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第 4 讲 信道复用与数字传输技术

第 4 讲 信道复用与数字传输技术. 知识回顾. 数据通信模型 一些术语 信道、信号、单工通信、双工通信、半双工通信、模拟信号、数字信号 物理层的传输媒体 导向传输媒体 非导向传输媒体. 本讲内容及教学目标. 掌握时分复用、频分复用的基本原理。 理解波分复用基本原理。 了解码分复用的基本原理 理解 PCM 的工作机制。 了解 SONET 和 SDH 的传输机制。 了解宽带接入技术的常用方法。. 频分复用、时分复用和频分复用.

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第 4 讲 信道复用与数字传输技术

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  1. 第 4讲 信道复用与数字传输技术

  2. 知识回顾 • 数据通信模型 • 一些术语 • 信道、信号、单工通信、双工通信、半双工通信、模拟信号、数字信号 • 物理层的传输媒体 • 导向传输媒体 • 非导向传输媒体

  3. 本讲内容及教学目标 • 掌握时分复用、频分复用的基本原理。 • 理解波分复用基本原理。 • 了解码分复用的基本原理 • 理解PCM的工作机制。 • 了解SONET和SDH的传输机制。 • 了解宽带接入技术的常用方法。

  4. 频分复用、时分复用和频分复用 • 为了提高通信系统信道的利用率，话音信号的传输往往采用多路复用通信的方式。多路复用通信方式通常是指：在一个信道上同时传输多个话音信号的技术，有时也将这种技术简称为复用技术。 • 复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 信道 A1 A2 A1 A2 共享信道 信道 复用 分用 B1 B2 B1 B2 信道 C1 C2 C1 C2 (a) 不使用复用技术 (b) 使用复用技术

  5. 频率 频率 5 频率 4 频率 3 频率 2 频率 1 时间 频分复用 FDM • 频分复用(Frequency Division Multiplexing)就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带。 • 时分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。 • 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。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”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

  6. Frequency Division Multiplexing (a) The original bandwidths. (b) The bandwidths raised in frequency. (b) The multiplexed channel.

  7. 时分复用TDM • 是将不同的信号相互交织在不同的时间段内，沿着同一个信道传输；在接收端再用某种方法，将各个时间段内的信号提取出来还原成原始信号的通信技术。这种技术可以在同一个信道上传输多路信号 • 是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 • 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 • TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 • 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

  8. A A A A TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时分复用 频率 A 在TDM帧中 的位置不变 B C D B C D B C D B C D … 时间

  9. 时分复用 使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。 用户 时分复用 a a A t ① B t b b ② t a b b c c a d ③ c c C t #1 #2 #3 #4 ④ d D t 4 个时分复用帧

  10. Time Division Multiplexing The T1 carrier (1.544 Mbps).

  11. Time Division Multiplexing (Cont.) Multiplexing T1 streams into higher carriers.

  12. 统计时分复用STDM 用户 统计时分复用 A a a t ① B b b ② t t a b b c c d a ③ C c c t #3 #2 #1 ④ D d t 3 个 STDM 帧

  13. 波分复用 • 波分复用（wavelength-division multiplexing, WDM）是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送，这就是一个波长信道。 • 密集波分复用（DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing）技术，指的是一种光纤数据传输技术，这一技术利用激光的波长按照比特位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据。 • DWDM首先把引入的光信号分配给特定频带内的指定频率（波长，lambda），然后把信号复用到一根光纤中去，采用这种方式就可以大大增加已铺设光缆的带宽。 • 由于引入（incoming）信号并不在光层终止，接口的速率和格式就可以保持独立，这样就允许服务供应商把DWDM技术和网络中现有的设备集成起来，同时又获得了现有铺设光缆中没有得以利用的大量带宽.

  14. 波分复用 WDM • 波分复用就是光的频分复用。这是FDM在光纤信道的一个变例。是指在一根光纤上不只是传送一个载波，而是同时传送多个波长不同的光载波。则原来在一根光纤上只能传送一个光载波的单一信道变为可传送多个不同波长光载波的信道，从而使得光纤的传输能力成倍增加。 光调制器 光解调器 8  2.5 Gb/s 1310 nm 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7 0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 20 Gb/s EDFA 复 用 器 分 用 器 120 km

  15. 掺铒光纤放大器 • Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) • 制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的铒离子，制作出相应的掺铒光纤。光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。 • EDFA工作在1550窗口。已商用的EDFA噪声低，增益曲线好，放大器带宽大，与波分复用（WDM）系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（DWDM）+非零色散光纤（NZDF）+光子集成（PIC）”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。

  16. Wavelength Division Multiplexing Wavelength division multiplexing.

  17. 码分复用 CDM • 常用的名词是码分多址CDMA • 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。 • 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 • CDMA的特点 • 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。 • 在实用的系统中是使用伪随机码序列。 • 这种技术多用于移动通信， • 不同的移动台(或手机)可以使用同一个频率，但是每个移动台(或手机)都被分配带有一个独特的“码序列”，该序列码与所有别的“码序列”都有不同，所以各个用户相互之间也没有干扰。因为是靠不同的“码序列”来区分不同的移动台(或手机)，所以又叫做“码分多址”技术。

  18. 码片序列(chip sequence) • 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 • 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 • 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 • 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 • 发送比特 1 时，就发送序列 00011011。 • 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 • S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

  19. 码片序列的正交关系 • 例如 • 令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。 • 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。 • 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 • 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0.一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

  20. CDMA 的工作原理 1 1 0 数据码元比特 t m个码片 t S 站的码片序列 S 发 送 端 S 站发送的信号 Sx t T 站发送的信号 Tx t 总的发送信号 Sx + Tx t 接 收 端 规格化内积 S Sx t t 规格化内积 S Tx

  21. CDMA – Code Division Multiple Access (a) Binary chip sequences for four stations (b) Bipolar chip sequences (双极性编码,+1表示1,0表示沉默,-1表示0) (c) Six examples of transmissions (d) Recovery of station C’s signal

  22. PCM历史和基本原理 • 脉码调制，由A.里弗斯于1937年提出的，这一概念为数字通信奠定了基础，60年代它开始应用于市内电话网以扩充容量，使已有音频电缆的大部分芯线的传输容量扩大24～48倍。到70年代中、末期，各国相继把脉码调制成功地应用于同轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容量传输系统。80年代初，脉码调制已用于市话中继传输和大容量干线传输以及数字程控交换机，并在用户话机中采用。 • 为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须对电话信号进行取样。即每隔一定的时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连 续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。 • 取样的频率可根据奈氏取样定理 确定。奈氏取样定理表述为，只要取样频率大于模拟信号最高频率的2倍，则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。即

  23. 脉码调制（PCM） • 现在的数字传输系统都是采用脉码调制（Pulse Code Modulation） 体制。PCM最初并非传输计算机数据用的，而是使交换机之间有一条中继线不是只传送一条电话信号。 • PCM有两个标准即E1和T1。 我国采用的是欧洲的E1标准。T1的速率是1.544Mbit/s,E1的速率是2.048Mbit/s。 • PCM编码必须经过三个过程，即抽样、量化和编码，PCM编码的主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样,使其离散化,同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化,同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值，以实现话音数字化。 • PCM编码的最大的优点就是音质好，最大的缺点就是体积大。我们常见的Audio CD就采用了PCM编码，一张光盘的容量只能容纳72分钟的音乐信息。

  24. 脉码调制 PCM的基本原理 （a）模拟电话信号 （b）取样后的脉冲信号 （c）编码后的数字信号 （d）解码后的脉冲信号 （e）恢复后的模拟电话信号

  25. 脉码调制 • 为有效利用传输线路，通常总是将多个话路的PCM信号用时分多路复用的方法装成帧后再一帧一帧地传输。 • PCM有两个互不兼容的国际标准，北美的24路PCM（T1）和欧洲的30路PCM（E1），T1的速率是1.544Mbps，E1的速率是2.048Mbps。我国采用的是E1标准。 • 数字传输系统高次群的话路数和数据率，如表所示。

  26. 数字数据信号编码 • 基带传输中采用的编码方式常用的有以下3种： • 不归零编码NRZ 　规定用负电平表示“0”，用正电平表示“1”，亦可有其他表示方法。为保证收发正确，必须另外传送时钟同步信号，且如果“1”与“0”个数不相等时，存在直流分量，增大了损耗，如图所示。 • 曼氏编码 • 差分曼氏编码

  27. 编码示意图

  28. 数字数据信号编码 • 曼彻斯特编码（Manchester Encoding），也叫做相位编码(PE)，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。 常用于局域网传输。 • 曼彻斯特编码，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”。中间的跳变作为同步信号。 • 差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示“0”或“1”，有跳变为“0”，无跳变为“1”。它与曼氏编码的不同之处主要是：每比特的中间跳变仅做同步用；每比特的值根据其开始边界是否发生跳变决定。

  29. 字符编码 • 数字传输时，在信道上传送的数据都是以二进制位的形式出现的，如何组合“0”与“1”这两种码元，使之代表不同的字符或信息（数据信息和控制信息）, 叫做字符编码。 • 国际标准化组织1967年推荐了一个7单位编码（每个字符由七位二进制码元组成，另外附加一位奇偶校验位）,即国际标准ISO 646,为世界各国广泛采用。

  30. 同步光纤网SONET • 旧的数字传输系统最主要的两个方面的缺点： • 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，国际范围的高速数据传输就很难实现。 • 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。 • 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。 • 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。 • 光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier

  31. 同步数字系列 SDH • SDH/SONET定义了一组在光纤上传输光信号的速率和格式,通常统称为光同步数字传输网，是宽带综合数字网B-ISDN的基础之一.SDH/SONET采用TDM技术,是同步系统。 • 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。 • SDH 的基本速率为 155.52 Mb/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。

  32. STS 级与 STM 级的对应关系

  33. SONET 的体系结构 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 (section) (section) (section) 线路 (line) 路径 (path) 路径层 路径层 线路层 线路层 线路层 线路层 段层 段层 段层 段层 段层 段层 光子层 光子层 光子层 光子层 光子层 光子层

  34. SONET 的四个光接口层 • 光子层(Photonic Layer) • 处理跨越光缆的比特传送。 • 段层(Section Layer) • 在光缆上传送 STS-N 帧。 • 线路层(Line Layer) • 负责路径层的同步和复用。 • 路径层(Path Layer) • 处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输。

  35. 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。

  36. xDSL 的几种类型 • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) • HDSL (High speed DSL) • SDSL (Single-line DSL) • VDSL (Very high speed DSL) • DSL • RADSL (Rate-Adaptive DSL)

  37. ADSL 的极限传输距离 • ADSL 的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系。 • 例如，0.5 毫米线径的用户线，传输速率为 1.5 ~ 2.0 Mb/s 时可传送 5.5 公里，但当传输速率提高到 6.1 Mb/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 Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里

  38. 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。

  39. 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。

  40. DMT 技术的频谱分布 频谱 上行信道 下行信道 传统电话 … … 频率 (kHz) 0 4 ~40 ~138 ~1100

  41. ADSL 的组成 基于 ADSL 的接入网 至 ISP 端局或远端站 电话 分离器 PS ATU-C 用户线 PS ATU-C ATU-R 区域宽带网 ATU-C 居民家庭 至本地电话局 DSLAM 数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer) 接入端接单元 ATU (Access Termination Unit) ATU-C（C 代表端局 Central Office） ATU-R（R 代表远端 Remote） 电话分离器 PS (POTS Splitter)

  42. HFC 的特点 • 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。 • HFC 网采用结点体系结构 • HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱且具有双向传输功能 • 每个家庭要安装一个用户接口盒

  43. HFC 网结构图 模拟光纤 放大器 光纤结点 头端 服务区 服务区 同轴电缆 分路器 引入线 服务区

  44. HFC频谱划分举例 下行信道 上行 信道 原有模拟电视 数字信号 保留 频率(MHz) 5 40 50 550 750 1000

  45. 电缆调制解调器(cable modem) • 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。 • 其下行速率一般在 310 Mb/s之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为 0.22 Mb/s，最高可达 10 Mb/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。

  46. HFC 网的优点 • 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。

  47. FTTx 技术 • 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。

  48. 本讲小结 • 信道复用技术 • 时分复用 • 频分复用 • 数字传输系统 • 脉码调制 • 数字数据信号编码 • 字符编码 • 宽带接入技术

  49. 作业 • 上交作业 • P62, 2-10,2-11,2-13,2-14,.2-16,2-17 • 预习第三章 • 预习实验二和实验三

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