通信技术入门

通信技术入门第一页，共四十七页，编辑于2023年，星期二1.3.1通信的基本原理（1）通信系统的基本模型（2）调制与解调（3）多路复用技术第二页，共四十七页，编辑于2023年，星期二什么是通信(communication)？广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交流现代通信——使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ等通信的发展历史：1836年，英国建成第一条电报线路(Morse电报)1876年，美国人A.G.Bell研制成可供实用的电话20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信1918年出现收音机和无线电广播1938年第一个电视台开始播出1940’s出现彩色电视1960’s出现计算机网络第三页，共四十七页，编辑于2023年，星期二对通信系统的一般要求远距离：传输距离要远低成本：传输成本要低高速度：从发生到接收延迟时间要短可靠：传输的信息不能有错误方便：任何时间和地点都能通信安全：传输的信息要保密，不能泄漏第四页，共四十七页，编辑于2023年，星期二通信系统的模型通信的三要素：信道信源(宿)信宿(源)信号信号举例:信道的任务是迅速、可靠而准确地将信号从信源传输到信宿被传输的信息都必须以某种电(或光)信号的形式才能进行传输发送信息的设备接收信息的设备有线电话移动电话计算机通信信源/信宿电话座机手机计算机信号话音经电话机转换成为变化的电流信号话音经电话机转换成为压缩编码后的数字信号编码、打包后的数字信号信道电话线和中继器等传输设备无线电波、基站等双绞线、集线器、路由器、光纤等第五页，共四十七页，编辑于2023年，星期二模拟信号与数字信号通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号)才能进行传输t数字信号信号强度模拟信号信号强度t电信号(或光信号)有两种形式：模拟信号形式:通过连续变化的物理量（如信号的幅度）来表示信息，例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号；数字信号形式:使用有限个状态(一般是2个状态)来表示（编码）信息，例如电报机、传真机和计算机发出的信号都是数字信号第六页，共四十七页，编辑于2023年，星期二模拟信号如何传输？近距离传输：直接传输(如：MP3播放器－>耳机；计算机输出信号－>投影仪)远距离传输：通过载波来传输模拟信号(如：广播电台－>收音机)什么是载波？研究发现，高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信号传送得更远。因此若把高频振荡的正弦波信号作为携带信息的载波，把模拟信号放在(调制在)载波上传输，则可比直接传输远得多第七页，共四十七页，编辑于2023年，星期二模拟信号如何进行载波传输？

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三种调制方法调制后的载波信号传输信号调制器载波信号调制后的载波信号传输信号解调器载波信号调制信号(连续信号)调幅(AM)调频(FM)调相(PM)载波信号(高频正弦波)实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”：第八页，共四十七页，编辑于2023年，星期二数字信号如何传输？近距离传输方法——基带传输近距离传输时：不加处理直接进行（如：USB连接）较长距离传输：需作码型转换（如：以太网中传输数字信号）二进位信号的不归零制(NRZ)编码001101双绞线计算机计算机NRZ码曼彻斯特编码码型变换器码型变换器曼彻斯特编码NRZ码（网卡）（网卡）含有直流成分，不便于同步，不适合直接传输平均直流电平为0，电平的变化可作为同步信号二进位信号的曼彻斯特编码电平从低到高表示0,从高到低表示1

远距离传输方法——通过载波来传输数字信号(频带传输)第九页，共四十七页，编辑于2023年，星期二数字信号的三种调制方法(ASK)幅移键控(FSK)频移键控00110100010

调制信号

(两个状态)(PSK)相移键控载波信号(高频正弦波)数字调制、解调器：调制后的载波信号传输信号解调器载波信号调制后的载波信号传输信号调制器载波信号第十页，共四十七页，编辑于2023年，星期二小结1:远距离通信必须使用MODEM

通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调器，它们通常做在一起，称为调制解调器(MODEM)信道信源(宿)信宿(源)调制后的载波

信号调制后的载波

信号调制(解调)器(调制)解调器载波载波信源信号通过调制器调整载波的某个参数(幅度、频率或相位)到达目的地后，使用解调器把载波所携带的信号检测出来，恢复为原始信号的形式经过调制后的载波信号，携带着被传输的信号在信道中进行长距离传输第十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期二怎样实现低成本传输？分析：通信系统中，传输线路的建设和维护成本占整个系统成本的相当大的份额一条传输线路（铜线、光纤、无线电波）的容量通常远超过传输1路用户信号所需的能力采用的技术——多路复用技术(Multiplexing)多路信号使用同一条传输线同时进行传输方法：频分多路复用（FDM）时分多路复用（TDM）波分多路复用（WDM）第十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期二频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)

思想：将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上，通过频分多路复用器(MUX)将它们复合成为一个信号，然后在同一传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器(DEMUX)把不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备工作原理：DEMUXMUX

共享的传输信道载波频率f1调制调制载波频率fn载波频率f1解调解调载波频率fnf将不同频率的载波信号合成在一起使用一组滤波器分解出不同频率的载波信号第十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期二频分多路复用举例1广播电台节目的发送与接收频分多路复用分路器(带通滤波器)信号发射信号接收常见广播电台使用的载波频率中波900KHz(南京经济台)■

中波1008KHz(南京新闻台)短波15.28MHz(英国BBC)■

短波15.29MHz(VOA美国之音)调频104.3MHz(南京体育台)■

调频105.8MHz(南京音乐台)第十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期二频分多路复用举例2电视节目的发送与接收频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)187.755123.259230.25295.75

6206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路复用器解调器在天空中传输的电磁波器电视信号发射器电视信号接收器电视节目调制器载波1电视图像及其伴音调制器载波2电视图像及其伴音调制器载波n电视图像及其伴音电视调谐器(分路器)第十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期二时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)

思想：各通信终端（计算机、电话）以规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行数据传输工作原理：HFGEDCBA传输线路时间片GC终端1终端2终端3终端4HDFBEA多路复用器43214321数据tMultiplexer多路分路器终端甲终端乙终端丙终端丁EAFBGCHDDemultiplexer第十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期二同步和异步时分多路复用ABCD待发数据t1t2t3A1B1C2B2周期1周期2异步TDM节省带宽A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM

浪费

异步TDM的条件：发送信息中必须包含接收设备的地址！第十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期二小结2:多路复用可以降低通信成本通信系统的原理示意图复用（分路）信道信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器复用（分路）信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器······多路复用技术使得成千上万路通信可以在同一条传输线上同时进行，大大节省了通信成本频分多路、时分多路和波分多路等技术可以同时使用，以提高复用效率第十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期二1.3.2模拟通信与数字通信（1）模拟通信（2）数字通信（3）数字通信系统第十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期二模拟通信信源产生的模拟信号直接进行传输或者通过对载波调制后进行传输的通信技术称为模拟通信技术

应用：(传统的)有线载波电话无线电广播电视（卫星电视、数字有线电视除外）优点：历史长，技术成熟，结构简单，成本低缺点：在信号的调制和传输过程中易受噪声干扰，传输质量不够稳定趋势：已经越来越多地被数字通信所取代第二十页，共四十七页，编辑于2023年，星期二模拟通信技术应用举例（1）传统的有线载波电话使用对称电缆或同轴电缆，前者每一对线可传输60路电话，后者可提供成千上万个话路多路复用(分路)器

传输线路

(中继线和长途线)MODEM载波1MODEM载波2MODEM载波n多路复用(分路)器MODEM载波1MODEM载波2MODEM载波n本地交换机长途交换机本地交换机中继线用户线中继线长途线长途交换机用户线电子开关2x2交换机原理第二十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期二模拟通信技术应用举例（2）电话拨号上网:利用模拟传输技术传输数字信号第二十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期二模拟通信技术应用举例（2）家庭计算机用户通过电话拨号接入计算机网络调制解调器把计算机送出的数字信号,采用数字调制(频移键控或相移键控)的方法,调制成为适合于在用户电话线上传输的音频模拟信号因特网服务提供商把接收到的模拟信号，通过解调器恢复成数字信号送给计算机目前电话上网的最高传输速率：56KbpsMODEM本地电话网MODEM计算机网络模拟通信技术计算机数字信号因特网服务提供商(ISP)家庭用户数字信号音频模拟信号在本地电话网中，采用模拟传输技术进行传输第二十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期二什么是数字通信？将信源产生的模拟信号转换为数字信号（或信源直接产生数字信号）之后，直接进行传输或通过用数字信号对载波进行数字调制来传输信息的技术称为数字通信数字通信技术的优点：抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可传输传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高数字电路容易用超大规模集成电路实现，有利于通信设备的小型化、微型化，也降低了功耗第二十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期二数字通信采用的技术数字调制/解调技术调幅；调频；调相多路复用技术时分多路；频分多路；波分多路交换技术电路交换；分组交换模-数和数-模转换技术；数字编码和数据压缩技术第二十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期二数字通信技术应用举例（1）当今长途电话系统的中继通信PCM编码器PCM解码器PCM编码器PCM解码器多路复用器分路器光纤传输线路(中继线和长途线)（本地电话局）（本地电话局）

（用户线）（用户线）数字传输技术模拟传输技术模拟传输技术模拟声音信号在需要进行远距离传输之前，先使用PCM编码器变换为数字信号形式（此过程称为“数字化”）接收方所在地区的交换局使用解码器把数字信号还原成模拟声音信号后，由用户线传输至接听方的电话机数字信号经调制和复用后，通过光纤传输到接收方所在地区的交换局，再经解调和分路处理，恢复为数字信号第二十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期二补充：PCM编码PCM（脉冲编码调制）原理：将模拟信号按时间间隔T取样，再把取样得到的每一个样本用二进制整数表示At0510123456789101112T样本取样周期样本量化值PCM码样本量化值PCM码300112810003101010491001560110640100740100830011930011104010011401001260110PCM编码的结果，就是将模拟信号转换成为一组数字信号第二十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期二数字通信技术应用举例（2）卫星电视数字传输：用数字传输技术传输模拟信号数字传输技术数字调制数字解调编码器解码器在空中传输的电磁波器电视信号发射器电视信号接收器载波载波电视图像及其伴音电视机数字信号经调制和复用后由天线发送至卫星，再由卫星进行转发，被卫星地面接收站所接收电视台的节目在发送到卫星去传输之前，先要把图像和伴音信号进行数字化，还要进行数据压缩地面站对接收到的信号进行解调、解码后恢复为模拟信号，再经由有线电视电缆送到用户电视机上播放第二十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期二小结：数字通信系统的模型发送端接收端信源信道编码调制与复用信道压缩编码解调与分路信宿解密信道解码解压缩加密编码噪声信源编码信源解码为了进行可靠的传输为了高效率地进行远程传输第二十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期二数字通信系统的主要性能指标数据传输速率(简称数据速率,datarate)指实际进行数据传输时单位时间内传送的二进位数目计量单位：“位/秒”(bps)、“千位/秒”(kbps)、“兆位/秒”(Mbps)或“千兆位/秒”(Gbps)等信道带宽(也称为信道容量,bandwidth)一个信道允许的最大数据传输速率信道带宽与采用的传输介质、传输距离、多路复用方法、调制解调方法等密切相关误码率(errorrate)指数据传输中规定时间内出错数据占被传输数据总数的比例端－端延迟(end-enddelay)指数据从信源传送到信宿所花费的时间。第三十页，共四十七页，编辑于2023年，星期二1.3.3光纤通信与无线通信（1）传输介质的类型与特点（2）光纤通信（3）无线通信第三十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期二传输介质的类型与特点介质类型特点应用金属导体双绞线成本低，易受外部高频电磁波干扰，误码率较高；传输距离有限固定电话本地回路、计算机局域网同轴电缆传输特性和屏蔽特性良好，可作为传输干线长距离传输载波信号，但成本较高固定电话中继线路、有线电视接入光导纤维光缆传输损耗小，通讯距离长，容量大，屏蔽特性非常好，不易被窃听，重量轻，便于运输和铺设。缺点是精确连接两根光纤很困难电话、电视等通信系统的远程干线，计算机网络的干线无线电波微波红外线激光建设费用低，抗灾能力强，容量大，无线接入使得通信更加方便.但易被窃听、易受干扰广播，电视，移动通信系统，计算机无线局域网第三十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期二双绞线和同轴电缆原理：利用电流(电压)传输信息双绞线分类3类线(10Mb/s)；5类线(100Mb/s)；6类线(200Mb/s)无屏蔽双绞线(UTP)；屏蔽双绞线(STP)同轴电缆内层导线金属屏蔽外绝缘层绝缘体同轴电缆分类基带同轴电缆（50Ω）传输数字信号宽带同轴电缆（75Ω）传输模拟信号信号线地线套管无屏蔽双绞线第三十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期二光纤与光缆多根光纤保护层防止光泄漏的吸收外壳起保护作用的防护层外绝缘层光线光波在光纤中的传播光导纤维（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去）

纤芯

包层保护层光波光缆光纤保护层第三十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期二光纤通信原理电信号驱动电路光源中继器输出电路电信号发送单元(电/光转换)传输单元接收单元(光/电转换)光调制器光纤光纤放大电路光检测器光纤主要用于传输数字信号，0信号或1信号直接对光进行调制(即控制激光的通或断——幅移键控ASK)光波的频率为1014～1015Hz，目前一束光每秒能携带2.5G或10G的二进位信号，通过波分多路复用（WDM）技术还可达到更大的通信容量在发送端，由需要传输的数字信号（电信号）去驱动一个光源（半导体激光器或发光二极管），并对发出的光信号进行调制在接收端，信号经放大后由光检测器（半导体光电管）进行检测、解调，转换成电信号之后输出调制后的光信号通过光纤进行传输，为了补偿光纤线路的损耗，消除信号失真和噪声干扰，每隔一定的距离要接入中继器第三十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期二波分多路复用(WaveDivisionMultiplexing,WDM)

为提高传输效率，1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波，每种光波各自传输自己所携带的信息，速率可达到40G-100Gbit/s原理：光纤发送端有N个发送单元，它们各自发出不同波长的光波通过复用器（称为合波器）合并起来，进入同一根光纤进行传输接收端用分路器(称为分波器)将不同波长的光分开，分别送到各自的光电检测器恢复出原始信号示意图复合光第三十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期二光纤通信的发展与应用从上世纪80年代起，世界各国开始大规模铺设光纤通信线路，光纤传输网已经成为几乎所有现代通信的基础平台高速光纤数字传输线路采用统一的国际标准，称为同步数字系列(SDH)，又称为同步光纤网(SONET)，它既是电话和有线电视的骨干传输网，又是计算机网络的骨干网

SDH的速率等级：SDH模块（欧/亚）SONET模块（北美）速率（Mbps）话路数目STM-0OC-1;STS-151.840810STM-1OC-3;STS-3155.5202430STM-4OC-12;STS-12622.0809720STM-16OC-48;STS-482488.32038880STM-64OC-192,STS-19210.7Gbit/s155520第三十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期二无线通信原理：模拟信号或数字信号使用电磁波调制后进行传输1041051061071081091010101110121013101410151016Hz双绞线同轴电缆AM广播FM广播和TV卫星地面微波光纤紫外线红外线可见光微波无线电波超短波中波短波电磁波的种类与频率范围

无线电波: 104

～1011(Hz)

中波： 0.3～3(MHz)

短波： 3～30(MHz)

超短波： 30～300(MHz)

微波： 0.3～300(GHz)

红外线： 1011

～1014(Hz)

可见光： 1014(Hz)

紫外线： 1014

～1016(Hz)

无线广播电视、通信通信第三十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期二微波通信微波：300MHz～300GHz范围内的电磁波，波长为1m～1mm特点：直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），需要每隔几十公里设立一个中继站容量大、可靠性高建设费用低抗灾能力强应用：长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视（HDTV）等第三十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期二卫星通信卫星通信:中继站在人造地球卫星上的一种微波通信优点：通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定缺点：造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅180颗通信卫星地面站1地面站2地球卫星卫星卫星地球35800公里赤道上方高度为35800公里的地方为地球同步轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不动。一颗同步轨道卫星覆盖约120°，3颗同步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部面积，进行二十四小时的全天候通信第四十页，共四十七页，编辑于2023年，星期二1.3.4移动通信（1）什么是移动通信（2）移动通信原理（3）第2代和第3代移动通信第四十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期二什么是移动通信？处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等优点：克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息基站移动台（手机）移动电话交换中心公用电话网第四十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期二蜂窝移动通信原理每10km～20km的区域称为单元（形似蜂窝），单元的中央建有一个基站，该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号所有单元既相互分割，又彼此有所交叠，连成整个移动通信服务网所有基站都通过微波或电缆、光缆与移动交换中心通信手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，通话时使用两个频率（一个上行频率，一个下行频率），同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率进行通信，相互不影响每个蜂窝单元中有200多个信道(GSM)。相邻单元不允许使用相同的频率，不相邻