第一章信息技术概述——1.3要点.ppt

1、1.3 通信技术入门,什么是通信？（ communication） 使用电波或光波传递信息的技术，称为电信，是双向通信。,通信的基本任务,tele,通信的三要素： 信息的发送者（信源） 信息的接收者（信宿） 信息的传输通道（信道）,1.3.1 通信的基本原理,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,通信系统的简单模型,举例:,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（或光）信号强度变化的两种形式 连续形式，模拟信号， 它通过连续变化的物 理量来表示信息。 离

2、散形式，数字信号， 它使用有限个状态 （一般是两个状态）来表示信息。,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),如何传输模拟信号？,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） 远距离传输方法通过载波来传输数字 信号(频带传输),如何传输数字信号？,如何解决信号长距离传输问题？（调制解调）,研究发现，高频振荡的正弦波信号在长 距离通信中能比其他信号传送得更远。 可以把它作为携带信息的“载波”。,对于模拟通信,-

3、调制（Modulation）： 利用信源信号调整载波（正弦波）的某个参数(幅度、 频率或相位)。 - 解调（Demodulation）： 到达目的地，接收方再把载波携带的信号检测出来恢复 为原始信号的形式。 - 基本调制方法： 调幅，调频，调相。（书本P9图1-8 a） - 把实现调制和解调功能的设备称为“调制解调器”（Modem）,对于模拟通信,调制（Modulation） - 将数字信号转换成模拟信号，D/A。 解调（Demodulation） - 将模拟信号转换成数字信号, A/D 。 基本调制方法： - 幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。,对于数字通信,数字调制的方法：,

4、(高频正弦波),总结：远距离通信,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,模 拟 通 信,电话、无线电广播和模拟电视采用 的都是模拟通信技术。,模拟通信,模拟通信的优、缺点 优点：结构比较简单、成本低。 缺点：噪声信号的干扰较大，传输质量不稳 定。,数字通信,数字传输技术 优点： 1）抗干扰能力强，差错可控制，没有噪声积累，可以实现长距离、高质量的传输。 2）灵活性好。能适应各种应用的要求，无论是电话、图象、数据均可以转换为统一的二进制数

5、字信号在信道上进行传输，并实现综合处理。 3）传输的是数字信号，因而可以直接由计算机进行存储、管理和处理。 4）对数字信号的加密比对模拟信号加密容易得多，所以通信的安全性更容易得到保证。 5）数字通信中使用的大多数是数字电路，数字电路比模拟电路更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。,如何解决线路利用效率的问题？（多路复用技术）,多路复用(Multiplexing) ： 为了提高线路利用率，总是设法在一条传输线路上， 传输多个模拟信号（例如，话路信息）或数字信号。 多路复用技术通常有： 时分复用，频分复用，码分复用，波分复用,时分多路复用技术 （ Time

6、Division Multiplexing, TDM）： - 各通信终端设备（计算机）以事先规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行传输（参看书本P10图1-10） 。 - 是数字通信的主要手段，如： 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,传输线路,时间片,多路复用器,4 3 2 1 4 3 2 1,数据,t,Multiplexer,多路分路器,Demultiplexer,时分多路复用技术（TDM）,频分多路复用技术 （ Frequency Division Multiplexing,FDM）： 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

7、用器复合成为一个信号，然后在同一传输线路上进行传输。到达接收端后，借助分路器把不同频率的信号送到不同的接收设备（参看书本P10图1-11）。是模拟通信的主要手段，如： 广播电台节目的发送与接收、电视节目的发送与接收,频分多路复用(FDM),f1,f2,fn,f1 f2 fn,f1,f2,fn,码分多路复用（CDMA） 用于无线移动通信。所有移动站点（例如手机）在整个频段上进行传输，多路信号同时传输时采用不同的编码原理加以区分。 是数字通信的主要手段。,波分多路复用（WDM） 在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，使得数据传输速度和容量获得倍增。,1.3.2 模拟通信与数字通信,（1） 模拟通

8、信 （2） 数字通信 （3） 数字通信系统,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,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）,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

9、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,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,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，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

10、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 PCM编码的结果，就是将模拟信号转换成为一组数字信号,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

11、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,模拟传输技术与数字传输技术,数据通信系统的性能指标,信道带宽（bandwidth） ： - 在模拟传输系统中，几乎无失真地传输的模拟信号的频率变化范围。 例如：标准电话线路的信号频带为 300(Hz) 3400(Hz)，其带宽为 ：3400 300 = 3100(Hz) - 在数字通信系统中，一个信道允许的最大数据传输速率，也称信道容量（理论上）。,数据

12、传输速率(data rate) ：实际进行数据传输时单位时间内传送的二进位数目。 单位：kbps、Mbps、Gbps 误码率(error rate)：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-end delay)：数据从信源传送到信宿所花费的时间。,数据通信系统的性能指标,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,金属导体（利用电流/电压传输信息） 双绞线、同轴电缆 双绞线：是两根相互绞合 成均匀螺纹状的导线所组 成的一条传输线路,特点：价格便宜且安装方便。 缺点：容易受到外部高频电磁

13、波干 扰，线路本身也会产生噪声， 误码率较高，只适合在建筑物内部使用。,双绞线- 分类 3类线：10 Mb/s 5类线：100 Mb/s 6类线：200 Mb/s 有屏蔽双绞线（STP）较远距离 无屏蔽双绞线（UTP）100m,同轴电缆：横截面是一组同心圆，最外圈是绝缘保护层，紧帖着的是一圈起屏蔽作用的金属编织层，再里面是绝缘填料，用来分隔编织的外导体与内导体。内导体可以用单股实心线或多股绞合线。 分类： - 基带同轴电缆（50）：局域网中基带方式传输数字信号; - 宽带同轴电缆（75）：有线电视电缆，传输电视信号。,光导纤维 通过光波传输信息,光缆,光纤通信,光波在纤芯中的传输原理 当光线的

14、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 光纤种类 多模：纤芯直径为 50 或 62.5m ，可以存在许多条入射角不同的光线，各自以不同的反射角全反射传播下去。 单模：纤芯直径为 810 m（一个光波波长），光线不出现反射，直接向前传输 。 衰耗小，在 2.5 Gb/s 的高速率下传输数十公里而不必采用中继器。,光纤通信原理：在发射端，由需要传输的数字信号去驱动一个光源，并对发出的光信号进行调制。调制后的光信号通过光纤传送到接收端，信号经放大后由光检测器进行检测，解调，转换为电信号之后输出。,图1-16 光纤通信,波分多路复用：在一根光纤中同时传输几种不同 波长的光

15、波以达到增大信道容量的目的。,光纤,图1-16 波分多路复用,光纤通信,优点： 容量大、数字传输、不受高压线和雷电电磁感 应的影响、抗核辐射能力强、保密性强；重量轻， 便于运输和铺设，传输损耗很小，无中继通信的距 离长。,光纤通信,-光波的频率为10141015Hz，目前一束 光每秒能携带2.5G或10G的二进位信号,无线电波（通过电磁波传输信息） 电磁波的种类与频率范围,电磁波,几种主要电磁波的传播特点： 中波，主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播 和海上通信； 短波,具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信； 超短波和微波，绕射能力差，只能作为视距或超视距 中继通信。,微波及微波通信：

16、频率极高(300MHz300GHz)的电磁波 波长很短，通常为1米至1毫米 主要是直线传播、不能沿地球表面传播、会穿透电离层 微波通信是众多无线通信形式中的一种，是长距离、大容量地面无线通信的主要手段 需要每隔几十公里设立一个中继站,微波通信,微波通信有三种方式： 地面微波接力通信 卫星通信 对流层散射通信,B,微波通信优点 ： 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,卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号实现的通信。使用的频段也属于微波的范围，是微波接力通信技术与空间技术相结合的产物。 通信卫星利用太空

17、中微波通信中继站，只要在其覆盖照射区内，不论远近都能通信，可以发电报、电视、广播等。（参看本章阅读材料1.3）,卫星通信特点 ： 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（卫星本身，发射卫星的火箭）、技 术复杂、通信天线口径大、有较大延时、同 步轨道卫星数目有限，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

18、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,移动通信 处于移动状态的对象之间的通信。包括蜂窝移动（例如手机） 、集群调度、无绳电话、寻呼系统和卫星系统。,蜂窝移动通信系统的组成： 移动台、基站、

19、移动电话交换中心。,移动台：是移动的通信终端，它是接收无线信号的接收机，包括手机，呼机，无绳电话等。 基站：是与移动台联系的一个固定收发机，它接收移动台的无线信号，每个基站负责与一个特定区域（10km 20km的区域）的所有的移动台进行通信。 移动交换中心：与基站之间通过微波或有线信道交换信息，移动交换中心再与公共电话网进行连接。 每个基站的有效区域既相互分割，又彼此有所交叠，整个移动通信网就像是蜂窝，所以也称为“蜂窝式移动通信”。,蜂窝移动通信原理,每10km20km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

20、，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,移动通信的发展 第一代：传输模拟信号，使用频段800/900MHz 第二代：传输数字化的语音/文字信号，使用频段900MHz1800MHz 标准如下： - GSM（欧洲全数字移动通信系统，全球可移动通信系统, 全球通） - IS-95（美国移动通信

21、系统，数字系统兼容模拟系统） - JDC（日本移动通信系统，数字系统并兼容模拟系统）,第二代 移动通信系统,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139134 、130132 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，Code Division Multiple Access) 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：参看本章阅读材料1.4 （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