数字通信入门

1、第4章 计算机网络与因特网,4.1 数字通信入门 4.2 计算机网络基础 4.3 因特网的组成 4.4 因特网提供的服务 4.5 网络信息安全,4.1 数字通信入门,4.1.1 通信的基本原理 通信系统模型 有线通信与无线通信 调制解调技术 多路复用技术 4.1.2 交换技术,4.1.1 数字通信的基本原理,1) 通信的基本模型,什么是通信(communication),广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交流 现代通信使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ等 通信的要求：远距离、高速度、低成本、安全、可靠

2、、方便 通信的发展历史,通信系统的模型,通信的三要素,举例,信道的任务是迅速、可靠而准确地将信号从信源传输到信宿,被传输的信息都必须以某种电(或光)信号的形式才能进行传输,发送信息的设备,接收信息的设备,模拟信号与数字信号,通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号) 才能进行传输,电信号(或光信号) 有两种形式： 模拟信号形式: 通过连续变化的物理量（如信号的幅度）来表示信息，例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号； 数字信号形式: 使用有限个状态(一般是2个状态)来表示（编码）信息，例如电报机、传真机和计算机发出的信号都是数字信号,0 0 1 1 0

3、1 0 0 0 1,2) 有线通信与无线通信,需使用物理介质进行信号传输的是有线通信，例如： 金属导体（双绞线、同轴电缆），传输电流信号 光导纤维（简称光纤），传输光信号 在自由空间进行信号传输的是无线通信，传输的是电磁波信号,传输介质的类型与特点,双绞线和同轴电缆,原理：利用电流(电压)传输信息 双绞线分类 3类线(10 Mb/s)；5类线(100Mb/s)； 6类线(200Mb/s) 无屏蔽双绞线 (UTP)；屏蔽双绞线 (STP,同轴电缆分类 基带同轴电缆（50） 以前在以太网中使用 宽带同轴电缆（75） 有线电视网使用,光纤与光缆,光波在光纤中的传播,光导纤维（光线的入射角足够大时，就

4、会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去,光波,光缆 (包含多根光纤,光纤通信原理,光波,优点： 通信容量大：一束光每秒能传输2.5G或10Gb信息！ 传输距离远：无中继距离超过几十公里 保密性强，信息不易泄露,光纤通信：利用光波携带信息在光纤中传输，达到通信目的,无线通信,无线通信：利用电磁波携带信息在自由空间中传播，进行通信,微波通信,微波：300MHz300GHz范围内的电磁波，波长为1 m1mm,特点： 直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），需要每隔几十公里设立一个中继站 容量大、可靠性高 建设费用低 抗灾能力强 应用：长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视（HDTV）等

5、,卫星通信,卫星通信: 中继站在人造地球卫星上的一种微波通信 优点：通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定 缺点：造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅180颗,赤道上方高度为35800公里的地方为地球同步轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不动。一颗同步轨道卫星覆盖约120， 3颗同步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部面积，进行二十四小时的全天候通信,选讲： 卫星通信的重要应用GPS,例美国研制GPS系统 24颗卫星在1.2万公里高空以12小时的周期绕地球运行 地面任意点在任何时刻都可同时观测到4颗以上卫星 原理： 由于卫星的位置是精确可

6、知的，通过地面接收机可测得与卫星的距离，利用三维坐标中的距离计算公式，就可以推导出接收机的地理位置(经度、纬度和高程) 定位精度： 民用大约十米 军用可高得多,选讲： GPS卫星接收机,根据用途有：导航型、测地型、授时型等 产品形式：独立的GPS导航仪，也可集成在电脑、手机、MP3(MP4)播放器、甚至手表中,个人移动通信,移动对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等,基站,移动台 （手机,移动电话交换中心,公用电话网,移动通信原理,每10km20km的区域称为单元（形似蜂窝），每个单元中心高处建有一个基站，所有单元既相互分割，又彼此交叠，形成整个移动通信服务网 位于某单元内的所有手机都

7、向该基站发送信号，并接收基站发给它的信号,所有基站都通过微波或光缆与移动交换中心通信 手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率与基站进行通信，相互不影响,第二代移动通信（2G,使用频段：900MHz/1800MHz，传输的是数字化的语音/文字信号 我国使用的2种标准（制式）： GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通、全数字系统) 中国移动、中国联通经营的GSM网已基本覆盖县级市 移动的接入号段有：134139、150152、158、159 联通的接入号段有：130-132、155-156 CDMA (码分多址接入，Code Division Mul

8、tiple Access) 抗干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小， 中国电信, 接入号为133、153 不足： （1）数据传输速率过低（9.6kb/s或57kb/s），仅适合传输语音和文字 （2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求,第三代移动通信系统（3G,使用的频段：1885 MHz 2025MHz，2110MHz2200MHz 传输速率：室内：13Mb/s，步行：384kb/s，快速移动：114kb/s 我国采用的3种技术标准,3G的优点： （1）提供高质量的语音通信、数据通信和高分辨率图像通信 （2）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务 不足：发展慢、比例低(

9、4.6%)，按流量收费费用高,4G移动通信：室内: 1Gbps，高速移動时: 100Mbps 我国沿海7个城市正在建设试验网（TD-LTE,3) 调制解调技术,数字通信采用的技术,数字调制/解调技术（调幅；调频；调相） 解决信号传得远的问题 多路复用技术（时分多路；频分多路；波分多路） 提高传输线路使用效率、降低传输成本 交换技术（电路交换；分组交换） 动态分配信道资源，提高传输效率和质量 数字编码和数据压缩技术,数字信号如何传输,近距离传输：直接(基带)传输 例如：USB移动硬盘 主机 ；以太网数据传输 远距离传输：载波传输 例如：数字有线电视；手机；ADSL上网 什么是载波？ 研究发现，高

10、频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信号传送得更远。因此若把高频振荡的正弦波信号作为携带信息的载波，把数字信号放在(调制在)载波上传输，则可比直接传输的距离远得多,数字信号的三种调制方法,实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”,小结1: 远距离通信必须使用MODEM,通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调器，它们通常做在一起，称为调制解调器(MODEM,信源信号通过调制器 调整载波的某个参数(幅度、频率或相位,到达目的地后，使用解调器把载波所携带的信号检测出来，恢复为原始信号的形式,经过调制后的载波信号，携带着被传输的信号在信道中进行长距离传输,例：ADSL宽带

11、上网,调制解调器把计算机送出的数字信号,采用数字调制的方法,调制成为适合于在用户电话线上传输的载波信号,载波信号在电话网中经过交换机传输至目的地,目的地计算机通过解调器从载波信号中恢复出数字信号传送给计算机,ADSL MODEM,ADSL MODEM,4) 多路复用技术,怎样降低传输成本,分析： 通信系统中，传输线路的建设和维护成本占整个系统成本的相当大的份额 一条传输线路（铜线、光纤、无线电波）的容量通常远远超过传输1路用户信号所需的能力 降低成本采用的技术多路复用技术(Multiplexing) 多路信号使用同一条传输线同时进行传输 方法： 频分多路复用（FDM） 时分多路复用（TDM）

12、波分多路复用（WDM,频分多路复用(Frequency Division Multiplexing, FDM,思想：将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上，通过频分多路复用器(MUX)将它们复合成为一个信号，然后在同一传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器(DEMUX)把不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备 工作原理,将不同频率的载波信号合成在一起,使用一组滤波器分解出不同频率的载波信号,频分多路复用举例1,广播电台节目的发送与接收,常见广播电台使用的载波频率 中波 900 KHz(南京经济台) 中波1008 KHz (南京新闻台) 短波 15.28 MHz(英国BBC)

13、 短波 15.29 MHz(VOA美国之音) 调频104.3MHz (南京体育台) 调频105.8MHz(南京音乐台,频分多路复用举例2,电视节目的发送与接收,时分多路复用(Time Division Multiplexing, TDM,思想：各通信终端（计算机、电话）以规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行数据传输 工作原理,应用：主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、GSM手机、总线式以太网等,异步时分多路复用,数据发送方和接收方也可以异步地进行信息传输。即：发送方有数据且信道有空闲时就发送，没有数据时即使轮到它，也不占用信道。这样可以大大提高信道的利用率,实现方法：在被传输数据中必须

14、附加上接收方的“地址,波分多路复用,为提高传输效率，1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波，每种光波各自传输自己所携带的信息，速率可达到 40G-100Gbit/s 原理,光纤,发送端有N个发送单元，它们各自发出不同波长的光波,通过复用器（称为合波器）合并起来，进入同一根光纤进行传输,接收端用分路器(称为分波器)将不同波长的光分开，分别送到各自的光电检测器恢复出原始信号,小结2: 多路复用可以降低通信成本,通信系统的原理示意图,多路复用技术使得成千上万路通信可以在同一条传输线上同时进行，大大节省了通信成本,频分多路、时分多路和波分多路等技术可以同时使用，以提高复用效率,4.1.2 分组交换原

15、理,通信系统中“交换”的含义,交换”(switching)的含义就是转接把一条链路转接到另一条链路，使它们连通起来 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路 常用的交换方式： 电路交换 分组交换,什么是电路交换,电路交换的过程： 建立连接 通信 释放连接 应用：电话通信,分析： 通话全过程中用户始终占用端到端的传输信道 由于计算机数据传输具有突发性，不适合计算机数据通信,什么是分组交换(Packet Switching),分组交换的要点： 被传输的数据必须划分为若干“分组”(packet, 简称“包”)进行传输 每个分组中必须包含收、发双方的地址 每个分组的格式如下

16、,分组交换示意,分组交换与存储转发的过程,计算机G收到所有数据包后，将包组装为一个文件,交换机每收到一个包，就根据包的目的地地址, 选择一个输出端口,若目的地计算机就在交换机上，则交换机直接将包发给该计算机,A将文件拆分成若干个包,将包逐个地发给交换机,例：计算机A的文件计算机G,分组交换机中的存储转发过程,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,交换机,主机,在交换机 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,在交换机 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在交换机 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口,分组交换网中传

17、输路径的变化,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化,交换机,主机,选讲：实现分组交换的关键设备： 分组交换机,分组交换机的任务是：负责包（分组）的转发 分组交换机的工作方式是：存储转发 + 路由选择 分组交换机的工作过程： 从输入端口收到一个包后，放入缓冲区 检查数据包的目的地址，查转发表，决定该送哪个输出端口进行转发 把包从输入缓冲器中取出，送到相应输出端口的缓冲区中排队 输出端口每发送完一个包，就从自己的缓冲区中提取下一个包进行发送,分组交换技术的优点和问题,优点： 高效 动态分配传输带宽

18、，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。 可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。 分组交换的不足： 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销,分组交换技术的应用,几乎所有数据通信网都采用分组交换技术： 交换式以太局域网 公用数据网（传统的广域网） 因特网（Internet） 移动通信网（手机,不同的分组交换网，基于不同的技术，采用不同的协议，因而性能与应用各不相同！ 协议(protocol)是通信各方协商一致并必须严格遵守的规则和约定，例如： 通信对象如何识别？数据如何表示？命令(信令)如何表示？收到命令后完成何种动作，做出何种响应？发生错误如何处理？等等,选讲： 分组交换网的2种通信方式,无连接服务 通信过程中，双方不需要预先建立连接，所传输的数据包未必都经过相同的路径进行传输 优点：灵活方便，比较迅速 缺点：不能防止包的丢失、重复或失序 面向连接服务（虚电路方式） 先建立连接，再进行数据传输，全部传输完毕后再释放连接