现代通信技术概论 第4版 课件 第3、4章 程控数字电话交换系统、第4章光纤通信系统

现代通信技术概论2第3章程控数字电话交换系统3.1程控数字电话概述 3.2程控数字电话交换系统 3.3软交换及软交换系统33.1电话交换系统概述

电话交换系统从早期人工式、机械式、电子式交换阶段，发展成为如今以计算机程序控制为主的程控数字交换阶段，不仅实现了数字语音通信，还能实现传真、数据、图像通信，构成了综合业务数字通信网。

本章将首先给出电话交换的概念模型、功能模型以及程控数字交换机的基本组成，然后就程控数字电话交换系统的基本工作原理从硬件和软件两个方面进行说明。43.1.1电话交换的概念模型交换机能够实现多用户之间“两两连线构通回路”的设想，同时也节省了连接线路。53.1.2电话交换技术发展史交换机类型接续方式控制方式接线器供电方式交换信息年代磁石式人工铃流*塞绳自备模拟话音1878共电式人工环路电流**塞绳交换机提供模拟话音1891步进制自动拨号脉冲步进接线器交换机提供模拟话音1891纵横制自动布线逻辑纵横接线器交换机提供模拟话音1919模拟程控自动存储程序干簧接线器交换机提供模拟话音1965程控数字自动存储程序电子接线器交换机提供数字话音等1970*铃流：接线员听到主叫振铃后，人工完成接线**用户摘机后接线员看到灯闪，人工完成接线表3-1各类交换机及其主要特点63.1.3电话交换的功能模型终端接口模块：与外部设备（本地用户设备和中继线）连接。接续模块：任意两用户之间连接矩阵网络。控制模块：控制建立或拆除接续。73.1.4电话交换机的基本组成信令设备产生各种标准的信令信号，如振铃信号、拨号音、忙音等，其他与功能模型等效。83.2程控数字电话交换系统程控数字电话交换系统实际上完全是由计算机控制的电话交换系统，由硬件和软件两大部分组成。本节将重点说明其中数字交换的基本工作原理。93.2.1硬件的基本组成分话路和控制两大部分：10小视频5：程控电话交换原理动画展示模拟信号到数字信号再到模拟信号的过程展示实物111.话路部分话路部分的主要任务是根据用户拨号状况，实现用户之间数字通路的接续：数字交换网络：为参与交换的数字信号提供接续通路。用户电路：与用户线之间的接口电路，用于完成A/D和D/A变换，同时为用户提供馈电、过压保护、振铃、监视、二/四线转换等辅助功能。中继电路：与中继线的接口电路，具有码型变换、时钟提取、帧同步等功能。121.话路部分扫描器：收集用户的状态信息，如摘机、挂机等动作。交换网驱动器：在控制部分控制下具体执行数字交换网络中通路的建立和释放。信令设备产生控制信号，主要包括信号音发生器（产生拨号音、忙音、回铃音等）、话机双音频(DTMF)号码接收器、局间多频互控信号发生器和接收器（用于交换机之间的“对话”）以及完成CCITTNo.7号共路信令的部件。132.控制部分控制部分的主要任务是根据外部用户与内部维护管理的要求，执行控制程序，以控制相应硬件实现交换及管理功能：中央处理器：普通计算机或交换专用计算机，用于控制、管理、监测和维护交换系统的运行。程序和数据存储器：分别存储交换系统的控制程序和执行过程中用到的数据。维护终端：包括键盘、显示器、打印机等设备。远端接口：分散控制方式下实现远程控制连接。143.2.2软件的基本功能与组成基本功能：程控数字交换机将各种控制功能预先编写成功能模块存入存储器，并根据对交换机外部状态作周期扫描所取得的数据，通过中断方式调用相应的功能模块对交换机实施控制，协调运行交换系统的工作。15软件的组成163.2.3时隙交换与复用线交换为了说明数字交换网的交换原理，先要了解时隙交换和复用线交换两个重要的数字交换概念。而时分接线器和空分接线器则分别用来实现这两种交换。171.时隙交换时隙交换实现同一条复用线上两个用户之间话音信息的交换。TSi←→TSj（i≠j）18T型时分接线器19读出控制方式又称为时钟（顺序）写入，控制（地址）读出。首先在定时脉冲控制下按照TS0~TSM的顺序把输入复用线上的M个时隙的话音数据写入到SM单元，与此同时，把每一个时隙要交换去的单元地址写入到CM单元。当从SM读出话音时隙时，按照CM中地址顺序读出。20写入控制方式与读出控制方式不同，向SM写入话音时隙时，按照CM单元指定的顺序写，SM读出则在定时脉冲的控制下从上到下顺序完成。

以上两种方式的时隙交换路由是由联机程序根据用户拨号号码通过用户忙闲表，查出被叫空闲链路而得到的。212.复用线交换

复用线交换完成两条复用线之间话音信息的交换，可以实现扩大交换容量的目的。22S型空分接线器

S型接线器能够把任一复用线上的任一时隙信息交换至另一复用线上任一时隙。交叉矩阵是由复用线交叉点阵组成的，交叉点阵中的每一个交叉点就是一个高速电子开关。这些高速电子开关受CM中存储数据的控制，用于实现交叉点的接通和断开。23S型空分接线器（输出控制方式）24输出控制方式说明按照输出复用线来配置CM，每一条输出复用线都要设置一个固定的CM，图中共有n条输出复用线需要n个CM。每个话路时隙对应一个CM存储单元。

CM存储单元中存储的内容是需要接通的输入复用线的编号，因此，用二进制表示输入复用线编号时CM要保持足够的位数。25S型空分接线器（输入控制方式）26输入控制方式说明每一条入线都设置一个固定的CM，图中共有n条入线，也就需要n

个CMCM存储单元数量与复用线话路时隙数相同。CM存储单元中存储的内容是需要接通的输出复用线编号。27两种接线器的不足T型接线器只能完成同一条复用线交换；S型接线器只能完成或者入线指定时隙或者出线指定时隙情况下复用线之间的交换，而不能完成入线和出线同时指定时隙的交换；对于大规模的交换网络，必须既能实现同一复用线不同时隙之间的交换又能实现不同复用线之间的时隙交换。因此，两种接线器结合组成复合型交换网络，才能实现这一要求。283.2.4TST型数字交换网络T-S-T数字交换网交换过程示意图29举例说明一次AB的交换过程把PCM0TS205时隙的话音信号交换到PCM15TS35时隙中去：假设选中了TS58，则处理机分别在输入侧T级的CMA0的第205号单元写入“58”，在S级CMS15的第58号单元写入“0”（0号复用线），在输出侧T级的CMB15的第35号单元写入“58”，于是各CM分别控制各级动作。首先，当PCM0的TS205时隙信息来到时，由CMA0控制写入SMA0的第58号单元；当TS58时隙到来时，该信息被顺序读出到S级的输入端的0号入线，并由CMS15控制交叉开关点0入/15出闭合接通至输出侧T级的第15个T接线器的入线端，同时写入到SMB15的第58号单元；最后当TS35到来时，再由CMB15控制从SMB15的第58号单元读出至接收端B的解码接收电路中去。303.2.5程控交换机主要性能指标系统容量：用户线数和中继线数呼损率：呼叫未通量与呼叫总量之比接续时延：400ms~1000ms之间话务负荷能力：爱尔兰（Erl）呼叫处理能力：最大忙时试呼叫次数可靠性和可用性：不中断，故障少主要业务：基本业务（通话）和补充业务（呼叫转移、呼叫等待、免打扰等）313.3软交换及软交换系统软交换是互联网进化过程中因特网与电话交换网络充分融合的一种新兴技术，将成为下一代网络（NGN）一种最基本的技术。323.3.1软交换的概念软交换可以理解为利用因特网实现ISDN的功能。333.3.2软交换系统组成框图34软交换系统各部分的功能信令网关：IP网与交换机之间信令中继转换处理媒体网关：两种网络之间媒体数据格式的转换（包括中继媒体网关和接入媒体网关）IP媒体服务器：媒体资源的生成、控制和管理应用服务器：提供业务执行环境网管中心：网络的整体控制管理。353.3.3软交换系统的应用目前软交换的应用主要集中在如下几个方面：分组中继：在分组中继网中，通过媒体网关直接提供高速的分组数据接口分组本地接入：实现话音的本地分组接入，淘汰掉电话终端局多媒体业务支持3G网：适用于3G网呼叫控制与媒体承载分离36本章小结和知识点 电话交换的概念模型与功能模型电话交换机的基本组成单条复用线上时隙交换：时分接线器多条复用线之间时隙交换：空分接线器程控数字电话交换系统的硬件组成程控数字电话交换系统的软件组成TST数字交换网软交换的概念

现代通信技术概论38第4章光纤通信系统4.1光纤通信概述

4.2光纤与光缆4.3光纤通信系统4.4光纤通信新技术394.1光纤通信概述光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为传输媒介的一种通信技术。光纤通信以其宽带、大容量、低损耗、长中继、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于敷设等优点，成为当代长途通信最主要手段。本章首先对光纤通信的发展历史做出回顾，然后对光纤通信的特点进行说明，重点阐述光纤的结构、分类、光波传输机理以及光纤通信系统各组成部分的工作原理。最后，简要介绍了一些光纤通信新技术。404.1.1光纤通信发展简史1960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激光器1961年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器1966年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤1970年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为20dB/km的低损耗光纤1970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器41光纤通信发展简史（续）1974年，美国贝尔实验室制造出1dB/km损耗的低损耗光纤。至此制约光纤通信的两个关键问题，光源和传输媒介问题完全得到解决。光纤通信的普及和推广获得了高速发展的基本条件。1977年美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s的商用光纤通信系统。目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例已经超过90%424.1.2光纤通信的特点传输损耗小，中继距离长：1.55μm波长附近约0.2-0.3dB/km，中继跨度百公里。传输频带宽，通信容量大：单模光纤的潜在带宽可达几十太赫兹（1012Hz）抗电磁干扰，保密效果好体积小、重量轻、便于运输和敷设原材料丰富、节约有色金属、有利于环保不足：光纤质地脆弱易断，敷设时的弯曲半径不宜太小434.2光纤与光缆光纤与光缆的结构、分类以及光纤的导光原理。444.2.1光纤的结构与分类光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层、涂覆层，称为裸纤。包层外面涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯（30~150μm），然后增加保护套加以保护。

纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率略低于纤芯，与纤芯一起形成光的全反射通道，使光波的传输局限于纤芯内。451.光纤的结构462.光纤的分类（表4.1）分类方法具体名称说明用途与特点按照材料的成分全石英系列光纤以SiO2为主要材料长途大容量通信。损耗小，传输距离长，成本高多组分玻璃纤维多种材料组合成分短距离光信号传输、容易制造、价格便宜塑料包层石英芯光纤线芯是SiO2材料，包层是硅树脂易耦合，特性同全石英系列光纤相近但成本较低，短距离高速数据传输，如IEEE1394。全塑料光纤纤芯和包层均由塑料制成挠曲性好、易加工、易耦合、成本很低、传输距离很短。多用于家电、音响及短距图像传输按照折射率的分布阶跃型光纤纤芯和包层折射率均匀，但包层的折射率低于纤芯，交界处产生跃变。带宽较窄，适于小容量短距离通信渐变型光纤从纤芯到包层的折射率呈抛物线规律逐渐变小带宽较宽，适于中容量中距离通信按照传输模式单模光纤仅允许与光纤轴平行的光波传输，即只有一个基膜传输宽带、大容量、长途通信多模光纤光波可以以多个特定的角度射入光纤的端面传播多为渐变型。渐变型多模光纤主要用于局域网按照工作波长短波长光纤0.8~0.9μm

长波长光纤1.0~1.7μm

超长波长光纤2.0μm以上

按照ITU-T建议G.651渐变多模光纤工作波长为1.31μm和1.55μm，主要用于计算机局域网或接入网。G.652标准单模光纤是目前应用最广的光纤当工作波长在1.3μm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制G.653色散位移单模光纤在1.55μm处实现最低损耗与零色散波长一致。用于超高速率、单信道、长中继距离通信。不利于多信道的WDM传输，易发生四波混频导致信道间发生串扰G.654最佳性能单模光纤在1.55μm处具有极低损耗（大约0.15dB/km）

G.655非零色散位移单模光纤这种光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性，特别适合于密集波分复用传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。全波光纤消除了常规光纤在1385nm附近由于OH-造成的损耗峰，使光纤可利用的波长增加100nm左右处于推广实用阶段473.光纤的折射率径向分布图484.2.2光纤的导光原理在光学理论中，当传输媒介的几何尺寸远大于光波波长时，可以把光表示成其传播方向上的一条几何线，称为光射线。用光射线来分析光传播特性的方法，称为射线法。下面通过射线法来分析光在阶跃型光纤中的导光原理。491.光的反射与折射定律

θ入=θ反当θ折>900时，折射光线会反射回到纤芯进行传播，这种现象称为全反射。502.光纤中的全反射传输调整入射角θ，使得θ折2>90度而发生全反射：514.2.3光纤的传输特性

光纤的传输特性描述的是光纤的传输损耗、色散和非线性效应。521.传输损耗

光纤传输损耗表现为随着传输距离的增加光功率逐渐下降，主要原因是吸收和散射造成再加光纤结构不完善导致。式中λ是光波波长，L是光纤长度（km），Po与Pi分别是光纤输出和输入端的光功率.532.色散理想光源应是频率单一的单色光，但现实光源信号不纯，含有不同的波长成分，在折射率为n1的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号分量产生不同延迟，这种现象称为光纤的色散。

具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后脉冲宽度展宽，严重时前后脉冲相互重叠，难以分辨。

有三个参数色散系数、最大时延差△τ、光纤带宽系数可以分别从不同的角度来描述光纤色散的程度。54光纤色散的类型模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的各种传导模式的相位不同、群速度不同而导致光脉冲展宽的现象，称为模式色散（或模间色散）。材料色散：由光纤材料自身特性造成的。波导色散：由光纤中的光波导结构引起的。多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考虑材料色散和波导色散。55单模光纤中的色散系数与波长关系563.非线性效应非线性效应在波分复用信道间产生串话和功率降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传输距离，影响系统的设计参数。

光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和弹性过程。574.2.4光缆分类方法

光缆种类按用途长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合光缆按敷设方式直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆按传输模式单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型）按结构层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式

按外护套结构

无铠装、钢带铠装、钢丝铠装

按光缆中有无金属

有金属光缆、无金属光缆

按维护方式

充油光缆、充气光缆

光缆的分类58几种光缆的结构594.3光纤通信系统光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。601.电发送端机把信源消息转换成电数字信号。612.光发送端机光源的调制有直接调制或外调制两种方式：623.光端机的调制方式直接调制（强-直调制）：利用电信号调制光波的幅度，驱动电路输出“0”、“1”脉冲信号直接控制光源的发光强度。适用于低速的半导体发光二极管（LED）。外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于高速激光器（LD）调制。外调制可选择调制光波的频率或相位。63例子：一种直接调制的共发射极驱动电路64小视频6：光纤通信原理动画展示电信号到光信号再恢复到电信号的过程，期间经过的设备和变换过程光电通信设备实物，包括关键器件，如激光器、二极管、室内光纤、室外光缆等654.光中继器光-电-光中继方式正在被光放大器取代，例如，掺铒光纤放大器（EDFA:Erbium-DopedFiberAmplifier）可以放大1.55μm波长附近的光信号，适用于长途越洋光通信系统。665.光接收端机将光纤传输过来的微弱光信号，经光检测器转变为电信号，然后再经放大电路放大到足够的电平，送到电接收端机去。电信号676.电接收端机电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流，并还原为信宿可接收的形式。684.4光纤通信新技术超大容量、超长距离、超高速传输一直光纤通信新技术的发展目标。拓展光纤可用“窗口”的波长范围可以提高光纤带宽；

降低损耗系数α(λ)可以增加光纤中继距离；

光波分复用或光时分复用可以增大系统容量；

相干光通信和光孤子通信也是研发热点。

本节将对其中的一些内容进行概要介绍。694.4.1光波分复用与光时分复用采用光波分复用（WDM）或光时分复用（OTDM）技术可以在不增加线路投资的情况下，扩大系统容量。701.光波分复用光波分复用：利用不同波长的光信号作为载波来传输多路光信号。712.光波分复用的类型根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复用系统分为三种类型：密集波分复用（DWDM）：波长间隔1~10nm稀疏波分复用（CWDM）：波长间隔