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所需帶寬這一特性，將信道分成若干個相等的頻段，每個頻段分給不同的用戶，傳輸時，先將各個用戶的信號調(diào)制到不同的頻段，而且各個載波頻率是完全獨(dú)立的，即載波信號的帶寬不會相互重疊，然后進(jìn)行傳輸，接收的時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時分多路復(fù)用所謂時分多路復(fù)用(TDM)就是將一條物理的傳輸線路按時間分成若干時間片輪換地為多個信號所使用，每個時間片由其中一個信號占用。

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

對于STDM:每用戶獲得28.8kbps/3=9600bps對于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傳輸多個頻率很接近的光載波信號，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，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)等移動性計(jì)算機(jī)的連網(wǎng)通信都會大量用到碼分復(fù)用技術(shù)。實(shí)際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA，每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻率進(jìn)行通信。在CDMA中，每一個比特的時間再劃分為m個短的時間片，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的每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列(chipsequence)。一個站如果要發(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，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，由于每個比特要轉(zhuǎn)換成m個比特的碼片，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)的一個重要特點(diǎn)是系統(tǒng)分配給每一個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)公式表示這兩個碼片向量序列的正交即為兩個向量的內(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。而且要求任何一個碼片向量的規(guī)格化內(nèi)積都是1，而一個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)備的價格和體積都大幅下降，已廣泛使用在民用的移動通信種，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)目煽啃裕瑴p少干擾對通信的影響，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)我們要和對方進(jìn)行通信時，首先撥號發(fā)出呼叫請求，經(jīng)過交換機(jī)的轉(zhuǎn)接，對方聽到呼叫的鈴聲，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)送呼叫信號傳輸1.交換2.發(fā)送呼叫信號傳輸1.作出反應(yīng)2.發(fā)送回應(yīng)信號圖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）傳輸時獨(dú)占信道，信道利用率低；（2）各個節(jié)點(diǎn)不對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，不對數(shù)據(jù)的速率、形式作任何解釋、變換和存儲；（3）線路建立時間較長；（4）適合連接時間長，大量數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸。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數(shù)據(jù)單元，其長度不限并且可變。傳送過程采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式。

第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日圖2-10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日報(bào)文交換有兩個特點(diǎn)：

(1)報(bào)文從源站點(diǎn)傳送到目的站點(diǎn)采用“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”方式，在傳送報(bào)文時，一個時刻僅占用一段通道，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，節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備足夠的存儲能力，報(bào)文需要排隊(duì)，故報(bào)文交換不能滿足實(shí)時通信的要求。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，就不能接受新的呼叫。而在報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)上，通信量大時仍然可以接收報(bào)文，不過傳送延遲會增加。(3)報(bào)文交換系統(tǒng)可以把一個報(bào)文發(fā)送到多個目的地，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)對報(bào)文進(jìn)行查錯；節(jié)點(diǎn)可以對報(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)的延遲時間長而且不定。

(2)有時節(jié)點(diǎn)收到過多的數(shù)據(jù)而無空間存儲或不能及時轉(zhuǎn)發(fā)時，就不得不丟棄報(bào)文。適用場合：報(bào)文交換適用于長報(bào)文、無實(shí)時性通信要求的場合，不適合會話式通信，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)文分成若干個分組，每個分組的長度有一個上限，有限長度的分組使得每個節(jié)點(diǎn)所需的存儲能力降低了，分組可以存儲到內(nèi)存中，提高了交換速度。每個分組中包括數(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)，這樣每個節(jié)點(diǎn)所需要的存儲量低了。(2)分組是較小的傳輸單位，只有出錯的分組才會被重發(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，傳輸時各個分組按順序都走這條通路，每個節(jié)點(diǎn)都要進(jìn)行存儲/轉(zhuǎn)發(fā),對數(shù)據(jù)校驗(yàn)。當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)或某條鏈路出故障而徹底失效時，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日圖2-11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?，每次通信可省去了呼叫建立連接過程。

第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月