第二章現(xiàn)代通信系統(tǒng)的主要技術(shù)

第二章現(xiàn)代通信系統(tǒng)的主要技術(shù)第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1 多路復(fù)用技術(shù)

2.1.1多路復(fù)用技術(shù)概述

圖2-1多路復(fù)用系統(tǒng)示意圖多路復(fù)用技術(shù)指的是把多路信號(hào)借助于單一線路和用單一的傳輸設(shè)備來進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)，并且各路信號(hào)間必須互不影響。第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.2頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用(FDM)是利用傳輸介質(zhì)的可用帶寬超過給定信號(hào)所需帶寬這一特性，將信道分成若干個(gè)相等的頻段，每個(gè)頻段分給不同的用戶，傳輸時(shí)，先將各個(gè)用戶的信號(hào)調(diào)制到不同的頻段，而且各個(gè)載波頻率是完全獨(dú)立的，即載波信號(hào)的帶寬不會(huì)相互重疊，然后進(jìn)行傳輸，接收的時(shí)候再按不同的頻率接收。如圖2-2所示。

圖2-2頻分多路復(fù)用技術(shù)

第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日例：貝爾公司的108系列調(diào)頻方式的調(diào)制解調(diào)器的規(guī)范。2.1.2頻分多路復(fù)用

圖2.3FDM應(yīng)用：調(diào)制解調(diào)器第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.2頻分多路復(fù)用

圖2.4頻分多路復(fù)用FDM

頻移f(KHZ)例：圖2.4給出了3路音頻原始信號(hào)頻分多路復(fù)用一條帶寬為12KHz(60KHz～72KHz)的物理信道的示意圖。第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.2頻分多路復(fù)用注：音頻信道帶寬為4KHZ，有效帶寬為3KHZ，信道兩邊各留500HZ警戒頻帶。

模擬電視信道帶寬為6MHZ。例：某傳輸系統(tǒng)，帶寬為960MHZ，能傳輸多少路模擬電視節(jié)目？第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.3時(shí)分多路復(fù)用所謂時(shí)分多路復(fù)用(TDM)就是將一條物理的傳輸線路按時(shí)間分成若干時(shí)間片輪換地為多個(gè)信號(hào)所使用，每個(gè)時(shí)間片由其中一個(gè)信號(hào)占用。

圖2-5時(shí)分復(fù)用示意圖第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.3時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)根據(jù)時(shí)間片是否是動(dòng)態(tài)的劃分，又可分為同步時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)(STDM)和異步時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)(ATDM)。圖2-6STDM與ATDM第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.3時(shí)分多路復(fù)用例如：3個(gè)用戶，線路總傳輸能力為28.8kbps

對(duì)于STDM:每用戶獲得28.8kbps/3=9600bps對(duì)于ATDM:每用戶獲得MIN=9600bps，MAX=28.8kbps。第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.4波分多路復(fù)用技術(shù)波分多路復(fù)用技術(shù)與傳統(tǒng)的載波電話的頻分復(fù)用的原理一樣，使用一根光纖來同時(shí)傳輸多個(gè)頻率很接近的光載波信號(hào)，這樣光纖的傳輸能力就能成倍提高。由于光載波的頻率很高，因此一般用波長而不用頻率來表示所使用的光載波，由此得出波分復(fù)用這一名詞。

隨著技術(shù)的發(fā)展，在一根光纖上復(fù)用的路數(shù)越來越多，現(xiàn)在已能做到在一根光纖上復(fù)用80路或更多路數(shù)的光載波信號(hào)，于是就有了密集波分復(fù)用DWDM(DenseWavelengthDivisionMultiplexing)這名詞。第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.4波分多路復(fù)用技術(shù)的硬件系統(tǒng)圖2-7說明了波分復(fù)用的概念。通過光纖1、光纖2、光纖3和光纖4傳輸?shù)?束光的頻率不同，它們的波長分別為λ1、λ2、λ3、λ4，這4個(gè)光載波（它們的波長很接近）經(jīng)過復(fù)用器后，就在一根光纖中傳輸。合成光束到達(dá)目的地后，經(jīng)過接收方分用器的處理，重新分離為4束光傳給各個(gè)用戶。

圖2-7波分復(fù)用第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.5碼分多址

碼分復(fù)用CDM是另一種共享信道的方法，它是一種用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的共享信道的新技術(shù)，筆記本電腦或PDA(PersonalDataAssistant)以及HPC(HandedPersonalComputer)等移動(dòng)性計(jì)算機(jī)的連網(wǎng)通信都會(huì)大量用到碼分復(fù)用技術(shù)。實(shí)際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA，每一個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻率進(jìn)行通信。在CDMA中，每一個(gè)比特的時(shí)間再劃分為m個(gè)短的時(shí)間片，稱為碼片(chip)，通常m的值是64或128。

第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.5碼分多址使用CDMA的每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的mbit碼片序列(chipsequence)。一個(gè)站如果要發(fā)送比特1，則發(fā)送它自己的mbit碼片序列；如果要發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。例如，假設(shè)m=8,指派給S站的8bit碼片序列為00110101。當(dāng)S發(fā)送比特1示，它就發(fā)送序列00110101；當(dāng)它發(fā)送比特0時(shí)，就發(fā)送11001010。第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.5碼分多址

現(xiàn)假定S站要發(fā)送信息的數(shù)據(jù)傳輸速率為vbit/s，由于每個(gè)比特要轉(zhuǎn)換成m個(gè)比特的碼片，因此S站的實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)率提高到mvbit/s，同時(shí)S站所占用的頻帶寬度也提高到原來的m倍。這種通信方式是擴(kuò)頻(spreadspectrum)通信的一種。擴(kuò)頻通信通常有直接序列(directsequence,DS-CDMA)和跳頻(frequencyhopping,FH-CDMA)兩大類，上面所講的碼片序列就是DS-CDMA。

第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.5碼分多址CDMA系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是系統(tǒng)分配給每一個(gè)站的碼片序列不僅不同，而且要求它們必須互相正交。假設(shè)s站的碼片向量為S，r站的碼片向量為R，則用數(shù)學(xué)公式表示這兩個(gè)碼片向量序列的正交即為兩個(gè)向量的內(nèi)積為0。第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.1.5碼分多址向量S和各站碼片反碼的向量內(nèi)積也為0。而且要求任何一個(gè)碼片向量的規(guī)格化內(nèi)積都是1，而一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積是-1。

第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日隨著技術(shù)的進(jìn)步，CDMA設(shè)備的價(jià)格和體積都大幅下降，已廣泛使用在民用的移動(dòng)通信種，特別是在無線局域網(wǎng)中。采用CDMA可提高通信的語音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，減少干擾對(duì)通信的影響，增大通信系統(tǒng)的容量，降低手機(jī)的平均發(fā)射功率等等。

2.1.5碼分多址第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.2 數(shù)據(jù)交換技術(shù)

第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.2 數(shù)據(jù)交換技術(shù)

2.2.1線路交換

線路交換(circuitswitching)最典型的例子就是“電話通信”，如圖2-8所示，我們大家都有打電話的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)我們要和對(duì)方進(jìn)行通信時(shí)，首先撥號(hào)發(fā)出呼叫請(qǐng)求，經(jīng)過交換機(jī)的轉(zhuǎn)接，對(duì)方聽到呼叫的鈴聲，拿起電話進(jìn)行語音通信。

第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.2.1線路交換AB傳輸1.交換2.發(fā)送呼叫信號(hào)傳輸1.交換2.發(fā)送呼叫信號(hào)傳輸1.作出反應(yīng)2.發(fā)送回應(yīng)信號(hào)圖2-8電話通信

第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日

線路交換是指數(shù)據(jù)傳輸期間，在源站點(diǎn)與目的站點(diǎn)之間建立專用電路鏈接，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之前，電路一直被占用，而不能被其他節(jié)點(diǎn)所使用。用電路交換技術(shù)完成的數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)歷以下三個(gè)階段。（1）線路的建立（2）數(shù)據(jù)傳輸（3）線路拆除

線路交換的特點(diǎn)：（1）傳輸時(shí)獨(dú)占信道，信道利用率低；（2）各個(gè)節(jié)點(diǎn)不對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，不對(duì)數(shù)據(jù)的速率、形式作任何解釋、變換和存儲(chǔ)；（3）線路建立時(shí)間較長；（4）適合連接時(shí)間長，大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。2.2.1線路交換第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日

圖2-9線路交換的過程

2.2.1線路交換第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日2.2.2存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換

1.報(bào)文交換(messageswitching)報(bào)文交換方式(見圖2-10)不需在兩個(gè)站點(diǎn)之間建立一條專用電路，數(shù)據(jù)傳輸單位是報(bào)文。所謂“報(bào)文”就是站點(diǎn)一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，它是將擬發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址、源地址、控制信息等一起，按照一定的格式組成一個(gè)數(shù)據(jù)單元，其長度不限并且可變。傳送過程采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式。

第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日?qǐng)D2-10報(bào)文交換

例如：數(shù)據(jù)從主機(jī)H1發(fā)往H4。第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日?qǐng)?bào)文交換有兩個(gè)特點(diǎn)：

(1)報(bào)文從源站點(diǎn)傳送到目的站點(diǎn)采用“存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)”方式，在傳送報(bào)文時(shí)，一個(gè)時(shí)刻僅占用一段通道，在源站點(diǎn)和目的站點(diǎn)之間不建立專用的通路，報(bào)文在節(jié)點(diǎn)先存儲(chǔ)再選“路”轉(zhuǎn)發(fā)。(2)報(bào)文作為整體傳輸，在交換節(jié)點(diǎn)中需要緩沖存儲(chǔ)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備足夠的存儲(chǔ)能力，報(bào)文需要排隊(duì)，故報(bào)文交換不能滿足實(shí)時(shí)通信的要求。采用報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)電路利用率高，不發(fā)報(bào)文不占信道；(2)在電路交換網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)通信量變得很大時(shí)，就不能接受新的呼叫。而在報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)上，通信量大時(shí)仍然可以接收?qǐng)?bào)文，不過傳送延遲會(huì)增加。(3)報(bào)文交換系統(tǒng)可以把一個(gè)報(bào)文發(fā)送到多個(gè)目的地，而電路交換網(wǎng)絡(luò)很難做到這一點(diǎn)。(4)節(jié)點(diǎn)對(duì)報(bào)文的可靠性負(fù)責(zé)：收到報(bào)文的節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文含有的地址進(jìn)行路由；

節(jié)點(diǎn)對(duì)報(bào)文進(jìn)行查錯(cuò)；節(jié)點(diǎn)可以對(duì)報(bào)文進(jìn)行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日

缺點(diǎn)：

(1)不能滿足實(shí)時(shí)或交互式的通信要求，報(bào)文大小不一，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間長而且不定。

(2)有時(shí)節(jié)點(diǎn)收到過多的數(shù)據(jù)而無空間存儲(chǔ)或不能及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，就不得不丟棄報(bào)文。適用場(chǎng)合：報(bào)文交換適用于長報(bào)文、無實(shí)時(shí)性通信要求的場(chǎng)合，不適合會(huì)話式通信，是我國公用電報(bào)網(wǎng)中采用的交換技術(shù)。

第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日分組交換是報(bào)文分組交換的簡稱，又稱包交換。它是報(bào)文交換的一種改進(jìn)，它將報(bào)文分成若干個(gè)分組，每個(gè)分組的長度有一個(gè)上限，有限長度的分組使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的存儲(chǔ)能力降低了，分組可以存儲(chǔ)到內(nèi)存中，提高了交換速度。每個(gè)分組中包括數(shù)據(jù)和目的地址。其傳輸過程在表面上看與報(bào)文交換類似，但由于限制了每個(gè)分組的長度，因此大大地改善了網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的一種交換技術(shù)。

2.分組交換(PacketSwitching)

第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日分組交換與報(bào)文變換最大的不同點(diǎn)是：（1）把數(shù)據(jù)傳送單位的最大長度限制在較小的范圍內(nèi)，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的存儲(chǔ)量低了。(2)分組是較小的傳輸單位，只有出錯(cuò)的分組才會(huì)被重發(fā)，因此大大降低了重發(fā)的比例和開銷，提高了交換速度。

2.分組交換(PacketSwitching)

第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日分組交換有虛電路分組交換和數(shù)據(jù)報(bào)分組交換兩種。虛電路方式(virtualcircuit)虛電路方式又分為兩種：呼叫虛電路和永久虛電路。虛電路是指先在源端與目地端之間建立一條邏輯通路，傳輸時(shí)各個(gè)分組按順序都走這條通路，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要進(jìn)行存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā),對(duì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)或某條鏈路出故障而徹底失效時(shí)，則所有經(jīng)過故障點(diǎn)的虛電路將立即破壞，導(dǎo)致本次通信失敗。

與線路交換不同：虛電路使用“邏輯通路“進(jìn)行傳輸。把傳輸線路邏輯的劃分為若干信道，建立是指占用一條邏輯通道。呼叫虛電路方式也要經(jīng)歷以下三個(gè)過程：建立虛電路交換數(shù)據(jù)拆除虛電路

2.分組交換(PacketSwitching)第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日?qǐng)D2-11呼叫虛電路方式

第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日永久虛電路是指通信雙方虛電路路由信息事先存儲(chǔ)在各交換節(jié)點(diǎn)的路由表中，通信的雙方永遠(yuǎn)在線，數(shù)據(jù)傳輸前不必再有建立連接階段，當(dāng)然事后也不存在釋放連接的問題。永久虛電路方式適合于有大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩簦看瓮ㄐ趴墒∪チ撕艚薪⑦B接過程。

第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月