计算机网络第三章物理层课件

1、 物理层的基本概念物理层的基本概念3.1数据通信的基础知识数据通信的基础知识3.2物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体3.3模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输3.4宽带接入技术宽带接入技术3.8信道复用技术信道复用技术3.5物理层标准举例物理层标准举例DLADLA232232接口标准接口标准3.7同步光纤网同步光纤网SONETSONET和同步数字系列和同步数字系列SDHSDH3.6用于物理层的协议也常称为物理层规用于物理层的协议也常称为物理层规程程(procedure)(procedure)。可以将物理层的主要任务描述为确定可以将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：

2、与传输媒体的接口的一些特性，即：（1 1）机械特性。）机械特性。（2 2）电气特性。）电气特性。（3 3）功能特性。）功能特性。（4 4）规程特性。）规程特性。在物理连接上的传输方式一般都是在物理连接上的传输方式一般都是串串行传输行传输，即一个比特一个比特地按照时间，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。但是，有时也可以采用多个比顺序传输。但是，有时也可以采用多个比特的特的并行传输并行传输方式。方式。3.2.1 3.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型两个两个PCPC机经过普通电话机的连线，再机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。经过公用电话网进行通信。如图如图3-13-1

3、所示，一个数据通信系统可划所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统分为三大部分，即源系统( (或发送端或发送端) )、传、传输系统输系统( (或传输网络或传输网络) )和目的系统和目的系统( (或接收或接收端端) )。图图3-1 3-1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型源系统一般包括以下两个部分：源系统一般包括以下两个部分：（1 1）源站源站。（2 2）发送器发送器。目的系统一般包括以下两个部分：目的系统一般包括以下两个部分：（1 1）接收器接收器。（2 2）目的站目的站。数据数据(data)(data)是运送信息的实体，而信是运送信息的实体，而信号号(signal)(signal

4、)则是数据的电气的或电磁的表则是数据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，都可以是模拟的或现。无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。所谓数字的。所谓“模拟的模拟的”就是连续变化的，就是连续变化的，而而“数字的数字的”就表示取值是离散的。就表示取值是离散的。因此，数字数据因此，数字数据(digital data)(digital data)就是就是用不连续形式表示的数据。用不连续形式表示的数据。将数字数据转换为模拟信号的过程叫将数字数据转换为模拟信号的过程叫作调制。作调制。一般说来，模拟数据和数字数据都可一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们以转换为模拟信号或数字

5、信号。因此我们有以下四种情况：有以下四种情况：（1 1）模拟数据、模拟信号模拟数据、模拟信号。（2 2）模拟数据、数字信号模拟数据、数字信号。（3 3）数字数据、模拟信号数字数据、模拟信号。（4 4）数字数据、数字信号。数字数据、数字信号。图图3-2给出了模拟的和数字的数据、信给出了模拟的和数字的数据、信号的示意图。号的示意图。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图图3-2 3-2 模拟数据、模拟信号、数字数据和数字信号模拟数据、模拟信号、数字数据和数字信号 3.2.2 3.2.2 有关信道的几个基本有关信道的几个基本概念概念

6、从通信的双方信息交互的方式来看，从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式。可以有以下三种基本方式。（1 1）单向通信单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。型。（2 2）双向交替通信双向交替通信：又称为半双工通信，即通信的双方都又称为半双工通信，即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( (当然当然也就不能同时接收也就不能同时接收) )。这种通信方式是一方。这种通

7、信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。发送另一方接收，过一段时间后再反过来。（3 3）双向同时通信双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可又称为全双工通信，即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。有时也常用有时也常用“单工单工”这个名词表示这个名词表示“双向交替通信双向交替通信”。信道可以分成传送模拟信号的信道可以分成传送模拟信号的模拟信模拟信道道和传送数字信号的和传送数字信号的数字信道数字信道两大类。但两大类。但应注意，数字信号在经过数模变换后就可应注意，数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，模拟信号在经过模以在模拟信道上传送，模拟信号在经过模数

8、变换后也可在数字信道上传送。数变换后也可在数字信道上传送。信道上传送的信号还有基带信道上传送的信号还有基带(baseband)(baseband)信号和宽带信号和宽带(broadband)(broadband)信号之分。信号之分。3.2.3 3.2.3 信道上的最高码元传信道上的最高码元传输速率输速率图图3-33-3给出了一个数字信号通过实际给出了一个数字信号通过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形。的信道和质量很差的信道时的输出波形。图图3-3 3-3 数字信号通过实际的信道数字信号通过实际的信道奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist(Nyquist) )推导出在理想低推导出在理想低通信道下的最

9、高码元传输速率的公式：通信道下的最高码元传输速率的公式：理想低通信道的最高码元传输速率理想低通信道的最高码元传输速率 = 2= 2W W Baud (3-1)Baud (3-1)这里这里W W是理想低通信道是理想低通信道的带宽，单位的带宽，单位为赫为赫(Hz)(Hz)；BaudBaud是波特，是码元传输速率的单位，是波特，是码元传输速率的单位，1 1波特为每秒传送波特为每秒传送1 1个码元。个码元。式式(3-1)(3-1)就是著名的奈氏准则。奈氏准就是著名的奈氏准则。奈氏准则的另一种表达方法是：每赫带宽的理想则的另一种表达方法是：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒低通信道的最高码元

10、传输速率是每秒2 2个码个码元。元。对于具有理想带通矩形特性的信道对于具有理想带通矩形特性的信道( (带宽为带宽为W W) )，奈氏准则就变为：，奈氏准则就变为：理想带通信道的最高码元传输速率理想带通信道的最高码元传输速率 = = W W BaudBaud (3-2) (3-2)即每赫带宽的带通信道的最高码元传即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒输速率为每秒1 1个码元。个码元。强调以下两点：强调以下两点：（1 1）一个实际的信道所能传输的最）一个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高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。给出的这个上限数值。（2 2）波特

11、是码元传输的速率单位，）波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码元。码元传输它说明每秒传多少个码元。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。号速率。比特是信息量的单位，与码元的传输比特是信息量的单位，与码元的传输速率速率“波特波特”是两个完全不同的概念。是两个完全不同的概念。3.2.4 3.2.4 信道的极限信息传输信道的极限信息传输速率速率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)bit/s)bit/s (3-3)(3-3)其中：其中：W W为信道

12、的带宽为信道的带宽( (以以HzHz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。式式(3-3)(3-3)就是著名的香农公式。香农公就是著名的香农公式。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越式表明，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。大，则信息的极限传输速率就越高。由于码元的传输速率受奈氏准则的制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设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量

13、。这就需要采用多元制息量。这就需要采用多元制( (又称为多进制又称为多进制) )的调制方法。的调制方法。图图3-43-4说明了奈氏准则和香农公式在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。数据通信系统中的作用范围。图图3-4 3-4 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围传输媒体传输媒体也称为传输介质或传输媒介，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。之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，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。即导向传输媒体和非导

14、向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体着固体媒体( (铜线或光纤铜线或光纤) )传播，而非导向传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输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。图媒体中电磁波的传输常称为无线传输。图3-53-5是电信领域使用的电磁波的频谱。是电信领域使用的电磁波的频谱。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)fLFMFHFVHFUHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010

15、1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024移动无线电图图3-5 3-5 电信领域使用的电磁波的频谱电信领域使用的电磁波的频谱 3.3.1 3.3.1 导向传输媒体导向传输媒体1 1双绞线双绞线把两根互相绝缘的铜导线并排放在一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，然后用规则的方法绞合(twist)(twist)起来就起来就构成了双绞线。构成了双绞线。从用户电话机到交换机的这段线称为从用户电话机到交换机的这段线称为用户线或用户环路用户线或用户环

16、路(subscriber loop)(subscriber loop)。图图3-63-6是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。的示意图。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（a）无屏蔽双绞线（b）屏蔽双绞线 (a) (a) 无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 (b) (b) 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 图图3-6 3-6 无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图2 2同轴电缆同轴电缆同轴电缆由内导体铜质芯线同轴电缆由内导体铜质芯线( (单股实单股实心线或多股绞合线心线或多股绞合线) )、绝缘层、网状编织的、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层外导体屏蔽层

17、( (也可以是单股的也可以是单股的) )以及保护以及保护塑料外层所组成塑料外层所组成( (图图3-7)3-7)。内导体外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层图图3-7 3-7 同轴电缆的结构同轴电缆的结构通常按特性阻抗数值的不同，将同轴通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类：电缆分为两类：（1 1）50 50 同轴电缆同轴电缆50 50 同轴电缆又称为基带同轴电缆。同轴电缆又称为基带同轴电缆。在传输基带数字信号时，可以有多种在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法。图不同的编码方法。图3-83-8画的是未经编码的画的是未经编码的原基带数字信号和在计算机网络中常用的原基带数字信号和在计算机网

18、络中常用的两种编码方法，即：曼彻斯特两种编码方法，即：曼彻斯特(Manchester)(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。编码和差分曼彻斯特编码。基带数字信号曼彻斯特编码1111100000码元图图3-8 3-8 曼彻斯特编码曼彻斯特编码（2 2）75 75 同轴电缆同轴电缆75 75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆。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”是指采用是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。络。双电缆系统的示意图如图双电缆系统的示意图如图3-9(a)3-9(a)所示。所示。头端头端(he

19、adend(headend) )的作用是将各计算机从发送的作用是将各计算机从发送电缆发过来的信息转换到接收电缆，使得电缆发过来的信息转换到接收电缆，使得各计算机能从接收电缆上收到发送给它们各计算机能从接收电缆上收到发送给它们的信息。的信息。图图3-9(b)3-9(b)为单电缆系统。为单电缆系统。图图3-9 3-9 宽带网络宽带网络 3 3光缆光缆光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有柱体。纤芯很细，其直径只有8 100 8 100 m m。 正是这个纤芯用来传导光波。包层

20、较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，其折射角的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角将大于入射角( (如图如图3-103-10所示所示) )。图图3-10 3-10 光线在光纤中的折射光线在光纤中的折射 图图3-113-11画出了光波在纤芯中传播的示画出了光波在纤芯中传播的示意图。意图。图图3-11 3-11 光波在纤芯中的传播光波在纤芯中的传播只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此

21、，可以存在许多条不同角度入反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤称为多模光纤( (如图如图3-12(a)3-12(a)所示所示) )。 若光纤的直径减小到只有一个光的波若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，它可使光长，则光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。线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤这样的光纤就称为单模光纤( (图图3-12(b)3-12(b)。图图3-12 3-12 多模光纤和单模光纤的比较多模光纤和单模光纤的比较包带层加强芯外

22、护套远供电源线光纤及其包层填充物图图3-13 3-13 四芯光缆剖面的示意图四芯光缆剖面的示意图 图图3-133-13为四芯光缆剖面的示意图。为四芯光缆剖面的示意图。光纤不仅具有通信容量非常大的优点，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：而且还具有其他的一些特点：（1 1）传输损耗小，中继距离长，对）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。远距离传输特别经济。（2 2）抗雷电和电磁干扰性能好。这）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在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。要。（3 3）无串音干扰，保密性好，也不）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或

23、截取数据。易被窃听或截取数据。（4 4）体积小，重量轻。）体积小，重量轻。当采用光纤连网时，常常将一段段点当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过到点的链路串接起来构成一个环路，通过T T形接头连接到计算机。形接头连接到计算机。 T T形接头有两种：无源的和有源的。无形接头有两种：无源的和有源的。无源的源的T T形接头由于完全是无源的，因此非常形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。可靠。 有源的有源的T T形接头实际上就是一个有源转形接头实际上就是一个有源转发器发器( (如图如图3-143-14所示所示) )。光传播的方向与计算机相连铜线光纤光纤光接收器（光电二极管

24、）光发送器（发光二极管LED）信号再生器（电信号）接口的结构计算机接口图图3-14 3-14 使用有源转发器的光纤环路使用有源转发器的光纤环路 3.3.2 3.3.2 非导向传输媒体非导向传输媒体 1 1无线传输无线传输 2 2地面微波接力通信地面微波接力通信其主要特点是：其主要特点是：微波波段频率很高，微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；量很大； 因为工业干扰和天电干扰的主要频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，对微波通信的谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微危害比对短波和米波

25、通信小得多，因而微波传输质量较高；波传输质量较高；与相同容量和长度的与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。资少，见效快。微波接力通信缺点：微波接力通信缺点：相邻站之间必相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真；到达接收天线，因而造成失真； 微波的传播有时也会受到恶劣气候微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；的影响；与电缆通信系统比较，微波通与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差；

26、信的隐蔽性和保密性较差；对大量中继对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。 3 3卫星通信卫星通信卫星通信的最大特点是通信距离远，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。且通信费用与通信距离无关。卫星通信的另一特点就是具有较大的卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。传播时延。图图3-15 3-15 无线局域网使用的无线局域网使用的ISMISM频段频段 3.4.1 3.4.1 模拟传输系统模拟传输系统 3.4.2 3.4.2 调制解调器调制解调器 1 1调制解调器的作用调制解调器的作用图图3-16表示了出现一个误码的示意图。表示

27、了出现一个误码的示意图。发送的基带信号接收到的失真的信号采样时刻010011100010010100ttt出现差错还原后的数据发送的数据图图3-16 3-16 基带信号经电话线路传输后产生误码基带信号经电话线路传输后产生误码若所传送的码元速率越高，信号的失若所传送的码元速率越高，信号的失真就越严重。真就越严重。调制解调器调制解调器(modem)(modem)就是由调制器就是由调制器(MOdulator(MOdulator) )和解调器和解调器(DEModulator(DEModulator) )这两这两个字各取其字头合并而成的。个字各取其字头合并而成的。调制器的主要作用就是个波形变换器，调制器

28、的主要作用就是个波形变换器，解调器的作用就是个波形识别器。解调器的作用就是个波形识别器。 2 2几种最基本的调制方法几种最基本的调制方法所谓调制就是进行波形变换。或者更所谓调制就是进行波形变换。或者更严格些，是进行频谱变换，将基带数字信严格些，是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传输的频谱。输的频谱。 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( (如图如图3-173-17所示所示) )：（1 1）调幅）调幅(AM(AM（2 2）调频）调频(FM)(FM)（3 3）调相）调相(PM)(PM)图图3-17 3-1

29、7 对基带数字信号的几种调制方法对基带数字信号的几种调制方法上述的对数字信号的调频和调相，分上述的对数字信号的调频和调相，分别称为移频键控别称为移频键控FSK (Frequency Shift FSK (Frequency Shift Keying)Keying)和移相键控和移相键控PSK (Phase Shift PSK (Phase Shift Keying)Keying)。而对移相键控还可再分为绝对移。而对移相键控还可再分为绝对移相键控和相对移相键控相键控和相对移相键控(DPSK)(DPSK)。 图图3-183-18画的是一种正交调制画的是一种正交调制QAM QAM (Quadratur

30、e(Quadrature Amplitude Modulation) Amplitude Modulation)的星的星座图。座图。 若每一个码元可表示的比特数越多若每一个码元可表示的比特数越多( (即即在星座图中的点数越多在星座图中的点数越多) )，则在接收端进行，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。解调时要正确识别每一种状态就越困难。r(r, )图图3-18 3-18 可得到可得到1 1码元表示码元表示4 bit4 bit的正交幅度调制的星座图的正交幅度调制的星座图 3 3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数据通信可分为数据通信可分为同步通信同步通信和和异步

31、通信异步通信两大类。两大类。 同步通信就是要求接收端的时钟频率同步通信就是要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等和发送端的时钟频率相等( (这常称为收发双这常称为收发双方的时钟是同步的方的时钟是同步的) )，以便使接收端对收到，以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是精确的。的比特流的采样判决的时间是精确的。 当接收端的判决点移动的时间超过码当接收端的判决点移动的时间超过码元宽度的一半时元宽度的一半时( (本来判决点应当处于每一本来判决点应当处于每一个码元的中间个码元的中间) )，就要产生差错，就要产生差错( (比特重读比特重读或漏读或漏读) )，这就是所谓的滑动，这就是所谓的滑动(s

32、lip)(slip)。准同步方式是各有关信号使用一些独准同步方式是各有关信号使用一些独立的、具有相同的频率标称值的时钟源，立的、具有相同的频率标称值的时钟源，但这些频率的实际数值允许有微小的误差但这些频率的实际数值允许有微小的误差( (在容许范围之内在容许范围之内) )。 异步通信则采用另一种方法。这就是异步通信则采用另一种方法。这就是在发送端将欲发送的数据以字节在发送端将欲发送的数据以字节(8(8个比特个比特) )为单位进行逐个字节的封装。为单位进行逐个字节的封装。 异步通信是通过增加通信开销异步通信是通过增加通信开销( (每发送每发送1010个比特就有两个比特的额外开销，因而个比特就有两个

33、比特的额外开销，因而数据的有效传输速率就降低了数据的有效传输速率就降低了) )使接收端能使接收端能够使用廉价的、具有一般精度的时钟来进够使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。行数据通信。 3.4.3 3.4.3 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，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最高频理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的率的2 2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。恢复出原来的电话信号。 标准的电话信号的最高

34、频率为标准的电话信号的最高频率为3.4 kHz3.4 kHz，为方便起见，采样频率就定为为方便起见，采样频率就定为8 kHz8 kHz，相当，相当于采样周期为于采样周期为125 125 s s。图。图3-193-19表示了上述表示了上述的概念。的概念。图图3-19 PCM3-19 PCM的基本原理的基本原理(a) (a) 模拟电话信号模拟电话信号 (b) (b) 采样后的脉冲信号采样后的脉冲信号 (c) (c) 编码后的数字信号编码后的数字信号 (d) (d) 解码后的脉冲信号解码后的脉冲信号 (e) (e) 还原后的模拟电话信号还原后的模拟电话信号图图3-203-20在在2.048 Mbit

35、/s2.048 Mbit/s的传输线路两的传输线路两端同步旋转的开关端同步旋转的开关( (这只是为阐述原理用的这只是为阐述原理用的示意图示意图) )，表示，表示3232个时隙中的比特的发送和个时隙中的比特的发送和接收必须和时隙的编号相对应，不能弄乱。接收必须和时隙的编号相对应，不能弄乱。2.048 Mbit/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧TCH0CH1CH2CH15CH16CH17CH30CH318 bitt时分复用帧时分复用帧T = 125 s15 个话路15 个话路图图3-20 E13-20 E1的时分复用帧的时

36、分复用帧 表表3-23-2给出了欧洲和北美系统的高次群给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率。的话路数和数据率。系系 统统 类类 型型一一 次次 群群二二 次次 群群三三 次次 群群四四 次次 群群五五 次次 群群符号符号E1E1E2E2E3E3E4E4E5E5欧洲体制欧洲体制话路数话路数30301201204804801920192076807680数据率（数据率（Mbit/sMbit/s）2.0482.0488.4488.44834.36834.368139.264139.264565.148565.148符号符号T1T1T2T2T3T3T4T4北美体制北美体制话路数话路数24249

37、69667267240324032数据率（数据率（Mbit/sMbit/s）1.5441.5446.3126.31244.73644.736274.176274.176表表3-23-2 数字传输系统的高次群的话路数和数据率数字传输系统的高次群的话路数和数据率 3.5.1 3.5.1 频分复用、时分复用频分复用、时分复用和统计时分复用和统计时分复用频分复用和时分复用的特点分别如图频分复用和时分复用的特点分别如图3-21(a)3-21(a)和和(b)(b)所示。所示。 频分复用的所有用户在同样的时间占频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源用不同的带宽资源( (请注意，这里的请注意，这里的

38、“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) )。时分。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。的频带宽度。图图3-21 3-21 频分复用和时分复用频分复用和时分复用在进行通信时，复用器在进行通信时，复用器(multiplexer)(multiplexer)总是和分用器总是和分用器(demultiplexer(demultiplexer) )成对地使用。成对地使用。 当使用时分复用系统传送计算机数据当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，一个用时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到

39、的子信道的利用率一般是户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。不高的。 当用户在某一段时间暂时无数据传输当用户在某一段时间暂时无数据传输时时( (例如用户正在键盘上输入数据或正在浏例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息览屏幕上的信息) )，那就只能让已经分配到，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。图用这个暂时空闲的线路资源。图3-223-22说明说明了这一概念。了这一概念。ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户图图3-22 3-22 时分复用可能

40、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统计时分复用统计时分复用STDM (Statistic TDM)STDM (Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器信道的利用率。集中器(concentrator)(concentrator)常常使用这种统计时分复用。图使用这种统计时分复用。图3-233-23是统计时是统计时分复用的原理图。分复用的原理图。 统计复用又称为统计复用又称为异步时分复用异步时分复用，而普，而普通的时分复用称为通的时分复用称为同步时分复用同步时分复用。从平均从平均的角度来看，这两者是平衡

41、的的角度来看，这两者是平衡的。用户ABCDaabbcdbcattttt3 个 STDM 帧#1acbcd#2#3统计时分复用图图3-23 3-23 统计时分复用的工作原理统计时分复用的工作原理 3.5.2 3.5.2 波分复用波分复用图图3-243-24表示表示8 8路传输速率均为路传输速率均为2.5 2.5 Gbit/sGbit/s的光载波的光载波( (其波长均为其波长均为1310 nm)1310 nm)，经，经光的调制后，分别将波长变换到光的调制后，分别将波长变换到1550 1550 1557 nm1557 nm，每个光载波相隔，每个光载波相隔1 nm (1 nm (这里只是这里只是为了说

42、明问题的方便，实际上光载波的间为了说明问题的方便，实际上光载波的间隔一般是隔一般是0.80.8或或1.6 nm)1.6 nm)。0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 20 Gbit/s1550 nm 0 1551 nm 11552 nm 21553 nm 31554 nm 41555 nm 51556 nm 61557 nm 78 2.5 Gbit/s1310 nm8 2.5 Gbit/s1310 nm复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器图图3-24 3-24

43、波分复用的概念波分复用的概念 3.5.3 3.5.3 码分复用码分复用码分复用码分复用CDM (Code Division CDM (Code Division Multiplexing)Multiplexing)是另一种共享信道的方法。是另一种共享信道的方法。实际上，人们更常用的名词是码分多址实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)CDMA (Code Division Multiple Access)每一个用户可以在同样的时间使用同样的每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。频带进行通信。 由于各用户使用经过特殊挑

44、选的不同由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。码分复用最初码型，因此不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信是用于军事通信，因为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。噪声，不易被敌人发现。 在在CDMACDMA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 m个短的间隔，称为码片个短的间隔，称为码片(chip)(chip)。数字传输系统存在着许多缺点。其中数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个。最主要的是以下两个。（1 1）速率标准不统一）速率标准不统一（2 2）

45、不是同步传输）不是同步传输 为了解决上述问题，美国首先在为了解决上述问题，美国首先在19881988年推出了一个数字传输标准，叫做同步光年推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网纤网SONET (Synchronous Optical SONET (Synchronous Optical Network)Network)。 表表3-33-3为为SONETSONET和和SDHSDH的比较。的比较。线路速率（线路速率（Mbit/sMbit/s）SONETSONET符号符号ITU-TITU-T符号符号表示线路速率的常用近似值表示线路速率的常用近似值51.84051.840OC-1/STS-1OC-1/

46、STS-1155.520155.520* *OC-3/STS-3OC-3/STS-3STM-1STM-1155 Mbit/s155 Mbit/s（按四舍五入则应为（按四舍五入则应为156 Mbit/s156 Mbit/s）466.560466.560OC-9/STS-9OC-9/STS-9STM-3STM-3622.080622.080* *OC-12/STS-OC-12/STS-1212STM-4STM-4622 Mbit/s622 Mbit/s933.120933.120OC-18/STS-OC-18/STS-1818STM-6STM-6表表3-33-3 SONET SONET的的OCOC

47、级级/STS/STS级与级与SDHSDH的的STMSTM级的对应关系级的对应关系1244.1601244.160OC-24/STS-24OC-24/STS-24STM-8STM-81866.2401866.240OC-36/STS-36OC-36/STS-36STM-12STM-122488.3202488.320* *OC-48/STS-48OC-48/STS-48STM-16STM-162.5 Gbit/s2.5 Gbit/s4976.6404976.640OC-96/STS-96OC-96/STS-96STM-32STM-329953.2809953.280OC-192/STS-192O

48、C-192/STS-192STM-64STM-6410 Gbit/s10 Gbit/s续表续表SONETSONET标准定义了四个光接口层。标准定义了四个光接口层。SONETSONET的层次自下而上如图的层次自下而上如图3-263-26所示。所示。 光子层光子层(Photonic Layer)(Photonic Layer) 数字段层数字段层(Section Layer)(Section Layer) 线路层线路层(Line Layer)(Line Layer) 路径层路径层(Path Layer)(Path Layer)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

49、光子层线路层段层光子层段层SDH终端SDH终端SDH终端SDH终端复用器或分用器复用器或分用器复用器或分用器复用器或分用器转发器转发器转发器转发器段段段路径图图3-26 SONET3-26 SONET的体系结构的体系结构EIA-232-EEIA-232-E是美国电子工业协会是美国电子工业协会EIAEIA制制定的著名物理层标准。定的著名物理层标准。EIA-232EIA-232是是DTEDTE与与DCEDCE之间的接口标准。之间的接口标准。 DTE (Data Terminal Equipment) DTE (Data Terminal Equipment)是数是数据终端设备。数据电路端接设备据终

50、端设备。数据电路端接设备DCE (Data DCE (Data Circuit-terminating Equipment)Circuit-terminating Equipment)。DCEDCE的的作用就是在作用就是在DTEDTE和传输线路之间提供信号变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。释放数据链路的连接。DTEDTE通过通过DCEDCE与通信与通信传输线路相连，如图传输线路相连，如图3-273-27所示。所示。DTEDCEDCE串行比特传输用户环境通信环境用户设施通信设施DTE用户设施用户环境EIA-232

51、/V.24接口EIA-232/V.24接口图图3-27 DTE3-27 DTE通过通过DCEDCE与通信传输线路相连与通信传输线路相连 xDSLxDSL技术就是用数字技术对现有的模技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。带业务。 DSL DSL就是数字用户线就是数字用户线 (Digital (Digital Subscriber Line) Subscriber Line) 的缩写。而的缩写。而DSLDSL的前缀的前缀x x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。案。 ADSL (Asymm

52、etric Digital ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) Subscriber Line) 是非对称数字用户线是非对称数字用户线 W-ADSLW-ADSL，HDSL (High speed DSL) HDSL (High speed DSL) 是高是高速数字用户线，速数字用户线，SDSL (Single-line DSL) SDSL (Single-line DSL) 是是1 1对线的数字用户线，对线的数字用户线，VDSL (Very high VDSL (Very high speed DSL) speed DSL) 是甚高速数字用户线。

53、是甚高速数字用户线。 xDSLxDSL对对 称称 性性下下 行行 带带 宽宽上上 行行 带带 宽宽极限传输距离极限传输距离ADSLADSL非对称非对称1.5 Mbit/s1.5 Mbit/s64 kbit/s64 kbit/s4.64.65.5 km5.5 kmADSLADSL非对称非对称6 68 Mbit/s8 Mbit/s640 kbit/s640 kbit/s1 Mbit/s1 Mbit/s2.72.73.6 km3.6 kmHDSLHDSL（2 2对线）对线）对称对称1.5 Mbit/s1.5 Mbit/s1.5 Mbit/s1.5 Mbit/s2.72.73.6 km3.6 kmHD

54、SLHDSL（1 1对线）对线）对称对称768 kbit/s768 kbit/s768 kbit/s768 kbit/s2.72.73.6 km3.6 kmSDSLSDSL对称对称384 kbit/s384 kbit/s384 kbit/s384 kbit/s5.5 km5.5 kmSDSLSDSL对称对称1.5 Mbit/s1.5 Mbit/s1.5 Mbit/s1.5 Mbit/s3 km3 kmVDSLVDSL非对称非对称12.96 Mbit/12.96 Mbit/s s1.61.62.3 Mbit/s2.3 Mbit/s1.4 km1.4 kmVDSLVDSL非对称非对称25 Mbit

55、/s25 Mbit/s1.61.62.3 Mbit/s2.3 Mbit/s0.9 km0.9 kmVDSLVDSL非对称非对称52 Mbit/s52 Mbit/s1.61.62.3 Mbit/s2.3 Mbit/s0.3 km0.3 kmDSL (ISDN)DSL (ISDN)对称对称160 kbit/s160 kbit/s160 kbit/s160 kbit/s4.64.65.5 km5.5 km表表3-4 3-4 xDSLxDSL的几种类型的几种类型 ADSL ADSL在现成的用户线（铜线）的两端在现成的用户线（铜线）的两端各安装一个各安装一个ADSLADSL调制解调器。我国目前采调制解调

56、器。我国目前采用的方案是离散多音调用的方案是离散多音调DMT (Discrete DMT (Discrete Multi-Tone) Multi-Tone) 调制技术。调制技术。 图图3-28 DMT3-28 DMT技术的频谱分布技术的频谱分布 基于基于ADSLADSL的接入网由以下的接入网由以下3 3大部分组成：大部分组成：数字用户线接入复用器数字用户线接入复用器DSLAM (DSL Access DSLAM (DSL Access Multiplexer)Multiplexer)，用户线和居民家庭中的一，用户线和居民家庭中的一些设施，如图些设施，如图3-293-29所示。所示。图图3-29

57、 3-29 基于基于ADSLADSL的接入网的组成的接入网的组成 数字用户线接入复用器包括许多数字用户线接入复用器包括许多ADSLADSL调制解调器。调制解调器。ADSLADSL调制解调器又称为接入调制解调器又称为接入端接单元端接单元ATU (Access Termination Unit)ATU (Access Termination Unit)。 在电话端局（或远端站）和居民家中在电话端局（或远端站）和居民家中所用的所用的ADSLADSL调制解调器分别记为调制解调器分别记为ATU-CATU-C（C C代表端局代表端局Central OfficeCentral Office）和）和ATU-R

58、ATU-R（R R代代表远端表远端RemoteRemote）。用户电话通过电话分路）。用户电话通过电话分路器器PS (POTS Splitter) PS (POTS Splitter) 和和ATU-RATU-R连在一起，连在一起，经用户线到端局，并再次经过一个电话分经用户线到端局，并再次经过一个电话分路器路器PSPS把电话连到本地电话交换机。把电话连到本地电话交换机。 ADSL ADSL中的中的“D D（数字）（数字）”应理解为应理解为“使使用数字技术用数字技术”。ADSLADSL的用户线上传送的仍的用户线上传送的仍然是模拟信号而不是数字信号。然是模拟信号而不是数字信号。 3.8.2 3.8.2 光纤同轴混合网（光纤同轴混合网（HFCHFC网）网） 一种叫做光纤同轴混合网（一种叫做光纤同轴混合网（HFCHFC网），网），是在是在19881988年被提出。年被提出。HFCHFC是是Hybrid Fiber Hybrid Fiber CoaxCoax的缩写。的缩写。HFCHFC网是在目前覆盖面很广的网是在目前覆盖面很广的有线电视网有线电视