通信技術(shù)入門

通信技術(shù)入門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)第2頁,共36頁，2024年2月25日，星期天什么是通信(communication)？廣而言之，通信就是信息的(遠距離)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、電話、傳真、電子郵件、BBS、QQ等第3頁,共36頁，2024年2月25日，星期天對通信系統(tǒng)的一般要求遠距離：傳輸距離要遠低成本：傳輸成本要低高速度：從發(fā)生到接收延遲時間要短可靠：傳輸?shù)男畔⒉荒苡绣e誤方便：任何時間和地點都能通信安全：傳輸?shù)男畔⒁Ｃ?，不能泄漏?頁,共36頁，2024年2月25日，星期天通信系統(tǒng)的模型通信的三要素：信道信源(宿)信宿(源)信號信號舉例: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)叫潘薇粋鬏數(shù)男畔⒍急仨氁阅撤N電(或光)信號的形式才能進行傳輸發(fā)送信息的設(shè)備接收信息的設(shè)備有線電話移動電話計算機通信信源/信宿電話座機手機計算機信號話音經(jīng)電話機轉(zhuǎn)換成為變化的電流信號話音經(jīng)電話機轉(zhuǎn)換成為壓縮編碼后的數(shù)字信號編碼、打包后的數(shù)字信號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、光纖等第5頁,共36頁，2024年2月25日，星期天模擬信號與數(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(或光信號)才能進行傳輸t數(shù)字信號信號強度模擬信號信號強度t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，例如電報機、傳真機和計算機發(fā)出的信號都是數(shù)字信號第6頁,共36頁，2024年2月25日，星期天模擬信號如何傳輸？近距離傳輸：直接傳輸(如：MP3播放器－>耳機；計算機輸出信號－>投影儀)遠距離傳輸：通過載波來傳輸模擬信號(如：廣播電臺－>收音機)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。因此若把高頻振蕩的正弦波信號作為攜帶信息的載波，把模擬信號放在(調(diào)制在)載波上傳輸，則可比直接傳輸遠得多第7頁,共36頁，2024年2月25日，星期天模擬信號如何進行載波傳輸？

——

三種調(diào)制方法調(diào)制后的載波信號傳輸信號調(diào)制器載波信號調(diào)制后的載波信號傳輸信號解調(diào)器載波信號調(diào)制信號(連續(xù)信號)調(diào)幅(AM)調(diào)頻(FM)調(diào)相(PM)載波信號(高頻正弦波)實現(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”：第8頁,共36頁，2024年2月25日，星期天數(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）遠距離傳輸方法——通過載波來傳輸數(shù)字信號(頻帶傳輸)第9頁,共36頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字信號的三種調(diào)制方法(ASK)幅移鍵控(FSK)頻移鍵控00110100010

調(diào)制信號

(兩個狀態(tài))(PSK)相移鍵控載波信號(高頻正弦波)數(shù)字調(diào)制、解調(diào)器：調(diào)制后的載波信號傳輸信號解調(diào)器載波信號調(diào)制后的載波信號傳輸信號調(diào)制器載波信號第10頁,共36頁，2024年2月25日，星期天小結(jié)1:遠距離通信必須使用MODEM

通信一般是雙向進行的，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

信號調(diào)制后的載波

信號調(diào)制(解調(diào))器(調(diào)制)解調(diào)器載波載波信源信號通過調(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行長距離傳輸?shù)?1頁,共36頁，2024年2月25日，星期天怎樣實現(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）的容量通常遠超過傳輸1路用戶信號所需的能力采用的技術(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）第12頁,共36頁，2024年2月25日，星期天頻分多路復(fù)用(FrequencyDivisionMultiplexing,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行傳輸。抵達接收端之后，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合成在一起使用一組濾波器分解出不同頻率的載波信號第13頁,共36頁，2024年2月25日，星期天頻分多路復(fù)用舉例1廣播電臺節(jié)目的發(fā)送與接收頻分多路復(fù)用分路器(帶通濾波器)信號發(fā)射信號接收常見廣播電臺使用的載波頻率中波900KHz(南京經(jīng)濟臺)■

中波1008KHz(南京新聞臺)短波15.28MHz(英國BBC)■

短波15.29MHz(VOA美國之音)調(diào)頻104.3MHz(南京體育臺)■

調(diào)頻105.8MHz(南京音樂臺)第14頁,共36頁，2024年2月25日，星期天時分多路復(fù)用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)

思想：各通信終端（計算機、電話）以規(guī)定的順序和時間輪流使用同一傳輸線路進行數(shù)據(jù)傳輸工作原理：HFGEDCBA傳輸線路時間片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第15頁,共36頁，2024年2月25日，星期天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)第16頁,共36頁，2024年2月25日，星期天模擬通信信源產(chǎn)生的模擬信號直接進行傳輸或者通過對載波調(diào)制后進行傳輸?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：歷史長，技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，成本低缺點：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)字通信所取代第17頁,共36頁，2024年2月25日，星期天什么是數(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，直接進行傳輸或通過用數(shù)字信號對載波進行數(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：抗干擾能力強，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、數(shù)據(jù)均可傳輸傳輸?shù)臄?shù)字信號可以直接由計算機進行存儲、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)模集成電路實現(xiàn)，有利于通信設(shè)備的小型化、微型化，也降低了功耗第18頁,共36頁，2024年2月25日，星期天1.3.3光纖通信與無線通信（1）傳輸介質(zhì)的類型與特點（2）光纖通信（3）無線通信第19頁,共36頁，2024年2月25日，星期天傳輸介質(zhì)的類型與特點介質(zhì)類型特點應(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、計算機局域網(wǎng)同軸電纜傳輸特性和屏蔽特性良好，可作為傳輸干線長距離傳輸載波信號，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，容量大，屏蔽特性非常好，不易被竊聽，重量輕，便于運輸和鋪設(shè)。缺點是精確連接兩根光纖很困難電話、電視等通信系統(tǒng)的遠程干線，計算機網(wǎng)絡(luò)的干線無線電波微波紅外線激光建設(shè)費用低，抗災(zāi)能力強，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，移動通信系統(tǒng)，計算機無線局域網(wǎng)第20頁,共36頁，2024年2月25日，星期天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)字信號寬帶同軸電纜（75Ω）傳輸模擬信號信號線地線套管無屏蔽雙絞線第21頁,共36頁，2024年2月25日，星期天光纖與光纜多根光纖保護層防止光泄漏的吸收外殼起保護作用的防護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，就會出現(xiàn)全反射，重復(fù)此過程，光就沿著光纖傳播下去）

纖芯

包層保護層光波光纜光纖保護層第22頁,共36頁，2024年2月25日，星期天光纖通信原理電信號驅(qū)動電路光源中繼器輸出電路電信號發(fā)送單元(電/光轉(zhuǎn)換)傳輸單元接收單元(光/電轉(zhuǎn)換)光調(diào)制器光纖光纖放大電路光檢測器在發(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行傳輸，為了補償光纖線路的損耗，消除信號失真和噪聲干擾，每隔一定的距離要接入中繼器第23頁,共36頁，2024年2月25日，星期天波分多路復(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，進入同一根光纖進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)出原始信號示意圖復(fù)合光第24頁,共36頁，2024年2月25日，星期天光纖通信的發(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)，又是計算機網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)

SDH的速率等級：SDH模塊（歐/亞）SONET模塊（北美）速率（Mbps）話路數(shù)目STM-0OC-1;STS-151.840810STM-1OC-3;STS-3155.5202430STM-4OC-12;STS-12622.0809720STM-16OC-48;STS-482488.32038880STM-64OC-192,STS-19210.7Gbit/s155520第25頁,共36頁，2024年2月25日，星期天有人認為未來只有兩種通信手段：光纖：用于所有固定設(shè)備（電話、傳真機、計算機）通信無線通信：用于所有移動通信。第26頁,共36頁，2024年2月25日，星期天無線通信原理：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、通信通信第27頁,共36頁，2024年2月25日，星期天三種無線電波無線電波使用方便，但安全性不高。中波主要沿地面?zhèn)鞑?，繞射能力強，適用于廣播和海上通信；短波具有較強的電離層反射能力，適用于環(huán)球通信；超短波和微波的繞射能力較差，只能作為視距或超視距中繼通信。第28頁,共36頁，2024年2月25日，星期天微波通信微波：300MHz～300GHz范圍內(nèi)的電磁波，波長為1m～1mm特點：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)費用低抗災(zāi)能力強應(yīng)用：長途電話、蜂窩移動電話、全數(shù)字高清晰度電視（HDTV）等第29頁,共36頁，2024年2月25日，星期天衛(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：通信距離遠、頻帶寬、容量大、抗干擾強、通信穩(wěn)定缺點：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。一顆同步軌道衛(wèi)星覆蓋約120°，3顆同步定點軌道衛(wèi)星可以覆蓋地球的幾乎全部面積，進行二十四小時的全天候通信第30頁,共36頁，2024年2月25日，星期天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代移動通信第31頁,共36頁，2024年2月25日，星期天什么是移動通信？處于移動狀態(tài)的對象相互間的通信，如手機、無繩電話、尋呼系統(tǒng)等優(yōu)點：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）移動電話交換中心公用電話網(wǎng)第32頁,共36頁，2024年2月25日，星期天蜂窩移動通信原理每10km～20km的區(qū)域稱為單元（形似蜂窩），單元的中央建有一個基站，該單元內(nèi)所有手機都向該基站發(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手機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使用不同的頻率進行通信，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移動交換中心電話交換中心第33頁,共36頁，2024年2月25日，星期天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)已基本實現(xiàn)縣以上城市的覆蓋,

接入號有139～135、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)，每個蜂窩理論上支持992個連接，實際上可有200多個CDMA(碼分多址接入，Code