通信技術經(jīng)典課件

1、1.3 通信技術入門1.3.1 通信的基本原理1.3.2 模擬通信與數(shù)字通信1.3.3 光纖通信和無線通信1.3.4 移動通信1.3.1 通信的基本原理（1） 通信系統(tǒng)的基本模型（2） 調制與解調（3） 多路復用技術什么是通信(communication)？廣義上講，通信就是信息的(遠距離)傳遞與交流現(xiàn)代通信使用電波或光波傳遞信息的技術，也稱為電信（telecommunication），如電報、電話、傳真、電子郵件、BBS、QQ等通信的發(fā)展歷史：1836年，英國建成第一條電報線路(Morse電報)1876年，美國人A.G.Bell研制成可供實用的電話20世紀初，馬可尼實現(xiàn)了跨越大西洋的無線電報

2、通信1918年出現(xiàn)收音機和無線電廣播1938年第一個電視臺開始播出1940s 出現(xiàn)彩色電視1960s 出現(xiàn)計算機網(wǎng)絡對通信系統(tǒng)的一般要求遠距離：傳輸距離要遠低成本：傳輸成本要低高速度：從發(fā)生到接收的延遲時間要短可靠：傳輸?shù)男畔⒉荒苡绣e誤方便：任何時間和地點都能通信安全：傳輸?shù)男畔⒁Ｃ?，不能泄漏通信系統(tǒng)的模型通信的三要素：信 道信源(宿)信宿(源)信號信號舉例:信道的任務是迅速、可靠而準確地將信號從信源傳輸?shù)叫潘薇粋鬏數(shù)男畔⒍急仨氁阅撤N電(或光)信號的形式才能進行傳輸發(fā)送信息的設備接收信息的設備有線電話移動電話計算機通信信源/信宿電話座機手機計算機信號形式話音經(jīng)電話機轉換成為變化的電流信號話音

3、經(jīng)電話機轉換成為壓縮編碼后的數(shù)字信號編碼并打包后的數(shù)字信號信道構成電話線和中繼器等傳輸設備無線電波、基站等雙絞線、集線器、路由器、光纖等模擬信號與數(shù)字信號通信系統(tǒng)中被傳輸?shù)男畔⒈仨氜D換成某種電信號(或光信號) 才能進行傳輸t數(shù)字信號信號強度模擬信號信號強度t電信號(或光信號) 有兩種形式：模擬信號形式: 通過連續(xù)變化的物理量（如信號的幅度）來表示信息，例如人們打電話或者播音員播音時聲音經(jīng)話筒(麥克風)轉換得到的電信號；數(shù)字信號形式: 使用有限個狀態(tài)(一般是2個狀態(tài))來表示（編碼）信息，例如電報機、傳真機和計算機發(fā)出的信號都是數(shù)字信號 模擬信號如何傳輸？近距離傳輸：直接傳輸 (如：MP3播放器

4、耳機 ；計算機輸出信號 投影儀)遠距離傳輸：通過載波來傳輸模擬信號(如：廣播電臺收音機)什么是載波？ 研究發(fā)現(xiàn)，高頻振蕩的正弦波信號在長距離通信中能夠比其他信號傳送得更遠。因此若把高頻振蕩的正弦波信號作為攜帶信息的載波，把模擬信號放在(調制在)載波上傳輸，則可比直接傳輸遠得多模擬信號如何進行載波傳輸？ 三種調制方法調制后的載波信號傳輸信號調制器載波信號調制后的載波信號傳輸信號解調器載波信號調制信號(連續(xù)信號)調幅(AM)調頻(FM)調相(PM)載波信號(高頻正弦波)實現(xiàn)信號調制與解調的設備分別稱為“調制器”和“解調器”：數(shù)字信號如何傳輸？近距離傳輸方法基帶傳輸近距離傳輸時：不加處理直接進行（如

5、：USB連接）較長距離傳輸：需作碼型轉換（如：以太網(wǎng)中傳輸數(shù)字信號）二進位信號的不歸零制(NRZ)編碼0 0 1 1 0 1雙絞線計算機計算機NRZ 碼曼徹斯特編碼碼型變換器碼型變換器曼徹斯特編碼NRZ 碼（網(wǎng)卡）（網(wǎng)卡）含有直流成分，不便于同步，不適合直接傳輸 平均直流電平為0，電平的變化可作為同步信號 二進位信號的曼徹斯特編碼電平從低到高表示0,從高到低表示1 遠距離傳輸方法通過載波來傳輸數(shù)字信號(頻帶傳輸)數(shù)字信號的三種調制方法(ASK)幅移鍵控(FSK)頻移鍵控00110100010 調制信號 (兩個狀態(tài))(PSK)相移鍵控載波信號(高頻正弦波)數(shù)字調制、解調器：調制后的載波信號傳輸信

6、號解調器載波信號調制后的載波信號傳輸信號調制器載波信號小結1: 遠距離通信必須使用MODEM 通信一般是雙向進行的，收發(fā)雙方都需要調制器與解調器，它們通常做在一起，稱為調制解調器(MODEM)信 道信源(宿)信宿(源)調制后的載波 信號調制后的載波 信號調制(解調)器(調制)解調器載波載波信源信號通過調制器 調整載波的某個參數(shù)(幅度、頻率或相位)到達目的地后，使用解調器把載波所攜帶的信號檢測出來，恢復為原始信號的形式經(jīng)過調制后的載波信號，攜帶著被傳輸?shù)男盘栐谛诺乐羞M行長距離傳輸怎樣降低傳輸成本？ 分析： 通信系統(tǒng)中，傳輸線路的建設和維護成本占整個系統(tǒng)成本的相當大的份額一條傳輸線路（銅線、光纖、

7、無線電波）的容量通常遠超過傳輸1路用戶信號所需的能力降低成本采用的技術多路復用技術(Multiplexing)多路信號使用同一條傳輸線同時進行傳輸方法：時分多路復用(TDM)(主要應用在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中)頻分多路復用(FDM)(主要應用在電視廣播系統(tǒng)中)波分多路復用(WDM)(主要應用在光纖通信中)時分多路復用(Time Division Multiplexing, TDM) 思想：各通信終端（計算機、電話）以規(guī)定的順序和時間輪流使用同一傳輸線路進行數(shù)據(jù)傳輸工作原理： H F G E D C BA傳輸線路時間片 G C終端 1終端 2終端 3終端 4 H D F B E A多路復用器 4 3

8、2 1 4 3 2 1數(shù)據(jù)tMultiplexer多路分路器終端甲終端乙終端丙終端丁 E A F B G C H DDemultiplexer應用：主要使用在數(shù)字通信領域，如電話中繼通信、GSM手機、總線式以太網(wǎng)等頻分多路復用(Frequency Division Multiplexing, FDM) 思想：將每個通信終端發(fā)送的信號調制在不同頻率的載波上，通過頻分多路復用器(MUX)將它們復合成為一個信號，然后在同一傳輸線路上進行傳輸。抵達接收端之后，借助分路器(DEMUX)把不同頻率的載波分離出來，送到不同的接收設備工作原理： DEMUX MUX 共享的傳輸信道載波頻率f1調制調制載波頻率f

9、n載波頻率f1解調解調載波頻率fnf將不同頻率的載波信號合成在一起使用一組濾波器分解出不同頻率的載波信號頻分多路復用舉例1廣播電臺節(jié)目的發(fā)送與接收頻分多路復用分路器(帶通濾波器)信號發(fā)射信號接收常見廣播電臺使用的載波頻率中波 900 KHz(南京經(jīng)濟臺) 中波1008 KHz (南京新聞臺)短波 15.28 MHz(英國BBC) 短波 15.29 MHz(VOA美國之音)調頻104.3MHz (南京體育臺) 調頻105.8MHz(南京音樂臺)頻分多路復用舉例2電視節(jié)目的發(fā)送與接收頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)187.755123.259230.25295.7

10、5 6206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路復用器解調器在天空中傳輸?shù)碾姶挪ㄆ麟娨曅盘柊l(fā)射器電視信號接收器電視節(jié)目調制器載波1電視圖像及其伴音調制器載波2電視圖像及其伴音調制器載波n電視圖像及其伴音電視調諧器(分路器)小結: 多路復用可以降低通信成本通信系統(tǒng)的原理示意圖復用（分路）信道信源（宿）調制解調器信源（宿）調制解調器信源（宿）調制解調器復用（分路）信源（宿）調制解調器信源（宿）調制解調器信源（宿）調制解調器多路復用技術使得成千上萬路通信可以在同一條傳輸線上同時進行，大大節(jié)省了通信成本頻分多路、時分多路和波

11、分多路等技術可以同時使用，以提高復用效率1.3.2 模擬通信與數(shù)字通信（1） 模擬通信（2） 數(shù)字通信（3） 數(shù)字通信系統(tǒng)模擬通信信源產生的模擬信號直接進行傳輸或者通過對載波調制后進行傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g稱為模擬通信技術 應用：(傳統(tǒng)的)有線載波電話無線電廣播電視（衛(wèi)星電視、數(shù)字有線電視除外）優(yōu)點：歷史長，技術成熟，結構簡單，成本低缺點：在信號的調制和傳輸過程中易受噪聲干擾，傳輸質量不夠穩(wěn)定趨勢：已經(jīng)越來越多地被數(shù)字通信所取代 模擬通信技術應用舉例（1）傳統(tǒng)的有線載波電話 使用對稱電纜或同軸電纜，前者每一對線可傳輸60路電話，后者可提供成千上萬個話路多路復用(分路)器 傳輸線路 (中繼線和長途線)M

12、ODEM載波1MODEM載波2MODEM載波n多路復用(分路)器MODEM載波1MODEM載波2MODEM載波n本地交換機長途交換機本地交換機中繼線用戶線中繼線長途線長途交換機用戶線電子開關2x2交換機原理模擬通信技術應用舉例（2）電話撥號上網(wǎng): 利用模擬傳輸技術傳輸數(shù)字信號模擬通信技術應用舉例（2）家庭計算機用戶通過電話撥號接入計算機網(wǎng)絡調制解調器把計算機送出的數(shù)字信號,采用數(shù)字調制(頻移鍵控或相移鍵控)的方法,調制成為適合于在用戶電話線上傳輸?shù)囊纛l模擬信號因特網(wǎng)服務提供商把接收到的模擬信號，通過解調器恢復成數(shù)字信號送給計算機MODEM本地電話網(wǎng)MODEM計算機網(wǎng)絡模擬通信技術計算機數(shù)字信號

13、因特網(wǎng)服務提供商(ISP)家庭用戶數(shù)字信號音頻模擬信號在本地電話網(wǎng)中，采用模擬傳輸技術進行傳輸什么是數(shù)字通信？將信源產生的模擬信號轉換為數(shù)字信號（或信源直接產生數(shù)字信號）之后，直接進行傳輸或通過用數(shù)字信號對載波進行數(shù)字調制來傳輸信息的技術稱為數(shù)字通信數(shù)字通信技術的優(yōu)點：抗干擾能力強，差錯可控制，無噪聲積累，傳輸質量高靈活性好，能適應多種應用需求，聲音、圖像、數(shù)據(jù)均可傳輸傳輸?shù)臄?shù)字信號可以直接由計算機進行存儲、管理和處理數(shù)字信號的加密比模擬信號容易，所以通信的安全性高數(shù)字電路容易用超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，有利于通信設備的小型化、微型化，也降低了功耗 數(shù)字通信采用的技術數(shù)字調制/解調技術調幅；調頻；

14、調相多路復用技術時分多路；頻分多路；波分多路交換技術電路交換；分組交換模-數(shù)和數(shù)-模轉換技術；數(shù)字編碼和數(shù)據(jù)壓縮技術數(shù)字通信技術應用舉例（1）當今長途電話系統(tǒng)的中繼通信 PCM編碼器PCM解碼器PCM編碼器PCM解碼器多 路 復 用 器分 路 器光纖傳輸線路 (中繼線和長途線)（本地電話局）（本地電話局） （用戶線）（用戶線）數(shù)字傳輸技術模擬傳輸技術模擬傳輸技術模擬聲音信號在需要進行遠距離傳輸之前，先使用PCM編碼器變換為數(shù)字信號形式（此過程稱為“數(shù)字化”） 接收方所在地區(qū)的交換局使用解碼器把數(shù)字信號還原成模擬聲音信號后，由用戶線傳輸至接聽方的電話機 數(shù)字信號經(jīng)調制和復用后，通過光纖傳輸?shù)浇邮?/p>

15、方所在地區(qū)的交換局，再經(jīng)解調和分路處理，恢復為數(shù)字信號 數(shù)字通信技術應用舉例（2）衛(wèi)星電視數(shù)字傳輸：用數(shù)字傳輸技術傳輸模擬信號 數(shù)字傳輸技術數(shù)字調制數(shù)字解調編碼器解碼器在空中傳輸?shù)碾姶挪ㄆ麟娨曅盘柊l(fā)射器電視信號接收器載波載波電視圖像及其伴音電視機數(shù)字信號經(jīng)調制和復用后由天線發(fā)送至衛(wèi)星，再由衛(wèi)星進行轉發(fā)，被衛(wèi)星地面接收站所接收電視臺的節(jié)目在發(fā)送到衛(wèi)星去傳輸之前，先要把圖像和伴音信號進行數(shù)字化，還要進行數(shù)據(jù)壓縮 地面站對接收到的信號進行解調、解碼后恢復為模擬信號，再經(jīng)由有線電視電纜送到用戶電視機上播放小結：數(shù)字通信系統(tǒng)的模型發(fā)送端接收端信 源信道編碼調制與復用信 道壓縮編碼解調與分路信 宿解 密信

16、道解碼解壓縮加密編碼噪聲信源編碼信源解碼為了進行可靠的傳輸為了高效率地進行遠程傳輸數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標 數(shù)據(jù)傳輸速率(簡稱數(shù)據(jù)速率, data rate)指實際進行數(shù)據(jù)傳輸時單位時間內傳送的二進位數(shù)目計量單位： “位/秒”(bps) 、“千位/秒”(kbps) 、“兆位/秒”(Mbps) 或“千兆位/秒”(Gbps)等信道帶寬(也稱為信道容量, bandwidth)一個信道允許的最大(高)數(shù)據(jù)傳輸速率信道帶寬與采用的傳輸介質、傳輸距離、多路復用方法、調制解調方法等密切相關誤碼率(error rate)指數(shù)據(jù)傳輸中規(guī)定時間內出錯數(shù)據(jù)占被傳輸數(shù)據(jù)總數(shù)的比例端端延遲(end-end delay

17、)指數(shù)據(jù)從信源傳送到信宿所花費的時間。1.3.3 光纖通信與無線通信（1） 傳輸介質的類型與特點（2） 光纖通信（3） 無線通信傳輸介質的類型與特點介質類型特點應用金屬導體雙絞線成本低，易受外部高頻電磁波干擾，誤碼率較高；傳輸距離有限固定電話本地回路、計算機局域網(wǎng)同軸電纜傳輸特性和屏蔽特性良好，可作為傳輸干線長距離傳輸載波信號，但成本較高固定電話中繼線路、有線電視接入光導纖維光纜傳輸損耗小，通訊距離長，容量大，屏蔽特性非常好，不易被竊聽，重量輕，便于運輸和鋪設。缺點是精確連接兩根光纖很困難電話、電視等通信系統(tǒng)的遠程干線，計算機網(wǎng)絡的干線無線電波微波紅外線激光建設費用低，抗災能力強，容量大，無線

18、接入使得通信更加方便.但易被竊聽、易受干擾廣播，電視，移動通信系統(tǒng)，計算機無線局域網(wǎng)雙絞線和同軸電纜原理：利用電流(電壓)傳輸信息雙絞線分類3類線(10 Mb/s)；5類線(100Mb/s)； 6類線(200Mb/s)無屏蔽雙絞線 (UTP)；屏蔽雙絞線 (STP)同軸電纜內層導線金屬屏蔽外絕緣層絕緣體同軸電纜分類基帶同軸電纜（50）傳輸數(shù)字信號寬帶同軸電纜（75）傳輸模擬信號信號線地線套管無屏蔽雙絞線光纖與光纜多根光纖保護層防止光泄漏的吸收外殼起保護作用的防護層外絕緣層光線光波在光纖中的傳播光導纖維（光線的入射角足夠大時，就會出現(xiàn)全反射，重復此過程，光就沿著光纖傳播下去） 纖芯 包層保護層光

19、波光纜光 纖保護層微波通信微波：300MHz300GHz范圍內的電磁波，波長為1 m1mm特點：直線傳播，不能沿地球表面?zhèn)鞑ィo繞射性），需要每隔幾十公里設立一個中繼站容量大、可靠性高建設費用低抗災能力強應用：長途電話、蜂窩移動電話、全數(shù)字高清晰度電視（HDTV）等衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信: 中繼站在人造地球衛(wèi)星上的一種微波通信優(yōu)點：通信距離遠、頻帶寬、容量大、抗干擾強、通信穩(wěn)定缺點：造價高、技術復雜、有較大延時、同步軌道衛(wèi)星數(shù)目僅180顆通信衛(wèi)星地面站1地面站2地 球衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星地球35800公里赤道上方高度為35800公里的地方為地球同步軌道，衛(wèi)星的運行周期與地球自轉一圈的周期相同，在地面上看這種

20、衛(wèi)星好似靜止不動。一顆同步軌道衛(wèi)星覆蓋約120， 3顆同步定點軌道衛(wèi)星可以覆蓋地球的幾乎全部面積，進行二十四小時的全天候通信衛(wèi)星通信的重要應用GPS 例美國研制GPS系統(tǒng)24顆衛(wèi)星在1.2萬公里高空以12小時的周期繞地球運行地面任意點在任何時刻都可同時觀測到4顆以上衛(wèi)星原理：由于衛(wèi)星的位置是精確可知的，通過地面接收機可測得與衛(wèi)星的距離，利用三維坐標中的距離計算公式，就可以推導出接收機的地理位置(經(jīng)度、緯度和高程)定位精度：民用大約幾十米軍用可高得多GPS衛(wèi)星接收機根據(jù)用途有：導航型、測地型、授時型等產品形式：獨立的GPS導航儀，也可集成在電腦、手機、MP3(MP4)播放器、甚至手表中1.3.4

21、 移動通信（1） 什么是移動通信（2） 移動通信原理（3） 第2代和第3代移動通信什么是移動通信？處于移動狀態(tài)的對象相互間的通信，如手機、無繩電話、尋呼系統(tǒng)等優(yōu)點：克服通信終端位置對用戶的限制，快速和及時地傳遞信息基站移動臺（手機）移動電話交換中心公用電話網(wǎng)蜂窩移動通信原理每10km20km的區(qū)域稱為單元（形似蜂窩），單元的中央建有一個基站，該單元內所有手機都向該基站發(fā)送信號并接收基站發(fā)給的信號所有單元既相互分割，又彼此有所交疊，連成整個移動通信服務網(wǎng)所有基站都通過微波或電纜、光纜與移動交換中心通信手機每個時刻都處于某個特定單元的基站控制之下，通話時使用兩個頻率（一個上行頻率，一個下行頻率），

22、同一單元內同一時刻的不同手機使用不同的頻率進行通信，相互不影響每個蜂窩單元中有200多個信道(GSM)。相鄰單元不允許使用相同的頻率，不相鄰單元的頻率允許重用移動交換中心電話交換中心第二代移動通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙?shù)字化的語音/文字信號使用頻段：900MHz/1800MHz我國使用的2種標準：GSM（歐洲移動通信系統(tǒng)，也稱全球通、全數(shù)字系統(tǒng))中國電信的GSM網(wǎng)已基本實現(xiàn)縣以上城市的覆蓋, 接入號有139135、130采用頻分多路復用技術(分為124個上下行信道)和時分多路復用(每個信道8個連接)，每個蜂窩理論上支持992個連接，實際上可有200多個CDMA (碼分多址接入，Code Division

23、 Multiple Access)所有手機都占用相同帶寬和頻率，在整個頻段上進行信號傳輸,但它們分別采用不同的編碼原理加以區(qū)分，即CDMA給每一手機分配一個唯一的碼序列（擴頻碼），并用它對承載信息的信號進行編碼抗干擾能力強，系統(tǒng)容量大，接通率高，噪聲小，第三代數(shù)字移動通信系統(tǒng)第2代移動通信的不足：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率過低（9.6kb/s或57kb/s）（2）容量有限，不能滿足發(fā)達地區(qū)手機用戶高度密集的要求。 （3）不能實現(xiàn)覆蓋全球的無縫連接第3代移動通信技術（簡稱3G）的目標：（1）全球漫游（2）適應多種環(huán)境，地面移動通信與衛(wèi)星移動通信相結合（3）提供高質量的話音通信、數(shù)據(jù)通信和高分辨率圖像通信（4）提供足夠的系統(tǒng)容量，具有高保密性和優(yōu)質的服務技術：頻譜：1885 MHz 2025MHz，