通信原理課程講稿Keynote版-于謙.pps

通信原理 從歷史到未來 于謙 通信的目標 迅速準確傳遞有效信息 史前 通信 聲音聲波 人講話 鳥鳴 動物吼叫超聲波 蝙蝠 昆蟲 海豚光可見光 手勢 旗語 海豚跳躍 鯨魚噴水紅外 響尾蛇紫外 飛蛾撲火輻射熱傳導 寒氣逼人氣味化學分子 花香 狐臭 史前 通信的缺點 距離受限范圍受限信息失真無指向性內(nèi)容受限速度緩慢 早期 通信 系統(tǒng) 烽火臺飛鴿傳輸驛站郵政 海 路 空 電 現(xiàn)代通信的開始 電報 最早的電子通信 P13 1835年 莫爾斯 雕塑家 畫家 科學愛好者 發(fā)明了莫爾斯電碼 1901年 馬可尼發(fā)明無線電發(fā)報機電話 跨越聲音到電的劃時代發(fā)明1876年 貝爾 業(yè)余發(fā)明家 聽力障礙輔導老師 1878年 磁石電話和人工電話交換機1880年 饋電式二線制模擬電話發(fā)明1885年 步進制交換機1892年 史瑞喬 殯儀館老板 發(fā)明步進式自動電話交換機傳真 1930年發(fā)明 廣播 電視 沒有放入通信范疇的通信明星 1935年發(fā)明黑白廣播電視1969年形成模擬彩色電視標準1972年 發(fā)明光纖 從模擬到數(shù)字 最終必將是模擬 1972年通過G 711建議書 PCM調(diào)制 1980年IDN 綜合數(shù)字網(wǎng) 形成統(tǒng)一話音數(shù)字編碼數(shù)字傳輸系統(tǒng)代替模擬傳輸系統(tǒng)數(shù)字復用器代替載波機數(shù)字電子交換機代替模擬機電交換機發(fā)明分組交換機1982年發(fā)明GSM 1988年ETSI成立 1990年GSM凍結(jié)標準 通信的發(fā)展過程是人類分析問題 解決問題的智慧體現(xiàn) 通信網(wǎng)絡發(fā)展兩條路線圖 電話網(wǎng)絡 從模擬開始計算機網(wǎng)絡 從數(shù)字開始 通信問題的分析 距離受限 微波 電線 光纖范圍受限 輻射 放大 復制信息失真 保真技術無指向性 地址內(nèi)容受限 解決一個算一個 文字 聲音 圖像 視頻 速度緩慢 電流 光成本過高 集成電路 大規(guī)模制造 目前為止的最佳介質(zhì) 電 光 微波 速度快距離長 易傳導成本較低 銅線 光纖 空氣 信息單一 波 從電話開始 聲音 聲波 人能分辨的 20Hz 20kHz 空氣振動傳導電 電波 1Hz XXXXHz 金屬傳導將空氣振動轉(zhuǎn)化為電阻變化 電流變化 電波 信號源 聲音 電流的產(chǎn)生源 炭粒電阻 電磁線圈動圈式Mic 1 信源 原始信息的來源 作用是把聲音 文字等消息轉(zhuǎn)換成電信號 2 發(fā)送設備 為了使這些電信號在信道中傳輸 發(fā)送設備需要對信號進行調(diào)制 放大和濾波等處理 3 信道 信號的傳輸介質(zhì) 有線 無線 傳輸過程會受到噪聲等的干擾 4 接收設備 完成發(fā)送設備的反變換 即進行濾波 放大和解調(diào)等 并將有用信號和噪聲區(qū)分開 恢復出原始電信號 5 信宿 將原始電信號轉(zhuǎn)換成原始消息 6 噪聲 信道中的噪聲及分散在通信系統(tǒng)其它各處噪聲的集中表示 電話工作方式 單工雙工半雙工 頻率 赫茲Hz 帶寬 bps 頻率 每秒鐘震蕩的次數(shù)每秒鐘改變的次數(shù)帶寬 每秒鐘可傳遞的信息量高速攝影機 頻率與帶寬 串行15Hz010101010101010并行5Hz010101010101010 解決傳送問題 調(diào)制與解調(diào) 調(diào)制就是頻譜的搬移調(diào)制是按基帶信號瞬時值的變化規(guī)律去改變高頻載波一個或多個參數(shù)的過程 從頻域上說 調(diào)制是把基帶信號的頻譜搬移到載頻附近的過程 解調(diào)則是調(diào)制的反過程 被調(diào)制的載波可以分為兩類 一類用正弦型信號 稱為正弦載波調(diào)制 一類用脈沖串 稱為脈沖調(diào)制 基帶信號也可分為兩類 一類是模擬信號 即基帶信號的取值是連續(xù)的 稱為模擬調(diào)制 另一類是數(shù)字信號 即基帶信號的取值是離散的 稱為數(shù)字調(diào)制 非屏蔽網(wǎng)線波形衰減 通過1米CAT5電纜后 沒有出現(xiàn)失真的NTSC多脈沖群信號 經(jīng)過150米CAT5電纜傳輸后的NTSC多脈沖群信號 調(diào)制的意義和作用 實現(xiàn)信號特性與信道特性匹配 以有效地進行傳遞將消息變換為便于傳輸?shù)男问?提高性能 特別是提高抗干擾性和頻譜利用率 有效的利用頻帶 如通過調(diào)制實現(xiàn)頻譜搬遷 進行頻分復用 模擬調(diào)制的常見應用 調(diào)幅廣播 MW 調(diào)頻廣播 FM 電視頻道 FM 調(diào)頻調(diào)幅 ADSL相位調(diào)制 QAM調(diào)制的基本原理QAM調(diào)制實際上是幅度調(diào)制和相位調(diào)制的組合 相位 幅度狀態(tài)定義了一個數(shù)字或數(shù)字的組合 QAM的優(yōu)點是具有更大的符號率 從而可獲得更高的系統(tǒng)效率 通常由符號率確定占用帶寬 因此每個符號的比特 基本信息單位 越多 效率就越高 對于給定的系統(tǒng) 所需要的符號數(shù)為2n 這里n是每個符號的比特數(shù) 對于16QAM n 4 因此有16個符號 每個符號代表4bit 0000 0001 0010等 對于64QAM n 6 因此有64個符號 每個符號代表6bit 000000 000001 000010等 信號衰落 畸變與噪聲 衰落路徑傳播損耗 慢衰落損耗 快衰落損耗陰影效應 多徑效應 多普勒效應 遠近效應噪聲無線電噪聲 工業(yè)噪聲 天電噪聲 內(nèi)部噪聲白噪聲 高斯噪聲 噪聲 噪聲不是 噪聲 理想的無噪聲情況是不存在的信噪比信噪比不能無限提高 功率不能無限放大 蘇31的雷達可以燒焦200m外的飛鳥 數(shù)字化 減少噪聲干擾 A D和D A采樣 動畫片 如果對一個頻帶有限的時間連續(xù)的模擬信號抽樣 當抽樣速率達到一定數(shù)值時 那么根據(jù)它的抽樣值就能重建原信號 抽樣定理 量化 標準化 均勻量化和非均勻量化 MP3 WAV 編碼 信源編碼和信道編碼 目前用的最普遍的波形編碼方法有脈沖編碼調(diào)制 PCM 和增量調(diào)制 M 采用脈碼調(diào)制的模擬信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)如圖4 1所示 首先對模擬信息源發(fā)出的模擬信號進行抽樣 使其成為一系列離散的抽樣值 然后將這些抽樣值進行量化并編碼 變換成數(shù)字信號 二元碼 電話線路交換 路由與尋址 電話網(wǎng)的特點電話網(wǎng)的主要業(yè)務是話音業(yè)務 下面我們先來分析話音業(yè)務具有的特點 具體如下 1 速率恒定且單一 用戶的話音經(jīng)過抽樣 量化 編碼后 都形成了64kb s的速率 網(wǎng)中只有這單一的速率 2 話音對丟失不敏感 也就是說 話音通信中 可以允許一定的丟失存在 因為話音信息的相關性較強 可以通過通信的雙方用戶來恢復 3 話音對實時性要求較高 話音通信中 雙方用戶希望像面對面一樣進行交流 而不能忍受較大的時延 4 話音具有連續(xù)性 通話雙方一般是在較短時間內(nèi)連續(xù)地表達自己的通信信息 二級長途電話網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) PSTN PublicSwitchedTelephoneNetwork 傳統(tǒng)電話采用電路交換 http 192 197 62 35 staff mcsele TelephoneSwitch html 電話號碼尋址 本地網(wǎng)編號6 8位 分局號和話機好 局號2 4位 話機號4位 如64968888代表6496局8888號 特種業(yè)務號碼和特服號碼1XY 110 120等三位10開頭的5位 如10000 10086等長途網(wǎng)編號長途前綴0 區(qū)號 本地網(wǎng)號碼國際電話編號標志號我國為00 英國為010 比利時為91 各國不同 國家號碼 ITU規(guī)定 北美為1 東亞為8 于是中國為86 日本為81 朝鮮為850 路由表各級交換機均有自己級別的路由表 如C5交換機有下連分機的路由表和上聯(lián)端口的路由表 通常表中還有冗余路由 電路交換的特點 A 通話前先撥號建立連接 可能只要經(jīng)過一個交換機 如A到B 可能要經(jīng)過多個交換機 如C到D 通話過程中 通信雙方一直占用所建立的連接 通話結(jié)束后 掛機釋放連接 B C D 另一條路線圖 計算機通信 天生數(shù)字系統(tǒng)信號源即數(shù)字最初為了解決計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸問題Xerox IBMEthernet TokenRing R T G R T G T 發(fā)送 管腳2 R 接受 管腳3 G 公共端 管腳7 RS 232 Computeratsite1 Computeratsite2 VoiceTelephoneSystem Modem Modem RS 232canbeused RS 232canbeused Computernotholdingtokenpassesbits Destinationpassesandmakesacopy Senderreceivesbitsofframe Senderholdingtokentransmitsbitsofframe CSMA CD協(xié)議 最初的以太網(wǎng)是將許多計算機都連接到一根總線上 當初認為這樣的連接方法既簡單又可靠 因為總線上沒有有源器件 B向D發(fā)送數(shù)據(jù) C D A E 匹配電阻 用來吸收總線上傳播的信號 匹配電阻 不接受 不接受 不接受 接受 B 只有D接受B發(fā)送的數(shù)據(jù) 載波監(jiān)聽多點接入 碰撞檢測CSMA CD CSMA CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection 多點接入 表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上 載波監(jiān)聽 是指每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數(shù)據(jù) 如果有 則暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù) 以免發(fā)生碰撞 總線上并沒有什么 載波 因此 載波監(jiān)聽 就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)信號 使用集線器的雙絞線以太網(wǎng) 集線器 兩對雙絞線 站點 RJ 45插頭 以太網(wǎng)MAC幀 物理層 MAC層 1010101010101010101010101010101011 前同步碼 幀開始定界符 7字節(jié) 1字節(jié) 8字節(jié) 插入 IP層 目的地址 源地址 類型 數(shù)據(jù) FCS 6 6 2 4 字節(jié) 46 1500 MAC幀 以太網(wǎng)的MAC幀格式 Switchatsite1 Switchatsite2 Switchatsite3 Switchatsite4 Computersconnectedtonetwork Highspeedconnectionbetweenswitches 尋址 物理地址 虛電路 家34228856 公司64401328 上海 021 北京 010 深圳 0755 公司34546877 公司87446532 應用層運輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層 應用層運輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層 H1 H2 虛電路 H1發(fā)送給H2的所有分組都沿著同一條虛電路傳送 IP 122 1 33 22MAC AABBCCDD IP 122 1 33 20IP 22 1 33 20IP 222 1 33 20IP 223 1 33 20 IP 22 1 33 21IP 44 1 33 21IP 66 1 33 21 ADD 22 1 33 22 30 ADD 66 1 33 22 30 IP 44 1 33 22 30 IP 222 1 33 21IP 44 1 33 20IP 69 1 33 20 IP 223 1 33 21IP 211 1 33 20 ADD 223 1 33 22 30 ADD 211 1 33 22 30 IP 66 1 33 20IP 69 1 33 21IP 211 1 33 21IP 41 1 33 21 IP 41 1 33 20MAC DDCCBBAA ADD 222 1 33 22 30 ADD 69 1 33 22 30 Prefix128 10 Prefix128 211 Prefix10 Prefix192 5 48 128 10 0 1 128 10 1 2 128 211 3 1 128 211 1 1 10 0 0 1 10 1 0 1 192 5 48 7 192 5 48 8 存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制 動態(tài)路由協(xié)議 RIP RIP2IGRP EIGRPOSPFIS ISBGP 動態(tài)路由是網(wǎng)絡中的路由器之間相互通信 傳遞路由信息 利用收到的路由信息更新路由器表的過程 它能實時地適應網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的變化 如果路由更新信息表明發(fā)生了網(wǎng)絡變化 路由選擇軟件就會重新計算路由 并發(fā)出新的路由更新信息 這些信息通過各個網(wǎng)絡 引起各路由器重新啟動其路由算法 并更新各自的路由表以動態(tài)地反映網(wǎng)絡拓撲變化 動態(tài)路由適用于網(wǎng)絡規(guī)模大 網(wǎng)絡拓撲復雜的網(wǎng)絡 當然 各種動態(tài)路由協(xié)議會不同程度地占用網(wǎng)絡帶寬和CPU資源 通常所使用的度量有 路徑長度 可靠性 時延 帶寬 負載 通信成本等 問題 Whysomuchaddress MAC地址IP地址網(wǎng)址郵件地址電話號碼 線路不夠了 復用與解復用 多路復用目的 在一條鏈路上傳輸多路獨立信號基本原理 正交劃分方法3種多路復用基本方法 頻分復用 FDM 時分復用 TDM 碼分復用 CDM 3種多路復用新方法 空分復用 SDW 極化復用 PDW 波分復用 WDM 時分復用 TDM 基本原理見下圖 準同步數(shù)字體系 PDH E體系 我國大陸 歐洲采用 T體系 美國 日本等地采用 同步數(shù)字體系 SDH 通常都是將若干路PDH接入STM 1內(nèi) 即在155 52Mb s處接口 這時 PDH信號的速率都必須低于155 52Mb s 并將速率調(diào)整到155 52上 例如 可以將63路E 1 或3路E 3 或1路E 4 接入STM 1中 波分復用 WDM 碼分復用 CDM 電話網(wǎng)與計算機網(wǎng)絡的融合 當前電信網(wǎng)的概貌 過去PSTN 未來IMS 現(xiàn)在SS 接入層 控制管理層 應用層 Application 接入層 Access ConnectionMgmt App App 傳統(tǒng)電話通信系統(tǒng)基于電路方式 IP H 323 SIP SIP IPT E IMS PresenceSOA 控制管理層 應用層 語音通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)演變 去格式化