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1、第第 2 章章 物物 理理 层层 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 2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体 2.4 模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输 2.5 信道复用技术信道复用技术 2.6 同步光纤网同步光纤网SONET和同步数字系列和同步数字系列SDH 2.7 物理层标准举例物理层标准举例2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 物理层是向数据链路层提供服务的，它的主要任务描物理层是向数据链路层提供服务的，它的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：n 机械特性机械特性 指
2、明接口所用接线器的形状和尺寸、引线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。数目和排列、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的指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。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指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。何种意义。n 规程特性规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。顺序。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
3、几个基本概念 2.2.3 信道的最高码元传输速率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信道的极限信息传输速率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 正文正文正文正文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v几个术语几个术语n 数据
4、数据(data)运送信息的实体。运送信息的实体。n 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。n“模拟的模拟的”(analogous)连续变化的。连续变化的。n“数字的数字的”(digital)取值是离散数值。取值是离散数值。n 调制调制把数字信号转换为模拟信号的过程。把数字信号转换为模拟信号的过程。n 解调解调把模拟信号转换为数字信号的过程。把模拟信号转换为数字信号的过程。v模拟的和数字的数据、信号模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟数据模拟信号模拟信号放大器放大器调制器调制器模拟数据模拟数据数字信号数字信号 PCM PCM编码器编码器数字数据数字数据模拟信
5、号模拟信号调制器调制器数字数据数字数据数字信号数字信号 数字数字发送器发送器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 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没有只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。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）通信的双方都可以发送通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收当然也就不能同时接收)。n 双向同时通信双向同时通信（全双工通信）（全双工通信）通信的双方可以同时发通信的双方可以同时发送和接收信息。送和接收信息。n 基带信号基带信号就是将数字
6、信号就是将数字信号 1 或或 0 直接用两种不同的电压来直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。表示，然后送到线路上去传输。n 宽带信号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则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。信号。2.2.3 信道的最高码元传输速率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。n 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的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。输出端的波形的
7、失真就越严重。v 数字信号通过实际的信道数字信号通过实际的信道失真不严重失真不严重失真严重失真严重 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）输入信号波形输入信号波形输出信号波形输出信号波形(失真不严重失真不严重)输入信号波形输入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）输出信号波形输出信号波形(失真严重失真严重)v奈氏（奈氏（Nyquist）准则准则理想低通信道理想低通信道的最高码元传输速率的最高码元传输速率=2=2W W Baud Baud W W 是理想低通信道的带宽，单位为赫是理想低通信道的带宽
8、，单位为赫(Hz)(Hz)每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 2个码元。个码元。Baud Baud 是是波特波特，是，是码元码元传输速率的单位，传输速率的单位，1 1 波特为每秒波特为每秒传送传送1 1个码元。个码元。不能通过不能通过能通过能通过0频率频率(Hz)W(Hz)v另一种形式的奈氏准则另一种形式的奈氏准则理想带通特性信道理想带通特性信道的最高码元传输速率的最高码元传输速率=W W Baud Baud W W 是理想带通信道的带宽，单位为赫是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz)(Hz)每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率
9、是每秒每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1 1个码元。个码元。不能通过不能通过能通过能通过0频率频率(Hz)W(Hz)不能通过不能通过v波特波特(Baud)和比特和比特(bit)n 波特率波特率指单位时间所传送的码元数目，或者表示信号调指单位时间所传送的码元数目，或者表示信号调制过程中单位时间内调制信号波形的变换次数。单位为制过程中单位时间内调制信号波形的变换次数。单位为波特波特(Baud)。n 比特率与波特率的关系比特率与波特率的关系 n比特率比特率Rb和波特率和波特率RB统称为系统的传输速率。统称为系统的传输速率。n在不同的信号调制系统中，每个码元所载的比特是不同的。在不同的
10、信号调制系统中，每个码元所载的比特是不同的。例如，二进制数字传输中一个码元可携带一个例如，二进制数字传输中一个码元可携带一个bit，八进制数八进制数字传输中，一个码元可载三个字传输中，一个码元可载三个bit。n一般而言，每个码元脉冲可代表一般而言，每个码元脉冲可代表log2M个个M进制进制bit。即，比特即，比特率与波特率的关系为率与波特率的关系为 Rb=RB log2M bps 例：如例：如M=4，RB=1200Baud，则信息传输速率则信息传输速率 Rb=1200 log24=2400 bps 2.2.4 信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率n 香农香农(Shannon)Shann
11、on)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高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斯白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。n 信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 C C 可表达为可表达为 C C=W W log log2 2(1+(1+S S/N N)b/s)b/s W W 为信道的带宽（以为信道的带宽（以 Hz Hz 为单位）；为单位）；S 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 N 为信道内部的高斯噪声功率。为信道内部的高斯噪声功率。v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
12、传输速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。率就越高。n 若信道带宽若信道带宽W W 或信噪比或信噪比S S/N N 没有上限（当然实际信道不可没有上限（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能是这样的），则信道的极限信息传输速率C C 也就没有上限。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。速率低不少。2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体 传输媒体传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输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
13、之间的物理通路。传输媒体可分系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。体中电磁波的传输常称为无线传输。2.3.1 导向传输媒体导向传输媒体v 双绞线：双绞线：把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后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
14、构成了双绞线。用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。n屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)n无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)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无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STPv什么是近端串扰什么是近端串扰 当电流在一条导线中流通时，会产生一定的电磁场，干当电流在一条导线中流通时，会产生一定的电磁场，干扰相邻导线上的信号。频率越高这种影响就越大。双绞线就扰相邻导线上的信号。频率越高这种影响就越大。双绞
15、线就是利用两条导线绞合在一起后，因为相位相差是利用两条导线绞合在一起后，因为相位相差180180度的原因度的原因而抵消相互间的干扰的。绞距越紧则抵消效果越佳，也就越而抵消相互间的干扰的。绞距越紧则抵消效果越佳，也就越能支持较高的数据传输速率。能支持较高的数据传输速率。近端串扰近端串扰是指在与发送端处于同一边的接收端处所感应是指在与发送端处于同一边的接收端处所感应到的从发送线对感应过来的串扰信号。在串扰信号过大时，到的从发送线对感应过来的串扰信号。在串扰信号过大时，接收器将无法判别信号是远端传送来的微弱信号还是串扰信接收器将无法判别信号是远端传送来的微弱信号还是串扰信号。号。2.3.1 导向传输
16、媒体导向传输媒体v 同轴电缆：同轴电缆：由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。n50 同轴电缆同轴电缆n75 同轴电缆同轴电缆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同轴电缆分类同轴电缆分类通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类：通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类：（1）50 同轴电缆同轴电缆又称为基带同轴电缆。在传输基带数字信号时，可以有多又称为基带同轴电缆。在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法。常用的两种编码方法，即：曼彻斯特种
17、不同的编码方法。常用的两种编码方法，即：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。编码和差分曼彻斯特编码。（2）75 同轴电缆同轴电缆又称为宽带同轴电缆。又称为宽带同轴电缆。在计算机通信中，在计算机通信中，“宽带系统宽带系统”是是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。三种常用的编码方法三种常用的编码方法v光缆光缆 光缆通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由光缆通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯纤芯和和包层包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 100 m。正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯
18、有较低的折射。正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角，如果入射角足够大，就会出现全反射，射角将大于入射角，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。也就沿着光纤传输下去。v光纤光纤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
19、芯v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v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只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一临界角只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可产生全反射。因此可存在许多不同入射角度的光线度，就可产生全反射。因此可存在许多不同入射角度的光线在一条光纤中传输。这种光纤称为在一条光纤中传输。这种光纤称为多模光纤多模光纤。光在多模光纤。光在多模光纤中传输会逐渐展宽，只适合于近距离的传输。中传输会逐渐展宽，
20、只适合于近距离的传输。v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 当光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤可使光线当光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤可使光线一直向前传播而不产生多次反射，这样的光纤称为单模光纤。一直向前传播而不产生多次反射，这样的光纤称为单模光纤。单模光纤的纤芯和细，造价较高，且光源昂贵，但损耗较小，单模光纤的纤芯和细，造价较高，且光源昂贵，但损耗较小，适合远距离传输。适合远距离传输。v光纤的特点光纤的特点1、通信容量大。、通信容量大。2、传输损耗小，中继距离长，远距离传输经济。、传输损耗小，中继距离长，远距离传输经济。3、
21、抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的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。环境下尤为重要。4、无串音干扰，保密性好、无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。，也不易被窃听或截取数据。5、体积小，重量轻。、体积小，重量轻。6、光纤对接需专用设备，光电接口也较贵。、光纤对接需专用设备，光电接口也较贵。2.3.2 非导向传输媒体非导向传输媒体v 无线传输所使用的频段很广。无线传输所使用的频段很广。v 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质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。量较差。v 微波在空间主要是直线传播。微波在空间主要是直线
22、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 地面微波接力通信地面微波接力通信优点：优点：微微波波波波段段频频率率很很高高，其其频频段段范范围围也也很很宽宽，因因此此其其通通信信信信道道的容量很大；微波传输质量较高；建设投资少，见效快。的容量很大；微波传输质量较高；建设投资少，见效快。缺点：缺点：相邻站之间必须直视，不能有障碍物；相邻站之间必须直视，不能有障碍物；微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；与与电电缆缆通通信信系系统统比比较较，微微波波通通信信的的隐隐蔽蔽性性和和保保密密性性较较差差；对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物
23、力。对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。卫星通信卫星通信 通信方法是在地球站之间利用位于约通信方法是在地球站之间利用位于约36000公里高空的公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。信距离无关。卫星通信的另一特点就是具有卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延较大的传播时延。2.4 模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输 2.4.1 模拟传输系统模拟传输系统 2.4.2 调制解调器调制解调器 2.4.3 数字传输系统数字
24、传输系统2.4.1 模拟传输系统模拟传输系统v 长途干线采用长途干线采用频分复用频分复用 FDM 的传输方式的传输方式 FDM(Frequency Division Multiplexing)v 目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模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。一段几公里长的用户线上。2.4.2 调制解调器调制解调器出现差错出现差错0 01 10 00 01 10 01 10 00 0还原后还原后的数据的数据t接收到的接收到的失真信号失真信号
25、010011100t发送的发送的基带信号基带信号t采样时刻采样时刻数据经过模拟传输系统后会出现差错数据经过模拟传输系统后会出现差错1、调制解调器的作用、调制解调器的作用调制解调器调制解调器（modem）包括：）包括：n调制器调制器：把要发送的数字信号转换为频率范围在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之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。送。n解调器解调器：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。信号。调制器的作用就是个调制器的作用就是个波形变换器波形变换器，它把基带数字信号的波形，它把基
26、带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。解调器的作用就是个解调器的作用就是个波形识别器波形识别器，它将经过调制器变换过的，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。模拟信号恢复成原来的数字信号。2、几种最基本的调制方法、几种最基本的调制方法 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。010011100基带信号基带信号调幅调幅调频调
27、频调相调相v 一种正交调制一种正交调制 QAM 可供选择的相位有可供选择的相位有 12 种，而对于种，而对于每一种相位有每一种相位有 1 或或2 种振幅可供选种振幅可供选择。择。由于由于4 bit 编码共有编码共有16 种不同的组种不同的组合，因此这合，因此这 16 个点中的每个点可对个点中的每个点可对应于一种应于一种 4 bit 的编码。的编码。若每一个码元可表示的比特数越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。识别每一种状态就越困难。r(r,)3、调制解调器的速率、调制解调器的速率目前调制解调器的信息传输速率已很接近于
28、香农的信道容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。量极限了。要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转模数转换换所带来的量化噪声。所带来的量化噪声。v产生量化噪声的地方产生量化噪声的地方A2/4A/DA/DD/AD/A数字信号数字信号数字信号数字信号交换机交换机 1交换机交换机 2V.34 33.6 kb/s 调制解调器调制解调器BD/AA/D4/2V.34 33.6 kb/s 调制解调器调制解调器产生量化噪声产生量化噪声产生量化噪声产生量化
29、噪声使用使用 V.34 调制解调器（调制解调器（33.6 kb/s）产生量化噪声产生量化噪声产生量化噪声产生量化噪声用户环路用户环路模拟信号模拟信号用户环路用户环路模拟信号模拟信号v产生量化噪声的地方（续）产生量化噪声的地方（续）使用使用 V.90 调制解调器（调制解调器（56 kb/s）A2/4A/DA/D交换机交换机因特网服务提供者因特网服务提供者V.90 56 kb/s调制解调器调制解调器D/AV.90 56 kb/s调制解调器调制解调器数字信号数字信号数字信号数字信号 至因特网至因特网（数字信号数字信号）用户环路用户环路模拟信号模拟信号仅在此处仅在此处产生量化噪声产生量化噪声仅在此处仅
30、在此处产生量化噪声产生量化噪声v调制解调器使用异步通信方式调制解调器使用异步通信方式v 数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：n 同步通信同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。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。当接收端的判决点移动的时间发送端发送连续的比特流。当接收端的判决点移动的时间超过码元宽度的一半时超过码元宽度的一半时(本来判决点应当处于每一个码元本来判决点应当处于每一个码元的中间的中间)，就要产生差错，这就是所谓的滑动，就要产生差错，这就是所谓的滑动(slip)。n 异步通信异步通信时不要求接收端时钟和发
31、送端时钟同步。发送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。一个字节。异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉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。价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。数字传输系统数字传输系统 为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须先对电话信为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须先对电话信号进行采样。根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号号进行采样。根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的最高频率的2倍，就可以从采
32、样脉冲信号无失真地恢复出原来倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4 kHz，为方便，为方便起见，采样频率就定为起见，采样频率就定为8 kHz，相当于采样周期为，相当于采样周期为125 s。数字传输系统数字传输系统 现在的数字传输系统均采用现在的数字传输系统均采用脉码调制脉码调制 PCM（Pulse Code Modulation）体制。）体制。采样周期采样周期 Tt信号信号t采样采样1001001111000010t编码编码t解码解码t还原还原v时分复用时分复用n 为了有效地利用传输线路，可将多个话路的为了有
33、效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用信号用时分复用时分复用 TDM 的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。2.048 Mb/s传输线路传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧时分复用帧T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH08 bitt时分复用帧时分复用帧时分复用帧时分复用帧T=125 s15 个话路个话路15 个话路个话路2.5 信道复用技术信道复用技术 2.5.1 2.5.1 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
34、计时分复用 2.5.2 2.5.2 波分复用波分复用 2.5.3 2.5.3 码分复用码分复用2.5.1 2.5.1 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频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。频率频率时间时间频率频率 1频率频率 2频率频率 3频率频率 4频率频率 52.5.1 2.5.1 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时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。在在 TDM 帧中的位置不变帧中的位置不变频率频率时间
35、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v 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v统计时分复用统计时分复用 STDM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改进的时分复用，明显地提高信道的利用率。集中器改进的时分复用，明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)(concentrator)常使
36、用这种统计时分复用。常使用这种统计时分复用。2.5.2 2.5.2 波分复用波分复用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/s复复用用器器分分用用器器EDFA120 km2.5.3 2.5.3 码分复用码分复用n 常用的名词
37、是码分多址常用的名词是码分多址 CDMA，每一个用户可以在每一个用户可以在同样同样的时间使用的时间使用同样同样的频带进行通信。的频带进行通信。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。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，称为码片码片(chip)。v码片序列码片序列(chip sequence)chip sequence)n 每个站
38、被指派一个惟一的每个站被指派一个惟一的 m m bit bit 码片序列。码片序列。n 如发送比特如发送比特 1 1，则发送自己的，则发送自己的 m m bit bit 码片序列。码片序列。n 如发送比特如发送比特 0 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 S 站的站的 8 8 bit bit 码片序列是码片序列是 00011011 00011011。n 发送比特发送比特 1 1 时，就发送序列时，就发送序列 00011011 00011011，n 发送比特发送比特 0 0 时，就发送序列时，就发送序列 11100100 11100100。n 为
39、了方便，将码片中的为了方便，将码片中的0 0写为写为-1-1，1 1写为写为+1+1。S S 站的码片站的码片序列：序列：(-1-1-1+1+1-1+1+1)(-1-1-1+1+1-1+1+1)n CDMACDMA的重要特点：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。须互相正交。v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 表示其他任何站的表示其他任何站的码片向量。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
40、和和T 的规格化的规格化内积内积(inner product)都是都是 0。且向量。且向量S和各站码片反码的向和各站码片反码的向量的内积也为量的内积也为0。n 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积是任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积是1，且一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是且一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。vCDMACDMA的工作原理的工作原理 假定假定X X站要接收站要接收S S站发送的数据，需将收到的信号（各站站发送的数据，需将收到的信号（各站发送的码片序列之和）与码片向量发送的码片序列之和）与码片向量S S S S求内积结果是：求内积结果
41、是：（1 1）其他站的信号都被过滤掉，只剩下其他站的信号都被过滤掉，只剩下S S站发送的信号；站发送的信号；（2 2）当）当S S站发送比特站发送比特1 1，内积，内积=+1=+1；（3 3）当）当S S站发送比特站发送比特0 0，内积，内积=-1=-1。vCDMACDMA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2.6 同步光纤网同步光纤
42、网SONET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。其中最主要的是以下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：两个方面：（1 1）速率标准不统一：）速率标准不统一：如果不对数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数如果不对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。据传输就很难实现。（2 2）不是同步传输：）不是同步传输：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准同步方式。要是采用准同步方式。v 同步光纤网同步光纤网SONET 同步光纤网同步光纤网 SONET(Synchr
43、onous Optical Network)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟（其精度优于的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟（其精度优于110-11）。其传输速率是）。其传输速率是 以以51.84 Mb/s基础。基础。v 此速率对于电信号则称为第此速率对于电信号则称为第1级同步传送信号级同步传送信号 STS-1。v此速率对于光信号则称为第此速率对于光信号则称为第1级光载波级光载波 OC-1。v 同步数字系列同步数字系列SDH ITU-T 以美国标准以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步为基础，制订出国际标准同步数字系列数字系列 SDH(Synchronous Digital H
44、ierarchy)。SDH 的基本速率为的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第称为第 1 级同步传递级同步传递模块模块(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。SDH/SONET标准的制定，使北美、日本和欧洲这三个地标准的制定，使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制获得了统一。区三种不同的数字传输体制获得了统一。2.7 物理层标准举例物理层标准举例一、一、EIA-232-E 接口标准接口标准EIA-232上上DTE和和DCE之间的接口标准。之间的接口标准。n DTE 是是数据
45、终端设备数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。送、接收数据能力的设备。n DCE 是是数据电路端接设备数据电路端接设备，它在，它在 DTE 和传输线路之间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数据链路的连接。v DTE 通过通过 DCE与通信传输线路相连与通信传输线路相连DTEDCEDCE串行比特传输串行比特传输信号线与控制线信号线与控制线用户环境用户环境通信环境通信环境用户设施用户设施通信设施通信设施DTE信号线与控制线信号线与控制线用户设施用户
46、设施用户环境用户环境注：为了减轻数据处理设备用户的负担，就必须对注：为了减轻数据处理设备用户的负担，就必须对DTE和和DCE的接口进的接口进行标准化，这种接口标准就是所谓的物理层协议。行标准化，这种接口标准就是所谓的物理层协议。v EIA-232的主要特点的主要特点 机械特性：机械特性：使用使用25根引脚的根引脚的DB-25插头座。分插头座。分2排：排：13根根和和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：电气特性：采用负逻辑。逻辑采用负逻辑。逻辑0用用+3V或更高的电压，逻或更高的电压，逻辑辑1用用-3V或更低的电压。逻辑或更低的电压。逻辑0相当于接通，逻辑相
47、当于接通，逻辑1相当于相当于断开。最大传输数率为断开。最大传输数率为20kb/s；电缆的最大长度不超过电缆的最大长度不超过15m。功能特性：功能特性：规定了什么电路应当连接到规定了什么电路应当连接到25根引脚中哪一根根引脚中哪一根以及该引脚的作用。以及该引脚的作用。规程特性：规程特性：与与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。v DB-25和和DB-9的外形的外形v EIA-232的信号定义的信号定义(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
48、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器调制解调器v两个两个 DTE 通过通过 DCE进行通信的例子进行通信的例子EIA-232/V.24 接口接口调制解调器调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/V.24 接口接口调制解调器调制解调器网网 络络（1）当）当DTE-A要和要和DTE-B进行通信时，就将引脚进行通信时，就将引脚20“DTE就绪就绪”置为置为ON，同时通过引脚，同时通过引脚2“发送数据发送数据”向向DCE-A传送传送电话号码信息。电话号码信息。（2）DCE-B将引脚将引脚22“振
49、铃指示振铃指示”置为置为ON，表示通知，表示通知DTE-B有入呼叫信号到达。有入呼叫信号到达。DTE-B就将其引脚就将其引脚20“DTE就绪就绪”置为置为ON。DCE-B接着产生载波信号，并将引脚接着产生载波信号，并将引脚6“DCE就就绪绪”置为置为ON，表示已准备好接收数据。，表示已准备好接收数据。（3）当）当DCE-A检测到载波信号时，将引脚检测到载波信号时，将引脚8“载波检测载波检测”和和引脚引脚6“DCE就绪就绪”都置为都置为ON，以便使，以便使DTE-A知道通信电路知道通信电路已经建立。已经建立。v DTE-A通过通过DCE和网络与和网络与DTE-B发送数据步骤发送数据步骤（4）DC
50、E-A接着向接着向DCE-B发送其载波信号，发送其载波信号，DCE-B将其将其引脚引脚8“载波检测载波检测”置为置为ON。（5）当）当DTE-A要发送数据时，将其引脚要发送数据时，将其引脚4“请求发送请求发送”置为置为ON。DCE-A作为响应将引脚作为响应将引脚5“允许发送允许发送”置为置为ON。然后。然后DTE-A通过通过2“发送数据发送数据”来发送其数据。来发送其数据。DCE-A将数字信将数字信号转换为模拟信号向号转换为模拟信号向DCE-B发送过去。发送过去。（6）DCE-B将收到的模拟信号转换为数字信号经过引脚将收到的模拟信号转换为数字信号经过引脚3“接收数据接收数据”向向DTE-B发送