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1、信息学科导论CN第3章: 通信科学与技术3.1 有线通信系统3.2 光纤通信技术3.3 交换技术3.4 多媒体通信3.5 无线通信系统3.6 通信电源技术本讲义含书上第3章与第6章的内容3.1 有线通信系统基本概念通信系统的基本概念及通信网的构成形式什么是通信系统？由信源、变换器、信道、反变换器及信宿所构成的信息传输系统叫通信系统。它由哪几部分构成？如下图3.1信道(通信线路)图3.1 通信系统模型 3.1 有线通信系统各部分作用各部分的作用：信 源信息源，产生要传递的信息，如语音、图像、数据、文字等。变换器原始的消息不能以电磁波来传送，所以需要通过变换器将原始的非电消息变换成电信号，并再对这

2、种电信号进一步转换，使其变换成适合某种具体信道传输的电信号。信 道完成由信源到目的地传输任务的传输通路。在有线通信中，其物理信道主要是指通信线路，而通信线路又包括通信电缆，通信光缆等。反变换器将沿信道传输过来的信号还原成信源原来的信息，与变换器所起的作用相反。3.1 有线通信系统各部分作用(续)各部分的作用(续)：中继设备或交换设备前者是指对经过一定长度线路传输后的信号进行放大、恢复的线路中间设备，如中继器、EDFA、FRA等；后者是指通信系统中选择接续用的中间设备(如交换机)，它的主要作用是根据用户要求，完成不同用户之间的逻辑连接。噪声在信息的传递过程中，由于存在各种外界的或内部的因素，产生

3、各种各样的干扰，我们统称为噪声。噪声是必须引起工程人员重视的一个问题，它可存在于通信系统的任何部分并将直接影响通信质量。3.1 有线通信系统通信网基本结构形式通信网的基本结构形式什么是通信网？构成要素有哪些？由通信端点、节（结）点和传输链路相应的有机地连接起来，以实现在两个或更多的规定通信端点之间提供连接或非连接传输的通信体系。通信网的构成要素包括交换系统、传输系统、终端设备以及实现互连互通的信令协议，即一个完整的通信网包括硬件和软件两部分。长途网的构成形式目前我国长途通信网是由以前的四级网结构逐步 发展演变成现在的两级网的。图3.2 四级长途网结构 图3.3 两级长途网结构 3.1 有线通信

4、系统通信线路通信线路的发展过程(1) 架空明线（2）对称电缆（3）同轴电缆（4）全塑电缆1（6）光缆（5）全塑电缆2图3.6 通信线路的发展过程 3.2 光纤通信技术基本概念光纤通信的概念光纤通信是指利用相干性和方向性极好的激光束作载波(称为光载波)来携带信息,并利用光纤来进行传输的通信方式.光纤通信是利用半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)作为光源器件,把电信号转换成光信号,耦合到石英光纤中进行传播,在接收端使用半导体检测器件(检波器),如雪崩光电二极管(APD)或光电二极管(PIN)等,将光信号再还原为电信号的一种通信方式3.2 光纤通信技术光纤通信系统的组成光发送机PCM复用设备光

5、中继器光接收机PCM解复用设备（光）（光）(电）(电）信息信息光纤通信系统的组成简图3.2 光纤通信技术器件光有源器件光源、光检测器和光放大器；是光发射机、 光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。WDM/DWDM器件波分复用/解复用器件波长分配器波长变换器光交叉联接器OXC3.2 光纤通信技术光纤结构及分类光纤分为纤芯、包层、涂覆层（材料为硅酮树脂等）、套塑等层光纤按折射率分布来分均匀光纤,非均匀光纤；阶跃型,渐变型光纤按照传输

6、模数的多少来分单模光纤（SM）：多摸光纤（MM）：光纤按组成份分石英系列,多组份玻璃,氟化物,塑料,液芯光纤按传输波长分短波长0.85,长波长1.3,1.55,1.85,超长波长2.0光纤按涂覆方式分紧套,松套光纤按标准分G.652.G.653.G.654.G.655.G.6563.2 光纤通信技术光纤结构及分类SM Single-ModeFiber typesMM-SIMulti-ModeStep IndexMM-GIMulti-ModeGraded Index3.2 光纤通信技术传输技术的演进模拟信号数字传输：高质、安全、集成光纤传输：宽带、低损、无电磁干扰、价低光纤数字传输综合好处PDH

7、飞速发展PDH(准同步数字系列)的组网缺点SDH(同步数字系列) ：灵活的组网能力、强大的网管、带宽管理及自愈保护SDH与PDH均为TDM（时分复用）电子电路限制高速SDH的发展电子瓶颈波分复用（WDM，DWDM）+EDFA 扩展传输容量的新手段全光通信网信息高速公路的骨干网3.2 光纤通信技术光纤传输系统的发展EMUX电端机再生中继再生中继EDMUX电复用电端机同轴电缆、微波电解复用图3.10 传统的电传输系统O/E/O光缆EMUX光发送再生中继再生中继EDMUX电复用光接收图3.11 光电混合型光纤传输系统电解复用光缆光缆O/E/O图3.12 DWDM光纤传输系统OMUXODMUXOAOA

8、OA光发送光发送光发送，光接收光接收光接收3.2 光纤通信技术光纤通信技术的进展20多年来光纤通信技术在发掘、利用光纤带宽资源，扩展光纤传输能力方面进展神速。（传输能力主要指：通信容量和传输距离）。在光波长和光纤类型方面多模光纤单模光纤短波长800nm长波长1300nm(1310nm)、1550nm一纤一波一纤多波WDM使光纤通信系统的容量大大增加,是光纤通信技术的重大突破。90年代中期，美国AT&T和MCI公司首先建立了光波分复用WDM试验线路MCI的试验线路，从San Luis到支加哥，365英里，容量为4x10Gbps，用于市民通信，有商业价值。AT&T的实验线路全长2000公里，用于公

9、司内部通信。由于密集波分复用和微电子技术的进步，使光纤通信传输系统的容量爆炸性的增长3.2 光纤通信技术WDM+EDFATXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310

10、RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310

11、RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120 km120 km120 kmWDM+EDFA 革新了光纤传输DEM3.2 光纤通信技术光纤通信的优势经济优势频率资源丰富,通信容量极大粗略地讲，一根光纤传输数字信号的码速容量在理论上可达40Tbit/s（T=1012）最好的金属导线，可传输的数字信号的码速为400Mbit/s。差5个数量级。 容量较微波通信可提高103104倍。传输损耗低、无中继通信距离长当光波长=1.55um时，衰减有最低点。可低达0.2dB/km，接近

12、理论值。这样中继数量减少，成本低，通信质量高。节约铜(铝)和铅抗干扰能力强,保密性能好（不受电磁、强电干扰）光缆耐腐蚀,重量轻,体积小（占用空间小，敷设方便）3.2 光纤通信技术光纤通信的优势与缺点技术优势与电信接续容量安全性,可靠性提高;在线监控容易实现扩容方便方便解决区间通信光纤通信的缺点质地脆，机械强度低要有较好的切断、连接技术要有较好的检测技术分路、耦合比较麻烦。3.2 光纤通信技术光纤通信的历史与现状在60年代中期，最好的光学玻璃的传输损耗仍高达 1000dB/km。即，如果信号传输1公里后检测到一个波长为1m的光子 (其能量h210-19焦耳)，则在其输入端要输入的光的能量为210

13、81焦耳。这将远超过太阳系自形成以來的，全部辐射能量的总和 1966年英籍华人高锟博士（原香港中文大学校长，北京大学名誉教授）和Hockham 指出：如果利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维(光纤)，玻璃中杂质的浓度精确地控制在0.1ppm以下)，就可以制造出损耗低于20dB/km的光导纤维。镀银铜线单芯高频低损耗电缆衰减： 1GHz-0.47dB/m； 2GHz-0.53dB/m ；6GHz-0.96dB/m ；18GHz-1.74dB/m ；26.5GHz-2.16dB/m； 40GHz-2.74dB/m光193.1THz=1.931105Ghz3.2 光纤通信技术光纤通信的历史与现状197

14、0年 美国康宁* （ Corling ）玻璃公司的卡普隆(Kapron)利用外部气相沈积法(Outside Vapor-phase Qxidation Deposition Method：OVD)作出损耗为20dB/km光纤，使光导纤维的发展得到突破。1972年康宁玻璃公司研发出损耗为7dB/km的光纤1974年 美国贝尔实验室*（ Bell Laboratory ）利用改良式化学气相沈积法(Modified Chemical Phase Deposition Method：MCVD)成功地制造出损耗仅2.5dB/km的光纤 1976年 日本电报电话公司* （NTT）制造出0.47dB/km

15、的低损耗光纤1978年日本电报电话公司（NTT）将光纤损耗降为0.2dB/km1986年日本住友电工*( Sumitomo)将光纤损耗降为0.154dB/km2002年日本住友电工*( Sumitomo)将光纤损耗降为0.1484dB/km直至1982年之後，单模光纤通信系统才开始使用。所用之光源为激光二极管，而所使用之光探测器是雪崩二极管 目前商用光纤损耗在1.55m波段约为0.17dB/km3.2 光纤通信技术光纤通信的历史与现状截至2004年底，我国骨干通信网总长度已达370万公里，这些光缆线路总投资超过千亿元，但利用率却不足20%，而城域网的利用率还不足30%，FLAGFiber Op

16、tic Link around the Globe架空光缆直埋光缆北京上海至欧洲至日本FLAG至韩国至朝鲜至俄罗斯我国光缆骨干网分布图至东南亚3.3 交换技术-交换的基本概念交换的概念S交换机3.3 交换技术-交换的基本概念交换 (Switching)：将一条线路(或信道)上的信息转发到另一条或多条线路(或信道)上去，这是由通信网中的结点(node)来完成的。SSSSSSST汇接交换机中继线3.3 交换技术-交换的基本概念网络交换结点(交换机)的基本功能：能正确接收和分析从线路（用户线或中继线）上发来的呼叫信号和地址信号；能按目的地址正确地选路，并能在中继线上转发信号；能控制连接的建立和拆除（

17、即能分配和回收/释放通信资源）。能正确地转发用户信息。3.3 交换技术-电话交换机发展过程电话交换技术发展时间最长、形式多样人工交换机电交换电子交换机电交换：步进制纵横制电子交换：布控制程控制信号形式：模拟交换数字交换业务功能：电话业务综合业务程控数字交换机: 现代电信网的核心设备可用于：固定电话网(PSTN)、综合业务数字网（ISDN）、移动通信网（PLMN）、智能网（IN）、等等。主要特点?3.3 交换技术-交换技术的种类传统窄带交换技术电路交换 (Circuit Switching)原理：“开关切换”、同步时分复用 特点：延迟小、线路(资源)利用率低应用：语音通信、PSTN等电信网报文交

18、换 (Message Switching)原理：存储-转发、统计复用特点：延迟长、效率低应用： (被淘汰)分组交换 (Packet Switching)原理：存储-转发、统计复用、数据分组(packet) 特点：延迟较长、线路（资源）利用率高、简单灵活应用：数据通信、计算机网络3.3 交换技术-交换技术的种类现代宽带交换技术帧中继（Frame Relay）高速分组交换技术两层结构、面向连接型主要用于远程LAN互连ATM 交换 (Asynchronous Transfer Mode)兼具CS和PS的优点 信元(cell)交换、异步复用、面向连接型可用于LAN、WAN和 B-ISDN(支持多业务)

19、。3.3 交换技术-交换技术的发展IP与ATM结合:重叠模式：CIPOA (Classical IP over ATM)LANE (LAN Emulation)MPOA (Multiple Protocol over ATM)集成模式：IP Switching 、Tag Switching 或其它MPLS (Multiple Protocol Label Switching)3.3 交换技术-交换技术的发展光交换 (Optical Switching)商用单波光纤 10 2000 Gbps 电子交换 光交换 全光网络 波分、时分、自由空间、混合光交换软交换 (Soft Switching)下一

20、代网络NGN的核心技术以IP网作为核心承载网络在异构网络间提供无缝的互操作功能业务与呼叫控制、呼叫控制与承载分离软交换系统/NGN采用四层结构(业务应用层、控制层、传送层、边缘接入层)。3.4 多媒体通信概述在技术发展史上，计算机、通信和广播电视一直是三个互相独立的技术领域，各自有着互不相同的技术特征和服务范围。但是，近几十年来，随着数字技术的发展，这三个原本各自独立的领域相互渗透、相互融合，形成了一门崭新的技术多媒体。多媒体技术的应用与发展，又反过来进一步加速了这三个领域的融合，使多媒体通信成为通信技术今后发展的主要方向之一。3.4 多媒体通信多媒体概念媒体（Medium）：承载和传播信息的

21、载体。Medium ( Media ) 有“中间物、中介”之意。人与人之间所赖以交流和沟通思想、观念或意见的中介物，便可称之为媒体。多媒体(Multimedia)：多种媒体的综合应用，这里的“媒体”一般指的是感觉媒体（如视觉和听觉媒体）和表示媒体（如文本、图形、图像、声音、视频、动画等）。多种信息载体的表现形式、存储与传递方式的有机集合；而且一般应包含两种以上相关联的媒体，其中至少有一种为时间相关的连续媒体，如声音或视频等。3.4 多媒体通信多媒体通信多媒体通信：多媒体技术 + 通信技术多媒体通信技术是计算机技术、音视频技术和通信技术相互渗透、相互影响的结果，因此，它具有计算机的交互性、声音和

22、视频的真实性(实时同步展现)以及通信系统的分布性。多媒体通信中的“媒体”特指表示媒体.也就是多媒体通信系统中要有存储、传输、处理、显示多种表示媒体信息（即多种编码信息，如声音、图像、文本等媒体数据）的功能。3.4 多媒体通信多媒体通信多媒体通信的基本特点：数据量大、实时性高；传输具有不同特征的多种业务流（集成性）;存在时空约束（同步性）；具有交互性（对称/不对称，同步/异步）；支持分布式处理和协同工作 (分布性)。3.4 多媒体通信流媒体流媒体（treaming Media）：在网络上流式传输的连续时基媒体（包括音频、视频和动画等）。狭义的流媒体 是指：不同于传统的下载播放方式，而是从Inte

23、rnet 上边下载、边播放的连续多媒体数据流。广义的流媒体 是指：流媒体系统，即使音频、视频数据形成连续而稳定的传输流和回放流的一系列技术、方法和协议的总称。3.4 多媒体通信超媒体超媒体（Hypermedia）超文本多媒体超文本（Hypertext）：采用非线性的网状结构组织块状信息的电子文档；它也是一种信息管理技术，由信息结点和表示结点间相关性的链构成一个具有一定逻辑结构和语义的信息网络如果超文本结点具有不同媒体形式或包含多媒体信息，它就是超媒体 宽带通信网络（传输、交换设备）3.4 多媒体通信多媒体通信系统的构成宽带接入设备接入网宽带接入设备接入网多媒体终端多媒体终端多媒体终端多媒体终端

24、3.4 多媒体通信应用分类多媒体通信业务分类：多媒体信息服务多媒体远程通信多媒体协同工作还可细分为：会议业务（Conference Services）交谈业务（Conversation Services）分配业务（Distribution Services）检索业务（Retrieval Services）采集业务（Collection Services）消息业务（Message Services）3.5 无线通信系统-现有无线通信系统移动蜂窝网系统第二代（GSM, IS-95)第三代（CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA）局域网系统无线局域网（WLAN）无线广域网（WMAX）广播电视

25、系统卫星通信系统近距无线通信网络无线个域网（WPAN）无线传感器网络（WSN）无线射频识别（RFID）3.5 无线通信系统-通信系统的构成（点到点）信源编码信道编码调制低通滤波载波调制通道载波解调低通滤波解调信道解码同步均衡信宿发射天线接收天线3.5 无线通信系统基本概念（2）几种通信系统带宽GSM：若干200KHz频带构成CDMA：若干1.25MHz频带构成广播数字电视（DVB-T）：若干6/7/8MHz频带带宽构成。（3） 无线电波的传输无线电发送是以自由空间为传输信道，把需要传送的信息(声音、文字或图象)变换成无线电波传送到远方的接收点。希望传送距离远，要能实现多路传输，且各路信号传输时

26、，应互不干扰（4） 接收机的主要工作天线接收无线电波并转化为电信号；对电信号进行滤波及解调；对接收信号进行纠错解码；对信源信号进行解压缩得到原始信号；数字通信的接收机复杂度大于发射机；一般来讲接收机需要对付信道对发射信号的畸变；发射信号的设计要以接收机能否正常接收到发射信号为原则。3.5 无线通信系统无线通信系统的研究内容信道编码/解码的研究（纠错编码）BCH码，卷积码，turbo码，LDPC码 调制/解调技术的研究BPSK，QAM，OFDM 天线与传输技术的研究天线发射/接收，方向性天线，智能天线，多天线技术。 无线通信系统的硬件实现给出解决方案，进行硬件实现3.5 无线通信系统展望（6）

27、一体化通信网络的构想核心：高速光纤传输网络地面：接入、蜂窝、局域、城域上层：天基网络垂直：卫星网络下层：自组织、传感器网络（7）无线通信面临的挑战随时随地连接网络；多种业务多种设备的集合：语音，数字，音频，视频；电话，电视，照相机，计算机；产品的小型化、低功耗、低成本。3.5 无线通信系统GSM介绍Global System for Mobile communication，全球移动通信系统，个人无线通信优点：移动性良好。缺点：频带利用率低。提高空间利用率的策略：减小无线电波覆盖面积，提高信号接收效率。主要技术方案：减小蜂窝尺寸，扇区分割技术，智能天线技术，多天线技术（MIMO）3.5 无线通

28、信系统卫星通信介绍卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是:通信范围大;广播;易开通.通信卫星（communications satellite）是各类卫星通信系统或卫星广播系统的空间部分。一颗静止轨道通信卫星大约能够覆盖地球表面的40，使覆盖区内的任何地面、海上、空中的通信站能同时相互通信。在赤道上空等间隔分布的3颗静止通信卫星可以实现除两极部分地区外的全球通信。 图3.21 卫星通信3.5 无线通信系统无线传感器网络无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN

29、）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 WSN一般有sensornode（传感器节点）与基站(称作sink,用来集中从小型传感器收集的数据)传感器节点是一种非常小型的计算机，一般由以下几部分组成： 处理器和内存（一般能力都比较有限）。 各类传感器（温度、湿度、声音、加速度、全球定位等）。 通讯设备（一般是无线电收发器或光学通信设备）。 电池（一般是干电池，也有使用太阳能电池的）。 其他设备，包括各种特定用途的芯片，串行并行接口等（USB，RS232）。3.5 无线通信系统无线射频识别RFID是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identification)的缩写，射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递