第第2章章 复用与交换基本原理复用与交换基本原理2.1 PCM基本原理基本原理2.2 电路交换电路交换2.3 分组交换分组交换2.4 ATM交换交换本章小结本章小结1 1复用与交换基本原理复用与交换基本原理2.1 PCM基本原理基本原理n时分复用时分复用n多路复用的概念多路复用的概念n时分复用原理时分复用原理n异步时分复用原理异步时分复用原理nPCM基本原理基本原理n32路路PCMnPCM的高次群的高次群2 2复用与交换基本原理复用与交换基本原理多路复用的概念多路复用的概念n信号：信号：n模拟信号：是数值上连续变化的信号。例如话音信号，模拟信号：是数值上连续变化的信号。例如话音信号，图象信号等。图象信号等。n数字信号：是离散的信号数字信号：是离散的信号n多路复用多路复用n将多个信号源发出的信号组合，并由一个信道传输，传将多个信号源发出的信号组合，并由一个信道传输，传输中各信号之间彼此独立输中各信号之间彼此独立n多路复用的基础是分割原理，信号分割的依据是信号差多路复用的基础是分割原理，信号分割的依据是信号差异异n复用的目的是为了节省介质，提高线路利用率复用的目的是为了节省介质，提高线路利用率n根据不同的参量，多路复用的类型有根据不同的参量，多路复用的类型有n频分复用频分复用FDM:各路信号频率分开，时间重叠各路信号频率分开，时间重叠n时分复用时分复用TDM:各路信号时间分开，频率重叠各路信号时间分开，频率重叠n码分复用码分复用CDM:各路信号时间、频率重叠，特征码不同各路信号时间、频率重叠，特征码不同3 3复用与交换基本原理复用与交换基本原理时分复用原理（时分复用原理（1）传输介质传输介质第第1路路第第2路路第第n路路第第1路路第第2路路第第n路路发送发送接收接收时分复用时分复用TDM（通常指同步时分复用）（通常指同步时分复用）n把传输信道按时间分割成若干时隙，以传送若干路信号。把传输信道按时间分割成若干时隙，以传送若干路信号。n发送方，在抽样脉冲的控制下，时隙发送方，在抽样脉冲的控制下，时隙1时将第时将第1路信号打路信号打入信道，时隙入信道，时隙2是将第是将第2路信号打入信道，路信号打入信道， 依此类推依此类推n接收方，在发送方同步信号的作用下，在时隙接收方，在发送方同步信号的作用下，在时隙1时接收时接收第第1路信号，时隙路信号，时隙2时接收第时接收第2路信号路信号.4 4复用与交换基本原理复用与交换基本原理时分复用原理（时分复用原理（2）nTDM按帧结构（固定时长，时隙个数固定）传送按帧结构（固定时长，时隙个数固定）传送n每个用户分配固定时隙（在帧结构中占固定位置）每个用户分配固定时隙（在帧结构中占固定位置）n每个用户只能在自己的时隙内发送数据每个用户只能在自己的时隙内发送数据n当某用户无数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于当某用户无数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，不能作为他用空闲状态，不能作为他用n可能造成线路资源的浪费可能造成线路资源的浪费aabcdbca bb ccad用户用户ABCDtttt#1#2#3#4四个时分复用帧四个时分复用帧时分复用时分复用t5 5复用与交换基本原理复用与交换基本原理统计时分复用原理统计时分复用原理nSTDM：Statistic TDM，统计时分复用，又叫异步时分复用，统计时分复用，又叫异步时分复用n每个用户不分配固定时隙，按需动态分配时隙每个用户不分配固定时隙，按需动态分配时隙nSTDM按帧结构进行传送，且帧长度固定（不同系统帧长可能按帧结构进行传送，且帧长度固定（不同系统帧长可能不同）不同）n组帧按收到数据的先后顺序进行组帧按收到数据的先后顺序进行n一个用户可以连续占用多个时隙一个用户可以连续占用多个时隙n能显著提高信道的利用率能显著提高信道的利用率abbccadaabcdbc用户用户ABCDtttt#1#2#33个个STDM帧帧统计时分复用统计时分复用t6 6复用与交换基本原理复用与交换基本原理PCM基本原理（基本原理（1）n1937年年,法国工程师法国工程师(Alec Reeres)最早提出最早提出n1946贝尔实验室实现第一台贝尔实验室实现第一台PCM数字电话终端机数字电话终端机n1962年晶体管年晶体管PCM终端机大量用于市话网中局间终端机大量用于市话网中局间中继线中继线,市话电缆传输电话数扩大市话电缆传输电话数扩大24-30倍倍n70年代后期年代后期,超大规模集成电路的超大规模集成电路的PCM编编,解码器解码器出现使出现使PCM在光纤通信在光纤通信,数字微波通信数字微波通信,卫星通信卫星通信中获得广泛应用中获得广泛应用nPCM已成为数字通信中一个十分基本的问题已成为数字通信中一个十分基本的问题7 7复用与交换基本原理复用与交换基本原理PCM基本原理（基本原理（1）PCM：Pulse Code Modulation 脉冲编码调制脉冲编码调制PCM是一种将模拟信号变换成数字信号的编码方式是一种将模拟信号变换成数字信号的编码方式PCM发送端包括：抽样、量化和编码发送端包括：抽样、量化和编码PCM 接收端包括：解码、量化样值解调接收端包括：解码、量化样值解调模拟模拟信源信源低通低通滤波器滤波器量化量化器器抽样抽样器器编码编码器器解码解码器器低通低通滤波器滤波器模拟模拟信宿信宿发送端发送端接收端接收端8 8复用与交换基本原理复用与交换基本原理PCM基本原理（基本原理（2）抽样量化123456789101112 13141516编码10112010001000345000678001010011910010101110111111213111141516110101100 将时间离散、将时间离散、幅度连续的抽样信幅度连续的抽样信号转换成时间离散、号转换成时间离散、幅度离散的数字信幅度离散的数字信号。号。 将时间连续的模拟将时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号。度连续的抽样信号。 带限信号连续抽样，带限信号连续抽样，要求抽样频率不小于所传要求抽样频率不小于所传信号的最高频率的信号的最高频率的2倍。倍。量化后的信号通量化后的信号通过编码器变成一过编码器变成一组码元组码元9 9复用与交换基本原理复用与交换基本原理量化级：对应一个幅度等级如：将08V范围的模拟量分为8级，每级1V。即01V为0级，12V为第1级用这8级的量去量化输入信号。均匀分级量化方法:舍去型、补足型、四舍五入型量化前的值/V量化后输出值/V舍去型补足型四舍五入型6.6V6.1V0.1V660771760n均匀分级量化1010复用与交换基本原理复用与交换基本原理量化误差：量化前、后信号幅度之间的差别量化误差产生的后果：量化噪声 均匀量化：绝对误差相等、量化噪声均匀，小信号的信噪比小。信噪比：衡量通信质量的重要指标，一般要求大于26DB。解决方法：减少小信号时的量化噪声将量化级分细，减少量化误差从而减少量化噪声。 量化级数多，要求有更多位编码及更高的码速， 要求更高的编码器。信噪比=10 信号/噪声（单位：DB）1111复用与交换基本原理复用与交换基本原理l 采用不均匀量化，（压扩法）-小信号的量化级 分细些，大信号量化级分粗些。使在保持原来的 量化级数下将信噪比做得高于26DB。两种压扩律： u律和A律A律：通用于欧洲，为30/32路PCM采用，E1线路 2.048Mb/s u律：通用于北美和日本，为24路PCM采用，T1线路 1.544Mb/s我国采用A律1212复用与交换基本原理复用与交换基本原理1313复用与交换基本原理复用与交换基本原理1414复用与交换基本原理复用与交换基本原理PCM的实际应用示意图ICABDBCBPCMUHW2Mb/s 32TSPCMDHW2Mb/s 32TS1515复用与交换基本原理复用与交换基本原理目的：为了更好地在信道上传输基本要求：直流分量为零频带宽度小没有较长的零电平信号序列可提供差错检测能力几种常用码型单极性不归零码（NRZ）单极性归零码（RZ）双极性归零码（ AMI）三阶高密度双极性码（HDB3）信号传输码型1616复用与交换基本原理复用与交换基本原理11000111编码规则：正电压：“ 1 ”零电压：“ 0 ”占空比：100%单极性归零码单极性归零码编码规则：正电压：“ 1 ”零电压：“ 0 ”占空比：50%11000111单极性不归零码单极性不归零码特点： 适合短距离传输 存在直流分量和丰富的高频分量，占用频带宽 多个连0可能引起失步1717复用与交换基本原理复用与交换基本原理双极性归零码（双极性归零码（AMI-Alternate Mark InversionAMI-Alternate Mark Inversion交替极性倒置）交替极性倒置）编码规则：正、负电压：“ 1 ”零电压：“ 0 ”占空比：50%11000111特点： 基本不存在直流分量，高频分量少 多个连0可能引起失步1818复用与交换基本原理复用与交换基本原理HDB3HDB3（High Density Bipolar of Order 3High Density Bipolar of Order 3）码编码规则：正、负电压表示“ 1 ”,且交替出现零电压表示“ 0 ”占空比：50%当连零个数超过4时，作如下操作：依次将4个连0编为一组，每组最后一个0用1取代，用V+或V-表示，与前一个1（B+或B-）同极性。V称作破坏点。保证两个破坏点之间有奇数个1。若为偶数个1，则在前一个破坏点后面的连续0组中的第一个0改为B+或B-，其极性和前一个破坏点相反。（保证B的极性交替）后面的极性依次按上述原则改变。1919复用与交换基本原理复用与交换基本原理0 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 00HDB3HDB3（High Density Bipolar of Order 3High Density Bipolar of Order 3）码1 1 0 0 0 001000 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 001 1 0 0 0 001000 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 001 1 0 0 0 00100B+B-B+B-B+B+B-B+B-B+V+V-V-0 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 001 1 0 0 0 00100B+B-B+B-B+V+V-V+B+B-V-0 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 001 1 0 0 0 00100B+B-B+B-B+V-V+V-B-B-B+V+单极性码AMI码HDB3码HDB3码HDB3码V-V+V-2020复用与交换基本原理复用与交换基本原理HDB3的替换规则的替换规则正在处理的脉冲的极性(即前一个B)自上次替换后双极性脉冲（比特1）的数目（即V之间的1的数目）奇数偶数000-000+00+-00-+2121复用与交换基本原理复用与交换基本原理u时隙和帧时隙和帧n时隙：每路话路抽样所花的时间。时隙：每路话路抽样所花的时间。n帧：每帧：每32个时隙组成一个帧。个时隙组成一个帧。n复帧：复帧：16个帧合成一个复帧。个帧合成一个复帧。u数字信号传输速率数字信号传输速率n调制速率（波特率）调制速率（波特率）= Baudn数据速率数据速率 = * log2n bps信元数单位时间信元数单位时间几个基本概念几个基本概念2222复用与交换基本原理复用与交换基本原理01101111000100111二电平调制四电平调制2323复用与交换基本原理复用与交换基本原理32路路PCM几个基本概念：几个基本概念：n时隙：每路话路抽样所花的时间。时隙：每路话路抽样所花的时间。n帧：每帧：每32个时隙组成一个帧。个时隙组成一个帧。n复帧：复帧：16个帧合成一个复帧。个帧合成一个复帧。2424复用与交换基本原理复用与交换基本原理32路路PCM的帧结构的帧结构F0F1F2F3F13F12F4F5F6F7F8F9F10 F11F14 F15TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS8TS9TS10TS11TS12TS13TS14TS15TS16TS17TS18TS19TS20TS21TS22TS23TS24TS25TS26TS27TS28TS29TS30TS311 0 0 1 1 0 1 10 0 0 0 1 0/1 1 11 2 3 4 5 6 7 81 1 0/1 1 1 1 1 1a b c d a b c d 1复帧复帧=16帧帧 1帧帧=32时隙时隙同步时隙同步时隙标志信号时隙标志信号时隙话路时隙话路时隙F0F1F2F15a b c d a b c da b c d a b c d帧定位码组帧定位码组偶帧偶帧奇帧奇帧区别偶帧区别偶帧帧对告码帧对告码保留保留复帧复帧定位码组定位码组复帧复帧对告码和备用对告码和备用1路路16路路2路路17路路15路路30路路局间线路信令局间线路信令2525复用与交换基本原理复用与交换基本原理帧结构描述帧结构描述n帧重复频率抽样频率帧重复频率抽样频率8kHzn抽样周期抽样周期125usn时隙数时隙数32，时隙编号，时隙编号TS0TS31n每路时隙每路时隙3.91usn每路时隙传送每路时隙传送8位码组，位时间位码组，位时间488nsn每帧传送位数每帧传送位数328=256n每路数码率每路数码率8bit/125us64kbit/sn总码率总码率256bit/125us2048kbit/s2626复用与交换基本原理复用与交换基本原理帧结构描述帧结构描述n各时隙内容各时隙内容nTS1TS15：话路时隙，传送：话路时隙，传送115路话音信号编码路话音信号编码nTS17TS31：话路时隙，传送：话路时隙，传送1630路话音信号编码路话音信号编码nTS0：帧同步时隙，传送同步码组：帧同步时隙，传送同步码组nTS16：信令时隙，传送：信令时隙，传送30路话路的信令码和复帧码路话路的信令码和复帧码n信令时隙信令时隙TS16n传送信令信号（如摘机、挂机、振铃等）传送信令信号（如摘机、挂机、振铃等）n一帧中只传送一帧中只传送8位码组，每路占位码组，每路占4位，每帧只能传位，每帧只能传2路路n提高信道利用率，一个基群有提高信道利用率，一个基群有30个话路，一个信令信号控个话路，一个信令信号控制制2个话路，故引入复帧概念个话路，故引入复帧概念n信令信号必须按复帧传送（信令信号必须按复帧传送（16帧组成一个复帧）帧组成一个复帧）n信令信令4位码组含义位码组含义a、b、c、d，目前只用了前，目前只用了前3位位2727复用与交换基本原理复用与交换基本原理复帧结构描述复帧结构描述n由由16帧组成一个复帧帧组成一个复帧n复帧频率复帧频率8000Hz/16500Hz，周期，周期2msn各帧信令各帧信令nF0的的TS16n前前4位为复帧同步码位为复帧同步码0000n第第6位复帧失步告警码，同步为位复帧失步告警码，同步为0，失步为，失步为1n其他位保留，暂定位其他位保留，暂定位1nF1F15的的TS16n前前4位依次传送位依次传送115路话路信令路话路信令n后后4位依次传送位依次传送1630路的话路信令路的话路信令2828复用与交换基本原理复用与交换基本原理32 PCM帧的传输与处理帧的传输与处理n逐帧传输逐帧传输n按复帧处理按复帧处理n因为每帧只能传送因为每帧只能传送2个话路的信令个话路的信令n30路话路的信令在一个复帧内才能包含完路话路的信令在一个复帧内才能包含完2929复用与交换基本原理复用与交换基本原理PCM高次群高次群北美北美 日日本本欧洲欧洲 中国中国数码率数码率Mbps话路数话路数 数码率数码率Mbps话路数话路数基群基群1.544242.04830二次群二次群6.312968.448120三次群三次群32.06448034.368480四次群四次群139.2641920五次群五次群5657680制式制式群路群路3030复用与交换基本原理复用与交换基本原理PCM高次群高次群n高次群是由低次群通过数字复用设备汇接而成高次群是由低次群通过数字复用设备汇接而成 基群基群（一次群）（一次群）二次群二次群一一次次群群复复用用设设备备2048kbit/s8448kbit/s2048kbit/s2048kbit/s2048kbit/s一一次次群群复复用用设设备备8448kbit/s8448kbit/s8448kbit/s34.368Mbit/s三次群三次群3131复用与交换基本原理复用与交换基本原理2.2 电路交换电路交换n电路交换的概念电路交换的概念n电路交换的特点电路交换的特点n电路交换示意图电路交换示意图n电路交换的工作过程电路交换的工作过程3232复用与交换基本原理复用与交换基本原理电路交换的概念电路交换的概念 电路交换方式是指用户在相互通信时使电路交换方式是指用户在相互通信时使用一条实际的物理链路（用一条实际的物理链路（一对实线、时隙或一对实线、时隙或频段频段），在通信过程中自始至终使用该条链），在通信过程中自始至终使用该条链路进行信息传输，并且不允许其它用户同时路进行信息传输，并且不允许其它用户同时共享该链路，通信结束后拆除这条物理链路共享该链路，通信结束后拆除这条物理链路的通信方式。的通信方式。 3333复用与交换基本原理复用与交换基本原理n一定是面向连接的，且是实连接一定是面向连接的，且是实连接n必须有必须有建立连接数据传输释放连接建立连接数据传输释放连接三个过程三个过程n连接后占用的是实际物理链路连接后占用的是实际物理链路n所有信息传输沿着同一路径（建立连接的路径）所有信息传输沿着同一路径（建立连接的路径）n信道独占信道独占n在释放连接以前在释放连接以前n两个用户一直占用端到端的固定带宽两个用户一直占用端到端的固定带宽n即使这两个用户并没有通信，别的用户也不能占用即使这两个用户并没有通信，别的用户也不能占用n优点：传输可靠、实时，不乱序优点：传输可靠、实时，不乱序n缺点：信道利用率低缺点：信道利用率低n使用场合：特别适合实时业务，不适合突发性强的使用场合：特别适合实时业务，不适合突发性强的数据传输和频繁更换通信对象的场合。数据传输和频繁更换通信对象的场合。电路交换的特点电路交换的特点3434复用与交换基本原理复用与交换基本原理呼叫请求呼叫请求呼叫接受呼叫接受报文报文确认确认BACD建立连接建立连接数据传输数据传输释放连接释放连接电路交换的工作过程电路交换的工作过程3535复用与交换基本原理复用与交换基本原理n分组交换概念分组交换概念n分组交换的形式分组交换的形式n虚电路虚电路n数据报数据报 2.3 分组交换分组交换3636复用与交换基本原理复用与交换基本原理n分组交换（分组交换（Packet Switching) 分组交换是利用存储分组交换是利用存储转发的方式进行交转发的方式进行交换的。分组交换机先将收到的报文接收、存储换的。分组交换机先将收到的报文接收、存储 ，然后将报文划分为分组，并以分组为单位进，然后将报文划分为分组，并以分组为单位进行传输和交换。行传输和交换。n分组交换的形式分组交换的形式n虚电路交换虚电路交换n数据报交换数据报交换分组交换概念分组交换概念3737复用与交换基本原理复用与交换基本原理 分组交换分组交换虚电路方式虚电路方式n面向连接的方式，但为虚连接（逻辑连接）面向连接的方式，但为虚连接（逻辑连接）n信道不独占，采用统计复用方式，实现信道共享信道不独占，采用统计复用方式，实现信道共享n所有分组通信路径相同，故通信有序所有分组通信路径相同，故通信有序n一个用户可与多个用户建立虚连接一个用户可与多个用户建立虚连接n虚电路分为两种：虚电路分为两种：n永久性虚电路永久性虚电路PVCn事先已建立连接，可直接进行通信，通信后不需拆链事先已建立连接，可直接进行通信，通信后不需拆链n交换性虚电路交换性虚电路SVCn通信前建立连接，通信后拆除连接通信前建立连接，通信后拆除连接3838复用与交换基本原理复用与交换基本原理虚电路方式虚电路方式4527316通信网络主机2主机1主机主机1与主机与主机2之间的通信之间的通信 主机3主机4主机主机3与主机与主机4之之间的通信也类似间的通信也类似n 通信前建立连接通信前建立连接n 所有主机所有主机1到主机到主机2的的分组都按同的的分组都按同一虚电路（路径）到达主机一虚电路（路径）到达主机2n 通信结束后拆除连接（通信结束后拆除连接（PVC除外）除外）3939复用与交换基本原理复用与交换基本原理 分组交换分组交换数据报方式数据报方式n面向无连接方式面向无连接方式n通信前无需建链，通信后也无需拆链通信前无需建链，通信后也无需拆链n每个分组单独选路，造成：每个分组单独选路，造成：n不同的分组可能传输路径不同不同的分组可能传输路径不同n到达同一目的地的数据可能乱序到达同一目的地的数据可能乱序n分组必须携带源、目地址分组必须携带源、目地址n不能保证时延和时延抖动，是一种不能保证时延和时延抖动，是一种“尽力传尽力传送送”方式方式n特别适合突发的数据传输，不适合实时业务特别适合突发的数据传输，不适合实时业务的传输的传输4040复用与交换基本原理复用与交换基本原理数据报方式数据报方式4527316通信网络主机1主机2n主机到主机主机到主机2的分组沿不同路径到达主机的分组沿不同路径到达主机2n出现乱序（先发后到）出现乱序（先发后到）1211122214141复用与交换基本原理复用与交换基本原理2.4 ATM交换交换ATM（asynchronous transfer modeswitching） 异步转移模式异步转移模式n基本特征：基本特征：n传输、复用和交换都是以信元为基本单位进行的传输、复用和交换都是以信元为基本单位进行的n信元长度固定：信元长度固定：53字节（字节（5字节头部字节头部48字节载荷）字节载荷）n异步是指属于同一用户的信元不一定按固定的时间间隔周异步是指属于同一用户的信元不一定按固定的时间间隔周期性地出现期性地出现n采用虚连接方式，异步时分复用采用虚连接方式，异步时分复用n按时隙交换，每时隙交换一个信元按时隙交换，每时隙交换一个信元n用户信元传输不按固定时隙（无周期性）用户信元传输不按固定时隙（无周期性）n信元传递过程中不需源、目地址，只用虚拟连接标识信元传递过程中不需源、目地址，只用虚拟连接标识VPI/VCIn支持多种业务（实时、非实时、不同速率）支持多种业务（实时、非实时、不同速率）4242复用与交换基本原理复用与交换基本原理ATM信元信元n信元基本格式信元基本格式n信元包括两部分信元包括两部分n其中，头部包含其中，头部包含VPI、VCI及其它控制信息及其它控制信息nVPI ：Virtual Path Identifier，虚通路标识符，虚通路标识符nVCI：Virtual Channel Identifier，虚通道标识符，虚通道标识符nVPI/VCI：标识一个信元的路径信息：标识一个信元的路径信息n一个信元在传输过程中，其一个信元在传输过程中，其VPI/VCI是变化的是变化的信元头信元头有效载荷有效载荷4343复用与交换基本原理复用与交换基本原理ATM交换原理交换原理n一个虚连接由多段虚电路（一个虚连接由多段虚电路（VPI/VCI）串联组成。）串联组成。nVPI/VCI标识值已存于该虚连接中的各标识值已存于该虚连接中的各ATM交换机中交换机中nATM交换的实质是逐段交换不同的交换的实质是逐段交换不同的VPI/VCI标识标识VPI=1VPI=1VCI=3VCI=3ATM交换机交换机1ATM交换机交换机3ATM交换机交换机2端口端口1 1端口端口3 3端口端口2 2端口端口3 3端口端口2 2端口端口1 1VPI=4VPI=4VCI=3VCI=3VPI=2VPI=2VCI=1VCI=1输入端口输入端口VPI/VCI输出端口输出端口 VPI/VCI 11/324/3 11/537/84444复用与交换基本原理复用与交换基本原理本章小结本章小结nPCM编码的基本原理编码的基本原理n时分复用的概念时分复用的概念n电路交换的概念电路交换的概念n电路交换方式的优缺点比较电路交换方式的优缺点比较n分组交换与分组交换与ATM交换的特点交换的特点 作业作业:P23 复习题复习题1,2,5,64545复用与交换基本原理复用与交换基本原理