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1、第二章现代通信系统的主要技术第1页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1 多路复用技术多路复用技术 2.1.1 多路复用技术概述多路复用技术概述 图图2-1 多路复用系统示意图多路复用系统示意图 多路复用技术指的是把多路信号借助于单一线路和用单一的传输设备多路复用技术指的是把多路信号借助于单一线路和用单一的传输设备来进行传输的技术，并且各路信号间必须互不影响。来进行传输的技术，并且各路信号间必须互不影响。第2页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.2 频分多路复用频分多路复用 频分多路复用频分多路复用(FDM)是利用传输介质的可用带宽超过给定信号所需带宽这一特性，将信是利用传输介质的
2、可用带宽超过给定信号所需带宽这一特性，将信道分成若干个相等的频段，每个频段分给不同的用户，传输时，先将各个用户的信号调道分成若干个相等的频段，每个频段分给不同的用户，传输时，先将各个用户的信号调制到不同的频段，而且各个载波频率是完全独立的，即载波信号的带宽不会相互重叠，制到不同的频段，而且各个载波频率是完全独立的，即载波信号的带宽不会相互重叠，然后进行传输，接收的时候再按不同的频率接收。如图然后进行传输，接收的时候再按不同的频率接收。如图2-2所示。所示。图图2-2 频分多路复用技术频分多路复用技术 第3页，共35页，编辑于2022年，星期二例：贝尔公司的例：贝尔公司的108系列调频方式的调制
3、解调器的规范。系列调频方式的调制解调器的规范。2.1.2 频分多路复用频分多路复用 图图2.3 FDM应用：调制解调器应用：调制解调器第4页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.2 频分多路复用频分多路复用 图图2.4 频分多路复用频分多路复用FDM 频移频移f(KHZ)例：图例：图2.4 给出了给出了3路音频原始信号频分多路复用一条带宽为路音频原始信号频分多路复用一条带宽为12KHz (60KHz72KHz)的物理信道的示意图。的物理信道的示意图。第5页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.2 频分多路复用频分多路复用注：音频信道带宽为注：音频信道带宽为4KHZ，有效带宽为，有效
4、带宽为3KHZ，信道两边各留，信道两边各留500HZ 警戒频警戒频 带。带。模拟电视信道带宽为模拟电视信道带宽为6MHZ。例：某传输系统，带宽为例：某传输系统，带宽为960MHZ，能传输多少路模拟电视节目？，能传输多少路模拟电视节目？第6页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.3 时分多路复用时分多路复用 所谓时分多路复用所谓时分多路复用(TDM)就是将一条物理的传输线路按时间分成若干时间片轮就是将一条物理的传输线路按时间分成若干时间片轮换地为多个信号所使用，每个时间片由其中一个信号占用。换地为多个信号所使用，每个时间片由其中一个信号占用。图图2-5 时分复用示意图时分复用示意图 第7页
5、，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.3 时分多路复用时分多路复用 时分多路复用技术根据时间片是否是动态的划分，又可分为时分多路复用技术根据时间片是否是动态的划分，又可分为同步时同步时分多路复用技术分多路复用技术(STDM)和和异步时分多路复用技术异步时分多路复用技术(ATDM)。图图2-6 STDM与与ATDM 第8页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.3 时分多路复用时分多路复用例如：例如：3个用户，线路总传输能力为个用户，线路总传输能力为28.8kbps 对于对于STDM:每用户获得每用户获得28.8kbps/3=9600bps 对于对于ATDM:每用户获得每用户获得MIN
6、=9600bps，MAX=28.8kbps。第9页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.4 波分多路复用技术波分多路复用技术 波分多路复用技术与传统的载波电话的频分复用的原理一样，使用一根光纤波分多路复用技术与传统的载波电话的频分复用的原理一样，使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号，这样光纤的传输能力就能成倍提高。来同时传输多个频率很接近的光载波信号，这样光纤的传输能力就能成倍提高。由于光载波的频率很高，因此一般用波长而不用频率来表示所使用的光载波，由于光载波的频率很高，因此一般用波长而不用频率来表示所使用的光载波，由此得出波分复用这一名词。由此得出波分复用这一名词。随着技术
7、的发展，在一根光纤上复用的路数越来越多，现在已能做到在随着技术的发展，在一根光纤上复用的路数越来越多，现在已能做到在一根光纤上复用一根光纤上复用80路或更多路数的光载波信号，于是就有了密集波分复用路或更多路数的光载波信号，于是就有了密集波分复用DWDM(Dense Wavelength DivisionMultiplexing)这这名词。名词。第10页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.4 波分多路复用技术波分多路复用技术的硬件系的硬件系统统 图图2-7说明了波分复用的概念。通过光纤说明了波分复用的概念。通过光纤1、光纤、光纤2、光纤、光纤3和光纤和光纤4传输的传输的4束光的频率不同，
8、它们的波长分别为束光的频率不同，它们的波长分别为1、2、3、4，这这4个光载波个光载波（它们的波长很它们的波长很接近接近）经过复用器后，就在一根光纤中传输。合成光束到达目的地后，经过接收方经过复用器后，就在一根光纤中传输。合成光束到达目的地后，经过接收方分用器的处理，重新分离为分用器的处理，重新分离为4束光传给各个用户。束光传给各个用户。图图2-7 波分复用波分复用 第11页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.5 码分多址码分多址 n码码分分复复用用CDM是是另另一一种种共共享享信信道道的的方方法法，它它是是一一种种用用于于移移动动通通信信系系统统的的共共享享信信道道的的新新 技技 术
9、术，笔笔 记记 本本 电电 脑脑 或或PDA(Personal Data Assistant)以以 及及HPC(Handed Personal Computer)等移动性计算机的连网通信都会大量用到码分复用技术。等移动性计算机的连网通信都会大量用到码分复用技术。n实实际际上上，人人们们更更常常用用的的名名词词是是码码分分多多址址CDMA，每每一一个个用用户户可可以以在在同同样样的的时时间间使使用同样的频率进行通信用同样的频率进行通信。n在在CDMA中，每一个比特的时间再划分为中，每一个比特的时间再划分为m个短的时间片，称为码片个短的时间片，称为码片 (chip)，通常，通常m的值是的值是64或
10、或128。第12页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.5 码分多址码分多址n使用使用CDMA的每个站被指派一个唯一的的每个站被指派一个唯一的mbit码片序列码片序列(chip sequence)。一个站如果要发送比特。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的，则发送它自己的mbit码码片序列；如果要发送比特片序列；如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。，则发送该码片序列的二进制反码。n例如，假设例如，假设m=8,指派给指派给S站的站的8bit码片序列为码片序列为00110101。当当S发送比特发送比特1示，它就发送序列示，它就发送序列00110101；当它发送比特当它发送比特0
11、时，就发送时，就发送11001010。第13页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.5 码分多址码分多址n 现假定现假定S站要发送信息的数据传输速率为站要发送信息的数据传输速率为vbit/s，由于每个比特要转换成由于每个比特要转换成 m个比特的码片，因此个比特的码片，因此S站的实际发送数据率提高到站的实际发送数据率提高到mvbit/s，同时同时S站所站所 占用的频带宽度也提高到原来的占用的频带宽度也提高到原来的m倍。倍。n 这种通信方式是扩频这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信的一种。扩频通信通常有直接通信的一种。扩频通信通常有直接 序列序列(direct seque
12、nce,DS-CDMA)和跳频和跳频(frequency hopping,FH-CDMA)两两 大类，上面所讲的码片序列就是大类，上面所讲的码片序列就是DS-CDMA。第14页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.5 码分多址码分多址nCDMA系系统统的的一一个个重重要要特特点点是是系系统统分分配配给给每每一一个个站站的的码码片片序序列列不不仅仅不不同同，而而且且要要求求它它们们必必须须互互相相正正交交。假假设设s站站的的码码片片向向量量为为S，r站站的的码码片片向向量量为为R，则则用用数数学学公公式式表表示示这这两两个个码码片片向向量量序序列列的的正交即为两个向量的内积为正交即为两个向
13、量的内积为0。第15页，共35页，编辑于2022年，星期二2.1.5 码分多址码分多址n向向量量S和和各各站站码码片片反反码码的的向向量量内内积积也也为为0。而而且且要要求求任任何何一一个个码码片片向向量量的的规规格格化化内内积积都都是是1，而而一一个个码码片片向向量量和和该该码码片片反反码的向量的规格化内积是码的向量的规格化内积是-1。第16页，共35页，编辑于2022年，星期二n随随着着技技术术的的进进步步，CDMA设设备备的的价价格格和和体体积积都都大大幅幅下下降降，已已广广泛泛使使用用在在民民用用的的移移动动通通信信种种，特特别别是是在在无无线线局局域域网网中中。采采用用CDMA可可提
14、提高高通通信信的的语语音音质质量量和和数数据据传传输输的的可可靠靠性性，减减少少干干扰扰对对通通信信的的影影响响，增增大大通通信信系系统统的的容容量量，降降低低手手机机的平均发射功率等等。的平均发射功率等等。2.1.5 码分多址码分多址第17页，共35页，编辑于2022年，星期二2.2 数据交换技术数据交换技术 第18页，共35页，编辑于2022年，星期二2.2 数据交换技术数据交换技术 2.2.1 线路交换线路交换 线线路路交交换换(circuit switching)最最典典型型的的例例子子就就是是“电电话话通通信信”，如如图图2-8所所示示，我我们们大大家家都都有有打打电电话话的的经经验
15、验，当当我我们们要要和和对对方方进进行行通通信信时时，首首先先拨拨号号发发出出呼呼叫叫请请求求，经经过过交交换换机机的的转转接接，对对方方听听到到呼呼叫叫的的铃铃声声，拿拿起电话进行语音通信。起电话进行语音通信。第19页，共35页，编辑于2022年，星期二2.2.1 线路交换线路交换A AB B传输传输1.1.交换交换2.2.发送呼叫信号发送呼叫信号传输传输1.1.交换交换2.2.发送呼叫信号发送呼叫信号传输传输1.1.作出反应作出反应 2.2.发送回应信号发送回应信号图图2-8 电话通信电话通信 第20页，共35页，编辑于2022年，星期二 线路交换是指数据传输期间，在源站点与目的站点之间建
16、立专用电线路交换是指数据传输期间，在源站点与目的站点之间建立专用电路链接，数据传输结束之前，电路一直被占用，而不能被其他节点路链接，数据传输结束之前，电路一直被占用，而不能被其他节点所使用。用电路交换技术完成的数据传输要经历以下三个阶段。所使用。用电路交换技术完成的数据传输要经历以下三个阶段。（1）线路的建立线路的建立 （2）数据传输数据传输 （3）线路拆除线路拆除 线路交换的特点：线路交换的特点：（1）传输时独占信道，信道利用率低；传输时独占信道，信道利用率低；（2）各个节点不对传输数据进行存储转发，不对数据的各个节点不对传输数据进行存储转发，不对数据的 速率、形式作任何解释、变换和存储；速
17、率、形式作任何解释、变换和存储；（3）线路建立时间较长；）线路建立时间较长；（4）适合连接时间长，大量数据实时传输。）适合连接时间长，大量数据实时传输。2.2.1 线路交换线路交换第21页，共35页，编辑于2022年，星期二 图图2-9 线路交换的过程线路交换的过程 2.2.1 线路交换线路交换第22页，共35页，编辑于2022年，星期二2.2.2 存储转发交换存储转发交换 1.报文交换报文交换(message switching)n报报文文交交换换方方式式(见见图图2-10)不不需需在在两两个个站站点点之之间间建建立立一一条条专专用用电路，数据传输单位是报文。电路，数据传输单位是报文。n所所
18、谓谓“报报文文”就就是是站站点点一一次次性性要要发发送送的的数数据据块块，它它是是将将拟拟发发送送的的数数据据与与目目的的地地址址、源源地地址址、控控制制信信息息等等一一起起，按按照照一一定定的的格格式式组组成一个数据单元，其长度不限并且可变。成一个数据单元，其长度不限并且可变。n传送过程采用存储转发方式。传送过程采用存储转发方式。第23页，共35页，编辑于2022年，星期二图图2-10 报文交换报文交换 例如：数据从主机例如：数据从主机H1发往发往H4。第24页，共35页，编辑于2022年，星期二 报文交换有两个特点：报文交换有两个特点：(1)报文从源站点传送到目的站点采用报文从源站点传送到
19、目的站点采用“存储存储转发转发”方式，在传方式，在传 送报文时，一个时刻仅占用一段通道，在源站点和目的站点送报文时，一个时刻仅占用一段通道，在源站点和目的站点 之间不建立专用的通路，之间不建立专用的通路，报文在节点先存储再选报文在节点先存储再选“路路”转发转发。(2)报文作为整体传输，在交换节点中需要缓冲存储，节点应具备报文作为整体传输，在交换节点中需要缓冲存储，节点应具备 足够的存储能力，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通足够的存储能力，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通 信的要求。信的要求。采用报文交换的优点是：采用报文交换的优点是：(1)电路利用率高，不发报文不占信道；电路利用率
20、高，不发报文不占信道；(2)在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼 叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不 过传送延迟会增加。过传送延迟会增加。(3)报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换 网络很难做到这一点。网络很难做到这一点。(4)节点对报文的可靠性负责：节点对报文的可靠性负责：收到报文的节点根据报文含有的地址进行路由；收到报文的节点根据报文含有的地址进行路由；节点对报文进行查错；节
21、点对报文进行查错；节点可以对报文进行速度和代码的转换。节点可以对报文进行速度和代码的转换。第25页，共35页，编辑于2022年，星期二 缺点：缺点：(1)不能满足实时或交互式的通信要求，报文大小不一，经过网络的延迟不能满足实时或交互式的通信要求，报文大小不一，经过网络的延迟 时间长而且不定。时间长而且不定。(2)有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不 丢弃报文。丢弃报文。适用场合：适用场合：报文交换适用于长报文、无实时性通信要求的场合，不适合会话式通报文交换适用于长报文、无实时性通信要求的场合，不适合会话式通信，
22、是我国公用电报网中采用的交换技术。信，是我国公用电报网中采用的交换技术。第26页，共35页，编辑于2022年，星期二n分分组组交交换换是是报报文文分分组组交交换换的的简简称称，又又称称包包交交换换。它它是是报报文文交交换换的的一一种种改改进进，它它将将报报文文分分成成若若干干个个分分组组，每每个个分分组组的的长长度度有有一一个个上上限限，有有限限长长度度的的分分组组使使得得每每个个节节点点所所需需的的存存储储能能力力降降低低了了，分分组组可可以以存存储到内存中，提高了交换速度。每个分组中包括数据和目的地址。储到内存中，提高了交换速度。每个分组中包括数据和目的地址。n其其传传输输过过程程在在表表
23、面面上上看看与与报报文文交交换换类类似似，但但由由于于限限制制了了每每个个分分组组的的长长度度，因因此此大大大大地地改改善善了了网网络络传传输输性性能能。它它是是计计算算机机网网络络中使用最广泛的一种交换技术。中使用最广泛的一种交换技术。2.分组交换分组交换(Packet Switching)第27页，共35页，编辑于2022年，星期二分组交换与报文变换最大的不同点是：分组交换与报文变换最大的不同点是：（1）把数据传送单位的最大长度限制在较小的范围内，这样）把数据传送单位的最大长度限制在较小的范围内，这样 每个节点所需要的存储量低了。每个节点所需要的存储量低了。(2)分组是较小的传输单位，只有
24、出错的分组才会被重发，分组是较小的传输单位，只有出错的分组才会被重发，因此大大降低了重发的比例和开销，提高了交换速度。因此大大降低了重发的比例和开销，提高了交换速度。2.分组交换分组交换(Packet Switching)第28页，共35页，编辑于2022年，星期二分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。n 虚电路方式虚电路方式(virtual circuit)虚电路方式又分为两种：呼叫虚电路和虚电路方式又分为两种：呼叫虚电路和 永久虚电路。永久虚电路。虚电路是指先在源端与目地端之间建立一条逻辑通路，传输时各个分组虚电路是指先在源端与目地端之
25、间建立一条逻辑通路，传输时各个分组按顺序都走这条通路，每个节点都要进行存储按顺序都走这条通路，每个节点都要进行存储/转发转发,对数据校验。对数据校验。当某个节点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过故障点的虚电当某个节点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过故障点的虚电路将立即破坏，导致本次通信失败。路将立即破坏，导致本次通信失败。与线路交换不同：虚电路使用与线路交换不同：虚电路使用“逻辑通路逻辑通路“进行传输。进行传输。把传输线路逻辑的划分为若干信道，建立是指占用一条逻辑通道。把传输线路逻辑的划分为若干信道，建立是指占用一条逻辑通道。呼叫虚电路方式也要经历以下三个过程：呼叫虚电路方式也要
26、经历以下三个过程：(1)建立虚电路建立虚电路(2)交换数据交换数据(3)拆除虚电路拆除虚电路 2.分组交换分组交换(Packet Switching)第29页，共35页，编辑于2022年，星期二 图 2-11 呼叫虚电路方式 第30页，共35页，编辑于2022年，星期二永久虚电路永久虚电路是是指指通通信信双双方方虚虚电电路路路路由由信信息息事事先先存存储储在在各各交交换换节节点点的的路路由由表表中中，通通信信的的双双方方永永远远在在线线，数数据据传传输输前前不不必必再再有有建建立立连连接接阶阶段段，当当然然事事后也不存在释放连接的问题。后也不存在释放连接的问题。永永久久虚虚电电路路方方式式适适
27、合合于于有有大大量量数数据据传传输输的的用用户户，每每次次通通信信可可省省去去了了呼叫建立连接过程。呼叫建立连接过程。第31页，共35页，编辑于2022年，星期二 图图2-12 数据报方式数据报方式 数据报方式数据报方式(data gram)第32页，共35页，编辑于2022年，星期二数据报方式的特点：数据报方式的特点：n在在数数据据报报方方式式中中，每每个个分分组组的的传传送送是是被被单单独独处处理理的的，就就像像报报文文交交换换中中的的报报文文一一样样也也是是独独立立处处理理的的。每每个个分分组组被被称称为为一一个个数数据据报报，每每个个数数据据报报自自身身携携带带足足够够的的地址信息。地
28、址信息。n一一个个节节点点接接收收到到一一个个数数据据报报后后，根根据据数数据据报报中中的的地地址址信信息息和和节节点点所所存存储储的的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报发送到下一个节点。路由信息，找出一个合适的出路，把数据报发送到下一个节点。n每个分组自己每个分组自己“选路选路”,可以避开故障点。可以避开故障点。n可逆序到达目的端，目的端负责排序及重装成报文。可逆序到达目的端，目的端负责排序及重装成报文。n在整个过程中，没有线路建立、拆除阶段，只有数据传输阶段，属于面在整个过程中，没有线路建立、拆除阶段，只有数据传输阶段，属于面 向无连接过程，不保障数据传输的可靠性。向无连接过程，不保障
29、数据传输的可靠性。数据报方式数据报方式(data gram)第33页，共35页，编辑于2022年，星期二虚电路方式与数据报方式相比，其不同点在于：虚电路方式与数据报方式相比，其不同点在于：(1)虚虚电电路路方方式式是是面面向向连连接接的的交交换换方方式式，常常用用于于两两端端点点之之间间数数据据交交换换量量大大的的情情况况，能能提提供供可可靠靠的的通通信信功功能能，保保证证每每个个分分组组正正确确到到达达，且且保保持持原原来来的的顺顺序。序。(2)虚虚电电路路方方式式有有一一个个弱弱点点，当当某某个个节节点点或或某某条条链链路路出出故故障障而而彻彻底底失失效效时时，则则所所有经过故障点的虚电路将立即破坏，导致本次通信失败。有经过故障点的虚电路将立即破坏，导致本次通信失败。而数据报可以避开故障点。而数据报可以避开故障点。(3)数据报方式是面向无连接的交换方式数据报方式是面向无连接的交换方式，适用于交互式会话中，适用于交互式会话中 每次传送的数据报很短的情况。每次传送的数据报很短的情况。第34页，共35页，编辑于2022年，星期二第35页，共35页，编辑于2022年，星期二