武漢大學(xué)通信原理課件

現(xiàn)代通信技術(shù)教材與參考書教材：

紀(jì)越峰等，現(xiàn)代通信技術(shù)（第2版），北京郵電大學(xué)出版社，2006年參考書：

趙宏波卜益民陳鳳娟編著，現(xiàn)代通信技術(shù)概論，北京郵電大學(xué)出版社，2007.8

樊昌信通信原理(第5版)國防工業(yè)出版社，2003年郭梯云等，移動(dòng)通信（修訂版），西安電子科技大學(xué)出版社，2005年目錄第1章緒論第2章數(shù)字通信技術(shù)第3章光纖通信技術(shù)第4章微波通信技術(shù)第5章衛(wèi)星通信技術(shù)第6章無線通信技術(shù)第7章移動(dòng)通信技術(shù)1.1基本概念通信：指信息的傳輸與交換。通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。消息(message)：是物質(zhì)或精神狀態(tài)的一種反映，例如語音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動(dòng)圖像等。信息(information)：是消息中包含的有效內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)通信的方式和手段：非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺…電的：如電報(bào)、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網(wǎng)和計(jì)算機(jī)通信等。

自19世紀(jì)初電通信技術(shù)問世以來，短短的100多年時(shí)間里，通信技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異?！扒Ю镅邸薄ⅰ绊橈L(fēng)耳”等古人的夢想不但得以實(shí)現(xiàn)，而且還出現(xiàn)了許多人們過去想都不曾想過的新技術(shù)。回顧通信技術(shù)的發(fā)展史有利于我們更好地了解與掌握這門科學(xué)知識。下面我們給出通信技術(shù)發(fā)展歷史。通信發(fā)展史

1844年，摩爾斯發(fā)明有線電報(bào)；

1864年，麥克斯韋爾提出電磁輻射方程；

1876年，貝爾發(fā)明電話；

1896年，馬可尼發(fā)明無線電報(bào)；

1906年，發(fā)明了真空管；

1918年，調(diào)幅無線電廣播開播；

1925年，開始采用三路明線載波電話、多路通信；

1936年，調(diào)頻無線電廣播開播；

1960年，發(fā)明激光；

1961年，發(fā)明集成電路；

1962年，發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星，脈沖編碼調(diào)制進(jìn)入實(shí)用階段；

1960-1970年，彩色電視問世；阿波羅宇宙飛船登月；數(shù)字傳輸?shù)睦碚摵图夹g(shù)得到了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)高速數(shù)字電子計(jì)算機(jī)；

1970-1980年，大規(guī)模集成電路、商用衛(wèi)星通信、程控?cái)?shù)字交換機(jī)、光纖通信系統(tǒng)、微處理器等迅速發(fā)展；

1980年以后，超大規(guī)模集成電路、長波長光纖通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用；綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)崛起。根據(jù)各種通信技術(shù)在通信發(fā)展史上的地位、作用以及對人類社會(huì)的影響，我們對過去的100多年通信技術(shù)的發(fā)展歷史進(jìn)行了概括性的總結(jié)，認(rèn)為有10項(xiàng)重大通信技術(shù)值得人們紀(jì)念：(1)摩爾斯發(fā)明有線電報(bào)。有線電報(bào)開創(chuàng)了人類信息交流的新紀(jì)元。(2)馬可尼發(fā)明無線電報(bào)。無線電報(bào)為人類通信技術(shù)開辟了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。(3)載波通信。載波通信的出現(xiàn)，改變了一條線路只能傳送一路電話的局面，使一個(gè)物理介質(zhì)上傳送多路音頻電話信號成為可能。(4)電視。電視極大地改變了人們的生活，使傳輸和交流信息從單一的聲音發(fā)展到實(shí)時(shí)圖像。(5)電子計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)被公認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明，它加快了各類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。(6)集成電路。集成電路為各種電子設(shè)備提供了高速、微小、功能強(qiáng)大的“心”，使人類的信息傳輸能力和信息處理能力達(dá)到了一個(gè)新的高度。信息技術(shù)（InformationTechnology，簡稱IT）是以微電子和光電技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為支撐，以信息處理技術(shù)為主體的技術(shù)系統(tǒng)的總稱，是一門綜合性的技術(shù)。電子計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的緊密結(jié)合，標(biāo)志著數(shù)字化信息時(shí)代的到來。信息技術(shù)本課程中，“通信”這一術(shù)語是指“電通信”，包括光通信，因?yàn)楣庖彩且环N電磁波。在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號來實(shí)現(xiàn)的。盡管在在各國通信網(wǎng)中，模擬通信依然存在，但無疑數(shù)字通信是目前和今后通信技術(shù)的發(fā)展方向。1.1.1通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的一般模型信息源（簡稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?。信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無線信道兩大類。噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。1.1.2模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型1.模擬信號模擬信號是指代表消息的電信號及其參數(shù)（幅度、頻率或相位）是隨消息連續(xù)變化的信號。其特點(diǎn)是幅度連續(xù)變化，而在時(shí)間上可以連續(xù)，也可以不連續(xù)；前者是連續(xù)的模擬信號，后者是離散的模擬信號。2.數(shù)字信號數(shù)字信號是一系列的電脈沖，時(shí)間上是離散的，信號參數(shù)（幅度）也不連續(xù)變化。數(shù)字信號是指在時(shí)間上和幅度上均取有限離散數(shù)值的電信號，這類電信號常用電壓或電流的脈沖代表。數(shù)字信號與模擬信號的不同點(diǎn)在于數(shù)字信號不直接與消息對應(yīng)。4.數(shù)字通信系統(tǒng)模型數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換-信道編碼與譯碼目的：增強(qiáng)抗干擾能力加密與解密目的：保證所傳信息的安全數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘柾侥康模菏故瞻l(fā)兩端的信號在時(shí)間上保持步調(diào)一致圖:數(shù)字通信系統(tǒng)模型5.數(shù)字通信的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，且噪聲不積累傳輸差錯(cuò)可控便于處理、變換、存儲便于將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸易于集成，使通信設(shè)備微型化，重量輕易于加密處理，且保密性好缺點(diǎn)：需要較大的傳輸帶寬對同步要求高1.1.3通信系統(tǒng)分類與通信方式通信系統(tǒng)的分類按通信業(yè)務(wù)分類：電報(bào)通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)……按調(diào)制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（調(diào)制）傳輸系統(tǒng)。調(diào)制傳輸系統(tǒng)又分為多種調(diào)制，如AM、FM。按信號特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)按傳輸媒介分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)按工作波段分類：長波通信、中波通信、短波通信……按信號復(fù)用方式分類：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、碼分復(fù)用并行傳輸和串行傳輸并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時(shí)傳輸

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省傳輸時(shí)間，速度快：不需要字符同步措施 缺點(diǎn)：需要n條通信線路，成本高串行傳輸：將數(shù)字信號碼元序列以串行方式一個(gè)碼元接一個(gè)碼元地在一條信道上傳輸

優(yōu)點(diǎn)：只需一條通信信道，節(jié)省線路； 缺點(diǎn)：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施其他分類方式：同步通信和異步通信專線通信和網(wǎng)通信1.1.4通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)：有效性和可靠性有效性：指傳輸一定信息量時(shí)所占用的信道資源（頻帶寬度和時(shí)間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}?？煽啃裕褐附邮招畔⒌臏?zhǔn)確程度，也就是傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。模擬通信系統(tǒng)：有效性：用有效傳輸頻帶來度量?？煽啃裕河媒邮斩俗罱K輸出信噪比來度量。碼元速率和信息速率的關(guān)系 或 對于二進(jìn)制數(shù)字信號：M=2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。 對于多進(jìn)制，例如在八進(jìn)制（M=8）中，若碼元速率為1200B，，則信息速率為3600b/s。頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即 或可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。誤碼率誤信率，又稱誤比特率 在二進(jìn)制中有有效性與可靠性η越大，ηb越大，有效性越好；采用多進(jìn)制可以提高ηb。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收機(jī)最終輸出的信號可能是數(shù)字信號也可能是模擬信號。接收機(jī)輸出信噪比只適于用來描述傳輸模擬信號的可靠性，傳輸數(shù)字信號的可靠性可用誤碼率來表示。接收機(jī)輸出的模擬信號是由數(shù)字信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換得到的，數(shù)字信號的誤碼率越小，所對應(yīng)的模擬信號的信噪比越大。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，誤碼率越小，可靠性越高。

1.1.5

信息及其度量

(1)離散消息的信息量

某離散消息x發(fā)生的概率為P(x)，則它所攜帶的信息量為I=-logap(x) 當(dāng)a=e時(shí)，信息量的單位為奈特(nit)；當(dāng)a=2時(shí)，信息量的單位為比特(bit)。目前廣泛使用的單位為bit。(2)

離散信源的平均信息量

設(shè)信源輸出M個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的符號x1,x2,…,xM，它們出現(xiàn)的概率分別為P(x1),P(x2),…，P(xM)，則每個(gè)符號所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值即離散信源的平均信息量為H(x)=-(bit/符號)信源的平均信息量又被稱為信源熵?？梢宰C明:最大信源熵發(fā)生在信源的每個(gè)符號等概獨(dú)立出現(xiàn)時(shí)，最大信源熵為Hmax(x)=log2M(bit/符號)

信道容量是指信道中信息無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笏俾省Ｔ谛诺滥Ｐ椭?，我們定義了兩種廣義信道：調(diào)制信道和編碼信道。調(diào)制信道是一種連續(xù)信道，可以用連續(xù)信道的信道容量來表征；編碼信道是一種離散信道，可以用離散信道的信道容量來表征。在此處，我們重點(diǎn)討論連續(xù)信道的信道容量。

(1)離散信道的信道容量根據(jù)奈奎斯特(Nyquist)準(zhǔn)則，帶寬為Ｂ的信道，所能傳送的信號最高碼元速率為2B波特(Baud)。因此，無噪聲離散信道的信道容量為

C=2Blog2L(bit/s)

1.1.6信道容量(2)連續(xù)信道的信道容量---香農(nóng)公式帶寬限制在B(Hz)的連續(xù)信道，其輸入信號為x(t)，信道加性高斯白噪聲為n(t)，則信道輸出為y(t)=x(t)+n(t)式中，輸入信號x(t)的功率為S；信道噪聲n(t)的功率為N，n(t)的均值為零，方差為σn2，其一維概率密度函數(shù)為對于頻帶限制在B(Hz)的輸入信號，按照理想情況的抽樣速率2B對信號和噪聲進(jìn)行抽樣，將連續(xù)信號變?yōu)殡x散信號。此時(shí)連續(xù)信道的信道容量為C=maxI(X,Y)RB=max［H(X)-H(X/Y)］·2B=max［H(Y)-H(Y/X)］·2B當(dāng)x服從高斯分布，其均值為零，方差為σ2時(shí)，H(X)和H(Y)可獲得最大熵:連續(xù)信源的相對條件熵為因此連續(xù)信道的信道容量為

C=max［H(Y)-H(Y/X)］·2B上式就是著名的香農(nóng)(Shannon)信道容量公式，簡稱香農(nóng)公式。香農(nóng)公式表明的是當(dāng)信號與信道加性高斯白噪聲的平均功率給定時(shí)，在具有一定頻帶寬度的信道上，理論上單位時(shí)間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。香農(nóng)公式成立的條件是：信號為高斯分布(此時(shí)信源熵最大)，噪聲為高斯白噪聲。

只要傳輸速率小于等于信道容量，則總可以找到一種信道編碼方式，實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸；若傳輸速率大于信道容量，則不可能實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸。若噪聲n(t)的單邊功率譜密度為n0，則在信道帶寬B內(nèi)的噪聲功率N=n0B。因此，香農(nóng)公式的另一形式為C=Blog2由香農(nóng)公式可得以下結(jié)論：增大信號功率S可以增加信道容量，若信號功率趨于無窮大，則信道容量也趨于無窮大，即

減小噪聲功率N(或減小噪聲功率譜密度n0)可以增加信道容量，若噪聲功率趨于零(或噪聲功率譜密度趨于零)，則信道容量趨于無窮大，即增大信道帶寬B可以增加信道容量，但不能使信道容量無限制增大。信道帶寬B趨于無窮大時(shí)，信道容量的極限值為香農(nóng)公式給出了通信系統(tǒng)所能達(dá)到的極限信息傳輸速率，達(dá)到極限信息速率的通信系統(tǒng)稱為理想通信系統(tǒng)。但是，香農(nóng)公式只證明了理想通信系統(tǒng)的“存在性”，卻沒有指出這種通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。因此，理想通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還需要我們不斷努力。

香農(nóng)公式的應(yīng)用由香農(nóng)公式可以看出：對于一定的信道容量C來說，信道帶寬B、信號噪聲功率比S/N及傳輸時(shí)間三者之間可以互相轉(zhuǎn)換。若增加信道帶寬，可以換來信號噪聲功率比的降低，反之亦然。如果信號噪聲功率比不變，那么增加信道帶寬可以換取傳輸時(shí)間的減少，等等。如果信道容量C給定，互換前的帶寬和信號噪聲功率比分別為B1和S1/N1，互換后的帶寬和信號噪聲功率比分別為B2和S2/N2，則有B1log2(1+S1/N1)=B2log2(1+S2/N2)由于信道的噪聲單邊功率譜密度n0往往是給定的，所以上式也可寫成

例如：設(shè)互換前信道帶寬B1=3kHz，希望傳輸?shù)男畔⑺俾蕿?04b/s。為了保證這些信息能夠無誤地通過信道，則要求信道容量至少要104b/s才行?；Q前，在3kHz帶寬情況下，使得信息傳輸速率達(dá)到104b/s，要求信噪比S1/N1≈9倍。如果將帶寬進(jìn)行互換，設(shè)互換后的信道帶寬B2=10kHz。這時(shí)，信息傳輸速率仍為104b/s，則所需要的信噪比S2/N2=1倍。

可見，信道帶寬B的變化可使輸出信噪功率比也變化，而保持信息傳輸速率不變。這種信噪比和帶寬的互換性在通信工程中有很大的用處。

例如，在宇宙飛船與地面的通信中，飛船上的發(fā)射功率不可能做得很大，因此可用增大帶寬的方法來換取對信噪比要求的降低。相反，如果信道頻帶比較緊張，如有線載波電話信道，這時(shí)主要考慮頻帶利用率，可用提高信號功率來增加信噪比，或采用多進(jìn)制的方法來換取較窄的頻帶。

前面我們討論的是帶寬和信噪比的互換。此外，帶寬或信噪比與傳輸時(shí)間也存在著互換關(guān)系。香農(nóng)公式得出的重要結(jié)論①C隨S/N增大而增大；②當(dāng)n0→0時(shí)C→∞，即無干擾信道的信道容量為無窮大；③C隨著B的增大而增大，但不能無限增大，即當(dāng)B→∞時(shí)，C→1.44（S/n0）④C一定時(shí)，B與(S/N)可以互換；⑤若信源信息速率Rb≤C，則理論上可以實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸。若Rb>C，則不可能實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸。通常，把實(shí)現(xiàn)了極限傳輸速率且無差錯(cuò)(或差錯(cuò)為任意小)的通信系統(tǒng)，稱為理想通信系統(tǒng)。例1：一個(gè)四進(jìn)制無噪聲數(shù)字信道，帶寬為3000Hz，求該信道的信道容量。解：C=2Blog2L=2×3000×log24=12000bit/s例2：黑白電視圖像每幀含有3×105個(gè)像素，每個(gè)像素有16個(gè)等概出現(xiàn)的亮度等級。要求每秒鐘傳輸30幀圖像。若信道輸出S/N=30dB，計(jì)算傳輸該黑白電視圖像所要求的信道的最小帶寬。

解：每個(gè)像素?cái)y帶的平均信息量為H(x)=(log216)bit/符號=4bit/符號一幀圖像的平均信息量為I=(4×3×105)bit=12×105bit每秒鐘傳輸30幀圖像時(shí)的信息速率為Rb=(12×105×30)bit/s=36Mbit/s令 Rb=C=Blog2（1+S/N）得

即傳輸該黑白電視圖像所要求的最小帶寬為3.61MHz。

1.1.7數(shù)字信號的基本形式和碼型最簡單的數(shù)字信號是二元碼(或稱二進(jìn)制碼)，這種碼的幅度只取兩種不同的瞬時(shí)值。這種二進(jìn)制碼分為單極性、雙極性和歸零、不歸零四種不同的基本形式。圖:二元碼的四種基本形式在二進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)中，每個(gè)碼元或每個(gè)符號只能是“1”和“0”兩個(gè)狀態(tài)之一。實(shí)際通信中也可以有多信號電平系統(tǒng)即對應(yīng)多進(jìn)制碼。進(jìn)制越高，級差越小，抗干擾能力越差。但是進(jìn)制越高，每個(gè)符號所代表的信息量越大。在信息論中對符號所載荷的信息量有嚴(yán)格定義。在二進(jìn)制數(shù)字傳輸中，若數(shù)字序列里1和0的概率各占1／2，并且前后碼元是相互獨(dú)立的，序列中每個(gè)二進(jìn)制碼元所載荷的信息量就是1比特；而多進(jìn)制每個(gè)符號所含的信息量將要增加，四電平的符號包含log24=2bit的信息量，八電平的符號包含log28=3bit的信息量。數(shù)字信號碼型

基帶信號的碼型有如下幾種：（1）二元碼：采用兩個(gè)電平編出來的碼型。主要有單極性不歸零碼、單極性歸零碼、雙極性歸零碼、雙極性非歸零碼、差分編碼、雙相脈沖編碼等。（2）三元碼：信號的幅度取值為+1、0、-1。如：傳號交替反轉(zhuǎn)碼、HDBn碼等。（3）偽雙極性碼。（4）mBnB碼（分組碼）：把輸入的信息碼流按m個(gè)比特為一組然后變換為n個(gè)比特。且n＞m。如在光纖通信中常用的5B6B碼。由于傳輸信道中有許多電感、電容原件，因其直流截止特性，對線路傳輸碼型的要求如下：頻譜中不存在直流成分；盡量減少碼型頻譜中的高頻分量；具有一定的抗干擾能力；便于時(shí)鐘信號的提?。痪哂休^好的傳輸效率；碼型變換設(shè)備簡單，易于實(shí)現(xiàn)。1.1.8通信信道(1)通信媒體a.明線b.雙絞線(twistedpair)c.同軸電纜(coaxialcable)d.光纖e.微波通信f.衛(wèi)星通信g.陸地移動(dòng)通信有線電信道a明線(即平行絕緣線)優(yōu)點(diǎn)：傳輸損耗低缺點(diǎn)：噪聲干擾敏感b對稱電纜

(擰成扭絞狀的電纜)優(yōu)點(diǎn)：較穩(wěn)定缺點(diǎn)：損耗較大c同軸電纜優(yōu)點(diǎn)：外導(dǎo)體接地、屏蔽干擾LAN用基帶：50Ω、93ΩCATV：75Ω圖：對稱電纜結(jié)構(gòu)圖

圖：同軸電纜結(jié)構(gòu)圖

表：幾種有線電纜的特性線路類型頻率范圍/MHz信號衰減電磁干擾UTP電纜(非屏蔽雙絞線

)1~100高一般STP電纜(屏蔽雙絞線

)1~150高小同軸電纜1~1000低小非屏蔽雙絞線(UTP)和屏蔽雙絞線(STP)兩大類：STP外面由一層金屬材料包裹，以減小輻射，防止信息被竊聽，同時(shí)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但價(jià)格較高，安裝也比較復(fù)雜;UTP無金屬屏蔽材料，只有一層絕緣膠皮包裹，價(jià)格相對便宜，組網(wǎng)靈活。除某些特殊場合(如受電磁輻射嚴(yán)重、對傳輸質(zhì)量要求較高等)在布線中使用STP外，一般情況下我們都采用UTP?，F(xiàn)在使用的UTP可分為3類、4類、五類和超五類四種。其中：3類UTP適應(yīng)了以太網(wǎng)(10Mbps)對傳輸介質(zhì)的要求，是早期網(wǎng)絡(luò)中重要的傳輸介質(zhì);4類UTP因標(biāo)準(zhǔn)的推出比3類晚，而傳輸性能與3類UTP相比并沒有提高多少，所以一般較少使用;五類UTP因價(jià)廉質(zhì)優(yōu)而成為快速以太網(wǎng)(100Mbps)的首選介質(zhì);超五類UTP的用武之地是千兆位以太網(wǎng)(1000Mbps)。d.光纖信道

組成：調(diào)制電信號基帶電信號（原始電信號）基帶電信號（原始電信號）調(diào)制處理光源光調(diào)制器光纖線路光檢測器解調(diào)處理產(chǎn)生載波光調(diào)制電信號表：無線電波波段的劃分

表：微波頻段的劃分

電磁波的傳播速度與其頻率f、波長又有下列固定關(guān)系：若微波是在真空中傳播，則速度為：e.無線視距中繼信道——超短波、微波

例地面微波接力兩個(gè)地面站之間傳送距離：50-100km地球地面站之間的直視線路

微波傳送塔圖:微波中繼信道的構(gòu)成

微波中繼通信是利用微波作為載波并采用中繼（接力）方式在地面上進(jìn)行的無線電通信。微波頻段的波長范圍為lm～1mm，頻率范圍為300MHz～300GHz，微波通信是在第二次世界大戰(zhàn)后期開始使用的無線電通信技術(shù)，經(jīng)過50年的發(fā)展已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用。微波通信分為模擬微波通信和數(shù)字微波通信兩類。模擬微波通信早已發(fā)展成熟，并逐漸被數(shù)字微波通信取代，數(shù)字微波通信已成為一種重要的傳輸手段，并與衛(wèi)星通信，光纖通信一起作為當(dāng)今三大傳輸手段。圖:二頻制或四頻制頻率配置方式

微波中繼信道具有傳輸容量大、長途傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)約有色金屬、投資少、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，被廣泛用來傳輸多路電話及電視等。二頻制方案是每個(gè)中間站的兩個(gè)通信方向的收發(fā)頻率均相同，但收發(fā)頻率逐站更換一次。其優(yōu)點(diǎn)是占用頻帶窄(頻譜利用率高)，缺點(diǎn)是存在反向干擾和越站同頻干擾問題。采用四頻制方案時(shí)，沒有反向干擾問題，但仍然存在越站同頻干擾問題，且其占用頻帶比二頻制方案寬一倍。使用微波頻段使用轉(zhuǎn)發(fā)器接收和轉(zhuǎn)發(fā)地面站地球地面站f.衛(wèi)星中繼通信若以靜止衛(wèi)星作為中繼站，采用三個(gè)相差120°的靜止通信衛(wèi)星就可以覆蓋地球的絕大部分地域(兩極盲區(qū)除外)，如圖所示。若采用中、低軌道移動(dòng)衛(wèi)星，則需要多顆衛(wèi)星覆蓋地球。所需衛(wèi)星的個(gè)數(shù)與衛(wèi)星軌道高度有關(guān)，軌道越低所需衛(wèi)星數(shù)越多。目前衛(wèi)星中繼信道主要工作頻段有：L頻段(1.5/1.6GHz)、C頻段(4/6GHz)、Ku頻段(12/14GHz)、Ka頻段(20/30GHz)。衛(wèi)星中繼信道的主要特點(diǎn)是通信容量大、傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域廣等。另外，由于衛(wèi)星軌道離地面較遠(yuǎn)信號衰減大，電波往返所需要的時(shí)間較長。對于靜止衛(wèi)星，由地球站至通信衛(wèi)星，再回到地球站的一次往返需要0.26s左右，傳輸話音信號時(shí)會(huì)感覺明顯的延遲效應(yīng)。目前衛(wèi)星中繼信道主要用來傳輸多路電話、電視和數(shù)據(jù)。

g.陸地移動(dòng)信道陸地移動(dòng)通信工作頻段主要在VHF(甚高頻,30~300MHz)和UHF(特高頻,300MHz~3GHz)頻段，電波傳播特點(diǎn)是以直射波為主。但是，由于城市建筑群和其他地形地物的影響，電波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生反射波、散射波以及它們的合成波，電波傳輸環(huán)境較為復(fù)雜，因此移動(dòng)信道是典型的隨參信道。

圖:移動(dòng)信道的傳播路徑

(2)復(fù)用技術(shù)“復(fù)用”是一種將若干彼此獨(dú)立的信號合并為一個(gè)可在同一信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號的方法。為了使若干個(gè)這種信號能在同一信道上傳輸，可以使他們的頻譜調(diào)制到不同的頻段，合并在一起而不致相互影響，并能在接收端彼此分離開來。常見的信道復(fù)用采用按頻率區(qū)分，按碼序列區(qū)分或按時(shí)間區(qū)分信號。按頻率區(qū)分信號的方法稱為頻分復(fù)用(FDM)；按時(shí)間區(qū)分信號的方法稱為時(shí)分復(fù)用(TDM)；按碼序列區(qū)分的方法稱為碼分復(fù)用（CDM）。

頻分多路復(fù)用（FDM）

FDM的基本原理FDM是把一條公共信道上可用的傳輸頻段分割成多個(gè)較窄的頻帶，并使每個(gè)窄帶都變成為一個(gè)獨(dú)立信道的復(fù)用技術(shù)。即由將不同的信號由不同的頻段傳輸，使得數(shù)個(gè)信號能在同一時(shí)間由同一媒介傳輸。調(diào)制設(shè)備可將每一信號移動(dòng)到它被允許使用的頻段。復(fù)用設(shè)備可將調(diào)制后的信號合并，再經(jīng)由同一媒介傳送。FDM的特點(diǎn)FDM的主要優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，技術(shù)成熟，能較充分地利用信道帶寬。但其缺點(diǎn)也是明顯的。因?yàn)?，保護(hù)頻帶占用了一定的信道帶寬，從而大大降低了FDM的效率；信道的非線性失真改變了它的實(shí)際頻率特性，易造成串音和互調(diào)噪聲干擾；所需設(shè)備隨輸入路數(shù)增加而增多，不易小型化；FDM不提供差錯(cuò)控制技術(shù)，不便于性能監(jiān)測。

頻分多路復(fù)用（FDM）

時(shí)分多路復(fù)用（TDM）

TDM的原理

TDM是一種按規(guī)定的時(shí)間間隔，并在時(shí)間上相互錯(cuò)開，在一條公共信道上傳輸多路信號的復(fù)用技術(shù)。TDM的特點(diǎn)

TDM的主要優(yōu)點(diǎn)是：不存在保護(hù)頻帶，可有效地提高信息傳輸效率；信道占用頻帶窄，容量大。其主要缺點(diǎn)是：通信雙方時(shí)隙必須嚴(yán)格保持同步。碼分復(fù)用是指利用一組正交碼序列來區(qū)分各路信號，它們占用的頻帶和時(shí)間都可重疊。實(shí)現(xiàn)碼分復(fù)用的理論依據(jù)是利用自相關(guān)函數(shù)抑制互相關(guān)函數(shù)的特性來選取正交信號碼組中的所需信號，因此，碼分復(fù)用也稱為正交復(fù)用。信道的效率高，系統(tǒng)的容量大適合現(xiàn)代移動(dòng)通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務(wù)、軟切換等，正受到越來越多的運(yùn)營商和用戶的青睞。

碼分多路復(fù)用（CDM）

通信網(wǎng)是指由一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)（包括終端設(shè)備和交換設(shè)備）和連接節(jié)點(diǎn)的傳輸鏈路相互有機(jī)的組合在一起，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)規(guī)定點(diǎn)間信息傳輸?shù)耐ㄐ朋w系。1.1.9通信網(wǎng)(1)通信網(wǎng)的組成通信網(wǎng)組成的基本要素（硬件）是：終端設(shè)備、傳輸鏈路、轉(zhuǎn)接交換設(shè)備。終端設(shè)備是通信網(wǎng)中的源點(diǎn)和終點(diǎn)。其主要功能在于將輸入信息變換為易于在信道中傳送的信號，并參與控制通信工作。

不同的通信業(yè)務(wù)有不同的終端。一般有電話、數(shù)字、數(shù)據(jù)、圖像和多媒體終端。傳輸鏈路是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的鏈接媒體，也是信息與信號的傳輸通路。它由傳輸介質(zhì)和各種通信裝置組成。傳輸鏈路具有波形變換、調(diào)制解調(diào)、多路復(fù)用，收發(fā)信等功能。

傳輸介質(zhì)分為有線或無線傳輸線路，如明線、電纜、載波傳輸線路，PCM傳輸系統(tǒng)、數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)、光纖傳輸系統(tǒng)和衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)等。交換設(shè)備是通信網(wǎng)的核心，其功能為交換、控制、管理及執(zhí)行等。(2)通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)①星形網(wǎng)：每一個(gè)終端均通過單一的傳輸鏈路與中心交換節(jié)點(diǎn)相連，②樹形網(wǎng)：是一種分層結(jié)構(gòu)，適用于分級控制的系統(tǒng)。③網(wǎng)狀網(wǎng)：點(diǎn)點(diǎn)相連，安全性高，鏈路數(shù)多。④環(huán)形網(wǎng)：三個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)用閉合環(huán)路形式組成。⑤總線型網(wǎng)：通過總線把各節(jié)點(diǎn)連接起來，從而形成一條共享信道。結(jié)構(gòu)簡單、擴(kuò)展方便。⑥復(fù)合型網(wǎng)：該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是現(xiàn)實(shí)中最常見的一種形式。其特點(diǎn)是將網(wǎng)狀網(wǎng)和星形網(wǎng)結(jié)合。通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)(a)通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)(b)網(wǎng)狀型網(wǎng)

如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只連接幾臺設(shè)備,最簡單的方法是將它們都直接相連在一起，這種連接稱為點(diǎn)對點(diǎn)連接。用這種方式形成的網(wǎng)絡(luò)稱為全互連網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)狀型網(wǎng))，如下圖所示。圖中有6個(gè)設(shè)備，在全互連情況下，需要15條傳輸線路。如果要連的設(shè)備有n個(gè)，所需線路將達(dá)到n(n-1)/2條！顯而易見，這種方式只有在涉及地理范圍不大，設(shè)備數(shù)很少的條件下才有使用的可能。即使屬于這種環(huán)境,，在LAN技術(shù)中也不使用。這里所以給出這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是因?yàn)楫?dāng)需要通過互連設(shè)備(如路由器)互連多個(gè)LAN時(shí),將有可能遇到這種廣域網(wǎng)(WAN)的互連技術(shù)。星型網(wǎng)

星型結(jié)構(gòu)是最古老的一種連接方式，大家每天都使用的電話都屬于這種結(jié)構(gòu)，如下圖所示。其中,圖(a)為電話網(wǎng)的星型結(jié)構(gòu),圖(b)為目前使用最普遍的以太網(wǎng)(Ethernet)星型結(jié)構(gòu),處于中心位置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備稱為集線器,英文名為Hub。

(a)電話網(wǎng)的星型結(jié)構(gòu)

圖(a)電話網(wǎng)的星型結(jié)構(gòu)圖(b)以Hub為中心的結(jié)構(gòu)(b)以Hub為中心的結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)便于集中控制,因?yàn)槎擞脩糁g的通信必須經(jīng)過中心站。由于這一特點(diǎn)，也帶來了易于維護(hù)和安全等優(yōu)點(diǎn)。端用戶設(shè)備因?yàn)楣收隙C(jī)時(shí)也不會(huì)影響其它端用戶間的通信。但這種結(jié)構(gòu)非常不利的一點(diǎn)是：中心系統(tǒng)必須具有極高的可靠性，因?yàn)橹行南到y(tǒng)一旦損壞，整個(gè)系統(tǒng)便趨于癱瘓。對此中心系統(tǒng)通常采用雙機(jī)熱備份，以提高系統(tǒng)的可靠性。

這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種擴(kuò)充便是星型樹：每個(gè)Hub與端用戶的連接仍為星型，Hub的級連而形成樹。然而，Hub級連的個(gè)數(shù)是有限制的,并隨廠商的不同而有變化。另外，以Hub構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雖然呈星型布局，但它使用的訪問媒體的機(jī)制卻仍是共享媒體的總線方式。環(huán)型網(wǎng)

環(huán)型結(jié)構(gòu)在LAN中使用較多。這種結(jié)構(gòu)中的傳輸媒體從一個(gè)端用戶到另一個(gè)端用戶,直到將所有端用戶連成環(huán)型,如圖所示。這種結(jié)構(gòu)消除了端用戶通信時(shí)對中心系統(tǒng)的依賴性。

環(huán)行結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，每個(gè)端用戶都與兩個(gè)相臨的端用戶相連，因而存在著點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，但總是以單向方式操作。于是,便有上游端用戶和下游端用戶之稱。例如上圖中,用戶N是用戶N+1的上游端用戶，N+1是N的下游端用戶。如果N+1端需將數(shù)據(jù)發(fā)送到N端，則幾乎要繞環(huán)一周才能到達(dá)N端。

環(huán)上傳輸?shù)娜魏螆?bào)文都必須穿過所有端點(diǎn)，因此，如果環(huán)的某一點(diǎn)斷開，環(huán)上所有端間的通信便會(huì)終止。為克服這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的脆弱，每個(gè)端點(diǎn)除與一個(gè)環(huán)相連外，還連接到備用環(huán)上，當(dāng)主環(huán)故障時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)到備用環(huán)上。

總線型網(wǎng)

總線結(jié)構(gòu)是使用同一媒體或電纜連接所有端用戶的一種方式，也就是說，連接端用戶的物理媒體由所有設(shè)備共享，如下圖所示。

使用這種結(jié)構(gòu)必須解決的一個(gè)問題是確保端用戶使用媒體發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不能出現(xiàn)沖突。在點(diǎn)到點(diǎn)鏈路配置時(shí),這是相當(dāng)簡單的。如果這條鏈路是半雙工操作，只需使用很簡單的機(jī)制便可保證兩個(gè)端用戶輪流工作。在一點(diǎn)到多點(diǎn)方式中，對線路的訪問依靠控制端的探詢來確定。然而，在LAN環(huán)境下,由于所有數(shù)據(jù)站都是平等的，不能采取上述機(jī)制。對此，研究了一種在總線共享型網(wǎng)絡(luò)使用的媒體訪問方法：帶有碰撞檢測的載波偵聽多址訪問,英文縮寫成CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect)。CSMA/CD這種結(jié)構(gòu)具有費(fèi)用低、數(shù)據(jù)端用戶入網(wǎng)靈活、站點(diǎn)或某個(gè)端用戶失效不影響其它站點(diǎn)或端用戶通信的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是一次僅能一個(gè)端用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，其它端用戶必須等待到獲得發(fā)送權(quán)。媒體訪問獲取機(jī)制較復(fù)雜。盡管有上述一些缺點(diǎn)，但由于布線要求簡單，擴(kuò)充容易，端用戶失效、增刪不影響全網(wǎng)工作，所以是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中使用最普遍的一種。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)舉例：某市社會(huì)保險(xiǎn)基金管理局通信網(wǎng)作為醫(yī)療保險(xiǎn)業(yè)務(wù)通信網(wǎng)的主干網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)以星型結(jié)構(gòu)為主的基于IP技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)。該市社會(huì)保險(xiǎn)基金管理局是網(wǎng)絡(luò)的中心匯聚節(jié)點(diǎn)，全市36個(gè)節(jié)點(diǎn)各通過2MMSTP/SDH數(shù)字電路與中心節(jié)點(diǎn)連接。來自各網(wǎng)點(diǎn)的電路，經(jīng)電信MSTP/SDH網(wǎng)絡(luò)匯聚成100M以太網(wǎng)口，接入該市社會(huì)保險(xiǎn)基金管理局。組網(wǎng)方式如下圖所示：

MSTP（Multi-ServiceTransferPlatform）（基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺）是指，基于SDH平臺同時(shí)實(shí)現(xiàn)TDM、ATM、以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)的接入、處理和傳送，提供統(tǒng)一網(wǎng)管的多業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)。如上圖所示，該市社會(huì)保險(xiǎn)基金管理局采用單星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組建市醫(yī)療保險(xiǎn)骨干通信網(wǎng)，在市社會(huì)保險(xiǎn)基金管理局（中心點(diǎn)）設(shè)置核心層節(jié)點(diǎn)，36個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)作為邊緣層節(jié)點(diǎn)分別通過中國電信2MMSTP/SDH數(shù)字電路與數(shù)據(jù)中心相連。MSTP/SDH作為OSI七層模型中的第二層通信協(xié)議，為上層數(shù)據(jù)信息提供了透明的傳輸通道。IP層協(xié)議包括BGP、OSPF等路由協(xié)議，這些三、四層協(xié)議是構(gòu)建在二層的MSTP/SDH數(shù)字電路連接的基礎(chǔ)上，與二層的MSTP/SDH數(shù)字電路是相對獨(dú)立的。因此選擇MSTP/SDH數(shù)字電路組建骨干通信網(wǎng)，完全能夠支持上層路由協(xié)議的靈活選擇。①縱向分層的觀點(diǎn)②水平描述水平描述是基于用戶接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)際的物理連接來劃分的，可分為核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和用戶駐地網(wǎng)，或局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)等。圖:垂直觀點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(3)通信網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)1.1.10通信協(xié)議(1)協(xié)議概念和層次結(jié)構(gòu)協(xié)議是指系統(tǒng)間互換數(shù)據(jù)的一組規(guī)則，主要是關(guān)于相互交換信息的格式、涵義、節(jié)拍等。協(xié)議分層總括起來有以下好處：①各層之間是獨(dú)立的，任何一層不需知道下面一層是如何實(shí)現(xiàn)的，只需知道下一層所提供的服務(wù)和本層向上一層所提供的服務(wù)；②靈活性好，任何一層發(fā)生變化，只要接口關(guān)系保持不變，其他各層均不受影響；③結(jié)構(gòu)上可以隔開，各層都可采用最合適的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；④易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。⑤促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作。每一層功能所提供的服務(wù)都有精確說明。①語法：信息與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式。②語義：需要發(fā)出何種控制信息、完成何種動(dòng)作，以及做出何種應(yīng)答。③同步：事件實(shí)現(xiàn)的