程控交换技术1-第二章.ppt

目前在信息网中经常采用三种基本信息交换技术，即电路交换(CS,circuit switching)、报文交换(MS，message switching)和分组交换(PS，packet switching)，以下分别介绍它们的特点。1.电路交换特点：以电路交换技术为基础所构成的网络(如现有的PABXPSTN和常用的移动通信网等)，A，B用户一旦呼叫连通之后，双方就占用了某一“电路”(或通路、信道)，或者说占用了一定的传输带宽时隙等通信资源，在通信的全部时间内，不管利用效率多高，该电路始终被A，B用户所专用，直到拆线为止。,信息交换技术,2.1,优点：电路交换方式适合于较长信息(如电话、传真或非突发性数据等)的传输与交换，具有灵活、实时、双向和交互性等优点。缺点：在建立通路时需要有一呼叫过程，耗费一定的建立时间，这对计算机数据的突发通信将会造成效大的影响。,信息交换技术,2.1,2.报文交换特点：在这种网络中，报文是作为个整体逐结点(或电报局转报机)进行存储与转发。优点：报文交换适于单向、非实时、低速信息传输和交换，具有网络线路利用率较高、信息高峰适应性和灵活性较强、各转发线路段速率可不同等特点。缺点：延时大、实时性差。,信息交换技术,2.1,3.分组交换 于1969年12月美国国防部的分组交换网ARPANET投入运行，开创了分组交换的新纪元。特点：分组交换也属于存储转发交换(store and forward switching)方式，它类似于报文交换，但并不是把一完整报文一次传送出去，而是先将其分成若干个分组(或称信息包)，然后在分组中加上标志、源地址、目的地址及差错校验码等附加信息，按分组进行传送，到目的地再将分组重新装成完整的报文，送往用户。,信息交换技术,2.1,分组交换可分为数据报(datagram)方式和虚电路(VC，virtual circuit)方式。数据报：对每个分组进行独立处理，即在每个分组中携带详细的目的地址，可选择不同的路由传送到目的终点，然后将其按序号重新组装。这种数据报分组交换方式，适于较短报文的传送，具有迅速、灵活、可靠、经济等优点，常用在面向业务的询问响应型无连接数据业务场合。,信息交换技术,2.1,虚电路：在发送报文前的连接建立阶段利用目的地址，先请求建立一条双方用户间的虚电路，一旦成功，属于同一报文的各个分组均沿该虚电路传送。这样分组到达目的地的先后与发送顺序相同，从而简化了在终点的组装工作。虚电路分组交换方式适于较长报文传送，其持续时间应远大于虚电路建立时间；各结点不需为每个分组作路由判定，故减轻了各站的处理负担。这种交换方式常常用于面向连接的数据业务。,信息交换技术,2.1,电路交换、报文交换、分组交换示意图,信息交换技术,2.1,三种交换方式的比较,信息交换技术,2.1,信息交换技术,2.1,电路交换、报文交换、与分组交换过程,信息交换技术,2.1,在线路利用率0.5情况下，电路交换（CS）、报文交换（MS）、分组交换（PS）的传送能力P、时延 与平均消息长度L的关系如下图,传送能力、时延与消息长度的关系,4.高速分组交换与信元中继 高速分组交换是在克服x25分组交换的诸多缺点而发展起来的，它充分考虑到目前广泛采用抗干扰性强、误码率低、带宽充裕的光纤等数字传输信道这一实际情况，摒弃了X.25分组交换中分组逐结点(逐段)转发、差错校验和流量控制力案，改为端到端、由智能终端或高层协议采取措施进行必要处理的方案，从而大大简化了协议处理过程，提高了传输速度，减低了可变时延。高速分组交换目前又有两种方式：帧中继(FRframe relay)和信元中继(CR，cell relay)。,信息交换技术,2.1,帧中继：信息是以帧结构来传送的，帧长可为几百到几干字节，适于面向连接的数据业务，可采用交换型或永久型虚电路方式。这种帧中继交换方式可在已有的X25分组数据网或数字数据网基础上构架或另建帧中继网实现。信元中继：将报文分割成一个个定长的称为信元(cell)的牧短分组，进行传输与交换，其长度为53个字节(其中48个字节为数据信息，5个字节为信头，包含用于选路的逻辑地址、信头校验码、优光级等控制信息)，从而简化了处理，加快了传输和交换速率，实现了服务质量(QOS)保证。,信息交换技术,2.1,信息交换技术,2.1,交换技术的分类及其发展,信号数字化技术,2.2,数字交换系统（直接）与模拟交换系统相比 优点：抗干扰性强；便于时分多路复用；便于加密；适于信号处理与控制；便于引入远端集线器；可集成容量大阻塞率低的数字交换网络；有利于实现数字交换与数字传输的直接联系；构成综合数字网(IDN)，向ISDN（综合业务数字网）过渡。通信网：以模拟为主用户终端：为模拟话机语音数字交换过程：话音（模拟量）A/D 数字交换机 D/A 话音（模拟量）,信号数字化技术,2.2,脉冲编码调制（PCM）增量调制（DM）线性预测编码（LPC）改进方案改进方案：差值PCM（DPCM）；自适应差值PCM（ADPCM）；自适应DM（ADM）,2.2.1 语音信号数字化的方法,波形编码,PCM系统的构成与原理框图1PCM的概念是1937年由法国工程师Alec Reeres 最早提出的，1946年美国Bell实验室研制了世界第一台PCM数字电话终端机，成为数字通信的开端。2原理框图:,信号数字化技术,2.2,（1）脉冲编码调制（PCM）,PCM系统的构成与原理框图,信号数字化技术,2.2,3主要功能单元包括三种功能：抽 样 量化 编码抽样：把话路信号（300-3400HZ）变成脉冲调幅信号（PAM）量化（取整）：将脉冲调幅信号（PAM）量化为有限个幅度值的量化信号（会产生误差（失真），采取对数形式的压缩特性）。编码：将有限个幅度值的量化信号变换成二进制编码，8位码/抽样值,信号数字化技术,2.2,信号数字化技术,2.2,4波形：PCM的主要波形,5存在的问题和解决的方法问 题 话音信号在量化过程中必然会产生误差（或失真）引起通话时附加量化噪声。对于线性量化情况，量化噪声功率仅与量化间隔大小有关，大信号时信噪比高；小信号时信噪比低,信号数字化技术,2.2,解决方法采用不均匀分层法，解决线性量化时小信号音质差的问题，即：让量化特性在小信号时分层密（量化间隔小）让量化特性在大信号时分层疏（量化间隔大）能在编码位数较少的情况下，得到小信号较高的信噪比来改善通话质量第一步：在发送端先将话音信号进行非线性幅度压缩，再进行线性量化与编码第二步：在接收端解码后对话音信号扩张来补偿，扩张器特性与压缩器特性完全互补，因压缩而造成的非线性。,信号数字化技术,2.2,信号数字化技术,2.2,对数压缩与扩张特性,实际广泛采用的两种对数形式的压缩特性A律：欧洲（我国）律：北美，日本,信号数字化技术,2.2,（压缩特性归一化表示）,信号数字化技术,2.2,A律与u律的压缩特性,信号数字化技术,2.2,常见的量化电平编码形式：符号/幅度编码、A律编码、u编码,PCM的编码形式,信号数字化技术,2.2,（2）增量调制（DM）与自适应增量调制（ADM）,DM编码的原理,DM的编码过程,信号数字化技术,2.2,DM编码/解码的实现,DM的实现框图,信号数字化技术,2.2,（3）自适应差分脉码调制（ADPCM）,（4）子带编码（SBC）与自适应子带编码（ASBC）,（5）SBC与ADPCM组合编码,信号数字化技术,2.2,参数编码,（1）线性预测编码,这类编码是建立在对人的发声器官与发声机理的研究及语音产生过程与模型基础上的。,语音产生的离散时域模型,信号数字化技术,2.2,线性预测方法是根据语音各抽样点间的相关性，利用某些过去值的线性组合预测其现在值，即p阶预测器的预测值为：,其Z变换为：,即预测器的转移函数为一个全零点的p抽头FIR数字滤波器,信号数字化技术,2.2,语音分析与合成实现框图如图所示,信号数字化技术,2.2,（2）规则脉冲激励长时线性预测编码（RPE-LTP）,采用从语音中搜索出来的多种不同起始相位和幅度的等间隔规则脉冲串作为LPC的激励信号。后经简化、改进，加入了长时预测LTP，并使速率降为13kbit/s，形成了RPE-LTP方案。,（3）码激励线性预测编码（CELP）,CELP是Manfred R.Schroeder和Bishnu S.Atal于1985年首先提出的一种利用码本作为激励源的LPC技术，在4.816kbit/速率上可获得高音质、抗噪声的性能。,信号数字化技术,2.2,（4）其他编码方法,信号数字化技术,2.2,常用的语音信号数字化方法,信号数字化技术,2.2,2.2.3 图像与视频信号的数字化方法,目前用于图像压缩的方法：无损编码 有损编码,常用无损编码：霍夫曼编码 游程编码 Lempel编码,有损编码方法：利用预测编码技术对相邻图像进行运动检测，传送有关的运动矢量利用频域的方法，如离散余弦变换、子带编码、离散小波变换等对人眼布敏感的图像频率分量进行压缩利用模型的方法，对图像进行参数估值利用给予重要性的方法，对人眼不敏感的图像参数进行压缩混合编码,信号数字化技术,2.2,常用的混合编码方法：JBIG标准JPEG标准H.261建议MPEG标准,一、目 的：提高传输信道的利用率二：方 法：频分复用（FDM）（按频率划分信道）时分复用（TDM）（按时间划分信道）FDM与TDM信道划分:,信道共享与多路复用技术,2.3,三、频分复用1方法：信道的可用频带被分割成若干互不交叠的频段，每路信号的频谱占用其一，以实现多路相加的FDM信号在同一信道中传输。在接收端，借助适当的带通滤波器加以分路，分别进行解调。2基本功能单元（实现信号频谱的搬移和分割）幅度调制器；幅度解调器；带通滤波器；载波产生器3应用载波电话通信线对增容（程控、用户载波技术）,信道共享与多路复用技术,2.3,四、时分复用1方 法：将信道按时间加以分割，各路话音抽样信息依一定的次序轮流地占用某一时段（时隙），从而实现多路复用通常采用PCM复用方式提高传输速率、交换容量两种复用制式：30/32路帧结构（A律、欧洲、中国）24路帧结构（律、北美、日本）,信道共享与多路复用技术,2.3,2PCM基群的主要技术参数,信道共享与多路复用技术,2.3,3.PCM E1复帧结构图（我国采用方式）,信道共享与多路复用技术,2.3,每一帧占时125S，分为32个时隙（TSO-TS31）TS0-TS31：同步（TS0）信令（TS16）语音编码（TS1-TS15；TS11-TS31）每个时隙为8bit，占时3.9S每帧共有256位码，每路码率为：64kbit/s,信道共享与多路复用技术,2.3,信道共享与多路复用技术,2.3,TS0码位结构,4数字复用技术（实现多路数字信号按时分复用方式汇接成一路复合数字信号）（群路信号）将编码数字信号复用成为更高速率的群路信号，以适应各种信道或介质的传输能力。基群复接（复用高次群基群）分接复用：完成复接、分接全过程,信道共享与多路复用技术,2.3,信道共享与多路复用技术,2.3,时分复用PCM的复用等级,信道共享与多路复用技术,2.3,为适应大容量光线数字通信网发展的需要，1985年美国提出了同步光网络（SONET），在此基础上ITU-T也提出了同步数字系列（SDH）。,SDH,SONET的数字复用等级,具体实现和应用：同步复接：要求各支路码流与群路码流的定时信号来自同一时钟，共间保持固定的相位关系。准同步复接：来自不同的时钟源，存在相位漂移、抖动问题，为保证信息的正确传送，采用了码速调整技术在各个复用等级上将数个低速群路信号复接为一个高速率群路信号，以满足传输及信道容量日益增大的要求，提高信道利用率。,信道共享与多路复用技术,2.3,数字基带信号：数字信号只进行码型变换而未经调制且占据的频带大致与原数字脉冲相同，一般从直流或低频开始，因而称为数字基带信号。,数字信号的基带传输技术,2.4,SOPHO程控数字交换系统基带数据传输示意图,数字信号的基带传输技术,2.4,SOPHO程控交换系统数字中继线接口码型,选择基带信号传输码型的原则：(1)对于传输频带低端受限的信道，通常要求基带信号的频谱中不含有直流分量。(2)码型变换过程应具有信源透明性即与倍源的统计特性无关。(3)在很多应用中要求基带码流中含有位定时信息，以便在接收端从中能够提取所需的定时信号。(4)具有良好的谱结构，有利于线路均衡和回波抵消等功能的实现；尽量减少其高频分量，以节省频带、提高线路利用率及降低线间串扰。,数字信号的基带传输技术,2.4,(5)基带信号具有内在的检错能力，便于实时监测信道的传输质量，(6)尽量降低解码过程中所引起的误码扩散，提高传输性能。(7)编解码设备尽量简单。下面简单介绍几种典型基带信号的波形与特点(1)差分码 差分码又称相对码。在差分码中利用电平跳变或不跳变来分别表示数字1或0。这种码型利用电平的相对关系来传送信息，可以解决数据通信中相位键控同步解调时载波相位含糊问题，因而得到了广泛的应用。,数字信号的基带传输技术,2.4,各种码型的详细说明参考（链接到通信原理课件）,（2）曼彻斯特码 曼彻斯特码又称数字双相码或分相码、裂相码。它利用一个半占空对称方波(如01)表示数据1，而用其反相波(如10)表示数据0。若利用差分码的概念和持点，可以构成差分曼彻斯特码，所产生的基带信号中，相邻码元的方波如果同相则代表数据0。如果反相则代表数据1。这种码有时也称为条件双相码，记作CDP码。曼彻斯特码和差分曼彻斯特码适于数据终端设备在短距离介质上进行数据传输。,数字信号的基带传输技术,2.4,差分码与曼彻斯待码的波形,数字信号的基带传输技术,2.4,(3)传号交替反转码在传号交替反转(AMIalternative mark inversive)码中，原输入数据0变换为三电平码序列中的0；数据1则交替地变换为+1或1电平。通常AMI码为半占空的归零码，即脉宽是码元周期的一半。(4)三阶高密度双极性码 三阶高密度双极性(HDB3)码也是三电平码。它与AMI码都是将原数据1交替地变换为+1或1的半占空归零码，不同的是：HDB3码流中的连0个数应保证不多于3，当信息中出现4个连0时，就用特定码组(称为取代节)来替代。,数字信号的基带传输技术,2.4,AMI与HDB3码的波形,数字信号的基带传输技术,2.4,(5)传号反转码 传号反转(CMI，coded mark inversion)码与曼彻斯特码类似，也是一种二电平码。在CMI码中，原数据1交替地用全占空的一个周期方波表示，而数据0则用半占空的方波表示。,数字信号的基带传输技术,2.4,CMI码的波形,(6)密勒码 密勒(Miller)码又称延迟调制，它是数字双相码的一种变型。在这种码中，数据1用码元周期中间处出现跳变(即半占全方波)来表示，而对于数据o则有两种情况：当出现单个0时。在码元周期内不发生跳变；若出现连0时，则前一个0结束时出现电平跳变。可见，当两个1之间有一个0时，密勒码中呈现最大宽度，即两个码元周期，可依此特点进行传输线路监测。,数字信号的基带传输技术,2.4,密勒码的波形,数字信号的基带传输技术,2.4,在信息网络和通信系统中，数字与数据信号除利用基带传输方式外，还常常采用载波传输技术，即将数字或数据进行载波调制，以调制信号方式在线路或介质中传送。目前应用最为广泛的是通过传统的模拟电话网或载波电话传输系统，方便、灵活地实现计算机用户，持别是分散用户的接入、连网及数据或数字通信。此时，需要将输入的二进制信息加以调制，进行频谱锻移，使所占频率范围与电话信道的频带相匹配，以便在电话系统中传送。,数字信号的载波传输技术,2.5,典型数据通信系统,数字信号的载波传输技术,2.5,目前Modem主要应用于下面几种情况：(1)计算机或数据终端设备(DTE)间经Modem在模拟话路中进行数据通信。(2)远程或分散计算机用户经Modem或Modem Pool(调制解调器组)，接入局域网或主机、服务器。(3)计算机或DTE经终端适配器(TA)、数字用户线电路(DLC)和Modem(或Modem pool)进入公用电话网，与远地DTE通信。对程控交换系统(如SOPHO S或iS 3000系列交换机)，Modem传输技术的主要应用如下图所示：,数字信号的载波传输技术,2.5,Modem在网络中的应用,数字信号的载波传输技术,2.5,Modem所能采用的调制方式很多，常用的有以下3类:(1)频率键控(FSK)(2)差分相位键控(DPSK)(3)幅度相位联合键控(APSK)由于人们对利用现有电话网进行数据通信的需求日益增长，再加上程控交换机已相当普及，使电话网的传输质量大有改善，促进了话路Modem技术的快速发展，主要表现在下列几个方面：,数字信号的载波传输技术,2.5,（1）采用网格编码调制(TCM)等新型技术，提高数据传输率和性能。（2）可根据信道的传输质量，自动地选择Modem工作参数和传输率。（3）增加纠错和数据压缩功能，进一步提高传输性能及有效信息率。（4）采用先进的自适应均衡和回波抵消技术，改善传输特性与线路利用率。（5）广泛采用V.25bis与Hayes AT命令集等自动呼叫、应答方式。（6）增加网管功能，提高智能化水平。（7）研制、开发和采用新型的Modem集成电路，以提高设备性能和硬件水平。,数字信号的载波传输技术,2.5,