计网第2章-数据通信基础(物理层)

1、本章主要内容本章主要内容：n2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念n2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识n2.3 传输介质及其主要特性传输介质及其主要特性n2.4 数据编码技术数据编码技术n2.5 脉冲编码调制技术脉冲编码调制技术(PCM)n2.6 调制解调器的基本工作原理调制解调器的基本工作原理n2.7 数据通信方式数据通信方式n2.8 多路复用技术多路复用技术n2.9 差错控制方法差错控制方法n2.10 数字传输系统数字传输系统n2.11 宽带接入技术宽带接入技术 2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接物理层的主要任务描述为确定与传输媒

2、体的接口的一些特性，即：口的一些特性，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、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。引线数目和排列、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指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。电压的范围。n功能特性功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。压表示何种意义。n过程特性过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。的出现顺序。 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识传输系统输入信息输入数据发送的信号

3、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 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 机几个术语几个术语n数据数据(data)运送消息的实体。运送消息的实体。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)代表消息的参数的取值代表消息的参数的取值是连续的。是连续的。 n“数字的数字的”(digital)代表消息的参数的取值是离代表消息的参数的取值是离散的。散的。 n码元码元(code)在使用时间域（或简称为时域）的在使用时间域（或简

4、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波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。形。模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形 (a)(a)v(t)v(t)tt(b)(b) 信道带宽信道带宽n模拟模拟信道的带宽信道的带宽： 是信道能通过的最低频率，是信道能通过的最低频率， 是信道能通是信道能通过的最高频率，均是由信道的物理特性决定的。过的最高频率，均是由信道的物理特性决定的。例如：例如：CATV 电缆的带宽为电缆的带宽为600MHz或或1000MHz 。 12ffW1f2f1f2f信号信号Hz21n数字信道的带宽决定了信道中能不失真数字信道的带宽决定了信道中能不失真地

5、传输地脉冲序列地最高速率。地传输地脉冲序列地最高速率。n码元、码元速率（波特率）、尼奎斯特码元、码元速率（波特率）、尼奎斯特定理、数据速率、香农定理定理、数据速率、香农定理码元：一个数字脉冲；码元：一个数字脉冲；码元速率：单位时间内通过信道传输码元速率：单位时间内通过信道传输的码元个数；的码元个数；B=1/T，T为信号码元宽度，单位：为信号码元宽度，单位：波特（波特（Baud）数据通信的基础知识数据通信的基础知识尼奎斯特定理：尼奎斯特定理：早在早在1924年，贝尔实验室的研究员亨利年，贝尔实验室的研究员亨利.尼奎斯特（尼奎斯特（Harry Nyquist)推导出有限带宽无噪声信道的极限波特推导

6、出有限带宽无噪声信道的极限波特率为：率为： B=2W (Baud)n数据数率数据数率R：单位时间内在信道上传送的：单位时间内在信道上传送的信息量（比特数）信息量（比特数） 码元携带的信息量码元携带的信息量 n（比特）与码元的（比特）与码元的种类种类N的关系：的关系：若码元取两个离散值，则一个码元携带若码元取两个离散值，则一个码元携带1比特（比特（bit）信息，若取）信息，若取4个离散值则一个离散值则一个码元携带个码元携带2比特信息。比特信息。Nn2log)/(log2log22sbNWNBR数据通信的基础知识数据通信的基础知识n数据速率数据速率 数据速率和波特率是两个不同的概念，数据速率和波特

7、率是两个不同的概念，当码元取两个离散值时两者才相等。当码元取两个离散值时两者才相等。n香农定理香农定理有噪声信道的极限数据数率为：有噪声信道的极限数据数率为：)1 (log2NSWC香农定理香农定理W为信道带宽，为信道带宽，S为信号的平均功率，为信号的平均功率，N为噪声平均功率，为噪声平均功率，S/N称为信噪比，实际中称为信噪比，实际中S与与N的比值太大，常取为分贝，的比值太大，常取为分贝，因此，数字信道的带宽为信道能够达到最大数据数率，因此，数字信道的带宽为信道能够达到最大数据数率，例如：以太网的带宽为例如：以太网的带宽为10Mb/s或或100Mb/s。 常用的数据传输速率单位有：常用的数据

8、传输速率单位有：Kbps、Mbps、Gbps与与Tb/s，其中：，其中： 1Kbps = 1103 bps， 1Mbps = 1106 bps 1Gbps = 1109 bps，1Tbps = 11012 bpsNSdB10log10n误码率：传输二进制位出现差错的概率误码率：传输二进制位出现差错的概率Ne为出错的位数，为出错的位数，N为传送的总位数为传送的总位数 NNPec/2.3 传输介质及其主要特性传输介质及其主要特性传输介质的主要类型传输介质的主要类型n双绞线双绞线n同轴电缆同轴电缆n光纤电缆光纤电缆n无线与卫星通信信道无线与卫星通信信道介质介质（Media or Medium） n网

9、络的介质是一种数据从中传输的材料，是通网络的介质是一种数据从中传输的材料，是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。信网络中发送方和接收方之间的物理通路。n常用的介质有线介质和无线介质两种：常用的介质有线介质和无线介质两种：有线介质：电话线、双绞线、同轴电缆、光导纤维等。有线介质：电话线、双绞线、同轴电缆、光导纤维等。无线介质：卫星、微波、无线介质：卫星、微波、IRIR、RFRF、激光等。、激光等。另外，还有大气，携带另外，还有大气，携带waveswaves、micorwavesmicorwaves微波和光。微波和光。n介质又称网线、传输线、通信信道等，其传输介质又称网线、传输线、通信信道等，

10、其传输能力的衡量标准是带宽能力的衡量标准是带宽(Band) 。带宽越大传。带宽越大传输能力越强。输能力越强。金属介质金属介质n同轴电缆同轴电缆nSTP&ScTPnUTP线缆速度信号方式：Base=Baseband（基带）Broad=broadband（宽带、实际数值）介质 线缆规定线缆规定: 10 base T2.3.1同轴电缆同轴电缆n速度速度10-100Mbpsn费用一般费用一般n长度长度500M同轴电缆同轴电缆n在最初的局域网中，同轴电缆被认为是唯一的在最初的局域网中，同轴电缆被认为是唯一的传输介质，而忽略了双绞线的日益增长。传输介质，而忽略了双绞线的日益增长。 目前有两种应用广

11、泛的同轴电缆。目前有两种应用广泛的同轴电缆。 75欧姆，用于模拟传输，称为宽带电缆欧姆，用于模拟传输，称为宽带电缆 (CATV系统系统) 50欧姆，用于传输数字信号，称为基带电缆欧姆，用于传输数字信号，称为基带电缆 粗缆：粗缆：10Mbps，500m，100个站点个站点 细缆：细缆：10Mbps，185m，30个站点个站点 2.3.2双绞线的主要特性双绞线的主要特性n 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STPn 非屏蔽双绞非屏蔽双绞线线UTP铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层（a ） 屏蔽双绞线（a ） 屏蔽双绞线铜线绝缘层外部保护层（b ） 非屏蔽双绞线（b ） 非屏蔽双绞线双双 绞绞 线线n由按照规则螺旋结

12、构排由按照规则螺旋结构排列的两根绝缘线组成列的两根绝缘线组成n双绞线即可以传输模拟双绞线即可以传输模拟信号也可以传输数字信信号也可以传输数字信号号n带宽依赖于线的粗细和带宽依赖于线的粗细和传输距离传输距离n用于话音传输用于话音传输1类类:只能用于话音的模拟传输只能用于话音的模拟传输2类类:可用于数据传输可用于数据传输,速率达速率达1Mbpsn用于计算机局域网的数据传用于计算机局域网的数据传输输3类：速率达类：速率达10Mbps4类：速率达类：速率达20Mbps5类：速率达类：速率达100MbpsUTP接头线序接头线序n1-3 2-6以太网数据使用以太网数据使用n4-5电话线路使用电话线路使用n

13、7-8其他用途其他用途UTP接头线序接头线序n直连线（标准直连线（标准568B568B）：两端线序一样，）：两端线序一样，线序是：线序是： 白橙，橙，白绿，蓝，白蓝，绿，白棕，白橙，橙，白绿，蓝，白蓝，绿，白棕，棕。棕。n交叉线（交叉线（568A568A）：一端为正线的线序，）：一端为正线的线序，另一端为：另一端为： 白绿，绿，白橙，蓝，白蓝，橙，白棕，白绿，绿，白橙，蓝，白蓝，橙，白棕，棕。棕。 UTP的连接的连接直连线： 568A-568A 568B-568B交叉线： 568A-568B反转线：线序反转Question：PC与与Router连接使用哪种线缆？连接使用哪种线缆？100M规则规

14、则n设备与设备之间的设备与设备之间的UTP线缆联接不能超过线缆联接不能超过100M，否则，否则性能下降性能下降n3+90+7=100n54321原则原则3+90+7=1003+90+7=10054321原则原则n允许允许5个网段，每网段最大长度个网段，每网段最大长度100米米n在同一信道上允许连接在同一信道上允许连接4个中继器或集线器个中继器或集线器 n在其中的三个网段上可以增加节点在其中的三个网段上可以增加节点n在另两个网段上，除做中继器链路外不能接任何在另两个网段上，除做中继器链路外不能接任何节点节点 n一个大型的冲突域，最大站点数一个大型的冲突域，最大站点数1024 2.3.3 光纤的主

15、要特性光纤的主要特性光电转换LED发送端输入输入PIN接收端输出输出光纤光纤光信号光电转换光纤包层外部保护层(a)(a)保护层包层光纤(b)(b)包层保护层光导纤维光导纤维n光导纤维光导纤维 是一种细小柔软并能传导光线的介质是一种细小柔软并能传导光线的介质 光导纤维是通过内部的全反射来传输信号光光导纤维是通过内部的全反射来传输信号光 损耗低、频带宽、传输速度快、抗电磁干扰性强，损耗低、频带宽、传输速度快、抗电磁干扰性强，但价格偏贵但价格偏贵光导纤维光导纤维n光纤分类光纤分类单模单模光纤光纤光在介质内部无反射，沿直线传播，传播距离更远。光在介质内部无反射，沿直线传播，传播距离更远。多模光纤多模光

16、纤光在介质内部以不同的反射角度传播。光在介质内部以不同的反射角度传播。光纤的连接光纤的连接n光纤的连接有两种方式：光纤的连接有两种方式： 人工摩接人工摩接 机器熔接机器熔接光纤的测试光纤的测试n使用使用FLUKE的光纤测试仪的光纤测试仪n光时域反射技术光时域反射技术:测试设备从介质的一端发送信号测试设备从介质的一端发送信号,当信号当信号到达断点处到达断点处,信号发生反射信号发生反射,测试设备接收测试设备接收反射信号并计算时间反射信号并计算时间,最终向用户反馈断最终向用户反馈断点位置点位置有线介质的选择有线介质的选择n传输介质的选择是设计局部网络的一个传输介质的选择是设计局部网络的一个重要的组成

17、部分。对于有线介质而言：重要的组成部分。对于有线介质而言：n双绞线是一种价格便宜的介质，与同轴双绞线是一种价格便宜的介质，与同轴电缆比较，带宽上受到限制，但是在单电缆比较，带宽上受到限制，但是在单个建筑物中，其性能价格比是最好的。个建筑物中，其性能价格比是最好的。n同轴电缆可以用于具有大量终端的系统，同轴电缆可以用于具有大量终端的系统，价格虽然贵一些，但是却有较大的容量。价格虽然贵一些，但是却有较大的容量。n光纤的性能最好，但价格偏贵。光纤的性能最好，但价格偏贵。2.3.4 无线与卫星通信技术无线与卫星通信技术电磁波谱与移动通信电磁波谱与移动通信100102104106108101010121

18、01410161018102010221024无线电微波红外紫外线可见光X-射线-射线1041051061071081091010101110121013101410151016f(Hz)f(Hz)双绞线同轴电缆无线电( A M )无线电( F M )电视频道卫星通信地面微波通信光纤频段LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF 无线通信无线通信 n视距传播视距传播n电离层反射电离层反射地球表面地球表面电离层 微波通信微波通信 n微波信号没有绕射功能，两个微波信号微波信号没有绕射功能，两个微波信号只能在可视情况下才能正常接收；只能在可视情况下才能正常接收； n大气对微波信号的吸收与散射影响较大

19、。大气对微波信号的吸收与散射影响较大。 卫星通信卫星通信 卫星地球表面卫星发送多点接收多点接收2.4 数据编码技术数据编码技术2.4.1 数据编码类型数据编码类型数据编码方法模拟数据编码数字数据编码振幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK非归零码NRZ曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码2.4.2 模拟数据编码方法模拟数据编码方法 01001000+0+0+0+0212+数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK(绝对)(d)PSK(相对)1212.4.3 数字数据编码方法数字数据编码方法 2.5 脉冲编码脉冲编码 调制技术调制技术(PCM) D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0

20、.270.30.620.61.281.31.521.51.261.30.730.70.410.40.120.1(a)样本量化级二进制编码编码信号0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)*取样：每隔一定时间间隔，取样：每隔一定时间间隔，取模拟信号的当前作为样本。取模拟信号的当前作为样本。f为取样频率为取样频率*量化：将样本量化为离散值量化：将样本量化为离散值*编码：把量化后的样本值变编码：把量化后的样本值变成相应的二进制代码成相应的二进制代码max21fTfPCM用于数字语音系统用于数字语音系统：n声音分为声音分

21、为128个量化级；个量化级；n每个量化级采用每个量化级采用7位二进制编码表示；位二进制编码表示；n采样速率为采样速率为8000样本样本/秒；秒；n数据传输速率应达到数据传输速率应达到7位位8000/秒秒=56Kbps；n如果每个量化级采用如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示位二进制编码表示;n数据传输速率应达到数据传输速率应达到8位位8000 /秒秒= 64Kbps。2.6 调制解调器的基本工作原理调制解调器的基本工作原理n在发送端将计算机中的数字信号转换成在发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；能在电话线上传输的模拟信号；n在接收端将从电话线路上接收到的模拟在接

22、收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。信号还原成数字信号。电话机电话线电话线电话机电话交换网电话交换网计算机计算机ModemModemFSK方式方式Modem的工作原理的工作原理 电话交换网电话交换网组合器OSCOSC1270Hz1070Hz1 0 0 11270Hz带通滤波器1070Hz带通滤波器1 0 01组合器滤波器滤波器计算机调制器解调器计算机电话机电话机Modem实现全双工通信的工作原实现全双工通信的工作原理理011070Hz1270Hz012025Hz2225Hz上频带下频带fol=1170Hzfoh=2125Hz电话交换网通频带 调制解调器的分类与应用调制解调器的分类

23、与应用 外置外置Modem与计算机的连接与计算机的连接 调制解调器的分类调制解调器的分类:外置式外置式Modem内置式内置式Modem机架式机架式Modem思考：思考：Modem和网卡的区别？和网卡的区别？电话插座电源插座调制解调器调制解调器电话机计算机2.7 数据通信方式数据通信方式n数据通信方式数据通信方式 串行通信串行通信、并行通信并行通信 单工通信单工通信、半双工或全双工通信半双工或全双工通信n同步方式同步方式 同步通信同步通信 异步通信异步通信串行通信与并行通信串行通信与并行通信 发送端接收端串行通信信道串行通信信道(a)(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b

24、3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并并行行通通信信信信道道(b)(b)单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信 发送接收单向通道单向通道双向通道双向通道双向通道双向通道(a)(a)(b)(b)(c)(c)发送接收接收发送发送接收接收发送同步通信与异步通信同步通信与异步通信一个或多个SYN字符控制字符数据字符SYNSYN控制字符t字节5字节4字节3字节3字节2字节1bbbbbbb终止位(逻辑 0 )起始位(逻辑 1 )65432102.8 多路复用技术多路复用技术 多路复用的工作原理多路复用的工作原理 高速通信线路多路复用器多路复用器2.8.1 多路复用技术的分类多路复

25、用技术的分类n频分多路复用频分多路复用FDMn波分多路复用波分多路复用WDMn时分多路复用时分多路复用TDMn码分复用码分复用 CDM2.8.2 频分多路复用n在一条通信线路设计多路通信信道在一条通信线路设计多路通信信道; ;n每路信道的信号以不同的载波频率进行调制每路信道的信号以不同的载波频率进行调制; ;n各个载波频率是不重叠的各个载波频率是不重叠的, , 一条通信线路就可一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。以同时独立地传输多路信号。 13003100信道16064687260646872频率( k Hz)（c ）（c ）频率( k Hz)（b ）（b ）频率( H z)（a ）（a

26、 ）信道2信道311信道1信道2信道32.8.3 波分多路复用波分多路复用 n光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用简称为波分复用WDM;n在一根光纤上复用在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号路或更多路的光载波信号称为密集波分复称为密集波分复用用DWDM； n目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gbps 。共享光纤共享光纤光栅光栅功率波长共享光纤的波谱功率波长光纤1的波谱功率波长光纤2的波谱光纤1光纤2光纤3光纤4功率波长光纤3的波谱功率波长光纤4的波谱2.8.4 时分多路复用时分多路复用

27、 n时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；若干个时间片；n每个用户分得一个时间片；每个用户分得一个时间片；n在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。道的全部带宽。 时分多路复用的分类时分多路复用的分类 n同步时分多路复用同步时分多路复用 n统计时分多路复用统计时分多路复用 2.8.4 码分多路复用码分多路复用n常用的名词是码分多址常用的名词是码分多址 CDMA CDMA (Code Division Multiple Access) (Code Division Multiple Ac

28、cess)。n各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼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。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。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每一个比特时间划分为 m m 个短的间隔，称为个短的间隔，称为码片码片(chip)(chip)。基带基带(baseband(baseband) )信号和信号和宽带宽带(broadband)(broadband)信号信号 n基带信号基带信号就是将数字信号就是将数字信号 1 1 或或 0 0 直接用直接

29、用两种不同的电压来表示，然后送到线路上两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。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则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。的频分复用模拟信号。 2.9 差错控制方法差错控制方法2.9.1 差错产生的原因与差错类型差错产生的原因与差错类型n传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象数据不一致的现象;n差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错；错；n通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；n由热噪

30、声引起的差错是随机差错，或随机错；由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；n冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；n在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。与突发差错共同构成的。 传输差错传输差错产生过程产生过程信源通信信道信宿数据噪声数据+噪声(a)001100111100011111000011000100010110011001010传输数据数据信号波形噪声数据信号与噪声信号叠加后的波形采样时间接收数据原始数据出错的位(b)2.9.2 误码率的定义误码率的定义 n误码率是指二进制码元在

31、数据传输系统中被传错的概误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：率，它在数值上近似等于：Pe=Ne/N，其中，其中N为传输的为传输的二进制码元总数，二进制码元总数，Ne为被传错的码元数；为被传错的码元数；n误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一；可靠性的参数之一；n对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；n对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，对于

32、实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算；要折合成二进制比特来计算；n差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。接近于真正的误码率值。 2.9.3 检错码与纠错码检错码与纠错码 n纠错码：纠错码： 每个传输的分组带上足够的冗余信息；每个传输的分组带上足够的冗余信息； 接收端能发现并自动纠正传输差错。接收端能发现并自动纠正传输差错。n检错码检错码: : 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；分组仅包含足

33、以使接收端发现差错的冗余信息； 接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，并且自己不能纠正传输差错。并且自己不能纠正传输差错。 2.9.4 检错码检错码n奇偶校验奇偶校验 原理：在原理：在7单位的单位的ASCII代码后增加一位，使码代码后增加一位，使码字中字中“1”的个数成奇数的个数成奇数(奇校验奇校验)或偶数或偶数(偶校偶校验验)。n海明码海明码对于对于m位的数据，增加位的数据，增加k位冗余位，组成位冗余位，组成n=m+k位的纠位的纠错码。错码。K必须取最小值应满足公式必须取最小值应满足公式 kkm21 海明把奇偶校验分配在内海明把奇偶校验分配在内1

34、，2，4，8等位置上，其它位置等位置上，其它位置 放置数据。放置数据。 下面举例说明编码的方法：偶校验下面举例说明编码的方法：偶校验 校验位校验位 假设传送的信息为假设传送的信息为：1001011 8 4 2 1 1 0 0 1 0 1 1 3 0 0 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11数数 5 0 1 0 1 6 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1据据 7 0 1 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 9 1 0 0 1 10 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1位位 11 1 0 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8

35、 9 10 11 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 02.9.6 循环冗余编码工作原理循环冗余编码工作原理 CRCn在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。的检错技术。n假设待传送的数据假设待传送的数据 M = 1010001101（共（共k bit）。我）。我们们在在M的后面再添加供差错检测用的的后面再添加供差错检测用的 n bit 冗余码冗余码一起一起发送。发送。 n用二进制的模用二进制的模 2 运算进行运算进行 2n 乘乘 M 的运算，这相当于的运算，这

36、相当于在在 M 后面添加后面添加 n 个个 0。n注意：模注意：模 2 运算进行加法时不进位，减法按加法规则运算进行加法时不进位，减法按加法规则计算，例如：计算，例如：1111+1010=0101。n得到的得到的 (k + n) bit 的数除以事先选定好的长度为的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) bit 的数的数 P，得出商是，得出商是 Q 而余数是而余数是 R，余数，余数 R 比除比除数数 P 至少要少至少要少1 个比特。个比特。 循环冗余编码工作原理循环冗余编码工作原理 CRC发送方发送方接受方接受方发出比特串发出比特串S发出比特串发出比特串S1、发送的数据、发送的数据M2 2n

37、 n = =（商（商Q+Q+余数余数R R） 约定的除据约定的除据G G2 2、将、将M M与与R R拼接起来，构成一个能被拼接起来，构成一个能被G G整整除的码字除的码字S S（即（即S=MS=M* *2 2n n+R)+R)1、检查：、检查：G能否整除收到的比能否整除收到的比特串特串S2、若能整除，则传输没有差、若能整除，则传输没有差错错;否则出错。否则出错。 循环冗余编码工作原理循环冗余编码工作原理 CRC发送方接收方发送数据 f ( x )生成多项式 G ( x )f(x) xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)实际发送: f ( x)xk.+R(x)数据字段校验字段f(x)xk.

38、R(x)发送数据 f (x)生成多项式 G ( x )R(x)=R(x) 接收正确R(x)=R(x) 接收出错发送f(x) xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)CRC检错检错方法举例方法举例 1 1 0 0 1 1发送数据比特序列CRC校验码比特序列1 0 0 1带CRC校验码的发送数据比特序列1 1 0 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 101 0 0 0 0 11 1 0 0 1 1 0 0 0 01 1 0 0 1G(x)1 1 0 0 11 0 0 0 01 1 0 0 11 0 0 1R(x)1 0 0 0 0 1Q

39、(x)f(x).xk标准标准CRC生成多项式生成多项式G（x）CRC-12 G（x）= x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16 G（x）= x16+x15+x2+1CRC-CCITT G（x）= x16+x12+x5+1CRC-32 G（x）= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10 +x8+x7+x5+x4 + x2+x+1 CRC校验码的检错能力校验码的检错能力nCRC校验码能检查出全部单个错；校验码能检查出全部单个错；nCRC校验码能检查出全部离散的二位错；校验码能检查出全部离散的二位错；nCRC校验码能检查出全部奇数个错；校验码能检查出全部奇数个错；n

40、CRC校验码能检查出全部长度小于等于校验码能检查出全部长度小于等于K位的位的突发错；突发错；nCRC校验码能以校验码能以1-（1/2）K-1的概率检查出长的概率检查出长度为（度为（K+1）位的突发错；）位的突发错；n如果如果K=16，则该，则该CRC校验码能全部检查出小于校验码能全部检查出小于或等于或等于16 位的所有的突发差错，并能以位的所有的突发差错，并能以1-（1/2）16-1=99.997的概率检查出长度为的概率检查出长度为17位的突发位的突发错，漏检概率错，漏检概率为为0.003%。2.10 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

41、 体制最初是为了在电话局之间的中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。继线上传送多路的电话。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）和欧洲的的 30 路路 PCM（简称为（简称为 E1）。我国采用的是欧洲）。我国采用的是欧洲的的 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，可采用复用的方法。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。 数字传输系统数字传输系

42、统 n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 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原时分复用时分复用 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 (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。送到线路上。n由于历史原因，由于历史原因，PCM有两个不兼容的国际标准，有两个不兼容的国际标准，即北美的即北美的24路路

43、PCM（简称为（简称为T1），欧洲的），欧洲的30路路PCM（简称为（简称为E1）。）。n中国采用欧洲体制，以中国采用欧洲体制，以 E1(2.048Mb/s) 为一次为一次群。群。n美国和日本等国采用北美体制，以美国和日本等国采用北美体制，以 T1(1.544Mb/s) 为一次群。为一次群。E1 的时分复用帧的时分复用帧 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1

44、5 个话路n旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最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：主要的是以下两个方面： n速率标准不统一。速率标准不统一。 如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国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。际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。 在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数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。字网主要是采用准同步方式。 2. 同步光纤网同步光纤网 SONET 和和同步数字系列同步数字系列 SDH n旧的数字传输系统存在着许多缺点

45、。其中最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：主要的是以下两个方面： n速率标准不统一。速率标准不统一。 如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国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。际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。 在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数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字网主要是采用准同步方式准同步方式。 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) 的各级时钟都来自一个的各级

46、时钟都来自一个非常精确的主时钟。非常精确的主时钟。 n第第 1 级级同步传送信号同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输的传输速率是速率是 51.84 Mb/s。n光信号则称为第光信号则称为第 1 级级光载波光载波 OC-1，OC 表示表示Optical Carrier。 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，制订为基础，制订出国际标准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

47、是同义词。是同义词。nSDH 的基本速率为的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第，称为第 1 级级同步传递模块同步传递模块 (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。 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

48、 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 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 SONET 的体系结构的体系结构 光子层路径层线路层段层线路 (line)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

49、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 (path)(section)(section)(section)SONET 标准定义了标准定义了四个光接口层四个光接口层 n光子层光子层(Photonic Layer) 处理跨越光缆的比特传送。处理跨越光缆的比特传送。n段层段层(Section Layer) 在光缆上传送在光缆上传送 STS-N 帧。帧。n线路层线路层(Line Layer) 负责路径层的同步和复用。负责路径层的同步和复用。n路径层路径层(Path Layer) 处理路径端接设备处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间

50、的业务的传输。之间的业务的传输。 2.11 宽带接入技术宽带接入技术2.11.1 xDSL技术技术nxDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户技术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。线进行改造，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 kHz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过率仍然超过 1 MHz。nxDSL 技术就把技术就把 04 kHz 低端频谱留给传统电话使低端频谱留给传统电话使用，而用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上

51、网把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用使用。nDSL 就是就是数字用户线数字用户线(Digital Subscriber Line)的的缩写。而缩写。而 DSL 的前缀的前缀 x 则表示在数字用户线上实则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。现的不同宽带方案。 xDSL 的几种类型的几种类型 nADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线非对称数字用户线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

52、 high speed DSL)：甚高速数字用：甚高速数字用户线户线nDSL ：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，可自动调节线路的一个子集，可自动调节线路速率）。速率）。 ADSL 的极限传输距离的极限传输距离nADSL 的极限传输距离与数据率以及用户线的的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。输

53、速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。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，但当传输公里，但当传输速率提高到速率提高到 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 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

54、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。这里的调制技术。这里的“多多音调音调”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 调制技术采用频分复用的方法，把调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为的高端频谱划分为许多的子信道，其中许多的子信道，其中 25 个子信道用于上行信个子

55、信道用于上行信道，而道，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），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音调）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解调器用户线上使用许多小的调制解调器并行地并行地传送传送数据。数据。DMT 技术的频谱分布技术的频谱分布 频谱频率上行信道传统电话04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、由于用户线的具体条

56、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），因此受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数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。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。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。对于质量很差的用户不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通线甚至无法开通 AD

57、SL。n通常下行数据率在通常下行数据率在 32 kb/s 到到 6.4 Mb/s 之间，而上行之间，而上行数据率在数据率在 32 kb/s 到到 640 kb/s 之间。之间。ADSL 的组成的组成 ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线 电话分离器 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)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表远端 Remot

58、e）电话分离器 PS (POTS Splitter) 第二代第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）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。例如，。例如，ADSL2 要求至少应支持下行要求至少应支持下行 8 Mb/s、上行、上行 800 kb/s的速率。而的速率。而 ADSL2+ 则将频谱范围从则将频谱范围从 1.1 MHz 扩展至扩展至2.2 MHz，下行速率可达，下行速率可达 16 Mb/s（最大传输速率可达（最大传输速率可达25 Mb/s），而上行速率可达），而上行速率可达 800 kb/s。n采用

59、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，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。产生误码的情况下，自适应地调整数据率。n改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高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。网络的运行维护水平具有非常重要的意义。2.11.2 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有线电视网网是在目前覆盖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

60、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、数外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。据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。而行单向传输。而 HFC 网则需要对网则需要对 CATV 网进网进行改造，行改造， 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