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1、第2章物理层网络原理课件1第1页，共96页，编辑于2022年，星期一2.1 物理层的基本概念l物理层的任务：在连接各计算机的传输媒体上透明地传输数据比特流，确定与传输媒体的接口特性：机械特性 电气特性功能特性过程特性l物理层与传输媒体：物理层不是传输媒体，传输媒体位于物理层之下，有时被称为0层；l物理层的作用：尽量屏蔽具体物理设备或传输媒体的差异，为数据链路层提供统一的服务。现有计算机网络的硬件设备和传输媒体的总类非常多，通信手段也不同。22第2页，共96页，编辑于2022年，星期一2.2 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
2、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33第3页，共96页，编辑于2022年，星期一几个术语n数据(data)运送消息的实体。n是把事件的某些属性规范化后的表现形式。n信息：数据的内容和解释。n信息的表示形式可以是数值、文字、图形、声音、图像、动画等。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。n数据以信号的形式传播。44第4页，共96页，编辑于2022年，星期一雪六角形凉白色信息信息数据数据信号信号信息：人对雪花和马的认识信息：人对雪花和马的认识数据：文字，二进制数，
3、十进制数数据：文字，二进制数，十进制数信号：电压，光，磁场强度信号：电压，光，磁场强度5第5页，共96页，编辑于2022年，星期一n模拟数据和数字数据 n模拟数据n模拟数据的值是某个区间内的连续值。n模拟数据的物理信号容易实现，但不精确且容易受干扰。n数字数据n数字数据的值是某个区间内的有限个离散值。n数字数据具有精确以及受扰动可以恢复的特性。t tt t6第6页，共96页，编辑于2022年，星期一n模拟信号与数字信号n模拟信号的特点：n波动性；n持续变化；n包含无穷多个值；n在电信业已经被广泛使用超过100年。n数字信号的特点：n离散性；n跃变性；n包含有限个值n设备性能先进，较为便宜。7第
4、7页，共96页，编辑于2022年，星期一模拟数据模拟数据模拟数据模拟数据模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号放大器放大器放大器放大器调制器调制器调制器调制器数字数据数字数据数字数据数字数据模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号调制器调制器调制器调制器模拟数据模拟数据模拟数据模拟数据数字信号数字信号数字信号数字信号编码器编码器编码器编码器数字数据数字数据数字数据数字数据数字信号数字信号数字信号数字信号编码器编码器编码器编码器一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况：（1）模拟数据、模拟信号模拟数据、模拟信号。（2）模拟数据、数字信号模拟数据、数字信号。（3）数字数
5、据、模拟信号数字数据、模拟信号。（4）数字数据、数字信号数字数据、数字信号。下图给出了模拟的和数字的数据、信号的示意图:第8页，共96页，编辑于2022年，星期一n信道（channel）：向某一个方向传输信息的媒体。包含发送和接收信道。n物理信道：用来传送信号或数据的物理通路，由传输介质及有关通信设备组成。n逻辑信道：在物理信道的基础上，通过由节点内部的连接来实现的信道。通常把逻辑信道成为“连接”。n如，在一根频带很宽的电缆上使用频分多路复用技术，怎这根电缆（物理信道）上可以有多条路基信道。n模拟信道：是用来传输连续的模拟信号(如正弦波信号)的信道；n数字信道：是用来传输离散的数字信号(如脉冲
6、信号)的信道。9第9页，共96页，编辑于2022年，星期一波特率和比特率n码元：是承载数据的基本信号单元。n波特率（码元传输速率）：每秒传输的码元数，单位是Baud（波特）n比特率：指的是每秒传输的二进制比特数，速率的单位是 b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s 等。10第10页，共96页，编辑于2022年，星期一要注意 n信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上有一定的关系。n一个n进制码元所包含的信息量为 I=log2n 位，所以数据传输速率的计算公式为：C=BI=Blog2n 其中 B 代表波特率；n 是一个码元表示的有效状态数；C 为比特率。n当一个码元只能表示0或
7、1两种状态时，比特率就等于波特率。11第11页，共96页，编辑于2022年，星期一误码率n误码率：是二进制码元在信道中被传错的概率。nPe=Ne/N其中：Ne为被传错的码元数；N为所传送的码元总数；Pe为误码率。n在计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6。n如果实际传输的不是二进制码元，需折合成二进制码元计算。12第12页，共96页，编辑于2022年，星期一信道容量n信道容量（也称为传输带宽）：指信道能达到的最大传输能力，即信道的最大（极限）数据传输速率。.13第13页，共96页，编辑于2022年，星期一 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
8、反方向的交互。n如，无线广播和电视信号传播。n双向交替通信（半双工通信）信息流可以在两个方向上传输，但同一时刻仅限于一个方向传输。n如，对讲机。n半双工需要频繁调换信道方向，因此效率低，但可以节省传输线路。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。n如，计算机之间的通信。1414第14页，共96页，编辑于2022年，星期一基带(baseband)信号n基带信号：信源（信息源也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号n即传送的是数据本身n根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号n基带传输是在信道中直接传送基带信号。n使用数字信号的传
9、输都是基带传输。n基带传输不需要调制解调器，设备费用低，适合短距离的数据输。1515第15页，共96页，编辑于2022年，星期一带通(band pass)信号n调制：用模拟信号承载模拟数据或数字数据。n带通信号把基带信号经过载波调制后的信号。16第16页，共96页，编辑于2022年，星期一几种最基本的调制方法 n最基本的二元制调制方法有以下几种：n调幅(AM)/振幅键控(ASK)：载波的振幅随基带数字信号而变化。n调频(FM)/频移键控(FSK)：载波的频率随基带数字信号而变化。n调相(PM)/相移键控(PSK)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。1717第17页，共96页，编辑于2022年
10、，星期一振幅调制n振幅调制就是用被传输的数字数据去调制载波信号的振幅。n若载波信号为 Acos(2ft+)，则振幅调制信号可以表示为：振幅调制振幅调制数字数据数字数据数字数据为数字数据为1 1数字数据为数字数据为0 018第18页，共96页，编辑于2022年，星期一频率调制n频率调制用被传输的数字数据去调制载波信号的频率。n若载波信号为 Acos(2ft+)，则频率调制信号可以表示为：数字数据为数字数据为1 1数字数据为数字数据为0 0频率调制频率调制频率调制频率调制数字数据数字数据数字数据数字数据19第19页，共96页，编辑于2022年，星期一相位调制n相位调制就是用被传输的数字数据去调制载
11、波信号的相位。n若载波信号为 Acos(2ft+)，则相位调制信号可以表示为：数字数据数字数据数字数据数字数据相位调制相位调制相位调制相位调制数字数据为数字数据为1 1数字数据为数字数据为0 020第20页，共96页，编辑于2022年，星期一三种类型的调制0 1 0 0 1 0 1 10 1 0 0 1 0 1 1代码代码代码代码脉冲编码脉冲编码脉冲编码脉冲编码1.1.振幅调制振幅调制振幅调制振幅调制2.2.频率调制频率调制频率调制频率调制3.3.相位调制相位调制相位调制相位调制21第21页，共96页，编辑于2022年，星期一n正交幅度调制(QAM)是一种将振幅和相位结合起来的机制n较之前三种
12、调制方式效率最高，也是现在所有的调制解调器中经常采用的技术。22第22页，共96页，编辑于2022年，星期一例：nQAM将符号分成8个不同的相位和两个不同的振幅，则每个符号表示几比特？23第23页，共96页，编辑于2022年，星期一2.2.3 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。2424第24页，共96页，编辑于2022年，星期一数字信号通过实际的信道 n有失真，但可识别n失真大，无法识别 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信
13、号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形2525第25页，共96页，编辑于2022年，星期一(1)信道能够通过的频率范围n1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。指出在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的识别成为不可能。2626第26页，共96页，编辑于2022年，星期一n他给出了理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud n如，一个无噪声3kHz信道不能以高于6000baud/s的速率传输信号。n理想低通信道：是指有限带宽、无噪声信道的假有限带宽、无噪声信道的假定的理想条件。定
14、的理想条件。n信号中的低频成分，只要频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道。而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。27第27页，共96页，编辑于2022年，星期一有一带宽为3 kHz的理想低通信道，求其最高码元速率。若传输的为2进制码元，求其信道容量。若为8进制码元呢？例子：例子：28第28页，共96页，编辑于2022年，星期一(2)香农(Shannon)定理n噪声通常用信噪比来表示，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。n信噪比：S/Nn噪声的单位是分贝（db）：10log10S/N2929第29页，共96页，编辑于2022年，星期一n香农(S
15、hannon)定理给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:C=W log2(1+S/N)bit/s nW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；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。3030第30页，共96页，编辑于2022年，星期一例：求信噪比为30分贝，带宽为4kHz 的信道的最大数据速率(信道容量)。3131第31页，共96页，编辑于2022年，星期一n由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息
16、量量。这就需要采用多元制多元制(又称为多进制)的调制方法。n下图说明了奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围。32第32页，共96页，编辑于2022年，星期一2.3 物理层下面的传输媒体传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可以分为两大类，即n导向传输媒体（有线）：电磁波被导向沿着固体媒体传播：双绞线、同轴电缆、光纤n非导向传输媒体（无线）：地面微波、卫星、红外线33第33页，共96页，编辑于2022年，星期一2.3.1 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(U
17、nshielded Twisted Pair)n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光缆 3434第34页，共96页，编辑于2022年，星期一（1）双绞线n把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。n各个线对绞和的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。n双绞线既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。35第35页，共96页，编辑于2022年，星期一铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP局域网中所使用的双绞线有:屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。36第36页，共96页，编辑于2022年，星期一常用的双绞线，根据其电
18、气性能，可以分为六类。最常用的双绞线有3类和5类，均由4对双绞线组成，3类双绞线传输速率可达10bps，5类双绞线传输速率可达100bps。它们之间的区别在于单位长度的绞合次数不同：3类的绞合长度为7.5cm10cm，5类为0.6cm0.85cm。37第37页，共96页，编辑于2022年，星期一双绞线类别带宽典型应用316 MHz低速网络；模拟电话420 MHz16Mbps令牌环局域网；短距离的10BASE-T以太网5100 MHz10BASE-T以太网；某些100BASE-T快速以太网5E（超5类）100 MHz100BASE-T快速以太网；某些1000BASE-T千兆以太网6250 MHz
19、1000BASE-T千兆以太网；ATM网络7600 MHz屏蔽双绞线，可能用于今后的万兆以太网常用的双绞线的类别.38第38页，共96页，编辑于2022年，星期一（2）同轴电缆 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39第39页，共96页，编辑于2022年，星期一n通常按特性阻抗的不同,可分为:50同轴电缆和75同轴电缆。n50同轴电缆主要用于在数据通信中传输数字信号，因此又称为基带同轴电缆。n75 同轴电缆用于模拟传输系统，在这种电缆上传送的信号
20、采用了频分复用的宽带信号，因此又称为宽带同轴电缆。有线电视系统CATV中使用的就是75同轴电缆。同轴电缆的分类40第40页，共96页，编辑于2022年，星期一4141同轴电缆10base5 粗同轴电缆粗同轴电缆10base2 细同轴电缆细同轴电缆第41页，共96页，编辑于2022年，星期一（3）光纤光纤（光导纤维）是一种直径为8m100m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,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。四四 芯芯 光光 缆缆42
21、第42页，共96页，编辑于2022年，星期一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43第43页，共96页，编辑于2022年，星期一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只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于临界角，就可产生全反射，无泄漏。44第44页，共96页，编辑于2022年，星期一n按光纤传输模式的不同，可以分为：n（1）单模光纤（直径8m10m），工作在长波长1300,1550nm。n（2）多模光纤（通常为50m或62.5m）,工作在长波长850,1300nm。45第45
22、页，共96页，编辑于2022年，星期一输入脉冲输出脉冲多模光纤多模与单模光纤相比，芯径大得多，色散大得多，限制了传输数字信号的频率，传输容量较小，传输距离也较短，一般只有几千米。输入脉冲输出脉冲单模光纤由于单模光纤完全避免了模式散射，使得单模光纤的传输频带很宽，因而适用于大容量、长距离的光纤通信。第46页，共96页，编辑于2022年，星期一光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：n （1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。n （2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。n （3）无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。n （4）体积小
23、，重量轻。光纤的优点.47第47页，共96页，编辑于2022年，星期一n当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过T形接头连接到计算机。nT形接头有两种：无源的无源的和有源的。无源的T形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。48第48页，共96页，编辑于2022年，星期一p44n无源的T形接头n有源的T形接头实际上就是一个有源转发器(如图2-10所示)。49第49页，共96页，编辑于2022年，星期一2.7.2 非导向传输媒体 n用自由空间作为传输介质来进行数据通信。n特点:信号沿直线传播n适用:架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方,广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网
24、。n分类:地面微波接力通信、卫星通信、红外线与毫米波通信50第50页，共96页，编辑于2022年，星期一（1）地面微波接力通信优点:通信信道的容量很大。微波波段频率很高，频段范围很宽，频率范围120GHZ（10921010HZ），既可传输模拟信号又可传输数字信号，由于频率很高，同时可以传输大量信息。传输质量较高。因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波小得多；与同容量和同距离电缆比，微波接力通信投资少，见效快。原理:长距离传输时每隔一段距离就需架中继站,将前一信号放大向后传。缺点: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
25、问题等。51第51页，共96页，编辑于2022年，星期一（2）卫星通信原理：用位于36000公里高空的人造同步卫星做中继器的一种微波接力通信。优点：频带很宽,通信容量大,信号受干扰小；通信比较稳定，通信距离远。缺点：保密性较差,造价较高，具有较大的传输延迟适用：广播电视通信。52第52页，共96页，编辑于2022年，星期一（3）红外线与毫米波通信优点：价格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被窃听。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的主要选择对象。53第53页，共96页，编辑于2022年，星期一共享信道2.4 信道复用技术2.4.1 频分复用、时分复
26、用和统计时分复用 n复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术5454第54页，共96页，编辑于2022年，星期一频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)n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。n频分复用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“带宽”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 55555第55页，共96页，编辑于2022年，星期一n无线电广播
27、通信也是采用FDM的例子，多个广播电台频分复用自由空间这个传输介质，每个电台占用一个频道，频道之间有一定间隔，以防干扰。n例：安徽台940KHz，合肥台800KHz。n有线电视台（CATV）也是FDM技术，FDM技术一般用于模拟信号的传输上。5656第56页，共96页，编辑于2022年，星期一时分复用TDM(Time Division Multiplexing)n时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 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时隙。n每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。TDM 信号也称为等时(isochro
28、nous)信号。n时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。n信道的数据传输率各路信号传输率的总和5757第57页，共96页，编辑于2022年，星期一时分复用 频率时间BCDBCDBC DBCDAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧5858第58页，共96页，编辑于2022年，星期一时分复用 频率时间C DCDC DAAAABBBBC DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧5959第59页，共96页，编辑于2022年，星期一时分复用 频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC 在 TDM 帧
29、中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧6060第60页，共96页，编辑于2022年，星期一时分复用 频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧6161第61页，共96页，编辑于2022年，星期一时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdbcattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4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发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。6262第62页，共96页，编辑于2022年，星期一统计时分复用 STDM(S
30、tatistic TDM)用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbabbcacd#2#3统计时分复用63n先来先服务原则：先来先服务原则：动态分配时间片给每个低速线路n方法：方法：轮流询问每一路:如果有数据要发，则分配时间片；如果无数据要发，跳过该站，不分配时间片。当一帧数据放满就发送出去。n开销：开销：对每一个时间片的数据前要加一个控制字段（地址），标识属于哪一条低速线路。63第63页，共96页，编辑于2022年，星期一例：n10个9.6Kb/s的信道按时分多路复用在一条线路上传输，假定每个信道只有30%的时间忙。1、如果忽略控制开销，在同步TDM情况下，复用线路的带宽应
31、该是多少？2、在统计TDM情况下，复用线路的控制开销为10%，那么复用线路的带宽应该是多少？64第64页，共96页，编辑于2022年，星期一答：1、96Kb2、96Kb*0.3/0.9=32Kb65第65页，共96页，编辑于2022年，星期一2.4.2 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)66n这是一种光波分割式多路复用技术。n原理：对于光纤信道，不同信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波通过一个棱镜（或衍射光栅）合成一个光束，在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开。66第66页，共96页，编辑于2022年，星期一 1550
32、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 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 km光调制器光解调器n 8路传输速率均为2.5 Gbit/s的光载波(其波长均为1310 nm)，经光的调制后，分别将波长变换到1550 1557 nm，每个光载波相隔1 nm(这里只是为
33、了说明问题的方便，实际上光载波的间隔一般是0.8或1.6 nm)。nEDFA:光的放大器,直接放大光信号67第67页，共96页，编辑于2022年，星期一2.4.3 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)n常用的名词是码分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)。nCDMA在无线LAN和蜂窝技术中应用很广泛n每一个用户可以在同样时间使用同样的频带进行通信n CDMA的基本技术之一是扩频6868第68页，共96页，编辑于2022年，星期一nCDMA中，每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。n每个站被指派一个
34、唯一的 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。n由于每一个bit需要转换成m个bit的码片，因此，当S站要发送信息的数据率为b bit/s时，其实际发送速率提高到了mb bit/s,同时S站所占用的频带也提高到原来的m倍，这种通信方式是扩频（spread spectrum）通信中的一种。69第69页，共96页，编辑于2022年，星期一n把码片中的0记为
35、-1，1记为+1，S 站的码片序列可记为：(1 1 1+1+1 1+1+1)nCDMA 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：(2-3)如，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)。把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。70第70页，共96页，编辑于20
36、22年，星期一n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。如，令向量 S 为(1 1 1+1+1 1+1+1),71第71页，共96页，编辑于2022年，星期一S 站的码片序列站的码片序列 S110ttttttm 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送端接收端每一站发送的数据比特与本站码片序列的乘积每一站发送的数据比特与本站码片序列的乘积接收站
37、接收到的是各站发送信息的叠加接收站接收到的是各站发送信息的叠加假定所有站发送的码片是同步的。接收站使用接收站使用S S站的码片序列与接收到的信号进行求内积运算，所有其他站的信号被过滤：站的码片序列与接收到的信号进行求内积运算，所有其他站的信号被过滤：内积相关项为内积相关项为0 0。CDMA的工作原理72第72页，共96页，编辑于2022年，星期一2.5 数字传输系统1.脉码调制 PCM（Pulse Code Modulation）体制 n脉码调制 PCM 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。n由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为
38、 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。nE1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。n当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。7373第73页，共96页，编辑于2022年，星期一PCM脉冲编码调制 原理通过对模拟信号定时取样，把连续信号离散化为数字脉冲信号，再将脉冲振幅进行编码，其过程分为取样、量化、编码三阶段。（1）取样n对模拟信号定时取样，根据Nyquist取样定理，只要取样频率不低于模拟信号最高频率的2倍，就可以使取样信号无失真地恢复为原来的模拟信号。n例如：标准电话的最高频率为3.4KHZ，为方便起见，
39、取样频率定为8KHZ，取样周期125S，每125S取一个样本。n一个话路的的模拟电话信号，经模数变化后，变为每秒8000个脉冲信号（2）量化n把连续样本量化为离散性，离散值的个数决定量化的精度，一般话音样本量化可用128个等级（北美、日本标准）和256级（欧洲、我国），每个脉冲信号再编为8bit的码元。（3）编码n把量化后的样本值编码为数字信号。n标准话路每秒8000个脉冲信号,因此每一话路的PCM的信号速率为64kbps74第74页，共96页，编辑于2022年，星期一75第75页，共96页，编辑于2022年，星期一n为了有效利用传输线路，通常将许多话路的PCM信号用时分复用的方式封装成帧。n
40、E1：n一个时分复用帧长为125s,共划分为32个相等的时隙，每个时隙传送8bit。因此32个时隙共有256bit。每秒传送8000帧，因此E1一次群的数据率是2.048Mb/s。n32个时隙中，有2个分别用于帧同步和传送信令（如，用户的拨号信令）。因此E1时分复用帧有30个话路。nT1：n有24个话路，每个话路的采样脉冲是7bit编码，加上一位信令码元，一个话路也占用8bit。n帧同步是在24路编码后加上1bit,因此每帧工193bit。因此T1一次群的数据率是1.544Mb/s。76第76页，共96页，编辑于2022年，星期一n当需要更高的数据率时，可以采用复用的方法。n如4个一次群可以构
41、成一个2次群。n一个2次群的速率比4个一次群的速率要高一些，因为复用后还需要一些同步的码元。77第77页，共96页，编辑于2022年，星期一2.同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH PCM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。78第78页，共96页，编辑于2022年，星期一n同步光纤网 SONET(Synchronous Optical Network)n是一种同步系统，各级时钟都来自一个
42、非常精确的主时钟。nSONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，传输速率以51.84 Mb/s为基础，线路速率都是该基本速率的整数倍。n该速率对电信号称为第 1 级同步传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)。n该速率对光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。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
43、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。79第79页，共96页，编辑于2022年，星期一线路速率(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-1 155.520OC-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/
44、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 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 80第80页，共96页，编辑于2022年，星期一2.6 宽带接入技术n细节部分请结合第一章接入网部分及本章知识自学；8181第81页，共96页，编辑于2022年，星期一2.6.1 xDSL技术nxDSL 技术就把 04 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱
45、留给用户上网使用。nDSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。而 DSL 的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。82第82页，共96页，编辑于2022年，星期一ADSL 的特点n上行和下行带宽做成不对称的。n上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。nADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。83频谱频率上行信道传统电话04下行信道(kHz)401381100DMT 技术的频谱分布83第83页，共96页，编辑于2022年，星期一ADSL 的接入网的组成 ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线 电话分离
46、器 区域宽带网至 ISP居民家庭基于 ADSL 的接入网端局或远端站DSLAM至本地电话局PSPS数字用户线接入复用器 DSLAM(DSL Access Multiplexer)接入端接单元 ATU(Access Termination Unit)/ADSL调制解调器ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表远端 Remote）电话分离器 PS(POTS Splitter)8484第84页，共96页，编辑于2022年，星期一第85页，共96页，编辑于2022年，星期一2.6.2 光纤同轴混合网HFC(Hybrid Fiber Coax)nHFC 网是在目前覆盖
47、面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。nHFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。n现有的 CATV 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单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造，8686第86页，共96页，编辑于2022年，星期一home电缆头端同轴电缆光纤光纤节点节点光纤光纤节点节点光纤光纤500 到 5,000 家庭87第87页，共96页，编辑于2022年，星期一电缆调制解调器(cable modem)n电缆调制解调器是为 HFC 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
48、输速率高。其下行速率一般在 310 Mb/s之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为 0.22 Mb/s，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器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。8888第88页，共96页，编辑于2022年，星期一nHFC 网的最大优点 n具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。n要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网需要相当的资金和时间。n在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。8989第89页，共96页，编辑于2022年，星期一2.6
49、.3 FTTx 技术 nFTTx（光纤到）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。n光纤到家 FTTH(Fiber To The Home)：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。n光纤到大楼 FTTB(Fiber To The Building)：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。n光纤到路边 FTTC(Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。9090第90页，共96页，编辑于2022年，星期一一个光纤到办公室的接入实例光缆终端盒ONU服务器交换机光缆光纤双绞线91第91页，共96页，编辑于2022年，星期一光缆终端盒第92页，共96页，编辑于2022年，星期一光分纤箱第93页，共96页，编辑于2022年，星期一第94页，共96页，编辑于2022年，星期一第95页，共96页，编辑于2022年，星期一作业nP62n2-08,2-12,2-16n写出PCM E1一次群速率的计算过程。9696第96页，共96页，编辑于2022年，星期一