现代通信技术基础课件-2.ppt
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1、现代通信技术基础电信概要课程内容简介第一章 通信网络概述第二章 接入网技术第三章 交换技术第四章 传输技术第五章 支撑网第六章 网际互连第七章 通信新技术课程特点知识面广、知识点多内容难度较低,以了解为主课程要求掌握通信基本概念及知识点了解接入网、交换网、支撑网、传输网的基本网络结构及工作情况建立全程全网的概念课程学习方法与目标自学、上网查找资料开阔眼界扎实基础把握原理提升素质课程评价方法平时作业20 期中测试20%期末考试60第一章 通信网络概述1.1 通信发展概述1.2 通信基本概念1.3 全程全网概念1.4 固定电话通信过程1.5 移动电话通话过程1.6 数据通信过程第一章 通信网络概述
2、本章内容 1.通信的发展历史 2.目前的通信技术 3.基本的通信技术概念 4.通信系统中全程全网的概念和组成 5.固定电话、移动电话、数据通信中通信 的过程1.1 通信发展概述 自从人类存在开始,通信就已经存在,通信的目的一直没有发生过改变,变化的只是通信的方式。一.通信的概念 所谓通信是指通过某种媒质进行的信息传递。什么是信息?对于信息的定义非常多,在中国国家标准GB4894-85中关于信息的定义是:信息是物质存在的一种方式、形态或运动状态,也是事物的一种普遍属性,一般指数据、消息中所包含的意义,可以使消息中所描述事件的不定性减少。1.1 通信发展概述 什么是媒质?媒质即“介质”,当一种物质
3、存在于另一种物质内部时,后者就是前者的介质。在通信中所指的媒质是能传输信息的渠道。如有线介质、无线介质。其中铜介质、光纤介质等属于有线介质,而空气则属于无线介质。1.1 通信发展概述二.通信发展历史 人类的通信从远古时代就已经开始。人与人之间的语言、肢体交流就是最早出现的通信。通信的发展历史则可以分为古代通信和近现代通信。在中国古代,飞鸽传书,烽火传信,利用驿站的邮驿系统等都是属于常见的通信方式。1.1 通信发展概述 信鸽 玉门关烽火台遗址 1.1 通信发展概述 苏州横塘千年古驿站 驿使壁画 1.1 通信发展概述 国外古代常见的通信方式包括灯塔、通信塔、旗语等。【灯塔】灯塔起源于古埃及的信号烽
4、火。世界上最早的灯塔建于公元前7世纪,位于达尼尔海峡的巴巴角上。公元前280年,古埃及人在埃及亚历山大城对面的法罗斯岛上修筑灯塔,高达85米,日夜燃烧木材,以火焰和烟柱作为助航的标志。法罗斯灯塔被誉为古代世界七大奇观之一。1.1 通信发展概述 【通信塔】18世纪,法国工程师克劳德.查佩成功地研制出一个加快信息传递速度的实用通信系统。该系统由建立在巴黎和里尔230千米间的若干个通信塔组成。在这些塔顶上竖起一根木柱,木柱上安装一根水平横杆,人们可以使木杆转动,并能在绳索的操作下摆动形成各种角度。在水平横杆的两端安有两个垂直臂,也可以转动。这样,每个塔通过木杆可以构成192种不同的构形,附近的塔用望
5、远镜就可以看到表示192种含义的信息。这样依次传下去,在230千米的距离内仅用2分钟便可完成一次信息传递。1.1 通信发展概述 【旗语】1777年,英国的美洲舰队司令豪上将印了一本信号手册,成为第一个编写信号书的人。后来海军上将波帕姆爵士用一些旗子作速记字母,创立了一套完整的旗语字母。1817年,英国海军马利埃特上校编出第一本国际承认的信号码。舫海信号旗共有40面,包括26面字母旗,10面数字旗,3面代用旗和1面回答旗。旗的形状各异:有燕尾形、长方形、梯形、三角形等。旗的颜色和图案也各不相同。1.1 通信发展概述法罗斯灯塔复原图 旗语1.1 通信发展概述 近现代的通信发展历史,大致可以分为两个
6、阶段。第一阶段是电通信阶段,第二阶段是电子信息通信阶段。第一阶段的通信技术包括1876年贝尔发明电话机,1937年莫尔斯发明电报机,并设计莫尔斯电报码。1895年,马可尼和波波夫发明无线电设备,从而开创了无线电通信发展的道路。1.1 通信发展概述 电话 电报1.1 通信发展概述 第二阶段是电子信息通信阶段。主要的通信技术有移动通信技术,程控交换技术,传输技术,数据通信与数据网技术,接入网与接入技术。【移动通信发展历史】1928 年,美国普渡大学学生发明了工作于2MHz 的超外差式无线电接收机,并很快在底特律的警察局投入使用,这是世界上第一种可以有效工作的移动通信系统。上世纪40年代中期至60年
7、代初期。公用移动通信业务开始问世。1946年,根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划,贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网,称为“城市系统”。PS:联邦通讯委员会(FCC)负责授权和管理除联邦政府使用之外的 射频传输装置和设备。1.1 通信发展概述 1978年底,美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统(AMPS),建成了蜂窝状移动通信网,20 世纪80 年代中期,欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网络,主要包括英国的ETACS 系统、北欧的NMT-450 系统、日本的NTT/JTACS/NTACS 系统等。这些系统被称为第一代蜂窝移动通信系统或1G 系统。1.1 通信发展
8、概述 1992 年,欧洲开始铺设全球第一个数字蜂窝移动通信网络GSM(Global System Mobile),由于其优良的性能,GSM 在全球范围内迅速扩张,GSM 用户数一度超过全球蜂窝系统用户总数的70%。此后,美国的DAMPS 和日本的JDC 等2G 系统也相继投入使用。1993 年,美国推出了IS-95 CDMA系统。1995年ITU 将第三代移动通信系统或3G 系统命名为国际移动电信2000(IMT-2000)。具体3G技术包括WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三种系统,2008年中国正式颁发3G运营牌照。1.1 通信发展概述 【程控交换技术发展历史】1878年就出现
9、了人工交换机,它是借助话务员进行话务接续。1893年步进制的交换机问世,它标志着交换技术从人工时代迈入机电交换时代。这种交换机属于“直接控制”方式,即用户可以通过话机拨号脉冲直接控制步进接续器做升降和旋转动作。从而自动完成用户间的接续。1938年纵横制(cross bar)交换机被发明,相对于步进制交换机,提高了可靠性和接续速度;提高了灵活性和控制效率,加快了速度。由于纵横制交换机具有一系列优点,因而它在电话交换发展上占有重要的地位,得到了广泛的应用。1.1 通信发展概述 人工交换机 步进制交换机 纵横制交换机1.1 通信发展概述 美国贝尔公司于1965年生产了世界上第一台商用存储程序控制的电
10、子交换机(No.1 ESS),这一成果标志着电话交换机从机电时代跃入电子时代。法国于1970年在拉尼翁(Lanion)开通了世界上第一个程控数字交换系统E10,它标志着交换技术从传统的模拟交换进入数字交换时代。1.1 通信发展概述 【光纤通信发展历史】1880年,贝尔发明了一种利用光波作载波传递话音信息的“光电话”,它证明了利用光波作载波传递信息的可能性,是光通信历史上的第一步。1960年,美国科学家梅曼(Meiman)发明了第一个红宝石激光器。激光(LASER)与 普通光相比,谱线很窄,方向性极好,是一种频率和相位都一致的相干光,特性与无线电波相似,是一种理想的光载波。因此,激光器的出现使光
11、波通信进入了一个崭新的阶段。1966年,英籍华人高锟K.C.Kao博士首次利用无线电波导通信原理,提出了低损耗的光导纤维(简称光纤)概念。1.1 通信发展概述 1970年,美国康宁公司首次研制成功损耗为 20db/公里(光波沿光纤传输公里后,光损耗为原有的1%)的石英光纤,它是一种理想的传输介质。同年,贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的半导体激光器(LD)。从此,开始了光纤通信迅速发展的时代,因此人们把1970年称为光纤通信的元年。1974年,贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法,光纤损耗下降到1db/公里。1976年,日本电报电话公司(NTT)研制出更低损耗光纤,损耗下降到 0.5db/公里
12、。1979年,日本电报电话公司研制出 0.2db/公里的极低损耗石英光纤(1.5微米).1984年,实现了中继距离50公里,速率为1.7Gbit/s的实用化光纤传输系统.90年代以来,第四代光纤通信系统已经实现了在 2.5Gb/s速率上传输 4500 公里和 10Gb/s的速率上传输1500公里。NTT:日本电信电话株式会社,为日本最大的电信服务公司。1.1 通信发展概述 光电话 红宝石激光器 光纤1.2 通信基本概念一.信号类型 通信是通过某种媒质进行信息传递。“信号”是信息的表现形式,“信息”则是信号的具体内容。通信的实质是信号通过某种媒质进行传递。信号分为模拟信号与数字信号两类。1模拟信
13、号 模拟信号是指幅值连续、时间上也是连续的信号。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)。如常见的正弦波信号。1.2 通信基本概念2.数字信号 数字信号是指幅值和时间两个方面都离散的信号。其特点是幅值离散(离散的含义是在某一取值范围内可以取有限多个数值)。如常见的脉冲信号 1.2 通信基本概念二.脉冲编码调制(PCM)目前在我们的实际生活中,数字信号的使用频率要大大多余模拟信号的使用。因为数字信号在性能方面优于模拟信号,但是很多原始信号产生时是模拟信号,所以需要将模拟信号转换成数字信号。最常见的模数信号转换方法就是脉冲编码调制技术(PCM)。PCM一共三个步骤:抽样、
14、量化、编码。1.抽样 所谓抽样就是每隔一定的时间间隔抽取模拟信号的一个瞬时幅度值(样值)。抽样是由抽样门来完成的,在抽样脉冲ST(t)的控制下,抽样门闭合或断开,抽样频率fs不是越高越好,fs太高时,将会降低信道的利用率。目前最常见的抽样频率是每秒8000次。抽取的样值为8000个抽样值/S。1.2 通信基本概念1.2 通信基本概念2.量化 量化的意思是将时间域上幅度连续的样值序列变换为时间域上幅度离散的样值序列信号(即量化值)。量化分为均匀量化和非均匀量化两种。目前非均匀量化中的直接非均匀编解码法使用较多。量化级别共256个。3.编码 这里的编码指的是根据A律13折线非均匀量化间隔的划分直接
15、对样值编码,称为非均匀编码,接收端再进行非均匀解码,即直接非均匀编解码法。每个量化级别可编码为8个二进制数字信号,即8bit。一路模拟信号在经过抽样、量化、编码以后所形成的PCM数字信号8000个抽样值/S8bit/每个抽样值 64K bit/S1.2 通信基本概念三.多路复用技术 多路复用技术是通信系统常用的技术,通常在有线通信中使用。1.概念 为了提高信道利用率,使多路信号沿同一信道传输而互不干扰,称多路复用。最常用的多路复用技术是频分多路复用和时分多路复用,另外还有统计时分多路复用和波分多路复用技术。1.2 通信基本概念2.频分多路复用(FDM)定义:FDM是把线路的通频带资源分成多个子
16、频带,分别分配给用户形成数据传输子通路,每个用户终端的数据通过专门分配给它的子通路传输,当该用户没有数据传输时,别的用户不能使用,此通路保持空闲状态 FDM主要适用于传输模拟信号的频分制信道,主要用于电话、电报和电缆电视(CATV)。在数据通信中,需和调制解调技术结合使用。优点:多个用户共享一条传输线路资源。缺点:给每个用户预分配好子频带,各用户独占子频带,使 得线路的传输能力不能充分利用。1.2 通信基本概念1.2 通信基本概念3.时分复用(TDM)定义:TDM采用固定时隙分配方式,即一条物理信道按时间分成若干个时间片,轮流地分配给多个信号使用,使得它们在时间上不重叠。每一时间片由复用的一个
17、信号占有,利用每个信号在时间上的交叉,在一条物理信道上传输多个数字信号。通过时分多路复用技术,多路低速数字信号可复用到一条高速数据速率的信道。PCM30/32路系统就是TDM的一个典型例子。优点:多路低速数字信号可共享一条传输线路资源。缺点:时隙是预先分配的,且是固定的,每个用户独占时隙,时隙 的利用率较低,线路的传输能力不能充分利用。1.2 通信基本概念1.2 通信基本概念4.统计时分多路复用(STDM)定义:STDM根据用户实际需要动态地分配线路资源,因此也叫动态时分多路复用或异步时分多路复用。也就是当某一路用户有数据要传输时才给它分配资源,若用户暂停发送数据时,就不给其分配线路资源,线路
18、的传输能力可用于为其他用户传输更多的数据,从而提高了线路利用率。这种根据用户的实际需要分配线路资源的方法称为统计时分多路复用。优点:线路传输的利用率高。这种方式特别适合于计算机通信中突发性或断续性的数据传输。1.2 通信基本概念TDM与STDM复用原理的基本差别示意图1.2 通信基本概念5.波分复用(WDM)定义:WDM是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的信号组合起来(复用),送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输,在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用),恢复出原信号后送入不同的终端。分类:WDM系统按工作波长的波段不同可以分为两类:一类是在整个
19、长波长波段内信道间隔较大的复用,称为粗波分复用(CWDM);另一类是在1 550nm波段的密集波分复用(DWDM)。构成形式:WDM系统基本构成主要有两种形式:即双纤单向传输和单纤双向传输。1.2 通信基本概念单纤双向传输示意图1.2 通信基本概念WDM技术的主要特点如下:(1)充分利用了光纤的巨大带宽资源,使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。(2)各波长相互独立,可传输特性不同的信号,完成各种业务信号的综合和分离,实现多媒体信号的混合传输。(3)WDM技术使N个波长复用起来在单根光纤中传输,并且可以实现单根光纤的双向传输,以节省大量的线路投资。(4)WDM技术可降低对一些器件在
20、性能上的极高要求,同时又可实现大容量传输。(5)充分利用成熟的TDM技术,且对光纤色散无过高要求。(6)WDM的信道对数据格式是透明的,是理想的扩容手段。(7)可实现组网的灵活性、经济性和可靠性,并可组成全光网1.2 通信基本概念四.PCM30/32路系统五.实际PCM的使用中,往往将PCM技术与TDM技术混和六.使用,这样可以在一条信道中混和传输多路PCM信号而相七.互不干扰,从而提高了传输效率。CCITT建议以两种PCM八.系统为基础,一种是PCM30/32系统,可供传输30个话九.路,传输速率是2.048Mbit/s,欧洲和我国都采用该系统。1.2 通信基本概念 在具体介绍PCM 30/
21、32路系统前先了解几个基本概念:1.时隙:很小的时间片断,在PCM 30/32路系统中每个时隙长度为3.9 微秒,每个时隙中可以传输8个bit。2.帧:由若干个时隙所组成的结构,在PCM 30/32路系统中每个帧的 时间长度是125微秒,每帧中由32个时 隙。3.抽样频率:在PCM中每秒抽样次数。在PCM 30/32路系统中抽样频 率为8000次/S,每次抽样间隔为125微秒。1.2 通信基本概念PCM 30/32路系统工作图 1.2 通信基本概念 图122 是PCM3032路系统(称为基群,也叫一次群)的帧结构图。话音信号根据原CCITT建议采用8kHz抽样,抽样周期为125s,所以一帧的时
22、间(即帧周期)T125s。每一帧由32个路时隙组成(每个时隙对应一个样值,一个样值编8位码),其中:30个话路时隙(TS1TS15,TS17TS31),帧同步时隙(TS0),信令与复帧同步时隙(TS16)。PCM 30/32系统的传输速率 8bit/时隙 32时隙/帧 8000帧/S2.048 Mbit/S 1.2 通信基本概念图122 PCM3032路帧结构1.2 通信基本概念五.数字复接技术1.概念 数字复接就是指将两个或多个低速数字流合并成一个高速率数字流的过程、方法或技术。它是提高线路利用率的一种有效方法,也是实现现代数字通信网的基础 比如对30路电话进行PCM复用(采用8位编码)后,
23、通信系统的信息传输速率为80008322.048 Mb/s,即形成速率2048 kb/s的数字流(比特流)。现在要对 120 路电话进行时分复用,即把4个这样的2048 kb/s的数字流合成为一个高速数字流,就必须采用数字复接技术才能完成。1.2 通信基本概念 国际上主要有两大系列的准同步数字体系,都经原CCITT推荐,即PCM 24路系列和PCM 3032路系列。北美和日本采用1.544Mbits作为第一级速率(即一次群)的PCM 24路数字系列,但两家又略有不同 欧洲和中国则采用2.048Mbits作为第一级速率(即一次群)的PCM3032路数字系列。为了扩大数字通信容量,将若干个一次群形
24、成二次群及以上的高次群,我们采用数字复接技术。1.2 通信基本概念数字复接的原理示意图 1.2 通信基本概念2.数字复接分类 数字复接技术分为两类:按位复接和按字复接。按位复接是每次复接各低次群(也称为支路)的一位码形成高次群。按字复接是每次复接各低次群(支路)的一个码字形成高次群 1.2 通信基本概念 按位和按字复接示意图 1.2 通信基本概念3.复接系统构成 数字复接系统主要由数字复接器和数字分接器两部分组成。数字复接器的功能是把四个支路(低次群)合成一个高次群。它是由定时、码速调整(或变换)和复接等单元组成的。定时单元给设备提供统一的基准时钟(它备有内部时钟,也可以由外部时钟推动)。码速
25、调整(同步复接时是码速变换)单元的作用是把各输入支路的数字信号的速率进行必要的调整(或变换),使它们获得同步。这里需要指出的是四个支路分别有各自的码速调整(或变换)单元,即四个支路分别进行码速调整(或变换)。复接单元将几个低次群合成高次群。数字分接器的功能是把高次群分解成原来的低次群,它是由定时、同步、分接和恢复等单元组成。分接器的定时单元是由接收信号序列中提取的时钟来推动的。借助于同步单元的控制使得分接器的基准时钟与复接器的基准时钟保持正确的相位关系,即保持同步。分接单元的作用是把合路的高次群分离成同步支路信号,然后通过恢复单元把它们恢复成原来的低次群信号。1.2 通信基本概念数字复接系统构
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