通信原理课程讲稿Keynote版-于谦.pps

通信原理 从历史到未来 于谦 通信的目标 迅速准确传递有效信息 史前 通信 声音声波 人讲话 鸟鸣 动物吼叫超声波 蝙蝠 昆虫 海豚光可见光 手势 旗语 海豚跳跃 鲸鱼喷水红外 响尾蛇紫外 飞蛾扑火辐射热传导 寒气逼人气味化学分子 花香 狐臭 史前 通信的缺点 距离受限范围受限信息失真无指向性内容受限速度缓慢 早期 通信 系统 烽火台飞鸽传输驿站邮政 海 路 空 电 现代通信的开始 电报 最早的电子通信 P13 1835年 莫尔斯 雕塑家 画家 科学爱好者 发明了莫尔斯电码 1901年 马可尼发明无线电发报机电话 跨越声音到电的划时代发明1876年 贝尔 业余发明家 听力障碍辅导老师 1878年 磁石电话和人工电话交换机1880年 馈电式二线制模拟电话发明1885年 步进制交换机1892年 史瑞乔 殡仪馆老板 发明步进式自动电话交换机传真 1930年发明 广播 电视 没有放入通信范畴的通信明星 1935年发明黑白广播电视1969年形成模拟彩色电视标准1972年 发明光纤 从模拟到数字 最终必将是模拟 1972年通过G 711建议书 PCM调制 1980年IDN 综合数字网 形成统一话音数字编码数字传输系统代替模拟传输系统数字复用器代替载波机数字电子交换机代替模拟机电交换机发明分组交换机1982年发明GSM 1988年ETSI成立 1990年GSM冻结标准 通信的发展过程是人类分析问题 解决问题的智慧体现 通信网络发展两条路线图 电话网络 从模拟开始计算机网络 从数字开始 通信问题的分析 距离受限 微波 电线 光纤范围受限 辐射 放大 复制信息失真 保真技术无指向性 地址内容受限 解决一个算一个 文字 声音 图像 视频 速度缓慢 电流 光成本过高 集成电路 大规模制造 目前为止的最佳介质 电 光 微波 速度快距离长 易传导成本较低 铜线 光纤 空气 信息单一 波 从电话开始 声音 声波 人能分辨的 20Hz 20kHz 空气振动传导电 电波 1Hz XXXXHz 金属传导将空气振动转化为电阻变化 电流变化 电波 信号源 声音 电流的产生源 炭粒电阻 电磁线圈动圈式Mic 1 信源 原始信息的来源 作用是把声音 文字等消息转换成电信号 2 发送设备 为了使这些电信号在信道中传输 发送设备需要对信号进行调制 放大和滤波等处理 3 信道 信号的传输介质 有线 无线 传输过程会受到噪声等的干扰 4 接收设备 完成发送设备的反变换 即进行滤波 放大和解调等 并将有用信号和噪声区分开 恢复出原始电信号 5 信宿 将原始电信号转换成原始消息 6 噪声 信道中的噪声及分散在通信系统其它各处噪声的集中表示 电话工作方式 单工双工半双工 频率 赫兹Hz 带宽 bps 频率 每秒钟震荡的次数每秒钟改变的次数带宽 每秒钟可传递的信息量高速摄影机 频率与带宽 串行15Hz010101010101010并行5Hz010101010101010 解决传送问题 调制与解调 调制就是频谱的搬移调制是按基带信号瞬时值的变化规律去改变高频载波一个或多个参数的过程 从频域上说 调制是把基带信号的频谱搬移到载频附近的过程 解调则是调制的反过程 被调制的载波可以分为两类 一类用正弦型信号 称为正弦载波调制 一类用脉冲串 称为脉冲调制 基带信号也可分为两类 一类是模拟信号 即基带信号的取值是连续的 称为模拟调制 另一类是数字信号 即基带信号的取值是离散的 称为数字调制 非屏蔽网线波形衰减 通过1米CAT5电缆后 没有出现失真的NTSC多脉冲群信号 经过150米CAT5电缆传输后的NTSC多脉冲群信号 调制的意义和作用 实现信号特性与信道特性匹配 以有效地进行传递将消息变换为便于传输的形式 提高性能 特别是提高抗干扰性和频谱利用率 有效的利用频带 如通过调制实现频谱搬迁 进行频分复用 模拟调制的常见应用 调幅广播 MW 调频广播 FM 电视频道 FM 调频调幅 ADSL相位调制 QAM调制的基本原理QAM调制实际上是幅度调制和相位调制的组合 相位 幅度状态定义了一个数字或数字的组合 QAM的优点是具有更大的符号率 从而可获得更高的系统效率 通常由符号率确定占用带宽 因此每个符号的比特 基本信息单位 越多 效率就越高 对于给定的系统 所需要的符号数为2n 这里n是每个符号的比特数 对于16QAM n 4 因此有16个符号 每个符号代表4bit 0000 0001 0010等 对于64QAM n 6 因此有64个符号 每个符号代表6bit 000000 000001 000010等 信号衰落 畸变与噪声 衰落路径传播损耗 慢衰落损耗 快衰落损耗阴影效应 多径效应 多普勒效应 远近效应噪声无线电噪声 工业噪声 天电噪声 内部噪声白噪声 高斯噪声 噪声 噪声不是 噪声 理想的无噪声情况是不存在的信噪比信噪比不能无限提高 功率不能无限放大 苏31的雷达可以烧焦200m外的飞鸟 数字化 减少噪声干扰 A D和D A采样 动画片 如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样 当抽样速率达到一定数值时 那么根据它的抽样值就能重建原信号 抽样定理 量化 标准化 均匀量化和非均匀量化 MP3 WAV 编码 信源编码和信道编码 目前用的最普遍的波形编码方法有脉冲编码调制 PCM 和增量调制 M 采用脉码调制的模拟信号的数字传输系统如图4 1所示 首先对模拟信息源发出的模拟信号进行抽样 使其成为一系列离散的抽样值 然后将这些抽样值进行量化并编码 变换成数字信号 二元码 电话线路交换 路由与寻址 电话网的特点电话网的主要业务是话音业务 下面我们先来分析话音业务具有的特点 具体如下 1 速率恒定且单一 用户的话音经过抽样 量化 编码后 都形成了64kb s的速率 网中只有这单一的速率 2 话音对丢失不敏感 也就是说 话音通信中 可以允许一定的丢失存在 因为话音信息的相关性较强 可以通过通信的双方用户来恢复 3 话音对实时性要求较高 话音通信中 双方用户希望像面对面一样进行交流 而不能忍受较大的时延 4 话音具有连续性 通话双方一般是在较短时间内连续地表达自己的通信信息 二级长途电话网网络结构 PSTN PublicSwitchedTelephoneNetwork 传统电话采用电路交换 http 192 197 62 35 staff mcsele TelephoneSwitch html 电话号码寻址 本地网编号6 8位 分局号和话机好 局号2 4位 话机号4位 如64968888代表6496局8888号 特种业务号码和特服号码1XY 110 120等三位10开头的5位 如10000 10086等长途网编号长途前缀0 区号 本地网号码国际电话编号标志号我国为00 英国为010 比利时为91 各国不同 国家号码 ITU规定 北美为1 东亚为8 于是中国为86 日本为81 朝鲜为850 路由表各级交换机均有自己级别的路由表 如C5交换机有下连分机的路由表和上联端口的路由表 通常表中还有冗余路由 电路交换的特点 A 通话前先拨号建立连接 可能只要经过一个交换机 如A到B 可能要经过多个交换机 如C到D 通话过程中 通信双方一直占用所建立的连接 通话结束后 挂机释放连接 B C D 另一条路线图 计算机通信 天生数字系统信号源即数字最初为了解决计算机之间的数据传输问题Xerox IBMEthernet TokenRing R T G R T G T 发送 管脚2 R 接受 管脚3 G 公共端 管脚7 RS 232 Computeratsite1 Computeratsite2 VoiceTelephoneSystem Modem Modem RS 232canbeused RS 232canbeused Computernotholdingtokenpassesbits Destinationpassesandmakesacopy Senderreceivesbitsofframe Senderholdingtokentransmitsbitsofframe CSMA CD协议 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上 当初认为这样的连接方法既简单又可靠 因为总线上没有有源器件 B向D发送数据 C D A E 匹配电阻 用来吸收总线上传播的信号 匹配电阻 不接受 不接受 不接受 接受 B 只有D接受B发送的数据 载波监听多点接入 碰撞检测CSMA CD CSMA CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection 多点接入 表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上 载波监听 是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据 如果有 则暂时不要发送数据 以免发生碰撞 总线上并没有什么 载波 因此 载波监听 就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号 使用集线器的双绞线以太网 集线器 两对双绞线 站点 RJ 45插头 以太网MAC帧 物理层 MAC层 1010101010101010101010101010101011 前同步码 帧开始定界符 7字节 1字节 8字节 插入 IP层 目的地址 源地址 类型 数据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 MAC帧 以太网的MAC帧格式 Switchatsite1 Switchatsite2 Switchatsite3 Switchatsite4 Computersconnectedtonetwork Highspeedconnectionbetweenswitches 寻址 物理地址 虚电路 家34228856 公司64401328 上海 021 北京 010 深圳 0755 公司34546877 公司87446532 应用层运输层网络层数据链路层物理层 应用层运输层网络层数据链路层物理层 H1 H2 虚电路 H1发送给H2的所有分组都沿着同一条虚电路传送 IP 122 1 33 22MAC AABBCCDD IP 122 1 33 20IP 22 1 33 20IP 222 1 33 20IP 223 1 33 20 IP 22 1 33 21IP 44 1 33 21IP 66 1 33 21 ADD 22 1 33 22 30 ADD 66 1 33 22 30 IP 44 1 33 22 30 IP 222 1 33 21IP 44 1 33 20IP 69 1 33 20 IP 223 1 33 21IP 211 1 33 20 ADD 223 1 33 22 30 ADD 211 1 33 22 30 IP 66 1 33 20IP 69 1 33 21IP 211 1 33 21IP 41 1 33 21 IP 41 1 33 20MAC DDCCBBAA ADD 222 1 33 22 30 ADD 69 1 33 22 30 Prefix128 10 Prefix128 211 Prefix10 Prefix192 5 48 128 10 0 1 128 10 1 2 128 211 3 1 128 211 1 1 10 0 0 1 10 1 0 1 192 5 48 7 192 5 48 8 存储转发机制 动态路由协议 RIP RIP2IGRP EIGRPOSPFIS ISBGP 动态路由是网络中的路由器之间相互通信 传递路由信息 利用收到的路由信息更新路由器表的过程 它能实时地适应网络结构的变化 如果路由更新信息表明发生了网络变化 路由选择软件就会重新计算路由 并发出新的路由更新信息 这些信息通过各个网络 引起各路由器重新启动其路由算法 并更新各自的路由表以动态地反映网络拓扑变化 动态路由适用于网络规模大 网络拓扑复杂的网络 当然 各种动态路由协议会不同程度地占用网络带宽和CPU资源 通常所使用的度量有 路径长度 可靠性 时延 带宽 负载 通信成本等 问题 Whysomuchaddress MAC地址IP地址网址邮件地址电话号码 线路不够了 复用与解复用 多路复用目的 在一条链路上传输多路独立信号基本原理 正交划分方法3种多路复用基本方法 频分复用 FDM 时分复用 TDM 码分复用 CDM 3种多路复用新方法 空分复用 SDW 极化复用 PDW 波分复用 WDM 时分复用 TDM 基本原理见下图 准同步数字体系 PDH E体系 我国大陆 欧洲采用 T体系 美国 日本等地采用 同步数字体系 SDH 通常都是将若干路PDH接入STM 1内 即在155 52Mb s处接口 这时 PDH信号的速率都必须低于155 52Mb s 并将速率调整到155 52上 例如 可以将63路E 1 或3路E 3 或1路E 4 接入STM 1中 波分复用 WDM 码分复用 CDM 电话网与计算机网络的融合 当前电信网的概貌 过去PSTN 未来IMS 现在SS 接入层 控制管理层 应用层 Application 接入层 Access ConnectionMgmt App App 传统电话通信系统基于电路方式 IP H 323 SIP SIP IPT E IMS PresenceSOA 控制管理层 应用层 语音通信系统的结构演变 去格式化