现代通信技术概论.ppt

现代通信技术概论 赵宏波卜益民陈凤娟编著 目录 第1章绪论第2章数字通信技术第3章程控交换技术第4章信息传输技术与系统第5章通信网第6章数据通信与数据网第7章ISDN与ATM技术第8章宽带IP技术第9章接入网与接入技术 第1章绪论 1 1基本概念1 2通信发展趋势 1 1基本概念 1 1 1通信系统 图1 1通信模型示意图 1 通信系统的分类通信系统有多种分类形式 如 可从通信内容上 传输信号的性质上 信道上等进行划分 1 根据通信内容可分为 语音通信 电话 数据通信系统 图像通信 多媒体通信 2 根据传输信号的性质可分为 模拟通信系统 数字通信系统 3 根据信道的不同可分为 有线通信 有线电通信 双绞线 同轴电缆 光纤通信 无线通信 短波通信 微波通信 卫星通信 同步卫星 中低轨道卫星 红外线通信 2 通信系统的质量要求 1 有效性 符号速率又叫信号速率 记为N 它表示单位时间内 每秒 信道上实际传输的符号个数或脉冲个数 可以是多进制 符号速率的单位是波特 即每秒的符号个数 信息传输速率 简称传信率 通常记为R 它表示单位时间内系统传输 或信源发出 的信息量 即二进制码元数 2 频带利用率用单位频带内的符号速率描述系统的传输效率 即每赫的波特数 符号速率用 表示 3 可靠性可靠性可用差错率来表示 常用的差错率指标有平均误码率 平均误字率 平均误码组率等 1 1 2通信信号 1 模拟信号 模拟信号是指代表消息的电信号及其参数 幅度 频率或相位 随消息连续变化的信号 其特点是幅度连续变化 而在时间上可以连续 也可以不连续 前者是连续的模拟信号 后者是离散的模拟信号 如图1 2所示 2 数字信号 数字信号是一系列的电脉冲 时间上是离散的 信号参数 幅度 也不连续变化 如图1 3所示 数字信号是指在时间上和幅度上均取有限离散数值的电信号 这类电信号常用电压或电流的脉冲代表 数字信号与模拟信号的不同点在于数字信号不直接与消息对应 图1 2模拟信号 图1 3数字信号 3 数字信号的基本形式最简单的数字信号是二元码 或称二进制码 这种码的幅度只取两种不同的瞬时值 这种二进制码分为单极性 双极性和归零 不归零四种不同的基本形式 图1 4二元码的四种基本形式 在二进制数字通信系统中 每个码元或每个符号只能是 1 和 0 两个状态之一 实际通信中也可以有多信号电平系统即对应多进制码 进制越高 级差越小 抗干扰能力越差 但是进制越高 每个符号所代表的信息量越大 在信息论中对符号所载荷的信息量有严格定义 在二进制数字传输中 若数字序列里1和0的概率各占1 2 并且前后码元是相互独立的 序列中每个二进制码元所载荷的信息量就是1比特 而多进制每个符号所含的信息量将要增加 四电平的符号包含log24 2bit的信息量 八电平的符号包含log28 3bit的信息量 4 数字信号码型基带信号的码型有如下几种 1 二元码 采用两个电平编出来的码型 主要有单极性不归零码 单极性归零码 双极性归零码 双极性非归零码 差分编码 双相脉冲编码等 2 三元码 信号的幅度取值为 1 0 1 如 传号交替反转码 HDBn码等 3 伪双极性码 4 mBnB码 分组码 把输入的信息码流按m个比特为一组然后变换为n个比特 且n m 如在光纤通信中常用的5B6B码 由于传输信道中有许多电感 电容原件 因其直流截止特性 对线路传输码型的要求如下 频谱中不存在直流成分 尽量减少码型频谱中的高频分量 具有一定的抗干扰能力 便于时钟信号的提取 具有较好的传输效率 码型变换设备简单 易于实现 1 1 3通信信道 1 通信媒体 1 明线 2 双绞线 twisted pair 3 同轴电缆 coaxialcable 4 光纤 5 微波通信 6 卫星通信 2 通信方式 1 单工通信 信息只能单向传送或某一时间内只能使用发信机或收信机 其工作原理如图1 9所示 2 半双工通信 可以双向传送数据 但两个方向只能轮流分时发送 不能同时传送 或只有其中一方可同时使用收 发信机 其工作原理如图1 10所示 图1 9单工通信方式 图1 10半双工通信方式 3 全双工通信 信息可同时双向传送 通信双方的收 发信机均可同时工作 其工作原理如图1 11所示 图1 11全双工通信方式 3 传输方式按照传输信号在通信信道中的时空顺序分类 通信的传输方式可分为串行传输和并行传输 1 串行传输 指信号在一个信道上以按位依次传输的x方式传输 2 并行传输 指信号数据以成组的方式在多条并行信道上同时传输 4 同步方式 1 异步传输 2 同步传输5 复用方式 1 频分复用 在频率上把要传输的几路信息合在一起 形成一个合成的信号后进行传输 2 时分复用 采用分时技术 每路分配一个时隙 1 1 4通信网 1 通信网的组成通信网组成的基本要素 硬件 是 终端设备 传输链路 转接交换设备 2 通信网的拓扑结构 1 星形网 每一个终端均通过单一的传输链路与中心交换节点相连 如图1 12 a 所示 2 树形网 是一种分层结构 适用于分级控制的系统 如图1 12 b 所示 3 网状网 点点相连 安全性高 链路数多 如图1 12 c 所示 4 环形网 三个以上的节点用闭合环路形式组成 如图1 12 d 所示 5 总线型网 通过总线把各节点连接起来 从而形成一条共享信道 结构简单 扩展方便 如图1 12 e 所示 6 复合型网 该网络结构是现实中最常见的一种形式 其特点是将网状网和星形网结合 图1 12电信网的基本结构 3 通信网的分层结构 1 纵向分层的观点 2 水平描述水平描述是基于通信网实际的物理连接来划分的 可分为核心网 接入网和用户驻地网 图1 13垂直观点的网络结构 1 1 5通信协议 1 协议概念和层次结构协议是指系统间互换数据的一组规则 主要是关于相互交换信息的格式 涵义 节拍等 协议分层总括起来有以下好处 1 各层之间是独立的 任何一层不需知道下面一层是如何实现的 只需知道下一层所提供的服务和本层向上一层所提供的服务 2 灵活性好 任何一层发生变化 只要接口关系保持不变 其他各层均不受影响 3 结构上可以隔开 各层都可采用最合适的技术来实现 4 易于实现和维护 2 开放系统互连 OSI 参考模型 图1 14OSI分层结构 1 分层原则 网络中的各个节点具有相同的层次 而相同的层次具有相同的功能 各个层次间的差别要明显 层间交互作用尽可能少 低层对高层要具有透明性 在需要的地方可以设置子层 在不需要某层时允许数据穿越子层 同一节点相邻层间设置接口通信 不同节点的对等层间的通信采用相同的协议 层次不能太多 2 OSI RM中各层的主要功能 物理层 physicallayer 物理层处于OSI参考模型的最低层 物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路提供物理连接 以透明地传送比特流 数据链路层 datalinklayer 在物理层提供比特流传输服务的基础上 在通信实体之间建立数据链路连接 传送以帧为单位的数据 通过差错控制 流量控制等方法 使有差错的物理线路变成无差错的数据链路 网络层 networklayer 网络层的主要任务是通过执行路由选择算法 为报文分组通过通信子网选择最适当的路径 网络层具有路径选择 拥挤控制与网络互连等功能 它是OSI参考模型中最复杂的一层 传输层 transportlayer 传输层的目的是向用户提供可靠的端到端 end to end 服务 透明地传送报文 它向高层屏蔽了下层数据通信的细节 因而是计算机通信体系结构中最关键的一层 会话层 sessionlayer 会话层的主要目的是组织和同步两个会话服务用户之间的对话 并管理数据的交换 表示层 presentationlayer 表示层主要用于处理两个通信系统间信息交换的表示方式 它包括数据格式变换 数据加密与解密 数据压缩与恢复等功能 应用层 applicationlayer 应用层是OSI参考模型的最高层 主要提供OSI用户服务 如文件传送 电子邮件 EDI等 1 2通信发展趋势 1 2 1通信发展的技术基础1 微电子和微光学技术2 计算机技术3 信号与信息处理技术1 2 2通信业务发展趋势1 业务宽带化2 业务IP化3 业务智能化4 业务移动化 业务个人化 1 2 3通信技术发展趋势1 从电路交换向分组交换的转变2 窄带业务接入技术从铜线接入向移动接入转变3 传送技术从点到点通信向光联网转变4 有线无线接入都将完成从窄带向宽带的转变1 2 4通信网络发展趋势1 融合将成为未来网络技术发展的主旋律2 向新一代的全业务电信网方向发展 第2章数字通信技术 2 1模拟信号数字化2 2时分多路复用及PCM30 32路系统2 3数字复接技术 传输数字信号的通信称为数字通信 数字通信以其抗干扰能力强 便于存储 处理和交换等特点 已经成为现代通信网中的最主要的通信技术基础 广泛应用于现代通信网的各种通信系统 数字通信系统的框图如图2 1所示 图2 1数字通信系统模型 2 1模拟信号数字化 2 1 1模拟信号和数字信号1 模拟信号信号波形模拟着信息的变化而变化 如图2 2所示的信号称为模拟信号 其特点是幅度连续 连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值 图2 2模拟信号 2 数字信号图2 是数字信号 其特点是幅值被限制在有限个数值之内 它不是连续的而是离散的 称这种幅度离散的信号为数字信号 图2 3数字信号 2 1 2数字通信的特点 1 抗干扰能力强 无噪声积累 2 便于加密处理 3 便于存储 处理和交换 4 设备便于集成化 微型化 5 便于构成综合数字网和综合业务数字网 6 占用信道频带较宽 图2 4两类通信方式抗干扰性能比较 2 1 3脉冲编码调制 PCM 技术 脉冲编码调制 PulseCodeModulation 简称PCM 是先对信号进行抽样 并对每个样值独立地加以量化 然后通过编码转换为数字信号 如图2 5所示 图2 5PCM系统结构图 1 抽样信源发出的话音信号是模拟信号 它不仅在幅度取值上是连续的 而且在时间上也是连续的 要使话音信号数字化并实现时分多路复用 首先要在时间上对话音信号进行离散化处理 这一过程叫抽样 理论和实践证明 只要抽样脉冲的间隔T 1 2fm fm是话音信号的最高频率 则抽样后的样值序列可不失真地还原成原来的话音信号 这也称作抽样定律 图2 6模拟信号与其对应的样值序列 2 量化抽样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号 但脉冲的幅度仍然是连续的 还必须进行离散化处理 才能最终用数字来表示 这就要对幅值进行舍零取整的处理 这个过程称为量化 1 均匀量化 均匀量化采用相等的量化间隔对采样得到的信号作量化 这种量化也称线性量化 图2 7均匀量化 2 非均匀量化如果使小信号时量化级间宽度小些 而大信号时量化级间宽度大些 就可以使小信号时和大信号时的信噪比趋于一致 这种非均匀量化级的安排称为非均匀量化或非线性量化 图2 8非均匀量化框图与压缩扩张特性曲线 我国规定采用A律13折线压扩特性 A律13折线是A律 A 87 6 函数量化曲线的折线逼近 也称A87 6 13折线量化 图2 9A律13折线压缩特性 3 编码和解码 1 编码抽样 量化后的信号还不是数字信号 需要把它转换成数字编码脉冲 这一过程称为编码 最简单的编码方式是二进制编码 除了上述的自然二进制码 还有其他形式的二进制码 如格雷码和折叠二进制码等 表2 1示出了这三种二进制码 这三种码各有优缺点 自然二进制码和二进制数一一对应 简单易行 它是权重码 每一位都有确定的大小 从最高位到最低位依次排序 可以直接进行大小比较和算术运算 格雷码则没有这一缺点 它在相邻电平间转换时 只有一位发生变化 折叠二进制码沿中心电平上下对称 适于表示正负对称的双极性信号 它的最高位用来区分信号幅值的正负 折叠码的抗误码能力强 2 解码 解码是编码的逆过程 是把数字信号变为模拟信号的过程 即把一个8位码字恢复为一个样值信号的过程 2 2时分多路复用及PCM30 32路系统 2 2 1时分多路复用的基本概念时分多路复用通信 是各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信 图2 10时分多路复用模型 2 2 2时分复用中的同步技术 时分复用通信中的同步技术包括位同步 时钟同步 和帧同步 这是数字通信的又一个重要特点 位同步是最基本的同步 是实现帧同步的前提 位同步的基本含义是收 发两端机的时钟频率必须同频 同相 这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元 为了达到收 发端频率同频 同相 在设计传输码型时 一般要考虑传输的码型中应含有发送端的时钟频率成分 这样 接收端从接收到PCM码中提取发端时钟频率来控制收端时钟 就可做到位同步 帧同步是为了保证收 发各对应的话路在时间上保持一致 这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路信号 当然这必须是在位同步的前提下实现 为了建立收 发系统的帧同步 需要在每一帧 或几帧 中的固定位置插入具有特定码型的帧同步码 这样 收端只要能正确识别出这些帧同步码 就能正确辨别出每一帧的首尾 从而正确区分出发端送来的各路信号 2 2 3PCM30 32路系统的帧结构 图2 11PCM30 32路系统的帧结构 2 2 4PCM30 32路系统介绍 图2 12PCM30 32路系统方框图 2 3数字复接技术 2 3 1数字复接的概念数字复接技术就是把两个或两个以上分支数字信号按时分复用方式汇接成为单一的复合数字信号 图2 13数字复接系统的功能单元 2 3 2数字信号的复接方法 数字复接的方法主要有按位复接 按字复接和按帧复接三种 按帧复接是每次复接一个支路的一个帧 一帧含有256个比特 这种方法的优点是复接时不破坏原来的帧结构 有利于交换 但要求更大的存储容量 图2 15按位复接与按字复接示意图 2 3 3数字复接中的码速变换 图2 16不同支路数字码复接 将几个低次群复接成高次群时 必须采取适当的措施 以调整各低次群系统的数码率使其同步 这种同步是系统与系统之间的同步 称为系统同步 系统同步的方法有两种 即同步复接和异步复接 不论同步复接或异步复接 都需要码速变换 码速调整后的速率高于调整前的速率 称正码速调整 正码速调整方框图如图2 17所示 每一个参与复接的数码流都必须经过一个码速调整装置 将瞬时数码率不同的数码流调整到相同的 较高的数码率 然后再进行复接 图2 17正码速调整方框图 图2 18脉冲插入方式码速调整示意图 2 4同步数字系列 SDH 2 4 1SDH的概念SDH是一套可进行同步信息传输 复用 分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级 而SDH网络则是由一些基本的网络单元 NE 组成的 在传输介质上 如光纤 微波等 进行同步信息传输 复用 分插和交叉连接的传送网络 它具有全世界统一的网络节点接口 NNI SDH采用一套标准化的信息结构等级 称之为同步传送模块STM N N 1 4 16 64 其中最基本 最重要的模块为STM 1 其传输速率为155520kbit s 2 4 2SDH的特点 SDH最为核心的三大特点是同步复用 强大的网络管理能力和统一的光接口及复用标准 并由此带来了许多优良的性能 1 采用同步复用方式和灵活的复用映射结构 使低阶信号和高阶信号的复用 解复用一次到位 大大简化了设备的处理过程 省去了大量的有关电路单元 跳线电缆和电接口数量 从而简化了运营与维护 改善了网络的业务透明性 2 帧结构中安排了丰富的开销比特 使网络的运行 管理 维护与配置能力大大加强 通过软件下载方式 可实现对各网络单元的分布式管理 同时也便于新功能和新特性的及时开发与升级 促进了先进的网络管理系统和智能化设备的发展 3 提出了一系列较为完整的标准 使各生产单位和应用单位均有章可循 同时也使各厂家的产品可以直接互通 使电信网最终工作于多厂家的产品环境中 另外也便于国际互通 2 4 3SDH的帧结构 SDH技术中采用块状帧结构 并以字节为基础 它由纵向9行和横向270 N列字节组成 传输时由左到右 由上而下顺序排成串形码流依次传输 传输一帧的时间为125 s 每秒传8000帧 对STM 1而言 传输速率为 8 9 270 8000 155520kbit s 图2 20STM N帧结构 1 段开销 SOH 区域 所谓SOH是指为保证信息正常 灵活 有效地传送所必须附加的字节 它主要用于网络的运行 管理 维护及配置 OAM P 2 STM N的净负荷 payload 区域 所谓信息净负荷指的是可真正用于电信业务的比特 另外在该区域内还存放了少量可用于通道维护管理的通道开销 POH 字节 3 管理单元指针 AU PTR 区域AU PTR位于帧结构左边的第4行 为一组特定的编码 其作用是用来指示净负荷区域内的信息首字节在STM N帧内的准确位置 以便接收时能正确分离净负荷 开销类型为实现SDH网络的运行 管理 维护和配置 SDH帧结构中设置了段开销 SOH 和通道开销 POH 段开销中又包含有再生段开销 RSOH 和复用段开销 MSOH 通道开销中包含有低阶通道开销 LPOH 和高阶通道开销 HPOH 帧结构中的这些开销字节主要解决 同步问题 包括帧定位和同步状态 通信问题 包括音频和数据通信 性能监视问题 包括误码特性等 国际与地区使用分区问题等 图2 21STM 1SOH字节的安排 2 4 4SDH的复用原理 图2 22SDH复用映射结构 图2 22所说明的问题实际上是如何将PDH的标准速率信号 ATM信元及其他新业务信号复用成符合SDH帧结构标准的信号 图中所涉及的各单元的名称及定义介绍如下 1 容器 容器 C 是一种用来装载各种速率业务信号的信息结构 容器的基本功能是完成适配 即码速调整 2 虚容器 虚容器 VC 是用来支持SDH通道层连接的信息结构 它是SDH通道的信息终端 由安排在重复周期为125 s或500 s的块状帧结构中的信息净负荷 容器的输出 和POH组成 即 VC n C n VC nPOH 3 支路单元 支路单元 TU 是一种提供低阶通道层和高阶通道层之间适配功能的信息结构 可表示为TU n n 11 12 2 3 TU n由一个相应的低阶VC n和一个相应的支路单元指针 TU n PTR 组成 即 TU n VC n TU nPTR式中 TU nPTR是指VC n净负荷帧起点相对于高阶VC帧起点间的偏移量 4 支路单元组 支路单元组 TUG 是由一个或多个在高阶VC净负荷中占据固定的 确定位置的支路单元组成 实现时可把一些不同大小的TU组合成一个TUG 从而增加传送网络的灵活性 5 管理单元 管理单元 AU 是提供高阶通道层和复用段层之间适配功能的信息结构 可表示为AU n n 3 4 它是由一个相应的高阶VC n和一个相应的管理单元指针 AU nPTR 组成 即 AU n VC n AU nPTR 式中 AU nPTR是指VC n净负荷起点相对于复用段帧起点间的偏移 而其自身相对于STM N帧的位置总是固定的 6 管理单元组 管理单元组 AUG 由一个或多个在STM N 净负荷中占据固定的 确定位置的管理单元组成 1个AUG是由1个AU 4或3个AU 3按字节间插组合而成 7 同步传送模块 同步传送模块 STM N 的帧结构如前所述 基本模块STM 1的信号速率为155520kbit s 更高阶的STM N模块 N 4 16 64 由 N个STM 1信号以同步复用方式构成 基本复用映射步骤 1 映射 mapping 映射是一种在SDH网络边界处 把支路信号适配装入相应虚容器的过程 例如将各种速率的PDH信号先分别经过码速调整装入相应的标准容器 再加进低阶或高阶通道开销 以形成标准的虚容器 2 定位 alignment 定位是一种当支路单元或管理单元适配到支持层的帧结构时 帧偏移信息随之转移的过程 它依靠TU PTR和AU PTR功能加以实现 这里所说的指针 Pointer PTR 是一种指示符 其值定义为虚容器相对于支持它的传送实体的帧参考点的帧偏移 3 复用 multiplex 复用是一种使多个低阶通道层信号适配进高阶通道或将多个高阶通道层信号适配进复用段层的过程 其基本方法是字节间插 我国采用的复用映射结构 图2 23我国SDH的复用结构 2 4 5SDH网络 一般来说 SDH规范下的设备 网元 可划分为三大类 即交换设备 传送设备和接入设备 交换设备包括配有SDH标准光接口和电接口的交换机或ATM设备 传送设备包括终端复用器 TM 分插复用器 ADM 和数字交叉连接设备 DXC 及再生器 REG 接入设备包括数字环路载波 DLC 光纤环路系统 OLC 宽带综合业务数字网 B ISDN 光纤分布式数据接口 FDDI 分布式排队双总线 DQDB 业务接入单元等 利用以上这些设备 并根据适宜的拓扑结构即可构成SDH网络 下面将重点讲述SDH光传送设备中的分插复用器 Add DropMultiplexer ADM 第3章程控交换技术 3 1概述3 2程控数字交换的基本原理3 3程控数字交换机的构成3 4呼叫接续过程分析与控制原理 3 1概述 3 1 1电话交换技术的发展历史3 1 2程控交换机的特点 程控电话交换机就是由电子计算机控制的电话交换机 它是利用电子计算机技术 用预先编好的程序来控制电话的接续工作 程控交换机的主要特点有 1 灵活性强 适应性强 2 能方便地向用户提供众多的服务功能和新业务 3 易于实现维护自动化与集中化 4 便于采用公共信道信令 5 便于向综合业务数字网方向发展 6 体积小 重量轻 功耗低 3 1 3交换技术的发展趋势 随着电信业务从以话音为主向以数据为主转移 交换技术也相应地从传统的电路交换技术逐步转向基于分组 或信元 的数据交换和宽带交换 以及适应下一代网络基于IP的业务综合特点的软交换方向发展 下面简单介绍一下几种新的交换技术 1 分组交换技术2 ATM交换技术3 光交换技术4 软交换技术 3 2程控数字交换的基本原理 3 2 1数字交换的原理1 时隙交换 在PCM传输系统中加入数字交换网 相当于将时分复用线 PCM线 分成输入侧和输出侧 如图3 1所示 其中 输入复用线和输出复用线各具有32个时隙 如果输入复用线上任一时隙的内容可以在输出复用线上任一个时隙输出 这就称为时隙交换 图3 1时隙交换的概念 2 复用线之间交换 空分交换 在一个数字交换网上 为加大交换容量 输入复用线和输出复用线都不止一条 如图3 2所示 这就必然出现任一输入线与任一输出线之间的交换 这就是复用线之间交换的概念 而各复用线在空间是分割开的 因而常称为空分交换 图3 2复用线交换 3 2 2接线器 1 时分接线器 时分接线器又称T型接线器 用来实现时隙交换 图3 3时分接线器 时分接线器的工作方式有两种 一种是时钟写入 控制读出 一种是控制写入 时钟读出 1 时钟写入 控制读出 这种工作方式是在各输入时隙到达时 把信息依次写入话音存储器的各相应的存储单元中 而其读出的顺序受控制存储器的控制 2 控制写入 时钟读出 在这种工作方式下 输入信息的写入是受到控制存储器控制的 而不再像前一方式那样按时隙的顺序依次写入 输入信息的写入内容由控制存储器的内容决定 其存储单元中的内容即为话音存储器中的地址 2 空分接线器空分接线器又称为S型接线器 用来实现复用线之间的交换 图3 4空分接线器结构 3 2 3数字交换网络 图3 5T S T交换网络工作原理 3 3程控数字交换机的构成 3 3 1程控数字交换机的硬件结构 图3 6程控数字交换机的一般结构 1 话路设备 程控数字交换机话路设备的基本功能部件是 用户线 中继线的接口 提供连通通路的数字交换网络以及信号设备 此外 还有话务台 测量台等一些外围设备 1 用户电路与用户集线器 用户电路七大功能 向用户话机馈电 过压保护 振铃 监视用户线变化 编译码和滤波 二 四线转换 用户线与用户电路的测试 将其代表字母组合起来 就称之为BORSCHT功能 用户集线器 它的主要功能是完成话务量集中的任务 用户电路和用户集线器统称为程控数字交换机的数字用户级 2 数字用户电路为了对数字信号进行可靠的发送与接收 数字电路要具有以下功能 码型变换 将数字终端发来的不适宜传输的码型变成适宜在线路上做长距离传输的码型 回波消除 为了在普通的一对用户线上进行数字双向传输 需要采用传输控制技术 如时间压缩复用法和回波消除等 均衡 实际的传输信道不可能具有理想的频率特性 因此可能引起传输信号的码间干扰而影响信号的正确接收 解决这个问题的最好思路是对信道进行频率特性补偿 其补偿的方法称之为均衡 信令的插入及提取 信令的插入及提取为数字用户终端和交换机之间的控制信号提供了传送接口 多路复用与分路 交换网络所接的信道是64kbit s的数字信道 而环线的传输速率则依据终端的特性有所不同 因此 在交换网络与接口之间就存在需要进行速率匹配的问题 3 中继接口 中继接口是在数字交换网络和局间中继线之间所设的接口电路 根据中继线的类型 分为模拟中继和数字中继两类 模拟中继器 图3 7模拟中继器功能框图 数字中继器 图3 8数字中继器功能框图 4 信号设备信号设备是指多频信号收发器 信号音发生器和共路信号部件等的总和 2 控制系统 1 控制系统的分级结构一般交换机厂家的控制系统可以分为三级 即用户处理级 呼叫处理级和测试维护处理级 用户处理级 主要处理一些比较简单的但需频繁执行的工作 与中央处理机配合 完成对用户的控制 检测用户发出的呼叫请求 呼叫处理级 用于控制它所属的数字交换单元的交换业务处理 如呼叫处理 寻找空闲时间时隙 填写控制存储器 登记通话时间 定期对话路状态进行导通测试以及完成信令转换等等 测试维护级 这是最高级的管理控制 负责整个系统的资源管理 运行和维护等方面的功能 2 控制系统的控制方式 集中控制方式 所谓集中控制是用一台中央处理机负责对整个系统的运行工作进行直接控制 并执行交换系统的全部功能 分散控制方式 分散控制就是采用多个处理机以一定的分工方式来完成整个交换机的控制功能 所以又称为多机系统 图3 9集中控制方式 3 3 2程控数字交换机的软件组成 1 程序 交换机的程序有系统程序和应用程序之分 它是程控交换机运行时所必需的程序 1 系统程序 系统程序主要是指操作系统 它的内容主要包括进程管理 作业管理 存储管理 文件管理和输入 输出设备管理等 同时要解决进程间的通信和系统的故障诊断 2 应用程序 应用程序关系到交换处理与维护等工作 是直接面向用户 为用户服务的程序 它主要由以下几部分组成 呼叫处理程序 维护与管理程序 2 数据 1 局用数据 一般只限于在本局应用 并以表格形式存放在存储器的数据区 反映了交换局在交换网中的地位和级别或本交换局与其他交换局的中继关系 包括硬件配置 编号方式 中继线信号方式等 内容常随不同交换局而异 2 用户数据 指交换局中用户类别 用户设备号码等数据 它描述了全部用户的信息 并为每一个用户所特有 3 交换系统数据 其内容来源于厂家 主要根据交换局设备数量 交换网络组成 存储器地址分配 交换局的各种信号和编号等有关数据 在产品出厂前由厂家编写 3 4呼叫接续过程分析与控制原理 3 4 1呼叫接续的一般过程在电话交换中 分析用户打电话的过程 可用主叫摘机 拨被叫号码 被叫应答 开始通话 话毕挂机这样五个阶段来描述一次成功的通话概括地说 不外乎有以下的几个步骤 1 呼出接续 检测主叫摘机呼出 查明主叫类别 选择空闲的收号器 送拨号音 分配存储区 2 接收拨号 3 号码分析处理机在接收完全部被叫号码后将进行内部分析处理 4 为被叫用户选择连接通路在主叫与被叫之间选择一条空闲通路 该通路包括中继线和交换网络路由 同时通过驱动命令使硬件动作 5 向被叫振铃交换机在测到被叫为空闲后 找到一空闲振铃中继器 回铃音中继器 然后向被叫用户振铃 向主叫用户回送回铃音 同时监视主被叫用户的状态变化 6 应答监视 应答识别 切断铃流及回铃音 启动计费系统开始计费 通话接续 监测挂机信号 7 话毕释放主被叫任何一方话毕挂机 线路的状态都会有所改变 交换机检测到其变化后即送出拆线信息 释放通话通路 并停止计费 3 4 2呼叫接续过程中的状态迁移 为了更好地对呼叫接续的控制原理进行分析 有必要引入事件 状态和状态迁移的概念 所谓事件 是指交换机外部的一些变化状态则是指在一次接续过程中 交换机的所有动作可以被划分为若干较长时间的稳定状况 而每一个稳定不变时态就叫做稳定状态状态迁移是指交换机由一个稳定状态变化到另一个稳定状态的过程三者之间的关系是 交换机从一个稳定状态向另一个稳定状态变化就产生了状态迁移 而事件正是引起状态迁移的激励 没有事件的产生 就不会有新状态的出现 交换机在不断接收激励事件 处理状态迁移的过程中 就完成了接续的任务 因此可以说 交换系统的工作过程是以状态和状态之间的转移为基础的 3 4 3呼叫接续程序的结构与特点 1 呼叫接续程序的结构 图3 10呼叫接续程序结构框图 2 呼叫接续程序的特点 1 及时收集用户输入信息 2 实时地处理呼叫接续中每一个阶段 包括输入 内部处理和输出 3 协调多个呼叫的建立过程 3 用状态迁移图表示呼叫接续过程 从一个呼叫处理过程可以看出 整个呼叫处理分成若干阶段 每个阶段就是一个稳定状态 某一稳定状态只有在输入信息的激励下 才能由该稳定状态向另一个稳定状态迁移 呼叫处理过程的各个阶段对应的程序及状态转移的情况可以用图3 11来描述 图3 11用状态迁移图表示呼叫处理过程 3 4 4呼叫接续程序的控制原理 1 输入处理输入处理是用来及时识别话路系统中新的处理请求 并分别送到各种队列或相应的存储区 以便由内部分析处理程序进行分析 输入处理一般是通过各种扫描程序来进行的 1 用户扫描 识别主叫用户摘机 图3 12主叫摘机识别原理 2 接收号盘话机的拨号号码 图3 13脉冲前沿识别原理 拨号脉冲的识别脉冲前沿的识别公式应为 SCN LL LL ACT 1 拨号脉冲的计数 图3 14脉冲计数原理 3 按钮话机拨号的接收 图3 15按钮话机号盘示意图 图3 16按钮收号器收号原理图 2 分析处理分析处理就是对产生的事件进行分析 以决定接续过程的流向 按照要分析的信息 分析处理可分为去话分析 号码分析 来话分析和状态分析等几类 1 去话分析 去话分析就是根据发起呼叫的用户的信息进行分析 以确定接续过程的流向 图3 17去话分析流程图 2 号码分析 号码分析是对用户所拨的号码进行分析处理的过程 图3 18号码分析流程图 3 来话分析 来话分析是根据号码分析的结果对被叫用户进行进一步处理 4 状态分析 状态分析的数据来源是稳定状态和输入信息 图3 19状态分析流程图 3 任务执行 通过执行分析处理 就明确了所需执行的任务 任务执行阶段就是具体地执行这些任务 4 输出处理 输出处理主要是完成命令的输出工作 第4章信息传输技术与系统 4 1光纤通信4 2数字微波中继通信4 3卫星通信4 4移动通信4 5图像通信 4 1光纤通信 4 1 1光纤通信概述 图4 1电磁波谱 1 光纤通信技术简史 最初是光在大气中传播 由于受雨 雪 雾等气候影响 能量衰减大 传播极不可靠 第二阶段是光通过一系列透镜在管道中传播 这样虽然克服了气候的影响 但也涉及到许多问题 第三阶段是利用玻璃纤维传输光 世纪60年代中期以前 光导纤维的每公里衰减达1000dB以上 1966年华裔科学家高锟 C K Kao 博士等人 经严格论证提出 从玻璃材料中去除杂质 可以制成衰减为20dB km的光导纤维 1970年美国康宁 Corning 玻璃公司根据高氏理论首先制造出衰减为20dB km的光纤 1973年美国贝尔研究所使用化学泛相沉积法 CVD法 稳定生产出衰减为1dB km的低损耗光纤 1976年日本电报电话公司 NTT 制造出0 5dB km 准确讲是0 47dB km 的低损耗光纤 至今 利用高度精炼提纯的石英材料 人们先后开发使用在0 85 m 1 31 m和1 55 m 三个波长段的光纤 其中0 85 波长段的衰减为2dB km 1 31 波长段的衰减为0 35dB km 1 55 波长段的衰减为0 2dB km 甚至更低 接近理论极限值 2 光纤通信的特点 1 频带宽 通信容量大 2 损耗低 中继距离长 3 具有抗电磁干扰能力 4 线径细 重量轻 5 其他优点 光纤本身也有缺点 如光纤质地脆 机械强度低 光纤的切断和接续需要一定的工具设备和技术 分路耦合不灵活方便 光纤光缆的弯曲半径不能过小 在偏僻地区存在供电困难 但总的来说 光纤技术比其他通信方式优越 大力发展光纤通信已成趋势 3 光纤通信系统的基本构成 光纤通信系统由三部分组成 光发送端机 光缆传输线 光接收端机 光发送端机 光发送部分是把从发送电端机来的电信号 经调制电路驱动光源 使电信号调制到光波上 把电信号电流变为光信号功率 即电 光转换 光接收端机 主要由光检测器 放大器和均衡器等电路组成 光电检测器把光信号还原成电信号 即光 电转换 图4 2光纤通信系统构成 光纤通信依据传输信号形式分为数字方式和模拟方式 它们的调制解调均为IM DD方式 IM DD是目前实用的光纤通信系统 其光源大多采用半导体注入式激光器 调制方式采用强度调制 IntersityModulution IM 方式 图4 3光强度调制的概念 4 1 2光纤和光缆 光纤的分类 按材料成分分类 石英系光纤 多组分玻璃光纤 塑料包层光纤 全塑料光纤 按制造方法分类 MCVD 改进的化学汽相沉积法 光纤 PCVD 等离子化学汽相沉积法 光纤 VAD 汽相轴向沉积法 光纤 按折射率分布分类 阶跃型 渐变型 按传输模式数量分 多模光纤和单模光纤 按工作波长分 短波长光纤 0 8 0 9 波段和长波长光纤 1 3 1 6 波段 ITU T建议的通信光纤有五种 光纤的结构目前通信用的光纤大多采用石英玻璃 SiO2 制成的横截面很小的双层同心圆柱体 未经涂覆和套塑时称为裸光纤 如图4 4所示 由于石英玻璃质地脆 易断裂 为保护不受损害 提高抗拉度 一般需在裸光纤外面进行两次涂覆 经涂覆后的光纤称为涂覆光纤或被覆光纤 也可称为光纤芯线 图4 4光纤的结构 2 光在光纤中的传输 光纤中光波传输原理 光波在两介质交界面的反射和折射 光的全反射 当光波从光密 n值大的 介质入射到光疏 n值小的 介质时 且光线入射角 1 时 将发生全反射 图4 5光的折射与反射 光纤导波形成的概念 这里仅以阶跃型多模光纤为例进行说明 只要在光纤内 光射线与光纤轴线 或与纤芯 包层界面 所形成的角度 就可以在纤芯和包层的交界面得到全反射 在光纤内又称全内反射 图4 6阶跃型多模光纤中的两种射线 3 光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括损耗特性和色散特性 光纤的损耗特性 光纤损耗产生的原因有二 一是光纤本身的损耗 二是成缆 敷设以及作为系统传输线引起的附加损耗 主要包括 吸收损耗 瑞利散射损耗 弯曲损耗 微弯损耗 接续损耗 光纤的色散特性 色散就是因群速不同 输入信号到达终端有先有后 造成的脉冲展宽的现象 色散的大小用时延差表示 符号为 色散的单位是 m m 是指由单位长度 的光纤和在光源的单位谱线宽度 作用下所产生的群时延差 4 光缆结构与分类 光缆的基本结构 缆芯 紧套结构 直接涂 在光纤与套管之间有一个缓冲层 其目的是为了减小外面压力对光纤的作用 缓冲层一般采用硅树脂 二次涂覆用尼龙 这种结构简单 使用方便 松套结构 将一次涂覆后的光纤放在一个塑料松套管中 管中填充油膏 形成松套结构 这种结构机械性能好 便于成缆 有较好的防水性能和温度性能 强度元件 由于光纤材料比较脆 容易断裂 为了使光缆便于承受敷设安装时所加的外力等 因此在光缆内中心或四周要加一根或多根加强元件 护套 光缆的护套主要是对形成缆的光纤芯线起保护作用 使之避免受外部机械力和环境损坏 光缆的种类 图4 7光缆的基本结构 4 1 3光发送机和光接收机 1 光发送机光发送机将电端机产生的电脉冲信号变换成适于光纤传输的光脉冲信号 其组成原理框图如图4 8所示 图4 8光发送机组成原理框图 2 光接收机 光接收机的构成框图如图4 9所示 图4 9光接收机的构成框图 4 1 4光纤通信系统 1 系统设备组成 图4 10强 直光纤通信系统组成框图 光纤通信系统中的光通信设备主要包括 1 光线路终端设备 OLT 简称光端机 安装于光纤传输数字段终端站 2 光线路再生中继器 O REP 简称光中继器 当光信号在传输中衰耗和失真超过限度时 在中间使用O REP使光信号再生 继续传输 目前采用的是 光 电 光 再生 方式 3 线路保护倒换设备 L SW 可提高可靠性和可利用率 一主一备 1 1 4 监测与控制设备SV 简称监控设备 其作用是 性能工作状态监测 故障时的自动告警和处理 5 公务联络设备 OW 连接中继站 终端站 维护业务联络用公务电话 6 光纤分配架 ODF 通过光纤活动连接器 将光纤分配到中各光端机 在上述光通信设备中 光端机和光中继器为主要设备 其余为辅助设备 2 光中继器 中继器的作用 光脉冲信号从光发送机输出经光纤传输若干距离以后 由于光纤损耗和色散的影响 光脉冲信号的幅度受到衰减 波形出现失真 这样就限制了光脉冲信号在光纤中作长距离的传输 为此就需要在光信号传输一定距离时 加设一个中继器 以放大衰减的信号 恢复失真的波形 使光脉冲得到再生 中继器的构成 目前采用的一般为光 电 光中继器 它是由能够完成光 电变换的光接收端机和能够完成电 光变换的发送端机组成 只不过在光接收机中没有码型变换部分 在光发送机中没均放和码型变换部分 中继器的结构型式 中继器有的是机架式的 设在机房中 有的是箱式或罐式的 直埋在地下或在架空光缆中架在杆上 3 光纤通信中线路码型 CMI码 编码信号反转码 伪双极性码 和DMI码 mBnB码 插入比特码 mB1P码 mB1C码 mB1H码 4 1 5光纤通信新技术 1 光放大器光纤通信在进行长距离传输时 由于光纤中存在损耗和色散 使得光信号能量降低 光脉冲发生展宽 因此每隔一定距离就需设置一个中继器 以便对信号进行放大和再生 然后送入光纤继续传输 2 光波分复用技术 光波分复用技术 WavelengthDivisionMultipexer 是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术 3 光孤子通信技术光孤子 soliton 传输技术是利用光纤 负色散区 中 自相位调制 现象 亦称为非线性 克尔效应 导致光脉冲脉宽收缩 当其恰好与光纤色散引起的脉冲展宽抵消时 可形成在传输中 保形 的光孤子波 实现无脉冲畸变的光传输 图4 11光孤子通信系统组成框图 4 2数字微波中继通信 4 2 1概述微波中继通信是无线电通信手段中的一种 它适用于城市与城市之间 地区与地区之间 部门与部门之间信息的传输 通常根据传输信号的波形 微波中继通信系统可分为两大类 一类是模拟微波中继通信系统 最典型的系统为FDM FM制模拟微波中继通信系统 该类系统主要传输电话信号与电视信号 它较广泛地应用于除电信部门以外的电力 铁路 石油等系统 主要用来建立专线 供传输遥控 遥测及遥讯信号 另一类是数字微波传输系统 其基带信号的幅度是离散的 并且只能取有限个数值 与模拟微波传输相比 数字微传输具有如下的特点 数字信号可以 再生 因此中继段上的噪声 干扰等引起的信号失真在再生时可以消除 线路噪声不会随中继站数的增加而积累 由于数字微波传输的是数字信号 便于数字程控交换机连接 不需数 模 模 数转换设备 可组成传输与交换一体化的综合数字通信网 数字微波的终端设备便于采用大规模集成电路 因而体积小 重量轻 功耗低 设计调整方便 价格也比模拟微波终端设备便宜 保密性强 易于进行加密处理 传输话音信号时 数字微波系统占用频带较宽 4 2 2微波中继通信的特点 微波波段的频带宽 适于传输宽频带信号 天线增益高 方向性强 外界干扰小 投资少 建设快 通信灵活性大 中继传输方式 4 2 3数字微波中继通信系统的组成 1 数字微波中继通信线路 图4 12数字微波中继通信线路示意图 图4 13数字微波中继通信系统组成 2 数字微波发信设备 图4 14数字微波发信设备方框图 3 数字微波收信设备 图4 15数字微波收信设备的组成方框图 4 中继站的转接方式 图4 16中继站的转接方式 4 2 4数字微波中常用的调制技术 1 基本概念和模拟信号调制一样 数字信号调制也有三种基本方式 调幅 调相和调频 在数字微波通信系统中 目前较常用的是数字调相数字调相又称移相键空 PSK 这种调制方式具有频带利用率较高 抗干扰能力较强 优于ASK FSK 等优点 因而在数字通信中得到广泛利用 移相键控是利用载波的相位变化来传递信息的 其数学表达式为 4 5 其中 是载波的相位 它随码元而变化 数字调相又分为绝对移相和相对移相两种 利用未调载波相位作为基准的调相 称为绝对移相 利用前后两个码元的载波相位的相对变化 即它们的差 来传送数字信息的调相称为相对移相 相对移相要求在发送端采用差分码 即利用码变换器把绝对码变成相对码然后对载波进行绝对调相 从而得到相对调相码的输出 差分编码的码变换器的逻辑关系为 bi ai b 1 图4 17码变换器组成 从调相信号频谱分析可知 它有如下特点 1 二相PSK信号是一种线性调制信号 其频谱结构与ASK信号一样 因此 分析起来较为简单 2 二相数字调相信号带宽为基带信号带宽的二倍 最高频带利用率为1波特 赫 3 对离散相位取值等概率二相PSK信号的频谱与抑制载波的双边带调幅波一样 其频谱不包含载波分量 根据这个特点 可以用平衡调幅器构成二相数字调幅器或二相数字调相器 4 相对移相除相位变化与绝对移相不同外 可用同样的数学表达式来表示相对移相波形 在具体设计与调整数字调相器时 要注意以下几项性能指标 1 工作频带 2 调制码速 3 相位误差 4 寄生调幅 5 调制损耗 6 承受功率 2 二相移相键控用基带数字信号对载波相位进行控制的方式 称为数字调相 也称作 移相键控 简记为PSK 用二进制数字信号进行移相键控称为2PSK 用 进制的数字信号进行移相键控称 PSK 移相键控又分为绝对移相键控和相对移相键控 绝对移相键控 PSK 和二相移相键控 2PSK 信号的产生 其数学表示式为 图4 18绝对调相信号示意图 图4 1 二相环形调制器原理图 相对移相键控 DPSK 和二相移相相对键控 2DPSK 信号的产生 图4 二相相对移相键控信号示意图 只要对基带数字信号进行差分编码 产生差分码 即相对码 如图4 20 d 所示 用此相对码对载波信号进行绝对移相键控 即得到2DPSK信号 其形成方框图如图4 21所示 2PSK信号及2DPSK信号的解调及误码性能2PSK信号相干解调系统的误码率为2DPSK信号延迟解调的误码率为 图4 12DPSK信号形成方框图 3 四相移相键控 四相绝对移相键控四相绝对移相键控可简记为4PSK或QPSK 它是利用载波的 种不同相位来表示输入的数字信息 QPSK信号的产生QPSK信号可采用与上述2PSK信号相同的调相法直接获得 也可采用