第二章物理層

授課人：孫天昊

單位：重慶大學計算機學院

2010年3月

■2.1物理層的基本概念

■2.2數(shù)據(jù)通信的基礎知識

■2.3信道復用技術

■2.4模擬傳輸與數(shù)據(jù)傳輸

■2.5同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系歹USDH

■2.6物理層下面的傳輸媒體

■2.7物理層標準舉例

.2.1物理層的基本概念

工物理層的定義(iso/osI)

物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸

數(shù)據(jù)比特流。

物理層提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性，目的是

啟動、維護和關閉數(shù)據(jù)鏈路實體之間進行比特傳輸?shù)奈锢磉B

接。這種連接可能通過中繼系統(tǒng)，在中繼系統(tǒng)內的傳輸也是

在物理層的。

2.物理層的功能

實現(xiàn)結點之間的物理連接，在兩個網(wǎng)絡設備之間提供透明

的比特流傳輸。

3.研究內容

物理連接的啟動和關閉，正常數(shù)據(jù)的傳輸，以及維護管理。

2.1物理層的基本概念（2）

4、幾點說明

-連接方式（點到點、點到多點）

-通信方式（單工、半雙工、全雙工）

-位傳輸方式（串行、并行）

5、物理層的四個重要特性

■機械特性(mechanicalcharacteristics)

■電氣特性(electricalcharacteristics)

■功能特性(functionalcharacteristics)

■規(guī)程特性(proceduralcharacteristics)

4

2.1物理層的基本概念(3)

6、機械特性

⑴指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目

和排列、固定和鎖定裝置等。

(2)常用的標準接口

-ISO2110,25芯連接器,EIARS-232-C,EIARS-

366-A

-ISO2593,34芯連接器，V.35寬帶MODEM

■ISO4902,37芯和9芯連接器，EIARS-449

-ISO4903,15芯連接器,X.20、X,21、X.22

■實例：水晶頭，RJ45；串口線RS-232

5

2.1物理層的基本概念(4)

7、電氣特性

(1)指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。

(2)早期的標準在邊界點定義電氣特性，例如EIARS-232-C、

V.28；最近的標準說明了發(fā)送器和接收器的電氣特性，而且

給出了有關對連接電纜的控制。

(3)CCITT標準化的電氣特性標準

.CCITTV.10/X.26：新的非平衡型電氣特性，EIARS-423-A

.CCITTV.11/X.27：新的平衡型電氣特性，EIARS-422-A

.CCITTV.28：非平衡型電氣特性，EIARS-232-C

-CCITTX.21/EIARS-449

6

2.1物理層的基本概念(5)

8、功能特性

(1)指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。

主要定義各條物理線路的功能(含義)。

(2)線路的功能分為四大類：

■數(shù)據(jù)線

-控制線

■定時線

?地線

9、規(guī)程特性

指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。主要定義

各條物理線路的工作規(guī)程和時序關系。

7

2.2數(shù)據(jù)通信的基礎知識

2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

■源系統(tǒng)

(1)源站：產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

(2)發(fā)送器：對要傳送的數(shù)據(jù)編碼

■傳輸系統(tǒng)

■目的系統(tǒng)

(1)接收器：接收信號，并轉換為能被目的設

備處理的信息。

(2)目的站：從接收器獲取接收來的信息。

8

2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型（續(xù)1）

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

數(shù)字比特流模擬信號模擬信號數(shù)字比特流

正文口瞿，

正文

公用電話網(wǎng)「一...

PC機調制解調器調制解調器PC機

源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)

Z

點

攵

源

點

器

f終

:1傳輸

輸

接

攵

輸發(fā)送器——

輸

D發(fā)送系統(tǒng)輸

入

曠

力JZ

入A

出

H出

H

數(shù)的信號

信

信

數(shù)

據(jù)

息

息

據(jù)

9

2.2」數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型(續(xù)2)

1.數(shù)據(jù)通信常用術語

■數(shù)據(jù)：運送信息的實體

■信號：數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)

■模擬信號：信號取值是連續(xù)的。

■數(shù)字信號：信號取值是離散的。

■模擬數(shù)據(jù)、模擬信號、數(shù)字數(shù)據(jù)、數(shù)字信號見(p.35)

圖模擬信號

2.2」數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型（續(xù)3）

2.數(shù)據(jù)編碼

模擬數(shù)據(jù)的模擬信號編碼模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

模擬數(shù)字

<------>PCM編碼器<---->

數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

數(shù)據(jù)編碼參閱教材p.35圖2-2

11

模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)，信號

模擬數(shù)據(jù)模擬信號

模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號

數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號

數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字信號

12

2.22有關信道的幾個基本概念

工、基本概念

(1)信道

通信信道指信號從發(fā)送端到接收端之間進行傳輸?shù)耐?。它?/p>

稱為傳輸信道，簡稱為信道。即：

傳輸信息的通路稱為“信道”。信道一般都是用來表示向某一

個方向傳送信息的媒體

(2)模擬信道、模擬通信和模擬通信系統(tǒng)

以連續(xù)模擬信號形式傳輸數(shù)據(jù)的信道稱為模擬信道。

特點：

(1)易受噪聲干擾；

(2)衰減嚴重；

(3)用放大器處理信號衰減，信號和噪聲都會被放大；

(4)模擬傳輸適于遠程傳輸

13

2.2.2有關信道的幾個基本概念(續(xù)1)

3)數(shù)字信道、數(shù)字通信和數(shù)字通信系統(tǒng)

以數(shù)字脈沖形式傳輸數(shù)據(jù)的信道稱為數(shù)字信道，這種通信方式

稱為數(shù)字通信，相應的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。

特點：

(1)誤碼率低，通信質量好。

(2)適合綜合業(yè)務應用，能將數(shù)字、聲音、電視、傳真和視頻

電話等多種業(yè)務應用復合在一個信道上傳輸，能充分有效地利用

設備

(3)在已有的線路上采用數(shù)字通信方式，可以獲得更高的數(shù)據(jù)

傳輸率。

(4)采用大規(guī)模集成電路，數(shù)字傳輸及其相應設備將比模擬設

備更便宜

(5)數(shù)字傳輸更易于加密，有利于信息安全

14

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)2）

2、信道分類

分類方式類別備注

介質有線信道電話線、同軸電纜、雙絞線、光纖。。。

無線信道微波、無線電、衛(wèi)星。。。

復用方式頻分復用、時分復用適于模擬數(shù)據(jù)通信

波分、碼分復用信道模擬、數(shù)字數(shù)據(jù)均可

數(shù)據(jù)類別模擬信道電話線

數(shù)字信道雙絞線

使用方式專用信道、租用信道

公用信道、交換信道

共享方式點一點信道

共享信道

15

222有關信道的幾個基本概念(續(xù)3)

1、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模式

(1)用模擬信道傳輸模擬數(shù)據(jù)一一載波編碼

模擬數(shù)據(jù)的模擬信號編碼

模擬模擬模擬

信號載波SI信號信號

;調制器＞模擬信道解調器

信宿

信源信道

圖2-4模擬信道傳輸模擬信號的系統(tǒng)構成圖

16

222有關信道的幾個基本概念(續(xù)4)

(2)用模擬信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)--調制編碼

數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼

數(shù)字模擬模擬數(shù)字

信號信號信號信號

圖2-5模擬信道傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)構成圖

17

2.2.2有關信道的幾個基本概念(續(xù)5)

(3)用數(shù)字信道傳輸模擬數(shù)據(jù)--采樣編碼

模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

模擬數(shù)字數(shù)字模擬

信號信號信號信號

信宿

信源

圖2-6數(shù)字信道傳輸模擬信號的系統(tǒng)構成圖

18

2.2.2有關信道的幾個基本概念(續(xù)6)

(4)用數(shù)字信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)--數(shù)字編碼

數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

數(shù)字數(shù)字數(shù)字數(shù)字

數(shù)據(jù)信號信號數(shù)據(jù)

信宿

圖數(shù)字信道傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)構成圖

19

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)7）

數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)編碼方法:

⑴非歸零制編碼（NRZ）

（2）曼徹斯特編碼（Manchester）

編碼規(guī)則：

?每個位單元內碼元電平至少有一次跳變

?數(shù)字“1”碼元電平在位單元中央下跳變（前高后低）

?數(shù)字“0”碼元電平在位單元中央上跳變（前低后高）

（3）差分曼徹斯特編碼

編碼規(guī)則：

?遇數(shù)字“1”，碼元電平在位單元中央跳變

?遇數(shù)字“0”，碼元電平在位單元前邊界和中央均跳變

記憶；中央跳變，1相同，0不同

20

,2.2有關信道的幾個基本概念(續(xù)8)

三種編碼方式波形圖

數(shù)據(jù)01001101

時鐘rr1FK

(a)NRZ

(b)曼徹斯特

編碼——

(c)差分曼徹

斯特編碼

21

?222有關信道的幾個基本概念（續(xù)9）

4、信道連接方式

22

2.2.2有關信道的幾個基本概念(續(xù)10)

(2)分支連接方式

集中控制模

中心分布式控制

結點

終端

點

結

圖分支信道連接方式

23

2.2.2有關信道的幾個基本概念(續(xù)11)

(3)復用連接方式

圖信道復用連接方式

24

2.2.2有關信道的幾個基本概念(續(xù)12)

5、信道通信方式

(1)并行通信方式

_______U_____________,

發(fā)送端A1接收端

---------------------?10100011

10100011--------------------?

01,

01：

01r

11,

1.

所有的并行數(shù)據(jù)位同時在發(fā)送設備和接受設備之間傳輸，用于

計算機內部各設備之間通信或計算機與近距離外設之間通信。

25

2.2.2有關信道的幾個基本概念(續(xù)13)

(2)串行通信方式

發(fā)送端接收端

101000111100010110100011

數(shù)據(jù)一位一位傳輸，只需一根傳輸線,

用于計算機遠距離通信或網(wǎng)絡通信。

26

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)14）

（3）串行通信的方向性結構

1）單工通信方式2）半雙工通信方式

數(shù)據(jù)

信道

控制信息

無線電廣播通信（無確認機制）

27

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)15）

3）全雙工通信方式

28

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)16）

-單向（單工）通信

只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。必須附

有反向信道傳送監(jiān)測信號。

■雙向交替（半雙工）通信

通信雙方可以發(fā)送或接收信息，但不能雙方同時發(fā)送

或同時接收信息。

■雙向同時（全雙工）通信

通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息。

相當于兩個方向相反的單向（工）通信的組合。

雙向同時通信采用四線制。

29

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)17）

6、數(shù)據(jù)傳輸方式

（1）基帶傳輸

1）基帶信號

將數(shù)字信號1或。直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上

去傳輸。

2）基帶

基帶信號所占用的頻帶稱為基本頻帶，簡稱基帶

3）基帶傳輸、基帶傳輸系統(tǒng)

計算機輸出的信號就是典型的基帶信號；

高低電平來表示二進制的‘0‘、信號；

Ethernet曼切斯特編碼

30

2.2.2有關信道的幾個基本概念(續(xù)18)

(2)頻帶傳輸

指在發(fā)送端把數(shù)字信號調制成音頻信號進行發(fā)送，在接收端

再把收到的音頻信號解調變成原有的數(shù)字信號，這種傳輸就稱為

頻帶傳輸。

頻帶傳輸實際上是利用電話系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號的一種方式。

(3)寬帶傳輸

指信道的頻帶較寬，一般在OMhz?300Mhz之間。

將基帶信號進行調制后形成的頻分復用模擬信號。

在實際應用中，該頻帶常被化分為若干子頻帶，這些子頻帶可以

分別傳送數(shù)字信號、音頻信號、視頻信號，從而可以利用寬帶傳

/俞素經(jīng)來實現(xiàn)聲音、文字、視頻而一禰化傳輸。

寬帶傳輸?shù)牡湫屠邮请娨晳谩?/p>

31

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)19）

7、數(shù)據(jù)同步方式

（1）同步

接收端按照發(fā)送端發(fā)送碼元的頻率和起止時間來

接收數(shù)據(jù)。接收端需要校正其基準時間和接收頻率。

（2）同步的方式

位同步（物理層）

字符同步（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層）

幀同步（數(shù)據(jù)鏈路層）

32

222有關信道的幾個基本概念(續(xù)20)

(3)位同步

指接收端在接受每一位數(shù)據(jù)時都與發(fā)送端

在起止時間和頻率上與發(fā)送端保持一致。

位同步的方式

外同步:外加同步信號

自同步：自帶同步信號

33

-4222有關信道的幾個基本概念（續(xù)21）

.外同步

在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先向接收端發(fā)出一串同步信號，接收端根據(jù)所

接收到的同步信號的頻率，調整接收頻率和時序；使得接收端與發(fā)送

端在時間上和頻率上保持同步。

發(fā)送站_n_n^njm^1____ii___

x-----------x、--------------------x

同步信號數(shù)據(jù)

接收站」uuui_rLrLrLTLJiJ^Rj_LrLrLrLrLrLJun

、,/X,/

接收到的同步信號

J

34

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)22）

.自同步

自同步法與外同步法所達到的目的是一樣

的，不同之處在于，在自同步法中，接收端所需

的定時（同步）信號是從發(fā)送端所發(fā)送的數(shù)據(jù)信

號中自動提取的，發(fā)送端不再額外發(fā)送同步信號

如Ethernet中所使用的曼切斯特編碼就能

實現(xiàn)自同步

35

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)23）

（4）字符同步

指按字符單位進行的同步。

位同步僅能識別各個位，而不能識別由若干位組成的字符,

這在實際通信中顯然是不能完全滿足要求的。

如（b1b2...b8）心也…b&）（也…），如被接收端劃分為（…夕）

“2…bgb）必2…bgb）,則沒有達到同步。

字符同步的方式

異步制式字符同步

同步制式字符同步

36

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)24）

異步制式字符同步（起止式）

（1）起止式字符同步方式。

（2）每個字符獨立傳送，字符間的時間隔不固定（有若干空閑位）

（3）發(fā)送端可在任意時刻發(fā)送數(shù)據(jù)到接收端。

字符內同步、字符間異步

適合終端與計算機間的通信

實現(xiàn)方式：

在這種方式中，每個字符都是獨立識別的。

發(fā)送信息（一個字符）二起止位+字符+結束位

起

位

止

一般位1位，

束

結

位

一般為位，位，位

字

符11.52

7位、8位

37

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)25）

異步制式字符同步（起止式）的實現(xiàn)

1~|OO1O

］位1.5位

起女臺"5位信息、位A停止

位位

1個字符

(a)

1OO1O1O

］位2位

起女臺v7位信息、位A1位

校嶼停止

位位位

1個字符A

(b)

圖異步通信示意圖

38

222有關信道的幾個基本概念（續(xù)26）

’同步制式字符同步

首先，發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)字符塊時，發(fā)送若干同步

字符SYN（一個或多個），接收端用檢測同步字符SYN

的方式獲得與發(fā)送端的同步。

然后，使用反向信道通知發(fā)送方，發(fā)送方開始發(fā)送

數(shù)據(jù)，直至出現(xiàn)結束字符（同步字符）

1組字符

39

2.2.2有關信道的幾個基本概念（續(xù)27）

（5）幀同步

含義：在字符同步的基礎上，必須將線路上的數(shù)

據(jù)流劃分為報文分組或比特組（幀）。實現(xiàn)這種劃分

的方式，就稱為幀同步。

辦法：主要是在幀的開始和結束加上開始標志和

結束標志。

如HDLC幀同步采用的開始和結束標志均為

"01111110\接收端檢測到該標志時，就認為一個幀

開始了或結束了。

當然，除上述方法外，還有別的方法可以保證幀

同步

40

2.2.3信道的最高碼元傳輸速率

■任何實際的信道都不是理想的，在傳輸

信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干

擾。

■碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木?/p>

離越遠，在信道的輸出端的波形的失真

就越嚴重。

41

數(shù)字信號通過實際的信道

＞失真不嚴重

實際的信道

JUL（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）

輸入信號波形輸出信號波形

（失真不嚴重）

■失真嚴重

實際的信道

（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）

A

輸入信號波形輸出信號波形

（失真嚴重）

42

2.2.3信道上的最高碼元傳輸速率

1）數(shù)據(jù)傳輸（速）率

數(shù)據(jù)傳輸（速）率又稱比特率，是一種數(shù)字信號的傳

輸速率，它表示單位時間內所傳送的二進制代碼的有

效位（bit）數(shù)。即:每秒傳輸多少位二進制數(shù)據(jù)。

單位：比特/秒（b/s）,bps（bitspersecond）

可由以下公式求得：

S=1/T*log2N（bps）

式中：T—單位（一個）脈沖（即一個碼元）寬度

（全寬碼），或脈沖重復周期（歸零碼），或調制時

間間隔。單位：秒

43

223信道上的最高碼元傳輸速率（續(xù)1）

N—單位脈沖（一個碼元）表示的有效值狀態(tài)，即調

制電平數(shù)（2的整數(shù)次幕）

logzN—單位脈沖（一個碼元）所能運載的比特數(shù)

例：四元調制,比特/單位脈沖

N=4,log2N=2,2

八元調制，比特/單位脈沖

N=8,log2N=3,3

2）波特率（碼元速率）

波特率是一種調制速率，也稱波形速率或碼元速率。

它是數(shù)字信號經(jīng)過調制后的傳輸速率，表示每秒鐘傳輸

多少個電信號單元（信號事件，碼元），即調制后模

擬信號每秒鐘的變化次數(shù)，等于調制周期的倒數(shù)（時間

間隔），單位為波特（8加切。

44

223信道上的最高碼元傳輸速率（續(xù)2）

碼元（code）——在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數(shù)

字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形。

碼元速率（波特率）：

B=l/T（Baud）

正好為調制轉換時間的倒數(shù)

碼元速率B與數(shù)據(jù)（信息）（傳輸）速率的關系：

S=B*logN=1/T*logN

例：有一四精2調制解調器，簞2位脈沖（碼元）寬度

T=833*10-6秒，一個碼元能運載2位二進制信息，

求其數(shù)據(jù)傳輸速率和碼元速率。

解：N=22=4

■B=1/T=1/833*10-6=1200Baud

S=（1/T）*log2N=2400bps

45

）2.2.3信道上的最高碼元傳輸速率（續(xù)3）

例：有一個二元調制解調器，脈沖有效值狀態(tài)為0,I,

調制速率（碼元速率）為300波特，求其數(shù)據(jù)速率。

解：N=2,S=B*log2N=B=300bps

小結：

1?只有兩元調制，碼元速率（調制速率）才等于數(shù)據(jù)速率

2?碼元速率（調制速率）和數(shù)據(jù)速率是兩種不同的概念。

?波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€碼元）。碼元傳輸速率也稱為調

制速率、波形速率或符號速率。

-比特是信息量的單位。

-若1個碼元只攜帶1bit的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上

相等。

-若1個碼元攜帶"bit的信息量，則聞Baud的碼元傳輸速率所對應的信

息傳輸速率為Mx/7b/So

46

2.2.3信道上的最高碼元傳輸速率（續(xù)4）

3）誤碼率Pe

誤碼率：二進制位在傳輸中被傳錯的概率。

指誤接收的二進制碼元位數(shù)1在傳輸?shù)亩M制

碼元總位數(shù)N中所占的比例：

Pe=Ne/N

在計算機（數(shù)據(jù)）通信中，要求Pe<10-6

在光纖通信中，要求Pe<10-9

47

奈氏(Nyquist)準則

理想低通信道的最高碼元傳輸速率=21/1/Baud

1/1/是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)

能通過不能通過

o---------頻率(Hz)

?—1/1/(Hz)

■每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳

輸速率是每秒2個碼元。

■Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位,

1波特為每秒傳送1個碼元。

48

另一種形式的奈氏準則

理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率=1/1/Baud

1/1/是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz)

0

■每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率

是每秒1個碼元。

■實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯

地低于奈氏準則給出上限數(shù)值。

49

.2.2.4信道的極限信息傳輸速率

1-理想信道的極限信息速率(信道容量)

C=B*log2N(bps)----奈氏公式

N—給定時刻數(shù)字信號所取的離散值個數(shù)。

若一個碼元能攜帶(運載)2bit的信息量，貝IJN=22=4

例(P37)：有一帶寬為3KHz的理想低通信道，求其最高碼

元速率。若一個碼元能運載3位二進制信息，求其信道容量。

解：N=23=8,B=2W=2*3000=6000Baud

C=2W*log2N=2*3*log28=18000bps

50

[2.2.4信道的極限信息傳輸速率(續(xù)1)

2'帶寬受限且有高斯白(熱)噪聲干擾的信道的極限信息

速率

香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高

斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。

C=W*log2(l+S/N)-----香農(nóng)(shannon)公式

W—信道的帶寬(HZ)

S—信道內所傳信號的平均功率(mw)

N—信道內高斯噪聲的平均功率(mw)

S/N—信噪比，常以分貝(dB)表示，

記為：(S/NMB=10*log10(S/N)(dB)

51

I香農(nóng)公式表明

!信道的帶寬或信道中的信噪比越大,貝u信息的

極限傳輸速率就越高。

■只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速

率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的

傳輸。

■若信道帶寬〃或信噪比卬/v沒有上限（當然實

際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息

傳輸速率。也就沒有上限。

■實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農(nóng)

的極限傳輸速率低不少。

52

224信道的極限信息傳輸速率(續(xù)2)

例：求信噪比為30分貝，帶寬為4KHz的

信道的最大數(shù)據(jù)速率(信道容量)。

解：(S/N)db=10*logio(S/N)=30db

S/N=1030/10=1Q3

C=W*log2(1+S/N)

3

=4*log2(1+10)

3

=4*log10(l+10)/log102

=4*3/0.301040Kbps

53

奈氏準則和香農(nóng)公式

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍

源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)

__A_________人_

劇

攵

終點

口

點

源A傳輸M

輸

輸

輸

發(fā)送的系統(tǒng)接收的輸

入

出

入

信號出

數(shù)信號

信

信

數(shù)

據(jù)

息

息

碼元傳輸速率受據(jù)

奈氏準則的限制

信息傳輸速率受

香農(nóng)公式的限制

54

2.3信道復用技術

-多路信號互不干擾地在同一信道中傳輸

的方式，提高性能效率利用率。

-信道(多路)復用技術種類：

■(1)頻分復用技術

■(2)時分復用技術

■(3)波分復用技術

■(4)碼分復用技術

55

頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用

1、頻分復用：

（FrequencyDivisionMultiplexing）

當信道帶寬大于各路信號的總帶寬時，可以將信道分割

成若干個子信道，各個子信道間要留一個寬度（保護

帶），每個子信道用來傳輸一路信號，這就是頻分多

路復用。

1）隔離帶:防干擾

介

2）信道寬度＞信號寬度

頻

寬f

語音信號的頻譜為300Hz?3400Hz,因而，分配給每條語音話路4k的帶寬

56

2.3.1頻分復用、時分復用(續(xù)1)

2.時分復用技術TDM

(TimeDivisionMultiplexing)

當信道能達到的位傳輸速率大于各路信號的數(shù)

據(jù)傳輸速率總和時，可以將信道的時間分割為一

個個的時間片，按照一定規(guī)則將這些時間片分配

給各路信號源，每一信號源只能在自己的時間片

內獨占信道進行傳輸。這就是時分多路復用

(TimeDivisionMultiplexing,TDM)o

57

2.3.1頻分復用、時分復用（續(xù)2）

1）同步時分復用（圖2-22）

多用戶1

用戶1多

路

路

復用戶2

復

用戶2用

用

器

器

用戶n

用戶n

同步時分復用

Tm：幀ti；時隙

58

$_頻分復用與時分復用

伍號薛】

侑修版2

佰號卸3

尼玲汨d

侑V2SK5

住T4距G

佰虧M了

而弓誣只

Ce）奉幺分安咯攵八I

G934U

心號淞2

信弓淞3

信DiKid

佰吁而方

舊乃誨8

信號端（7

布號漏H?X

<b>“中分妾招健出

頻分復用：所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。

時分復用：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。

59

2.3.1頻分復用、時分復用（續(xù)3）

2）異步（統(tǒng)計）時分復用（STDM）技術

60

時分復用可能會造成線路資源的

浪費

節(jié)省帶寬

統(tǒng)計TDM

待發(fā)數(shù)據(jù)

地址信息周期1周期2

61

2.3.2波分多路復用(WDM,

WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復用就是光的頻分復用。

共享光纖的光普

62

4波分復用WDM

-每條光纖使用不同波長的光波來傳輸數(shù)據(jù)，各路光波經(jīng)過一個棱鏡或

衍射光柵合成一個光束在光纖干道上傳輸，在接收端利用相同的設備

將各路光波分開。

8x2.5Gb/s

0,1550nm1310nm1550nm0

1------,1551nm1551nm

20

2^=Z1552"nmGb/sEDFA1552nm

分

3_^^1553_nm1553nm

用

4------1554nm器1554nm

5_^^1555_nm1555nm

6_^^1556_nm1556nm

7^^^1^57nm1557nm

63

2.3.3碼分多路復用技術

碼分復用技術(碼分多址CDMA)

在CDMA通信系統(tǒng)中，不同用戶傳輸信息所用的信號不

是靠頻率不同或時隙不同來區(qū)分，而是用各自不同的

編碼序列來區(qū)分.

各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。

這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲,

不易被敵人發(fā)現(xiàn)。

概念：(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA),在CDMA中

,每個比特時間又再分成m個碼片，每個站分配一個唯一的m比

特碼序列，m=64,128；

當某個站欲發(fā)送“1”時，它在信道中發(fā)送它的mb讓碼序列，當欲

發(fā)送“0”時，它就發(fā)送它的mb讓碼序列的反碼。

64

碼片序列(chipsequence)

■每個站被指派一個惟一的6bit碼片序列。

■如發(fā)送比特1,則發(fā)送自己的mbit碼片序列。

■如發(fā)送比特0,則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。

■例如,S站的8bit碼片序列是00011011。

■發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列00011011,

?發(fā)送比特。時，就發(fā)送序列11100100。

■S站的碼片序歹U：(―1—1—1+1+1—1+1

+1)

65

2.3.3碼分多路復用技術（續(xù)1）

?CDMA碼片序列表示：

?不同用戶需要不同的碼片序列

?碼片序列不同且相互正交（p60公式（2-4）

?任何一個碼片向量的規(guī)格化內積為1（p60公式2-5）

-碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內積為-1。

?3）碼片序列的實現(xiàn)

電信號：擴頻信號

光信號：光碼分復用技術

66

碼片序列的正交關系

慧向量S表示站S的碼片向量,令T表示

其他任何站的碼片向量。

■兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和

T的規(guī)格化內積(innerproduct)都是0：

(2-4)

67

碼片序列的正交關系舉例

.令向量S為(―1-1-1+1+1-1+1+1),向

量T為(-1-1+1-1+1+1+1-l)o

■把向量S和T的各分量值代入(2-4)式就可

看出這兩個碼片序列是正交的。

68

正交關系的另一個重要特性

-任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)

格化內積都是1。

1m1m1m

s?s獲學九言轉言⑴二

■一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格

化內積值是-lo

1m

5?，）=需空，，）=一1

69

32,3,3碼分多路復用技術(續(xù)2)

S=(-1,-1,-1)+1,+1,-1,+1,+1)

T=(-1,—1,+1,-1,+1,+1,+1,-1)P60,61

1m

S?T二—￡帆=1+1-1-1+1-1+1-1=0

m

汩sx

11mi

S?S=-=-8=1

m/=imZ=18

用戶收到的信號是S+T,即疊加信號

疊加信號和S站的碼片序列求內積。

S-(Sx+Tx)

70

CDMA的工作原理

C數(shù)據(jù)碼元比特j1i1

t

一m個碼J

S站的碼片序列st

發(fā)

送

S站發(fā)送的信號sxt

T站發(fā)送的信號Txt

總的發(fā)送信號Sx+Tx.■■■■■!t

接C規(guī)格化內積S?SxI:二t

收，;

端〔規(guī)格化內積

71

移動通信體制

■GSM模擬（頻段：900/1800/1900）

■CDMA2.5G

■3G

-技術不是問題

-利益才是問題

?中國足球（技術不是問題，管理才是問題）

■4G

■2008年，國家科技重大專項“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”

將按照日前通過國務院審議的方案付諸實施。

■4G技術實施方案通過無關3G牌照發(fā)放及電信重組

?傳輸速率可達50?100Mbps,是3G的50?100倍

72

任信重組

聯(lián)通拆分

中國睬四中國衛(wèi)通

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OOMAY1CTOMOCMIMMTOOM

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王建宙張春江王嚶初尚冰