信息學科導論CN課件

第3章:通信科學與技術3.1有線通信系統3.2光纖通信技術3.3交換技術3.4多媒體通信3.5無線通信系統3.6通信電源技術本講義含書上第3章與第6章的內容7/24/20231信息學科導論CN3.1有線通信系統—基本概念通信系統的基本概念及通信網的構成形式什么是通信系統？由信源、變換器、信道、反變換器及信宿所構成的信息傳輸系統叫通信系統。它由哪幾部分構成？如下圖3.1信道(通信線路)圖3.1通信系統模型

7/24/20232信息學科導論CN3.1有線通信系統—各部分作用各部分的作用：信源信息源，產生要傳遞的信息，如語音、圖像、數據、文字等。變換器原始的消息不能以電磁波來傳送，所以需要通過變換器將原始的非電消息變換成電信號，并再對這種電信號進一步轉換，使其變換成適合某種具體信道傳輸的電信號。信道完成由信源到目的地傳輸任務的傳輸通路。在有線通信中，其物理信道主要是指通信線路，而通信線路又包括通信電纜，通信光纜等。反變換器將沿信道傳輸過來的信號還原成信源原來的信息，與變換器所起的作用相反。7/24/20233信息學科導論CN3.1有線通信系統—各部分作用(續(xù))各部分的作用(續(xù))：中繼設備或交換設備前者是指對經過一定長度線路傳輸后的信號進行放大、恢復的線路中間設備，如中繼器、EDFA、FRA等；后者是指通信系統中選擇接續(xù)用的中間設備(如交換機)，它的主要作用是根據用戶要求，完成不同用戶之間的邏輯連接。噪聲在信息的傳遞過程中，由于存在各種外界的或內部的因素，產生各種各樣的干擾，我們統稱為噪聲。噪聲是必須引起工程人員重視的一個問題，它可存在于通信系統的任何部分并將直接影響通信質量。7/24/20234信息學科導論CN3.1有線通信系統—通信網基本結構形式通信網的基本結構形式什么是通信網？構成要素有哪些？由通信端點、節(jié)（結）點和傳輸鏈路相應的有機地連接起來，以實現在兩個或更多的規(guī)定通信端點之間提供連接或非連接傳輸的通信體系。通信網的構成要素包括交換系統、傳輸系統、終端設備以及實現互連互通的信令協議，即一個完整的通信網包括硬件和軟件兩部分。長途網的構成形式目前我國長途通信網是由以前的四級網結構逐步發(fā)展演變成現在的兩級網的。7/24/20235信息學科導論CN圖3.2四級長途網結構

7/24/20236信息學科導論CN圖3.3兩級長途網結構

7/24/20237信息學科導論CN3.1有線通信系統—通信線路通信線路的發(fā)展過程(1)架空明線（2）對稱電纜（3）同軸電纜（4）全塑電纜1（6）光纜（5）全塑電纜2圖3.6通信線路的發(fā)展過程7/24/20238信息學科導論CN3.2光纖通信技術—基本概念光纖通信的概念光纖通信是指利用相干性和方向性極好的激光束作載波(稱為光載波)來攜帶信息,并利用光纖來進行傳輸的通信方式.光纖通信是利用半導體激光器(LD)或發(fā)光二極管(LED)作為光源器件,把電信號轉換成光信號,耦合到石英光纖中進行傳播,在接收端使用半導體檢測器件(檢波器),如雪崩光電二極管(APD)或光電二極管(PIN)等,將光信號再還原為電信號的一種通信方式7/24/20239信息學科導論CN3.2光纖通信技術—光纖通信系統的組成光發(fā)送機PCM復用設備光中繼器光接收機PCM解復用設備（光）（光）(電）(電）信息信息光纖通信系統的組成簡圖7/24/202310信息學科導論CN3.2光纖通信技術—器件光有源器件光源、光檢測器和光放大器；是光發(fā)射機、光接收機和光中繼器的關鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統的水平。光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復用器、調制器、光開關和隔離器等這些器件對光纖通信系統的構成、功能的擴展和性能的提高都是不可缺少的。WDM/DWDM器件波分復用/解復用器件波長分配器波長變換器光交叉聯接器OXC7/24/202311信息學科導論CN3.2光纖通信技術—光纖結構及分類光纖分為纖芯、包層、涂覆層（材料為硅酮樹脂等）、套塑等層光纖按折射率分布來分均勻光纖,非均勻光纖；階躍型,漸變型光纖按照傳輸模數的多少來分單模光纖（SM）：多摸光纖（MM）：光纖按組成份分石英系列,多組份玻璃,氟化物,塑料,液芯光纖按傳輸波長分短波長0.85,長波長1.3,1.55,1.85,超長波長>2.0光纖按涂覆方式分緊套,松套光纖按標準分G.652.G.653.G.654.G.655.G.6567/24/202312信息學科導論CN3.2光纖通信技術—光纖結構及分類SMSingle-ModeFibertypesMM-SIMulti-ModeStepIndexMM-GIMulti-ModeGradedIndex7/24/202313信息學科導論CN3.2光纖通信技術—傳輸技術的演進模擬信號數字傳輸：高質、安全、集成……光纖傳輸：寬帶、低損、無電磁干擾、價低……光纖數字傳輸綜合好處→PDH飛速發(fā)展PDH(準同步數字系列)的組網缺點→SDH(同步數字系列)：靈活的組網能力、強大的網管、帶寬管理及自愈保護……SDH與PDH均為TDM（時分復用）電子電路限制高速SDH的發(fā)展電子瓶頸波分復用（WDM，DWDM）+EDFA擴展傳輸容量的新手段全光通信網信息高速公路的骨干網7/24/202314信息學科導論CN3.2光纖通信技術—光纖傳輸系統的發(fā)展EMUX電端機再生中繼再生中繼EDMUX電復用電端機同軸電纜、微波……電解復用圖3.10傳統的電傳輸系統O/E/O光纜EMUX光發(fā)送再生中繼再生中繼EDMUX電復用光接收圖3.11光電混合型光纖傳輸系統電解復用光纜光纜O/E/O圖3.12DWDM光纖傳輸系統OMUXODMUXOAOAOA光發(fā)送光發(fā)送光發(fā)送λ１λ２λΝλ１，λ２……λΝ光接收光接收光接收λ１λ２λΝ7/24/202315信息學科導論CN3.2光纖通信技術—光纖通信技術的進展20多年來光纖通信技術在發(fā)掘、利用光纖帶寬資源，擴展光纖傳輸能力方面進展神速。（傳輸能力主要指：通信容量和傳輸距離）。在光波長和光纖類型方面多模光纖單模光纖短波長800nm長波長1300nm(1310nm)、1550nm一纖一波一纖多波WDM使光纖通信系統的容量大大增加,是光纖通信技術的重大突破。90年代中期，美國AT&T和MCI公司首先建立了光波分復用WDM試驗線路MCI的試驗線路，從SanLuis到支加哥，365英里，容量為4x10Gbps，用于市民通信，有商業(yè)價值。AT&T的實驗線路全長2000公里，用于公司內部通信。由于密集波分復用和微電子技術的進步，使光纖通信傳輸系統的容量爆炸性的增長7/24/202316信息學科導論CN3.2光纖通信技術—WDM+EDFATXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120km120km120kmWDM+EDFA革新了光纖傳輸DEM7/24/202317信息學科導論CN3.2光纖通信技術—光纖通信的優(yōu)勢經濟優(yōu)勢頻率資源豐富,通信容量極大粗略地講，一根光纖傳輸數字信號的碼速容量在理論上可達40Tbit/s（T=1012）最好的金屬導線，可傳輸的數字信號的碼速為400Mbit/s。差5個數量級。容量較微波通信可提高103～104倍。傳輸損耗低、無中繼通信距離長當光波長λ=1.55um時，衰減有最低點。可低達0.2dB/km，接近理論值。這樣中繼數量減少，成本低，通信質量高。

節(jié)約銅(鋁)和鉛抗干擾能力強,保密性能好（不受電磁、強電干擾）光纜耐腐蝕,重量輕,體積小（占用空間小，敷設方便）7/24/202318信息學科導論CN3.2光纖通信技術—光纖通信的優(yōu)勢與缺點技術優(yōu)勢與電信接續(xù)容量安全性,可靠性提高;在線監(jiān)控容易實現擴容方便方便解決區(qū)間通信光纖通信的缺點質地脆，機械強度低要有較好的切斷、連接技術要有較好的檢測技術分路、耦合比較麻煩。7/24/202319信息學科導論CN3.2光纖通信技術—光纖通信的歷史與現狀在60年代中期，最好的光學玻璃的傳輸損耗仍高達

1000dB/km。即，如果信號傳輸1公里后檢測到一個波長為1μm的光子(其能量hυ≒2×10-19焦耳)，則在其輸入端要輸入的光的能量為2×1081焦耳。這將遠超過太陽系自形成以來的，全部輻射能量的總和

1966年英籍華人高錕博士（原香港中文大學校長，北京大學名譽教授）和Hockham

指出：如果利用帶有包層材料的石英玻璃光學纖維(光纖)，玻璃中雜質的濃度精確地控制在0.1ppm以下)，就可以制造出損耗低于20dB/km的光導纖維。鍍銀銅線單芯高頻低損耗電纜衰減：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=1.931×105Ghz7/24/202320信息學科導論CN3.2光纖通信技術—光纖通信的歷史與現狀1970年美國康寧*

（Corling）玻璃公司的卡普隆(Kapron)利用外部氣相沈積法(OutsideVapor-phaseQxidationDepositionMethod：OVD)作出損耗為20dB/km光纖，使光導纖維的發(fā)展得到突破。1972年康寧玻璃公司研發(fā)出損耗為7dB/km的光纖1974年美國貝爾實驗室*（BellLaboratory

）利用改良式化學氣相沈積法(ModifiedChemicalPhaseDepositionMethod：MCVD)成功地制造出損耗僅2.5dB/km的光纖

1976年日本電報電話公司*（NTT）制造出0.47dB/km

的低損耗光纖1978年日本電報電話公司（NTT）將光纖損耗降為0.2dB/km1986年日本住友電工*(Sumitomo)將光纖損耗降為0.154dB/km2002年日本住友電工*(Sumitomo)將光纖損耗降為0.1484dB/km直至1982年之後，單模光纖通信系統才開始使用。所用之光源為激光二極管，而所使用之光探測器是雪崩二極管

目前商用光纖損耗在1.55m波段約為0.17dB/km7/24/202321信息學科導論CN3.2光纖通信技術—光纖通信的歷史與現狀截至2004年底，我國骨干通信網總長度已達370萬公里，這些光纜線路總投資超過千億元，但利用率卻不足20%，而城域網的利用率還不足30%，FLAG－FiberOpticLink aroundtheGlobe架空光纜直埋光纜北京上海至歐洲至日本FLAG至韓國至朝鮮至俄羅斯我國光纜骨干網分布圖至東南亞7/24/202322信息學科導論CN3.3交換技術--交換的基本概念交換的概念S交換機7/24/202323信息學科導論CN3.3交換技術--交換的基本概念交換(Switching)：將一條線路(或信道)上的信息轉發(fā)到另一條或多條線路(或信道)上去，這是由通信網中的結點(node)來完成的。SSSSSSST匯接交換機中繼線7/24/202324信息學科導論CN3.3交換技術--交換的基本概念網絡交換結點(交換機)的基本功能：能正確接收和分析從線路（用戶線或中繼線）上發(fā)來的呼叫信號和地址信號；能按目的地址正確地選路，并能在中繼線上轉發(fā)信號；能控制連接的建立和拆除（即能分配和回收/釋放通信資源）。能正確地轉發(fā)用戶信息。7/24/202325信息學科導論CN3.3交換技術--電話交換機發(fā)展過程電話交換技術發(fā)展時間最長、形式多樣人工交換機電交換電子交換機電交換：步進制縱橫制電子交換：布控制程控制信號形式：模擬交換數字交換業(yè)務功能：電話業(yè)務綜合業(yè)務程控數字交換機:現代電信網的核心設備可用于：固定電話網(PSTN)、綜合業(yè)務數字網（ISDN）、移動通信網（PLMN）、智能網（IN）、等等。主要特點?7/24/202326信息學科導論CN3.3交換技術--交換技術的種類傳統窄帶交換技術電路交換(CircuitSwitching)原理：“開關切換”、同步時分復用

特點：延遲小、線路(資源)利用率低應用：語音通信、PSTN等電信網報文交換(MessageSwitching)原理：存儲-轉發(fā)、統計復用特點：延遲長、效率低應用：(被淘汰)分組交換(PacketSwitching)原理：存儲-轉發(fā)、統計復用、數據分組(packet)特點：延遲較長、線路（資源）利用率高、簡單靈活應用：數據通信、計算機網絡7/24/202327信息學科導論CN3.3交換技術--交換技術的種類現代寬帶交換技術幀中繼（FrameRelay）高速分組交換技術兩層結構、面向連接型主要用于遠程LAN互連ATM交換(AsynchronousTransferMode)兼具CS和PS的優(yōu)點信元(cell)交換、異步復用、面向連接型可用于LAN、WAN和B-ISDN(支持多業(yè)務)。7/24/202328信息學科導論CN3.3交換技術--交換技術的發(fā)展IP與ATM結合:重疊模式：CIPOA(ClassicalIPoverATM)LANE(LANEmulation)MPOA(MultipleProtocoloverATM)集成模式：IPSwitching、TagSwitching或其它MPLS(MultipleProtocolLabelSwitching)7/24/202329信息學科導論CN3.3交換技術--交換技術的發(fā)展光交換(OpticalSwitching)商用單波光纖10–2000Gbps

電子交換光交換全光網絡波分、時分、自由空間、混合光交換軟交換(SoftSwitching)下一代網絡NGN的核心技術以IP網作為核心承載網絡在異構網絡間提供無縫的互操作功能業(yè)務與呼叫控制、呼叫控制與承載分離軟交換系統/NGN采用四層結構(業(yè)務應用層、控制層、傳送層、邊緣接入層)。7/24/202330信息學科導論CN3.4多媒體通信—概述在技術發(fā)展史上，計算機、通信和廣播電視一直是三個互相獨立的技術領域，各自有著互不相同的技術特征和服務范圍。但是，近幾十年來，隨著數字技術的發(fā)展，這三個原本各自獨立的領域相互滲透、相互融合，形成了一門嶄新的技術—多媒體。多媒體技術的應用與發(fā)展，又反過來進一步加速了這三個領域的融合，使多媒體通信成為通信技術今后發(fā)展的主要方向之一。7/24/202331信息學科導論CN3.4多媒體通信—多媒體概念媒體（Medium）：承載和傳播信息的載體。Medium(Media)有“中間物、中介”之意。人與人之間所賴以交流和溝通思想、觀念或意見的中介物，便可稱之為媒體。多媒體(Multimedia)：多種媒體的綜合應用，這里的“媒體”一般指的是感覺媒體（如視覺和聽覺媒體）和表示媒體（如文本、圖形、圖像、聲音、視頻、動畫等）。多種信息載體的表現形式、存儲與傳遞方式的有機集合；而且一般應包含兩種以上相關聯的媒體，其中至少有一種為時間相關的連續(xù)媒體，如聲音或視頻等。7/24/202332信息學科導論CN3.4多媒體通信—多媒體通信多媒體通信：多媒體技術+通信技術多媒體通信技術是計算機技術、音視頻技術和通信技術相互滲透、相互影響的結果，因此，它具有計算機的交互性、聲音和視頻的真實性(實時同步展現)以及通信系統的分布性。多媒體通信中的“媒體”特指表示媒體.也就是多媒體通信系統中要有存儲、傳輸、處理、顯示多種表示媒體信息（即多種編碼信息，如聲音、圖像、文本等媒體數據）的功能。7/24/202333信息學科導論CN3.4多媒體通信—多媒體通信多媒體通信的基本特點：數據量大、實時性高；傳輸具有不同特征的多種業(yè)務流（集成性）;存在時空約束（同步性）；具有交互性（對稱/不對稱，同步/異步）；支持分布式處理和協同工作(分布性)。7/24/202334信息學科導論CN3.4多媒體通信—流媒體流媒體（ＳtreamingMedia）：在網絡上流式傳輸的連續(xù)時基媒體（包括音頻、視頻和動畫等）。狹義的流媒體是指：不同于傳統的下載播放方式，而是從Internet上邊下載、邊播放的連續(xù)多媒體數據流。廣義的流媒體是指：流媒體系統，即使音頻、視頻數據形成連續(xù)而穩(wěn)定的傳輸流和回放流的一系列技術、方法和協議的總稱。7/24/202335信息學科導論CN3.4多媒體通信—超媒體超媒體（Hypermedia）＝超文本＋多媒體超文本（Hypertext）：采用非線性的網狀結構組織塊狀信息的電子文檔；它也是一種信息管理技術，由信息結點和表示結點間相關性的鏈構成一個具有一定邏輯結構和語義的信息網絡．如果超文本結點具有不同媒體形式或包含多媒體信息，它就是超媒體．7/24/202336信息學科導論CN

寬帶通信網絡（傳輸、交換設備）3.4多媒體通信—多媒體通信系統的構成寬帶接入設備接入網寬帶接入設備接入網多媒體終端多媒體終端多媒體終端多媒體終端7/24/202337信息學科導論CN3.4多媒體通信—應用分類多媒體通信業(yè)務分類：多媒體信息服務多媒體遠程通信多媒體協同工作還可細分為：會議業(yè)務（ConferenceServices）交談業(yè)務（ConversationServices）分配業(yè)務（DistributionServices）檢索業(yè)務（RetrievalServices）采集業(yè)務（CollectionServices）消息業(yè)務（MessageServices）7/24/202338信息學科導論CN3.5無線通信系統--現有無線通信系統移動蜂窩網系統第二代（GSM,IS-95)第三代（CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA）局域網系統無線局域網（WLAN）無線廣域網（WMAX）廣播電視系統衛(wèi)星通信系統近距無線通信網絡無線個域網（WPAN）無線傳感器網絡（WSN）無線射頻識別（RFID）7/24/202339信息學科導論CN3.5無線通信系統--通信系統的構成（點到點）信源編碼信道編碼調制低通濾波載波調制通道載波解調低通濾波解調信道解碼同步均衡信宿發(fā)射天線接收天線7/24/202340信息學科導論CN3.5無線通信系統—基本概念（2）幾種通信系統帶寬GSM：若干200KHz頻帶構成CDMA：若干1.25MHz頻帶構成廣播數字電視（DVB-T）：若干6/7/8MHz頻帶帶寬構成。（3）無線電波的傳輸無線電發(fā)送是以自由空間為傳輸信道，把需要傳送的信息(聲音、文字或圖象)變換成無線電波傳送到遠方的接收點。希望傳送距離遠，要能實現多路傳輸，且各路信號傳輸時，應互不干擾（4）接收機的主要工作天線接收無線電波并轉化為電信號；對電信號進行濾波及解調；對接收信號進行糾錯解碼；對信源信號進行解壓縮得到原始信號；數字通信的接收機復雜度大于發(fā)射機；一般來講接收機需要對付信道對發(fā)射信號的畸變；發(fā)射信號的設計要以接收機能否正常接收到發(fā)射信號為原則。7/24/202341信息學科導論CN3.5無線通信系統—無線通信系統的研究內容①信道編碼/解碼的研究（糾錯編碼）BCH碼，卷積碼，turbo碼，LDPC碼②調制/解調技術的研究BPSK，QAM，OFDM…③天線與傳輸技術的研究天線發(fā)射/接收，方向性天線，智能天線，多天線技術。④無線通信系統的硬件實現給出解決方案，進行硬件實現7/24/202342信息學科導論CN3.5無線通信系統—展望（6）一體化通信網絡的構想①核心：高速光纖傳輸網絡②地面：接入、蜂窩、局域、城域③上層：天基網絡④垂直：衛(wèi)星網絡⑤下層：自組織、傳感器網絡（7）無線通信面臨的挑戰(zhàn)隨時隨地連接網絡；多種業(yè)務多種設備的集合：語音，數字，音頻，視頻；電話，電視，照相機，計算機；產品的小型化、低功耗、低成本。7/24/202343信息學科導論CN3.5無線通信系統—GSM介紹GlobalSystemforMobilecommunication，全球移動通信系統，個人無線通信優(yōu)點：移動性良好。缺點：頻帶利用率低。提高空間利用率的策略：減小無線電波覆蓋面積，提高信號接收效率。主要技術方案：減小蜂窩尺寸，扇區(qū)分割技術，智能天線技術，多天線技術（MIMO）7/24/202344信息學科導論CN3.5無線通信系統—衛(wèi)星通信介紹衛(wèi)星通信簡單地說就是地球上(包括地面和低層大氣中)的無線電通信站間利用衛(wèi)星作為中繼而進行的通信。衛(wèi)星通信系統由衛(wèi)星和地球站兩部分組成。衛(wèi)星通信的特點是:通信范圍大;廣播;易開通.通信衛(wèi)星（communicationssatellite）是各類衛(wèi)星通信系統或衛(wèi)星廣播系統的空間部分。一顆靜止軌道通信衛(wèi)星大約能夠覆蓋地球表面的40％，使覆蓋區(qū)內的任何地面、海上、空中的通信站能同時相互通信。在赤道上空等間隔分布的3顆靜止通信衛(wèi)星可以實現除兩極部分地區(qū)外的全球通信。

圖3.21衛(wèi)星通信7/24/202345信息學科導論CN3.5無線通信系統—無線傳感器網絡無線傳感器網絡（Wireless

Sensor

Network,

WSN）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。WSN一般有sensor

node（傳感器節(jié)點）與基站(稱作sink,用來集中從小型傳感器收集的數據)傳感器節(jié)點是一種非常小型的計算機，一般由以下幾部分組成：①處理器和內存（一般能力都比較有限）。②各類傳感器（溫度、濕度、聲音、加速度、全球定位等）。③通訊設備（一般是無線電收發(fā)器或光學通信設備）。④電池（一般是干電池，也有使用太陽能電池的）。⑤其他設備，包括各種特定用途的芯片，串行并行接口等（USB，RS232）。7/24/202346信息學科導論CN3.5無線通信系統—無線射頻識別RFID是射頻識別技術的英文(RadioFrequencyIdentification)的縮寫，射頻識別技術是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術，射頻識別技術是一項利用射頻信號通過空間耦合