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文档简介

2022/12/21计算机网络(第6版)物理层2022/12/11计算机网络(第6版)物理层2022/12/22主要内容物理层的基本概念数据通信基础知识传输媒体信道复用技术 2022/12/12主要内容物理层的基本概念2022/12/23物理层理解OSI模型的最低层;不是具体物理设备、媒体,但物理层协议与具体物理设备、媒体有关;制定系统与通信媒体的接口规则,实现两个物理设备之间二进制比特流的传输(物理层PDU是位);物理层协议主要通过接口特性来描述:机械特性、电气特性、功能特性和规程特性2022/12/13物理层理解OSI模型的最低层;2022/12/24物理层的接口特性机械特性:主要规定了DTE/DCE接口连接器的尺寸、芯数和芯的安排、连线的根数等。电气特性:主要规定了每种信号的电平、信号的脉冲宽度、允许的数据传输速率和最大传输距离等。功能特性:规定了接口电路引脚的功能和作用。规程特性:规定了事件发生顺序,即接口电路信号发出的时序、应答关系和操作过程。2022/12/14物理层的接口特性机械特性:主要规定了DT2022/12/25物理层的接口标准举例美国电子工业协议会制定通用接口标准EIARS-232CEIA-232接口调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232接口调制解调器电话网2022/12/15物理层的接口标准举例美国电子工业协议会制2022/12/26EIA-232使用ISO2110插头插座标准。

25针:DB-25

简化接插口9针:DB-9机械特性2022/12/16EIA-232使用ISO2110插2022/12/27

规定了什么电路应当连接到接插头中的哪一根引脚,以及该引脚的作用功能特性2022/12/17规定了什么电路应当连接到接插头中的哪2022/12/28采用负逻辑电平。用-15V~-3V表示逻辑“1”电平,用+3V~+15V表示逻辑“0”电平。当连接电缆长度不超过15m时,允许数据传输速率不超过20kbps。电气特性TTL电平高电平:+2.4V~+5V低电平:0V~0.4V2022/12/18电气特性TTL电平2022/12/29规程特性

如图,当DTE请求发送数据时,首先使RTS信号有效,表示向DCE发出发送请求,如果DCE已准备就绪,则使CTS信号有效,表示允许DTE发送数据,至此双方完成握手计算机DTEMODEMDCE信号地SG(5)发送数据TxD(3)接收数据RxD(2)请求发送RTS(7)允许发送CTS(8)DTE准备好DTR(4)DCE准备好DSR(6)载波检测DCD(1)振铃指示RI(9)RS-232DB9接口电路图2022/12/19规程特性如图,当DTE请求发送数2022/12/210以太网10Base-T物理层

机械特性:电口/RJ-45接口,用来连接双绞线。以太网网卡、HUB、交换机、路由器都提供RJ-45接口。

电气特性:10Mb/s速率,主机到HUB距离不超过100米,基带传输,曼彻斯特编码等2022/12/110以太网10Base-T物理层机械特性2022/12/211

功能特性:接头脚号功能功能代码1传送+Tx+2传送-Tx-3接收+Rx+4保留5保留6接收-Rx-7保留8保留网卡上RJ-45插座引脚功能接头脚号功能功能代码1接收+Rx+2接收-Rx-3传送+Tx+4保留5保留6传送-Tx-7保留8保留HUB上RJ-45插座引脚功能

规程特性:半双工/全双工通信等2022/12/111功能特性:接头脚号功能功能代码1传送2022/12/212数据通信基础知识

数据通信系统的模型调制解调器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输出信息PC机2022/12/112数据通信基础知识

数据通信系统的模型2022/12/213几个术语数据(data)—运送消息的实体。信号(signal)—数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)—取值是连续的。“数字的”(digital)—取值是离散的。码元(code)—在使用时域的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形。2022/12/113几个术语数据(data)—运送消息的实2022/12/214有关信号的几个基本概念单向通信(单工通信):只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。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或同时接收。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。2022/12/114有关信号的几个基本概念单向通信(单工通2022/12/215基带信号基带信号:来自信源的没有经过调制的原始信号。像计算机输出的代表各种文字、图像等信息的数据信号都属于基带信号基带传输:直接传输基带信号就叫基带传输近距离范围内传输基带信号时衰减不大,从而信号内容不会发生变化。因此在近距离传输时,可以采用基带传输。例如大多数的局域网都使用基带传输方式。远距离传输基带信号时,信号衰减较大,因此必须将基带信号进行调制后再传输。2022/12/115基带信号基带信号:来自信源的没有经过调2022/12/216基带信号的调制调制分两大类:基带调制、带通调制基带调制:仅对基带信号波形进行变换,目的是使它能够满足一定的功能需求,如提高抗干扰性能、进行同步控制、降低信号传输速率等。但变换后的信号仍然是基带信号这种基带调制实际就是把数字信号转换成另一种形式的数字信号,因此习惯上称为编码2022/12/116基带信号的调制调制分两大类:基带调制、2022/12/217曼码优点:自同步基带调制(编码)举例2022/12/117曼码优点:自同步基带调制(编码)举例2022/12/218带通调制带通调制:使用载波进行调制,将原始的基带信号搬移到较高的频段以便在信道中传输。带通信号:仅在一段频率范围内能够通过信道的信号叫带通信号。带通调制就是将基带信号调制成带通信号。带通调制使用的载波信号:f(t)=AmSin(2πfmt+θm)基本调制方法:幅移键控法ASK(AmplitudeShiftKeying)频移键控法FSK(FrequencyShiftKeying)相移键控法PSK(PhaseShiftKeying)2022/12/118带通调制带通调制:使用载波进行调制,将2022/12/219三种基本的带通调制方法010011100基带信号调幅调频调相多元调制方法:多元相位,多元相位振幅调制等,可达到更高信息传输速率2022/12/119三种基本的带通调制方法01001112022/12/220正交振幅调制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)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。共有16种不同的组合,16个点中的每个点可对应于一种4bit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。

举例09考研试题:无噪声情况下,若某通信链路的带宽为3kHz,采用4个相位,每个相位具有4种振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输速率是

A.12kbpsB.24kbpsC.48kbpsD.96kbps

2022/12/120正交振幅调制QAM

(Quadrat2022/12/221

数据率(比特率):数据传输速率,每秒传送的二进制位数,单位为bps;码元率(波特率):信号传输速率,调制速率,单位时间内载波调制状态改变次数,单位为波特Baud;信道上用码元承载比特数据;通过不同的调制方法,可以在一个码元上承载多个比特;数据率=波特率*调制系数n(单个调制状态对应的比特位数)。数据传输率、码元传输率2022/12/121数据率(比特率):数据传输速率,每秒2022/12/2220001101100011011101100调制系数=2比特率=2*波特率调制系数=1比特率=1*波特率2022/12/12200012022/12/223有失真,但可识别失真大,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)接收信号波形数字信号通过实际的信道会产生失真,码元率越高,失真越严重2022/12/123有失真,但可识别实际的信道发送信号波形2022/12/224信道的码元率受信道带宽及其它因素的限制,即码元率有极限值(Nyquist定理)Q:根据二者关系比特率=n*波特率,可否无限提高每个码元携带的信息量来达到信息传输率的无限提高?信道的码元率否!理想低通、有限带宽、无噪声信道下的最高码元传输率公式(Nyquist)=2WBaud理想带通情况下,最高码元率WBaud2022/12/124信道的码元率受信道带宽及其它因素的限制2022/12/2251948年,香农定理:在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道内信道带宽与信道容量的关系为:C=Wlog2(1+S/N)C-信道容量,W-信道带宽,N-噪声功率,S-信号功率

注:信噪比S/N单位是dB,用10log10S/N表示,如信噪比为20dB时,S/N为100.信道的极限信息传输速率(信道容量)2022/12/1251948年,香农定理:在带宽受限且有高2022/12/226结论无论采用何种先进的编码技术,信道的传输率也不能超过信道极限容量例如,对于3.1kHz的话路,若信噪比为2500,其最大传输率不会突破35kb/s。要想突破该限制,只能提高带宽或增大信噪比2022/12/126结论无论采用何种先进的编码技术,信道的2022/12/227设信道带宽为3000Hz,根据奈奎斯特(Nyquist)定理,理想信道的波特率为(1)波特,若采用QPSK(4相)调制,其数据速率应为(2),如果该信道信噪比为30dB,则该信道的容量约为(3)。(1)A.3000

B.6000

C.12000

D.24000

(2)A.6Kb/sB.12Kb/s

C.18Kb/s

D.24Kb/s

(3)A.10Kb/sB.20Kb/s

C.30Kb/s

D.40Kb/s

C=Wlog2(1+S/N)dB=10log10S/N例题若将“若采用QPSK(4相)调制”改为“采用二进制信号发送数据”,那么第(2)问数据率又是多少?2022/12/127设信道带宽为3000Hz,根据奈奎斯特2022/12/228据奈氏准则,最大的码元率=2W=6kBaud,由于发送二进制信号,所以能得到的最大的数据速率也是6kb/s。根据香农公式C=Wlog2(1+S/N)b/s,10分贝的S/N=10,所以信道容量C=3klog2(11)b/s>6kb/s由于信道同时受限于这两个准则,故当前可得到的最大数据速率为6kb/s。一般数据率达不到其信道容量值。C=Wlog2(1+S/N)dB=10log10S/N例题:一个带宽3kHZ的信道,信噪比为10分贝,二进制编码信号发送,问当前条件下信道能得到的最大数据速率是多少?2022/12/128据奈氏准则,最大的码元率=2W=6kB2022/12/229传输媒体导向媒体非导向媒体2022/12/129传输媒体导向媒体2022/12/230导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

同轴电缆50

同轴电缆75

同轴电缆光缆2022/12/130导向传输媒体双绞线2022/12/231非屏蔽双绞线UTP既能用于传输模拟信号,又能用于传输数字信号双绞的作用:克服线扰2022/12/131非屏蔽双绞线UTP既能用于传输模拟信号2022/12/232特点:便宜、易安装短距离(LAN)在EIA/TIA-568标准中,将双绞线按电气特性分为:三类、四类、五类,最常用的是三类线和五类线,类号越高性能越好。3类:传输特性16MHz,数据速率可达16Mbps5类:传输特性100MHz,数据速率可达160Mbps2022/12/132特点:在EIA/TIA-568标准中,2022/12/233

屏蔽双绞线STP

双绞线外有铝箔包裹,于屏蔽干扰信号,价格相对昂贵。

铜线聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层2022/12/133屏蔽双绞线STP铜线聚氯乙烯屏蔽层2022/12/234外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆

同轴电缆(CoaxialCable)的主要特性基带同轴电缆(50Ω):(BasebandCoaxialCable)传输数字信号,基带传输速率10Mbps,常用于局域网的安装和家庭CATV宽带同轴电缆(75Ω)(BroadbandCoaxialCable)传输多路不同频率的模拟信号,“宽带系统”指采用频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络300M或450Mbps,100km,老的局域网和CATV主干网,目前在以太网中基本被淘汰有时称作“六类线”带宽超过100Mbps带宽范围:100K—500M2022/12/134外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同2022/12/235同轴电缆(CoaxialCable)细缆T型头2022/12/135同轴电缆(CoaxialCable)2022/12/236同轴电缆(CoaxialCable)粗缆2022/12/136同轴电缆(CoaxialCable)2022/12/237光纤(FiberOptics)塑料外套保护着这束光纤金属线加固电缆使光缆不会在一个折断光纤的角度弯曲光缆由许多玻璃光纤组成光纤和色层装在塑料外壳内光纤被包层包裹着或覆盖着,这些包层用来反射在光纤中传输的光每根光纤的核心是直径比人发还细、构造完美的玻璃管光缆是一捆极细的玻璃管。每一根比人的头发还细的管子称之为光纤2022/12/137光纤(FiberOptics)塑料外2022/12/238光纤电缆的主要特性依靠光波承载信息:一个光脉冲“1”

无光脉冲“0”高传送速率(几个--几十个Gbit/s),通信容量大传输损耗小,适合长距离传输,传输5000英里而不需放大(不管是双绞线还是同轴电缆在传输小于1英里时都需要电子放大)抗雷电和电磁干扰性能好,保密性好轻便

成本高、施工专业被认为是“七类线”2022/12/138光纤电缆的主要特性2022/12/239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)包层纤芯光线不断全反射进行传输2022/12/139折射角入射角包层包层纤芯2022/12/240光脉冲的产生发光二极管或半导体激光器光电二极管2022/12/140光脉冲的产生发光二极管或半导体激光器光2022/12/241单模光纤(single-modefiber)与多模光纤(multimodefiber)许多不同角度入射的光线在一条光纤中传输每一束光线有一个不同的mode光脉冲展宽,失真适合于近距离传输直径只有一个光的波长衰减较小传输距离远制造成本高发光源昂贵2022/12/141单模光纤(single-modefi2022/12/242非导向传输媒体无线传输所使用的频段很广。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。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信

2022/12/142非导向传输媒体无线传输所使用的频段很2022/12/243信道复用技术多路复用的目的:充分利用通信线路带宽,提高信道利用率。当物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需的带宽时,可将该物理信道的总带宽分割成若干个固定带宽的子信道,每个子信道用于传输一路信号。这种多路信号共用一个信道的技术称为信道复用技术。2022/12/143信道复用技术多路复用的目的:充分利用2022/12/244信道复用示意图终端终端终端终端终端终端多路复用器多路复用器信道2022/12/144信道复用示意图终端终端终端终端终端终2022/12/245常用的多路复用技术频分复用FDMFrequencyDivisionMultiplexing时分复用TDMTimeDivision

Multiplexing

码分复用CDMCodeDivisionMultiplexing

2022/12/145常用的多路复用技术频分复用FDMFr2022/12/246频率时间频率1频率2频率3频率4频率5

频分复用FDM各路信号利用不同的频段同时进行传输2022/12/146频率时间频率1频率2频率3频率2022/12/247

时分复用TDM各路信号可利用相同的频段分时占用信道频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2022/12/147时分复用TDM各路信号可利用相同的频2022/12/248

时分复用的缺限ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户时分复用可能会造成线路资源的浪费2022/12/148时分复用的缺限ABCDaabbcdb2022/12/249

统计时分复用STDM(StatisticTDM)也称异步时分复用用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用不固定分配时隙,按需动态分配时间片,因此可以提高信道利用率。采用STDM的各信号在每个时隙中都必须携带地址信息。分组交换采用统计时分复用技术2022/12/149统计时分复用STDM(Statist2022/12/250

码分复用CDM又叫码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。特点:每个用户可以在同样的时间使用同样的频率进行通信。各个用户的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分,而是用各自不同的地址码序列来区分,或者说是靠信号的不同波形来区分。2022/12/150码分复用CDM又叫码分多址CDMA2022/12/251

码分复用原理

每个比特划分为m个时间片,称为码片使用CDMA的每个站分配一个唯一的m个码片序列,发送1时,就发送该序列,发送0时则发其反码。例如,当m取8时,S用户的m序列为00011011,当发送1和0时,发送序列分别是:0001101111100100发1:发0:码片序列的表示方法:如发1的码片序列表示为:-1-1-1+1+1-1+1+12022/12/151

码分复用原理

每个比特划分为m2022/12/252

码片选择的条件各用户的码片不但要唯一而且要互相正交(各向量内积为0)。如任意两用户S和T,ST和ST-1都应为0,例如:S:00011110与T:00000011互相正交码片向量与该向量内积为1,与该向量反码内积为-1。

1mST=1mST-1=1mSS-1=1mSS=SiSiSiSi限定的目的是便于信号的提取2022/12/152码片选择的条件1ST=1ST-1=2022/12/253CDMA原理:S站的码片序列S110tttttm

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计算S

(Sx+Tx

)=1表示收到1,=-1表示收到0数据码元比特发送端接收端2022/12/153CDMA原理:S站的码片序列S112022/12/254应用举例:设有4个站进行码分多址CDMA通信,4个站的码片分别为:A:-1-1-1+1+1-1+1+1B:-1-1+1-1+1+1+1-1C:-1+1-1+1+1+1-1-1D:-1+1-1-1-1-1+1-1现收到码片序列:-1+1-3+1-1-3+1+1,问哪个站发送数据了,发0还是1?对于A:(1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1,因此A发送了“1”。2022/12/154应用举例:设有4个站进行码分多址CDM2022/12/255

波分复用WDMWDM(WavelengthDivisionMultiplexing

波分复用实际上是光的频分多路复用,是在一条光纤中用不同颜色的光波来传输信号。2022/12/155波分复用WDMWDM(Wavele2022/12/256数字传输系统早期电话网,从用户到市话局间采用独占的模拟传输方式,长途干线采用频分复用的模拟传输方式随着数字通信技术的发展,长途干线改用时分复用的数字传输方式,而用户到市局间传输方式不变在数字传输系统中,有两种数字传输标准,一种叫“准同步数字系列”(PlesiochronousDigitalHierarchy),简称PDH;另一种叫“同步数字系列”(SynchronousDigitalHierarchy),简称SDH

2022/12/156数字传输系统早期电话网,从用户到市话局2022/12/257数字传输系统采用准同步(PDH)的系统,是在数字通信网的每个节点上都分别设置高精度的时钟,这些时钟的信号都具有统一的标准速率。尽管每个时钟的精度都很高,但总还是有一些微小的差别。为了保证通信的质量,要求这些时钟的差别不能超过规定的范围。因此,这种同步方式严格来说不是真正的同步,所以叫做“准同步”。2022/12/157数字传输系统采用准同步(PDH)的系统2022/12/258数字传输系统在以往的电信网中,多使用PDH设备。但PDH标准已不能适合现代电信业务开发及管理的需求。PDH主要缺点如下:速率标准不统一:由于历史上的原因,

有两个互不兼容的国际标准,即北美的T1标准和欧洲的E1标准。我国采用的是E1标准。不是同步传输:在过去相当长的时间,为了节约经费,各国的数字网主要是采用准同步方式,在准同步系统中,由于各支路信号的时钟频率有一定的偏差,给时分复用和分用带来很多麻烦,数据传输率越高,收发双方时钟同步越困难。2022/12/158数字传输系统在以往的电信网中,多使用P2022/12/259数字传输系统没有国际上统一的光接口规范,制约了光纤通信技术发展。SDH是为满足新需求而出现的传输体系。最早提出SDH概念的是美国贝尔通信研究所,称为光同步网络(SONET)。目的是在光路上实现标准化,便于不同厂家的产品能在光路上互通,从而提高网络的灵活性。1988年,CCITT以SONET为基础,制定出“同步数字系列SDH”,使它不仅适用于光纤,也适用于微波和卫星传输技术。

2022/12/159数字传输系统没有国际上统一的光接口规范2022/12/260SDH主要优点统一的比特率,统一的接口标准,为不同厂家设备间的互联提供了可能。网络管理能力大大加强。提出了自愈网的新概念。用SDH设备组成的带有自愈保护能力的环网形式,可以在传输媒体主信号被切断时,自动通过自愈网恢复正常通信。采用字节复接技术,使网络中上下支路信号变得十分简单。由于SDH具有显著优点,目前骨干光传输网络都采用SDH标准。但在与骨干网相连接的支路和叉路上,PDH标准仍有用武之地。

2022/12/160SDH主要优点统一的比特率,统一的接口2022/12/261脉码调制PCM原理模拟话音通过数字信道传输需进行编码,编码原理如下:2022/12/161脉码调制PCM原理模拟话音通过数字信道2022/12/262模拟语音到数字数据的编码原理标准电话信号的最高频率为3.4kHz采样频率取8kHz采用8位二进制数编码一路标准PCM信号速率为64Kb/s(8000*8)2022/12/162模拟语音到数字数据的编码原理标准电话信2022/12/263国际上有两个不兼容的标准,北美的24路PCM(T1),和欧洲的30/32路PCM(E1)。T1和E1是PDH的两个不同的速率标准。我国采用的是E1标准,速率是2.048Mb/s.

PCM封装成帧标准为了有效地利用传输线路,通常将多个话路的PCM信号进行时分复用组装成帧,然后再送到线路上一帧一帧的传输2022/12/163国际上有两个不兼容的标准,北美的24路2022/12/2642.048Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1…………时分复用帧TCH0CH1CH2…CH15CH16CH17CH30CH31CH0…8bitt时分复用帧时分复用帧T=125us(1/8000)s15个话路15个话路E1的时分复用帧2022/12/1642.048Mb/s传输线路CH0CH2022/12/265E1标准

CH0用作帧同步用,CH16用来传送信令。供用户使用的是30个话路,E1的一个帧为32*8bit,每秒传送8000帧,因此PCM一次群E1数据率为:

8000*32*8=2.048Mb/s

四个一次群E1合成为一个二次群E2,速率为8.192Mb/s2022/12/165E1标准CH0用作帧同步用,CH12022/12/266T1标准24路音频信道复用在一条通信线路上;采样8000次/秒;8位编码,其中7位是数据位,1位用于信道控制;24路PCM信号轮流将8位数据插入到帧中;每帧由24×8=192位组成,另附加一位作为帧开始标志位,所以每帧共有193位;发送一帧需要1/8000秒;T1载波的数据传输速率为8000*193=1.544Mb/s。2022/12/166T1标准24路音频信道复用在一条通信线2022/12/267同步光纤网SONET同步光纤网

SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。第1级同步传送信号

STS-1(SynchronousTransportSignal)的传输速率是51.84Mb/s。光信号则称为第1级光载波

OC-1,OC表示OpticalCarrier。2022/12/167同步光纤网SONET同步光纤网SO2022/12/268

同步数字系列SDH

ITU-T以美国标准SONET为基础,制订出国际标准同步数字系列

SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可认为SDH与SONET是同义词。SDH的基本速率为155.52Mb/s,称为第1级同步传递模块

(SynchronousTransferModule),即STM-1,相当于SONET体系中的OC-3速率。2022/12/168

同步数字系列SDHITU-T以2022/12/269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-1155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/s39813.120OC-768/STS-768STM-25640Gb/sSONET的OC级/STS级与SDH的STM级的对应关系2022/12/169线路速率SONETITU-T表示线路速2022/12/270SONET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)2022/12/170SONET的体系结构光子层路径层线2022/12/271SONET标准定义了

四个光接口层光子层(PhotonicLayer)处理跨越光缆的比特传送。段层(SectionLayer)在光缆上传送STS-N帧。线路层(LineLayer)负责路径层的同步和复用。路径层(PathLayer)处理路径端接设备PTE(PathTerminatingElement)之间的业务的传输。

2022/12/171SONET标准定义了

四个光接口层2022/12/272网络接入有线接入: 住宅接入,将家庭主机接入因特网 公司接入,将商业或教育机构的主机接入因特网无线接入:这些分类不是很严格,如某些公司主机可能使用我们认为属于住宅接入的接入技术,反之亦然。2022/12/172网络接入有线接入:这些分类不是很严格,2022/12/273住宅接入窄带接入:拨号上网(56Kb/s),窄带综合业务数字网N-ISDNintergratedservicesdigitalnetwork

(128Kb/s)宽带接入:数字用户线xDSLdigitalsubscriberline,混合光纤同轴网HFChybridfibercoax

,光纤到…FTTxFiberToThe

x2022/12/173住宅接入窄带接入:拨号上网(56Kb/2022/12/274宽带接入技术

xDSL技术xDSL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。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300-3400Hz的范围内,但用户线本身实际可通过的信号频率超过1MHz。xDSL技术把0-4kHz低频段留给传统电话使用,而把原来没有被利用的高频段留给用户上网使用。DSL是数字用户线(DigitalSubscriberLine)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。2022/12/174宽带接入技术

xDSL技术xDSL2022/12/275xDSL的几种类型ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine):非对称数字用户线HDSL(HighspeedDSL):高速数字用户线SDSL(Single-lineDSL):1对线的数字用户线VDSL(VeryhighspeedDSL):甚高速数字用户线DSL:ISDN用户线。RADSL(Rate-AdaptiveDSL):速率自适应DSL,是ADSL的一个子集,可自动调节线路速率)。2022/12/175xDSL的几种类型ADSL(As2022/12/276ADSL的特点上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP,而下行指从ISP到用户。ADSL需在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调DMT(DiscreteMulti-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。通常下行数据率在32kb/s到6.4Mb/s之间,而上行数据率在32kb/s到640kb/s之间。2022/12/176ADSL的特点上行和下行带宽做成不对2022/12/277DMT(DiscreteMulti-Tone)技术DMT调制技术采用频分复用的方法,把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道,其中25个子信道用于上行信道,而249个子信道用于下行信道。每个子信道占据4kHz带宽,并使用不同的载波(即不同的音调)进行数字调制。将数据自适应动态分配给每个子信道,实现在约1MHZ频带内达到6Mb/s传输速率。2022/12/177DMT(DiscreteMulti2022/12/278DMT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)~40~138~11002022/12/178DMT技术的频谱分布…频谱频率上行2022/12/279ADSL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至本地电话交换机PSPS数字用户线接入复用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接单元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C(C代表端局CentralOffice)ATU-R(R代表远端Remote)电话分离器PS(POTSSplitter)

利用了频分复用2022/12/179ADSL的组成ATU-CATU-C2022/12/280第二代ADSL

ADSL2和ADSL2+通过提高调制效率得到更高的数据率。例如,ADSL2要求至少应支持下行8Mb/s、上行800kb/s的速率。而ADSL2+则将频谱范围从1.1MHz扩展至2.2MHz,下行速率可达16Mb/s(最大传输速率可达25Mb/s),而上行速率可达800kb/s。采用了无缝速率自适应技术

SRA(SeamlessRateAdaptation),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。2022/12/180第二代ADSLADSL2和AD2022/12/281混合光纤同轴网HFC(HybridFiberCoax)HFC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网。HFC网除可传送CATV外,还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。下行速率一般在3-10Mb/s,最高可达30Mb/s,上行速率一般为0.2-2Mb/s。2022/12/181混合光纤同轴网HFC(Hybrid2022/12/282HFC网同轴电缆头端光纤代替CATV网中的同缆放大器引入线分路器光纤结点服务区服务区服务区每个家庭要安装一个用户接口盒用户接口盒要提供三种连接,即:使用同轴电缆连接到机顶盒(set-topbox),然后再连接到用户的电视机。使用双绞线连接到用户的电话机。使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。2022/12/182HFC网同轴电缆头端光纤代替CATV2022/12/283HFC网具有比CATV网更宽的频谱,且具有双向传输功能下行信道上行信道540505507501000原有模拟电视数字信号频率(MHz)保留2022/12/183HFC网具有比CATV网更宽的频2022/12/284FTTx技术,传输速率可达155Mb/sFTTx(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。光纤到家

FTTH(FiberToTheHome):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。光纤到大楼

FTTB(FiberToTheBuilding):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。光纤到路边

FTTC(FiberToTheCurb):从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。2022/12/184FTTx技术,传输速率可达155Mb2022/12/285公司接入公司和学校,常用局域网将用户接入因特网边缘路由器。局域网技术有多种,最常用的是以太网,速率为10Mb/s,100Mb/s,1000Mb/s,1Gb/s甚至更高。2022/12/185公司接入公司和学校,常用局域网将用户2022/12/286无线接入主要针对移动用户设计,接入方法有两种:通过无线局域网接入(用户半径在几十米内)通过移动无线接入网接入(无线广域接入,用户半径可达数万米)2022/12/186无线接入主要针对移动用户设计,接入方2022/12/287通过无线局域网接入在无线局域网中,无线终端固定或在小范围内做有限移动,与位于几十米内的无线接入点(基站)通信,无线接入点通常与有线的Internet设施相连接,为无线用户提供到有线网络的服务。连接无线局域网的计算机,必须安装无线网卡basestationmobilehostsrouter无线局域网接入2022/12/187通过无线局域网接入在无线局域网中,无2022/12/288通过移动无线(无线广域)接入网接入在移动无线接入网中,用户终端是移动的,它们与移动无线接入网中的无线接入点进行连接。无线接入点由电信提供商(中国移动、中国联通、中国电信等)管理,他们为数万米半经内的用户提供服务。2022/12/188通过移动无线(无线广域)接入网接入在移2022/12/289通过移动无线接入网接入1、通过手机上网若手机支持GPRS或CDMA并具备蓝牙,且电脑也具备蓝牙功能,可以采用手机加蓝牙方式上网。电脑可以通过蓝牙与手机通讯,将手机作为上网网关,然后手机通过GPRS或CDMA拨入Internet即可。也可利用数据线将手机与电脑连起来,实现无线上网。

2022/12/189通过移动无线接入网接入1、通过手机上网2022/12/2902、使用GPRS或CDMA无线网卡上网GPRS或CDMA无线网卡实际上就是上网使用的调制解调器,与手机内部的GPRS或CDMA模块基本相同。将其插到电脑上,可以实现与移动无线接入网的连接。目前主要有PCMCIA和USB两种接口的GPRS或CDMA无线上网卡。GPRS传输速率可以达到115.2Kbps,但实际可以达到53Kbps。CDMA传输速率可以达到256Kbps,但实际可以达到100Kbps左右。2022/12/1902、使用GPRS或CDMA无线网卡上网2022/12/29110个9.6kbps的信道按TDM在一条线路上传输,在统计TDM情况下,假定每个子信道只有30%的时间忙,复用线路控制开销为10%,那么复用线路的带宽应该是()bps。

A32kB64kC72kD96k统计TDM是按需分配,即只对那些需要传送信息或正在工作的终端才分配时间片。本题:数据传输需要带宽为10*9.6*30%=28.8kbps。10%的控制开销意味着只有90%带宽用于数据传输,因此所需线路带宽为28.8/90%=32k2022/12/19110个9.6kbps的信道按TDM在一2022/12/292计算机网络(第6版)物理层2022/12/11计算机网络(第6版)物理层2022/12/293主要内容物理层的基本概念数据通信基础知识传输媒体信道复用技术 2022/12/12主要内容物理层的基本概念2022/12/294物理层理解OSI模型的最低层;不是具体物理设备、媒体,但物理层协议与具体物理设备、媒体有关;制定系统与通信媒体的接口规则,实现两个物理设备之间二进制比特流的传输(物理层PDU是位);物理层协议主要通过接口特性来描述:机械特性、电气特性、功能特性和规程特性2022/12/13物理层理解OSI模型的最低层;2022/12/295物理层的接口特性机械特性:主要规定了DTE/DCE接口连接器的尺寸、芯数和芯的安排、连线的根数等。电气特性:主要规定了每种信号的电平、信号的脉冲宽度、允许的数据传输速率和最大传输距离等。功能特性:规定了接口电路引脚的功能和作用。规程特性:规定了事件发生顺序,即接口电路信号发出的时序、应答关系和操作过程。2022/12/14物理层的接口特性机械特性:主要规定了DT2022/12/296物理层的接口标准举例美国电子工业协议会制定通用接口标准EIARS-232CEIA-232接口调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232接口调制解调器电话网2022/12/15物理层的接口标准举例美国电子工业协议会制2022/12/297EIA-232使用ISO2110插头插座标准。

25针:DB-25

简化接插口9针:DB-9机械特性2022/12/16EIA-232使用ISO2110插2022/12/298

规定了什么电路应当连接到接插头中的哪一根引脚,以及该引脚的作用功能特性2022/12/17规定了什么电路应当连接到接插头中的哪2022/12/299采用负逻辑电平。用-15V~-3V表示逻辑“1”电平,用+3V~+15V表示逻辑“0”电平。当连接电缆长度不超过15m时,允许数据传输速率不超过20kbps。电气特性TTL电平高电平:+2.4V~+5V低电平:0V~0.4V2022/12/18电气特性TTL电平2022/12/2100规程特性

如图,当DTE请求发送数据时,首先使RTS信号有效,表示向DCE发出发送请求,如果DCE已准备就绪,则使CTS信号有效,表示允许DTE发送数据,至此双方完成握手计算机DTEMODEMDCE信号地SG(5)发送数据TxD(3)接收数据RxD(2)请求发送RTS(7)允许发送CTS(8)DTE准备好DTR(4)DCE准备好DSR(6)载波检测DCD(1)振铃指示RI(9)RS-232DB9接口电路图2022/12/19规程特性如图,当DTE请求发送数2022/12/2101以太网10Base-T物理层

机械特性:电口/RJ-45接口,用来连接双绞线。以太网网卡、HUB、交换机、路由器都提供RJ-45接口。

电气特性:10Mb/s速率,主机到HUB距离不超过100米,基带传输,曼彻斯特编码等2022/12/110以太网10Base-T物理层机械特性2022/12/2102

功能特性:接头脚号功能功能代码1传送+Tx+2传送-Tx-3接收+Rx+4保留5保留6接收-Rx-7保留8保留网卡上RJ-45插座引脚功能接头脚号功能功能代码1接收+Rx+2接收-Rx-3传送+Tx+4保留5保留6传送-Tx-7保留8保留HUB上RJ-45插座引脚功能

规程特性:半双工/全双工通信等2022/12/111功能特性:接头脚号功能功能代码1传送2022/12/2103数据通信基础知识

数据通信系统的模型调制解调器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输出信息PC机2022/12/112数据通信基础知识

数据通信系统的模型2022/12/2104几个术语数据(data)—运送消息的实体。信号(signal)—数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)—取值是连续的。“数字的”(digital)—取值是离散的。码元(code)—在使用时域的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形。2022/12/113几个术语数据(data)—运送消息的实2022/12/2105有关信号的几个基本概念单向通信(单工通信):只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。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或同时接收。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。2022/12/114有关信号的几个基本概念单向通信(单工通2022/12/2106基带信号基带信号:来自信源的没有经过调制的原始信号。像计算机输出的代表各种文字、图像等信息的数据信号都属于基带信号基带传输:直接传输基带信号就叫基带传输近距离范围内传输基带信号时衰减不大,从而信号内容不会发生变化。因此在近距离传输时,可以采用基带传输。例如大多数的局域网都使用基带传输方式。远距离传输基带信号时,信号衰减较大,因此必须将基带信号进行调制后再传输。2022/12/115基带信号基带信号:来自信源的没有经过调2022/12/2107基带信号的调制调制分两大类:基带调制、带通调制基带调制:仅对基带信号波形进行变换,目的是使它能够满足一定的功能需求,如提高抗干扰性能、进行同步控制、降低信号传输速率等。但变换后的信号仍然是基带信号这种基带调制实际就是把数字信号转换成另一种形式的数字信号,因此习惯上称为编码2022/12/116基带信号的调制调制分两大类:基带调制、2022/12/2108曼码优点:自同步基带调制(编码)举例2022/12/117曼码优点:自同步基带调制(编码)举例2022/12/2109带通调制带通调制:使用载波进行调制,将原始的基带信号搬移到较高的频段以便在信道中传输。带通信号:仅在一段频率范围内能够通过信道的信号叫带通信号。带通调制就是将基带信号调制成带通信号。带通调制使用的载波信号:f(t)=AmSin(2πfmt+θm)基本调制方法:幅移键控法ASK(AmplitudeShiftKeying)频移键控法FSK(FrequencyShiftKeying)相移键控法PSK(PhaseShiftKeying)2022/12/118带通调制带通调制:使用载波进行调制,将2022/12/2110三种基本的带通调制方法010011100基带信号调幅调频调相多元调制方法:多元相位,多元相位振幅调制等,可达到更高信息传输速率2022/12/119三种基本的带通调制方法01001112022/12/2111正交振幅调制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)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。共有16种不同的组合,16个点中的每个点可对应于一种4bit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。

举例09考研试题:无噪声情况下,若某通信链路的带宽为3kHz,采用4个相位,每个相位具有4种振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输速率是

A.12kbpsB.24kbpsC.48kbpsD.96kbps

2022/12/120正交振幅调制QAM

(Quadrat2022/12/2112

数据率(比特率):数据传输速率,每秒传送的二进制位数,单位为bps;码元率(波特率):信号传输速率,调制速率,单位时间内载波调制状态改变次数,单位为波特Baud;信道上用码元承载比特数据;通过不同的调制方法,可以在一个码元上承载多个比特;数据率=波特率*调制系数n(单个调制状态对应的比特位数)。数据传输率、码元传输率2022/12/121数据率(比特率):数据传输速率,每秒2022/12/21130001101100011011101100调制系数=2比特率=2*波特率调制系数=1比特率=1*波特率2022/12/12200012022/12/2114有失真,但可识别失真大,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)接收信号波形数字信号通过实际的信道会产生失真,码元率越高,失真越严重2022/12/123有失真,但可识别实际的信道发送信号波形2022/12/2115信道的码元率受信道带宽及其它因素的限制,即码元率有极限值(Nyquist定理)Q:根据二者关系比特率=n*波特率,可否无限提高每个码元携带的信息量来达到信息传输率的无限提高?信道的码元率否!理想低通、有限带宽、无噪声信道下的最高码元传输率公式(Nyquist)=2WBaud理想带通情况下,最高码元率WBaud2022/12/124信道的码元率受信道带宽及其它因素的限制2022/12/21161948年,香农定理:在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道内信道带宽与信道容量的关系为:C=Wlog2(1+S/N)C-信道容量,W-信道带宽,N-噪声功率,S-信号功率

注:信噪比S/N单位是dB,用10log10S/N表示,如信噪比为20dB时,S/N为100.信道的极限信息传输速率(信道容量)2022/12/1251948年,香农定理:在带宽受限且有高2022/12/2117结论无论采用何种先进的编码技术,信道的传输率也不能超过信道极限容量例如,对于3.1kHz的话路,若信噪比为2500,其最大传输率不会突破35kb/s。要想突破该限制,只能提高带宽或增大信噪比2022/12/126结论无论采用何种先进的编码技术,信道的2022/12/2118设信道带宽为3000Hz,根据奈奎斯特(Nyquist)定理,理想信道的波特率为(1)波特,若采用QPSK(4相)调制,其数据速率应为(2),如果该信道信噪比为30dB,则该信道的容量约为(3)。(1)A.3000

B.6000

C.12000

D.24000

(2)A.6Kb/sB.12Kb/s

C.18Kb/s

D.24Kb/s

(3)A.10Kb/sB.20Kb/s

C.30Kb/s

D.40Kb/s

C=Wlog2(1+S/N)dB=10log10S/N例题若将“若采用QPSK(4相)调制”改为“采用二进制信号发送数据”,那么第(2)问数据率又是多少?2022/12/127设信道带宽为3000Hz,根据奈奎斯特2022/12/2119据奈氏准则,最大的码元率=2W=6kBaud,由于发送二进制信号,所以能得到的最大的数据速率也是6kb/s。根据香农公式C=Wlog2(1+S/N)b/s,10分贝的S/N=10,所以信道容量C=3klog2(11)b/s>6kb/s由于信道同时受限于这两个准则,故当前可得到的最大数据速率为6kb/s。一般数据率达不到其信道容量值。C=Wlog2(1+S/N)dB=10log10S/N例题:一个带宽3kHZ的信道,信噪比为10分贝,二进制编码信号发送,问当前条件下信道能得到的最大数据速率是多少?2022/12/128据奈氏准则,最大的码元率=2W=6kB2022/12/2120传输媒体导向媒体非导向媒体2022/12/129传输媒体导向媒体2022/12/2121导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

同轴电缆50

同轴电缆75

同轴电缆光缆2022/12/130导向传输媒体双绞线2022/12/2122非屏蔽双绞线UTP既能用于传输模拟信号,又能用于传输数字信号双绞的作用:克服线扰2022/12/131非屏蔽双绞线UTP既能用于传输模拟信号2022/12/2123特点:便宜、易安装短距离(LAN)在EIA/TIA-568标准中,将双绞线按电气特性分为:三类、四类、五类,最常用的是三类线和五类线,类号越高性能越好。3类:传输特性16MHz,数据速率可达16Mbps5类:传输特性100MHz,数据速率可达160Mbps2022/12/132特点:在EIA/TIA-568标准中,2022/12/2124

屏蔽双绞线STP

双绞线外有铝箔包裹,于屏蔽干扰信号,价格相对昂贵。

铜线聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层2022/12/133屏蔽双绞线STP铜线聚氯乙烯屏蔽层2022/12/2125外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆

同轴电缆(CoaxialCable)的主要特性基带同轴电缆(50Ω):(BasebandCoaxialCable)传输数字信号,基带传输速率10Mbps,常用于局域网的安装和家庭CATV宽带同轴电缆(75Ω)(BroadbandCoaxialCable)传输多路不同频率的模拟信号,“宽带系统”指采用频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络300M或450Mbps,100km,老的局域网和CATV主干网,目前在以太网中基本被淘汰有时称作“六类线”带宽超过100Mbps带宽范围:100K—500M2022/12/134外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同2022/12/2126同轴电缆(CoaxialCable)细缆T型头2022/12/135同轴电缆(CoaxialCable)2022/12/2127同轴电缆(CoaxialCable)粗缆2022/12/136同轴电缆(CoaxialCable)2022/12/2128光纤(FiberOptics)塑料外套保护着这束光纤金属线加固电缆使光缆不会在一个折断光纤的角度弯曲光缆由许多玻璃光纤组成光纤和色层装在塑料外壳内光纤被包层包裹着或覆盖着,这些包层用来反射在光纤中传输的光每根光纤的核心是直径比人发还细、构造完美的玻璃管光缆是一捆极细的玻璃管。每一根比人的头发还细的管子称之为光纤2022/12/137光纤(FiberOptics)塑料外2022/12/2129光纤电缆的主要特性依靠光波承载信息:一个光脉冲“1”

无光脉冲“0”高传送速率(几个--几十个Gbit/s),通信容量大传输损耗小,适合长距离传输,传输5000英里而不需放大(不管是双绞线还是同轴电缆在传输小于1英里时都需要电子放大)抗雷电和电磁干扰性能好,保密性好轻便

成本高、施工专业被认为是“七类线”2022/12/138光纤电缆的主要特性2022/12/2130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)包层纤芯光线不断全反射进行传输2022/12/139折射角入射角包层包层纤芯2022/12/2131光脉冲的产生发光二极管或半导体激光器光电二极管2022/12/140光脉冲的产生发光二极管或半导体激光器光2022/12/2132单模光纤(single-modefiber)与多模光纤(multimodefiber)许多不同角度入射的光线在一条光纤中传输每一束光线有一个不同的mode光脉冲展宽,失真适合于近距离传输直径只有一个光的波长衰减较小传输距离远制造成本高发光源昂贵2022/12/141单模光纤(single-modefi2022/12/2133非导向传输媒体无线传输所使用的频段很广。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。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信

2022/12/142非导向传输媒体无线传输所使用的频段很2022/12/2134信道复用技术多路复用的目的:充分利用通信线路带宽,提高信道利用率。当物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需的带宽时,可将该物理信道的总带宽分割成若干个固定带宽的子信道,每个子信道用于传输一路信号。这种多路信号共用一个信道的技术称为信道复用技术。2022/12/143信道复用技术多路复用的目的:充分利用2022/12/2135信道复用示意图终端终端终端终端终端终端多路复用器多路复用器信道2022/12/144信道复用示意图终端终端终端终端终端终2022/12/2136常用的多路复用技术频分复用FDMFrequencyDivisionMultiplexing时分复用TDMTimeDivision

Multiplexing

码分复用CDMCodeDivisionMultiplexing

2022/12/145常用的多路复用技术频分复用FDMFr2022/12/2137频率时间频率1频率2频率3频率4频率5

频分复用FDM各路信号利用不同的频段同时进

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