通信系统与通信网络系统概述

1、第一章 通信系统与通信网络系统概述1.1 通信系统的发展简史 人类建立和使用通信早在古代就开始了，古代的烽火台、邮路驿站、狼烟设施、旌旗等。唐代大诗人杜甫诗中的“烽火连三月，家书抵万金”，就是古人收到远方家信时，欣喜若狂的真实写照；又如唐代诗人王维诗句中的“大漠孤烟直，长河落日圆”的诗句更是直接反映了古代的“数字化”通信系统烽火台的通信效果。近代的灯光信号、旗语等，特别是到了19世纪，英国人莫尔斯于1837年发明了无线电电报装置；美国人贝尔于1876年发明了电话系统，这标志着“电讯时代”的开始将信息转换成某种电磁波信号并进行远距离传送。现代的电报、电话、传真、电视、计算机等用户终端连接起现代通

2、信网，在20世纪初期，德国西门子公司的电磁式自动交换机的诞生，则标志着“通信自动化”时代的开始；20世纪末期，光纤数字通信技术、计算机通信技术和卫星移动数字通信系统的使用，将通信技术推向了一个高速发展的水平；而在21世纪初，随着宽带互联网业务与IP技术的快速前进，新一代移动通信（即第三代移动通信系统3G）和网络电视（IPTV）技术的崛起，以及全球电信行业向“综合信息业务服务商”方向的全面转型，3G技术的使用和发展，使移动通信从窄带、低速、单一的业务推向了宽带、高速、多业务的发展，目前，全球3G市场已进入了快速的发展阶段。由于3G移动通信网络在网络带宽、安全性与可靠性等方面的突破，3G业务应用将

3、摆脱2G时代简单的纯文本内容，能提供低成本、大容量、更丰富、个性化与更多样化的移动多媒体业务，真正实现“随时、随地、无拘无束通信与信息交互”。故3G市场开始由发达国家和地区逐步向发展中国家和地区发展，当前以亚洲、东欧表现最为活跃，具有广阔的市场。根据信息产业部的统计和预测数据，我国3G终端的市场是非常巨大的。未来的3G终端市场，将会有更多的厂商加入，有更多的款式可供用户挑选，目前，3G正处于蓬勃发展的时期。1.2 通信系统的定义与特点在人类的活动过程中需要相互之间传递各种信息，也就是说将带有传递的各种信息的信号通过某种方式由发送者传递给接收者，这种信息的传递过程就是我们所说的通信。因此，所谓通

4、信，就是由一个地方向另一个地方传递和交换信息的过程。在如今的自然科学中，“通信”几乎是“电通信”的同义词，故教学内容中所讲的通信就是指电通信。所谓通信系统，就是用电信号（或光信号）传递和交换信息过程的系统，也叫电信系统。人类社会活动所有不同的消息都可以把它们归结成两类：一类称为连续消息，另一类称为离散消息。连续消息是指消息的状态是连续的，如强弱连续变化的语音，亮度连续变化的图像等，连续消息又称作模拟消息，信息中随时间变化而连续取值的信号叫连续信号或模拟信号，如普通电话机输出的信号就是模拟信号，传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统；离散消息是指消息的状态是离散可数的，它们不是时间的连续函数，他

5、的取值仅为有限可数的离散值，我们把这样的消息叫做离散消息，或叫数字消息，信息中随时间和状态都是离散的信号称作离散信号或数字信号，如电报、数字、数据、监控指令等，传递数字信号的通信系统称为数字通信系统。数字通信与模拟通信相比，他更能适应人类对通信的更高要求，它具有如下特点（优缺点）：（1）数字信号便于处理、存储，如VCD、DVD光盘等；（2）数字通信的抗干扰能力大大增强，因数字信号取值用二进制数码表示，有干扰时容易检测；（3）数字信号便于传输与交换，因数字信号易变为光脉冲信号，易于传输；（4）数字信号容易加密而且有良好的保密性；（5）可靠性高，传输与交换产生的差错便于控制；（6）灵活性与通用性良

6、好，因数字通信中各类消息可变成统一二进制数码，便于计算机处理，可以形成综合业务数字网（ISDN）。数字通信虽具有诸多优点，被人们广泛利用，但也有数字通信频带利用率较低的缺陷。1.3通信系统的构成及其作用在人类社会活动中，交换与传递信息所需的一切技术设备的总体我们也俗称之为通信系统（实际是通信系统的一部分）。通信系统的种类是很多的，对于构成通信系统基本的模型（即最简单的点对点通信）来说，一般都可以用图1.1所示来表示，它一般由以下几个部分组成：信息源发送器 信道接收器备收信者噪 声 源发送端接收端图1.1 通信系统的基本模型图1.1所示通信系统的基本模型是单向的通信系统，如广播、无线寻呼系统等。

7、通常点对点通信系统都应该是双向的，即通信的双方都拥有收/发信设备和终端设备，传输媒介也是能双向传输的，比如电话通信系统。下面介绍通信系统构成及其每个组成部分的作用：1、信息源：各类信息所发出的地方。可以是人说话的声音，也可以是计算机（PC机）发出的某条指令等。根据信息源输出信号性质的不同可以分为连续性信息源与离散性信息源，连续性信息源（如电话机、摄像机等）输出连续幅度信号；离散性信息源（如电传机、计算机等）输出离散的符号序列或文字。信息源的另一个作用就是把需要传送的信息（如语言、报文、数据和图像等）转变为原始电信号（或光信号）。2、发送器：即发送设备，也称为变换器，它的主要作用是将信息源发生的

8、信息（原始电信号或光信号）变换成适合在信息交换与传输通道中传送的信号。其中最主要的一种变换器就是调制设备（即编码器）。3、信道：交换与传输原始电信号或光信号的畅通路径称为信道。简而言之就是信号传输的通路，它是信号的传输媒介。一方面它为信号提供传输的道路，另一方面它又对信号造成损害（如使信号产生畸变）。信道按传输介质的种类不同可以分为有线信道和无线信道。在有线信道中电信号（或光信号）被约束在某种传输线（架空明线、电缆、光缆等）上传输；在无线信道中电信号沿空间（大气层、对流层、电离层等）传输。4、接收器：即接收设备，也称为反变换器，它的工作过程是发送设备的逆过程，也就是还原的过程。它的基本功能是完

9、成和发送设备相反的变换，如解调、译码等。其任务是从传输媒质输出的带有噪声和干扰的信号（包括有用信号）中恢复出原始信号，也就是解码的过程。其中最主要的一种反变换器就是解码器。5、收信者：即信宿，也就是信息传送的终点。它是将复原的原始电信号转换为相应的消息（如耳机、扬声器恢复出的原始电信号变换为语音）。它可以与信息源相对应构成人人通信或机机通信；也可以与信息源不一致，构成人机通信或机人通信。6、噪声源：它是通信系统内各种噪声和干扰影响的等效结果。通信系统内的噪声来自系统内的各个部分，从发送和接收信息的周围环境，各种设备的电子器件到信道所受到的外部电磁场干扰，都会对信号形成噪声影响。为便于分析，将系

10、统内所存在的噪声与干扰均折合到信道上，在通信系统中，信号通过媒介一般要经过长距离的传输，极易受到噪声的干扰，传输损耗将使进入接收设备的信号十分微弱。故在系统内相关的环节要有抑制噪声与干扰的设备，以防有用信息的失真降低到最低限度，大大提高通信的质量。1.4通信系统的分类通信系统的分类方法较多，通常采用按消息的物理特征、传输媒质和系统组成特点、传输信号的特征、调制方式与复用方式来分类。下面简要对每种分类进行叙述。1、按消息的物理特征来分类根据消息的物理特征的不同，可分类电话通信、电报通信、数据通信和图像通信等。这些系统可以是专用的，但通常是兼容的或并存的。例如，伴随计算机发展而迅猛发展的数据通信，

11、近距离大多用专线传送数据信息，而远距离则经常借助电话通信线路来传送数据信息；又如电报通信常常是从电话电路中分出一部分频带传送电报信息，或者是用一个话路传送多路电报信息。2、按传输媒质来分类按传输媒质的不同可分为无线通信与有线通信。无线通信传输媒质通常是借助于电磁波在自由空间进行传播；而有线通信的传输媒质可以是架空明线、电缆和光缆等。无线通信传输媒质电磁波根据其波长的不同又可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信和光纤通信等类型，下面根据上述几个波段通信的频段和波段名称、频率范围和波长范围、传输媒质和主要用途分别对其进行列表叙述：频段和波段名称频率范围和波长范围传输媒质主要用途极低频ELF极

12、长波303000HZ100.1km有线线对极长波无线电对潜艇通信、矿井通信甚低频TLF超长波330kHz10010km有线线对超长波无线电对潜艇通信、远程无线电通信、远程导航低频LF长波30300kHz101km有线线对长波无线电中远距离通信、地下通信、矿井无线电导航中频MF中波3003000kHz1000100m同轴电缆中波无线电调幅广播、导航、业余无线电高频HF短波330MHz10010m同轴电缆短波无线电调幅广播、移动通信、军事通信、远距离短波通信甚高频THF超短波30300MHz101m同轴电缆超短波无线电调幅广播、电视、移动通信、电离层散射通信微波特高频UHF分米波0.33GHz10

13、010cm波导分米波无线电微波接力、移动通信、空间遥测雷达、电视超高频SHF厘米波3030GHz101cm波导厘米波无线电雷达、微波接力、卫星和空间通信极高频EHF毫米波30300GHz101mm波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文紫外线、可见光、红外线105107GHz310-1310-6cm光纤、激光空间传播光通信表1-1 电磁波波段划分、常用传输煤质与主要用途3、按系统组成的特点来分类（1）短波通信系统。该系统工作在2-30MHz的短波波段，传输带宽窄，系统容量小。主要用于特殊的业务和军事通信中。（2）微波中继通信系统。采用微波波段2-12GHz进行通信，传输带宽宽，系统容量大，主要

14、用于长距离通信。（3）卫星通信系统。是在地面微波中继通信和空间技术基础上发展起来的，是微波中继通信系统的一种特殊形式，它覆盖区域大、通信距离远，利用三颗人造同步卫星可实现全球通信的宏伟目标。（4）光纤通信系统。以光波为载波，以光纤为传输媒介，光纤极其宽阔的频域范围和极小的损耗，使光纤通信已成为通信领域中最为活跃的通信技术。（5）移动通信系统。采用超短波或微波进行通信，是以移动体对固定地点之间或移动体之间的通信，他的目标是任何人、任何地点、任何时间都可以进行的通信，是各种通信的集合体现。（6）计算机通信系统。主要指通信机房内计算机路由器、汇聚交换机等，以及配套光电传输通信系统。（7）电视通信系统

15、。主要指市内各种有线电视通信设备与线缆系统。4、按传输信号的特征来分类不管信息源发出的信息是连续信息还是离散信息，均能变换为相应的电信号（基带信号），若发出的是连续信息则称作模拟信号，另一类称作数字信号。传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统，而传输数字信号的通信系统则称作数字通信系统。模拟通信系统可以传输电话、电报、数据和图像等信息。与数字通信相比，模拟通信设备简单，占用频带窄，但抗干扰能力差。图1.2为模拟通信系统模型，各部分的作用、功能与图1.1类似，可由读者自行完成。信源调制器备信道解调器备收信者噪 声 源发送端接收端图1.2 模拟通信系统模型图1.3为数字通信系统模型，数字通信抗干扰

16、能力强，有较好的保密性和可靠性，易于集成化，缺点是占用频带较宽，且需较复杂的同步系统。它的各部分作用、功能与图1.1类似，可由读者自行完成。噪 声 源信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器收信者图1.3 数字通信系统模型5、按调制方式来分类根据是否采用调制方式，可将通信系统分为基带传输和调制传输（又叫频带传输）两大类。基带传输是将未经调制的原始电信号（或光信号）直接在线路上进行的一种传输，如音频市内电话和数字信号的基带传输等；调制传输是先对原始电信号（或光信号）进行调制后再在信道上进行的一种传输。6、按复用方式分类在通信系统中，信道能提供比原始电信号（或光信号，

17、又称基带信号）宽得多的频带宽度，假若在信道中只传输一路信号，那么信道的利用率就较低，对于整个通信系统来说就是一种浪费。为了解决这一难题，采取的方法是多路信号同时传送，这就是我们所说的复用技术，它可分为基带复用、时分复用、频分复用与码分复用系统四种复用方式。（1）基带复用：指在短距离内（6km）直接在传输介质上传输模拟基带（3003400Hz）信号的系统，优点是线路设备简单，缺点是传输介质的带宽利用率较低，不适于在长途线路上用，目前在传统双绞线电话电缆上采用，在局域网中构成“话音+ADSL（宽带）综合接入系统；（2）时分复用：采用脉冲调制的方法使不同路数的信号占据不同的时间区间，它具有差错率低、

18、安全性好、数字电路高集成度与更高的带宽利用率，数字通信采用时分复用；（3）频分复用：用频谱搬移的方法使各路基带信号分别占用不同的频率范围，目前它主要用于微波链路和铜线介质上，在光纤介质上该方式更习惯被称为波分复用，波分复用原理就是在保证一定频率间隔情况下，使光纤上单个波长的信道传输变为多个波长同时传输多路光信号的过程，从而大大提高了信息传输容量；（4）码分复用：用一组正交的脉冲序列来分别携带不同路数的信号；码分复用主要用于空间通信的扩频通信系统中。 1.5通信网络系统概述物理结构上的网我们可以把它看成是许多线的集合，在自然界中经常看到的渔网、蜘蛛网、网兜等都是用许多线（或蛛丝）编织而成的。而在

19、我们的日常生活中，见到过的公路网，铁路网，航空网等，我们都可以把它们分解成许多线的集合。在通信系统中，我们借助物理结构上的网来描述通信网络系统。1、 通信网络的定义能够将各种语言、声音、图表、图像、文字、数据、视像等媒体变换成电信号，而且在任何两地间、任何两个人、这两地所处的通信终端设备以及人和通信终端设备之间，按照预先约定的规则（或称协议等）进行传输和交换建立的通信系统，来为个人、企事业单位和社会提供各类通信服务的总和，我们把它称之为通信网络。 2、 通信网络的组成与功能现代通信网络系统一般由“用户终端接入系统”、“传输与汇聚系统”和“路由转换交换系统”以及“电信级质量监控保障系统”组成。它

20、的功能就是要适应用户呼叫的需要，以用户满意的程度传输网内任意两个或多个用户之间的信息。3、 通信系统与通信网络系统的关系通信网络来源于通信系统又高于通信系统。无论是网络的种类、技术、功能等如何的复杂，从物理上的硬件设施分析，通信系统是各种通信网络不可或缺的物质基础，这是一种自然发展规律，没有线就不能成为网。故通信网络是通信系统发展的必然结果。通信系统可以单独存在，而通信网络是通信系统的扩充，通信网络不能离开通信系统而单独地存在，即通信网络系统存在的前提是通信系统存在。4、 现代通信网络系统的技术特点a. 技术的先进性：目前的通信技术发展趋势是以电信级的“IP分组交换宽带网络”作为统一的承载话音

21、业务、数据业务与交互式视频业务的通信平台，形成具有“三重业务传输能力”的综合信息IP传送网络。b. 网络化与四维时空性：在地球上通信网所能覆盖的任何地方，人们都可以进行信息的传送。c. 优质的服务性：主要体现在以下四点，高可靠性；传播对象大众化；质优价廉的商业模式；通信产品的多样性。d. 国民经济的基础产业性：第一、通信行业是一个信息化社会的基础产业；第二、在信息化社会中，又是一种特殊的生产力。e. 通信系统的分层结构：按其专业功能分“物理媒介层”、“传输层”和“交换层”；按通信服务的区域性分“用户终端网络”、“用户接入网”、“（光纤）城域汇聚传输网”、“广域业务交换网”。f.通信网络技术的持

22、续高速发展性：正向着“现代通信综合服务商”的方向转化。1.6 现代通信网络的分类1.现代通信网络的分类它的分类有很多种，按照其作用、性质、功能及服务范围等，可以将它分为各种不同的网络，其分类如表1-2所示。按营运方式分按业务范围分按使用范围分国内公用通 信 网电话网市内电话网、农村电话网、本地电话网、长途电话网电报网公众电报网、用户电报网数据网本地数据网、全国性数据网传真网本地传真网、地区性传真网、全国性传真网移动通信网本地移动通信网、漫游移动通信网综合业务数字网本地ISDN、全国ISDN国内公用通 信 网电话网公众电报网用户电报网数据、传真网综合业务数字网（1） 各网均由两端的国内网络部分和

23、国际电路组成（2） 电报网、数据传真网均具有自动存储转发功能表1-2 现代通信网的分类（1）按照通信网完成的功能可分为公用网、专用网、支撑网。其中公用网又可分为电话网、数据网、图像网、移动网等。（2）按照传输信号可分为数字网和模拟网。现在的长途网、市话网、数据网都是数字网，有线电视（CATV）部分与用户终端接入部分仍是模拟通信的范畴。（3）按照组网的方式可以分为移动通信网，卫星通信网等。2.电话网电话通信网是最早发展起来的，是其他通信网的基础，一般覆盖面积广。它主要是为语音业务的传送、转接而设置的网络。我国的电话网可分为长途电话网、市话网、本地网与接入网。本地网是指某一城市及周边的郊区县所组成

24、的通信网络，负责其管辖范围内用户的话务。它的特点是用户多、密度大，交换局的数据一般较多。国内长途电话网是由长途交换中心、长途线路和长途中继线构成，其功能是疏通各个不同本地网之间的长途话务。一般长途线路较长，但话务是比本地网少，据此，一般采用等级网。长途网设置一、二、三 级长途交换中心。一级交换中心相当于大区交换中心，现在主要设置在我国的八大城市（北京、沈阳、西安、成都、武汉、南京、上海、广州）；二级交换中心是以省、直辖市为交换中心；三级交换中心相当于地区（厅级）长途交换中心； 各交换中心之间都设置有传输链路，这些传输链路直接与长途汇接局相连。 国际长途电话网由国际交换中心和局间长途电路组成，用

25、来疏通各个不同国家之间的国际长途话务。国际电话网中的节点称为国际电话局。3.数据网数据通信网与计算机网络：所谓数据通信是指按照一定协议（或规程）完成由数字、字母、符号等表示的具有离散形式信息的传输与交换的一种通信方式。计算机通信是指计算机与计算机之间或与终端设备之间为共享硬件、软件和数据资源而协同工作，以实现数据信息传递的通信方式。可以说，计算机通信的主要目的是为了实现资源共享，数据通信的主要任务则是为了数据信息的传递。因此，数据通信是计算机通信的基础，数据通信网可看成是计算机网络的一个组成部分。数据通信网指的是计算机网络中的通信子网，即是由通信部门负责建设的公共数据通信网。 4. 有线电视网

26、络有线电视系统就是通过有线线路在电视中心和用户终端之间传送图像、声音信息的闭路电视系统。它可分为广播型和双向交互型两大类。广播式有线电视网络（CATV）系统共由三部分组成：前端放大器（信源），电缆分配网络（信道）和用户终端（信宿）；在双向有线电视系统中一般采用频率分割的方式传送，经同一电缆，用不同的频段分别传送上、下行信号；实行电视网和电信网络的融合，就是说，利用电信光缆数字作远距离信息传输，将CATV网改造成局部通信中心和用户接入系统，实际上，这样的系统就是光纤同轴混合网络（HFC），在HFC中，可以开展电话、数据、模拟或数字图像传输业务，可较好地实现宽带与交互性的统一，从而在HFC方式工作

27、的CATV网上实现多媒体通信的功能。5. 接入网 为了适应新业务发展的需要，用户环路也要向数字化，宽带化等方向发展，并且要求用户环路能灵活、可靠。易于管理等。基于电信网的发展趋势，国际电信联盟正式提出了用户接入网的概念。用户通过接入网的传输，能够灵活的接入到不同的电信业务节点上，接入网处于电信网的末端，是本地交换机与用户间的连接部分。引入接入网的目的就是为通过有限种类的接口，利用多种传输媒介，灵活的支持各种不同类型的接入业务。接入网的定义是：它由业务节点接口（SNI）和用户网络接口（UNI）间的一系列传送实体（如线路设备、传输设备）构成，是为传送电信业务而提供所需传送承载能力的实施系统，也可以

28、说它是业务节点（SN）与用户网络接口间的传送，接入手段的总称。在电信网中接入网的定界（划定接入网的范围）如图1.4所示。接入网的主要作用是将来自用户/网络接口的信息数据及控制信号进行复用/分接、和/或交叉连接，将它们送到业务节点。它包括用户传输系统、复用设备、数据交叉连接及用户/网络接口设备。图1.4 接入网的定界 6综合业务数字网（ISDN）综合业务数字网（ISDN）是在电话综合数字网（IDN）基础上发展起来的一种电信网络形态。它提供端对端的数据链接用来支持话音、非话音在内的综合数字业务，并通过标准化多用途用户的接入的网络。它又分为窄带综合业务数字网（NISDN）和宽带综合业务数字网（BIS

29、DN）两类。NISDN具有一定的实用价值，连接适合于家庭和小规模商业用户，但存在局限性，具体表现在：传输带宽有限，网络结构复杂，新业务的适应能力低，信道应用范围小等特点。而BISDN 能满足用户更多的通信业务，如高清晰度电视HDTV、广域网连接、会议电视、可视电话、视频点播、远程教育、远程医疗、高速数据传输等。BISDN是基于宽带ATM交换为基础构造的现代信息网络。1.7现代通信网络现状和发展方向 目前我国的通信网络，是根据不同的通信业务种类，分别建立起来的电话通信网、数字移动通信网（GSM/CDMA、3G制式）、各种数据（宽带）通信网和有线电视传送网等各种“独立传输”的通信业务网络，其实电视

30、网和宽带数据网由信息产业部统一管理，电视网由广播电影电视总局管理，用户的接入分别由相关的通信公司（运营商）和（有线）电视台经营。现代通信网络的基本通信业务主要有三大类：(1)电话业务（含固定电话，移动电话和IP电话）；(2)各种计算机宽带互联网数据业务；(3)电视业务(含“有线电视”与“交互式”网络电视IPTV)。 随着国民经济的飞速发展，人类已步入信息社会，要求通信网络能提供多样化的通信业务，来传输、交换和处理大量信息。故通信网络要向数字化、宽带化、智能化、个人化和全球网络化方向发展。1.数字化。 就是在通信网中全面使用数字技术，包括数字传输、数字交换和数字终端等。实现数字传输和数字交换的综

31、合的通信网叫综合数字网（IDN），可以说通信技术的数字化是其他四个“化”的基础。 2.宽带化。 目前，综合业务数字网ISDN已经在IDN的基础上脱颖而出，在世界很多的国家已运行。宽带综合业务数字网（B-ISDN）能够提供高于PCM一次群速率的传输信道，能够适应全部现有的和将来的可能出现的业务。目前，B-ISDN已经商用化，随着包交换，光交换技术的发展，将会出现下一代全宽带网。 3.智能化。建立智能网（IN）的基本思想是改变传统的网络结构，提供一种开放式的功能控制结构，使网络运营者和业务提供者自行开辟新业务，实现按每个用户的需要提供服务。智能网提高了网络对业务的应变能力，是目前电信业务发展的方向。 4.个人化。个人通信被认为是一种理想的通信方式，其基本概念是实现在任何地点、任何时间、向任何人提供任何信息的理想通信，其基本特征是把信息传送到个人。目前，数字移动通信发展得很快，第三代数字移动通信，特别是卫星移动系统的发展，可被认为是“迈向个人通信的第一步”。最终实现个人在任何地方和任何时间都可进行个人的业务信息的交流，如可视电视、多媒体及高清晰度电视等。 5.网络全球化。 Internet覆盖面已经遍及五大洲，已成为全球范围的公共网。科学家已开发出新