计算机网络之物理层（三）

2.5、数字传输系统

（1）

• 在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输方式。
• 与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。
• 目前，长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式。
• 脉码调制 PCM 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。

（2）旧的数字传输系统存在许多缺点

• 最主要的是以下两个方面:
  1.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，国际范围的基于光纤高速数据传输就很难实现。
  2.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。
  当数据传输的速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题。

（3）同步光纤网 SONET

• 同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。
• SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构
  对电信信号称为第1级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transports gnal)，其传输速率是51.84 Mbit/s.
  对光信号则称为第1级光载波OC-1(OC表示Optical Carrier).
• 现已定义了从51.84 Mbit/s (即OC-1)一直到9953.280 Mbit/s(即OC-192/STS-192)的标准。

（4）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(Synchronous Digital Hierarchy).
• 一般可认为SDH 与SONET是同义词。
• 其主要不同点是:SDH的基本速率为155.52 Mbit/s ，称为第1级同步传递模块(Synchronous Transfer Module)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。

(5)SONET/SDH标准的意义

• 使不同的数字传输体制在 STM-1等级上获得了统一。
• 第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。
• 已成为公认的新一代理想的传输网体制。
• SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。

2.6、宽带接入技术

• 用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP。
• 在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户线通过调制解调器连接到ISP的，电话用户线接入到互联网的速率最高只能达到56 kbit/s.
• 美国联邦通信委员会FCC认为只要双向速率之和超过200 kbit/s就是宽带。
• 从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类:
  有线宽带接入
  无线宽带接入
• 下面讨论有线的宽带接入。

2.6.1、ADSL技术

• 非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)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。
• 标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz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。
• ADSL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。

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2.6.1.1、DSL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 (Digital subscriber Line):数字用户线。
• 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)。

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2.6.1.2、ADSL的传输距离

• ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大)。
• ADSL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。
• 例如:
  0.5毫米线径的用户线，传输速率为1.5~2.0 Mbit/s 时可传送5.5公里，但当传输速率提高到6.1 Mbit/s 时，传输距离就缩短为3.7 公里。
  如果把用户线的线径减小到 0.4毫米，那么在6.1 Mbit/s 的传输速率下就只能传送2.7公里。

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2.6.1.3、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。

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2.6.1.4、DMT技术

• DMT调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz以上一直到1.1 MHz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4 kHz带宽（严格讲是4.3125 kHz) ,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用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。
  

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2.6.1.5、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。
• 当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。
• ADSL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ADSL。
• 通常下行数据率在32 kbit/s 到 6.4 Mbit/s 之间，而上行数据率在 32 kbit/s到640 kbit/s 之间。

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2.6.1.6、ADSL的组成

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2.6.1.7、第二代 ADSL

• 包括ADSL2 ( G.992.3和G.992.4）和ADSL2+ ( G.992.5 )
• 通过提高调制效率得到了更高的数据率。
  ADSL2要求至少应支持下行8 Mbit/s 、上行800 kbit/s的速率。
  ADSL2+则将频谱范围从1.1 MHz扩展至2.2 MHz，下行速率可达16 Mbit/s (最大传输速率可达25 Mbit/s )，而上行速率可达800 kbit/s.
• 采用了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产生误码的情况下，自适应地调整数据率。
• 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。

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2.6.2、光纤同轴混合网（HFC网）

• HFC (Hybrid Fiber Coax)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。
• HFC网对CATV 网进行了改造。

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2.6.2.1、HFC网的主干线路采用光纤

• HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
• 在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。
• 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点ODN(Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

2.6.2.2、HFC网采用节点体系结构

2.6.2.3、HFC网具有双向传输功能，扩展了传输频带

2.6.2.4、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:
  1.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。
  2.使用双绞线连接到用户的电话机。
  3.使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

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2.6.2.5、电缆调制解调器

• 电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器。
• 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。
  1.下行速率一般在3~10 Mbit/s 之间，最高可达30 Mbit/s。
  2.上行速率一般为 0.2～2 Mbit/s ，最高可达10 Mbit/s 。
• 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。

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2.6.3、FTTx技术

• FTTx是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。
• FTTx表示Fiber To The…(光纤到…)，例如:
  1.光纤到户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。
  2.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。
  3.光纤到路边FTTC(Fiber To The Curb):光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

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物理层章节提问巩固：

1、假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为16个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率(bit/s)?

解答:如果我们用二进制数字来表示这16个不同等级的振幅，那么需要使用4个二进制数字,即0000, 0001,0010, 0011, 0100,0101,0110,0111, 1000,1001,1010,1011, 1100,1101,1110,1111。可见现在用一个码元就可以表示4个比特。因此，当码元速率为20000码元/秒时,我们得到的数据率就是4倍的码元速率,即 80000 bit/s。

2、假定要用3kHz带宽的电话信道传送64kbit/s的数据(无差错传输),试问这个信道应具有多高的信噪比（分别用比值和分贝来表示)?这个结果说明什么问题?
解答:将以上数据代入香农公式，得出:C=3kHz x log2(1 +S/N)= 64 kbit/s
解出1+S/N= 2^64/3
S/N= 2.64×10⁶
或用分贝表示: (S/N)_dB=10 log10(2.64×10⁶)=64.2 dB
这个结果说明:这个信道应该是个信噪比很高的信道。

3、假定有一种双绞线的衰减是0.7 dB/km(在1kHz时),若容许有20 dB的衰减,试问使用这种双绞线的链路的工作距离有多长?如果要使这种双绞线的工作距离增大到100 km,问应当使衰减降低到多少?
解答:使用这种双绞线的链路的工作距离是:20/0.7 =28.6 km。
若工作距离增大到100 km，则衰减应降低到20/100=0.2 dB/km

4、试计算工作在1200～1400 nm之间以及工作在 1400～1600 nm之间的光波的频带宽度。假定光在光纤中的传播速率为2×10⁸ m/s。
解答:频率=光速/波长,在光纤中光速为2×10⁸ m/s。
1200～1400 nm:
带宽=与1200 nm波长对应的频率减去与1400 nm波长对应的频率
=2× 10⁸/1200×10^-9-2×10⁸/1400 ×10^-9=23.8×10¹²Hz=23.8 THz
1200～1400 nm:
带宽=2×10⁸/1400×10^-9-2×10⁸/ 1600x10^-9=17.86×10¹²Hz=17.86 THz

5、共有四个站进行码分多址 CDMA 通信。四个站的码片序列为:
A:(-1-1-1+1+1-1+1+1)
B:(-1-1+1-1+1+1+1-1)
C: (-1 +1-1+1+1+1-1-1)
D:(-1+1-1-1-1-1+1-1)
现收到这样的码片序列:-1+1-3+1-1-3+1+1)。问哪个站发送数据了?发送数据的站发送的是1还是0?
解答:A站的内积:(-1+1-3+1-1-3+1+1) ·（ -1-1 -1+1+1-1+1+1)/8
=(+1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1
B站的内积:-1+1-3+1-1-3+1+1)·(-1-1+1-1+1+1+1-1)/8
=(+1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1
C站的内积:(-1+1-3+1-1-3+1+1)·-1+1-1+1+1+1-1 -1)/8
=(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0
D站的内积:(-1+1-3+1-1-3+1+1) ·(-1+1-1-1-1-1+1 -1)/8
=(+1+1+3-1+1+3＋1-1)/8=1
因此,A和D发送1,B发送0,而C未发送数据。