第4章41 数字通信入门

第4章41 数字通信入门 第第4章计算机网络与互联网4.1数字通信入门4.2计算机网络基础4.3互联网的组成4.4互联网提供的服务4.5网络信息安全24.1数字通信入门4.1数字通信入门4.1.1通信的基本原理?通信系统模型?有线通信与无线通信?调制解调技术?多路复用技术4.1.2交换技术34.1数字通信入门4.1.1数字通信的基本原理 (1)通信的基本模型44.1数字通信入门什么是通信(munication)？?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（telemunication），如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ、微信等?通信的要求远距离、高速度、低成本、安全、可靠、方便便?通信的发展历史电报报电话话无线广播黑白电视彩色电视计算机网络1836187620世纪初191819381940s1960s1990s越洋无线电报互联网54.1数字通信入门通信系统的模型?通信的三要素信信道信源(宿)信宿(源)信号号信号号?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并打包后的数字信号号信道构成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64.1数字通信入门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?模拟信号式形式: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001101000174.1数字通信入门 (2)有线通信与无线通信?需使用物理介质进行信号传输的是有线通信，例如?金属导体（双绞线、同轴电缆），传输电流信号?光导纤维（简称光纤），传输光信号?在自由空间进行信号传输的是无线通信，传输的是电磁波信号84.1数字通信入门传输介质的类型与特点介质类型特点应用有线通信信双绞线成本低，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、有线电视接入光缆传输损耗小，通讯距离长，容量大，屏蔽特性好，不易被窃听，重量轻，便于铺设。 缺点是强度稍差，精确连接两根光纤比较困难电话、电视等通信系统的远程干线，计算机网络的干线无线通信信自由空间使用微波、红外线、激光等，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94.1数字通信入门双绞线和同轴电缆?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（50）?以前在以太网中使用?宽带同轴电缆（75）?有线电视网使用信号线地线套管无屏蔽双绞线104.1数字通信入门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(包含多根光纤)光纤保护层保护层114.1数字通信入门光纤通信原理光波?优点?通信容量大一束光每秒能传输2.5G或10Gb信息！?传输距离远无中继距离超过几十公里?保密性强，信息不易泄露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数字信号（电信号）驱动一个光源（半导体激光器或发光二极管），发出光信号光信号经放大后由光检测器（半导体光电管）进行检测、解调，再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，为补偿光纤线路的损耗，每隔一定距离要接入中继器0/1信号对光波进行调制光纤通信利用光波携带信息在光纤中传输，达到通信目的124.1数字通信入门无线通信无线通信利用电磁波携带信息在自由空间中传播，进行通信电磁波的种类与频率范围无线电波:10441011(Hz)中波0.33(MHz)短波330(MHz)超短波30300(MHz)微波0.3300(GHz)红外线10111014(Hz)可见光1014(Hz)紫外线10141016(Hz)无线广播电视通信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手机无线LAN手机900MHz，1.8GHZ，2.12.2GHz;无线LAN2.4GHz，5.8GHz134.1数字通信入门微波通信?微波300MHz300GHz范围内的电磁波，波长为1m1mm?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144.1数字通信入门卫星通信?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154.1数字通信入门选讲卫星通信的重要应用导航定位?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?民用大约十米?军用可高得多164.1数字通信入门选讲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174.1数字通信入门北斗卫星导航定位系统?全球四大卫星定位系统美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略、中国北斗系统（BDS）?北斗卫星导航系统已发射了17颗卫星（xx年），可以全天候提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并具有与导航相结合的短信功能?xx年开始向亚太大部分地区正式提供服务，2020年年左右将形成全球覆盖能力?两种服务方式:?开放服务定位、测速、授时服务，定位精度为10米，测速精度0.2米/秒，授时精度50ns?授权服务向授权用户提供更安全与更高精度的定位、测速、授时、通信服务以及系统完好性信息184.1数字通信入门A-GPS（Assisted GPS）?通过移动通信基站及后台的位置服务器可以快速地帮助终端设备定位，以提高高GPS卫星定位系统的性能。 移动通信基站卫星位置服务器194.1数字通信入门个人移动通信?移动对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等基站移动台（手机）移动电话交换中心公用电话网204.1数字通信入门移动通信原理?每每10km20km的区域称为单元（形似蜂窝），每个单元中心高处建有一个基站，所有单元既相互分割，又彼此交叠，形成整个移动通信服务网?位于某单元内的所有手机都向该基站发送信号，并接收基站发给它的信号移动交换中心电话交换中心?所有基站都通过微波或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，同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率与基站进行通信，相互不影响响214.1数字通信入门第二代移动通信（2G）?使用频段900MHz/1800MHz，传输的是数字化的语音/文字信号?我国使用的2种标准（制式）?GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通、全数字系统)?中国移动、中国联通经营的GSM网已基本覆盖县级市?移动的接入号段有134 139、150 152、 158、159?联通的接入号段有130- 132、155-156?CDMA(码分多址接入，Code DivisionMultiple Aess)?抗干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小，?中国电信,接入号为 133、153?不足（ （1）数据传输速率过低（9.6kb/s或57kb/s），仅适合传输语音和文字（ （2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求224.1数字通信入门第三代移动通信系统（3G）?使用的频段1885MHz2025MHz，2110MHz2200MHz?传输速率室内13Mb/s，步行384kb/s，快速移动114kb/s?我国采用的3种技术标准中国移动TD-SCDMA(G3),自主知识产权（ 157、 187、 188、147）中国电信CDMA2000(天翼),（ 180、189）中国联通W-CDMA(沃-WO)（ 185、186）?3G的优点（ （1）提供较高质量的语音通信、数据通信和高分辨率图像通信（ （2）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务?不足按流量收费费用较高234.1数字通信入门第四代移动通信系统（4G）?中国移动采用的TD-LTE是TDD-LTE的一个分支，由阿尔卡特-朗讯、诺基亚西门子通信、大唐电信、华为技术、中兴通讯、中国移动、高通等共同开发?中国电信和联通采用FDD-LTE制式?国际上4G有两种制式TDD-LTE和FDD-LTE?传输速率（下行峰值）100Mbps(TDD-LTE)，150Mbps(FDD-LTE)244.1数字通信入门 (3)调制解调技术254.1数字通信入门数字通信采用的技术?数字调制/解调技术（调幅；调频；调相）?解决信号传得远的问题?多路复用技术（时分多路；频分多路；波分多路）?提高传输线路使用效率、降低传输成本?交换技术（电路交换；分组交换）?动态分配信道资源，提高传输效率和质量?数字编码和数据压缩技术（见第5章）264.1数字通信入门数字信号如何传输？?近距离传输直接(基带)传输?例如USB移动硬盘主机；以太网数据传输?远距离传输载波传输?例如数字有线电视；手机；ADSL上网?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，把数字信号放在(调制在在)载波上传输，则可比直接传输的距离远得多274.1数字通信入门数字信号的三种调制方法(ASK)幅移键控(FSK)频移键控00110100010基带信号(两个状态)(PSK)相移键控载波信号(高频正弦波)调制后的载波信号基带信号解调器载波信号调制后的载波信号基带信号调制器载波信号实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”284.1数字通信入门信信道信源(宿)信宿(源)调制后的载波信号接收到的载波信号调制(解调)器(调制)解调器载波载波小结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294.1数字通信入门例ADSL宽带上网调制解调器把计算机送出的数字信号,采用数字调制的方法,调制成为适合于在用户电话线上传输的载波信号载波信号在电话网中经过交换机传输至目的地目的地计算机通过解调器从载波信号中恢复出数字信号传送给计算机ADSL MODEMADSL MODEM304.1数字通信入门 (4)多路复用技术314.1数字通信入门怎样降低传输成本？?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）324.1数字通信入门DEMUX MUX共享的传输信道载波频率f1调制调制载波频率f n载波频率f1解调解调载波频率f nf频分多路复用(Frequency DivisionMultiplexing,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，然后在同一器传输线路上进行传输。 抵达接收端之后，借助分路器(DEMUX)把把备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334.1数字通信入门频分多路复用举例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)344.1数字通信入门频分多路复用举例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)1187.7555123.2599230.252295.7566206.2510238.2533103.7577214.2511246.2544115.2588222.2512254.25多路复用器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器(分路器)354.1数字通信入门时分多路复用(Time DivisionMultiplexing,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H FG ED CB A传输线路时间片G C终端1终端2终端3终端4H DF BE A多路复用器43214321数据t Multiplexer多路分路器终端甲终端乙终端丙终端丁E AF BG CH DDemultiplexer?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364.1数字通信入门发送方数据时间异步时分多路复用?数据发送方和接收方也可以异步地进行信息传输。 即发送方有数据且信道有空闲时就发送，没有数据时即使轮到它，也不占用信道。 这样可以大大提高信道的利用率?实现方法在被传输数据中必须附加上接收方的“地址”374.1数字通信入门波分多路复用?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384.1数字通信入门小结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394.1数字通信入门4.1.2分组交换原理404.1数字通信入门通信系统中“交换”的含义?“交换”(switching)的含义就是转接把一条链路转接到另一条链路，使它们连通起来?从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路?常用的两大类交换方式?电路交换?分组交换交换机414.1数字通信入门什么是电路交换？?电路交换的过程?建立连接?通信?释放连接?应用电话通信(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线B DC A?分析?通话全过程中用户始终占用端到端的传输信道?由于计算机数据传输具有突发性，不适合计算机数据通信424.1数字通信入门什么是分组交换(Packet Switching)?分组交换的要点?被传输的数据必须划分为若干“分组”(packet,简称“包”)进行传输?每个分组中必须包含收、发双方的地址?每个分组的格式如下有效载荷(传输的数据)校验信息发送计算机地址目的计算机地址编号编号?分组交换示意321（c）132（b）不同的包在不同链路上进行传输123321（d）到接收方后，再将收到的包按顺序组合在一起321321（a）发送方将数据分成3个包表示分组交换机434.1数字通信入门分组交换与存储转发的过程高速数字通信线路计算机A BC DE FG H1234123412341234端口目的地端口3E,F,G C,D HA,B33目的地端口33E,F,G C,D HA,B4目的地端口2E,F,G C,D HA,B43目的地端口11E,F,G C,D HA,B4分组交换机1分组交换机2分组交换机3分组交换机4计算机G收到所有数据包后，将包组装为一个文件交换机每收到一个包，就根据包的目的地地址,选择一个输出端口若目的地计算机就在交换机上，则交换机直接将包发给该计算机A将文件拆分成若干个包,将包逐个地发给交换机例计算机A的文件计算机G444.1数字通信入门分组交换机中的存储转发过程H1A分组交换网B DE CH5H6H4H2H3H1向H5发送分组交换机主机在交换机E暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机H5在交换机C暂存查找转发表找到转发的端口在交换机A暂存查找转发表找到转发的端口454.1数字通信入门分组交换网中传输路径的变化H1A分组交换网B DE CH5H6H4H2H3H1向H5发送分组H2向H6发送分组注意分组路径的变化！交换机主机464.1数字通信入门选讲实现分组交换的关键设备分组交换机?分组交换机的任务是负责包（分组）的转发?分组交换机的工作方式是存储转发+路由选择?分组交换机的工作过程1.从输入端口收到一个包后，放入缓冲区2.检查数据包的目的地址，查转发表，决定该送哪个输出端口进行转发3.把包从输入缓冲器中取出，送到相应输出端口的缓冲区中排队4.输出端口每发送完一个包，就从自己的缓冲区中提取下一个包进行发送输入分组输出分组路由表及路由选择协议33输入端口1122交换结构转发表分组处理输出端口11332247