0
第二章 物理层
1
主要内容
*信道复用技术4
*数字传输系统5
*物理层的基本概念1
*数据通信的基本知识2
物理层下面的传输媒体3
*宽带接入技术6
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8
第二章 物理层
2
2.1 物理层的基本概念第二章 物理层
1、物理层研究的问题
物理层研究的问题
所关心的是,怎样才能在连接计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指连接计算机的具体的物理设备和具体传输媒体。
尽可能 屏蔽 掉 通信设备 和 介质的差异,为高层提 供一个透明 的传输网络
规程 =协议
3
2.1 物理层的基本概念第二章 物理层
2、物理层的主要任务
主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性，即四个接口特性
机械特性主要用来说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。这很像平时常见的各种规格的电源插头的尺寸都有严格的规定一样。
电气特性主要用来说明在接口电缆的哪条线上出现的电压应为什么 范围,即用什么样的电压表示,1”或
,0”。
4
2.1 物理层的基本概念第二章 物理层
功能特性主要用于说明某条线路上出现的某一电压表示何意？组合电压的含义等。
规程特性主要用于说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
物理连接上的传输方式一般都是 串行传输
5
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
1、通信的基本概念
通信是指信息的传输，表示消息的信号从发送方 (信源 )传递到接收方 (信宿 )。既然信号可分为模拟信号和数字信号，与之相对应的，通信也可分为模拟通信和数字通信
通信具有三个基本要素：
信源,信息的发送者
信宿,信息的接收者
载体,信息的传输媒体
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2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
2、数据通信系统的模型传输系统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 模拟信号正文 正文数据通信系统源系统 目的系统传输系统输出信息
PC 机图 2-1 数据通信系统的模型
7
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
图 2.1中将一个通信系统划分成 源子系统,传输子系统 和 目标子系统 三大部分。其中：
源点,源点设备产生要传输的数据
发送器,源点生成的数据要通过 发送器编码 后才能够在传输系统上传输。
接收器,接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信号。
终点,终点设备从接收器获取传送来的信号 。
8
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
3、几个通信术语
数据,运送信息的实体。有模拟数据和数字数据之分。
信号,是数据的电气或电磁的表现 。 它使数据以适当的形式在介质中传播。
模拟信号,连续变化的信号,如话音信号和广播电视信号。
数字信号,离散变化的信号,如计算机通信所用的二进制代码,1”和,0”组成的高低电平信号。
码元,数字 信号的波形表示。
不同类型信号之间的转换见图 2-2。
9
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
3、几个通信术语模拟数据 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 2-2 模拟信号、模拟数据、数字数据和数字信号
10
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
3、几个通信术语
基带信号,来自信息源的信号，即基本的频带信号，没有经过调制的信号。
而传送数据时,以原封不动的形式,把基带信号送入线路,称为基带传输 。 通常用于传输数字信息 。
带通信号：
将基带信号进行载波调制后的信号。
例如,将某基带信号转换成频率范围在 10KHz～
50KHz的模拟信号传输 。
11
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
2、数字信号到模拟信号的变换
最基本的带通调制方法
0 1 0 0 1 1 1 0 0基带信号调幅调频调相图 2-3 三种调制技术的原理
12
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
4、与信道有关的几个概念
信道
,信道,一般都是用来表示 向某一个方向 传送信息的,媒体,。 一条通信线路至少包含一条 发送信道 (或 )一条 接收信道 。 一个信道也可以看成是一条逻辑的电路 。
模拟信道,传送模拟信号的信道
数字信道,传送数字信号的信道
13
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
4、与信道有关的几个概念
从通信双方信息交互的方式来看，存在三种不同的通信方式。
（ 1） 单向通信又称为 单工通信,即 只有一个方向 的通信而没有反方向的交互 。
A B
14
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
4、与信道有关的几个概念
从通信双方信息交互的方式来看，存在三种不同的通信方式。
（ 2） 双向交替通信又称为半双工通信,即通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送 。
A B
15
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
4、与信道有关的几个概念
从通信双方信息交互的方式来看，存在三种不同的通信方式。
（ 3） 双向同时通信又称为全双工通信,即通信的双方可以 同时 发送和接收信息 。
A B
16
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 1）问题的提出
传输信号的信道可能会受到各种 干扰 而引起 信号失真,从而导致接受方的 误识别 。
任何传输介质,其可能支持的 传输速率总会受到一定限制 。
问题,对于一个给定的信道,在理想情况下,其极限传输速率取决于什么呢？ Nyquist定理 和 Shannon定理 从理论上给出了恰当的说明
17
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 2）信道的最高码元传输速率 ——Nyquist准则
典型公式理想低通信道的最高码元传输速率 =2WBaud
其中：
W为理想低通信道的带宽，单位为 赫 （ Hz）；
Baud称为波特，为码元传输速率的单位,1波特代表每秒传送 1个码元。
含义,每赫带宽 的 理想低通信道 的最高码元传输速率是每秒 2个码元
18
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 2）信道的最高码元传输速率 ——Nyquist准则
码元与信息量码元是承载信息的 基本信号单位 。比如用脉冲信号表示数据时，一个单位脉冲就是一码元，如图 2.5所示。
图 2-4 用单位脉冲表示的码元一码元的信息量是由码元所能表示的数据有效状态值个数决定的,若一码元有 00,01,10,11四个有效状态值，则一码元能携带
2bit的信息 。
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
19
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 2）信道的最高码元传输速率 ——Nyquist准则
波特率与比特率
波特率,又称为调制速率，用来说明每秒钟可传输多少个码元。
比特率,是数据传输速率，用来说明每秒能传输多少构成数据的比特数，是信息量的单位，单位,b/s，简称 bps。
注意,尽管波特率和比特率是两个完全不同的概念，但是如果一个码元只包含一个比特的数据时，波特率在数值上就等于比特率 。
20
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 3）信道的极限信息传输速率 ——香农定理
公式：
信道的极限信息传输速率 C=WLog2（ 1+S/N）
其中 W为信道的带宽； S为信道内所传信号的平均功率； N为信道内的高斯噪声功率； S/N为信噪比。
意义：
信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。
21
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 4）奈氏准则与香农定理
作用范围：
源系统 传输系统 目的系统传输系统源点 终点发送器 接收器输入信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制
22
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
1、传输媒体
定义
传输媒体 也称为传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在 发送器 和 接收器 之间的物理通路
。
分类
可分为两大类,导向传输媒体 和 非导向传输媒体 。
非导向传输媒体：自由空间（无线等）
导向传输媒体,固体媒体（铜线、光纤等
）
23
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
2、传输媒体的主要特性
物理特性,对传输媒体物理结构的描述 。
传输特性,传输媒体是否允许传送数字或模拟信号
,以及传输容量和频率范围 。
连通特性,是否允许点到点或多点连接 。
地理范围,传输媒体的最大覆盖距离 。
抗干扰性,传输媒体防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力 。
相对价格,器件,安装和维护费用 。
24
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
3、双绞线
（ 1） 物理特性双绞线一般由两根绞合成有规则的螺旋形图样的 绝缘铜线 组成 。
在计算机网络的传输系统构建中,目前使用的双绞线通常都是采用将 四对双绞线组合在一起,且外套塑料保护套组成如图 2.5所示 。
采用多对双绞线组合使用的方法,数据将被 平行 地传送到四对电缆的每一对上 （ 对高速以太网而言,其中三对线用于传输数据,一对线用于检测冲突 ） 。
图 2.5 双绞线示意图
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2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
3、双绞线
（ 2） 分类
屏蔽双绞线 STP（ Shielded Twisted Pair）
非屏蔽双绞线 UTP（ Unshielded Twisted Pair）
STP和 UTP的主要区别：
制作工艺
价格铜线 铜线聚氯乙烯套层 聚氯乙烯 套层屏蔽层绝缘层 绝缘层无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP
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2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
3、双绞线
(3) UTP的标准
1类线到 6类线,实际使用的主要是 3类线和 5类线,
尤其是所谓的 超 5类线 。
第 3类 UTP,该电缆的传输特性最高规格为 16MHz,用于语音传输及最高传输速率为 10Mbps的数据传输。
第 4类 UTP,该类电缆的传输特性最高规格为 20MHz，
用于语音传输和最高传输速率为 16Mbps的数据传输。
第 5类 UTP,该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输特性的最高规格为 100MHz,用于语音传输和最高传输速率为 100Mbps的数据传输。
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2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
3、双绞线
（ 4） 双绞线的特点
结构简单,容易安装,普通 UTP较便宜 。
有一定的传输速率 。
具有较高的特性阻抗,信号衰减较大,传输距离有限 。
有辐射,容易被窃听 。
28
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
4、同轴电缆
（ 1） 物理特性
组成,同轴电缆由同心的 内导体,电绝缘体,屏蔽层,保护外套 组成,。
当需要将计算机连接到电缆上的某一处时,同轴电缆要比用双绞线麻烦很多,通常都是利用 T型分接头 (又称为 T型连接器 ） 。
外层屏蔽层 绝缘层内导体图 2-5 同轴电缆的结构
29
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
4、同轴电缆
（ 2） 分类
粗缆 （ 直径为 1.47cm）
细缆 （ 直径为 0.70厘米 ）
基带电缆 （ 室内,50Ω）
主要用于传送基带数字信号,10Mb/s-1km
宽带电缆 （ 室外,75Ω）
用于模拟传输系统
电话通信系统与计算机通信的带宽的理解
500MHz,100km
30
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
4、同轴电缆
（ 3） 同轴电缆的特点
频带较宽,传输率较高 。
损耗较低,传输距离较远 （ 100km） 。
辐射低,保密性好,抗干扰能力强 。
架设安装方便,容易分支 。
宽带电缆可实现多路复用传输 。
（ 4） 主要规格规格 阻抗 应用
RG - 8 或 RG - 11 50? 计算机网络
RG - 58 50? 计算机网络
RG - 59 75? 电视系统
RG - 62 93? ARCnet 网络和 IBM3270 网络
31
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 1） 光纤的物理结构
光导纤维 (optical fiber)是一种 传输光束 的细微而柔韧的介质,通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝,由 纤芯和包层 构成双层通信圆柱体,如图 2-6 (a)和 (b)所示 。
外套封套芯外壳外套芯图 2-6 光纤的物理结构
（ a） 一根光纤的侧视图 （ b） 一束三根光纤的剖面图
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2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 2） 光纤的工作原理
全反射原理,如图 2-7所示 。
折射角入射角包层
（低折射率的媒体）
包层
（低折射率的媒体）
包层纤芯纤芯
（高折射率的媒体）
图 2-7 光线在光纤中折射
33
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 2） 光纤的工作原理
全反射原理,如图 2-8所示 。
图 2-8 光波在纤芯中的传播高折射率
(纤芯 )
低折射率
(包层 )
光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
34
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 3） 光纤的分类
玻璃光纤,纤芯及包层均用玻璃,损耗小,成本高 。 用于 远距离宽带 传输 。
塑料光纤,纤芯为玻璃,包层为塑料,损耗大,成本低
。 短距离基带 传输 。
单模光纤,芯径小,只有一个入射角,不会像图 2.8（ b
） 描述的那样发生多次反射 。 光源必须用激光,成本高
,带宽宽,耗散极小,效率高,适于 高速长距离 传输 。
多模光纤,芯径大,存在多个入射角,光源可以用 LED(
发光二极管 ）,成本低,耗散大,效率低,适于 低速短距离 传输 。
35
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 3） 光纤的分类
单模光纤 和 多模光纤 的比较,如图 2-9所示 。
图 2-9 单模光纤和多模光纤的比较输入脉冲 输出脉冲单模光纤输入脉冲 输出脉冲多模光纤
36
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 4） 光纤的特点
衰减小,无中继传输距离远 。
带宽宽,传输速率高,传输能力强 。
不受电磁干扰,抗干扰能力强,无辐射,保密性好 。
重量轻,容量大,十分适合多媒体通信 。
光纤断裂的检测和修复都很困难 。
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2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、非导向传输媒体
无线介质
无线电波,传播距离远，容易穿过建筑物，全方向传播。无线通信使用的频率在 3MHz至 1GHz
微波,频率在 100MHz以上的无线电波，其能量集中于一点并沿直线传播。典型的工作频率为 2GHz,4GHz,8GHz,12GHz
卫星通信,卫星和地面站之间的微波通信系统衰减小，无中继传输距离远。
图 2-11 无线电波的传播地球表面 地球表面地面波 电离层
(a) 无线电波沿地表传播
(b) 无线电波被电离层反射
38
2.4 信道复用技术第二章 物理层
信道复用技术又称之为,多路复用技术,就是把多个不同的信号同时在一条传输线路上进行传输的技术 。 常用的方法有：
频分多路复用 FDM（ Frequency Division Multiplex）
时分多路复用 TDM（ Time Division Multiplex）
统计时分多路复用 STDM（ Statistic TDM)
波 分 多 路 复 用 WDM （ Wavelength Division
Multiplexing)
密集波分多路复用 DWDM（ Dense Wavelength Division
Multiplexing)
码分多路复用 CDM（ Code Division Multiplexing)
39
共享信道
复用 (multiplexing)是通信技术中的基本概念。
信道A
1 A2
B1 B2
C1 C2
信道信道
A1 A2
B1 B2
C1 C2
复用 分用
(a) 不使用复用技术 (b) 使用复用技术第二章 物理层
2.4 信道复用技术图 2-12 复用的示意图
40
2.4 信道复用技术第二章 物理层
频分多路复用 （ FDM） 技术按频率划分不同的信道,这种信道共享技术主要适用于模拟传输系统中 。
特征,
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源
（ 请注意：这里的带宽是指频率而不是发送速率 ）,其原理如图 2-13（ a） 所示 。
时分多路复用 （ TDM） 技术按时间划分信道,这种信道共享技术主要适用于数字传输系统中 。
特征,
将信道的可用时间按单位时间 划分为若干个时隙 （ 子信道 ）,每个时隙供传输一路信号,其原理如图 2-13（ b） 所示 。
41
2.4 信道复用技术第二章 物理层频率时间频率 1
频率 2
频率 3
频率 4
频率 5
频率时间
B CD B CD B CD B CDA A A A
在 TDM帧中的位置不变
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
…
TDM 帧图 2-13 频分复用和时分复用
(a)
(b)
42
2.4 信道复用技术第二章 物理层
统计时分多路复用 （ STDM） 技术这种信道共享技术主要适用于数字传输系统中 。
特征,
统计时分复用是一种 改进的时分复用,其特征在于对每路信号不是固定分配时隙，而是按需 动态地分配时隙,其原理如图 2-14所示。
a
b
c
d
c
a
b
A
B
C
D
用户
t
t
t
t
①
③
②
④
a b b c c ad
图 2-14 统计时分多路复用技术的信道共享原理
t
43
2.4 信道复用技术第二章 物理层
波分多路复用这种信道共享技术主要适用于数字传输系统中 。
特征,
波分复用就是 光的频分复用 。
在一路光纤上复用两路光载波信号称为 波分复用 。
在一路光纤上复用 80路或更多路数的光载波信号称为 密集波分复用 。
44
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
问题的提出
现存的通信网是数字信号传输系统和模拟信号传输系统并存的局面,要想在数字信号传输系统中传输模拟信号,必然存在一个如何将模拟信号数字化的问题 。
要将模拟电话信号转变为数字信号,无一例外地需经过 采样,量化 和 编码 三个阶段 。
脉码调制方法 PCM（ Pulse Code Modulator）
现在的数字传输系统一般都是采用所谓的 脉码调制 PCM
体制 。
45
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
脉码调制方法 PCM（ Pulse Code Modulator）
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率的 2倍,就可从采样脉冲信号中 无失真 地恢复出原来的电话信号。
大家知道，语声的能量和频谱主要分布在
300Hz— 3.4kHz
为简化处理，取 4kHz为语声的最高频率，则采样频率为
8kHz，即采样周期为 125μ s。
46
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
脉码调制方法 PCM（ Pulse Code Modulator）
量化采样后的信号所谓,量化,就是对每个采样点用一个恰当的数值表示。
编码所谓,编码,就是对每个采样点所对应的数值确定一种二进制的表示方式，以实现从模拟信号到数字信号的转换。
一般而言,每个采样点用 n位二进制数进行编码 。
图 2-15描述了采样、量化以及编码的基本概念。
47
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制图 2-15 PCM的基本原理采样周期 T
t信号
t采样
1001 001111000010 t
编码解码
t还原
t
48
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
由于现有数字信号传输系统都是采用 PCM体制,因而为了有效地利用传输线路,总是将 许多个话路的 PCM信号用所谓时分复用的方法装成帧 (即时分复用帧 ),然后再送往线路上一帧接一帧地传输 。
目前国际上流行的标准主要有两个,即
T1标准
E1标准
49
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
T1标准
为北美国家大量使用的标准
为 24路时分多路复用 PCM
每个话路的采样脉冲用 7位 二进制编码
T1的基本速率为 1.544Mbps
50
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
E1标准
E1的基本特征
为欧洲国家大量使用的标准,同时 被我国选用
为 30路时分多路复用 PCM
每个话路的采样脉冲用 8位二进制编码
E1的速率为 2.048Mbps为
51
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制图 2-16 E1的时分复用帧
2.048 Mb/s
传输线路
CH0
CH16CH17CH15 CH15CH16
CH17
CH31 CH31
CH0
CH1 CH1
…
…
…
…
时分复用帧
T
CH0 CH1 CH2 … CH15CH16 CH17 CH30CH31 CH0…
8 bit
t时分复用帧 时分复用帧
T = 125 ms
15 个话路 15 个话路
52
2.5 数字传输系统第二章 物理层
2、同步光纤网 SONET和同步数字系列 SDH
T1和 E1标准分析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,
多个标准的共存,给标准之间的 兼容性 带来困难 。 这种困难在高速传输系统 （ 如高次群的 PCM） 中体现得尤为明显 。
不是同步传输,从而带来传输开销,也给数字信号的 复用和分用 带来麻烦 。
在上述问题的促使下,研究新的光纤网传输标准提到了议事日程,同步光纤网标准 SONET和同步数字系列标准 SDH随之推出 。
53
2.5 数字传输系统第二章 物理层
2、同步光纤网 SONET和同步数字系列 SDH
关于 SONET和 SDH
同步光纤网 SONET(Synchronous Optical Network)标准由美国的
ANSI提出 。
同步数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)标准由 IUT-T提出 。
SONET和 SDH本质上相同,相互兼容 。
采用 同步传输方式,用单一精确时钟同步整个网络的时序 。
为了支持不同的传输速率,定义了多层次结构的同步传输信号
STS(STS-1 ～ STS-192)：
STS OC 速率 (Mbps) STM
STS-1 OC-1 51.840
STS-3 OC-3 155.520 STM-1
54
2.6 宽带接入技术第二章 物理层
1,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 300~3400
kHz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。
xDSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而 把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用 。
DSL 就是 数字用户线 (Digital Subscriber Line)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。
55
2.6 宽带接入技术第二章 物理层
xDSL的几种类型
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线
HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线
SDSL (Single-line DSL),1 对线的数字用户线
VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线
DSL,ISDN 用户线。
RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，
是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率。
56
2.6 宽带接入技术
ADSL 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 在用户线（铜线）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 (Discrete
Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“
多载波,或,多子信道,的意思。
ADSL 的数据率,由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 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。
第二章 物理层
57
2.6 宽带接入技术
…
频谱频率上行信道传统电话
0 4
下行信道
…
(kHz)
~40 ~138 ~1100
第二章 物理层图 2-17 DMT技术的频谱分布
58
ATU-C
ATU-C ATU-R
ATU-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
PS
PS
第二章 物理层
2.6 宽带接入技术图 2-18 基于 ADSL的接入网的组成
59
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。
现有的 CATV 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行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造,其主要特点如下：
第二章 物理层
2.6 宽带接入技术
2、光纤同轴混合网 HFC (Hybrid Fiber Coax)
60
HFC网的主干线路采用光纤
HFC 网采用结点体系结构，如图 2-19。
HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能，如图 2-20。
每个家庭要安装一个用户接口盒
用户接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三种连接，
即：
– 使用同轴电缆连接到 机顶盒 (set-top box)，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 。
第二章 物理层
2.6 宽带接入技术
61
同轴电缆头端模拟光纤放大器引入线分路器光纤结点服务区服务区服务区第二章 物理层
2.6 宽带接入技术图 2-19 HFC网的结构图
62
下行信道上行信道
5 40 50 550 750 1000
原有模拟电视 数字信号频率 (MHz)
保留第二章 物理层
2.6 宽带接入技术图 2-20 HFC网频谱划分举例
63
HFC 网的最大优点：
具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。
要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个 HFC 网的孤岛），也需要相当的资金和时间。
在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。
第二章 物理层
2.6 宽带接入技术
64
FTTx（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 (Fiber To The Home)：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 (Fiber To The Building)：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 (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
2.6 宽带接入技术第二章 物理层
3,FTTx 技术
65
小结第二章 物理层物理层的连接方式很多,传输媒体的种类也很多 。 对于具体的物理层协议是相当复杂的,因此在学习本章中,
旨在掌握基本的概念 。 通过对数据通信的模型的介绍,学习了有关信道的几个基本概念,信道数据传输速率的两个著名公式；了解了物理介质和一些常用的数字传输技术；
理解了常用的信道复用技术；最后,对现有的宽带接入技术做了简要的介绍,对我们学习和理解现有的接入网技术有很大的帮助 。
66
思考与练习第二章 物理层课后练习
2-04
2-10
2-13
67
思考与练习第二章 物理层课后练习用速率为 2400bps的调制解调器（无校验位，一位停止位）,30秒内最多能传输多少个汉字（一个汉字为两个字节）。
（ 1） 30秒传输位数：
（ 2）每个汉字传输位数：
（ 3） 30秒传输的汉字数：
2400× 30=72000位
（ 8＋ 1＋ l） × 2=20位
72000÷ 20=3600个
第二章 物理层
1
主要内容
*信道复用技术4
*数字传输系统5
*物理层的基本概念1
*数据通信的基本知识2
物理层下面的传输媒体3
*宽带接入技术6
7
8
第二章 物理层
2
2.1 物理层的基本概念第二章 物理层
1、物理层研究的问题
物理层研究的问题
所关心的是,怎样才能在连接计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指连接计算机的具体的物理设备和具体传输媒体。
尽可能 屏蔽 掉 通信设备 和 介质的差异,为高层提 供一个透明 的传输网络
规程 =协议
3
2.1 物理层的基本概念第二章 物理层
2、物理层的主要任务
主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性，即四个接口特性
机械特性主要用来说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。这很像平时常见的各种规格的电源插头的尺寸都有严格的规定一样。
电气特性主要用来说明在接口电缆的哪条线上出现的电压应为什么 范围,即用什么样的电压表示,1”或
,0”。
4
2.1 物理层的基本概念第二章 物理层
功能特性主要用于说明某条线路上出现的某一电压表示何意？组合电压的含义等。
规程特性主要用于说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
物理连接上的传输方式一般都是 串行传输
5
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
1、通信的基本概念
通信是指信息的传输，表示消息的信号从发送方 (信源 )传递到接收方 (信宿 )。既然信号可分为模拟信号和数字信号，与之相对应的，通信也可分为模拟通信和数字通信
通信具有三个基本要素：
信源,信息的发送者
信宿,信息的接收者
载体,信息的传输媒体
6
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
2、数据通信系统的模型传输系统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 模拟信号正文 正文数据通信系统源系统 目的系统传输系统输出信息
PC 机图 2-1 数据通信系统的模型
7
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
图 2.1中将一个通信系统划分成 源子系统,传输子系统 和 目标子系统 三大部分。其中：
源点,源点设备产生要传输的数据
发送器,源点生成的数据要通过 发送器编码 后才能够在传输系统上传输。
接收器,接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信号。
终点,终点设备从接收器获取传送来的信号 。
8
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
3、几个通信术语
数据,运送信息的实体。有模拟数据和数字数据之分。
信号,是数据的电气或电磁的表现 。 它使数据以适当的形式在介质中传播。
模拟信号,连续变化的信号,如话音信号和广播电视信号。
数字信号,离散变化的信号,如计算机通信所用的二进制代码,1”和,0”组成的高低电平信号。
码元,数字 信号的波形表示。
不同类型信号之间的转换见图 2-2。
9
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
3、几个通信术语模拟数据 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 2-2 模拟信号、模拟数据、数字数据和数字信号
10
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
3、几个通信术语
基带信号,来自信息源的信号，即基本的频带信号，没有经过调制的信号。
而传送数据时,以原封不动的形式,把基带信号送入线路,称为基带传输 。 通常用于传输数字信息 。
带通信号：
将基带信号进行载波调制后的信号。
例如,将某基带信号转换成频率范围在 10KHz～
50KHz的模拟信号传输 。
11
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
2、数字信号到模拟信号的变换
最基本的带通调制方法
0 1 0 0 1 1 1 0 0基带信号调幅调频调相图 2-3 三种调制技术的原理
12
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
4、与信道有关的几个概念
信道
,信道,一般都是用来表示 向某一个方向 传送信息的,媒体,。 一条通信线路至少包含一条 发送信道 (或 )一条 接收信道 。 一个信道也可以看成是一条逻辑的电路 。
模拟信道,传送模拟信号的信道
数字信道,传送数字信号的信道
13
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
4、与信道有关的几个概念
从通信双方信息交互的方式来看，存在三种不同的通信方式。
（ 1） 单向通信又称为 单工通信,即 只有一个方向 的通信而没有反方向的交互 。
A B
14
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
4、与信道有关的几个概念
从通信双方信息交互的方式来看，存在三种不同的通信方式。
（ 2） 双向交替通信又称为半双工通信,即通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送 。
A B
15
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
4、与信道有关的几个概念
从通信双方信息交互的方式来看，存在三种不同的通信方式。
（ 3） 双向同时通信又称为全双工通信,即通信的双方可以 同时 发送和接收信息 。
A B
16
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 1）问题的提出
传输信号的信道可能会受到各种 干扰 而引起 信号失真,从而导致接受方的 误识别 。
任何传输介质,其可能支持的 传输速率总会受到一定限制 。
问题,对于一个给定的信道,在理想情况下,其极限传输速率取决于什么呢？ Nyquist定理 和 Shannon定理 从理论上给出了恰当的说明
17
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 2）信道的最高码元传输速率 ——Nyquist准则
典型公式理想低通信道的最高码元传输速率 =2WBaud
其中：
W为理想低通信道的带宽，单位为 赫 （ Hz）；
Baud称为波特，为码元传输速率的单位,1波特代表每秒传送 1个码元。
含义,每赫带宽 的 理想低通信道 的最高码元传输速率是每秒 2个码元
18
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 2）信道的最高码元传输速率 ——Nyquist准则
码元与信息量码元是承载信息的 基本信号单位 。比如用脉冲信号表示数据时，一个单位脉冲就是一码元，如图 2.5所示。
图 2-4 用单位脉冲表示的码元一码元的信息量是由码元所能表示的数据有效状态值个数决定的,若一码元有 00,01,10,11四个有效状态值，则一码元能携带
2bit的信息 。
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
19
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 2）信道的最高码元传输速率 ——Nyquist准则
波特率与比特率
波特率,又称为调制速率，用来说明每秒钟可传输多少个码元。
比特率,是数据传输速率，用来说明每秒能传输多少构成数据的比特数，是信息量的单位，单位,b/s，简称 bps。
注意,尽管波特率和比特率是两个完全不同的概念，但是如果一个码元只包含一个比特的数据时，波特率在数值上就等于比特率 。
20
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 3）信道的极限信息传输速率 ——香农定理
公式：
信道的极限信息传输速率 C=WLog2（ 1+S/N）
其中 W为信道的带宽； S为信道内所传信号的平均功率； N为信道内的高斯噪声功率； S/N为信噪比。
意义：
信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。
21
2.2 数据通信的基础知识第二章 物理层
5、信道的极限传输速率
（ 4）奈氏准则与香农定理
作用范围：
源系统 传输系统 目的系统传输系统源点 终点发送器 接收器输入信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制
22
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
1、传输媒体
定义
传输媒体 也称为传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在 发送器 和 接收器 之间的物理通路
。
分类
可分为两大类,导向传输媒体 和 非导向传输媒体 。
非导向传输媒体：自由空间（无线等）
导向传输媒体,固体媒体（铜线、光纤等
）
23
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
2、传输媒体的主要特性
物理特性,对传输媒体物理结构的描述 。
传输特性,传输媒体是否允许传送数字或模拟信号
,以及传输容量和频率范围 。
连通特性,是否允许点到点或多点连接 。
地理范围,传输媒体的最大覆盖距离 。
抗干扰性,传输媒体防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力 。
相对价格,器件,安装和维护费用 。
24
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
3、双绞线
（ 1） 物理特性双绞线一般由两根绞合成有规则的螺旋形图样的 绝缘铜线 组成 。
在计算机网络的传输系统构建中,目前使用的双绞线通常都是采用将 四对双绞线组合在一起,且外套塑料保护套组成如图 2.5所示 。
采用多对双绞线组合使用的方法,数据将被 平行 地传送到四对电缆的每一对上 （ 对高速以太网而言,其中三对线用于传输数据,一对线用于检测冲突 ） 。
图 2.5 双绞线示意图
25
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
3、双绞线
（ 2） 分类
屏蔽双绞线 STP（ Shielded Twisted Pair）
非屏蔽双绞线 UTP（ Unshielded Twisted Pair）
STP和 UTP的主要区别：
制作工艺
价格铜线 铜线聚氯乙烯套层 聚氯乙烯 套层屏蔽层绝缘层 绝缘层无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP
26
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
3、双绞线
(3) UTP的标准
1类线到 6类线,实际使用的主要是 3类线和 5类线,
尤其是所谓的 超 5类线 。
第 3类 UTP,该电缆的传输特性最高规格为 16MHz,用于语音传输及最高传输速率为 10Mbps的数据传输。
第 4类 UTP,该类电缆的传输特性最高规格为 20MHz，
用于语音传输和最高传输速率为 16Mbps的数据传输。
第 5类 UTP,该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输特性的最高规格为 100MHz,用于语音传输和最高传输速率为 100Mbps的数据传输。
27
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
3、双绞线
（ 4） 双绞线的特点
结构简单,容易安装,普通 UTP较便宜 。
有一定的传输速率 。
具有较高的特性阻抗,信号衰减较大,传输距离有限 。
有辐射,容易被窃听 。
28
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
4、同轴电缆
（ 1） 物理特性
组成,同轴电缆由同心的 内导体,电绝缘体,屏蔽层,保护外套 组成,。
当需要将计算机连接到电缆上的某一处时,同轴电缆要比用双绞线麻烦很多,通常都是利用 T型分接头 (又称为 T型连接器 ） 。
外层屏蔽层 绝缘层内导体图 2-5 同轴电缆的结构
29
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
4、同轴电缆
（ 2） 分类
粗缆 （ 直径为 1.47cm）
细缆 （ 直径为 0.70厘米 ）
基带电缆 （ 室内,50Ω）
主要用于传送基带数字信号,10Mb/s-1km
宽带电缆 （ 室外,75Ω）
用于模拟传输系统
电话通信系统与计算机通信的带宽的理解
500MHz,100km
30
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
4、同轴电缆
（ 3） 同轴电缆的特点
频带较宽,传输率较高 。
损耗较低,传输距离较远 （ 100km） 。
辐射低,保密性好,抗干扰能力强 。
架设安装方便,容易分支 。
宽带电缆可实现多路复用传输 。
（ 4） 主要规格规格 阻抗 应用
RG - 8 或 RG - 11 50? 计算机网络
RG - 58 50? 计算机网络
RG - 59 75? 电视系统
RG - 62 93? ARCnet 网络和 IBM3270 网络
31
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 1） 光纤的物理结构
光导纤维 (optical fiber)是一种 传输光束 的细微而柔韧的介质,通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝,由 纤芯和包层 构成双层通信圆柱体,如图 2-6 (a)和 (b)所示 。
外套封套芯外壳外套芯图 2-6 光纤的物理结构
（ a） 一根光纤的侧视图 （ b） 一束三根光纤的剖面图
32
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 2） 光纤的工作原理
全反射原理,如图 2-7所示 。
折射角入射角包层
（低折射率的媒体）
包层
（低折射率的媒体）
包层纤芯纤芯
（高折射率的媒体）
图 2-7 光线在光纤中折射
33
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 2） 光纤的工作原理
全反射原理,如图 2-8所示 。
图 2-8 光波在纤芯中的传播高折射率
(纤芯 )
低折射率
(包层 )
光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
34
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 3） 光纤的分类
玻璃光纤,纤芯及包层均用玻璃,损耗小,成本高 。 用于 远距离宽带 传输 。
塑料光纤,纤芯为玻璃,包层为塑料,损耗大,成本低
。 短距离基带 传输 。
单模光纤,芯径小,只有一个入射角,不会像图 2.8（ b
） 描述的那样发生多次反射 。 光源必须用激光,成本高
,带宽宽,耗散极小,效率高,适于 高速长距离 传输 。
多模光纤,芯径大,存在多个入射角,光源可以用 LED(
发光二极管 ）,成本低,耗散大,效率低,适于 低速短距离 传输 。
35
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 3） 光纤的分类
单模光纤 和 多模光纤 的比较,如图 2-9所示 。
图 2-9 单模光纤和多模光纤的比较输入脉冲 输出脉冲单模光纤输入脉冲 输出脉冲多模光纤
36
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、光缆
（ 4） 光纤的特点
衰减小,无中继传输距离远 。
带宽宽,传输速率高,传输能力强 。
不受电磁干扰,抗干扰能力强,无辐射,保密性好 。
重量轻,容量大,十分适合多媒体通信 。
光纤断裂的检测和修复都很困难 。
37
2.3 物理层下面的传输媒体第二章 物理层
5、非导向传输媒体
无线介质
无线电波,传播距离远，容易穿过建筑物，全方向传播。无线通信使用的频率在 3MHz至 1GHz
微波,频率在 100MHz以上的无线电波，其能量集中于一点并沿直线传播。典型的工作频率为 2GHz,4GHz,8GHz,12GHz
卫星通信,卫星和地面站之间的微波通信系统衰减小，无中继传输距离远。
图 2-11 无线电波的传播地球表面 地球表面地面波 电离层
(a) 无线电波沿地表传播
(b) 无线电波被电离层反射
38
2.4 信道复用技术第二章 物理层
信道复用技术又称之为,多路复用技术,就是把多个不同的信号同时在一条传输线路上进行传输的技术 。 常用的方法有：
频分多路复用 FDM（ Frequency Division Multiplex）
时分多路复用 TDM（ Time Division Multiplex）
统计时分多路复用 STDM（ Statistic TDM)
波 分 多 路 复 用 WDM （ Wavelength Division
Multiplexing)
密集波分多路复用 DWDM（ Dense Wavelength Division
Multiplexing)
码分多路复用 CDM（ Code Division Multiplexing)
39
共享信道
复用 (multiplexing)是通信技术中的基本概念。
信道A
1 A2
B1 B2
C1 C2
信道信道
A1 A2
B1 B2
C1 C2
复用 分用
(a) 不使用复用技术 (b) 使用复用技术第二章 物理层
2.4 信道复用技术图 2-12 复用的示意图
40
2.4 信道复用技术第二章 物理层
频分多路复用 （ FDM） 技术按频率划分不同的信道,这种信道共享技术主要适用于模拟传输系统中 。
特征,
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源
（ 请注意：这里的带宽是指频率而不是发送速率 ）,其原理如图 2-13（ a） 所示 。
时分多路复用 （ TDM） 技术按时间划分信道,这种信道共享技术主要适用于数字传输系统中 。
特征,
将信道的可用时间按单位时间 划分为若干个时隙 （ 子信道 ）,每个时隙供传输一路信号,其原理如图 2-13（ b） 所示 。
41
2.4 信道复用技术第二章 物理层频率时间频率 1
频率 2
频率 3
频率 4
频率 5
频率时间
B CD B CD B CD B CDA A A A
在 TDM帧中的位置不变
TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧
…
TDM 帧图 2-13 频分复用和时分复用
(a)
(b)
42
2.4 信道复用技术第二章 物理层
统计时分多路复用 （ STDM） 技术这种信道共享技术主要适用于数字传输系统中 。
特征,
统计时分复用是一种 改进的时分复用,其特征在于对每路信号不是固定分配时隙，而是按需 动态地分配时隙,其原理如图 2-14所示。
a
b
c
d
c
a
b
A
B
C
D
用户
t
t
t
t
①
③
②
④
a b b c c ad
图 2-14 统计时分多路复用技术的信道共享原理
t
43
2.4 信道复用技术第二章 物理层
波分多路复用这种信道共享技术主要适用于数字传输系统中 。
特征,
波分复用就是 光的频分复用 。
在一路光纤上复用两路光载波信号称为 波分复用 。
在一路光纤上复用 80路或更多路数的光载波信号称为 密集波分复用 。
44
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
问题的提出
现存的通信网是数字信号传输系统和模拟信号传输系统并存的局面,要想在数字信号传输系统中传输模拟信号,必然存在一个如何将模拟信号数字化的问题 。
要将模拟电话信号转变为数字信号,无一例外地需经过 采样,量化 和 编码 三个阶段 。
脉码调制方法 PCM（ Pulse Code Modulator）
现在的数字传输系统一般都是采用所谓的 脉码调制 PCM
体制 。
45
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
脉码调制方法 PCM（ Pulse Code Modulator）
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率的 2倍,就可从采样脉冲信号中 无失真 地恢复出原来的电话信号。
大家知道，语声的能量和频谱主要分布在
300Hz— 3.4kHz
为简化处理，取 4kHz为语声的最高频率，则采样频率为
8kHz，即采样周期为 125μ s。
46
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
脉码调制方法 PCM（ Pulse Code Modulator）
量化采样后的信号所谓,量化,就是对每个采样点用一个恰当的数值表示。
编码所谓,编码,就是对每个采样点所对应的数值确定一种二进制的表示方式，以实现从模拟信号到数字信号的转换。
一般而言,每个采样点用 n位二进制数进行编码 。
图 2-15描述了采样、量化以及编码的基本概念。
47
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制图 2-15 PCM的基本原理采样周期 T
t信号
t采样
1001 001111000010 t
编码解码
t还原
t
48
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
由于现有数字信号传输系统都是采用 PCM体制,因而为了有效地利用传输线路,总是将 许多个话路的 PCM信号用所谓时分复用的方法装成帧 (即时分复用帧 ),然后再送往线路上一帧接一帧地传输 。
目前国际上流行的标准主要有两个,即
T1标准
E1标准
49
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
T1标准
为北美国家大量使用的标准
为 24路时分多路复用 PCM
每个话路的采样脉冲用 7位 二进制编码
T1的基本速率为 1.544Mbps
50
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制
E1标准
E1的基本特征
为欧洲国家大量使用的标准,同时 被我国选用
为 30路时分多路复用 PCM
每个话路的采样脉冲用 8位二进制编码
E1的速率为 2.048Mbps为
51
2.5 数字传输系统第二章 物理层
1,脉码调制 PCM体制图 2-16 E1的时分复用帧
2.048 Mb/s
传输线路
CH0
CH16CH17CH15 CH15CH16
CH17
CH31 CH31
CH0
CH1 CH1
…
…
…
…
时分复用帧
T
CH0 CH1 CH2 … CH15CH16 CH17 CH30CH31 CH0…
8 bit
t时分复用帧 时分复用帧
T = 125 ms
15 个话路 15 个话路
52
2.5 数字传输系统第二章 物理层
2、同步光纤网 SONET和同步数字系列 SDH
T1和 E1标准分析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,
多个标准的共存,给标准之间的 兼容性 带来困难 。 这种困难在高速传输系统 （ 如高次群的 PCM） 中体现得尤为明显 。
不是同步传输,从而带来传输开销,也给数字信号的 复用和分用 带来麻烦 。
在上述问题的促使下,研究新的光纤网传输标准提到了议事日程,同步光纤网标准 SONET和同步数字系列标准 SDH随之推出 。
53
2.5 数字传输系统第二章 物理层
2、同步光纤网 SONET和同步数字系列 SDH
关于 SONET和 SDH
同步光纤网 SONET(Synchronous Optical Network)标准由美国的
ANSI提出 。
同步数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)标准由 IUT-T提出 。
SONET和 SDH本质上相同,相互兼容 。
采用 同步传输方式,用单一精确时钟同步整个网络的时序 。
为了支持不同的传输速率,定义了多层次结构的同步传输信号
STS(STS-1 ～ STS-192)：
STS OC 速率 (Mbps) STM
STS-1 OC-1 51.840
STS-3 OC-3 155.520 STM-1
54
2.6 宽带接入技术第二章 物理层
1,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 300~3400
kHz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。
xDSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而 把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用 。
DSL 就是 数字用户线 (Digital Subscriber Line)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。
55
2.6 宽带接入技术第二章 物理层
xDSL的几种类型
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线
HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线
SDSL (Single-line DSL),1 对线的数字用户线
VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线
DSL,ISDN 用户线。
RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，
是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率。
56
2.6 宽带接入技术
ADSL 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 在用户线（铜线）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 (Discrete
Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“
多载波,或,多子信道,的意思。
ADSL 的数据率,由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 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。
第二章 物理层
57
2.6 宽带接入技术
…
频谱频率上行信道传统电话
0 4
下行信道
…
(kHz)
~40 ~138 ~1100
第二章 物理层图 2-17 DMT技术的频谱分布
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ATU-C
ATU-C ATU-R
ATU-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
PS
PS
第二章 物理层
2.6 宽带接入技术图 2-18 基于 ADSL的接入网的组成
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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。
现有的 CATV 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行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造,其主要特点如下：
第二章 物理层
2.6 宽带接入技术
2、光纤同轴混合网 HFC (Hybrid Fiber Coax)
60
HFC网的主干线路采用光纤
HFC 网采用结点体系结构，如图 2-19。
HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能，如图 2-20。
每个家庭要安装一个用户接口盒
用户接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三种连接，
即：
– 使用同轴电缆连接到 机顶盒 (set-top box)，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 。
第二章 物理层
2.6 宽带接入技术
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同轴电缆头端模拟光纤放大器引入线分路器光纤结点服务区服务区服务区第二章 物理层
2.6 宽带接入技术图 2-19 HFC网的结构图
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下行信道上行信道
5 40 50 550 750 1000
原有模拟电视 数字信号频率 (MHz)
保留第二章 物理层
2.6 宽带接入技术图 2-20 HFC网频谱划分举例
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HFC 网的最大优点：
具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。
要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个 HFC 网的孤岛），也需要相当的资金和时间。
在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。
第二章 物理层
2.6 宽带接入技术
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FTTx（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 (Fiber To The Home)：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 (Fiber To The Building)：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 (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
2.6 宽带接入技术第二章 物理层
3,FTTx 技术
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小结第二章 物理层物理层的连接方式很多,传输媒体的种类也很多 。 对于具体的物理层协议是相当复杂的,因此在学习本章中,
旨在掌握基本的概念 。 通过对数据通信的模型的介绍,学习了有关信道的几个基本概念,信道数据传输速率的两个著名公式；了解了物理介质和一些常用的数字传输技术；
理解了常用的信道复用技术；最后,对现有的宽带接入技术做了简要的介绍,对我们学习和理解现有的接入网技术有很大的帮助 。
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思考与练习第二章 物理层课后练习
2-04
2-10
2-13
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思考与练习第二章 物理层课后练习用速率为 2400bps的调制解调器（无校验位，一位停止位）,30秒内最多能传输多少个汉字（一个汉字为两个字节）。
（ 1） 30秒传输位数：
（ 2）每个汉字传输位数：
（ 3） 30秒传输的汉字数：
2400× 30=72000位
（ 8＋ 1＋ l） × 2=20位
72000÷ 20=3600个
