【山外筆記-計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)·第7版】第02章：物理層

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本章最重要的內(nèi)容是：

（1）物理層的任務(wù)。

（2）幾種常用的信道復(fù)用技術(shù)。

（3）幾種常用的寬帶接入技術(shù)，主要是ADSL和FTTx。

1、物理層簡(jiǎn)介

（1）物理層在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是指具體的傳輸媒體。

（2）物理層的作用是盡可能地屏蔽掉傳輸媒體和通信手段的差異。

（3）用于物理層的協(xié)議常稱為物理層規(guī)程（procedure），其實(shí)物理層規(guī)程就是物理層協(xié)議。

2、物理層的主要任務(wù)：確定與傳輸媒體的接口有關(guān)的一些特性。

（1）機(jī)械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等。

（2）電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。

（3）功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓的意義。

（4）過程特性：指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

3、物理層要完成傳輸方式的轉(zhuǎn)換。

（1）數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部多采用并行傳輸方式。

（2）數(shù)據(jù)在通信線路（傳輸媒體）上的傳輸方式一般都是串行傳輸，即逐個(gè)比特按照時(shí)間順序傳輸。

（3）物理連接的方式：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多點(diǎn)連接或廣播連接。

（4）傳輸媒體的種類：架空明線、雙絞線、對(duì)稱電纜、同軸電纜、光纜，以及各種波段的無線信道等。

1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成

一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可劃分為源系統(tǒng)（或發(fā)送端、發(fā)送方）、傳輸系統(tǒng)（或傳輸網(wǎng)絡(luò)）和目的系統(tǒng)（或接收端、接收方）三大部分。

（1）源系統(tǒng)：一般包括以下兩個(gè)部分：

① 源點(diǎn)（source）：源點(diǎn)設(shè)備產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。源點(diǎn)又稱為源站，或信源。

② 發(fā)送器：源點(diǎn)生成的數(shù)字比特流通過發(fā)送器編碼后在傳輸系統(tǒng)中傳輸。典型的發(fā)送器就是調(diào)制器。

（2）目的系統(tǒng)：一般也包括以下兩個(gè)部分：

① 接收器：接收傳輸系統(tǒng)傳送過來的信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換為能夠被目的設(shè)備處理的信息。典型的接收器就是解調(diào)器，把來自傳輸線路上的模擬信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，提取出在發(fā)送端置入的消息，還原出發(fā)送端產(chǎn)生的數(shù)字比特流。

② 終點(diǎn)（destination）：終點(diǎn)設(shè)備從接收器獲取傳送來的數(shù)字比特流，然后把信息輸出。終點(diǎn)又稱為目的站，或信宿。

（3）傳輸系統(tǒng)：可以是簡(jiǎn)單的傳輸線，也可以是連接在源系統(tǒng)和目的系統(tǒng)之間的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2、通信常用術(shù)語

（1）通信的目的是傳送消息（message），數(shù)據(jù)（data）是運(yùn)送消息的實(shí)體。

（2）數(shù)據(jù)是使用特定方式表示的信息，通常是有意義的符號(hào)序列。

（3）信息的表示可用計(jì)算機(jī)或其他機(jī)器（或人）處理或產(chǎn)生。

（4）信號(hào)（signal）則是數(shù)據(jù)的電氣或電磁的表現(xiàn)。

3、信號(hào)的分類：根據(jù)信號(hào)中代表消息的參數(shù)的取值方式不同

（1）模擬信號(hào)/連續(xù)信號(hào)：代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。

（2）數(shù)字信號(hào)/離散信號(hào)：代表消息的參數(shù)的取值是離散的。

① 在使用時(shí)間域/時(shí)域的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形就稱為碼元。

② 在使用二進(jìn)制編碼時(shí)，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態(tài)而另一種代表1狀態(tài)。

1、信道

（1）信道一般都是用來表示向某一個(gè)方向傳送信息的媒體。

（2）一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。

（3）單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時(shí)通信則都需要兩條信道（每個(gè)方向各一條）。

2、通信的基本方式：

（1）單向通信又稱為單工通信，只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。如無線電廣播、有線電廣播、電視廣播。

（2）雙向交替通信又稱為半雙工通信，即通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送/接收。

（3）雙向同時(shí)通信又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。

3、調(diào)制（modulation）

（1）基帶信號(hào)：來自信源的信號(hào)，即基本頻帶信號(hào)。許多信道不能傳輸基帶信號(hào)，必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。

（2）調(diào)制的分類

① 基帶調(diào)制：僅僅對(duì)基帶信號(hào)的波形進(jìn)行變換，使它能夠與信道特性相適應(yīng)。變換后的信號(hào)仍然是基帶信號(hào)。基帶調(diào)制是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一種形式的數(shù)字信號(hào)，這種過程稱為編碼（coding）。

② 帶通調(diào)制：使用載波（carrier）進(jìn)行調(diào)制，把基帶信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段，并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，在模擬信道中傳輸。經(jīng)過載波調(diào)制后的信號(hào)稱為帶通信號(hào)，僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道。

4、基帶調(diào)制常用的編碼方式（如圖2-2）

（1）不歸零制：正電平代表1，負(fù)電平代表0。

（2）歸零制：正脈沖代表1，負(fù)脈沖代表0。

（3）曼徹斯特：編碼位周期中心的向上跳變代表0，位周期中心的向下跳變代表1。也可反過來定義。

（4）差分曼徹斯特：編碼在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表0，而位開始邊界沒有跳變代表1。

① 從信號(hào)波形中可以看出，曼徹斯特（Manchester）編碼產(chǎn)生的信號(hào)頻率比不歸零制高。

② 從自同步能力來看，不歸零制不能從信號(hào)波形本身中提取信號(hào)時(shí)鐘頻率（這叫做沒有自同步能力），而曼徹斯特編碼具有自同步能力。

5、帶通調(diào)制的基本方法

（1）調(diào)幅（AM）即載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。例如，0或1分別對(duì)應(yīng)于無載波或有載波輸出。

（2）調(diào)頻（FM）即載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。例如，0或1分別對(duì)應(yīng)于頻率f1或f2。

（3）調(diào)相（PM）即載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。例如，0或1分別對(duì)應(yīng)于相位0度或180度。

（4）多元制的振幅相位混合調(diào)制方法：正交振幅調(diào)制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。

1、信號(hào)失真

（1）信號(hào)在信道上傳輸時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生失真，但在接收端只要從失真的波形中能夠識(shí)別并恢復(fù)出原來的碼元信號(hào)，那么這種失真對(duì)通信質(zhì)量就沒有影響。

（2）碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，或噪聲干擾越大，或傳輸媒體質(zhì)量越差，在接收端的波形的失真就越嚴(yán)重。

2、限制碼元在信道上的傳輸速率的因素

（1）信道能夠通過的頻率范圍

① 碼間串?dāng)_現(xiàn)象：在接收端收到的信號(hào)波形就失去了碼元之間的清晰界限。

② 奈奎斯特（Nyquist）準(zhǔn)則：在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜模瑐鬏斔俾食^此上限，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_的問題，使接收端對(duì)碼元的判決（即識(shí)別）成為不可能。

③ 信道頻帶越寬，能夠通過的信號(hào)高頻分量越多，就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。

（2）信噪比

① 噪聲存在于所有的電子設(shè)備和通信信道中，是隨機(jī)產(chǎn)生的，會(huì)使接收端對(duì)碼元的判決產(chǎn)生錯(cuò)誤。

② 噪聲的影響是相對(duì)的：如果信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)，那么噪聲的影響就相對(duì)較小。

③ 信噪比就是信號(hào)的平均功率和噪聲的平均功率之比，常記為S/N，并用分貝（dB）作為度量單位。

④ 信噪比計(jì)算公式：信噪比(dB) = 10*log10(S/N) (dB)

3、香農(nóng)公式（Shannon）

（1）香農(nóng)公式（Shannon）：C = W*log2(1+S/N) (bit/s)

① C是信道的極限信息傳輸速率；

② W為信道的帶寬（以Hz為單位）；

③ S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；

④ N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。

（2）香農(nóng)公式表明：信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率就越高。

（3）香農(nóng)公式指出了信息傳輸速率的上限。

（4）香農(nóng)公式的意義：只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定存在某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸。

（5）在實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少,是因?yàn)橄戕r(nóng)公式的推導(dǎo)過程中并未考慮如各種脈沖干擾和在傳輸中產(chǎn)生的失真等信號(hào)損傷。

1、傳輸媒體

傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。

2、傳輸媒體的分類

（1）導(dǎo)引型傳輸媒體：電磁波被導(dǎo)引沿著固體媒體（雙絞線、同軸電纜或光纖）傳播。

（2）非導(dǎo)引型傳輸媒體：是指自由空間，電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。

1、雙絞線

（1）雙絞線也稱為雙扭線， 即把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合（twist）起來。絞合可減少對(duì)相鄰導(dǎo)線的電磁干擾。

（2）電纜：通常由一定數(shù)量的雙絞線捆成，在其外面包上護(hù)套。

（3）屏蔽雙絞線STP（Shielded Twisted Pair）：在雙絞線的外面再加上一層用金屬絲編織成的屏蔽層，提高了雙絞線抗電磁干擾的能力。價(jià)格比無屏蔽雙絞線UTP（Unshielded Twisted Pair）要貴一些。

（4）模擬傳輸和數(shù)字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾到十幾公里。

① 對(duì)于模擬傳輸：距離太長時(shí)就要加放大器以便將衰減了的信號(hào)放大到合適的數(shù)值。

② 對(duì)于數(shù)字傳輸：距離太長時(shí)就要加上中繼器以便對(duì)失真了的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行整形。

（5）雙絞線布線標(biāo)準(zhǔn)

① 商用建筑物電信布線標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA-568：規(guī)定室內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的標(biāo)準(zhǔn)。

② 布線標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA-568-A：規(guī)定了5個(gè)種類的UTP標(biāo)準(zhǔn)（從1類線到5類線）。

（6）雙絞線的使用

① 對(duì)傳送數(shù)據(jù)來說，最常用的UTP是5類線（Category 5或CAT5）。

② 5類線和3類線最主要的區(qū)別是大大增加了每單位長度的絞合次數(shù)。

③ 3類線的絞合長度是7.5至10cm，而5類線的絞合長度是0.6至0.85cm。

④ 無論是哪種類別的雙絞線，衰減都隨頻率的升高而增大。

⑤ 導(dǎo)線越粗，其通信距離就越遠(yuǎn)，但導(dǎo)線的價(jià)格也越高。

2、同軸電纜

（1）同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線（單股實(shí)心線或多股絞合線）、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層（也可以是單股的）以及保護(hù)塑料外層所組成。

（2）由于外導(dǎo)體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用于傳輸較高速率的數(shù)據(jù)。

（3）同軸電纜主要用在有線電視網(wǎng)的居民小區(qū)中。

（4）同軸電纜的帶寬取決于電纜的質(zhì)量。目前高質(zhì)量的同軸電纜的帶寬已接近1GHz。

3、光纜

（1）光纖通信就是利用光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱光纖）傳遞光脈沖來進(jìn)行通信。有光脈沖為1，沒有光脈沖為0。

① 在發(fā)送端可以采用發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器作為光源，在電脈沖的作用下能產(chǎn)生出光脈沖。

② 在接收端利用光電二極管做成光檢測(cè)器，在檢測(cè)到光脈沖時(shí)可還原出電脈沖。

（2）光纖是光纖通信的傳輸媒體。

① 光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲，主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。

② 光波通過纖芯進(jìn)行傳導(dǎo)，纖芯很細(xì)，其直徑只有8-100μm。

③ 光纖的傳輸原理：包層較纖芯有較低的折射率。當(dāng)光線從高折射率的纖芯射向低折射率的包層時(shí)，其折射角將大于入射角。實(shí)際上，只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某個(gè)臨界角度，就可產(chǎn)生全反射，即光線碰到包層時(shí)就會(huì)折射回纖芯。這個(gè)過程不斷重復(fù)，光也就沿著光纖傳輸下去。

（3）多模光纖：可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。光脈沖在多模光纖中傳輸時(shí)會(huì)逐漸展寬，造成失真，多模光纖只適合于近距離傳輸。

（4）單模光纖：若光纖的直徑減小到只有一個(gè)光的波長，則光纖就像一根波導(dǎo)那樣，可使光線一直向前傳播，而不會(huì)產(chǎn)生多次反射。單模光纖的纖芯很細(xì)，其直徑只有幾個(gè)微米，制造起來成本較高。

（5）光纖通信中常用的三個(gè)波段中心：850nm，1300nm和1550nm。

（6）光纜：一根光纜少則只有一根光纖，多則可包括數(shù)十至數(shù)百根光纖，再加上加強(qiáng)芯和填充物，必要時(shí)還可放入遠(yuǎn)供電源線，最后加上包帶層和外護(hù)套。

（7）光纖的優(yōu)點(diǎn)

① 通信容量非常大。三個(gè)波段都具有25000~30000GHz的帶寬。

② 傳輸損耗小，中繼距離長，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)。

③ 抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。

④ 無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。

⑤ 體積小，重量輕。這在現(xiàn)有電纜管道已擁塞不堪的情況下特別有利。

1、無線傳輸

（1）無線傳輸是利用無線信道進(jìn)行信息的傳輸，可使用的頻段很廣。

（2）LF，MF和HF分別是低頻（30kHz-300kHz）、中頻（300kHz-3MH z）和高頻（3MHz-30MHz）。

（3）V，U，S和E分別是甚高頻（30MHz-300MHz）、特高頻（300MHz-3GHz）、超高頻（3GHz-30GHz）和極高頻（30GHz-300GHz），最高的一個(gè)頻段中的T是Tremendously。

2、短波通信：即高頻通信，主要是靠電離層的反射傳播到地面上很遠(yuǎn)的地方，通信質(zhì)量較差。

3、無線電微波通信

（1）微波的頻率范圍為300M Hz-300GHz（波長1m-1mm），但主要使用2~40GHz的頻率范圍。

（2）微波在空間中直線傳播，會(huì)穿透電離層而進(jìn)入宇宙空間，傳播距離受到限制，一般只有50km左右。

（3）傳統(tǒng)的微波通信主要有兩種方式，即地面微波接力通信和衛(wèi)星通信。

（4）微波接力通信：在一條微波通信信道的兩個(gè)終端之間建立若干個(gè)中繼站，中繼站把前一站送來的信號(hào)經(jīng)過放大后再發(fā)送到下一站，故稱為“接力”，可傳輸電話、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等信息。

① 微波接力通信的主要特點(diǎn)：

? 微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大。

? 微波傳輸質(zhì)量較高。

? 微波接力通信建設(shè)投資少，見效快，易于跨越山區(qū)、江河。

② 微波接力通信的缺點(diǎn)：

? 相鄰站之間不能有障礙物，否則會(huì)造成失真。

? 微波的傳播有時(shí)也會(huì)受到惡劣氣候的影響。

? 微波通信的隱蔽性和保密性較差。

? 對(duì)大量中繼站的使用和維護(hù)要耗費(fèi)較多的人力和物力。

（5）衛(wèi)星通信：利用高空的人造同步地球衛(wèi)星作為中繼器的一種微波接力通信。

① 衛(wèi)星通信的主要優(yōu)缺點(diǎn)大體上應(yīng)當(dāng)和地面微波通信差不多。

② 衛(wèi)星通信的最大特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，且通信費(fèi)用與通信距離無關(guān)，但具有較大的傳播時(shí)延。

③ 衛(wèi)星通信的壽命短，費(fèi)用較高，非常適合于廣播通信，但保密性相對(duì)較差。

（6）無線局域網(wǎng)使用ISM無線電頻段中的2.4GHz和5.8GHz頻段。

（7）紅外通信、激光通信也使用非導(dǎo)引型媒體，可用于近距離的筆記本電腦相互傳送數(shù)據(jù)。

1、復(fù)用（multiplexing）技術(shù)原理

（1）在發(fā)送端使用一個(gè)復(fù)用器，就可以使用一個(gè)共享信道進(jìn)行通信。

（2）在接收端再使用分用器，把合起來傳輸?shù)男畔⒎謩e送到相應(yīng)的終點(diǎn)。

（3）復(fù)用器和分用器總是成對(duì)使用，在復(fù)用器和分用器之間是用戶共享的高速信道。

（4）分用器（demultiplexer）的作用：把高速信道傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分用，分別送交到相應(yīng)的用戶。

2、最基本的復(fù)用

（1）頻分復(fù)用FDM（Frequency Division Multiplexing）

① 用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。

② 頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源（頻率帶寬）。

（2）時(shí)分復(fù)用TDM（Time Division Multiplexing）：

① 時(shí)分復(fù)用將時(shí)間劃分為一段段等長的時(shí)分復(fù)用幀（TDM幀），有利于數(shù)字信號(hào)的傳輸。

② 每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。

③ 每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙周期性地出現(xiàn)，因此TDM信號(hào)也稱為等時(shí)（isochronous）信號(hào)。

④ 時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。

3、統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM（Statistic TDM）

（1）統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM是一種改進(jìn)的時(shí)分復(fù)用，能明顯地提高信道的利用率。

（2）集中器（concentrator）：將多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)集中起來通過高速線路發(fā)送到一個(gè)遠(yuǎn)地計(jì)算機(jī)。

（3）統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用使用STDM幀來傳送數(shù)據(jù)，每一個(gè)STDM幀中的時(shí)隙數(shù)小于連接在集中器上的用戶數(shù)。

（4）STDM幀不是固定分配時(shí)隙，而是按需動(dòng)態(tài)地分配時(shí)隙，提高了線路的利用率。

（5）統(tǒng)計(jì)復(fù)用又稱為異步時(shí)分復(fù)用，而普通的時(shí)分復(fù)用稱為同步時(shí)分復(fù)用。

（6）STDM幀中每個(gè)時(shí)隙必須有用戶的地址信息，這是統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用必須要有的和不可避免的一些開銷。

（7）TDM幀和STDM幀都是在物理層傳送的比特流中所劃分的幀。和數(shù)據(jù)鏈路層的幀是完全不同的概念。

（8）使用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用的集中器也叫做智能復(fù)用器，能提供對(duì)整個(gè)報(bào)文的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)能力，通過排隊(duì)方式使各用戶更合理地共享信道。此外，許多集中器還可能具有路由選擇、數(shù)據(jù)壓縮、前向糾錯(cuò)等功能。

1、波分復(fù)用WDM（Wavelength Division Multiplexing）

波分復(fù)用WDM是光的頻分復(fù)用，在一根光纖上用波長來復(fù)用兩路光載波信號(hào)。

2、密集波分復(fù)用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）

密集波分復(fù)用DWDM是在一根光纖上復(fù)用幾十路或更多路數(shù)的光載波信號(hào)。

1、碼分復(fù)用CDM（Code Division Multiplexing）

（1）每一個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。

（2）各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會(huì)造成干擾。

（3）碼分復(fù)用最初用于軍事通信，現(xiàn)已廣泛用于民用的移動(dòng)通信中，特別是在無線局域網(wǎng)中。

2、碼分多址CDMA（Code Division Multiple Access）。

（1）在CDMA中，每一個(gè)比特時(shí)間再劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片（chip）。通常m的值是64或128。

（2）使用CDMA的每一個(gè)站被指派一個(gè)唯一的m bit碼片序列（chip sequence）。

（3）一個(gè)站如果發(fā)送比特1，則發(fā)送m bit碼片序列。如果發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。

（4）發(fā)送信息的每一個(gè)比特要轉(zhuǎn)換成m個(gè)比特的碼片，這種通信方式是擴(kuò)頻通信中的直接序列擴(kuò)頻DSSS。

（5）CDMA系統(tǒng)給每一個(gè)站分配的碼片序列必須各不相同，并且還互相正交（orthogonal）。

① 兩個(gè)不同站的碼片序列正交，相應(yīng)碼片向量的規(guī)格化內(nèi)積（inner product）都是0：

② 任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。

③ 一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是–1。

（6）CDMA的工作原理：現(xiàn)假定有一個(gè)X站要接收S站發(fā)送的數(shù)據(jù)。

① X站使用S站所特有的碼片向量S與接收到的未知信號(hào)進(jìn)行求內(nèi)積的運(yùn)算。

② X站接收到的信號(hào)是各個(gè)站發(fā)送的碼片序列之和。

③ 所有其他站的信號(hào)都被過濾掉（其內(nèi)積的相關(guān)項(xiàng)都是0），而只剩下S站發(fā)送的信號(hào)。

④ 當(dāng)S站發(fā)送比特1時(shí)，在X站計(jì)算內(nèi)積的結(jié)果是＋1，當(dāng)S站發(fā)送比特0時(shí)，內(nèi)積的結(jié)果是–1。

（7）擴(kuò)頻通信（spread spectrum）分為直接序列擴(kuò)頻DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）和跳頻擴(kuò)頻FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）兩大類。

早起電話機(jī)用戶使用雙絞線電纜。長途干線采用的是頻分復(fù)用FDM的模擬傳輸方式，現(xiàn)在大都采用時(shí)分復(fù)用PCM的數(shù)字傳輸方式。現(xiàn)代電信網(wǎng)，在數(shù)字化的同時(shí)，光纖開始成為長途干線最主要的傳輸媒體。

1、早期的數(shù)字傳輸系統(tǒng)最主要的缺點(diǎn)：

（1）速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)使國際范圍的基于光纖的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實(shí)現(xiàn)。

（2）不是同步傳輸。為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，各國的數(shù)字網(wǎng)主要采用準(zhǔn)同步方式。

2、數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)

（1）同步光纖網(wǎng)SONET（Synchronous Optical Network）

① 整個(gè)的同步網(wǎng)絡(luò)的各級(jí)時(shí)鐘都來自一個(gè)非常精確的主時(shí)鐘。

② SONET為光纖傳輸系統(tǒng)定義了同步傳輸?shù)木€路速率等級(jí)結(jié)構(gòu)，其傳輸速率以51.84Mb it/s為基礎(chǔ)。

? 對(duì)電信號(hào)稱為第1級(jí)同步傳送信號(hào)（Synchronous Transport Signal），即STS-1；

? 對(duì)光信號(hào)則稱為第1級(jí)光載波（Optical Carrier），即OC-1。

（2）同步數(shù)字系列SDH（Synchronous Digital Hierarchy）

① SDH的基本速率為155.52Mbit/s，稱為第1級(jí)同步傳遞模塊（Synchronous Transfer Module），即STM-1，相當(dāng)于SONET體系中的OC-3速率。

② SDH的幀結(jié)構(gòu)是以STM-1為基礎(chǔ)的，更高的等級(jí)是用N個(gè)STM-1復(fù)用組成STM-N。

（3）SDH/SONET定義了標(biāo)準(zhǔn)光信號(hào)，規(guī)定了波長為1310nm和1550nm的激光源。在物理層定義了幀結(jié)構(gòu)。

（4）SDH/SONET標(biāo)準(zhǔn)的制定，使北美、日本和歐洲三種不同的數(shù)字傳輸體制在STM-1等級(jí)上獲得了統(tǒng)一，第一次真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字傳輸體制上的世界性標(biāo)準(zhǔn)。

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展初期，用戶利用電話的用戶線通過調(diào)制解調(diào)器連接到ISP，速率最高只能達(dá)到56kbit/s。

從寬帶接入的媒體來看，寬帶接入技術(shù)可以分為有線寬帶接入和無線寬帶接入兩大類。

1、非對(duì)稱數(shù)字用戶線ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）

（1）ADSL技術(shù)是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶數(shù)字業(yè)務(wù)。

（2）ADSL技術(shù)把0-4kHz低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。

（3）ADSL的ITU的標(biāo)準(zhǔn)是G.992.1（或稱G.dmt，表示它使用DMT技術(shù)）。

（4）“非對(duì)稱”是指ADSL的下行（從ISP到用戶）帶寬都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上行（從用戶到ISP）帶寬。

（5）ADSL的傳輸距離取決于數(shù)據(jù)率和用戶線的線徑（用戶線越細(xì)，信號(hào)傳輸時(shí)的衰減就越大）。

（6）ADSL所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率還與實(shí)際的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。

2、ADSL調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)方案：離散多音調(diào)DMT（Discrete Multi-Tone）調(diào)制技術(shù)

（1）ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個(gè)ADSL調(diào)制解調(diào)器。

（2）“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。

（3）DMT調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法，把40kHz-1.1MHz的高端頻譜劃分為許多子信道。

① 25個(gè)子信道用于上行信道，而249個(gè)子信道用于下行信道。

② 使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。

（4）當(dāng)ADSL啟動(dòng)時(shí)，用戶線兩端的ADSL調(diào)制解調(diào)器就測(cè)試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個(gè)頻率上測(cè)試信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

（5）ADSL能夠選擇合適的調(diào)制方案以獲得盡可能高的數(shù)據(jù)率，但不能保證固定的數(shù)據(jù)率。

3、數(shù)字用戶線接入復(fù)用器DSLAM（DSL Access Multiplexer）

（1）數(shù)字用戶線接入復(fù)用器包括許多ADSL調(diào)制解調(diào)器。

（2）ADSL調(diào)制解調(diào)器又稱為接入端接單元ATU（Access Termination Unit）。

（3）ADSL調(diào)制解調(diào)器必須成對(duì)使用，因此把在電話端局記為ATU-C，用戶家中記為ATU-R。

（4）ADSL最大的好處就是可以利用現(xiàn)有電話網(wǎng)中的用戶線（銅線），而不需要重新布線。

（5）ADSL調(diào)制解調(diào)器有兩個(gè)插口：

① 較大的一個(gè)是RJ-45插口，用來和計(jì)算機(jī)相連。

② 較小的是RJ-11插口，用來和電話分離器相連。

③ 用戶電話通過電話分離器（Splitter）和ATU-R連在一起，經(jīng)用戶線到端局，再經(jīng)過一個(gè)電話分離器把電話連到本地電話交換機(jī)。電話分離器是無源的，利用低通濾波器將電話信號(hào)與數(shù)字信號(hào)分開。

（6）一個(gè)DSLAM可支持多達(dá)500-1000個(gè)用戶。

4、第二代ADSL

（1）ITU-T已頒布了G系列標(biāo)準(zhǔn)，被稱為第二代ADSL，ADSL2。

（1）第二代ADSL通過提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。

① ADSL2要求至少應(yīng)支持下行8Mbit/s、上行800kbit/s的速率。

② ADSL2＋將頻譜范圍從1.1MHz擴(kuò)展至2.2MHz，下行速率16 -25Mbit/s，而上行速率可達(dá)800kbit/s。

（2）第二代ADSL采用了無縫速率自適應(yīng)技術(shù)SRA（Seamless Rate Adaptation），可在運(yùn)營中不中斷通信和不產(chǎn)生誤碼的情況下，根據(jù)線路的實(shí)時(shí)狀況，自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)率。

（3）第二代ADSL改善了線路質(zhì)量評(píng)測(cè)和故障定位功能。

5、ADSL技術(shù)的變型：xDSL

ADSL并不適合于企業(yè)，為了滿足企業(yè)的需要，產(chǎn)生了ADSL技術(shù)的變型：xDSL。

（1）對(duì)稱DSL（Symmetric DSL，SDSL）：把帶寬平均分配到下行和上行兩個(gè)方向，每個(gè)方向的速度分別為384kbit/s或1.5Mbit/s，距離分別為5.5km或3km。

（2）HDSL（High speed DSL）：使用一對(duì)線或兩對(duì)線的對(duì)稱DSL，是用來取代T1線路的高速數(shù)字用戶線，數(shù)據(jù)速率可達(dá)768KBit/s或1.5Mbit/s，距離為2.7-3.6km。

（3）VDSL（Very high speed DSL）：比ADSL更快的、用于短距離傳送（300-1800m），即甚高速數(shù)字用戶線，是ADSL的快速版本。

① VDSL的下行速率達(dá)5055Mbit/s，上行速率是1.52.5Mbit/s。

② VDSL2（即第二代的VDSL）能夠提供的上行和下行的速率都能夠達(dá)到100Mbit/s。

1、光纖同軸混合網(wǎng)HFC（Hybrid Fiber Coax）

（1）光纖同軸混合網(wǎng)HFC是在有線電視網(wǎng)的基礎(chǔ)上改造開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。

（2）光纖同軸混合網(wǎng)HFC可傳送電視節(jié)目，能提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)。

（3）有線電視網(wǎng)最早是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用進(jìn)行單向廣播傳輸。

2、光纖同軸混合網(wǎng)HFC的主要特點(diǎn)：

（1）HFC網(wǎng)把原有線電視網(wǎng)中的同軸電纜主干部分改換為光纖，光纖從頭端連接到光纖結(jié)點(diǎn)（fiber node）。

（2）在光纖結(jié)點(diǎn)光信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過同軸電纜傳送到每個(gè)用戶家庭。

（3）HFC網(wǎng)具有雙向傳輸功能，而且擴(kuò)展了傳輸頻帶。

（4）連接到一個(gè)光纖結(jié)點(diǎn)的典型用戶數(shù)是500左右，但不超過2000。

3、電纜調(diào)制解調(diào)器（cable modem）

（1）模擬電視機(jī)接收數(shù)字電視信號(hào)需要把機(jī)頂盒（set-top box）的設(shè)備連接在同軸電纜和電視機(jī)之間。

（2）電纜調(diào)制解調(diào)器：用于用戶接入互聯(lián)網(wǎng)，以及在上行信道中傳送交互數(shù)字電視所需的一些信息。

（3）電纜調(diào)制解調(diào)器可以做成一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備，也可以做成內(nèi)置式的，安裝在電視機(jī)的機(jī)頂盒里面。

（4）電纜調(diào)制解調(diào)器不需要成對(duì)使用，而只需安裝在用戶端。

（5）電纜調(diào)制解調(diào)器必須解決共享信道中可能出現(xiàn)的沖突問題，比ADSL調(diào)制解調(diào)器復(fù)雜得多。

信號(hào)在陸地上長距離的傳輸，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了光纖化。遠(yuǎn)距離的傳輸媒體使用光纜。只是到了臨近用戶家庭的地方，才轉(zhuǎn)為銅纜（電話的用戶線和同軸電纜）。

1、多種寬帶光纖接入方式FTTx

（1）多種寬帶光纖接入方式FTTx，x可代表不同的光纖接入地點(diǎn)，即光電轉(zhuǎn)換的地方。

（2）光纖到戶FTTH（Fiber To The Home）：把光纖一直鋪設(shè)到用戶家庭，在光纖進(jìn)入用戶后，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可以使用戶獲得最高的上網(wǎng)速率。

（3）光纖到路邊FTTC（C表示Curb）

（4）光纖到小區(qū)FTTZ（Z表示Zone）

（5）光纖到大樓FTTB（B表示Building）

（6）光纖到樓層FTTF（F表示Floor）

（7）光纖到辦公室FTTO（O表示Office）

（8）光纖到桌面FTTD（D表示Desk）

2、無源光網(wǎng)絡(luò)PON（Passive Optical Network）

（1）光配線網(wǎng)ODN（Optical Distribution Network）：在光纖干線和廣大用戶之間，鋪設(shè)的轉(zhuǎn)換裝置，使得數(shù)十個(gè)家庭用戶能夠共享一根光纖干線。

（2）無源光網(wǎng)絡(luò)PON（Passive Optical Network），即無源的光配線網(wǎng)。

（3） 無源：表明在光配線網(wǎng)中無須配備電源，因此基本上不用維護(hù)，其長期運(yùn)營成本和管理成本都很低。

（4）光配線網(wǎng)采用波分復(fù)用，上行和下行分別使用不同的波長。

（5）光線路終端OLT（ Optical Line Terminal）是連接到光纖干線的終端設(shè)備。

（6）無源光網(wǎng)絡(luò)PON下行數(shù)據(jù)傳輸

① OLT把收到的下行數(shù)據(jù)發(fā)往無源的1:N光分路器（splitter）。

② 光分路器用廣播方式向所有用戶端的光網(wǎng)絡(luò)單元ONU（Optical Network Unit）發(fā)送。

③ 每個(gè)ONU根據(jù)特有的標(biāo)識(shí)只接收發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)往用戶家中。

④ OLT給各ONU分配適當(dāng)?shù)墓夤β省Ｈ绻鸒NU在用戶家中，那就是光纖到戶FTTH了。

⑤ 典型的光分路器使用分路比是1:32，有時(shí)也可以使用多級(jí)的光分路器。

（7）無源光網(wǎng)絡(luò)PON上行數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)ONU發(fā)送上行數(shù)據(jù)時(shí)，先把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光分路器把各ONU發(fā)來的上行數(shù)據(jù)匯總后，以TDMA方式發(fā)往OLT，而發(fā)送時(shí)間和長度都由OLT集中控制，以便有序地共享光纖主干。

（8）從ONU到用戶的個(gè)人電腦一般使用以太網(wǎng)連接，使用5類線作為傳輸媒體。

（9）從總的趨勢(shì)來看，光網(wǎng)絡(luò)單元ONU越來越靠近用戶的家庭，即“光進(jìn)銅退”。

3、無源光網(wǎng)絡(luò)PON的種類

（1）以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)EPON（Ethernet PON）

① 以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)EPON的標(biāo)準(zhǔn)是802.3ah。

② 在鏈路層使用以太網(wǎng)協(xié)議，利用PON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入。

③ EPON的優(yōu)點(diǎn)是：與現(xiàn)有以太網(wǎng)的兼容性好，并且成本低，擴(kuò)展性強(qiáng)，管理方便。

（2）吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)GPON（Gigabit PON）

① 吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)GPON的標(biāo)準(zhǔn)是ITU-TG.984。

② GPON采用通用封裝方法GEM（Generic Encapsulation Method），可承載多業(yè)務(wù)，對(duì)各種業(yè)務(wù)類型都能夠提供服務(wù)質(zhì)量保證。

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