信道带宽限制

第二章物理层计算机网络物理层2.
1数据通信基础2.
2公共电话交换网2.
1数据通信基础2.
1.
1数据通信的理论基础2.
1.
2有导向的传输介质2.
1.
3无线通信2.
1.
1数据通信的理论基础在数据通信中,我们传输的是有限长的一个波形信号.
该波形信号称为码元.
码元信号在实际信道中传输会有失真.
实际的信道(带宽受限、有噪声、干扰和失真)发送信号波形接收信号波形2.
1.
1数据通信的理论基础假设码元的时间为T,它的带宽为B.
当信道的带宽小于码元带宽时,码元传输就会失真.
又因为码元的时间宽度T与码元带宽B成反比.
所以,若要传输不失真,码元的时间宽度T越小,则所需要的信道带宽B越大.
当信道带宽B为定值时,码元的宽度T的下限是多少(或者码元速率的上限是多少)2.
1.
1数据通信的理论基础比如我们传送一个码元"b""b"的ASCII码是"01100010"01100010T2.
1.
1数据通信的理论基础根据傅立叶变化,该有限长(码元宽度为T)信号的频率的能量分布如下图所示.
123456789101112频率(1/THz)幅度0.
250.
52.
1.
1数据通信的理论基础信道带宽=1/T信道带宽=2/T信道带宽=4/T信道带宽=8/T2.
1.
1数据通信的理论基础码元长度为T的波形信号通常用几倍于1/THz带宽宽度的信道就可以传输了.
到底是几倍取决于实际波形的形状.
最好的波形形状是高斯波形,码元长度为T的高斯波形信号可以用1/2THz带宽的信道来传输.
2.
1.
1数据通信的理论基础一般的,我们有下面的结论.
假设一个信道的带宽为B,则最大的码元传输速率是2B.
如果,长度为T的波形信号有V种离散值的信号,其最大比特传输速率为:如果信道还有噪声(加性高斯白噪声),那么可传输的最大比特传输速率是2.
1.
2有导向的传输介质双绞线同轴电缆光纤双绞线定义两个绝缘铜线以螺旋状的形式交织在一起的通信媒介.
双绞线5类双绞线双绞线特点螺旋的结构可以抵消外界电磁波的干扰.
主要应用于现在的电话线和网线.
可以传输模拟信号,也可以传输数字信号.
其带宽取决于铜线的粗度和长度.
一般在几公里长度内,可以达到几Mbps的速率.
同轴电缆定义它是由硬铜芯和外面包裹的密织网状圆柱导体组成.
外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆特点抗噪能力强.
同轴电缆的通信距离比双绞线要长.
同轴电缆的带宽比双绞线要宽(可达几GHz).
光纤定义光纤传输系统由光源,光传输介质和探测器组成.
光发送机光接收机计算机发送端计算机接收端光纤光在穿过不同介质的时候,会发生折射和反射.
当入射角达到一定程度的时候,光的能量将会全部反射回来.
折射角入射角包层(低折射率的媒体)包层(低折射率的媒体)纤芯(高折射率的媒体)包层纤芯光纤光纤的工作原理高折射率(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光纤多模光纤与单模光纤多模光纤光纤目前用于光线通信的中心波长有三个:0.
85μm、1.
30μm、1.
55μm.
每个波段的带宽可达25000-30000GHz.
衰减(分贝/千公里)波长(微米)光纤光线较铜线的优点带宽宽很多(理论带宽可达50000Gbps,现在达到了1000Gbps)每公里衰减低.
不受电源,电磁波干扰,不受空气中化学物质的侵蚀.
重量轻,便宜.
安全.
光纤较铜线的缺点对光纤处理需要较高的操作技能.
不能过度弯曲.
接口成本高.
2.
1.
3无线传输电磁波谱无线电传输微波传输红外传输光传输电磁波谱电磁波谱及其在通信中的应用.
无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电无线电波(Radio)对VLF,LF,MF的电磁波(3k-3M),其传播是沿着地球表面传播的.
如调幅电波(530到1700kHz).
对HF,VHF的电磁波(3M-300M),其传播是通过电离层反射的.
如短波(3M-30M)和调频电波(70M-100M).
地面波地球表面地球表面电离层低频和中频无线电沿地球表面传播短波和调频无线电波通过电离层反射传播微波传输微波在300MHz以上300GHz以下的频段,它几乎按直线传播.
微波对建筑物的穿透性不好.
价格便宜,任何人只要在每个50km架设一个微波塔,就可以绕过电话系统进行通信了.
常用于卫星电视(1.
5G-30GHz)的通信.
50km50km频谱的使用政策TheISM(Industrial,Scientific,Medical)可以使用的免费频谱资源.
2683.
5125频带MHzMHzMHz频率9029282.
42.
48355.
7255.
850MHzMHzGHzGHzGHzGHz红外线广泛应用于短距离通信方向性好便宜不具有穿透性使用无需政府许可2.
2公共电话交换网络(PTSN)2.
2.
1电话系统结构2.
2.
2本地环路2.
2.
3中继线2.
2.
4交换2.
2.
1电话系统结构电话系统发展的历史成对出售的电话构成的全联通网(1876)由交换局构成的中心交换网络(1878)由多层交换局构成的多层网络体系结构(1890)(a)全联通网络(b)中心交换网络(c)多层体系网络2.
2.
1电话系统结构本地回路用户电话和局端的连接(模拟双绞线).
中继线不同交换局的连接(数字光纤).
交换局连接不同中继线的交换机.
电话长途局端局中间交换局长途局端局电话本地回路长途连接中继线超宽带局间中继线长途连接中继线本地回路2.
2.
2本地回路2.
2.
2.
1电话调制解调器(Modem)2.
2.
2.
2ADSL调制解调器2.
2.
2.
3光纤到户2.
2.
2.
1电话调制解调器计算机通过电话调制解调器上网的连接图电话调制解调器计算机编码解码器本地回路(模拟)端局编码解码器电话调制解调器计算机ISP数字线路中继线(数字、光纤)2.
2.
2.
1电话调制解调器本地回路模拟线路的带宽为3000Hz理论码元速率为6000波特根据奈奎斯特采样定理实际的码元速率很低,大多数调制解调器发送的码元速率为2400波特2.
2.
2.
1电话调制解调器数字信号调制为模拟信号(a)QPSK(b)QAM-16(c)QAM-644800bps9600bps14400bps2.
2.
2.
1电话调制解调器数字信号调制为模拟信号(a)V.
32for9600bps,其中4比特为数据位,一比特为校验位(b)V.
32bitfor14400bps.
其中6比特为数据位,一比特为校验位2.
2.
2.
1电话调制解调器该系列的最终调制解调器为V.
34bis,速度可以达到33600bps.
这个最大速度主要取决于本地回路的信噪比.
该极限大约为35kbps.
如果计算机不与另一个计算机通信,而与ISP直接通信,其信噪比可以提高一倍,这样其通信速率可以达到70kbps.
实际中我们采用的是56kbps的调制解调器.
2.
2.
2.
2ADSL调制解调器宽带服务为了提供超过56kbps的数据服务,电话公司提出了ADSL技术.
之所以最高数据速率为56kbps是因为我们将本地回路的带宽限制在300hz到3400Hz这一个狭长的范围内了.
2.
2.
2.
2ADSL调制解调器ADSL(AsymmetricDigitialSubscriberLine)设计的目标服务在现有的三类双绞线上工作.
不影响原来的电话和传真业务.
它的速率比56kbps高.
这个服务必须是总是可用的,按月收费而不是按小时收费.
2.
2.
2.
2ADSL调制解调器ADSL(AsymmetricDigitialSubscriberLine)本地回路上的1.
1MHz被分为256条信道,每条信道的带宽为4312.
5Hz,信道0用于简单老式电话服务(POTS).
信道1-5空闲,其余信道一条用于上行控制,一条用于下行控制,剩下的用于数据传输.
功率语音上行通道下行通道信道2.
2.
2.
2ADSL调制解调器ADSL宽带网络连接图语音交换机编码解码器分离器分离器电话线电话DSLAcessmultiplexerADSL调制解调器以太网计算机用户住宅电话公司局端2.
2.
2.
3光纤到户光纤到户(FttH,Fibertothehome)分离器/组合器交换机或路由器High-SpeedInternetIPTVVoIP头端1:NONUONUOLT光纤干线光分路器光网络单元ONU头端1:NONUONUOLT光纤干线ONU发往特定ONU的数据特定ONU发来的数据下行上行局端用户端光配线网(ODN)FttH通信原理2.
2.
3中继线2.
2.
3.
1语音信号的数字化2.
2.
3.
2时分复用2.
2.
3.
3SONET/SDH2.
2.
3.
4波分复用2.
2.
3.
1语音信号的数字化脉冲编码调制(PCM)电话调制解调器电话编码解码器本地回路(模拟)端局量化值采样间隔时间2.
2.
3.
1语音信号的数字化PCM(PulseCodeModulation):对模拟信号进行u-law(北美与日本)或A-law(中国与欧洲)压缩采样速率为8kHz(125us)每个采样值为8bits.
2.
2.
3.
2时分复用T1载波将125us分为24路信道和一比特帧码193bit的帧(125us)帧码信道1信道2信道3信道4信道24数据比特信令比特T1载波24路信道每路信道有7位数据比特,最低位为信令比特(一般认为最低位的失真对模拟语音信号影响不大)1比特帧码在如下图所示的超级帧中,第4,8,12,16,20,24帧的1比特码固定为001011,接收端检查该固定码子来与发送端同步.
4128162024………………1超级帧T1帧E1载波中国和欧洲使用每125us一帧,每帧32个信道,每个信道8位采样,其中2个信道用于信令,其余30个用于用户数据.
线路速率为32x8x8000=2.
048Mbps更高阶的载波将4条T1载波时分复用成T2载波,速率为6.
312Mbps.
将7条T2载波时分复用成T3载波,速率为44.
735Mbps.
将6条T3载波时分复用成T4载波,速率为274.
176Mbps.
同步光纤网与同步数字系列为了统一北美,欧洲,中国的数字传输系统.
1985年,RBOC(RegionalBellOperationalCompany)的研究机构Bellcore制定了同步光纤网络SONET(SynchronousOpticalNetwork).
1989年,ITU参入到这项工作中,提出了同步数字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy).
这两个标准及其相似,可以认为是同义词.
同步光纤网(SONET)同步光纤网络的基本帧STS-1(SynchronousTransportSignal-1)每125us一帧,每帧810字节,每帧9行,90列线路速率:90x9x8x8000=51.
84Mbps87列3列信令开销9行段开销路径开销线路开销同步有效载荷(SPE)SONET帧SONET帧同步光纤网与同步数字系列同步光纤网与同步数字系列的各级复用传输标准对照表.
波分多路复用(WDM)波分多路复用技术已经发展到计算机望尘莫及的地步了.
1990年,第一个商业系统由8个信道,每个信道2.
5Gbps.
2006年,一款产品可以提供64个信道,每个信道40Gbps.
长途光纤光纤1光纤2光纤4光纤3滤光器组合器分离器2.
2.
4交换电路交换(CircuitSwitching)分组交换(PacketSwitching)电路交换当电话进行通信时,电话系统的交换设备将全力以赴的寻找一条从你的电话到对方电话的物理路径.
交换局物理连接分组交换当计算机要传送数据时,不需要建立连接.
路由器采用存储转发方式将收到的包发送到目的地址.
交换局计算机计算机数据包排队等待传输电路交换与分组交换网的比较项目电路交换分组交换呼叫建立需要不需要专用物理路径是不是每个包遵循相同的路由是不是包按序到达是不是交换机崩溃是否致命是不是可用带宽固定动态可能拥塞的时间在建立时每个包存储-转发传输不是是潜在带宽浪费是不是收费按分钟按包本章作业1、若将无噪声的4kHz的信道用于下面的用途,请比较他们最大的传输速率:(a)采样值为2比特的模拟编码.
(如QPSK)(b)T1PCM系统.
2、比较在一个电路交换网和一个(负载较轻)分组交换网中,沿k跳路径发送一个x位长度消息的延时.
假设电路交换建立的时间为s秒,每一跳的传播延时为d秒,数据包的大小为p位,数据传输率为bbps.
试问在什么条件下分组网络延时比电路交换网络延时短