第二章现代通信系统的主要技术

第二章现代通信系统的主要技术第一页，共三十五页，2022年，8月28日2.1 多路复用技术

2.1.1多路复用技术概述

图2-1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来进行传输的技术，并且各路信号间必须互不影响。第二页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.2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，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。

图2-2频分多路复用技术

第三页，共三十五页，2022年，8月28日例：贝尔公司的108系列调频方式的调制解调器的规范。2.1.2频分多路复用

图2.3FDM应用：调制解调器第四页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.2频分多路复用

图2.4频分多路复用FDM

频移f(KHZ)例：图2.4给出了3路音频原始信号频分多路复用一条带宽为12KHz(60KHz～72KHz)的物理信道的示意图。第五页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.2频分多路复用注：音频信道带宽为4KHZ，有效带宽为3KHZ，信道两边各留500HZ警戒频带。

模拟电视信道带宽为6MHZ。例：某传输系统，带宽为960MHZ，能传输多少路模拟电视节目？第六页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.3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2-5时分复用示意图第七页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.3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，又可分为同步时分多路复用技术(STDM)和异步时分多路复用技术(ATDM)。图2-6STDM与ATDM第八页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.3时分多路复用例如：3个用户，线路总传输能力为28.8kbps

对于STDM:每用户获得28.8kbps/3=9600bps对于ATDM:每用户获得MIN=9600bps，MAX=28.8kbps。第九页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.4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，由此得出波分复用这一名词。

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80路或更多路数的光载波信号，于是就有了密集波分复用DWDM(DenseWavelengthDivisionMultiplexing)这名词。第十页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.4波分多路复用技术的硬件系统图2-7说明了波分复用的概念。通过光纤1、光纤2、光纤3和光纤4传输的4束光的频率不同，它们的波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4，这4个光载波（它们的波长很接近）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，经过接收方分用器的处理，重新分离为4束光传给各个用户。

图2-7波分复用第十一页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.5码分多址

码分复用CDM是另一种共享信道的方法，它是一种用于移动通信系统的共享信道的新技术，笔记本电脑或PDA(PersonalDataAssistant)以及HPC(HandedPersonalComputer)等移动性计算机的连网通信都会大量用到码分复用技术。实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA，每一个用户可以在同样的时间使用同样的频率进行通信。在CDMA中，每一个比特的时间再划分为m个短的时间片，称为码片(chip)，通常m的值是64或128。

第十二页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.5码分多址使用CDMA的每个站被指派一个唯一的mbit码片序列(chipsequence)。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的mbit码片序列；如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，假设m=8,指派给S站的8bit码片序列为00110101。当S发送比特1示，它就发送序列00110101；当它发送比特0时，就发送11001010。第十三页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.5码分多址

现假定S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m个比特的码片，因此S站的实际发送数据率提高到mvbit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来的m倍。这种通信方式是扩频(spreadspectrum)通信的一种。扩频通信通常有直接序列(directsequence,DS-CDMA)和跳频(frequencyhopping,FH-CDMA)两大类，上面所讲的码片序列就是DS-CDMA。

第十四页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.5码分多址CDMA系统的一个重要特点是系统分配给每一个站的码片序列不仅不同，而且要求它们必须互相正交。假设s站的码片向量为S，r站的码片向量为R，则用数学公式表示这两个码片向量序列的正交即为两个向量的内积为0。第十五页，共三十五页，2022年，8月28日2.1.5码分多址向量S和各站码片反码的向量内积也为0。而且要求任何一个码片向量的规格化内积都是1，而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积是-1。

第十六页，共三十五页，2022年，8月28日随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都大幅下降，已广泛使用在民用的移动通信种，特别是在无线局域网中。采用CDMA可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率等等。

2.1.5码分多址第十七页，共三十五页，2022年，8月28日2.2 数据交换技术

第十八页，共三十五页，2022年，8月28日2.2 数据交换技术

2.2.1线路交换

线路交换(circuitswitching)最典型的例子就是“电话通信”，如图2-8所示，我们大家都有打电话的经验，当我们要和对方进行通信时，首先拨号发出呼叫请求，经过交换机的转接，对方听到呼叫的铃声，拿起电话进行语音通信。

第十九页，共三十五页，2022年，8月28日2.2.1线路交换AB传输1.交换2.发送呼叫信号传输1.交换2.发送呼叫信号传输1.作出反应2.发送回应信号图2-8电话通信

第二十页，共三十五页，2022年，8月28日

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（2）数据传输（3）线路拆除

线路交换的特点：（1）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，不对数据的速率、形式作任何解释、变换和存储；（3）线路建立时间较长；（4）适合连接时间长，大量数据实时传输。2.2.1线路交换第二十一页，共三十五页，2022年，8月28日

图2-9线路交换的过程

2.2.1线路交换第二十二页，共三十五页，2022年，8月28日2.2.2存储转发交换

1.报文交换(messageswitching)报文交换方式(见图2-10)不需在两个站点之间建立一条专用电路，数据传输单位是报文。所谓“报文”就是站点一次性要发送的数据块，它是将拟发送的数据与目的地址、源地址、控制信息等一起，按照一定的格式组成一个数据单元，其长度不限并且可变。传送过程采用存储转发方式。

第二十三页，共三十五页，2022年，8月28日图2-10报文交换

例如：数据从主机H1发往H4。第二十四页，共三十五页，2022年，8月28日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“存储—转发”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之间不建立专用的通路，报文在节点先存储再选“路”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。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；(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。(3)报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。(4)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；

节点对报文进行查错；节点可以对报文进行速度和代码的转换。第二十五页，共三十五页，2022年，8月28日

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，就不得不丢弃报文。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，不适合会话式通信，是我国公用电报网中采用的交换技术。

第二十六页，共三十五页，2022年，8月28日分组交换是报文分组交换的简称，又称包交换。它是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。每个分组中包括数据和目的地址。其传输过程在表面上看与报文交换类似，但由于限制了每个分组的长度，因此大大地改善了网络传输性能。它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。

2.分组交换(PacketSwitching)

第二十七页，共三十五页，2022年，8月28日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。

2.分组交换(PacketSwitching)

第二十八页，共三十五页，2022年，8月28日分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。虚电路方式(virtualcircuit)虚电路方式又分为两种：呼叫虚电路和永久虚电路。虚电路是指先在源端与目地端之间建立一条逻辑通路，传输时各个分组按顺序都走这条通路，每个节点都要进行存储/转发,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“逻辑通路“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。呼叫虚电路方式也要经历以下三个过程：建立虚电路交换数据拆除虚电路

2.分组交换(PacketSwitching)第二十九页，共三十五页，2022年，8月28日图2-11呼叫虚电路方式

第三十页，共三十五页，2022年，8月28日永久虚电路是指通信双方虚电路路由信息事先存储在各交换节点的路由表中，通信的双方永远在线，数据传输前不必再有建立连接阶段，当然事后也不存在释放连接的问题。永久虚电路方式适合于有大量数据传输的用户，每次通信可省去了呼叫建立连接过程。

第三十一页，共三十五页，2022年，8月