【大學(xué)課件】通信技術(shù)入門

通信技術(shù)入門通信技術(shù)連接了世界，塑造了現(xiàn)代社會。從日常通訊到互聯(lián)網(wǎng)，通信技術(shù)無處不在。通信的概述信息的傳遞通信是傳遞信息的橋梁，將人和人、人和物連接在一起。合作與交流通信是社會進(jìn)步的基石，促進(jìn)信息的共享和社會的協(xié)作?？缭娇臻g和時間通信突破了距離的限制，實(shí)現(xiàn)了全球范圍內(nèi)信息的快速傳播。科技發(fā)展和進(jìn)步通信技術(shù)的不斷發(fā)展，為人類社會帶來了深刻的變革。通信的基本原理信號的傳遞通信過程本質(zhì)上是信息的傳遞。信號作為信息的載體，通過通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。信息的編碼為了便于傳輸，信息需要被轉(zhuǎn)換成適合于通信系統(tǒng)傳輸?shù)男盘栃问?，這就是編碼的過程。信號的調(diào)制為了將信息信號有效地傳輸?shù)竭h(yuǎn)距離，需要將信息信號與載波信號結(jié)合，這就是調(diào)制過程。信號的解調(diào)在接收端，需要將接收到的信號還原成原始的信息信號，這就是解調(diào)過程。通信的基本形式單向通信信息只能從發(fā)送方傳送到接收方，例如廣播。雙向通信信息可以在發(fā)送方和接收方之間雙向傳遞，例如電話。半雙工通信信息只能在一方發(fā)送而另一方接收，例如對講機(jī)。全雙工通信信息可以在發(fā)送方和接收方之間同時雙向傳遞，例如互聯(lián)網(wǎng)。通信的基本組成部分發(fā)射機(jī)將信息轉(zhuǎn)換為電磁波，然后發(fā)送出去接收機(jī)接收來自發(fā)射機(jī)的電磁波，并將信息轉(zhuǎn)換為可理解的形式信號傳遞信息的媒介，可以是電磁波或其他形式的波信道信號傳輸?shù)穆窂?，可以是有線或無線信號的基本性質(zhì)11.頻率頻率是指信號在單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，單位是赫茲（Hz）。22.幅度幅度是指信號在變化過程中偏離其平均值的程度，代表信號的強(qiáng)度。33.相位相位是指信號在某一時刻相對其周期性變化的起始位置的偏移量，單位是弧度或度。44.持續(xù)時間信號持續(xù)時間是指信號從開始到結(jié)束的持續(xù)時間。分類和表示1模擬信號模擬信號是一種連續(xù)變化的信號。它隨時間連續(xù)變化，可以表示聲音、圖像等各種信息。2數(shù)字信號數(shù)字信號是一種離散的信號。它在時間上和幅度上都具有離散的數(shù)值，通常用0和1表示。3信號的表示信號可以用波形圖、頻譜圖、數(shù)學(xué)公式等方法進(jìn)行表示，便于分析和理解。模擬信號和數(shù)字信號模擬信號模擬信號是連續(xù)變化的信號，可以表示成連續(xù)變化的曲線。模擬信號的幅度和頻率可以連續(xù)變化，可以表示各種類型的信息。數(shù)字信號數(shù)字信號是離散變化的信號，它用一連串的數(shù)字來表示信息。數(shù)字信號的幅度和頻率都是離散的，只能取有限個值。信號的變換1模擬信號到數(shù)字信號模擬信號是連續(xù)的，而數(shù)字信號是離散的，需要進(jìn)行采樣和量化。2數(shù)字信號到模擬信號數(shù)字信號需要轉(zhuǎn)換為模擬信號才能進(jìn)行無線傳輸，使用調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。3頻率變換將信號從一個頻率范圍轉(zhuǎn)換為另一個頻率范圍，便于傳輸和接收。編碼的基本概念數(shù)字信號編碼是將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程，用0和1表示信息。信息轉(zhuǎn)換編碼將各種類型的信息轉(zhuǎn)換為可傳輸、存儲和處理的數(shù)字形式。提高效率編碼可以提高信息傳輸效率，減少傳輸錯誤，并方便信息處理和存儲。編碼的分類按編碼形式分類模擬編碼和數(shù)字編碼是兩種常見的編碼方式，分別用于模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。按編碼功能分類信源編碼和信道編碼是常見的兩種編碼功能，分別用于壓縮信息和提高傳輸效率。按編碼應(yīng)用分類音頻編碼、視頻編碼和數(shù)據(jù)編碼是常見的應(yīng)用領(lǐng)域，分別針對不同的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行處理。按編碼標(biāo)準(zhǔn)分類不同的編碼標(biāo)準(zhǔn)例如JPEG、MPEG、MP3等，根據(jù)不同的應(yīng)用場景和需求進(jìn)行制定。編碼的作用提高傳輸效率編碼可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成更緊湊的形式，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而提高傳輸效率。降低傳輸錯誤編碼可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成更易于傳輸?shù)男问?，降低傳輸過程中發(fā)生錯誤的可能性。增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性編碼可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改，增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性。提高兼容性編碼可以使不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換更加容易，提高兼容性。常見的編碼方式曼徹斯特編碼每一位中間都包含一個跳變，信號始終變化，適合高頻傳輸。抗噪聲能力強(qiáng)，但占用頻譜較寬。差分曼徹斯特編碼每一位開始時都包含一個跳變，但跳變的位置表示數(shù)據(jù)。與曼徹斯特編碼相比，頻譜利用率更高，但抗干擾能力弱。NRZ-L編碼用信號電平的低高電平代表0和1，信號電平不改變，容易受噪聲干擾。簡單易于實(shí)現(xiàn)，但抗噪聲能力差，適用于短距離傳輸。NRZ-I編碼用信號電平的跳變表示1，無跳變表示0，適用于短距離傳輸，但抗噪聲能力差。對時鐘信息的依賴性比較強(qiáng)，常用于數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域。傳輸媒體的種類有線傳輸媒體包括雙絞線、同軸電纜、光纖等。它們能提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，適用于各種應(yīng)用場景。無線傳輸媒體包括微波、衛(wèi)星、紅外線等，不受空間限制，傳輸距離遠(yuǎn)，但信號容易受到干擾影響。光纖光纖利用光波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有高帶寬、抗干擾、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，是未來通信的主流傳輸媒體。各種傳輸媒體的特點(diǎn)光纖光纖傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)，帶寬大，適合長距離傳輸。光纖主要用于骨干網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心和高速網(wǎng)絡(luò)。雙絞線雙絞線價格低廉，易于安裝和維護(hù)，適合短距離傳輸，但傳輸速度慢，抗干擾能力弱。同軸電纜同軸電纜傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)，適用于較短距離傳輸。同軸電纜主要用于電視信號傳輸，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸靈活，不受距離限制，適合移動設(shè)備和小型網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)主要用于家庭、辦公室和公共場所。有線傳輸介質(zhì)有線傳輸介質(zhì)是利用電纜或光纜進(jìn)行信號傳輸?shù)拿浇椤３Ｒ姷念愋桶p絞線、同軸電纜和光纖。它們具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。無線傳輸介質(zhì)無線傳輸介質(zhì)是指不需要使用物理線纜進(jìn)行信號傳輸?shù)拿浇?，主要依靠電磁波進(jìn)行信息傳播。常見的無線傳輸介質(zhì)包括微波、衛(wèi)星通信、紅外線、無線電波等。無線傳輸介質(zhì)具有靈活性高、安裝方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。調(diào)制的基本原理11.載波載波是一種頻率較高的連續(xù)波，可以攜帶信息。22.調(diào)制調(diào)制是指用低頻信號改變高頻載波的某一參數(shù)。33.解調(diào)解調(diào)是將調(diào)制信號還原成原始信息的過程。常見的調(diào)制方式振幅調(diào)制載波振幅隨調(diào)制信號變化。頻率調(diào)制載波頻率隨調(diào)制信號變化。相位調(diào)制載波相位隨調(diào)制信號變化。脈沖幅度調(diào)制脈沖幅度隨調(diào)制信號變化。調(diào)制的作用11.提高信號傳輸效率調(diào)制將低頻信號轉(zhuǎn)化為高頻信號，能夠有效提高傳輸距離。22.提高信道利用率多路信號通過調(diào)制可以共用一個信道，提升信道使用效率。33.提高抗干擾能力調(diào)制可以將信號頻率提升到更高的頻段，減少干擾。44.提高信號質(zhì)量調(diào)制可以改善信號的頻譜特性，提高抗噪聲能力。調(diào)制信號的特點(diǎn)帶寬占用調(diào)制信號的帶寬取決于調(diào)制方式和載波頻率。帶寬越寬，傳輸信息的能力越強(qiáng)?？乖肼暷芰φ{(diào)制信號的抗噪聲能力取決于信號的功率和噪聲的功率。功率越大，抗噪聲能力越強(qiáng)。傳輸距離調(diào)制信號的傳輸距離取決于信號的功率和傳輸媒介的特性。功率越大，傳輸距離越遠(yuǎn)。信息容量調(diào)制信號的信息容量取決于調(diào)制方式和帶寬。帶寬越寬，信息容量越大。多址接入技術(shù)什么是多址接入技術(shù)？多址接入技術(shù)是指在同一個信道上，允許多個用戶同時進(jìn)行通信的技術(shù)。它通過對信號進(jìn)行區(qū)分，使每個用戶可以獨(dú)占信道的一部分，實(shí)現(xiàn)多個用戶共享信道的目的。多址接入技術(shù)的種類多址接入技術(shù)主要包括以下幾種：頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)以及空間分多址(SDMA)。FDMA、TDMA和CDMA頻分多址將頻譜分成多個子頻帶，每個用戶使用不同的頻帶。用戶同時傳輸，不會相互干擾。時分多址將時間分成多個時隙，每個用戶分配不同的時隙。用戶輪流使用相同的頻帶。碼分多址每個用戶使用不同的碼序列進(jìn)行編碼，然后將信號疊加在相同的頻帶上。用戶同時傳輸，但不同碼序列互不干擾。各種接入技術(shù)的特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率不同接入技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率差異很大，取決于其帶寬和調(diào)制方式。成本不同的接入技術(shù)有著不同的成本結(jié)構(gòu)，包括設(shè)備成本、維護(hù)成本和運(yùn)營成本。覆蓋范圍無線接入技術(shù)可以覆蓋更廣闊的區(qū)域，而有線接入技術(shù)則受限于布線條件。安全性不同的接入技術(shù)有著不同的安全措施，以保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性和完整性。接入技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域移動通信TD-SCDMA、FDD-LTE、CDMA2000等技術(shù)，提供移動電話、移動互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。固定通信ADSL、VDSL、光纖到戶等技術(shù)，為家庭、企業(yè)提供高速寬帶接入。衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信技術(shù)，提供廣播、電視、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù)，尤其適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)。無線局域網(wǎng)Wi-Fi技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)連接，方便移動設(shè)備上網(wǎng)。數(shù)字通信系統(tǒng)的組成信號處理單元負(fù)責(zé)對數(shù)字信號進(jìn)行編碼、調(diào)制等處理，以適應(yīng)傳輸信道和接收設(shè)備的要求。傳輸系統(tǒng)將經(jīng)過處理的數(shù)字信號通過無線或有線的方式傳輸?shù)浇邮斩?。接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收傳輸來的信號，并對其進(jìn)行解調(diào)和解碼，還原為原始的數(shù)字信號。數(shù)字通信的基本流程1接收接收端接收信號2解調(diào)將接收信號恢復(fù)到原始信息3解碼將數(shù)字信號還原為原始數(shù)據(jù)4傳輸將信息信號通過傳輸介質(zhì)傳輸5編碼將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號6調(diào)制將數(shù)字信號調(diào)制為適合傳輸?shù)男盘枖?shù)字通信的優(yōu)缺點(diǎn)1優(yōu)點(diǎn)數(shù)字通信提供更高質(zhì)量、更可靠的通信體驗(yàn)，并支持更復(fù)雜的應(yīng)用。2優(yōu)點(diǎn)數(shù)字信號不易受噪聲干擾，可以進(jìn)行加密和壓縮，提高傳輸效率。3缺點(diǎn)數(shù)字通信需要額外的設(shè)備和技術(shù)支持，成本相對較高。4缺點(diǎn)數(shù)字信號需要進(jìn)行數(shù)字化處理，會造成一定的信息損失。數(shù)字通信的應(yīng)用移動通信移動通信技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦等設(shè)備，提供通話、短信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù)，改變了人們的溝通方式?；ヂ?lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基于數(shù)字通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全球范圍的網(wǎng)絡(luò)連接，為人們提供信息獲取、社交、購物、娛樂等服務(wù)。通信網(wǎng)絡(luò)的分類局域網(wǎng)局域網(wǎng)通常用于連接同一辦公室、建筑物或校園內(nèi)的設(shè)備。它們通常由較小的企業(yè)和組織使用。城域網(wǎng)城域網(wǎng)覆蓋一個城市或地區(qū)，將局域網(wǎng)連接起來。它們通常由電信公司或政府機(jī)構(gòu)運(yùn)營。廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)覆蓋全球，將不同的城域網(wǎng)和局域網(wǎng)連接起來。它們通常由大型電信公司運(yùn)營。無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)使用無線電波來傳輸數(shù)據(jù)，它允許設(shè)備在沒有物理電纜的情況下相互通信。各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中央設(shè)備連接所有節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單、易于管理。中央設(shè)備出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓?？偩€型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)連接到一條公共總線上，成本低、易于擴(kuò)展。某個節(jié)點(diǎn)故障不會影響其他節(jié)點(diǎn)，但總線出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)以環(huán)形連接，數(shù)據(jù)單向傳播，可靠性高。某個節(jié)點(diǎn)故障會影響整個網(wǎng)絡(luò)，但可以采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)提高可靠性。樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)，適合大型網(wǎng)絡(luò)，管理方便。上層節(jié)點(diǎn)故障會影響下層節(jié)點(diǎn)，但下層節(jié)點(diǎn)故障不影響上層節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)議是一組規(guī)則和約定，用于定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。協(xié)議層級結(jié)構(gòu)，例如OSI七層模型，用于組織和管理網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)確保不同設(shè)備和系統(tǒng)之間的互操作性。標(biāo)準(zhǔn)組織，如IEEE和IETF，制定標(biāo)準(zhǔn)，以確保網(wǎng)絡(luò)通信的兼容性?；ヂ?lián)網(wǎng)協(xié)議TCP/IP是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議套件。它們定義了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信方式，確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)允許網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如路由器和交換機(jī)，相互通信，并建立可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展從早期的電報電話發(fā)展到現(xiàn)代的互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異帶來了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益，推動著人類社會快速發(fā)展未來將繼續(xù)發(fā)展例如5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等通信系統(tǒng)安全信息加密信息加密技術(shù)，保護(hù)數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被竊取和篡改網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)防火墻、入侵檢測系統(tǒng)等，抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊安全維護(hù)定期進(jìn)行安全漏洞掃描和修復(fù)，確保通信系統(tǒng)的安全性信息加密技術(shù)對稱加密使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密，速度快，適合大量數(shù)據(jù)的加密。非對稱加密使用不同的密鑰進(jìn)行加密和解密，安全性更高，適合密鑰交換和數(shù)字簽名。哈希算法將任意長度的輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定長度的哈希值，用于數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證和密碼存儲。網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)1防火墻防火墻是網(wǎng)絡(luò)安全的重要組成部分，它可以阻止來自外部網(wǎng)絡(luò)的惡意訪問。2入侵檢測系統(tǒng)入侵檢測系統(tǒng)可以監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)流量，識別潛在的攻擊行為，并及時報警。3反病毒軟件反病毒軟件可以保護(hù)計算機(jī)免受病毒、木馬等惡意程序的攻擊。4安全策略制定安全策略，并嚴(yán)格執(zhí)行，可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險。系統(tǒng)安全維護(hù)1定期更新定期更新系統(tǒng)補(bǔ)丁，修復(fù)漏洞，提升系統(tǒng)安全性能。2安全監(jiān)測實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)安全風(fēng)險，及時采取應(yīng)對措施。3安全備份定期備份重要數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。4安全審計定期對系統(tǒng)安全進(jìn)行審計，查找安全隱患，改進(jìn)安全措施。通信技術(shù)的發(fā)展趨勢5G技術(shù)5G網(wǎng)絡(luò)具有超高速率、超低延遲和超高連接密度等特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)的趨勢將推動通信技術(shù)向更廣泛的領(lǐng)域擴(kuò)展。云計算云計算技術(shù)將為通信系統(tǒng)提供更大的存儲空間、計算能力和數(shù)據(jù)分析能力。通信技術(shù)的發(fā)展趨勢5G5G是一種移動通信技術(shù)，提供比以往更快的速度、更高的容量和更低的延遲。它支持各種應(yīng)用程序，例如自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)將物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，使設(shè)備能夠收集數(shù)據(jù)、相互通信和控制。它可以改善城市基礎(chǔ)設(shè)施、家庭安全和制造效率。云計算云計算提供按需訪問計算資源，例如服務(wù)器、存儲和軟件。它使公司能夠