通信基本原理A-20070622

1、l通信系统的组成l通信系统的分类和通信方式l信道l通信的主要技术指标l调制和解调技术l复用技术l多址技术l交换技术通信：利用电压、电流或电磁波参数通信：利用电压、电流或电磁波参数(如振幅、如振幅、频率或相位频率或相位)的变化来传递信息。的变化来传递信息。广义的通信：两个单元的信息交换。广义的通信：两个单元的信息交换。数据通信：简单的说是以电子计算机为中心，实数据通信：简单的说是以电子计算机为中心，实现数字计算机或数字终端之间的通信。现数字计算机或数字终端之间的通信。(1)信息（Information）是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。 (2)数据（Dat

2、a）一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。狭义的“数据”通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系统中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。 (3)信号（Signal）简单地讲就是携带信息的传输介质。在通信系统中我们常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质。 雪六角形凉白色信息数据信号l信息：人对雪花和马的认识l数据：文字，二进制数，十进制数l信号：光，电，磁场强度信息源发送设备信道接收设备收信者噪声

3、源（发送端）（接收端）噪声两种不同类型的量：A. 时间、温度、电波、声音B. 字符，二进制数，电脉冲信号中没有断开或不连续的的地方；信号仅取一些有限数目的值；模拟信号：连续性；波动性；数字信号：离散性； 跃变性； 1 011100（A）模拟信号 （B）数字信号 l1844年，莫尔斯（Morse）发明电报（数字通信）l1876年，贝尔（Bell）发明电话（模拟通信）电话模拟数据模拟信号（a）模拟数据在模拟信道上传输调制/解调器数字数据模拟信号（b）数字数据在模拟信道上传输编码解码器（c）模拟数据在数字信道上传输模拟数据数字信号数据传输：l模拟通信系统模型 模拟信息源 调制器信道 解调器收信者噪声

4、源l数字通信抗干扰能力强l数字通讯差错可以控制l便于使用现代DSP技术对数字信息进行处理l便于进行高保密性的加密处理l可以综合传递各种信息l缺点：占用的信道频带宽 l可以进行差错控制（抗干扰编码）l可以进行加密l需要进行同步（位同步/码元同步，字符同步，帧同步）信息源信源编码器信道编码器调制器信道信道译码器信源译码器受信者解调器噪声源同步同步l信息源：产生和发出消息的人或机器l受信者：接收消息的人或机器l信源编码器：将信息源送出的模拟信号或数字信号转换为合乎要求的数码序列l信道编码器：给数码序列按一定规则加入监督码l调制器：将信道编码器输出的码元转换为适于信道上传送的调制信号后再送往信道l解调

5、器：将收到的调制信号转换为码元序列l信道：传送信号的媒质l信道译码器：对收到的数码序列进行检错或纠错译码l信源译码器：把信道译码器处理后的数字序列转换为相应的信号送给受信者l同步系统：保证收发两端步调一致，协调工作。 信息源基带信号形成器信道接收滤波器受信者噪声源数据编码技术研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换）数字数据的数字传输（基带传输）基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带。基带传输：在传输时直接使用基带信号。 基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。 适用范围：低速和高速的各种情况。 限制：因基带信号所带的频率成分

6、很宽，所以对传输线有一定的要求。常用的几种编码方式：1）不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，例如用低电平表示“0”，高电平表示“1”。缺点： a难以分辨一位的结束和另一位的开始； b发送方和接收方必须有时钟同步； c若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。结论：容易产生传播错误。 2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码 原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。 优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。3）差分曼彻斯特

7、码（Differential Manchester） 原理：每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”，表示数据。每一位中间都有一个跳变，表示时钟。 优点：时钟、数据分离，便于提取。4）逢“1”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。5）逢“0”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。 001101NRZ曼彻斯特差分曼彻斯特逢“1”变化NRZ逢“0”变化NRZl按信息的物理特征分类l按调制方式分类l按信号特征分类l按传输媒介分类l按信号复用方式分类l（见课本14页）按消息传送的方向与时间关系：l1、单工通信：消息只能按一个方

8、向传送。l2、半双工通信：消息可以双向传输，但不能同时进行，只能交替进行。l3、全双工通信：通信双方可同时进行双向传送消息。按照数字信号码元排列方法的不同：按照数字信号码元排列方法的不同：l串行通信：数据各位是按照时间顺序一位一位串行通信：数据各位是按照时间顺序一位一位依次传送的依次传送的l并行通信：数据各位是同时传送的并行通信：数据各位是同时传送的信道是信号的传输媒质。信道是信号的传输媒质。电信系统是利用电磁波来传递电信号的。电信系统是利用电磁波来传递电信号的。电磁波的传播有两种方式：电磁波的传播有两种方式：l一种是沿导体传播，传播效率较高；一种是沿导体传播，传播效率较高；l另一种是在自由空

9、间传播，效率较低。另一种是在自由空间传播，效率较低。信道可分为有线信道和无线信道两类。信道可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括：架空明线、对称电缆、同有线信道包括：架空明线、对称电缆、同轴电缆、光缆等轴电缆、光缆等除了传输媒体除了传输媒体(导线导线)外外，每隔一定的距离，每隔一定的距离，还要设置中继器或增音器等放大设备。还要设置中继器或增音器等放大设备。 为使传播距离更远，一般频率较高，需要发射机、接收为使传播距离更远，一般频率较高，需要发射机、接收机、天线组成无线信道。机、天线组成无线信道。根据波长分类：长波、中波、短波、微波。根据波长分类：长波、中波、短波、微波。长波用于特种通信，如

10、海上通信长波用于特种通信，如海上通信中短波用于广播、电视等中短波用于广播、电视等短波频率短波频率3MHz30MHz，可在电离层反射，但受自可在电离层反射，但受自然影响较大然影响较大微波频率微波频率300MHz， 用于卫星通信、微波中继系统用于卫星通信、微波中继系统传播方式有：地波传播、电离层反射、对流层散射等。传播方式有：地波传播、电离层反射、对流层散射等。l通常，信道可有两种理解：通常，信道可有两种理解：l一种是指信号的传输媒质，如架空明线、同轴电一种是指信号的传输媒质，如架空明线、同轴电缆、超短波及微波视距传输（包括人造卫星中断）缆、超短波及微波视距传输（包括人造卫星中断）路径、短波电离层

11、反射路径、超短波及微波对流路径、短波电离层反射路径、超短波及微波对流层散射路径以及光导纤维等，此类型信道为狭义层散射路径以及光导纤维等，此类型信道为狭义信道。信道。l另一种是将传输媒介和各种信号形式的转换、耦另一种是将传输媒介和各种信号形式的转换、耦合等设备都归纳在一起（如发送设备、接收设备、合等设备都归纳在一起（如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等），称这种扩大馈线与天线、调制器、解调器等），称这种扩大范围的信道为广义信道。两种信道的区别和联系范围的信道为广义信道。两种信道的区别和联系如下图所示。如下图所示。 信息源编码器调制器发转换器媒质解调器译码器受信者收转换器狭义信道调制

12、信道编码信道l1按传输媒介分：按传输媒介分：l（1）有线信道。（）有线信道。（2）无线信道。）无线信道。l2按信息传递方向与时间关系分：按信息传递方向与时间关系分：l（1）单工信道。（）单工信道。（2）半双工信道。（）半双工信道。（3）全双工信道。全双工信道。l3按信号的类型来分：按信号的类型来分：l（1）模拟信道。（）模拟信道。（2）数字信道。）数字信道。l明线l双绞线 l同轴电缆l光纤 l无线电短波通信 l地面微波接力通信 l卫星通信 lVSAT卫星通信 l红外线和激光 l架空明线：平行而相互绝缘的架空裸线l特点：敷设简单,成本低，传输损耗比电缆低。但是容易受气候和大气的影响，对外界噪声干

13、扰比较敏感。l适合：低速和近距离传送(a) Category 3 UTP.(b) Category 5 UTP.非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）屏蔽双绞线传输损耗比明线大，但传输特性稳定l下表是非屏蔽双绞线（UTP）电缆的常见类型。l10BaseT局域网中主要使用3类和5类线，它们的有效传输距离一般在100m左右。l10/100 M 双绞线 Ethernet 接口l典型的同轴电缆（Coaxial Cable）由一根内导体铜质芯线外加绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成，其结构如图2-11所示。 l下表是网络工程施工中常常用到的一些IE

14、EE802.3 10BaseT系列网络电缆。l电话线路的频率范围：0.33.4kHz，l其中，载波电话： 0.32.5kHz，l 远动信号： 2.73.4kHz （2850/3150Hz）l传送过程：远动数字脉冲信号调制成2.73.4kHz的信号，送入载波机与电话信号合成0.33.4kHz的音频信号，然后经两次调制，搬移到40500kHz，放大，经结合设备隔离高压，将信号送到高压输电线。l缺点：气候的变化对载波信号的衰耗有影响，输电线路噪音大，误码率较高。 l光纤通信：以光导纤维作为信道传送光信号进行通信。l优点：传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰、线径细、质量轻、抗化学腐蚀l传输模

15、式：波(直射波、回波、反射波)在纤芯中互相重叠、互相干涉，在其截面上形成各种各样地电磁场发布形式，即光纤的模式。单模光纤与多模光纤。l光纤结构：纤芯(直径几十微米，石英玻璃SiO2)、包层(100200m)、涂覆层、塑料护套。l光缆的结构大致可分为缆芯（Cable Core）和保护层（Sheath）两大部分，下图为四芯光缆剖面的示意图。Optical fiber and connectors; the small black covers protect the end of the connector when the connector is not in use. l由光发射机、光纤线路

16、、光接收机三个基本部分构成。光发射机和接收机合称为光端机。l脉冲数字编码复用设备：将各路信号综合转换为电脉冲信号。l发送光端机：将电信号变换为光信号的光发射机。l采用时间分割制的脉冲数字编码强度调制，即用信号调制光源的强度，使之随信号电流而变化。l其中光源为LD(半导体激光器)时，发出的为激光，响应速度快，适用于高速宽带。LCD(半导体发光二极管)发出的是荧光，光谱线宽大，响应速度慢，价格便宜。l光接收端机：将光信号转化为电信号的光接收机。光检测器(光电二极管PIN，雪崩光电二极管APD，PIN-FET集成组件)，将光信号检波成电脉冲，然后放大、判决等适当处理后，恢复为相应的电信号。l雪崩光电

17、二极管APD采用直接检波方式，光信号直接在接收机中被检测转换为电信号。l短波：短波：3MHz30MHzl在一些电缆光纤难于通过或施工困难的场合，例如，高山、湖泊或岛屿等，即使在城市中挖开马路敷设电缆有时也很不划算，特别是通信距离很远，对通信安全性要求不高，敷设电缆或光纤既昂贵又费时，若利用无线电波等无线传输介质在自由空间传播，就会有较大的机动灵活性，可以轻松实现多种通信，抗自然灾害能力和可靠性也较高。l微波：微波：300300MHzMHzl无线电数字微波通信系统在长途大容量的数据通信中占有及其重要的地位，其频率范围为300MHz300GHz。微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。

18、 l微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇宙空间，它不像短波那样经电离层反射传播到地面上其他很远的地方，由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制且与天线的高度有关，一般只有50km左右，长途通信时必须建立多个中继站，中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站，类似于“接力”，如果中继站采用100m高的天线塔，则接力距离可增大到100 km。 l卫星通信就是利用位于高空的人造地球同步卫星作为太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。l卫星通信可以克服地面微波通信的距离限制，其最大特点就是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。 l卫星通信的优点是:卫星通信的频带比微波接力通信更宽，通信容量更大，信号所受到的干扰也较小，误码率也较小，通信比较稳定可靠。 l卫星通信的缺点是：传播时延较长。 l红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间