第3節(jié)通信技術(shù)入門

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(dòng)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(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)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)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、打包后的數(shù)字信號(hào)信道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)模擬信號(hào)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(hào)－>投影儀)遠(yuǎn)距離傳輸：通過載波來傳輸模擬信號(hào)(如：廣播電臺(tái)－>收音機(jī))調(diào)制的方法：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相什么是載波？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，把模擬信號(hào)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(hào)如何進(jìn)行載波傳輸？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”：數(shù)字調(diào)制、解調(diào)器：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)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)信道信源(宿)信宿(源)調(diào)制后的載波

信號(hào)調(diào)制后的載波

信號(hào)調(diào)制(解調(diào))器(調(diào)制)解調(diào)器載波載波信源信號(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)距離傳輸怎樣實(shí)現(xiàn)低成本傳輸？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)超過傳輸1路用戶信號(hào)所需的能力采用的技術(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）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：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)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(hào)直接進(jìn)行傳輸或者通過對(duì)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(zhǎng)，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低缺點(diǎn)：在信號(hào)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(shì)：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)用舉例家庭計(jì)算機(jī)用戶通過電話撥號(hào)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(hào),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(hào)因特網(wǎng)服務(wù)提供商把接收到的模擬信號(hào)，通過解調(diào)器恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)目前電話上網(wǎng)的最高傳輸速率：56KbpsMODEM本地電話網(wǎng)MODEM計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬通信技術(shù)計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)因特網(wǎng)服務(wù)提供商(ISP)家庭用戶數(shù)字信號(hào)音頻模擬信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（或信源直接產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)）之后，直接進(jìn)行傳輸或通過用數(shù)字信號(hào)對(duì)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(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，也降低了功耗數(shù)字通信技術(shù)應(yīng)用舉例衛(wèi)星電視數(shù)字傳輸：用數(shù)字傳輸技術(shù)傳輸模擬信號(hào)數(shù)字傳輸技術(shù)數(shù)字調(diào)制數(shù)字解調(diào)編碼器解碼器在空中傳輸?shù)碾姶挪ㄆ麟娨曅盘?hào)發(fā)射器電視信號(hào)接收器載波載波電視圖像及其伴音電視機(jī)數(shù)字信號(hào)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(tái)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(hào)進(jìn)行數(shù)字化，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮地面站對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼后恢復(fù)為模擬信號(hào)，再經(jīng)由有線電視電纜送到用戶電視機(jī)上播放數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸速率(簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)速率,datarate)指實(shí)際進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)單位時(shí)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(gè)信道允許的最大數(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(errorrate)指數(shù)據(jù)傳輸中規(guī)定時(shí)間內(nèi)出錯(cuò)數(shù)據(jù)占被傳輸數(shù)據(jù)總數(shù)的比例端－端延遲(end-enddelay)指數(shù)據(jù)從信源傳送到信宿所花費(fèi)的時(shí)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)介質(zhì)類型特點(diǎn)應(yīng)用金屬導(dǎo)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(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、有線電視接入光導(dǎo)纖維光纜傳輸損耗小，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)的干線無線電波微波紅外線激光建設(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)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）傳輸數(shù)字信號(hào)寬帶同軸電纜（75Ω）傳輸模擬信號(hào)信號(hào)線地線套管無屏蔽雙絞線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(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(guó)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(tái)高速光纖數(shù)字傳輸線路采用統(tǒng)一的國(guó)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)網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)無線通信原理：模擬信號(hào)或數(shù)字信號(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(jià)高、技術(shù)復(fù)雜、有較大延時(shí)、同步軌道衛(wèi)星數(shù)目?jī)H180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(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)一圈的周期相同，在地面上看這種衛(wèi)星好似靜止不動(dòng)。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(shí)的全天候通信1.3.4移動(dòng)通信（1）什么是移動(dòng)通信（2）移動(dòng)通信原理（3）第2代和第3代移動(dòng)通信什么是移動(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)地傳遞信息由移動(dòng)臺(tái)、基站、移動(dòng)電話交換中心組成基站移動(dòng)臺(tái)（手機(jī)）移動(dòng)電話交換中心公用電話網(wǎng)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二代移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙?shù)字化的語音/文字信號(hào)使用頻段：900MHz/1800MHz我國(guó)使用的2種標(biāo)準(zhǔn)：GSM（歐洲移動(dòng)通信系統(tǒng)，也稱全球通、全數(shù)字系統(tǒng))中國(guó)電信的GSM網(wǎng)已基本實(shí)現(xiàn)縣以上城市的覆蓋,

接入號(hào)有139～135、130采用頻分多路復(fù)用技術(shù)(分為124個(gè)上下行信道)和時(shí)分多路復(fù)用(每個(gè)信道8個(gè)連接)，每個(gè)蜂窩理論上支持992個(gè)連接，實(shí)際上可有200多個(gè)CDMA(碼