1、-_第一章 概 述通信的目的是为了信息的传递。携带信息的信号可分为模拟信号（如话音）和数字信号（计算机输出的信号） 。信息的传递由通信系统来完成。1.1 通信系统的组成通信系统由硬件和软件组成。硬件包括终端、传输和交换三大部分。 终端：包括普通电话、移动电话、计算机、数据终端、可视电话、会议电视终端等。 传输系统：信息传递的通道，一般叫信道。 交换系统：完成接入交换节点链路的汇集、转接和分配。 通信系统软件：为能更好完成信息的传递和转接交换所必须的一整套协议、标准，包括网络结构、网内信令、协议和借口以及技术体制、接口标准等。注释1.2 通信系统的分类按照系统所传输的信号来分类，则系统可分为模拟
2、通信系统和数字通信系统。 模拟通信系统：用模拟信号传递消息的系统。 数字通信系统：用数字信号传递消息的系统。由于光纤通信的普及和集成工艺的发展，数字通信系统具有抗干扰能力强，数字信号可再生，可综合各种业务，便于和计算机系统连接，易于集成等优点，所以逐渐取代了模拟通信系统。1.3 标准化组织标准可以被看作是将不同厂商制造的硬件和软件连接起来以便协调工作的“粘接剂” 。在美国和其他许多国家，全国的标准化组织定义了多种物理特性和操作特性的规范，以便厂商生产与通信公司的线路设施及其他制造商的产品兼容的设备。在全球范围内，标准化组织颁布了一系列与通信有关的建议。这些建议虽不是强制性的，但在全球的通信设备
3、和设施的开发过程中具有很强的影响力，并已被数百个大型企业和通信公司采纳。下面介绍几个重要的组织。1 ITU ITUInternational Telecommunications Union 国际电信联盟。ITU 的前身是 CCITT（国际电报电话咨询委员会） ，1994 年更名，它由联合国的一个机构主办，属政府间组织。总部设在日内瓦，直接负责制定数据通信标准，由 15 个工作组组成。ITU-T 是其电信标准局。区分交换和传输的概念，有助于我们对一些概念的理解。但随着通信的发展，它们之间的界限越来越不明显，很多新的标准已经把传输和交换融合到一起。-_2 ISO ISOInternational
4、 Organization for Standardization 国际标准化组织。它是联合国经济和社会理事会下的咨询性非政府组织。3 ANSI ANSIAmerican National Standars Institute 美国国家标准化组织。它是美国最主要的标准制定机构，是非营利性非政府组织。4 IEEE IEEEInstitute of Electrical and Electronic Engineers 电气和电子工程师协会。它是美国的工程师社团组织。第二章 传输基础知识2.1 传输基本概念传输的基本模型如图 1.2.1 所示。1. 信道信道一般分为模拟信道和数字信道。模拟信道传输
5、模拟信号；数字信道传输数字信号。 模拟信号的传输在模拟信道上的传输一般为实线传输或频分多路复用。模拟信号数字化为数字信号便可以在数字信道上传输。 数字信号的传输数字信号在这两种信道上传输，不同的传输信道采用不同的信号变换设备。对模拟信道，变换设备为 MODEM，把数字信号变为模拟信号再传输。对数字信道，信号变换器即接口设备，其作用是实现信号码型与电平的转换等。 注释信源 变换器 信道 反变换器 信宿噪声源图 1.2.1 传输模型数据传输是一种特殊的数字信号传输，它是计算机终端之间的通信。数据传输模型如图所示。DTE 为数据终端设备，对数据进行处理。DCE 是数据通信设备，如MODEM 等。-_
6、数据传输模型如图 1.2.2 所示。2. 数据传输方式 并行传输数据的每一位在多条并行信道上同时传输，传输速率较高，但并行信道实现较为困难，不适合远距离传输。 串行传输数据流以串行方式在一条信道上传输，为了在收方识别发方信息，需要保持发、收方信号同步。这种方式易于实现，经济适用。所以大部分采用串行通信。3. 数据同步方式同步系统是数字通信系统的重要主成部分，同步是将通信系统的发送端和接收端的收发信息的时间统一在规定的时间节拍内，使收发系统步调一致。 异步传输以字符为单位实现同步，也称位同步。该种方式需要在每个字符前后加起止位，故不要求双方时钟严格同步，但开销大，效率低。 同步传输以固定的时钟节
7、拍发送数据信号。数据发送以帧为单位。同步传输开销小，传输效率高，但实现复杂，必须有收发定时信号。4. 数据传输速率与带宽数据传输速率是衡量传输系统传输能力的主要指标。主要有比特速率和码元速率。 比特率：在单位时间内传送的比特数，单位是 bit/s。 码元速率：在单位时间内传送的码元（波形）数，单位是 band（波特） 。通常，我们也用传输速率表示信道的通信能力带宽。5. 数据传输差错率一般用误码率表示。误码率=接收出现的差错比特（字符、码元）数/总的发送比特（字符、码元）数100%6. 基带与频带传输 基带传输没有经过调制的信号称为基带信号，这种信号在某些有线信道上可直接传输，这种传输叫做基带
8、传输。 频带传输在很多时候，基带信号必须经过调制，将信号频谱搬移到高频率处，才能在信道中传输。这种称为载波传输或频带传输。频带传输又分为调频、调幅和调相。2.2 传输介质传输系统按传输介质的不同可分为有线传输系统和无线传输系统。有线传输的介质主DTE DCE 信道 DCE DTE噪声源图 1.2.2 数据传输模型-_要有双绞线、同轴电缆和光纤等。无线传输的主要介质有长波、短波、超短波、地面微波和卫星等。1. 双绞线 双绞线属于平衡电缆，主要用于基带传输。电话用户线一般用一对；数字电话（ISDN电话）用 14 对；以太网 10BASE-T 用 2 对。2. 同轴电缆同轴电缆属于不平衡电缆，它的两
9、种基本形式是基带和宽带。基带用于以太网的连接，宽带用于 CATV 系统，正逐渐被光纤所取代。光纤和卫星传输系统我们将在后面有关章节做详细介绍。2.3 复用技术复用技术一般有： 频分多路复用 FDM 时分多路复用 TDM 统计时分复用1. 频分多路复用一般多适用于模拟通信，它把信道频带划分成若干逻辑信道，每个用户独占某些频段。2. 时分多路复用在时分复用系统中，各路信号共用一个信道，轮流在不同的时刻进行传输。其特点是各路信号在时间上互不重叠，但将占据全部带宽。3. 统计时分多路复用动态地分配集合信道的时隙，只给那些确实要传输信息的终端分配线路，大大提高了线路利用率。时分复用多用于数字通信中。2.
10、4脉冲编码调制 PCMPCM 是实现模拟信号数字化的最常用的一种方法。将时间连续、取值连续的模拟信号转换成为时间离散、取值离散的数字信号，并按一定规律组合编码，形成 PCM 信号序列。它的基本过程是抽样、量化和编码。 抽样：以一定频率的取样信号将信号在时间上进行离散。取样频率应大于 2 倍的信号带宽。 量化：将信号在幅度上离散。 编码：把量化后的取值用一定位数的二进制码来表示。 常用传输码型：在基带传输中，主要的码型有传号反转码（CMI 码） 、传号极性交替码（AMI 码） 、三阶高密度双极性码（HDB 3码） 。以语音信号为例，声音信号从 300Hz3.3kHz，带宽为 3kHz，取样频率为
11、 8kHz，每个抽样的编码为 8bit。因此每秒 8000 个抽样将产生 64kbit 的数据流，即抽样后的话路速率为 64kbit/s。-_2.5 时分复用系统帧（Frame）：一个取样周期定为一帧，用 F 表示。对同一信号相邻两次抽样的时间间隔为帧长。每个样值编码所占的时间宽度叫时隙 TS，各路时隙之和为一帧。1. 帧结构根据时分多路复用的原理和各种传输媒介的特点，在数字通信系统中，常将多路信源信号组合成具有不同数码率的群路信号，以适应各种传输条件和不同介质的传输。ITU-T为了便于国际通信电路的发展，推荐了两类群路数码率系列和数字复接等级。并建议 24 路基础群（T1）为美国和日本采用。
12、 30/32 路基础群（E1）为欧洲和中国等地区采用，其码率为 2048kbit/s，简称基群或一次群。帧结构如表 1.2.1 所示。表 1.2.1 基本帧结构0 2 3 4 5 6 7 8 9 31一共 32 个时隙，从 TS0TS31。每时隙 8bit，传送一路信号为 64Kbit/s 的 PCM 信号。每帧 8bit32=256bit，抽样频率为 8kHz，所以速率为 256bit8kHz=2048kbit/s。在基本帧中，TS 0 传送帧同步码， TS16 传送信令信号。在话音传输中，有 CRC（循环冗余校验）复帧和信令复帧，一个复帧由 16 个基本帧组成。2. 数字复接在通信系统中，
13、为扩大传输容量和提高传输效率，通常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速信道中传输，数字复接就是解决 PCM 信号由低次群到高次群的合成技术。按时分复用方式将两个或两个以上的分支数字信号汇接成为单一复合数字信号的过程称为数字复接。表 1.2.2 所示为不同制式的复接群速率。表 1.2.2 复接速率速率 北美、日本 欧洲、中国基群 1.5Mbit/s 2.048 Mbit/s二次群 6.312 Mbit/s 8.448 Mbit/s三次群 32.064 Mbit/s 34.368 Mbit/s2.6 光纤通信系统1 光纤通信的特点 用高频率的高频作为载频传输信号； 用光导纤
14、维构成的光缆作为传输线路。 优点 传输频带宽，通信容量大； 损耗低，通信距离远。2 光纤的种类-_光纤按传输的总模数来分可分为 单模光纤 多模光纤所谓模式，实际上是电磁场的一种分配形式，模式不同，分布也不同。单模光纤传输一种模式。单模光纤传输频带较宽，传输容量大。适用于大容量、长距离的光纤通信，但是，费用较高。多模光纤是多个模式在光纤中传输。多模光纤带宽较窄，容量也较少，上限在 1G 以下。3 光纤通信系统光纤通信系统一般由电端机、光端机和光纤传输等组成。主要技术是数字编码强度调制直接检波通信系统。电端机指 PCM 多路复用设备。光端机主要完成光电转换。目前，很多是将光端机和电端机合为一体。2
15、.7 PDH/SDH/SONET 数字体系数字复接方式一般有三种：同步复接方式、异步复接方式和准同步复接方式。同步复接如果复接器输入支路信号与本机定时信号是同步的，那么调整单元只需调整相位，有时连相位也无需调整。异步复接如果输入各支路信号与本机定时信号是非严格同步关系，那么调整单元要对各支路信号实施频率和相位调整，使之成为同步数字信号。准同步复接如果输入各支路信号与复接器复接的各支路数字信号的时钟由不同的时钟源提供，但码速率在一定容差范围内为标称相等情况。这时两个信号为准同步信号。2.7.1 准同步数字系列 PDHPDH 是靠从外界添加帧同步码组的方法实现从低阶到高阶的同步复用，这种同步是不完
16、整的、不精确的，所以叫做准同步。在 2.5 节中所介绍的时分复用系统即为 PDH。PDH 的特点： 属异步复用； 上下电路需要一级级地对整个码流拆开并重组； 各厂家 PDH 设备的光接口标准不同，所以光信号无法直通。2.7.2 SONET/SDH随着光纤通信的发展，为了提供统一的光传输接口，全世界的标准化组织致力于形成一套规范，使所有厂商的传输系统互连。于是同步光网络 SONET 和同步数字系列 SDH 标准应运而生。SONET 是为美国和加拿大规定的，SDH 是对欧洲和其他国家规定的，二者很接近，但不完全一样，新的 SDH 正被世界范围内所接受。1. 基本概念 SONETSONET 标准以
17、51.84Mbit/s 作为新的复用系列的基本信号，称为第一级同步传送信号STS-1。其在光纤线路传输的映射信号称为第 1 级光载波 OC-1。SONET 复用系列及其线速如表 1.2.3 所示。-_表 1.2.3 SONET 复用系列及线速光级号 电级号 速率OC1 STS-1 51.84 Mbit/sOC3 STS-3 155.52 Mbit/sOC12 STS-12 622.08 Mbit/sOC24 STS-24 1.244Gbit/sOC48 STS-48 2.488 Gbit/sOC192 STS-192 9.6 Gbit/s SDHSDH 基本模块信号是 STM-1，速率为 15
18、5.520Mbit/s。高阶 STM-N 由 N 个 STM-1 信号经同步复用而成。目前，N 只能取 4、16、64。详见表 1.2.4SONET 和 SDH 的速率在 155.52Mbit/s 上得到统一。它们的优点也是相似的。2. SDH 标准ITU-T 对 SDH 的接口、速率和帧结构等做了一系列的建议，表 1.2.5 列出了部分关于SDH 的建议。表 1.2.4 SDH 等级速率SDH 等级 速率STM-1 155.52 Mbit/sSTM-4 622.08 Mbit/sSTM-16 2488.32 Mbit/sSTM-64 9953.28 Mbit/s表 1.2.5 ITU 关于
19、SDH 的建议建议号 名称G502 数字系列比特率G503 数字系列接口的物理/电气特性G505 同步数字系列的比特率G508 用于同步数字系列的网络节点接口 NNIG509 同步复用结构G955 同步数字系列的用户设备和系统的光接口3. 优点 统一了速率和接口把 E1 和 T1 两种数字传输体制融合在统一的标准之中，即在 STM-1 等级（155.52Mbit/s）上得到统一。同时兼容 PDH 系统；并统一了光接口。 采用同步复用方式由于采用同步复用方式，使得复用/解复用一次到位，各支路信号能直接复用到更高速率的 SDH 信号中，而不经过中间级别的复用，分插信号方便。图1.2.3 为 PDH
20、 系统上下电路图；图 1.2.4 为 SDH 上下电路图。-_ 统一的网络接口标准具有全世界统一的网络节点接口 NNI。 网管能力强SDH 帧结构中规定了丰富的网管字节，专门安排了 5%的带宽分配用来支持网络管理和维护。 具有强大的组网能力和网络自愈能力采用先进的分插复用器（ADM）和数字交叉连接（DXC）等设备使组网能力和自愈能力大大增强，同时也降低了网络的维护管理费用。4 SDH 网络设备SDH 网络是由一些网络单元（复用器、数字交叉连接设备等）组成，在光纤（或微波）网进行同步信息传输、复用和交叉连接的网络。 分插复用设备 ADMADM 的主要任务是将各种 PDH 支路信号或 STM-1
21、信号分插到 STM-N 的光信号中。同时具有内部交叉连接功能。 数字交叉设备 DXCDXC 是一种用软件控制的数字配线系统，它可以对各种端口速率进行可控制的连接和再连接。主要功能是进行业务分流并提供路由。 终端复用设备 TM将各种接口与速率的信号复用到 STM-N 上 。 网络管理系统进行网络配置、性能、安全、故障等管理。5. SDH 的自愈混合环形网自愈网就是无须人为的干预，网络就能从失效的故障中实时地自动恢复所携带的业务。常见的自愈网是环形，即由首尾相接的 DXC 和 ADM 组成，如图 1.2.5 所示。正常工作时，信息是同时沿顺时针和逆时针两个方向在环上传送。在接收节点，两个方向收到的
22、信号都是有效的，只需选择其一作为主信号，另一个作为备用信号即可。一旦光缆切断，上述环形网就变成了线形网。既主备信号在光缆切断处两侧的节点中分插复用器光接口 光接口155Mbit/s 155Mbit/s2Mbit/s图 1.2.4 SDH 系统的上下电路示意图解复用解复用34/8Mbit/s8/2Mbit/s复用2/8Mbit/s复用8/34Mbit/s34Mbit/s 34Mbit/s2Mbit/s 电信号图 1.2.3 PDH 系统上下电路图-_6. SDH 网同步SDH 网同步结构采用主从同步方式，要求所有的网络单元时钟都能最终跟踪到全网的基准时钟。2.8波分复用系统 WDM单模光纤通信系
23、统的带宽利用率约为 1%左右。传统增加容量的方法是采用高速时分复用系统TDM。理论上，基于 TDM 的高速系统还有望进一步提高到 40Gbps，但是 40Gbps 的 TDM 系统从性能价格比上看，需大规模的替换整个系统，不易升级以及在技术上存在一些问题。在实用中是否能成功还是个未知数。1. 基本原理WDM 是在一根光纤中能同时传输多波长信号 的一种技术。在发送端将不同波长的光信号组合（复用） ，在接收端，又将组合的光信号分开（解复用） ，并送到不同的终端。单通道速率可 10Gbps，在乘上通道数，可达到更高。目前已有的产品可达 80Gbps 或160bps。2. 优势及发展由于每个通道都可以
24、传送不同格式、不同码率、不同业务的信息流，而互不相关。所以扩容方便。并且可以在 WDM 基础上提供一个多业务平台，以很高的速率支持不论是话音、数据，还是未来可能的新业务。这个平台的出现相当于在传统的 SDH/SONET 传送网底层增加了一个光核心传送层。在这一层，可以通过波长来作为路由选择标记。例如，无论是 ATM 交换机，还是 IP 路由器，都可以在核心网的基础上传送各自的业务。其演变如图 1.2.6 所示。2.9 卫星通信1. 概述卫星是利用地球卫星作为中继站转发微波信号，在两个或多个地球站之间进行通信。地球同步轨道卫星是与地球相对静止的。 覆盖区ADM ADMADM ADMADM ADM
25、主用备用图 1.2.5 自愈混合环形网结构SDH（可能与 WDM 结合）光纤IPATM 电路交换 其它图 1.2.6 光纤传送网的演化趋势WDM光纤开放式光接口SDH ATM IP 其它-_在通信由卫星发往地球的过程中使用了 17 度的波束，则卫星至地球两切线夹角之间为电磁波覆盖区。如在卫星的圆形轨道上，以 120 度的相等间隔配 3 颗卫星，则除了南北极之外，其余部分可全部覆盖。如图 1.2.7 所示。 特点 覆盖区域大，通信距离远； 便于实现多址连接； 工作频带宽，通信容量大，适合于多种业务传输。 通信质量好，可靠性高。2. 系统组成 地球站其由天线、发射系统、接收系统、通信控制系统、终端
26、系统和电源系统组成。 通信卫星其由天线、通信（转发器） 、遥测与指令、控制和电源五个分系统。3. 技术体制 频段分配6/4G 频段：上行（5.9256.425）GHz；下行（3.74.2）GHz 。14/11 频段：上行（1414.5 ）GHz ；下行（10.711.2） GHz。每个频段的总宽为 500MHz，转发器标称带宽 36MHz，转发器中心频率之间间隔为40MHz。卫星使用的频段正在向更高的频段发展，30/20GHz 频段已开始使用。 调制和多址方式 调制模拟卫星调制主要采用 FM 制，数字卫星主要采用相移键控方式（PSK） 。 多址方式FDMA网内各地球站共用一个转发器，将带宽分割
27、成若干互不重叠的的部分，分配给各地球站使用。TDMA每个地球站分配一个特定的时隙，各地球站只在指定的时隙内发射信号。CDMA将要传送的信号用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码去调制它。使原数据信号被扩频，再经载波调制后发射出去。CDMA 方式是靠不同的地址码来区分地球站。4. VSAT 系统VSAT 为甚小天线地球站，其天线口径小，用软件控制。所以有很大的灵活性和适应性，适合于覆盖范围广，通信业务量不大的稀疏路由网络使用。VSAT 网由中心站、小型站、和微型站组成。中心站配置全网的控制和管理中心。5. 应用目前卫星已广泛应用于广播电视信号传输、数据传输等业务领域。第三章 交换基础知识地球卫星卫星卫星17.34 度图 1.2.7 卫星覆盖
