1.3通信技术入门.ppt

1、1.3 通信技术入门,1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4,通信的基本原理 模拟通信与数字通信 光纤通信和无线通信 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

2、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,- 1940s 出现彩色电视,- 1960s 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：,信道,信源(宿),信宿(源),信,号,信,号,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

3、的形 式才能进行传输,发送信息 的设备 举例:,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,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

4、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？,调制后的 载波信号,传输 信号,调制器,载波信号,调制后的 载波信号,传输 信号,解调器,载波信号, 三种调制方法 载波信号 (高频正弦波) 调制信号 (连续信号) 调幅(AM) 调频(FM) 调相(PM),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

5、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）,二进位信号的 不归零制(NRZ)编码,0,0,1,1,0,1,双绞线,计算机,计算机,NRZ 码,曼彻斯特 编码,码型 变换器,码型 变换器,曼彻斯特 编码,NRZ 码,（网卡）,（网卡）,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,二进位信号的 曼彻斯特编码,电平从低,到高表示 0,从高到 低表示1,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,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,

6、调制信号 (两个状态),幅移键控 (ASK) 频移键控 (FSK) 相移键控 (PSK),载波信号 (高频正弦波),数字调制、解调器：,调制后的 载波信号,传输 信号,解调器,载波信号,调制后的 载波信号,传输 信号,调制器,载波信号,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),信道,信源(宿),信宿(源),调制后,的载波,信号,调制后,的载波,信号,调制 (解调)器,(调制) 解调器,载波,载波,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

7、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,怎样实现低成本传输？,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,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(Frequency Division Multiplexing, FDM),思想：将每个通信终

8、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：,DEMUX,MUX,共享的传输信道,载波频率f1,调制,调制,载波频率fn,载波频率f1,解调,解调,载波频率fn,f,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,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 900 KHz(南京经济台),中

9、波1008 KHz (南京新闻台),- 短波 15.28 MHz(英国BBC),短波 15.29 MHz(VOA美国之音),- 调频104.3MHz (南京体育台),调频105.8MHz(南京音乐台),时分多路复用(Time Division Multiplexing, 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 G F E D CBA,传输线路,时间片,G,C,终端 1,终端 2,终端 3,终端 4,H,D,F,B,E,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

10、端丁,E A,F B,G C,H D,Demultiplexer,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,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

11、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,数字通信系统的主要性

12、能指标,数据传输速率(简称数据速率, data rate),- 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(error rate),- 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-end delay),- 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

13、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(10 Mb/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,金属屏蔽,外绝缘层,内层导线 绝缘体,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,信号线,地线,套管,无屏蔽双绞线,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,光线,光波在光纤中的传播,光导纤维（

14、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,光,纤,保 护 层,光纤通信原理,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,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10141015Hz，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

15、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(Wave Division Multiplexing, 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：,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

16、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,光纤 复合光,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：,10,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,104,105,106,107,108,109,1010,1011,1012,1013,1014

17、1015 1016 Hz,双绞线,同轴电缆,AM广播,FM广播和TV 地面微波 卫星,光纤,红外线,可见光 紫外线,微波,中波,短波 超短波 无线电波,电磁波的种类与频率范围,无线电波:,104 1011 (Hz),中波： 短波： 超短波： 微波：,0.3 3 (MHz) 3 30 (MHz) 30 300 (MHz) 0.3 300 (GHz),红外线： 可见光：,1011 1014 14,(Hz) (Hz),紫外线：,10,14 1016,(Hz),无线广播 电视、通信,通信,微波通信,微波：300MHz 300GHz 范围内的电磁波，波,长为1 m1mm,特点：,-,直线传播，不能沿地球

18、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,通信卫星,卫星,卫星,地球,35800公 里,地 球 地面站1 地面站2 卫星 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12

19、0， 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,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，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,交换,中心,电话交 换中心,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：900