Code Division MultiplexingCode Division Multiplexing）这种技术更常用的名词是码分多址这种技术更常用的名词是码分多址CDMA（Code Division Multiple Access），是），是一种用于移动通信系统的技术；一种用于移动通信系统的技术；共享时间共享时间和频率资源和频率资源。在在CDMA中，每一个比特时间再划分为中，每一个比特时间再划分为 m 个短的间隔，称为码片，个短的间隔，称为码片，通常通常 m 的取值为的取值为64或或128。使用。使用CDMACDMA的每一个站被指派一个的每一个站被指派一个m bit码片码片序列序列，一个站如果要发送比特，一个站如果要发送比特1，则发送它自己的，则发送它自己的m bit码片序列；如果码片序列；如果要发送比特要发送比特0，该发送该码片序列的二进制反码。，该发送该码片序列的二进制反码。给每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，而且必须互相正交给每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，而且必须互相正交（码片向量规格化内积为零）。（码片向量规格化内积为零）。时分复用 n为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。n中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。n美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群。E1 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 CH17 CH30 CH31 CH08 bitt时分复用帧时分复用帧T=125 ms15 个话路15 个话路2.5 信道复用技术 n2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 n频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。n时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户统计时分复用 STDM 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用 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 2.5.2 波分复用 WDM n波分复用就是光的频分复用。8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km2.5.3 码分复用 CDM n常用的名词是码分多址 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，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。码片序列(chip sequence)n每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。n如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。n如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。n例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。n发送比特 1 时，就发送序列 00011011，n发送比特 0 时，就发送序列 11100100。nS 站的码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)CDMA 的重要特点n每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。n在实用的系统中是使用伪随机码序列。码片序列的正交关系 n令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。n两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：(2-4)码片序列的正交关系举例 n令向量 S 为(1 1 1+1+1 1+1+1)，向量 T 为(1 1+1 1+1+1+1 1)。n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。n任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。n一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。正交关系的另一个重要特性 CDMA 的工作原理 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2.6 同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH n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：n速率标准不统一。n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。n不是同步传输。n在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。同步光纤网 SONETn同步光纤网 SONET(Synchronous Optical Network)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。n第 1 级同步传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。n光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。同步数字系列 SDH nITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)。n一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。nSDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块(Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线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 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 SONET 的体系结构 光子层路径层线路层段层线路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SONET 标准定义了四个光接口层 n光子层(Photonic Layer)n处理跨越光缆的比特传送。n段层(Section Layer)n在光缆上传送 STS-N 帧。n线路层(Line Layer)n负责路径层的同步和复用。n路径层(Path Layer)n处理路径端接设备 PTE(Path Terminating Element)之间的业务的传输。2.7 物理层标准举例2.7.1 EIA-232-E 接口标准nDTE(Data Terminal Equipment)是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。nDCE(Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。DTE 通过 DCE 与通信传输线路相连 DTEDCEDCE串行比特传输信号线与控制线用户环境通信环境用户设施通信设施DTE信号线与控制线用户设施用户环境EIA-232/V.24 的信号定义(1)保护地(2)发送数据(3)接收数据(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE 就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE 就绪(22)振铃指示DTEDCE计算机或终端调制解调器两个 DTE 通过 DCE进行通信的例子 EIA-232/V.24 接口调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/V.24 接口调制解调器网 络利用虚调制解调器与两台计算机相连 插头插头插座插座计算机虚调制解调器计算机（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃指示（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃指示2.5.2 EIA-232-E 2.5.2 EIA-232-E 接口标准接口标准对对DTE和和DCE的接口制订的标准就是所谓的物理层协议。的接口制订的标准就是所谓的物理层协议。EIAElectronic Industries Association 美国电子工业协会。美国电子工业协会。EIA-232 的主要特性：的主要特性：机械特性：使用机械特性：使用ISO 2110关于插头座的标准，有关于插头座的标准，有25根引脚，根引脚，分分2排：排：13根和根和12根。插头在根。插头在DTE上，插座在上，插座在DCE上。上。电气特性：与电气特性：与CCITT的的V.28建议书一致。采用负逻辑，即建议书一致。采用负逻辑，即0表示表示+3V或更高的电压；或更高的电压；1表示表示-3V或更负的电压。电缆长度或更负的电压。电缆长度在在15m以内，传输速率不超过以内，传输速率不超过20kb/s，长度越短，速度越快。，长度越短，速度越快。规程特性：与规程特性：与CCITT的的V.24建议书一致。规定各事件发生建议书一致。规定各事件发生的次序。的次序。功能特性：功能特性：与与CCITT的的V.24建议书一致，它规定了建议书一致，它规定了25根引脚的功能及电路连接。根引脚的功能及电路连接。图图2-28画出了画出了25根引脚中的根引脚中的10根的信号定义。根的信号定义。（1）保护地）保护地（2）发送数据）发送数据（3）接收数据）接收数据（4）请求发送）请求发送（5）允许发送）允许发送（6）DCE就绪就绪（7）信号地）信号地（8）载波检测）载波检测（20）DTE就绪就绪（22）振铃指示）振铃指示DTEDCE计算机计算机或或终端终端调制解调制解调器调器图图2-28 EIA-232/V.24的信号定义的信号定义2.7.2 RS-449 接口标准 nRS-449 由 3 个标准组成。即：nRS-449nRS-423-AnRS-422-A