【正文】 現(xiàn)代通信技術(shù)概論 趙宏波 卜益民 陳鳳娟 編著 目錄 ? 第 1章 緒論 ? 第 2章 數(shù)字通信技術(shù) ? 第 3章 程控交換技術(shù) ? 第 4章 信息傳輸技術(shù)與系統(tǒng) ? 第 5章 通信網(wǎng) ? 第 6章 數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)網(wǎng) ? 第 7章 ISDN與 ATM技術(shù) ? 第 8章 寬帶 IP技術(shù) ? 第 9章 接入網(wǎng)與接入技術(shù) 第 1章 緒論 ? 基本概念 ? 通信發(fā)展趨勢(shì) 基本概念 ? 通信系統(tǒng) 圖 通信模型示意圖 1. 通信系統(tǒng)的分類 ? 通信系統(tǒng)有多種分類形式，如：可從通信內(nèi)容上、傳輸信號(hào)的性質(zhì)上、信道上等進(jìn)行劃分。 (1) 根據(jù)通信內(nèi)容可分為： ? 語(yǔ)音通信 (電話 )、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信、多媒體通信 (2) 根據(jù)傳輸信號(hào)的性質(zhì)可分為： ? (3) 根據(jù)信道的不同可分為： ? 有線通信、有線電通信、雙絞線、同軸電纜、光纖通信、無(wú)線通信、短波通信、微波通信、衛(wèi)星通信、同步衛(wèi)星、中低軌道衛(wèi)星 、紅外線通信 ? 2. ? （ 1） 有效性 ? ① 符號(hào)速率又叫信號(hào)速率，記為 N。它表示單位時(shí)間內(nèi) (每秒 )信道上實(shí)際傳輸?shù)姆?hào)個(gè)數(shù)或脈沖個(gè)數(shù) (可以是多進(jìn)制 )。符號(hào)速率的單位是波特，即每秒 ? ② 信息傳輸速率，簡(jiǎn)稱傳信率，通常記為 R 。它表示單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)傳輸(或信源發(fā)出 )的信息量，即二進(jìn)制碼元數(shù)。 ? （ 2） 頻帶利用率 ? 用單位頻帶內(nèi)的符號(hào)速率描述系統(tǒng)的傳輸效率，即每赫的波特?cái)?shù)，符號(hào)速率用 η表示。 ? （ 3） 可靠性 ? 可靠性可用差錯(cuò)率來(lái)表示。常用的差錯(cuò)率指標(biāo)有平均誤碼率、平均誤字率、平均誤碼組率等。 1. ? 模擬信號(hào)是指代表消息的電信號(hào)及其參數(shù)（幅度、頻率或相位）隨消息連續(xù)變化的信號(hào)。其特點(diǎn)是幅度連續(xù)變化，而在時(shí)間上可以連續(xù)，也可以不連續(xù)；前者是連續(xù)的模擬信號(hào)，后者是離散的模擬信號(hào)，如圖 。 2. ? 數(shù)字信號(hào)是一系列的電脈沖，時(shí)間上是離散的，信號(hào)參數(shù)（幅度）也不連續(xù)變化，如圖 ? 數(shù)字信號(hào)是指在時(shí)間上和幅度上均取有限離散數(shù)值的電信號(hào)，這類電信號(hào)常用電壓或電流的脈沖代表。數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的不同點(diǎn)在于數(shù)字信號(hào)不直接與消息對(duì)應(yīng)。 圖 模擬信號(hào) 圖 數(shù)字信號(hào) 3. 數(shù)字信號(hào)的基本形式 ? 最簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)是二元碼 (或稱二進(jìn)制碼 )，這種碼的幅度只取兩種不同的瞬時(shí)值。這種二進(jìn)制碼分為單極性、雙極性和歸零、不歸零四 圖 二元碼的四種基本形式 ? 在二進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)中，每個(gè)碼元或每個(gè)符號(hào)只能是“ 1‖和“ 0‖兩個(gè)狀態(tài)之一。實(shí)際通信中也可以有多信號(hào)電平系統(tǒng)即對(duì)應(yīng)多進(jìn)制碼。 ? 進(jìn)制越高，級(jí)差越小，抗干擾能力越差。但是進(jìn)制越高，每個(gè)符號(hào)所代表的信息量越大。在信息論中對(duì)符號(hào)所載荷的信息量有嚴(yán)格定義。在二進(jìn)制數(shù)字傳輸中，若數(shù)字序列里 1和 0的概率各占 1／ 2，并且前后碼元是相互獨(dú)立的，序列中每個(gè)二進(jìn)制碼元所載荷的信息量就是 1比特；而多進(jìn)制每個(gè)符號(hào)所含的信息量將要增加，四電平的符號(hào)包含log24=2 bit的信息量，八電平的符號(hào)包含 log28=3 bit的信息量。 4. 數(shù)字信號(hào)碼型 ? 基帶信號(hào)的碼型有如下幾種： （ 1） 二元碼：采用兩個(gè)電平編出來(lái)的碼型。主要有單極性不歸零碼、單極性歸零碼、雙極性歸零碼、雙極性非歸零碼、差分編碼、雙相脈沖編碼等。 （ 2） 三元碼：信號(hào)的幅度取值為 + 0、 1。如：傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼、 HDBn碼等。 （ 3） （ 4） mBnB碼（分組碼）：把輸入的信息碼流按 m個(gè)比特為一組然后變換為n個(gè)比特。且 n＞ m。如在光纖通信中常用的 5B6B碼。 ? 由于傳輸信道中有許多電感、電容原件，因其直流截止特性，對(duì)線路傳輸碼 具有一定的抗干擾能力； 碼型變換設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。 通信信道 1. 通信媒體 ? (1） 明線： ? (2） 雙絞線 (twisted pair) ? (3） 同軸電纜 (coaxial cable) ? (4） 光纖 ? (5） 微波通信 ? (6） 衛(wèi)星通信 2. 通信方式 ? (1） 單工通信：信息只能單向傳送或某一時(shí)間內(nèi)只能使用發(fā)信機(jī)或收信機(jī)。其工作原理如圖 。 ? (2） 半雙工通信：可以雙向傳送數(shù)據(jù)，但兩個(gè)方向只能輪流分時(shí)發(fā)送，不能同時(shí)傳送?；蛑挥衅渲幸环娇赏瑫r(shí)使用收、發(fā)信機(jī)。其工作原理如圖 所示。 圖 單工通信方式 圖 半雙工通信方式 ? (3） 全雙工通信：信息可同時(shí)雙向傳送。通信雙方的收、發(fā)信機(jī)均可同時(shí)工作。其工作原理如圖 所示。 圖 全雙工通信方式 3. 傳輸方式 按照傳輸信號(hào)在通信信道中的時(shí)空順序分類，通信的傳輸方式可分為串行傳輸和并行傳輸。 (1） 串行傳輸：指信號(hào)在一個(gè)信道上以按位依次傳輸?shù)膞方式傳輸。 (2） 并行傳輸：指信號(hào)數(shù)據(jù)以成組的方式在多條并行信道上同時(shí)傳輸。 4. ? (1） 異步傳輸 ? (2） 同步傳輸 5. 復(fù)用方式 ? (1） 頻分復(fù)用：在頻率上把要傳輸?shù)膸茁沸畔⒑显谝黄?，形成一個(gè)合成的信號(hào)后進(jìn)行傳輸。 ? (2） 時(shí)分復(fù)用：采用分時(shí)技術(shù)，每路分配一個(gè)時(shí)隙 通信網(wǎng) 1. 通信網(wǎng)的組成 ? 通信網(wǎng)組成的基本要素（硬件）是：終端設(shè)備、傳輸鏈路、轉(zhuǎn)接交換設(shè)備。 2. 通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ? (1）星形網(wǎng)：每一個(gè)終端均通過(guò)單一的傳輸鏈路與中心交換節(jié)點(diǎn)相連，如圖 （ a）所示。 ? (2） 樹形網(wǎng)：是一種分層結(jié)構(gòu)，適用于分級(jí)控制的系統(tǒng)，如圖 （ b）所示。 ? (3） 網(wǎng)狀網(wǎng)：點(diǎn)點(diǎn)相連，安全性高，鏈路數(shù)多，如圖 （ c）所示。 ? (4） 環(huán)形網(wǎng)：三個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)用閉合環(huán)路形式組成，如圖 （ d）所示。 ? (5） 總線型網(wǎng)：通過(guò)總線把各節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，從而形成一條共享信道。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便。如圖 （ e）所示。 ? (6） 復(fù)合型網(wǎng)：該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是現(xiàn)實(shí)中最常見的一種形式。其特點(diǎn)是將網(wǎng)狀網(wǎng)和星形網(wǎng)結(jié)合。 圖 電信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu) ? 3. 通信網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu) ? （ 1） 縱向分層的觀點(diǎn) ? （ 2） 水平描述 ? 水平描述是基于通信網(wǎng)實(shí)際的物理連接來(lái)劃分的，可分為核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和用戶駐地網(wǎng)。 圖 垂直觀點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 通信協(xié)議 ? 1. 協(xié)議概念和層次結(jié)構(gòu) ? 協(xié)議是指系統(tǒng)間互換數(shù)據(jù)的一組規(guī)則，主要是關(guān)于相互交換信息的格式、涵義、節(jié)拍等。 ? 協(xié)議分層總括起來(lái)有以下好處： ? (1) 各層之間是獨(dú)立的，任何一層不需知道下面一層是如何實(shí)現(xiàn)的，只需知道下一層所提供的服務(wù)和本層向上一 ? (2) 靈活性好，任何一層發(fā)生變化，只要接口關(guān)系保持不變，其他各層均不受影響； ? (3) 結(jié)構(gòu)上可以隔開，各層都可采用最合適的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)； ? (4) ? 2. 開放系統(tǒng)互連 (OSI)參考模型 圖 OSI分層結(jié)構(gòu) ? (1） ① 網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的層次，② 各個(gè)層次間的差別③ 低層對(duì)高層要具④ 在需要的地方可以設(shè)置子層，在不需要⑤ 同一節(jié)點(diǎn)相鄰層間設(shè)置接口通信，不同節(jié)點(diǎn)的對(duì)等層間的通信采用相同的協(xié)議。⑥ 層次不能太多。 ? (2） OSI/RM中各層的主要功能 : ? ① 物理層 (physical layer) 物理層處于 OSI參考模型的最低層。物理層的主要功能是利用物理傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路提供物理連接，以透明地傳送比特流。 ? ② 數(shù)據(jù)鏈路層 (data link layer) 在物理層提供比特流傳輸服務(wù)的基礎(chǔ)上，在通信實(shí)體之間建立數(shù)據(jù)鏈路連接，傳送以幀為單位的數(shù)據(jù)，通過(guò)差錯(cuò)控制、流量控制等方法， ? ③ 網(wǎng)絡(luò)層（ work layer執(zhí)行路由選擇算法，為報(bào)文分組通過(guò)通信子網(wǎng)選擇最適當(dāng)?shù)穆窂健＞W(wǎng)絡(luò)層具有路徑選擇、擁擠控制與網(wǎng)絡(luò)互連等功能，它是 OSI參考模型中最復(fù)雜的一層。 ? ④ 傳輸層（ transport layer提供可靠的端到端（ end to end）服務(wù)，透明地傳送報(bào)文。它向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細(xì)節(jié)，因而是計(jì)算機(jī)通信體系結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的一層。 ? ⑤ 會(huì)話層（ session layer）會(huì)話層的主要目的是組織和同步兩個(gè)會(huì)話服務(wù)用戶之間的對(duì)話，并管理數(shù)據(jù)的交換。 ? ⑥ 表示層（ presentation layer理兩個(gè)通信系統(tǒng)間信息交換的表示方式。它包括數(shù)據(jù)格式變換、數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)等功能。 ? ⑦ 應(yīng)用層（ application layer OSI參考模型的最高層。主要提供 OSI用戶服務(wù)，如文件傳送、電子郵件、 EDI等。 通信發(fā)展趨勢(shì) ? 1. 微電子和微光學(xué)技術(shù) ? 2. 計(jì)算機(jī)技術(shù) ? ? 1. 業(yè)務(wù)寬帶化 ? 2. 業(yè)務(wù) IP化 ? 3. 業(yè)務(wù)智能化 ? 4. 業(yè)務(wù)移動(dòng)化 ? ５ . 業(yè)務(wù)個(gè)人化 通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) ? 1. 從電路交換向分組交換的轉(zhuǎn)變 ? 2. 窄帶業(yè)務(wù)接入技術(shù)從銅線接入向移動(dòng)接入轉(zhuǎn)變 ? 3. 傳送技術(shù)從點(diǎn)到點(diǎn)通信向光聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變 ? 4. 有線無(wú)線接入都將完成從窄帶向?qū)拵У霓D(zhuǎn)變 ? 1. 融合將成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的主旋律 ? 2. 向新一代的全業(yè)務(wù)電信網(wǎng)方向發(fā)展 第 2章 數(shù)字通信技術(shù) ? 模擬信號(hào)數(shù)字化 ? 時(shí)分多路復(fù)用及 PCM30/32路系統(tǒng) ? 數(shù)字復(fù)接技術(shù) ? 傳輸數(shù)字信號(hào)的通信稱為數(shù)字通信。數(shù)字通信以其抗干擾能力強(qiáng)、便于存儲(chǔ)、處理和交換等特點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代通信網(wǎng)中的最主要的通信技術(shù)基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信網(wǎng)的各種通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)的框圖如圖 。 圖 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 模擬信號(hào)數(shù)字化 ? 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) ? 1. 模擬信號(hào) ? 信號(hào)波形模擬著信息的變化而變化，如圖 稱為模擬信號(hào)。其特點(diǎn)是幅度連續(xù) (連續(xù)的含義是在某一取值范圍內(nèi)可以取無(wú)限多個(gè)數(shù)值 )。 圖 模擬信號(hào) ? 2. 數(shù)字信號(hào) ? 圖 是數(shù)字信號(hào)，其特點(diǎn)是幅值被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)，它不是連續(xù)的而是離散的。稱這種幅度離散的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。 圖 數(shù)字信號(hào) 數(shù)字通信的特點(diǎn) ? (1) 抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)噪聲積累。 ? (2) 便于加密處理。 ? (3) 便于存儲(chǔ)、處理和交換。 ? (4) 設(shè)備便于集成化、微型化。 ? (5) 便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。 ? (6) 占用信道頻帶較寬。 圖 兩類通信方式抗干擾性能比較 脈沖編碼調(diào)制（ PCM）技術(shù) ? 脈沖編碼調(diào)制（ Pulse Code Modulation，簡(jiǎn)稱 PCM）是先對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽樣，并對(duì)每個(gè)樣值獨(dú)立地加以量化，然后通過(guò)編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。如圖 。 圖 PCM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ? 1. 抽樣 ? 信源發(fā)出的話音信號(hào)是模擬信號(hào)，它不僅在幅度取值上是連續(xù)的，而且在時(shí)間上也是連續(xù)的。要使話音信號(hào)數(shù)字化并實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路復(fù)用，首先要在時(shí)間上對(duì)話音信號(hào)進(jìn)行離散化處理，這一過(guò)程叫抽樣。 ? 理論和實(shí)踐證明，只要抽樣脈沖的間隔 T＜ 1/2fm(fm是話音信號(hào)的最高頻率 )，則抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來(lái)的話音信號(hào)。這也稱作抽樣定律。 圖 模擬信號(hào)與其對(duì)應(yīng)的樣值序列 ? 2. 量化 ? 抽樣把模擬信號(hào)變成了時(shí)間上離散的脈沖信號(hào)，但脈沖的幅度仍然是連續(xù)的，還必須進(jìn)行離散化處理，才能最終用數(shù)字來(lái)表示。這就要對(duì)幅值進(jìn)行舍零取整的處理，這個(gè)過(guò)程稱為量化。 ? （ 1） 量化，這種量化也稱線性量化。 圖 均勻量化 ? （ 2） 非均勻量化 如果使小信號(hào)時(shí)量化級(jí)間寬度小些，而大信號(hào)時(shí)量化級(jí)間寬度大些，就可以使小信號(hào)時(shí)和大信號(hào)時(shí)的信噪比趨于一致，這種非均勻量化級(jí)的安排稱為非均勻量化或非線性量化。 圖 ? 我國(guó)規(guī)定采用 A律13折線壓擴(kuò)特性。 A律 13折線是 A律 (A=)函數(shù)量化曲線的折線逼近 ,也稱 折線量化。 圖 13折線壓縮特性 3. 編碼和解碼 ? （ 1） 編碼 抽樣、量化后的信號(hào)還不是數(shù)字信號(hào)，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖，這一過(guò)程稱為編碼。最簡(jiǎn)單的編碼方式是二進(jìn)制編碼。 ? 除了上述的自然二進(jìn)制碼，還有其他形式的二進(jìn)制碼，如格雷碼和折疊二進(jìn)制碼等，表 ? ① 自然二進(jìn)制碼和二進(jìn)制數(shù)一一對(duì)應(yīng)，簡(jiǎn)單易行，它是權(quán)重碼，每一位都有確定的大小，從最高位到最低位依次排序，可以直接進(jìn)行大小比較和算術(shù)運(yùn)算。 ? ② 格雷碼則沒有這一缺點(diǎn)，它在相鄰電平間轉(zhuǎn)換時(shí)