Structure of the Telephone System

PSTN (Public Switched Telephone Network) 公共交换电话网络

  1. Fully-interconnected network.
  2. Centralized switch.
  3. Two-level hierarchy.

一个典型的电话电路

Components of the Telephone System

local loops 本地回路

用于家庭和企业的模拟双绞线

传输线有三个主要的问题：

  1. 衰减 Attenuation
  2. 延迟失真 Delay distortion
  3. 噪声 Noise

数字信号中使用的方波具有很宽的频谱（通常是高频），因此会受到很强的衰减和延迟失真。

Modems 调制解调器

使用模拟和数字传输进行计算机到计算机的呼叫。 转换由调制解调器(Modems)和编解码器(codecs)完成。

调制解调器（调制器-解调器）是将输出数字信号调制为模拟信号的设备。

  • Amplitude：两种不同的振幅表示0和1

  • Frequency：使用不同的频道

  • Phase：波形是平移的

事项：

  • 数据元素：bit
  • 数据速率：bits/s
  • 信号元素：signal
  • 信号速度：signal/s

基本的编码技术：

  • 数字信号到模拟信号
    • ASK--Amplitude-shift keying
    • FSK--Frequency-shift keying
    • PSK--Phase-shift keying

baud 波特

  • 每秒的采样数/符号数以波特为单位。

QPSK 四相/正交相移键控

  • quadrature phase-shift keying

  • 四个角度通常相差90°，用于传输2位/符号。比特率是波特率的两倍。

QAM-64 正交幅度调制正交幅度调制-64

  • Quadratrue Amplitude Modulation

  • 允许64种不同的组合，因此每个符号可以传输16位。

连接通向

  • full duplex: 全双峰 双向

  • half duplex：半双峰 允许双向，一次只能一个方向

  • simplex: 单峰 单向

Trunks and Multiplexing 多路复用

两类多路复用方案用于在单个物理中继上多路复用多个会话

FDM (Frequency Division multiplexing)

  • 在频分复用（FDM）中，频谱被划分为多个频带。对于光纤信道，使用WDM（波分复用）(Wavelength Division Multiplexing)。

TDM (Time Division Multiplexing)

  • 在TDM（时分多路复用）中，整个带宽用于一段时间段。

FDM

WDM

TDM

Switching 交换

电路交换

  • 寻找从发送方到接收方的物理路径。在发送数据之前，必须（概念上）建立端到端路径。

消息交换

  • 没有预先建立路径。消息存储在第一个交换局中，然后一次转发一个跃点。

数据包交换

  • 对数据块大小进行限制，以允许数据包在交换办公室的主内存中进行缓冲。

Second Generation Mobile Phones: Digital Voice

CDMA: Code Division Multiple Access 码分多址

在有很多人交谈的机场休息室里： TDMA：轮流发言 FDMA：人们在分散的群体中，每个群体都有自己的对话 CDMA：同时通话，但每对使用不同的语言

  • CDMA 的关键是能够提取所需的信号，同时将其他一切作为随机噪声拒之门外。

  • 在CDMA中，每个比特时间被细分为m个称为码片(chips)的短间隔。

    • 通常，每比特有 64 或 128 个码片。

  • 每个站都分配有一个唯一的 m 位代码，称为码片序列(chip sequence)。

    • 为了传输 1 ，它发送它的码片序列。 为了传输 0 ，它发送其码片序列的 1 的补码。

过程

  • 首先，给每个站分配到的chip sequence二极化，0为-1, 1为1

  • 然后，给出几个例子，查看是否与C站有关

+：直接相加

\(\bar{c}\)：直接取反

    1. 四个站的二进制码片序列
    1. Bipolar chip sequences
    1. 传输的六个例子
    1. C站信号的恢复

Communication Satellites 通讯卫星

  • 卫星就像天空中的大型微波中继器
    • 包含转发器：收听频谱的某些部分，放大信号，然后以另一个频率重新广播（以避免干扰传入信号）
  • 卫星越高，轨道周期越长
种类
  • GEO（地球静止轨道）卫星：
    • 每颗卫星通常都有多个向下波束，聚焦于称为点波束的小地理区域（如南非）。 用于电视（例如 DSTV）
  • MEO（中地球轨道）卫星：
    • 24 颗卫星用于 GPS（全球定位系统）。 不用于电信。
  • LEO（低地球轨道）卫星：
    • Iridium & Globalstar：用于全球卫星电话（船舶、农村地区等）的卫星系统。
    • Teledesic：用于互联网用户，完全绕过电话系统（空间分组交换）
GEO
  • GEO 卫星需要更多电力进行通信
  • 由于所涉及的距离，GEO 的信噪比更差
  • 几个 GEO 可以覆盖地球的大部分表面
  • 请注意，GEO 无法“看到”极地地区
  • 由于它们看起来是静止的，GEO 不需要跟踪
  • GEO 有利于广域广播
Major problems for satellites 主要问题
  • Positioning in orbit 位置
    • 一种方法是使用小型火箭发动机
    • 这些使用燃料——大多数卫星重量的一半以上是由燃料组成的
    • 通常是燃料可用性决定了卫星的寿命
    • 卫星的商业寿命通常为 10-15 年
  • Stability 健壮性
    • 卫星稳定很重要
      • 确保太阳能电池板正确对齐
      • 确保通信天线正确对齐
    • 早期卫星使用自旋稳定
      • 这要么需要一个低效的全向天线
      • 或者天线精确地反向旋转以提供稳定的通信
    • 现代卫星使用反作用轮稳定——一种陀螺稳定的形式
  • Power 能源
    • 现代卫星使用多种动力方式
    • 太阳能电池板现在效率很高，所以太阳能被用来发电
    • 有时需要电池，因为有时卫星在地球后面——这发生在 LEO 卫星的一半左右
    • 核电已被使用
  • Communications 交流
    • 卫星也可以与其他卫星通信
    • 通信可以通过微波或光学激光
  • Harsh environment 恶劣的环境
    • 卫星组件需要特别“硬化”
    • 在地面上工作的电路在太空中会很快失效
    • 温度也是一个问题——所以卫星使用电加热器来保持电路和其他重要部件的温度——它们还需要小心地控制温度
  • 有许多组件需要对齐
    • 太阳能板
    • 触角
    • 这些必须在不同的时间指向天空的不同部分，所以问题并不简单
LEO
  • 低地球轨道卫星 - 比如说 100 - 1500 英里
  • LEO 的信噪比应该更好
  • 更短的延迟 - 通常在 1 - 10 ms 之间
  • 由于 LEO 相对于地球移动，因此它们需要跟踪

轨道 Orbit

  • 圆形轨道是最简单的
  • 倾斜轨道可用于覆盖赤道地区
  • 椭圆轨道可用于提供从地球看的准静止行为

通信卫星与其他传输媒体相比具有许多优势。 通信卫星有GEO、MEO和LEO三种类型，分别部署不同的目标。 不同的频段被划分并用于各种场合。