第1章1.3 通信技术入门.ppt

1 3通信技术入门 1 3 1通信的基本原理1 3 2模拟通信与数字通信1 3 3光纤通信和无线通信1 3 4移动通信 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 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 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 从发生到接收的延迟时间要短可靠 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 通信系统的模型 通信的三要素 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 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 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 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 模拟信号如何进行载波传输 三种调制方法 实现信号调制与解调的设备分别称为 调制器 和 解调器 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 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 远距离传输方法 通过载波来传输数字信号 频带传输 数字信号的三种调制方法 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 怎样降低传输成本 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降低成本采用的技术 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 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 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 频分多路复用举例1 广播电台节目的发送与接收 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 频分多路复用举例2 电视节目的发送与接收 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 应用 主要使用在数字通信领域 如电话中继通信 GSM手机 总线式以太网等 同步和异步时分多路复用 异步TDM的条件 发送信息中必须包含接收设备的地址 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 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 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 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 模拟通信技术应用举例 1 传统的有线载波电话 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 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 56Kbps 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 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 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 数字通信技术应用举例 1 当今长途电话系统的中继通信 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 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 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 小结 数字通信系统的模型 为了进行可靠的传输 为了高效率地进行远程传输 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 高 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 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 传输介质的类型与特点 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 同轴电缆分类基带同轴电缆 50 传输数字信号宽带同轴电缆 75 传输模拟信号 光纤与光缆 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 光波 光缆 光纤通信原理 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 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 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 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 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 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 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 卫星通信的重要应用 GPS 例 美国研制GPS系统24颗卫星在1 2万公里高空以12小时的周期绕地球运行地面任意点在任何时刻都可同时观测到4颗以上卫星原理 由于卫星的位置是精确可知的 通过地面接收机可测得与卫星的距离 利用三维坐标中的距离计算公式 就可以推导出接收机的地理位置 经度 纬度和高程 定位精度 民用大约几十米军用可高得多 GPS卫星接收机 根据用途有 导航型 测地型 授时型等产品形式 独立的GPS导航仪 也可集成在电脑 手机 MP3 MP4 播放器 甚至手表中 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 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 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 不相邻单元的频率允许重用 第二代移动通信系统 传输的是数字化的语音 文字信号使用频段 900MHz 1800MHz我国使用的2种标准 GSM 欧洲移动通信系统 也称全球通 全数字系统 中国电信的GSM网已基本实现县以上城市的覆盖 接入号有139 135 130采用频分多路复用技术 分为124个上下行信道 和时分多路复用 每个信道8个连接 每个蜂窝理论上支持992个连接 实际上可有200多个CDMA 码分多址接入 CodeDivisionMultipleAccess 所有手机都占用相同带宽和频率 在整个频段上进行信号传输 但它们分别采用不同的编码原理加以区分 即CDMA给每一手机分配一个唯一的码序列 扩频码 并用它对承载信息的信号进行编码抗干扰能力强 系统容量大 接通率高 噪声小 第三代数字移动通信系统 第2代移动通信的不足 1 数据传输速率过低 9 6kb s或57kb s 2 容量有限 不能满足发达地区手机用户高度密集的要求 3 不能实现覆盖全球的无缝连接第3代移动通信技术 简称3G 的目标 1 全球漫游 2 适应多种环境 地面移动通信与卫星移动通信相结合 3 提供高质量的话音通信 数据通信和高分辨率图像通信 4 提供足够的系统容量 具有高保密性和优质的服务技术 频谱 1885MHz 2025MHz 2110MHz 2200MHz传输速率 室内 2Mb s 步行 384kb s 快速移动 114kb s标准 WCDMA C