现代通信网及数字通信系统基础

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1、现代通信网及数字通信系统基础 现代通信网概念及质量要求通信网的基本概念：通信网是由一定数量的节点（Node）和连接节点的传输链路(Link)组成，以实现两个或多个规定点之间信息传输的通信体系。质量要求：一般通信网的质量要求对通信网一般提出三个要求：接通的任意性与快速性、信号传输的透明性与传输质量的一致性、网路的可靠性与经济合理性。电话通信网的质量要求对电话通信网是从以下三个方面提出的要求：接续质量、传输质量、稳定质量。现代通信网-构成和分类通信网的构成：一个完整的通信网包括硬件和软件。通信网的硬件一般由终端设备、传输系统和转接交换系统等三部分电信设备构成，是构成通信网的物理实体；为了使全网协调

2、合理地工作，还要有各种规定，如信令方案、各种协议、网路结构、路由方案、编号方案、资费制度与质量标准等，这些均属于软件。按电信业务的种类分为：电话网、电报网、用户电报网、数据通信网、传真通信网、图像通信网、有线电视网等。按服务区域范围分为：本地电信网、农村电信网、长途电信网、移动通信网、国际电信网等。按传输媒介种类分为：架空明线网、电缆通信网、光缆通信网、卫星通信网、用户光纤网、低轨道卫星移动通信网等。按交换方式分为：电路交换网、报文交换网、分组交换网、宽带交换网等。 按结构形式分为：网状网、星形网、环形网、栅格网、总线网等。 按信息信号形式分为：模拟通信网、数字通信网、数字/模拟混合网等。 按

3、信息传递方式分为：同步转移模式（STM）的综合业务数字网（ISDN）和异步转移模式（ATM）的宽带综合业务数字网（B-ISDN）等。通信网的拓扑结构及各自特点(1) 星型结构星型网的辐射点就是转移交换的中心，其余节点之间相互通信都要经过转换交换中心的交换设备来完成，因而交换设备的交换能力和可靠性会影响到网内所有用户。特点是N个节点的星形网需要（N-1）条传输线路，所用传输链路较少，线路利用率较高，所以当交换设备的费用低于相关传输链路的费用时，星形网的经济效益较好；缺点是一旦中心节点故障，就会造成全网瘫痪，故安全性较差。(2) 网状结构其结构特点：如果网内由N个节点，全网就有N(N-1)/2条传

4、输链路。显然，当节点数增加时，传输线路必将迅速增加。这样的网络结构冗余度较大，稳定性好，单行路利用率不高，经济性较差，适用于局间业务量较大或分局业务量较少的地区。(3) 环型结构N个节点的环网需要N条传输链路。特点：结构简单，实现容易，由于可以采用自愈环对网络进行自动保护，所以稳定性比较高。但当节点较多时，转接延时难以控制，不便扩容。(4) 树型结构树型网可以看成星型拓扑结构的扩展。应用：主要用于用户接入网或用户线路网中。(5) 总线结构它属于共享传输介质型网络，网中所有的节点都连接在一个公共传输总线上，任何时候只允许一个用户占用总线发送或接收数据。特点：这种网络结构需要的传输链路少，增减节点

5、比较方便，但稳定性较差，网络范围也受到限制。应用：主要用于计算机局域网、电信接入网等网络等。数字通信系统基础数字通信系统的组成在网络通信中，任何两台计算机之间的数据交换都是经过多次的点到点的数据传输和交换来完成的。因此，点到点的数据传输即是数据通信所要完成的工作。一个数据通信系统由5个部分组成：1）消息（Message）：是被交换的信息（或称数据）。 2）发送设备。 3）接收设备。4）传输媒体。5）协议。1.数据与信号物理层把比特流变成信号在媒体上传输。媒体的类型不同，其上的信号也不同，媒体对信号传输的影响也必然对物理层的性能有影响。此外，物理层的比特1和0用什么样的信号来表示才能更好地有利于

6、比特的正确传输？所有这些问题的解决都要求我们必须研究物理层的数据和媒体上信号的特性。数据：数据是信息的表示形式，它是计算机处理的对象。数据的类型有：文本、图像、音频和视频。文本表示文字信息，世界上有各种不同的语言和文字，采用一个或多个字节的比特序列编码来代表文字。举例：ASCII、汉字、Unicode分别1、2、4字节表示。图像是视觉信息的表示形式，它是由许多称为像素的点在行和列上排列而成的二维信息结构，每个像素点的值代表该像素点的亮度或颜色，全部像素点的集合就表示一幅图像。例如： 400600=24万像素。如果是数字图像，若每像素量化为8比特，则该图像的大小是1.92Mb。音频数据是由人说话

7、或播放音乐而产生的。这种数据与前两种数据不同，前面的各个数据元素是不依赖于时间的，在传输中每个字符延迟的变化不影响文本的正确性。而语音是连续的数据流，每个语音的样本若延迟时间不同，则收听的语音就会失真，磁带录放机的转速变化会导致语音的畸变就是这个原理。视频数据是影像信息的表示形式，可由摄像机拍摄获得也可以由图像序列组合而成。例如，电视信号就是由每秒25帧的图像序列组合而成的。视频信号的特点是数据量大，如果由上面的图像构成的视频，则它的数据率为1.9225=48Mbs。视频数据也是一个连续的数据流，在传输中对传输的延迟变化要求很严格。数据按自身的特性可分为：数字数据和模拟数据。模拟数据的值是连续

8、变化的，而数字数据的值只能取若干有限的离散值。信号信号是信息在媒体上的表示形式，它以电磁能量的方式在媒体上传输。在通信和网络中的信号有电信号和光信号两类信号。信号也分为模拟信号和数字信号两种形式。信号在媒体上传输时由于信道上存在信号衰减、信号失真、信号延迟及噪声和干扰对信号的影响，最终表现为数据传输的错误和传输性能（如传输速率）的下降。2.模拟传输系统与数字传输系统定义：模拟信号，数字信号，模拟传输系统，数字传输系统。常见的通信系统有：1）模拟数据模拟信号传输系统无线电广播、传统的有线电视网、早期的固定电话和第一代移动电话均属于这一类型，通常是把模拟的语音或视频调制到高频信号上进行传输。2）模

9、拟数据数字信号传输系统由于数字传输的优越性，要将模拟数据在数字信道上传输，必须要将模拟数据变为数字信号。通常采用PCM编码和调制（delta modulation），先把模拟数据变为数字数据，然后再把数字数据变为数字信号在信道上传输。现代的固定电话系统只在用户到端局的几公里的传输是模拟的，到了交换局以后已是数字传输，到了用户接收端又还原为模拟数据。因此，可以把固定电话系统看作模拟数据在数字信道的传输系统。3）数字数据模拟信号传输早期的固定电话系统全是模拟系统，为了能在电话网上传输数字数据，采用调制解调器，将数字数据变为模拟信号在电话网上传输。传统的有线电视网（CATV）是模拟传输系统，使用线缆

10、调制解调器（Cable Modem）可以传送数字数据；无线局域网也是数字数据模拟传输系统。4）数字数据数字信号传输计算机网络属于这一类。对于数字信号，在信道上传输有两种方式：基带传输：即数字信号直接加到信道上，信号频谱未发生变化；频带传输：把数字信号调制到另一高频信号上，进行传输，在接收端，还要把数字信号解调出来，被传输的信号频谱发生了变化。3.数据通信模式数据通信有三种模式：1）单工方式：通信是单方向的，一端只能发送数据，另一端只能接收数据。无线广播、传统的有线电视、GPS等均是采用单工方式。2）半双工方式：通信可以是双向的，通信的两端设备既可以发送数据，也可以接收数据，但不能同时进行双向数

11、据传输，在任意一个时刻，信道上只有一个方向能传输数据，例如步话机。3）全双工方式：同时在两个方向传输数据，如电话系统、计算机通信系统等。4.数据传送方式两个设备之间的数字数据传送有两种方式：并行传送和串行传送。1）并行传送并行传送的效率高，一次传送多个比特数据，但要用多根数据线并行连接，用在要求高数据传输速率，且两个设备相距不远的场合。2）串行传送数据只在一根数据线上传输，节省传输线，传输效率低，用在远距离传输的场合。为了提高数据传输速率，可选用高带宽的信道。串行传送又分为异步传送和同步传送两种：异步传送：异步方式是一次传送一个字节，在一个字节的前面加l比特的0作为起始位，在后面加12比特的1

12、作为停止位，构成十位至十一位比特长的数据块进行传送。收发设备之间不必有同步时钟信号，在传送的字节之间可以有任意的空闲，这时线路上一直保持高电位1，当下一字节到来时，线路出现低电位0表示传送开始。同步传送：在收发设备之间用同步信号传送由0和1组成的比特序列数据，不加起始位和停止位到数据上。5.数据通信系统的主要技术指标数字通信系统的主要技术指标是围绕传输的“有效性”和“可靠性”来制定的。其中主要的质量指标分为数据传输率指标（波特率和比特率）和数据传输质量指标（频带利用率和差错率）。数据传输率指标：(1) 波特率波特率（Baud Rate）是信道上每秒传送的信号样本数，又称为每秒传送的码元数。如图

13、2-2a所示。在上面的信号波形中，波特率就是每秒传送的脉冲数。波特率一般用符号表示，单位“波特”，或Bd。(2) 比特率数字信号传输的一个重要指标是比特率（Bit Rate），即每秒传输的比特数。比特率一般用Rb表示，单位为bit/s。通过对图2-2分析，可知比特率与波特率的关系可用下式表示： （bit/s）其中，N表示N元制码。(3) 有噪信道的最大数据传输速率在实际应用中信道总是含有噪声的，尤其是对于无线信道，噪声绝不可忽略。1944年Claude Shannon推导出一个公式。若信道的带宽为B，信道上的信号噪声比为S/N，则信道最大数据速率为（bit/s）其中，B的单位为Hz，S/N是信

14、号对噪声的功率比。数据传输质量指标：(1) 频带利用率在比较两个通信系统的效率时，只看他们的信息传输速率是不够的，或者说，即使两个系统的传输速率相同，它们的效率也可能不同，所以还要看传输信息所占的频带。通信系统占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。在通常情况下，可以认为二者成比例，用单位频带内的码元速率描述系统的传输效率，即每赫兹的波特数：式中，为频带利用率，为系统的调制速率，为系统的频带宽度。(2) 差错率（误码率）当干扰信号和信号畸变达到一定程度时，就可能导致接收的差错。差错率是衡量数据传输质量的最终指标。差错率可以有多种定义，常用的差错率指标有平均误码率、平均误字率和平均误祖率等。差错率是一个统计平均值，因此，在测试或统计时，总的发送比特（字符、码组）数应达到一定的数量，否则得出的结果将失去意义。