《通信技術(shù)入門》PPT課件.ppt

1、1.3 通信技術(shù)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(diào)制與解調(diào) （3） 多路復(fù)用技術(shù),什么是通信(communication)？,廣而言之，通信就是信息的(遠(yuǎn)距離)傳遞與交流 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、BBS、QQ等 通信的發(fā)展歷史： 1836年，英國建成第一條電報(bào)線路(Morse電報(bào)) 1876年，美國人A.G.Bell研制成可供實(shí)用的電話 20世紀(jì)初，馬

2、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年第一個電視臺開始播出 1940s 出現(xiàn)彩色電視 1960s 出現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),對通信系統(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(diǎn)都能通信 安全：傳輸?shù)男畔⒁Ｃ?，不能泄?通信系統(tǒng)的模型,通信的三要素：,舉例:,信道的任務(wù)是迅速、可靠而準(zhǔn)確地將信號從信源傳輸?shù)叫潘?被傳輸?shù)男畔⒍急仨氁阅撤N電(或光)信號的形式才能進(jìn)行傳輸,發(fā)送信息的設(shè)備,接收信息的設(shè)備,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(zhuǎn)換成某種電信號(或

3、光信號) 才能進(jìn)行傳輸,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(fēng))轉(zhuǎn)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(bào)機(jī)、傳真機(jī)和計(jì)算機(jī)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 耳機(jī) ；計(jì)算機(jī)輸出信號 投影儀) 遠(yuǎn)距離傳輸： 通過載波來傳輸模擬信號(如：廣播電臺收音機(jī)) 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(yuǎn)。因此若把高頻振蕩的正弦波信號作為攜帶信息的載波，

4、把模擬信號放在(調(diào)制在)載波上傳輸，則可比直接傳輸遠(yuǎn)得多,模擬信號如何進(jìn)行載波傳輸？ 三種調(diào)制方法,實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制與解調(diào)的設(shè)備分別稱為“調(diào)制器”和“解調(diào)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(jìn)行（如：USB連接） 較長距離傳輸：需作碼型轉(zhuǎn)換（如：以太網(wǎng)中傳輸數(shù)字信號）,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,遠(yuǎn)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(diào)制方法,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(MOD

5、EM),信源信號通過調(diào)制器 調(diào)整載波的某個參數(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檢測出來，恢復(fù)為原始信號的形式,經(jīng)過調(diào)制后的載波信號，攜帶著被傳輸?shù)男盘栐谛诺乐羞M(jìn)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(shè)和維護(hù)成本占整個系統(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)超過傳輸1路用戶信號所需的能力 降低成本采用的技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)(Multiplexing) 多路信號使用同一條傳輸線同時進(jìn)行傳輸 方法： 頻分多路復(fù)用（FDM） 時分多路復(fù)用（TDM） 波分多路復(fù)用（WDM）,頻分多路復(fù)用(Frequency Divi

6、sion Multiplexing, FDM),思想：將每個通信終端發(fā)送的信號調(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)合成為一個信號，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(fù)用舉例1,廣播電臺節(jié)目的發(fā)送與接收,常見廣播電臺使用的載波頻率 中波 900 KHz(南京經(jīng)濟(jì)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(diào)頻104.3

7、MHz (南京體育臺) 調(diào)頻105.8MHz(南京音樂臺),頻分多路復(fù)用舉例2,電視節(jié)目的發(fā)送與接收,時分多路復(fù)用(Time Division Multiplexing, TDM),思想：各通信終端（計(jì)算機(jī)、電話）以規(guī)定的順序和時間輪流使用同一傳輸線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 工作原理：,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,同步和異步時分多路復(fù)用,異步TDM的條件：發(fā)送信息中必須包含接收設(shè)備的地址！,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,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進(jìn)行，大大節(jié)省了通信成本,頻分多路、時分多路和波分多路等技

8、術(shù)可以同時使用，以提高復(fù)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(chǎn)生的模擬信號直接進(jìn)行傳輸或者通過對載波調(diào)制后進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)稱為模擬通信技術(shù) 應(yīng)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(diǎn)：歷史長，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，成本低 缺點(diǎn)：在信號的調(diào)制和傳輸過程中易受噪聲干擾，傳輸質(zhì)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(shù)應(yīng)用舉例（1）,傳統(tǒng)的有線載波電話,模擬通信技術(shù)應(yīng)用舉例（2）,電話撥號上網(wǎng): 利用模擬傳輸技術(shù)傳輸數(shù)字信號,模擬通信技術(shù)應(yīng)用舉例（2）,家庭計(jì)算機(jī)

9、用戶通過電話撥號接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),調(diào)制解調(diào)器把計(jì)算機(jī)送出的數(shù)字信號,采用數(shù)字調(diào)制(頻移鍵控或相移鍵控)的方法,調(diào)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(wù)提供商把接收到的模擬信號，通過解調(diào)器恢復(fù)成數(shù)字信號送給計(jì)算機(jī),目前電話上網(wǎng)的最高傳輸速率： 56Kbps,音頻模擬信號在本地電話網(wǎng)中，采用模擬傳輸技術(shù)進(jìn)行傳輸,什么是數(shù)字通信？,將信源產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（或信源直接產(chǎn)生數(shù)字信號）之后，直接進(jìn)行傳輸或通過用數(shù)字信號對載波進(jìn)行數(shù)字調(diào)制來傳輸信息的技術(shù)稱為數(shù)字通信 數(shù)字通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)： 抗干擾能力強(qiáng)，差錯可控制，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、

10、數(shù)據(jù)均可傳輸 傳輸?shù)臄?shù)字信號可以直接由計(jì)算機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)，有利于通信設(shè)備的小型化、微型化，也降低了功耗,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 多路復(fù)用技術(shù) 時分多路；頻分多路；波分多路 交換技術(shù) 電路交換；分組交換 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),數(shù)字通信技術(shù)應(yīng)用舉例（1）,當(dāng)今長途電話系統(tǒng)的中繼通信,模擬聲音信號在需要進(jìn)行遠(yuǎn)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，

11、由用戶線傳輸至接聽方的電話機(jī),數(shù)字信號經(jīng)調(diào)制和復(fù)用后，通過光纖傳輸?shù)浇邮辗剿诘貐^(qū)的交換局，再經(jīng)解調(diào)和分路處理，恢復(fù)為數(shù)字信號,補(bǔ)充：PCM編碼,PCM（脈沖編碼調(diào)制）原理：將模擬信號按時間間隔T取樣，再把取樣得到的每一個樣本用二進(jìn)制整數(shù)表示,數(shù)字通信技術(shù)應(yīng)用舉例（2）,衛(wèi)星電視數(shù)字傳輸：用數(shù)字傳輸技術(shù)傳輸模擬信號,數(shù)字信號經(jīng)調(diào)制和復(fù)用后由天線發(fā)送至衛(wèi)星，再由衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jìn)行數(shù)字化，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮,地面站對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)、解碼后恢復(fù)為模擬信號，再經(jīng)由有線電視電纜送到用戶電視機(jī)上播放,小結(jié)：數(shù)字通信系統(tǒng)的模

12、型,為了進(jìn)行可靠的傳輸,為了高效率地進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸,數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo),數(shù)據(jù)傳輸速率(簡稱數(shù)據(jù)速率, data rate) 指實(shí)際進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時單位時間內(nèi)傳送的二進(jìn)位數(shù)目 計(jì)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(zhì)、傳輸距離、多路復(fù)用方法、調(diào)制解調(diào)方法等密切相關(guān) 誤碼率(error rate) 指數(shù)據(jù)傳輸中規(guī)定時間內(nèi)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) 指數(shù)據(jù)從信源

13、傳送到信宿所花費(fèi)的時間。,1.3.3 光纖通信與無線通信,（1） 傳輸介質(zhì)的類型與特點(diǎn) （2） 光纖通信 （3） 無線通信,傳輸介質(zhì)的類型與特點(diǎn),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,光纖與光纜,光線,光波在光纖中的傳播,光導(dǎo)纖維（光線的入射角足夠大時，就會出現(xiàn)全反射，重復(fù)此過程，光就沿著光纖傳播下去）,光波,光纜,光纖通信原理,光纖主要用于傳輸數(shù)字信號，

14、0信號或1信號直接對光進(jìn)行調(diào)制(即控制激光的通或斷幅移鍵控ASK) 光波的頻率為10141015Hz，目前一束光每秒能攜帶2.5G或10G的二進(jìn)位信號，通過波分多路復(fù)用（WDM）技術(shù)還可達(dá)到更大的通信容量,在發(fā)送端，由需要傳輸?shù)臄?shù)字信號（電信號）去驅(qū)動一個光源（半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管），并對發(fā)出的光信號進(jìn)行調(diào)制,在接收端，信號經(jīng)放大后由光檢測器（半導(dǎo)體光電管）進(jìn)行檢測、解調(diào)，轉(zhuǎn)換成電信號之后輸出,調(diào)制后的光信號通過光纖進(jìn)行傳輸，為了補(bǔ)償光纖線路的損耗，消除信號失真和噪聲干擾，每隔一定的距離要接入中繼器,波分多路復(fù)用(Wave Division Multiplexing, WDM),為提高傳輸

15、效率，1根光纖中可以同時傳輸幾種不同波長的光波，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個發(fā)送單元，它們各自發(fā)出不同波長的光波,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)將不同波長的光分開，分別送到各自的光電檢測器恢復(fù)出原始信號,光纖通信的發(fā)展與應(yīng)用,從上世紀(jì)80年代起，世界各國開始大規(guī)模鋪設(shè)光纖通信線路，光纖傳輸網(wǎng)已經(jīng)成為幾乎所有現(xiàn)代通信的基礎(chǔ)平臺 高速光纖數(shù)字傳輸線路采用統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，稱為同步數(shù)字系列(SDH)，又稱為同步光纖網(wǎng)(SONET)，它既是電話和有線電視的骨干傳輸網(wǎng)，又是計(jì)算機(jī)

16、網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng) SDH的速率等級：,無線通信,原理：模擬信號或數(shù)字信號使用電磁波調(diào)制后進(jìn)行傳輸,微波通信,微波：300MHz300GHz范圍內(nèi)的電磁波，波長為1 m1mm,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(diǎn)：通信距離遠(yuǎn)、頻帶寬、容量大、抗干擾強(qiáng)、通信穩(wěn)定 缺點(diǎn)：造價高、技術(shù)復(fù)雜、有較大延時、同步軌道衛(wèi)星數(shù)目僅180顆,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(yùn)行周期

17、與地球自轉(zhuǎn)一圈的周期相同，在地面上看這種衛(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(diǎn)軌道衛(wèi)星可以覆蓋地球的幾乎全部面積，進(jìn)行二十四小時的全天候通信,衛(wèi)星通信的重要應(yīng)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(yùn)行 地面任意點(diǎn)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(jī)可測得與衛(wèi)星的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離計(jì)算公式，就可以推導(dǎo)出接收機(jī)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(jī),根據(jù)用途有：導(dǎo)航型、測地型、授時型等 產(chǎn)品形式：獨(dú)立的GPS導(dǎo)航儀，也可

18、集成在電腦、手機(jī)、MP3(MP4)播放器、甚至手表中,1.3.4 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(jī)、無繩電話、尋呼系統(tǒng)等 優(yōu)點(diǎn)：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(jī)）,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(nèi)所有手機(jī)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(wù)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

19、手機(jī)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），同一單元內(nèi)同一時刻的不同手機(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,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(biāo)準(zhǔn)： 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(shí)現(xiàn)縣以上城市的覆蓋, 接入號有139135、130 采用頻分多路復(fù)用技術(shù)(分為124個上下行信道)和時分多路復(fù)用(每個信道8個連接)，每個蜂窩理論上

20、支持992個連接，實(shí)際上可有200多個 CDMA (碼分多址接入，Code Division Multiple Access) 所有手機(jī)都占用相同帶寬和頻率，在整個頻段上進(jìn)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(jī)分配一個唯一的碼序列（擴(kuò)頻碼），并用它對承載信息的信號進(jìn)行編碼 抗干擾能力強(qiáng)，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(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 第3代移動通信技術(shù)（簡稱3G）的目標(biāo)： （1）全球漫游 （2）適應(yīng)多種環(huán)境，地面移動通信與衛(wèi)星移動通信相結(jié)合 （3）提供高質(zhì)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(zhì)的服務(wù) 技術(shù)： 頻譜：1885 MHz 2025MHz，2110MHz2200MHz 傳輸速率：室內(nèi)：2Mb/s，步行：384kb/s，快速移動：114kb/s 標(biāo)準(zhǔn)：W