第七章通信网基础

1、第7章 通信网基础大连理工大学出版社通信技术基础主编：于宝明 王钧铭主审：宫锦文新世纪高职高专通信类课程规划教材新世纪高职高专通信类课程规划教材国家级精品课件配套教材国家级精品课件配套教材大连理工大学出版社第7章 通信网基础大连理工大学出版社7.1通信网分类及通信网的拓扑结构通信网分类及通信网的拓扑结构通信网是指由一定数量的节点通信网是指由一定数量的节点(包括终端设备和交换设备包括终端设备和交换设备)和连接节点的传输链路相互有机地组合在一起，以实现两个和连接节点的传输链路相互有机地组合在一起，以实现两个或多个规定点之间信息传输的通信体系。或多个规定点之间信息传输的通信体系。通信网由传输、交换、

2、终端三大部分组成。通信网由传输、交换、终端三大部分组成。 传输部分传输部分: : 为网络的链路（为网络的链路（LinkLink），）， 交换部分交换部分: : 为网络的节点（为网络的节点（NodeNode），）， 终端（终端（TerminalTerminal）: : 是信息的发送者和接收者是信息的发送者和接收者第7章 通信网基础大连理工大学出版社通信网拓扑结构：通信网拓扑结构： 所谓拓扑结构是指通信网络中的各节点设备（包括计算机所谓拓扑结构是指通信网络中的各节点设备（包括计算机及有关通信设备等）与通信链路相互连接而构成的不同物及有关通信设备等）与通信链路相互连接而构成的不同物理几何结构。理几何

3、结构。 网络拓扑结构是决定通信网络性质的关键因素之一。 根据各节点在网络中的连接形式，通信网络拓扑结构常分为总线型、环型、星型、树型、网状型(或网孔型)和复合型6种结构。第7章 通信网基础大连理工大学出版社（1）网型（）网型（Mesh）网）网网型网有如下特点： 各个用户终端之间直接以通信链路连接； 通信建立过程中不需要任何形式的转接； 接续质量高，网络的稳定性好； 需要有很多的通信链路。线路数:N=n(n-1)DTE/DCE 网型网第7章 通信网基础大连理工大学出版社（2）星型）星型(Star)网网 星型网有如下特点： 各用户终端都通过转接中心进行连接； 与网型网相比节省许多通信链路； 需要有

4、转接设备，转接设备故障可能会造成全网通信瘫痪； 星型网可以是多层次的，有时也称为树型结构。 交换机交换机星型网第7章 通信网基础大连理工大学出版社（3）环型）环型(Ring)网网环型网有如下特点： 环型网的拓扑结构为一封闭环形，传输线路短； 初始安装比较容易； 故障的诊断比较准确，适于用光纤系统； 可靠性、可扩展性和灵活性较其它网络差。DCE DCE DCE DCEDCE DTE DTE DTE DTE DTE 环型网第7章 通信网基础大连理工大学出版社（4）总线型）总线型(Bus)网网总线型网有如下特性： 总线型网采用公共总线作为传输介质，信号沿介质进行广播式传送； 有智能入网结点； 安装容

5、易，可靠性高，新增终端方便； 由于采用分布式控制，不易管理，故障诊断和隔离比较困难。总线型网第7章 通信网基础大连理工大学出版社（5）复合（）复合（Compound）网）网复合网的特点如下： 由两种以上网络复合; 适用于大型网络。 交换机交换机 网型网 星型网 星型网 星型网 交换机 复合网第7章 通信网基础大连理工大学出版社（6）树型（）树型（Street）网）网 树型网络的结构特点是网络中各节点设备采用分级结构彼此连接而形成的一个倒树状结构（又被称为分级的集中式网络），网络中每一节点都是通过它的根节点（或父节点）与它的本级的其它节点或上级节点进行信息传输的，与它下级节点的信息交换则是通过它

6、的子节点实现完成的，如图所示。因此，除了“叶子”节点（末端）外，树型网络中的所有根节点和子节点都是转接节点。(a) 总 线 型(b) 环 型(c) 星 型(g) 复 合 型(f) 网 孔 型(e) 网 状 型(d) 树 型树型网第7章 通信网基础大连理工大学出版社不同拓扑结构的网络特点第7章 通信网基础大连理工大学出版社7.3通信网中的各种技术通信网中的各种技术7.3.1信号交换信号交换 定义：定义：通信网络上的各个用户之间进行通信，由网上的设备根据用户要求选择通信对象，这就是信号的交换。 分类：分类：线路交换、报文交换和分组交换。第7章 通信网基础大连理工大学出版社信号交换线路交换报文交换分

7、组交换虚拟线路数据报程控交换人工交换信号交换分类第7章 通信网基础大连理工大学出版社线路交换（电路交换，线路交换（电路交换，Circuit Switching ）在信息（数据）的发送端和接收端之间，直接建立一条临时通路，供通信双方专用，其在信息（数据）的发送端和接收端之间，直接建立一条临时通路，供通信双方专用，其它用户不能再占用，直到双方通信完毕才能拆除。它用户不能再占用，直到双方通信完毕才能拆除。优点：优点： 直接由物理链路连通； 没有其它用户干扰、没有非传输时延；缺点：缺点： 通路建立时间较长； 线路利用率不高。 注意：注意：面向连接面向连接；独占物理链路独占物理链路面向连接的服务包含面向

8、连接的服务包含三个过程三个过程： 连接建立连接建立 数据传输数据传输 连接拆除连接拆除 提供提供“可靠的服务可靠的服务”。该方式适合大数据量的信息传输第7章 通信网基础大连理工大学出版社(A交换机交换机交换机交换机(交换机交换机BCD面向连接面向连接CO (Connection-Oriented)CO (Connection-Oriented)电话接序示意图电话接序示意图第7章 通信网基础大连理工大学出版社报文交换（报文交换（Message Switching） 原理：原理：信源将欲传输的信息组成一个数据包，我们称作报文。该报文上写有信宿的地址。这样的数据包送上网络后，每个接收到的节点都先将它

9、存在该节点处，然后按信宿的地址，根据网络的具体传输情况，寻找合适的通路将报文转发到下一个节点。经过这样的多次存储转发，直至信宿，完成一次数据传输，这种节点存储转发数据的方式称为报文交换。在报文交换中，报文沿一条路径从一个节点发送到下一个节点，整条报文在每在报文交换中，报文沿一条路径从一个节点发送到下一个节点，整条报文在每一个节点被接收、存储，然后发向下一个节点。如果其中的某一段链路没有一个节点被接收、存储，然后发向下一个节点。如果其中的某一段链路没有空闲，则它可以在这段链路的上一个节点中空闲，则它可以在这段链路的上一个节点中等待等待。 注意：注意：无连接无连接；基于；基于“存储存储- -转发转

10、发”机制机制 报文交换不像线路交换那样需要建立专用通道。第7章 通信网基础大连理工大学出版社报文交换报文交换1.1.优点：优点：中继电路利用率高中继电路利用率高； 不同速率和规程的终端之间可以通信。不同速率和规程的终端之间可以通信。2.2.缺点：时延大；缺点：时延大； 占用大量的内存和外存。占用大量的内存和外存。3.3.应用：短报文；实时性要求低的用户。应用：短报文；实时性要求低的用户。第7章 通信网基础大连理工大学出版社分组交换（分组交换（Packet Switching） 分组交换是数据量有限的报文交换，即把一个大数据包分分组交换是数据量有限的报文交换，即把一个大数据包分成若干个小数据包（

11、俗称打包），每个小数据包的长度是成若干个小数据包（俗称打包），每个小数据包的长度是固定的然后再按报文交换的方式进行数据交换。固定的然后再按报文交换的方式进行数据交换。 在报文交换中，我们对一个数据包的大小没有限制，比如你要传输一篇文章，不管这篇文章有多长，它就是一个数据包，报文交换把它一次性传送出去（可见报文交换要求每个节点必须具有足够大的存储空间）。而在分组交换中，要限制一个数据包的大小。为区分这两种交换方式，把小数据包（即分组交换中的数据传输单位）称为分组（Packet）。第7章 通信网基础大连理工大学出版社分组交换（包交换）分组交换（包交换）分组的组成分组的组成第7章 通信网基础大连理工

12、大学出版社数 据数 据数 据F 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块F 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包）每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包）F 依次把各分组发送到接收端依次把各分组发送到接收端F 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文数 据分组报文发送端首部分组数 据首部分组首部数 据发送发送发送在前发送接收端数 据首部数 据首部数 据首部第7章 通信网基础大连理工大学出版社数据分组在网络中有两种传输方式：数据报（数据分组在网络中有两种传输方式：数据报（Datagram）和虚电路（）和虚电路（

13、Virtual Circuit）。）。数据报数据报：该方式非常像报文交换，是一种无连接型无连接型的服务。每个分组数据包的每个分组数据包的报头包含了分组的最终目的地及其在报文中的位置。与虚拟电路的数据分组包报报头包含了分组的最终目的地及其在报文中的位置。与虚拟电路的数据分组包报头不同的是，它头不同的是，它不包含路径的信息不包含路径的信息。当分组数据包通过网络移动时，每一个节点。当分组数据包通过网络移动时，每一个节点将做出路由选择。每一个节点读取数据分组报头的目的地信息，并在那一刻选择将做出路由选择。每一个节点读取数据分组报头的目的地信息，并在那一刻选择可获得的最佳路径，然后将分组发向下一个节点。

14、在最后一个节点，分组被存储，可获得的最佳路径，然后将分组发向下一个节点。在最后一个节点，分组被存储，直到所有构成报文的其它的分组都到达并重新直到所有构成报文的其它的分组都到达并重新按报头指示的顺序排列按报头指示的顺序排列起来。起来。每个分组每个分组在网络中的传输路径与时间完全由网络的具体情况而随机确定。因此，会出现信宿收到的分组顺序与信源发送时的不一样，先发的可能后到，而后发的却有可能先到。这就要求信宿有对分组重新排序的能力，具有这种功能的设备叫分组拆装设备(PAD，Packet Assemblyand Disassembly Device），通信双方各有一个。数据报要求每个数据分组都包含终点

15、地址信息以便于分组交换机为各个数据分组独立寻找路径。注意：注意： 无连接无连接；基于；基于“存储存储- -转发转发”第7章 通信网基础大连理工大学出版社虚电路虚电路（Virtual CircuitVirtual Circuit）：）：1.1.概念：概念： 虚拟线路类似于传统的线路交换。首先由源发出一个虚拟线路类似于传统的线路交换。首先由源发出一个呼叫请求包呼叫请求包到第一个节点到第一个节点A A，节点，节点A A继续把它传送到第二个节点继续把它传送到第二个节点B B，最后传到目的，最后传到目的地。目的地将地。目的地将呼叫应答包呼叫应答包发送回源。发送回源。 中间仍然需要存储转发中间仍然需要存储

16、转发. .2.2.注意：注意： 面向连接面向连接，但是与电路交换的区别在于它占用的是一条，但是与电路交换的区别在于它占用的是一条“逻辑链逻辑链路路”；并非独自占用；并非独自占用 注意注意: 面向连接面向连接,存储存储 - 转发方式转发方式第7章 通信网基础大连理工大学出版社数据报和虚电路的对比： （1）数据报省掉了呼叫的建立和清除过程，如果只传送少量的分组，那么采用数据报方式的传输效率会比较高。 （2）对于数据报方式，由于每个分组是各自独立在网络中传输的，所以分组不一定按照发送时的顺序到达网络终点，因此在网络终点必须对分组重新排序。而对于虚电路的方式，分组按已建立的路径顺序通过网络，在网络终点

17、不需要对分组重新排序。 （3）在数据报方式下，由于每个数据分组都要独立的寻找路径，所以单个数据分组传输的时延较大。而虚电路一旦建立，单个数据分组的传输时延则会小得多。 （4）数据报方式对网络的适应能力较强。第7章 通信网基础大连理工大学出版社我班接到通知，我班接到通知，“明天早上到古平岗老校区集合！明天早上到古平岗老校区集合！”电路交换：公安封锁道路，为我班提供电路交换：公安封锁道路，为我班提供“专线专线”，等我班通过之后才撤，等我班通过之后才撤去。去。报文交换：全班同学集体行动，转公交车到古平岗。报文交换：全班同学集体行动，转公交车到古平岗。 仙林校区仙林校区-165-165路路-45-45

18、路路-古平岗校区古平岗校区分组交换之分组交换之“虚电路虚电路”：班长去：班长去“探路探路”，到目的地立即短信告知路线，到目的地立即短信告知路线，全班同学全班同学 依计行事。依计行事。分组交换之分组交换之“数据报数据报”：全班同学各走各的，：全班同学各走各的，“殊途同归殊途同归”。（学号。（学号分组序号）分组序号）第7章 通信网基础大连理工大学出版社异步转移模式（异步转移模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode ） ATM交换方式属于快速分组交换，但它不仅仅是简化了控制，提高了速率的分组交换，同时为了满足实时业务的要求，还使用了一些电路交换中的方法。ATM改进了电路交换

19、的功能，使其能灵活地适配不同速率的业务；ATM改进了分组交换功能，满足实时性业务的要求。所以ATM交换方式又可以看作是电路交换方式和分组交换方式的结合。 电路交换方式适用于电话业务；电路交换方式适用于电话业务； 分组交换适用于数据业分组交换适用于数据业务；而务；而ATM既适用于电话业务，又适用于数据业务，并既适用于电话业务，又适用于数据业务，并且还能适用于其他业务且还能适用于其他业务 。 第7章 通信网基础大连理工大学出版社7.3.2频分多路复用（频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplex ） 基带信号对载波进行调制后其频谱被搬到了载波的两边，载频不同，调制

20、后频谱的位置也不同。利用调制的这一特点，我们可以将多个基带信号（例如话音信号或数字我们可以将多个基带信号（例如话音信号或数字基带信号）对不同频率的载波进行调制，使它们在频率轴基带信号）对不同频率的载波进行调制，使它们在频率轴上处于不同的位置，然后将它们叠加在一起进行处理（如上处于不同的位置，然后将它们叠加在一起进行处理（如调制、放大等）并在一个信道中传输。调制、放大等）并在一个信道中传输。在接收端，用不同中心频率的带通滤波器进行分离，再用各自的解调器解调后恢复原来的基带信号。以这种方式实现多路信号在一个信道中传输的技术称为频分多路复用（FDM）。第7章 通信网基础大连理工大学出版社有的信道有很

21、宽的频率范围，但用户的信息带宽却很窄，用这样的信道去传输一个用户的信号显然会造成频率资源的浪费。这时可以将一个信道按频率划分成多个子信道，每个信道分配一个载波，传送一个用户的信号，这种方式称为频分多路复用（FDM）。采用频分多路复用方式时数字基带信号必须通过调制将采用频分多路复用方式时数字基带信号必须通过调制将频谱搬到对应的子信道上。频谱搬到对应的子信道上。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 fC 低通滤波器 调制器 带通滤波器 合路器 载波发生器 低通滤波器 调制器 带通滤波器 基带信号 基带信号 低通滤波器 调制器 带通滤波器 基带信号 N (a) f1 f2 fN 调制器 第7章 通信

22、网基础大连理工大学出版社 图中N路基带信号分别通过低通滤波器限制带宽，然后送入相应的调制器对频率为f1、f2、fN的载波进行调制。各载波之间有一定的频率间隔，以保证已调波的频谱不发生重叠。合路器将多个已调波混合成一路，并将这个多路复用信号当作一路基带信号对高频载波fC进行调制，最终送入信道。第7章 通信网基础大连理工大学出版社fC 低通滤波器 解调器 带通滤波器 分路器 低通滤波器 解调器 带通滤波器 基带信号 基带信号 低通滤波器 解调器 带通滤波器 基带信号 N (b) f1 f2 fN 解调器 信道 第7章 通信网基础大连理工大学出版社 上述组成框图与发送部分是对应的。解调器对接收到的信

23、号进行解调，得到频分复用信号，由分路器将复用信号送入中心频率分别为f1、f2、fN的带通滤波器。带通滤波器的中心频率与发送端各载波的频率是一致的，它将其它各路信号以及传输过程中引入的干扰滤除，输出一个较为纯净的单路已调信号。最终各个解调器对每一路信号进行解调恢复原基带信号。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 频分多路复用更多地用于模拟通信系统中，并且可以频分多路复用更多地用于模拟通信系统中，并且可以进行多层的频分复用。进行多层的频分复用。下图表示用于卫星通信的CCITT900路主群各级频分复用的情况。一个CCITT900路主群由15个超群构成，每个超群又由5个基群构成，每个基群由12个语音基

24、带信号复合而成，总的信号数为15512=900路。每一路信号的频率范围为3003400Hz，900路主群的频率范围从308kHz到4028kHz，带宽约4MHz。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 300 3400 Hz 308 4028kHz 312 552kHz 60 108kHz 基群 超群 CCITT主群基群形成 超群形成 主群形成 基带信号 60 108kHz 312 552kHz 308 4028kHz 第7章 通信网基础大连理工大学出版社2 2 时分多路复用时分多路复用(TDM)(TDM) 为什么要进行时分多路复用为什么要进行时分多路复用 一个大型的数字通信系统具有较高的信息传

25、递速率，而单个用户一个大型的数字通信系统具有较高的信息传递速率，而单个用户所需要的码率却往往并不很高，因此在数字通信中有时要将多路所需要的码率却往往并不很高，因此在数字通信中有时要将多路信号复合，在同一个通信系统（或传输信道）中进行传输。由于信号复合，在同一个通信系统（或传输信道）中进行传输。由于数字信号具有时间上离散的特点，因此可以将多路信号进行分时数字信号具有时间上离散的特点，因此可以将多路信号进行分时传送。传送。 什么是时分多路复用什么是时分多路复用 将信道的工作时间按一定的长度分段，每一段称为一帧，一帧又将信道的工作时间按一定的长度分段，每一段称为一帧，一帧又分为若干个时隙。用户的信号

26、在每一帧中各自占用一个预先分配分为若干个时隙。用户的信号在每一帧中各自占用一个预先分配的时隙。这样就可以实现多路信号在同一个信道中的不同时间里的时隙。这样就可以实现多路信号在同一个信道中的不同时间里进行传输。进行传输。第7章 通信网基础大连理工大学出版社第7章 通信网基础大连理工大学出版社 图中，圆弧表示导电片，箭头表示簧片，左边机构为复用器，右边机构为解复用器，两者以相同的速度旋转。设a、b、c为三个发送信号的用户，a、b、c为对应的接收用户，与用户相连的线路称为用户线路，复用器与解复用器之间的线路称为中继线路。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 MUX DEMUX 1 帧 125s 32

27、 个时隙 125s8bit 压缩到 3.9s 第7章 通信网基础大连理工大学出版社寄存器寄存器寄存器寄存器1011001000110101101100101011001000110101001101010 11 0第7章 通信网基础大连理工大学出版社 复用后信号波形 复用前信号波形 解复用后信号波形 中继线 发端用户线 收端用户线 a a b c a b c 第7章 通信网基础大连理工大学出版社取样门取样门取样门取样门取样门取样门保持电路保持电路编码器编码器时钟时钟选通电路选通电路第一路第一路取样取样第一路第一路保持保持第一路第一路编码编码第二路第二路取样取样第二路第二路保持保持第二路第二路编

28、码编码第三路第三路取样取样第三路第三路保持保持第三路第三路编码编码第二帧第二帧开始开始第一帧第一帧开始开始第7章 通信网基础大连理工大学出版社 在在30/32路路PCM系统中，每系统中，每32个时隙内只有个时隙内只有30个时隙用个时隙用于消息的传送；于消息的传送； 第第1个时隙（个时隙（TS0）在偶帧时传送同步码，码组固定为）在偶帧时传送同步码，码组固定为*0011011，其中，其中*作为备用码元，奇帧时传送监测告警信作为备用码元，奇帧时传送监测告警信号；号； 第十七个时隙（第十七个时隙（TS16）传送信令，每个信令用）传送信令，每个信令用4位码组表位码组表示，每帧的示，每帧的TS16可以传送

29、两个信令。可以传送两个信令。每16帧构成一个复帧，每个复帧的第16帧中的TS16的前4位码组用来传送复帧同步码，码组固定为0000。 30/32路数字通信系统的总码率为路数字通信系统的总码率为 fA=8000328=2048 kbit/s第7章 通信网基础大连理工大学出版社TS0TS1TS2TS15TS16TS17TS29TS30TS31同 步时隙话 路时隙标志信号时隙1帧，32个时隙，256比特，125微秒第7章 通信网基础大连理工大学出版社30/32路路PCM终端终端低 通滤波器放大器取样器PCM编码器汇总器码 型变 换信令数据同步码组定时信号各取样器的开关频率相同（各取样器的开关频率相同

30、（8kHz），但取样时刻不同，它们分别在），但取样时刻不同，它们分别在各自规定的时间内进行取样和编码，另外也可以在有些时隙内传送数据各自规定的时间内进行取样和编码，另外也可以在有些时隙内传送数据信号，如计算机数据或传真；信号，如计算机数据或传真；在在TS0时刻和时刻和TS16时刻插入同步信号和信令信号；时刻插入同步信号和信令信号；汇总器将各种信号汇合后，其输出已是一个完整的汇总器将各种信号汇合后，其输出已是一个完整的30/32路路PCM复用复用信号，经码型变换（如信号，经码型变换（如HDB3）后即可送入调制信道。）后即可送入调制信道。第7章 通信网基础大连理工大学出版社30/3230/32路路

31、PCMPCM终端终端放大器低 通滤波器分路器 PCM解码器分离器码型反变换再生器信令接收数据接收同步检测收端定时信道输出的信号经再生整形后进行码型反变换，然后信道输出的信号经再生整形后进行码型反变换，然后由分离器将话音信码与其他码元分离。由分离器将话音信码与其他码元分离。话音信码经话音信码经PCM PCM 解调后由分路器分别送至各用户。解调后由分路器分别送至各用户。第7章 通信网基础大连理工大学出版社7.3.3扩频技术（扩频技术（Spread Spectrum ） 信道中不可避免地存在着干扰与噪声，并且信道的频带宽度也总是有限的，因此信道传送信码的能力会受噪声和带宽的限制。 信道极限的传输能力

32、（也就是信道最大的信息传输速率）信道极限的传输能力（也就是信道最大的信息传输速率）称为信道容量，当系统传输的信息速率超过信道容量时，称为信道容量，当系统传输的信息速率超过信道容量时，系统误码率将会大大增加。系统误码率将会大大增加。第7章 通信网基础大连理工大学出版社香农公式指出了信道容量C与信道带宽B和信噪比S/N的关系： 上式表明，增加信道的传输带宽或提高信号传输的增加信道的传输带宽或提高信号传输的信噪比都可以增加信道容量，或者说信道传输带宽与传信噪比都可以增加信道容量，或者说信道传输带宽与传输信噪比之间可以互换。输信噪比之间可以互换。从信号的角度看，如果将信号的频带展宽（当然传输系统要提供

33、相应的带宽），就可以在信号功率较小而干扰或噪声较大的情况下获得较低的误码率。扩频技术正是基于香农公式而发展的一种通信技术。bps1log2NSBC第7章 通信网基础大连理工大学出版社 扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码码(扩频序列：扩频序列：Spread Sequence)调制，实现频谱调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。调及相关处理，恢复原始信息数据。第7章 通信网基础大连理工大学出版社扩频通信的特点：扩频通信的特点：（1 ） 易于重复使用频率，提高了无线

34、频谱利用率 （2） 抗干扰性强，误码率低 （3 ） 隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小 （4） 可以实现码分多址 （） 抗多径干扰 （） 能精确地定时和测距 （7） 适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务 （8 ） 安装简便，易于维护 第7章 通信网基础大连理工大学出版社1 PN（Pseudorandom Noise）码）码 扩频技术是扩展频谱技术的简称，它是一种伪噪声编码通信技术。扩频可以直接对基带信号进行，称为直接扩频；也可以对已调信号进行，称为跳频。无论是直接扩频还是跳频，都要用到一种特别的码，即伪随机（PN）码。 第7章 通信网基础大连理工大学出版社 PN码序列是一种与白噪声

35、类似的信号，它是一种具有特码序列是一种与白噪声类似的信号，它是一种具有特殊规律的周期信号。殊规律的周期信号。 这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。因为噪声具有完全的随机性，也可以说具有近似于噪声的性能。但是，真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称为伪随机码或PN码。 PN码的相关函数具有尖锐特性，因此易于从其它信号或码的相关函数具有尖锐特性，因此易于从其它信号或干扰中分离出来，且有良好的抗干扰特性。干扰中分离出来，且有良好的抗干扰特性。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 PN码的类型有多种，其中最大长度线性移位寄存

36、器序列（简称m序列）性能最好，在通信中普遍使用。m序列序列的最大长度决定于移位寄存器的级数的最大长度决定于移位寄存器的级数，若n为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n-1位。m序列的码结构决序列的码结构决定于反馈抽头的位置和数量。定于反馈抽头的位置和数量。不同的抽头组合可以产生不同长度和不同结构的码序列，但也有的抽头组合并不能产生最长周期的序列。现在已经得到3100级m序列发生器的连接图和所产生的m序列的结构。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 下图是一个周期为31的PN码序列，在一个周期内“1”或“0”码的出现似乎是随机的。PN码序列的这种特性称为伪随机性，因为它既具有随机序列的特性，

37、又具有一定的规律，可以人为地产生与复制。 1111100110100100001010111011000111110011010010 一个周期 周期为 31 的 PN 码序列 第7章 通信网基础大连理工大学出版社 PN码可以通过寄存器产生。下图是由5级移位寄存器通过线性反馈组成的PN码序列产生电路。图中，每一级移位寄存器的输入码（1或0）在CP脉冲到来时被转移到输出端，而D1的输入是D2输出与D5输出的模2加的结果。CP D1 D5 D4 D3 D2 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 第7章 通信网基础大连理工大学出版社上图中各个CP脉冲周期内每一个移位寄存器的输出状态如下表所示PN序列产生器工

38、作状态表CP周期移位寄存器输出CP周期移位寄存器输出CP周期移位寄存器输出Q1Q2Q3Q4Q5Q1Q2Q3Q4Q5Q1Q2Q3Q4Q511111112001002310111201111130001024110113001111400001250110141001115100002600110511001160100027000116011001710100281000171011018010102911000801011191010130111009001012011010311111010100102111101111111110100122011102第7章 通信网基础大连理工大学出版社

39、2直接序列扩频直接序列扩频 直接序列（DS）扩频是一种应用较多的扩频技术，简称直扩，它直接用具有高码元速率的直接用具有高码元速率的PN码序列在发送端扩码序列在发送端扩展基带信号的频谱，在接收端用相同的展基带信号的频谱，在接收端用相同的PN码序列进行解扩，码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。把展宽的扩频信号还原成原始的信息。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 图中，数字基带信号首先与PN码序列相乘，得到被扩频的信号（仍为数字基带信号），随后与正弦载波相乘并通过带通滤波器，得到射频宽带信号。在接收端，信号经带通滤波器滤波后先与本地载波相乘进行相干检波，得到基带扩频信号，然后再与PN

40、码相乘解扩，恢复原始数字基带信号。 带通 滤波 带通 PN码 PN码 载波 载波 信码 信码 干扰 （a） （b） （c） （e） （f） （d） 积分判决 载波同步 PN码同步 第7章 通信网基础大连理工大学出版社 信码 PN 码 扩频码 （a） Tb Tc （b） t t t （c） 1 -1 1 -1 1 -1 a c d f 信码频谱 PN码频谱 直扩后信号频谱 fC f f f 调制后信号频谱 b 第7章 通信网基础大连理工大学出版社 从波形的角度看从波形的角度看，经过扩频的信码每一个码元由多个码片构成（图中是12个，实际上更多），从波形上看脉冲的宽度小了，因而信号的频谱展宽，这也是

41、将这种技术称为扩频技术的原因。 从频谱的角度看从频谱的角度看，图（a）是基带信号的频谱，这是一个窄带信号；图（b）是PN码序列的频谱，其带宽要比信号宽得多；两者相乘后信码的频谱被展宽，但频谱密度大大降低，如图（c）；正弦调制后基带信号的频谱被搬移到载波的两边，如图（d）。第7章 通信网基础大连理工大学出版社扩频系统的抗干扰原理扩频系统的抗干扰原理 （a） fC f 其它用户干扰 调制后信号频谱 背景噪声 窄带干扰 （b） f 其它用户干扰 解调后信号频谱 背景噪声 窄带干扰 （c） 窄带干扰 背景噪声 其它用户干扰 信号 积分器特性 第7章 通信网基础大连理工大学出版社 用不同相位的 PN 码

42、解扩的结果分析 积分器输出 PN 码 （与发端不同相位） 扩频码 （a） Tc （b） t t t A -A 1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 1-1-1 1 1 1 -1 1 -1-1-1 1-1 1-1 相位相同时 相位不同时 一个码元，24 个码片 （c） 第7章 通信网基础大连理工大学出版社3 跳频跳频 在扩频通信中，另一种最常用的扩频方式是跳变频率在扩频通信中，另一种最常用的扩频方式是跳变频率(Frequency Hopping)工作方式，简称跳频工作方式，简称跳频(FH)方式。方式。 通常我们所接触到的无线通信系统都是载波频率固定的通信系统，如无线对讲机，

43、汽车移动电话等，都是在指定的频率上进行通信，所以也称作定频通信定频通信。这种定频通信系统，一旦受到干扰就将使通信质量下降，严重时甚至使通信中断。 第7章 通信网基础大连理工大学出版社 定频通信系统容易暴露目标且易于被截获，这时，采用定频通信系统容易暴露目标且易于被截获，这时，采用跳频通信就比较隐蔽也难以被截获。跳频通信就比较隐蔽也难以被截获。因为跳频通信是“打一枪换一个地方”的游击通信策略、使敌方不易发现通信使用的频率，一旦被敌方发现，通信的频率也已经“转移”到另外一个频率上了。当敌方摸不清“转移规律”时，就很难截获我方的通信内容。 因此，跳频通信具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到因此，跳频通

44、信具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享。频谱资源共享。所以在当前现代化的电子战中跳频通信已显示出巨大的优越性。另外，跳频通信也应用到民用通信中以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 在二进制FSK系统中，1码与0码表现为两个不同频率的载波，分别计为f1和f2，跳频系统在FSK的基础上使f1和f2以相同的规律作随机跳变，也就是说，实际的发送频率是 ft= ft= f fN N + f1 + f1 当发送当发送1 1码时码时 ft= ft= f fN N + f2 + f2 当发送当发送0 0码时码时 这里fN是按伪随机变化的频率，通常可由PN

45、码控制频率合成器产生。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 功放 滤波 PN 码 PN 码 信码 信码 频率 合成器 FSK 调制器 放大 滤波器 频率 合成器 FSK 解调器 同步 干扰 混频器 混频器 PN码 频率 合成器 移位 寄存器 fN 第7章 通信网基础大连理工大学出版社 图中所用的频率合成器是一种能产生多个频率点的高稳定度的正弦信号源，在通信系统中被广泛地应用。频率合成器的输出频率可以受并行输入的二进制代码控制。串行输入的PN码经过移位寄存器后并行输出，每输入一位PN码就有一组码输出，相应地控制频率合成器输出一个频率。设频率合成器的输入码组长度为4，其输出频率有16种，若用周期为

46、31的PN码，则各个时钟周期内PN码与频率合成器的输出频率fN对照如下表。第7章 通信网基础大连理工大学出版社PN码与频率合成器输出对照表码与频率合成器输出对照表时钟周时钟周期期移位寄存器输出移位寄存器输出fN时钟周时钟周期期移位寄存器输出移位寄存器输出fN时钟时钟周期周期移位寄存器输出移位寄存器输出fN11111f15120010f2231110f1421111f15130100f4241101f1331110f14141000f8251011f1141100f12150000f0260110f651001f9160001f1271100f1260011f3170010f2281000f87

47、0110f6180101f5290001f181101f13191010f10300011f391010f10200101f5310111f7100100f4211011f11321111f15111001f9220111f7331111f15周期为31的PN码序列：1111100110100100001010111011000第7章 通信网基础大连理工大学出版社f2 0 T1 T2 T3 T4 T5 1 0 1 1 1 f1ffNf0 +fN或f1 +fNf0f5f10f15f15t第7章 通信网基础大连理工大学出版社 图中，在0T1时刻，信码为1，BPSK信号的频率为f1。在这段时间内，f

48、 N变化了8次（如图中虚线段所示），所以实际发送的信号的频率是分8段变化的频率（图中粗线段所示），每一小段的发送频率都比f N高了f 1；在T1T2时刻，信码为0，BPSK信号的频率为f 2，f N又随机变化了8次，这段时间内发送的信号频率也是分8小段变化，每一小段的发送频率比f N高了f 2。 图中粗线段表示了跳频系统发送信号的频图中粗线段表示了跳频系统发送信号的频率，这个图称为率，这个图称为跳频图案。跳频图案。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 从跳频图案中可以看到，发送的信号频率变化似乎是随机的，但实际上它有一定的规律，主要决定于控制f N产生的PN码。经过一个PN码周期后，f N重复

49、变化，跳频图案也会重复出现（实际上，因为信码的变化，一个PN码周期后跳频图案还是与前一周期不同的）。 跳频速率通常采用等于或大于信息码速率。跳频速率通常采用等于或大于信息码速率。 如果每个码有多次跳频，称为快跳频，如果跳频速率与如果每个码有多次跳频，称为快跳频，如果跳频速率与码率相同则称为慢跳频。码率相同则称为慢跳频。第7章 通信网基础大连理工大学出版社跳频技术指标跳频技术指标考察一个系统的跳频技术性能，应注意下列各项指标： 跳频带宽、跳频频率的数目、跳频的速率、跳频码的长度跳频带宽、跳频频率的数目、跳频的速率、跳频码的长度( (周期周期) )、跳频系统的同步时间、跳频系统的同步时间 一般说来

50、，希望跳频带宽要宽，跳频的频率数目要多，跳一般说来，希望跳频带宽要宽，跳频的频率数目要多，跳频的速率要快，跳频码的周期要长，跳频系统的同步时间频的速率要快，跳频码的周期要长，跳频系统的同步时间要短要短。 第7章 通信网基础大连理工大学出版社跳频系统的主要特点跳频系统的主要特点 由于它是瞬时窄带系统，它易于与目前的窄带通信系统兼由于它是瞬时窄带系统，它易于与目前的窄带通信系统兼容。容。 由于它是宏观的宽带系统，它具有扩展频谱的抗干扰能力。由于它是宏观的宽带系统，它具有扩展频谱的抗干扰能力。 由于它是按照跳频图案进行频率跳变的，它具有码分多址由于它是按照跳频图案进行频率跳变的，它具有码分多址和频带

51、共享的组网通信能力。和频带共享的组网通信能力。 由于它是载波频率快速跳变的，它具有频率分集的功能。由于它是载波频率快速跳变的，它具有频率分集的功能。第7章 通信网基础大连理工大学出版社跳时跳时(TH)(TH)方式方式 跳变时间(Time Hopping)工作方式，与跳频相似，跳时跳时(TH(THTime Hopping)Time Hopping)是使发射信号在时间轴上跳变。是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽

52、了。 跳时也可以看成是一种时分系统，所不的地方在于它不是在一帧跳时也可以看成是一种时分系统，所不的地方在于它不是在一帧中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳中固定分配一定位置的时片，而是由扩频码序列控制的按一定规律跳变位置的时片。变位置的时片。跳时系统的处理增益等于一帧中所分的时片数。 由于简单的跳时抗于拢性不强，很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。第7章 通信网基础大连理工大学出版社宽带线性调频宽带线性调频宽带线性调频(Chirp Modulation)工作方式，简称Chirp方式。 如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作如果发射的

53、射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。线性变化，则称为线性调频。 因为其频率在较宽的领带内变化，信号的频带也被展宽了。因为其频率在较宽的领带内变化，信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用在雷达中，但在通信中也有应用。这种扩频调制方式主要用在雷达中，但在通信中也有应用。 第7章 通信网基础大连理工大学出版社各种混合方式各种混合方式 在上述几种基本的扩频方式的基础上，可以组合起来，构成各种混合方式。例如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。 一般说来，采用混合方式看起来在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。但是，不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方

54、式得不到的特性。第7章 通信网基础大连理工大学出版社7.3.57.3.5基于双绞线的接入技术基于双绞线的接入技术 目前世界上最长的通信线路（不只是一简单的加）数字化终端（如计算机、传真机、数字电话机、互联网等）利用现有的双绞线进行数字终端的接入。目前基于双绞线的数据传输系统大致有三类：目前基于双绞线的数据传输系统大致有三类：不改变电话网的结构，在用户终端之间引入不改变电话网的结构，在用户终端之间引入modemmodem将数据信号转化为与将数据信号转化为与话音信号类似的模拟信号（频率范围限制在话音信号类似的模拟信号（频率范围限制在300Hz300Hz3400Hz3400Hz）；）；利用现有的双绞

55、线，对端局交换机的用户电路部分作一些改造，数据利用现有的双绞线，对端局交换机的用户电路部分作一些改造，数据信号以数字方式在线路中传输，典型的例子是信号以数字方式在线路中传输，典型的例子是xDSLxDSL、ISDNISDN；用于局域网（用于局域网（LAN）内各终端之间的数据传输。）内各终端之间的数据传输。 第7章 通信网基础大连理工大学出版社1 1双绞线双绞线 双绞线(TP: Twisted Pair wire)是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发

56、出的电波抵消。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 双绞线的性能取决于双绞线的各种参数，EIA/TIA-568-A（商用楼布线标准）将双绞线分为两种类型：屏蔽双绞线（STP, Shielded Twisted Pair）与非屏蔽双绞线（UTP, Unshielded Twisted Pair）。屏 蔽 箔屏 蔽 双 绞 线非 屏 蔽 双 绞 线第7章 通信网基础大连理工大学出版社第7章 通信网基础大连理工大学出版社 双绞线虽不是最好的传输介质，但它价格低廉价格低廉且已被广泛应用。 用于数据传输的双绞线一般是四对封装成一条电缆（一条电话电缆会包容更多对的双绞线），每对双绞线的特征阻抗都是100。

57、双绞线的频带宽度与线规、线类及长度有关，3类线100m的传输带宽为16MHz，而5类线的100m传输带宽为100MHz。第7章 通信网基础大连理工大学出版社2 2利用模拟电话用户线进行数据传输利用模拟电话用户线进行数据传输电话网与模拟电话用户线电话网与模拟电话用户线 电话网通过交换机（exchange）和通信链路实现多个电话用户的相互通信。 中继线 用户 用户线 端局 交换机 汇接 交换机 第7章 通信网基础大连理工大学出版社 与用户直接相连的交换机称为市话交换机或端局交换机与用户直接相连的交换机称为市话交换机或端局交换机 。 电话网可以通过增加端局交换机来扩大服务区域电话网可以通过增加端局交

58、换机来扩大服务区域，各交换机之间可以互连形成网型网或用汇接交换机连接形成星型网。 汇接交换机是交换机的交换机，当距离很远时汇接交换汇接交换机是交换机的交换机，当距离很远时汇接交换机也称为长途交换机。机也称为长途交换机。 交换机之间的线路称为中继线交换机之间的线路称为中继线，一般采用同轴电缆或光纤作为传输介质。第7章 通信网基础大连理工大学出版社 电话用户线是从普通电话用户到电信网端局交换机之间传送模拟信号的通信线路，它以双绞线为传输介质，受交换机中用户电路的限制，模拟电话用户线所能传输的信号频率范围为3003400Hz。 用户电话机用一对双绞线（双线）接入电话网，另外用户电话机用一对双绞线（双

59、线）接入电话网，另外用两对线（四线）分别与话筒和耳机相连，因此在同一用两对线（四线）分别与话筒和耳机相连，因此在同一对双绞线上必须传送双向同频的话音信号。对双绞线上必须传送双向同频的话音信号。在电话机中有一个混合回路（也称为“二四”线转换器）用于实现出入信号的合路与分路。第7章 通信网基础大连理工大学出版社模拟电话用户线中的数据传输模拟电话用户线中的数据传输 利用模拟电话用户线进行数据传输时，首先必须将数据信号转换成频率范围为3003400Hz的模拟信号，这个过程由调制解调器（Modem）完成。 （PSTN） IDN I Internet Modem模拟用户线 端局交换机 第7章 通信网基础大

60、连理工大学出版社 PSTN各交换机之间已完全实现了信号的数字化传输与处理，这部分称为综合数字网络（IDN），它包含了各种数字交换设备、数字通信链路（局间中继线路）； IDN与模拟用户线相连的部分是这个通信网中端局交换机与模拟用户线的接口电路，具有滤波、PCM编解码等各种功能； 数据终端是指用户的数字化终端，如计算机、传真机等。第7章 通信网基础大连理工大学出版社3 3 xDSLxDSL技术技术 用户线的数字化已成为近年来的热门技术，也是实现用户端到端的全用户线的数字化已成为近年来的热门技术，也是实现用户端到端的全数字式多媒体通信的关键。数字式多媒体通信的关键。与干线通信网不同的是，由于每个用户