计算机网络：（五）信道复用技术，数字传输系统，宽带接入技术

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前言

• 在上一篇博客中，我们已经探讨了计算机网络物理层的基本概念，深入学习了数据通信的基础知识，并且了解了物理层下各类传输媒体的特性与应用。​
• 接下来，我们将开启物理层知识体系的新章节，聚焦于信道复用技术、数字传输系统以及宽带接入技术的深度解析。这些内容既是物理层技术体系的重要组成部分，也是理解现代通信网络高效传输机制的关键切入点。

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一、信道复用技术

1. 为什么需要复用技术？

想象一条马路（信道），如果多辆车（信号）同时挤上去，不按规则行驶就会堵车（干扰）。

• 现实中，网络信道资源有限（比如一根网线要给很多人用），如果多对用户各自占用独立信道，成本高且浪费。

复用技术就是让多组信号“有序共享”同一信道，避免干扰，提高利用率的技术。

2. 频分复用（FDM）

核心思想：把信道的频率带宽像切蛋糕一样分成多个“车道”，每个用户独占一个频率车道传输信号。

• 怎么工作？
  • 比如广播电台，不同电台用不同频率（如FM 97.4MHz、FM 103.9MHz），听众调谐到对应频率就能接收特定电台的信号。

在网络中，多路基带信号会被调制到不同频率的载波上，叠加后在同一信道传输，接收端再通过滤波器分离不同频率的信号。

• 特点：
  • 所有用户同时传输，但占用不同频率带宽（比如车道并行）。
  • 一旦分配频带，用户始终占用，即使没数据传输也不释放（可能浪费）。

3. 时分复用（TDM）

核心思想：把时间分成固定长度的“时间段”（TDM帧），每个用户在帧内占用固定序号的时隙，轮流使用信道。

• 怎么工作？
  好比食堂打饭窗口，每个人按顺序排队，每人有10秒打饭时间。

  • 在网络中，每个TDM帧包含多个时隙，每个用户周期性地在自己的时隙内发送数据。

  • 例如4个用户，每个TDM帧分成4个时隙，用户A永远用第1个时隙，用户B用第2个，以此类推。

• 特点：

  • 所有用户分时共享同一频率带宽（比如同一车道，车轮流过）。
  • 缺点：如果某个用户在自己的时隙内没数据发送，该时隙就空闲浪费（比如排队到你时你没带饭卡，窗口空着）。

4. 统计时分复用（STDM）

核心思想：针对TDM的浪费问题，STDM动态分配时隙——只有当用户有数据要发送时，才给它分配时隙，没数据时不占资源。

• 怎么工作？

  • 对比TDM的“固定排队”，STDM像“灵活叫号”：食堂窗口看到有人拿着饭卡才叫号服务，没人就叫下一个。
  • 在网络中，STDM帧的时隙不固定分配给某个用户，而是根据实时需求动态分配，比如用户A有数据时才给它时隙，用户B没数据就跳过。

• 优势：

  • 信道利用率大幅提高，避免TDM中“时隙空闲”的情况。
  • 适合数据突发的场景（比如计算机网络中，用户数据不是持续发送的）。

5. 三者对比

复用技术	分配资源的维度	资源分配方式	优点	缺点
频分复用（FDM）	频率带宽	固定分配，同时使用	技术简单，适合模拟信号	频率资源紧张时效率低
时分复用（TDM）	时间时隙	固定分配，轮流使用	适合数字信号，同步简单	空闲时隙浪费资源
统计时分复用（STDM）	时间时隙	动态按需分配	利用率高，适应突发数据	需要复杂的控制机制

二、数字传输系统

1. 为什么数字传输系统“打败”了模拟传输？

早期电话网的困境：几十年前，电话长途干线用的是频分复用（FDM）的模拟传输，就像用录音机直接录声音，信号容易受干扰、失真，而且只能传语音，传不了视频、数据等“新业务”。

数字传输的逆袭：

• 像把声音转换成“0和1”的数字信号（类似摩尔斯电码），抗干扰能力强，还能压缩、加密。
• 光纤出现后，数字信号能在光线上高速传输，容量大到能同时传几万路电话和高清视频。

2. 数字传输的“初代标准”：PCM时分复用

PCM（脉冲编码调制）：把模拟信号（如语音）转换成数字信号的技术，核心是“采样→量化→编码”。比如说话的声音被“偷拍”成每秒8000张“数字照片”，再变成0和1传输。

两大“派系”：T1和E1

• 北美T1：24路语音合用一个信道，速率1.544 Mbit/s（像24车道的小路）。
• 欧洲E1（我国采用）：30路语音+2路控制信号，速率2.048 Mbit/s（30车道，更实用）。
  ✅ 类比：E1像更宽的马路，能拉更多“货物”（信号），所以我国选了它。

3. 早期数字系统的“两大痛点”

1. 速率标准乱成一锅粥
   各国自己搞标准，比如日本用1.544 Mbit/s，欧洲用2.048 Mbit/s，高等级速率（如4倍速、16倍速）也不统一，跨国传输像“不同轨距的铁路”，货物得换车，麻烦又贵。

2. 时钟不同步，信号“堵车”
   早期用“准同步”：每个设备时钟像各自调时间的钟表，走得快慢有误差。高速传输时（如10 Gbit/s），误差积累会导致信号错位，像一群人排队却各走各的拍子，最终挤成一团。

4. 同步光纤网SONET

核心创新：

• 统一时钟源：所有设备都以一个超级精准的主时钟为基准（类似所有钟表都对北京时间），彻底解决同步问题。
• 速率标准化：以51.84 Mbit/s为基础（OC-1），像高速公路入口，往上按倍数扩展：
  • OC-3（155 Mbit/s）≈ 3条OC-1并行
  • OC-192（10 Gbit/s）≈ 192条OC-1并行，能同时传100万路语音！

5. SDH

SDH（同步数字系列）：国际电信联盟（ITU-T）在SONET基础上制定的全球标准，两者本质一样，只是“起跑线”不同：

• SONET的OC-3（155.52 Mbit/s）= SDH的STM-1（155 Mbit/s）
• 更高等级如STM-16（2.5 Gbit/s）、STM-64（10 Gbit/s），像高速公路的不同路段标识。

SDH的“超能力”：

• 不仅能用于光纤，还能适配微波、卫星传输，像“万能运输车”。
• 自带“故障检测”功能，哪段线路出问题，系统能快速定位并切换备用路线，保障通信不中断。

等级	SONET符号	SDH符号	相当于多少条E1线路	实用场景
基础速率	OC-1	—	约75条E1	小型网络接入
常用速率	OC-3/STM-1	155 Mbit/s	约75×3=225条E1	城市骨干网
高速率	OC-48/STM-16	2.5 Gbit/s	约1200条E1	跨国干线
超高速率	OC-192/STM-64	10 Gbit/s	约5000条E1	海底光缆、数据中心互联

三、宽带接入技术

1. 宽带是什么

宽带的定义：其实就是“更快的网络接入”，但标准一直在变。比如美国FCC规定，“宽带”需要满足下行速度≥25 Mbit/s（下载速度），上行速度≥3 Mbit/s（上传速度）。
分类：从接入方式看，主要分两类：

1. 有线宽带：用线连网，比如家里的网线、光纤。
2. 无线宽带：用WiFi、4G/5G等无线信号连网。

2. ADSL技术

（1） ADSL是什么

ADSL全称“非对称数字用户线”，简单说：它能把家里的老电话铜线“变废为宝”，让你一边打电话，一边上网。
核心特点：

• “非对称”：下载速度（从网络到你家）比上传速度（从你家到网络）快很多。比如下载可能有20M，上传只有2M。
• 频带分工：电话用低频段（0~4000Hz），上网用高频段，互不干扰。

（2） ADSL怎么工作？

• 调制解调器（猫）：把数字信号变成适合电话线传输的信号，用的是“DMT调制技术”，类似把一条马路分成很多小车道，每个车道传一部分数据。
• 电话分离器：一个小盒子，分三个接口，让电话和网络信号“各走各的路”，打电话时不影响上网。

（3） ADSL的升级

• ADSL2：下载速度至少8M，上传800k。
• ADSL2+：下载速度最高25M（扩展了频段到2.2MHz），还能自动调整速度，上网更稳定。
  缺点：企业不太适合，因为企业经常需要大量上传数据，而ADSL上传慢。

（4）xDSL家族

• SDSL：对称宽带，上下行速度一样，适合企业。
• HDSL：高速版，适合短距离高速传输。
• VDSL：超高速版，离交换机近的话下载能到100M+。
• Giga DSL：华为搞的，用新技术让速度更快，适合未来升级。

3. HFC网

（1）HFC是什么

HFC全称“光纤同轴混合网”，原本是看电视的CATV网，后来把主干线换成了光纤，入户还是同轴电缆（类似老式闭路线）。
好处：既能看电视，又能上网，一根线干两件事。

（2）HFC怎么分配网络和电视信号？

• 电视信号：用54~550MHz频段（比如CCTV1、CCTV5）。
• 上网信号：
  • 上行（你发数据）：5~42MHz，比如发微信消息。
  • 下行（你收数据）：550~750MHz，比如下载电影。
• 调制方式：下行用QAM调制，6MHz的信道能传27Mbps，相当于每秒下载3MB文件。

（3）用户端设备

• 机顶盒：连电视和同轴电缆，把数字电视信号转成模拟信号，老电视也能看高清台。
• 电缆调制解调器（Cable Modem）：连电脑和同轴电缆，负责上网。但它有个麻烦：很多用户共享一条线，可能会像堵车一样“冲突”，需要技术解决。

4. FTTx技术

（1）FTTx是什么

FTTx全称“光纤到…”，核心是用光纤代替铜线，速度更快、更稳定。常见类型：

• FTTH（光纤到户）：光纤直接拉到你家，速度能到千兆，是未来家庭上网的终极方案。
• FTTB（光纤到大楼）：光纤到楼道，再用网线分到各户，适合公寓楼。
• FTTC（光纤到路边）：光纤到小区路边，再用网线拉到你家，适合郊区。

（2）光配线网（ODN）

• OLT（光线路终端）：在运营商机房，是光纤网络的“总开关”。
• ONU（光网络单元）：在用户端，比如你家的光猫，把光信号转成电信号。
• 光分路器：像“分叉路口”，把一根光纤的信号分成多份，传给不同用户。

（3）有源光网络vs无源光网络

• 有源光网络：中间需要电源和设备转接，成本高，适合企业。
• 无源光网络（PON）：中间不用电源，全靠光分路器分信号，成本低、更可靠，适合家庭，比如EPON、GPON技术，现在小区装的光纤基本都是这种。

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以上就是本篇博客的全部内容。下一篇我们将深入物理层中信道复用技术

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