现代通信技术概论

现代通信技术概论赵宏波卜益民陈凤娟编著目录第1章绪论第2章数字通信技术第3章程控交换技术第4章信息传输技术与系统第5章通信网第6章数据通信与数据网第7章ISDN与ATM技术第8章宽带IP技术第9章接入网与接入技术第1章绪论1.1基本概念1.2通信发展趋势1.1基本概念1.1.1通信系统图1.1通信模型示意图1.通信系统的分类通信系统有多种分类形式，如：可从通信内容上、传输信号的性质上、信道上等进行划分。(1)根据通信内容可分为：语音通信(电话)、数据通信系统、图像通信、多媒体通信(2)根据传输信号的性质可分为：(3)根据信道的不同可分为：有线通信、有线电通信、双绞线、同轴电缆、光纤通信、无线通信、短波通信、微波通信、卫星通信、同步卫星、中低轨道卫星、红外线通信2.（1）有效性①符号速率又叫信号速率，记为N。它表示单位时间内(每秒)信道上实际传输的符号个数或脉冲个数(可以是多进制)。符号速率的单位是波特，即每秒②信息传输速率，简称传信率，通常记为R。它表示单位时间内系统传输(或信源发出)的信息量，即二进制码元数。（2）频带利用率用单位频带内的符号速率描述系统的传输效率，即每赫的波特数，符号速率用η表示。（3）可靠性可靠性可用差错率来表示。常用的差错率指标有平均误码率、平均误字率、平均误码组率等。1.1.21.模拟信号是指代表消息的电信号及其参数（幅度、频率或相位）随消息连续变化的信号。其特点是幅度连续变化，而在时间上可以连续，也可以不连续；前者是连续的模拟信号，后者是离散的模拟信号，如图1.2所示。2.数字信号是一系列的电脉冲，时间上是离散的，信号参数（幅度）也不连续变化，如图1.3数字信号是指在时间上和幅度上均取有限离散数值的电信号，这类电信号常用电压或电流的脉冲代表。数字信号与模拟信号的不同点在于数字信号不直接与消息对应。图1.2模拟信号图1.3数字信号3.数字信号的基本形式最简单的数字信号是二元码(或称二进制码)，这种码的幅度只取两种不同的瞬时值。这种二进制码分为单极性、双极性和归零、不归零四图1.4二元码的四种基本形式在二进制数字通信系统中，每个码元或每个符号只能是“1”和“0”两个状态之一。实际通信中也可以有多信号电平系统即对应多进制码。进制越高，级差越小，抗干扰能力越差。但是进制越高，每个符号所代表的信息量越大。在信息论中对符号所载荷的信息量有严格定义。在二进制数字传输中，若数字序列里1和0的概率各占1／2，并且前后码元是相互独立的，序列中每个二进制码元所载荷的信息量就是1比特；而多进制每个符号所含的信息量将要增加，四电平的符号包含log24=2bit的信息量，八电平的符号包含log28=3bit的信息量。4.数字信号码型基带信号的码型有如下几种：（1）二元码：采用两个电平编出来的码型。主要有单极性不归零码、单极性归零码、双极性归零码、双极性非归零码、差分编码、双相脉冲编码等。（2）三元码：信号的幅度取值为+1、0、-1。如：传号交替反转码、HDBn码等。（3）（4）mBnB码（分组码）：把输入的信息码流按m个比特为一组然后变换为n个比特。且n＞m。如在光纤通信中常用的5B6B码。由于传输信道中有许多电感、电容原件，因其直流截止特性，对线路传输码具有一定的抗干扰能力；码型变换设备简单，易于实现。1.1.3通信信道1.通信媒体(1）明线：(2）双绞线(twistedpair)(3）同轴电缆(coaxialcable)(4）光纤(5）微波通信(6）卫星通信2.通信方式(1）单工通信：信息只能单向传送或某一时间内只能使用发信机或收信机。其工作原理如图1.9所示。(2）半双工通信：可以双向传送数据，但两个方向只能轮流分时发送，不能同时传送。或只有其中一方可同时使用收、发信机。其工作原理如图1.10所示。图1.9单工通信方式图1.10半双工通信方式(3）全双工通信：信息可同时双向传送。通信双方的收、发信机均可同时工作。其工作原理如图1.11所示。图1.11全双工通信方式3.传输方式按照传输信号在通信信道中的时空顺序分类，通信的传输方式可分为串行传输和并行传输。(1）串行传输：指信号在一个信道上以按位依次传输的x方式传输。(2）并行传输：指信号数据以成组的方式在多条并行信道上同时传输。4.(1）异步传输(2）同步传输5.复用方式(1）频分复用：在频率上把要传输的几路信息合在一起，形成一个合成的信号后进行传输。(2）时分复用：采用分时技术，每路分配一个时隙1.1.4通信网1.通信网的组成通信网组成的基本要素（硬件）是：终端设备、传输链路、转接交换设备。2.通信网的拓扑结构(1）星形网：每一个终端均通过单一的传输链路与中心交换节点相连，如图1.12（a）所示。(2）树形网：是一种分层结构，适用于分级控制的系统，如图1.12（b）所示。(3）网状网：点点相连，安全性高，链路数多，如图1.12（c）所示。(4）环形网：三个以上的节点用闭合环路形式组成，如图1.12（d）所示。(5）总线型网：通过总线把各节点连接起来，从而形成一条共享信道。结构简单、扩展方便。如图1.12（e）所示。(6）复合型网：该网络结构是现实中最常见的一种形式。其特点是将网状网和星形网结合。图1.12电信网的基本结构3.通信网的分层结构（1）纵向分层的观点（2）水平描述水平描述是基于通信网实际的物理连接来划分的，可分为核心网、接入网和用户驻地网。图1.13垂直观点的网络结构1.1.5通信协议1.协议概念和层次结构协议是指系统间互换数据的一组规则，主要是关于相互交换信息的格式、涵义、节拍等。协议分层总括起来有以下好处：(1)各层之间是独立的，任何一层不需知道下面一层是如何实现的，只需知道下一层所提供的服务和本层向上一(2)灵活性好，任何一层发生变化，只要接口关系保持不变，其他各层均不受影响；(3)结构上可以隔开，各层都可采用最合适的技术来实现；(4)2.开放系统互连(OSI)参考模型图1.14OSI分层结构(1）①网络中的各个节点具有相同的层次，②各个层次间的差别③低层对高层要具④在需要的地方可以设置子层，在不需要⑤同一节点相邻层间设置接口通信，不同节点的对等层间的通信采用相同的协议。⑥层次不能太多。(2）OSI/RM中各层的主要功能:①物理层(physicallayer)物理层处于OSI参考模型的最低层。物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路提供物理连接，以透明地传送比特流。②数据链路层(datalinklayer)在物理层提供比特流传输服务的基础上，在通信实体之间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，通过差错控制、流量控制等方法，③网络层（networklayer执行路由选择算法，为报文分组通过通信子网选择最适当的路径。网络层具有路径选择、拥挤控制与网络互连等功能，它是OSI参考模型中最复杂的一层。④传输层（transportlayer提供可靠的端到端（endtoend）服务，透明地传送报文。它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是计算机通信体系结构中最关键的一层。⑤会话层（sessionlayer）会话层的主要目的是组织和同步两个会话服务用户之间的对话，并管理数据的交换。⑥表示层（presentationlayer理两个通信系统间信息交换的表示方式。它包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。⑦应用层（applicationlayerOSI参考模型的最高层。主要提供OSI用户服务，如文件传送、电子邮件、EDI等。1.2通信发展趋势1.2.1通信发展的技术基础1.微电子和微光学技术2.计算机技术3.信号与信息处理技术1.2.2通信业务发展趋势1.业务宽带化2.业务IP化3.业务智能化4.业务移动化５.业务个人化1.2.3通信技术发展趋势1.从电路交换向分组交换的转变2.窄带业务接入技术从铜线接入向移动接入转变3.传送技术从点到点通信向光联网转变4.有线无线接入都将完成从窄带向宽带的转变1.2.4通信网络发展趋势1.融合将成为未来网络技术发展的主旋律2.向新一代的全业务电信网方向发展第2章数字通信技术2.1模拟信号数字化2.2时分多路复用及PCM30/32路系统2.3数字复接技术传输数字信号的通信称为数字通信。数字通信以其抗干扰能力强、便于存储、处理和交换等特点，已经成为现代通信网中的最主要的通信技术基础，广泛应用于现代通信网的各种通信系统。数字通信系统的框图如图2.1所示。图2.1数字通信系统模型2.1模拟信号数字化2.1.1模拟信号和数字信号1.模拟信号信号波形模拟着信息的变化而变化，如图2.2所示的信号称为模拟信号。其特点是幅度连续(连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值)。图2.2模拟信号2.数字信号图2.３是数字信号，其特点是幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的而是离散的。称这种幅度离散的信号为数字信号。图2.3数字信号2.1.2数字通信的特点(1)抗干扰能力强、无噪声积累。(2)便于加密处理。(3)便于存储、处理和交换。(4)设备便于集成化、微型化。(5)便于构成综合数字网和综合业务数字网。(6)占用信道频带较宽。图2.4两类通信方式抗干扰性能比较2.1.3脉冲编码调制（PCM）技术脉冲编码调制（PulseCodeModulation，简称PCM）是先对信号进行抽样，并对每个样值独立地加以量化，然后通过编码转换为数字信号。如图2.5所示。图2.5PCM系统结构图1.抽样信源发出的话音信号是模拟信号，它不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间上也是连续的。要使话音信号数字化并实现时分多路复用，首先要在时间上对话音信号进行离散化处理，这一过程叫抽样。理论和实践证明，只要抽样脉冲的间隔T＜1/2fm(fm是话音信号的最高频率)，则抽样后的样值序列可不失真地还原成原来的话音信号。这也称作抽样定律。图2.6模拟信号与其对应的样值序列2.量化抽样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍然是连续的，还必须进行离散化处理，才能最终用数字来表示。这就要对幅值进行舍零取整的处理，这个过程称为量化。（1）量化，这种量化也称线性量化。图2.7均匀量化（2）非均匀量化如果使小信号时量化级间宽度小些，而大信号时量化级间宽度大些，就可以使小信号时和大信号时的信噪比趋于一致，这种非均匀量化级的安排称为非均匀量化或非线性量化。图2.8非均匀量化框图与压缩扩张特性曲线我国规定采用A律13折线压扩特性。A律13折线是A律(A=87.6)函数量化曲线的折线逼近,也称A87.6/13折线量化。图2.9A律13折线压缩特性3.编码和解码（1）编码抽样、量化后的信号还不是数字信号，需要把它转换成数字编码脉冲，这一过程称为编码。最简单的编码方式是二进制编码。除了上述的自然二进制码，还有其他形式的二进制码，如格雷码和折叠二进制码等，表2.1示出了这①自然二进制码和二进制数一一对应，简单易行，它是权重码，每一位都有确定的大小，从最高位到最低位依次排序，可以直接进行大小比较和算术运算。②格雷码则没有这一缺点，它在相邻电平间转换时，只有一位发生变化。③折叠二进制码沿中心电平上下对称，适于表示正负对称的双极性信号。它的最高位用来区分信号幅值的正负。折叠码的抗误码能力强。2）变为模拟信号的过程，即把一个8位码字恢复为一个样值信号的过程。2.2时分多路复用及PCM30/32路系统2.2.1时分多路复用的基本概念时分多路复用通信，是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信。图2.10时分多路复用模型2.2.2时分复用中的同步技术时分复用通信中的同步技术包括位同步(时钟同步)和帧同步，这是数字通信的又一个重要特点。位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端