计算机网络：物理层中的数字传输系统全景概览解析

数字传输系统

由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准：

• 北美的 24 路 PCM（简称为 T1）
• 欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）

我国采用的是欧洲的 E1 标准。

E1 的速率是 2.048 Mbit/s，而 T1 的速率是 1.544 Mbit/s。

当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。  

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：

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。

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。

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 Transport Signal)，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。  

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。  

SONET的 OC级 / STS级 与SDH的 STM级 的对应关系

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。

宽带接入技术

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 原来认为只要双向速率之和超过 200 kbit/s 就是宽带。但 2015 年重新定义为：

宽带下行速率要达到 25 Mbit/s                      

宽带上行速率要达到 3 Mbit/s

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。

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。

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）

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。

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。

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。

DMT 技术的频谱分布

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。

ADSL 的组成

DSLAM (DSL Access Multiplexer) ：数字用户线接入复用器

ATU (Access Termination Unit) ：接入端接单元

ATU-C (C 代表端局 Central Office)     ATU-R (R 代表远端 Remote)

PS (POTS Splitter) ：电话分离器

基于 ADSL 的接入网的组成

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。

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。

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。

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 网具有双向传输功能，扩展了传输频带

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：

• 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。
• 使用双绞线连接到用户的电话机。
• 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

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。

• 下行速率一般在 3  10 Mbit/s之间，最高可达 30 Mbit/s。
• 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。

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：

• 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。
• 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)：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。

无源光网络 PON  (Passive Optical Network) 的组成

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