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1、信道复用与数字传输技术知识回顾l数据通信模型l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l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l掌握时分复用、频分复用的基本原理。l理解波分复用基本原理。l了解码分复用的基本原理l理解PCM的工作机制。l了解SONET和SDH的传输机制。l了解宽带接入技术的常用方法。共享信道频分复用、时分复用和频分复用l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。l复用(multiplexing)是通信
2、技术中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术频分复用FDMl频分复用(FrequencyDivisionMultiplexing)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。l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。l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
3、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）。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5FrequencyDivisionMultiplexing(a)Theoriginalbandwidths.(b)Thebandwidthsraisedinfrequency.(b)Themultipldchannel.时分复用TDMl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l是将时间划分为一段段等长的时分复用
4、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。时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧时分复用ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户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。TimeDivisionMultiplexin
5、gTheT1carrier(1.544Mbps).TimeDivisionMultiplexing(Cont.)MultiplexingT1streamsintohighercarriers.统计时分复用STDM用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1acbabbcacd#2#3统计时分复用波分复用l波分复用（wavelength-divisionmultiplexingWDM）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
6、是一个波长信道。l密集波分复用（DWDMDenseWavelengthDivisionMultiplexing）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。lDWDM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。l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.1550nm01551nm11
7、552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分复用WDMl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。82.5Gbs1310nm20Gbs复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器掺铒光纤放大器lErbiumDopedFiberAmplifier
8、(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。WavelengthDivisionMultiplexi
9、ngWavelengthdivisionmultiplexing.码分复用CDMl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)。lCDMA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。l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
10、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。码片序列(chipsequence)l每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。l例如，S站的8bit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。lS站的码片序列：(111+1+11+1+1)码片序列的正交关系l例如令向量S为(111+1+11+1+1)，向量T为(11+11+1+1+11)。把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出
11、这两个码片序列是正交的。l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。l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(innerproduct)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。CDMA的工作原理S站的码片序列S110ttttttm个码片tS站发送的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx规格化内积SSx规格化内积STx数据码元比特发送端接收端CDMACodeDivisionMultipleAccess(a)Binarychipsequencesforfourstations(b)Bipolarchipsequences(双极性编码+1表示
12、10表示沉默-1表示0)(c)Sixexamplesoftransmissions(d)RecoveryofstationCssignalPCM历史和基本原理l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2448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。l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
13、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。l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。即脉码调制（PCM）l现在的数字传输系统都是采用脉码调制（PulseCodeModulation）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。lPCM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1.544MbitsE1的速率是2.048Mbits
14、。lPCM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。lPCM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AudioCD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。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脉码调制l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
15、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。l数字传输系统高次群的话路数和数据率，如表所示。数字数据信号编码l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编码示意图数字数据信号编码l曼彻斯特编码（ManchesterEncoding），也叫做相位
16、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。l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。l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。字符编码l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。l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ISO646为世界各国广泛采用。同步光纤网SONETl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
