數(shù)字通信入門課件

4.1數(shù)字通信入門

4.1.1通信的基本原理通信系統(tǒng)模型有線通信與無線通信調(diào)制解調(diào)技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)

4.1.2交換技術(shù)第1頁/共39頁4.1.1數(shù)字通信的基本原理(1)通信的基本模型第2頁/共39頁什么是通信(communication)？廣而言之，通信就是信息的(遠(yuǎn)距離)傳遞與交換現(xiàn)代通信——使用電波或光波傳遞信息的技術(shù)，也稱為電信（telecommunication），如電報(bào)、電話、傳真、電子郵件、QQ等，電視也可看作是一對(duì)多的單向通信通信的發(fā)展歷史：1836年，英國(guó)建成第一條電報(bào)線路(Morse電報(bào))1876年，美國(guó)人A.G.Bell研制成可供實(shí)用的電話20世紀(jì)初，馬可尼實(shí)現(xiàn)了跨越大西洋的無線電報(bào)通信1918年，出現(xiàn)收音機(jī)和無線電廣播1938年，第一個(gè)電視臺(tái)開始播出1940’s出現(xiàn)彩色電視1960’s出現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第3頁/共39頁對(duì)通信系統(tǒng)的一般要求遠(yuǎn)距離：傳輸距離要遠(yuǎn)低成本：傳輸成本要低高速度：從發(fā)生到接收的延遲時(shí)間要短可靠：傳輸?shù)男畔⒉荒苡绣e(cuò)誤方便：任何時(shí)間和地點(diǎn)都能通信安全：傳輸?shù)男畔⒁Ｃ?，不能泄漏?頁/共39頁通信系統(tǒng)的模型通信的三要素：信道信源(宿)信宿(源)信號(hào)信號(hào)舉例:信道的任務(wù)是迅速、可靠而準(zhǔn)確地將信號(hào)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(hào)的形式才能進(jìn)行傳輸發(fā)送信息的設(shè)備接收信息的設(shè)備有線電話移動(dòng)電話計(jì)算機(jī)通信信源/信宿電話座機(jī)手機(jī)計(jì)算機(jī)信號(hào)形式話音經(jīng)電話機(jī)轉(zhuǎn)換成為變化的電流信號(hào)話音經(jīng)電話機(jī)轉(zhuǎn)換成為壓縮編碼后的數(shù)字信號(hào)編碼并打包后的數(shù)字信號(hào)信道構(gòu)成電話線和中繼器等傳輸設(shè)備無線電波、基站等雙絞線、集線器、路由器、光纖等第5頁/共39頁模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)通信系統(tǒng)中被傳輸?shù)男畔⒈仨氜D(zhuǎn)換成某種電信號(hào)(或光信號(hào))才能進(jìn)行傳輸t數(shù)字信號(hào)信號(hào)強(qiáng)度模擬信號(hào)信號(hào)強(qiáng)度t電信號(hào)(或光信號(hào))有兩種形式：模擬信號(hào)形式:通過連續(xù)變化的物理量（如信號(hào)的幅度）來表示信息，例如人們打電話或者播音員播音時(shí)聲音經(jīng)話筒(麥克風(fēng))轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)；數(shù)字信號(hào)形式:使用有限個(gè)狀態(tài)(一般是2個(gè)狀態(tài))來表示（編碼）信息，例如電報(bào)機(jī)、傳真機(jī)和計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)00110

10

0

0

1第6頁/共39頁什么是數(shù)字通信？數(shù)字通信——通信終端之間以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行通信數(shù)字通信有2種情況：終端設(shè)備發(fā)出和接收的都是數(shù)字信號(hào)，例如：計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信、手機(jī)與手機(jī)之間的通信發(fā)送方發(fā)出的是模擬信號(hào)，但把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后再進(jìn)行傳輸；接收方把收到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后再予以處理和使用數(shù)字通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，差錯(cuò)可控制，無噪聲積累，傳輸質(zhì)量高靈活性好，能適應(yīng)多種應(yīng)用需求，聲音、圖像、數(shù)據(jù)均可傳輸傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)可以直接由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和處理數(shù)字信號(hào)的加密比模擬信號(hào)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(shí)現(xiàn)，有利于通信設(shè)備的小型化、微型化，也降低了功耗第7頁/共39頁(2)有線通信與無線通信需使用物理介質(zhì)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)氖怯芯€通信，例如：金屬導(dǎo)體（雙絞線、同軸電纜），傳輸電流信號(hào)光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱光纖），傳輸光信號(hào)在自由空間進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)氖菬o線通信，傳輸?shù)氖请姶挪ㄐ盘?hào)第8頁/共39頁傳輸介質(zhì)的類型與特點(diǎn)介質(zhì)類型特點(diǎn)應(yīng)用有線通信雙絞線成本低，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(jì)算機(jī)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(zhǎng)距離傳輸載波信號(hào)，但成本較高固定電話中繼線路、有線電視接入光纜傳輸損耗小，通訊距離長(zhǎng)，容量大，屏蔽特性非常好，不易被竊聽，重量輕，便于運(yùn)輸和鋪設(shè)。缺點(diǎn)是精確連接兩根光纖很困難電話、電視等通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)程干線，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的干線無線通信自由空間使用微波、紅外線、激光等，建設(shè)費(fèi)用低，抗災(zāi)能力強(qiáng)，容量大，無線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(dòng)通信系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)無線局域網(wǎng)第9頁/共39頁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(10Mb/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(nèi)層導(dǎo)線金屬屏蔽外絕緣層絕緣體同軸電纜分類基帶同軸電纜（50Ω）以前在以太網(wǎng)中使用寬帶同軸電纜（75Ω）有線電視網(wǎng)使用信號(hào)線地線套管無屏蔽雙絞線第10頁/共39頁光纖與光纜多根光纖保護(hù)層防止光泄漏的吸收外殼起保護(hù)作用的防護(hù)層外絕緣層光波在光纖中的傳播光導(dǎo)纖維（光線的入射角足夠大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)全反射，重復(fù)此過程，光就沿著光纖傳播下去）纖芯

包層保護(hù)層光波光纜光纖保護(hù)層第11頁/共39頁無線通信原理：數(shù)字(或模擬)信號(hào)使用電磁波調(diào)制后進(jìn)行傳輸1041051061071081091010101110121013101410151016Hz雙絞線同軸電纜AM廣播FM廣播和TV衛(wèi)星地面微波光纖紫外線紅外線可見光微波無線電波超短波中波短波電磁波的種類與頻率范圍

無線電波: 104

～1011(Hz)

中波： 0.3～3(MHz) 短波： 3～30(MHz) 超短波： 30～300(MHz)

微波： 0.3～300(GHz)

紅外線： 1011

～1014(Hz)

可見光： 1014(Hz)

紫外線： 1014

～1016(Hz)

無線廣播電視、通信通信第12頁/共39頁微波通信微波：300MHz～300GHz范圍內(nèi)的電磁波，波長(zhǎng)為1m～1mm特點(diǎn)：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(shè)立一個(gè)中繼站容量大、可靠性高建設(shè)費(fèi)用低抗災(zāi)能力強(qiáng)應(yīng)用：長(zhǎng)途電話、蜂窩移動(dòng)電話、全數(shù)字高清晰度電視（HDTV）等第13頁/共39頁個(gè)人移動(dòng)通信處于移動(dòng)狀態(tài)的對(duì)象相互間的通信，如手機(jī)、無繩電話、尋呼系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)：克服通信終端位置對(duì)用戶的限制，快速和及時(shí)地傳遞信息基站移動(dòng)臺(tái)（手機(jī)）移動(dòng)電話交換中心公用電話網(wǎng)第14頁/共39頁蜂窩移動(dòng)通信原理每10km～20km的區(qū)域稱為單元（形似蜂窩），單元的中央建有一個(gè)基站，該單元內(nèi)所有手機(jī)都向該基站發(fā)送信號(hào)并接收基站發(fā)給的信號(hào)所有單元既相互分割，又彼此有所交疊，連成整個(gè)移動(dòng)通信服務(wù)網(wǎng)所有基站都通過微波或電纜、光纜與移動(dòng)交換中心通信手機(jī)每個(gè)時(shí)刻都處于某個(gè)特定單元的基站控制之下，通話時(shí)使用兩個(gè)頻率（一個(gè)上行頻率，一個(gè)下行頻率），同一單元內(nèi)同一時(shí)刻的不同手機(jī)使用不同的頻率進(jìn)行通信，相互不影響每個(gè)蜂窩單元中有200多個(gè)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(dòng)交換中心電話交換中心第15頁/共39頁第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）第2代移動(dòng)通信的不足：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率過低（9.6kb/s或57kb/s），僅可傳輸語音和文字（2）容量有限，不能滿足發(fā)達(dá)地區(qū)手機(jī)用戶高度密集的要求。（3）不能實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的無縫連接3G的目標(biāo)：（1）提供高質(zhì)量的語音通信、數(shù)據(jù)通信和高分辨率圖像通信（2）提供足夠的系統(tǒng)容量，具有高保密性和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)（3）地面移動(dòng)通信與衛(wèi)星移動(dòng)通信相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全球漫游使用的頻譜：1885MHz~2025MHz，2110MHz~2200MHz

傳輸速率：室內(nèi)：2Mb/s，步行：384kb/s，快速移動(dòng)：114kb/s我國(guó)采用的3種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：中國(guó)移動(dòng)TD-SCDMA(時(shí)分-同步碼分多址接入)，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)中國(guó)電信CDMA2000中國(guó)聯(lián)通W-CDMA第16頁/共39頁(3)調(diào)制解調(diào)技術(shù)第17頁/共39頁數(shù)字通信采用的技術(shù)數(shù)字調(diào)制/解調(diào)技術(shù)（調(diào)幅；調(diào)頻；調(diào)相）解決信號(hào)傳得遠(yuǎn)的問題多路復(fù)用技術(shù)（時(shí)分多路；頻分多路；波分多路）提高傳輸線路使用效率、降低傳輸成本交換技術(shù)（電路交換；分組交換）動(dòng)態(tài)分配信道資源，提高傳輸效率和質(zhì)量模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換技術(shù)；數(shù)字編碼和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)第18頁/共39頁數(shù)字信號(hào)如何傳輸？近距離傳輸：直接(基帶)傳輸

例如：USB移動(dòng)硬盤－>主機(jī)；以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)距離傳輸：載波傳輸例如：數(shù)字有線電視；電話撥號(hào)上網(wǎng)；ADSL上網(wǎng)什么是載波？研究發(fā)現(xiàn)，高頻振蕩的正弦波信號(hào)在長(zhǎng)距離通信中能夠比其他信號(hào)傳送得更遠(yuǎn)。因此若把高頻振蕩的正弦波信號(hào)作為攜帶信息的載波，把數(shù)字信號(hào)放在(調(diào)制在)載波上傳輸，則可比直接傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)得多第19頁/共39頁數(shù)字信號(hào)的三種調(diào)制方法(ASK)幅移鍵控(FSK)頻移鍵控00110100010調(diào)制信號(hào)(兩個(gè)狀態(tài))(PSK)相移鍵控載波信號(hào)(高頻正弦波)調(diào)制后的載波信號(hào)傳輸信號(hào)解調(diào)器載波信號(hào)調(diào)制后的載波信號(hào)傳輸信號(hào)調(diào)制器載波信號(hào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的設(shè)備分別稱為“調(diào)制器”和“解調(diào)器”：第20頁/共39頁信道信源(宿)信宿(源)調(diào)制后的載波

信號(hào)接收到的載波

信號(hào)調(diào)制(解調(diào))器(調(diào)制)解調(diào)器載波載波小結(jié)1:遠(yuǎn)距離通信必須使用MODEM通信一般是雙向進(jìn)行的，收發(fā)雙方都需要調(diào)制器與解調(diào)器，它們通常做在一起，稱為調(diào)制解調(diào)器(MODEM)信源信號(hào)通過調(diào)制器調(diào)整載波的某個(gè)參數(shù)(幅度、頻率或相位)到達(dá)目的地后，使用解調(diào)器把載波所攜帶的信號(hào)檢測(cè)出來，恢復(fù)為原始信號(hào)的形式經(jīng)過調(diào)制后的載波信號(hào)，攜帶著被傳輸?shù)男盘?hào)在信道中進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸?shù)?1頁/共39頁(4)多路復(fù)用技術(shù)第22頁/共39頁怎樣降低傳輸成本？分析：通信系統(tǒng)中，傳輸線路的建設(shè)和維護(hù)成本占整個(gè)系統(tǒng)成本的相當(dāng)大的份額一條傳輸線路（銅線、光纖、無線電波）的容量通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳輸1路用戶信號(hào)所需的能力降低成本采用的技術(shù)——多路復(fù)用技術(shù)(Multiplexing)多路信號(hào)使用同一條傳輸線同時(shí)進(jìn)行傳輸方法：頻分多路復(fù)用（FDM）時(shí)分多路復(fù)用（TDM）波分多路復(fù)用（WDM）第23頁/共39頁DEMUXMUX

共享的傳輸信道載波頻率f1調(diào)制調(diào)制載波頻率fn載波頻率f1解調(diào)解調(diào)載波頻率fnf頻分多路復(fù)用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)

思想：將每個(gè)通信終端發(fā)送的信號(hào)調(diào)制在不同頻率的載波上，通過頻分多路復(fù)用器(MUX)將它們復(fù)合成為一個(gè)信號(hào)，然后在同一傳輸線路上進(jìn)行傳輸。抵達(dá)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(shè)備工作原理：將不同頻率的載波信號(hào)合成在一起使用一組濾波器分解出不同頻率的載波信號(hào)第24頁/共39頁時(shí)分多路復(fù)用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)

思想：各通信終端（計(jì)算機(jī)、電話）以規(guī)定的順序和時(shí)間輪流使用同一傳輸線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作原理：HFGEDCBA傳輸線路時(shí)間片GC終端1終端2終端3終端4HDFBEA多路復(fù)用器43214321數(shù)據(jù)tMultiplexer多路分路器終端甲終端乙終端丙終端丁EAFBGCHDDemultiplexer應(yīng)用：主要使用在數(shù)字通信領(lǐng)域，如電話中繼通信、GSM手機(jī)、總線式以太網(wǎng)等第25頁/共39頁發(fā)送方：數(shù)據(jù)時(shí)間異步時(shí)分多路復(fù)用數(shù)據(jù)發(fā)送方和接收方也可以異步地進(jìn)行信息傳輸。即：發(fā)送方有數(shù)據(jù)且信道有空閑時(shí)就發(fā)送，沒有數(shù)據(jù)時(shí)即使輪到它，也不占用信道。這樣可以大大提高信道的利用率實(shí)現(xiàn)方法：在被傳輸數(shù)據(jù)中必須附加上接收方的“地址”第26頁/共39頁波分多路復(fù)用(WaveDivisionMultiplexing,WDM)

為提高傳輸效率，1根光纖中可以同時(shí)傳輸幾種不同波長(zhǎng)的光波，每種光波各自傳輸自己所攜帶的信息，速率可達(dá)到40G-100Gbit/s原理：光纖發(fā)送端有N個(gè)發(fā)送單元，它們各自發(fā)出不同波長(zhǎng)的光波通過復(fù)用器（稱為合波器）合并起來，進(jìn)入同一根光纖進(jìn)行傳輸接收端用分路器(稱為分波器)將不同波長(zhǎng)的光分開，分別送到各自的光電檢測(cè)器恢復(fù)出原始信號(hào)示意圖復(fù)合光第27頁/共39頁小結(jié)2:多路復(fù)用可以降低通信成本通信系統(tǒng)的原理示意圖復(fù)用（分路）信道信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器復(fù)用（分路）信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器······多路復(fù)用技術(shù)使得成千上萬路通信可以在同一條傳輸線上同時(shí)進(jìn)行，大大節(jié)省了通信成本頻分多路、時(shí)分多路和波分多路等技術(shù)可以同時(shí)使用，以提高復(fù)用效率第28頁/共39頁4.1.2分組交換原理第29頁/共39頁通信系統(tǒng)中“交換”的含義“交換”(switching)的含義就是轉(zhuǎn)接——把一條鏈路轉(zhuǎn)接到另一條鏈路，使它們連通起來從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路的資源常用的交換方式：電路交換分組交換…交換機(jī)第30頁/共39頁什么是電路交換？電路交換的過程：建立連接通信釋放連接應(yīng)用：電話通信((((交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA分析：通話全過程中用戶始終占用端到端的傳輸信道由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸具有突發(fā)性，不適合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信第31頁/共39頁什么是分組交換(PacketSwitching)?分組交換的要點(diǎn)：被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須劃分為若干“分組”(packet,簡(jiǎn)稱“包”)進(jìn)行傳輸每個(gè)分組中必須包含收、發(fā)雙方的地址每個(gè)分組的格式如下：有效載荷(傳輸?shù)臄?shù)據(jù))校驗(yàn)信息發(fā)送計(jì)算機(jī)地址目的計(jì)算機(jī)地址編號(hào)分組交換示意：321（c）132（b）不同的包在不同鏈路上進(jìn)行傳輸123321（d）到接收方后，再將收到的包按順序組合在一起321321（a）發(fā)送方將數(shù)據(jù)分成3個(gè)包表示分組交換機(jī)第32頁/共39頁分組交換與存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的過程發(fā)送數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)將包發(fā)給它所連接的分組交換機(jī)交換機(jī)每收到一個(gè)包，就檢查該包的目的地地址：若數(shù)據(jù)包目的地是直接與之相連的計(jì)算機(jī)，交換機(jī)就將包發(fā)往該計(jì)算機(jī)若目的地不是本分組交換機(jī)上的計(jì)算機(jī)，則選擇一個(gè)輸出端口，通過連接該端口的高速數(shù)字線路轉(zhuǎn)發(fā)給另一臺(tái)交換機(jī)（如果線路忙，則可放在對(duì)應(yīng)的緩沖器中排隊(duì)等候）下一臺(tái)交換機(jī)收到數(shù)據(jù)包之后，重復(fù)過程2直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的計(jì)算機(jī)為止例1：計(jì)算機(jī)C發(fā)送數(shù)據(jù)包給計(jì)算機(jī)H例2：計(jì)算機(jī)A發(fā)送數(shù)據(jù)包給計(jì)算機(jī)G交換機(jī)1123412345交換機(jī)2123412345交換機(jī)3123451234交換機(jī)4123451234高速數(shù)字通信干線ABCDEFGH第33頁/共39頁分組交換機(jī)中的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)過程H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組交換機(jī)主機(jī)在交換機(jī)

E

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口最后到達(dá)目的主機(jī)

H5在交換機(jī)

C

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在交換機(jī)

A

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口第34頁/共39頁分組交換網(wǎng)中傳輸路徑的變化H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1向H5

發(fā)送分組H2向H6

發(fā)送分組注意分組路徑的變化！交換機(jī)主機(jī)第35頁/共39頁實(shí)現(xiàn)分組交換的關(guān)鍵設(shè)備：

——分組交換機(jī)分組交換機(jī)的任務(wù)是：負(fù)責(zé)包（分組）的轉(zhuǎn)發(fā)分組交換機(jī)的工作方式是：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)+路由選擇分組交換機(jī)的工作過程：從輸入端口收到一個(gè)包后，放入緩沖區(qū)檢查數(shù)據(jù)包的目的地址，查轉(zhuǎn)發(fā)表，決定該送哪個(gè)輸出端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)把包從輸入緩沖器中取出，送到相應(yīng)輸出端口的緩沖區(qū)中排隊(duì)輸出端口每發(fā)送完一個(gè)包，就從自己的