专转本计算机第4章41通信技术入门概要

专转本计算机第4章41通信技术入门概要4.1.1通信的基本原理（1）通信系统的基本模型（2）调制与解调（3）多路复用技术什么是通信(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等通信的发展历史：1836年，英国建成第一条电报线路(Morse电报)1876年，美国人研制成可供实用的电话20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信1918年出现收音机和无线电广播1938年第一个电视台开始播出1940’s出现彩色电视1960’s出现计算机网络对通信系统的一般要求√远距离：传输距离要远√低成本：传输成本要低高速度：从发生到接收的延迟时间要短可靠：传输的信息不能有错误方便：任何时间和地点都能通信安全：传输的信息要保密，不能泄漏√通信系统的模型通信的三要素：信道信源(宿)信宿(源)信号信号举例: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有线电话移动电话计算机通信信源/信宿电话座机手机计算机信号形式话音经电话机转换成为变化的电流信号话音经电话机转换成为压缩编码后的数字信号编码并打包后的数字信号信道构成电话线和中继器等传输设备无线电波、基站等双绞线、集线器、路由器、光纤等通信系统的组成通信终端（如电话机）传输设备（如电话线）交换设备（如程控交换机）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t数字信号信号强度模拟信号信号强度t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00110

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1模拟信号如何传输？近距离传输：直接传输(如：MP3播放器－>耳机；计算机输出信号－>投影仪)远距离传输：通过载波来传输模拟信号(如：广播电台－>收音机)研究发现，高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，把模拟信号放在(调制在)载波上传输，则可比直接传输远得多利用信源信号去调制载波的某个参数（幅度、频率、相位），这个过程叫做“调制”接收方把载波所携带的信号检测出来，恢复为原始信号的形式，这个过程叫做“解调”模拟信号如何进行载波传输？

——三种调制方法调制后的载波信号传输信号调制器载波信号调制后的载波信号传输信号解调器载波信号调制信号(连续信号)调幅(AM)调频(FM)调相(PM)载波信号(高频正弦波)√实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”：数字信号如何传输？近距离传输方法——基带传输近距离传输时：不加处理直接进行（如：USB连接）较长距离传输：需作码型转换（如：以太网中传输数字信号）二进位信号的不归零制(NRZ)编码001101双绞线计算机计算机NRZ码曼彻斯特编码码型变换器码型变换器曼彻斯特编码NRZ码（网卡）（网卡）含有直流成分，不便于同步，不适合直接传输平均直流电平为0，电平的变化可作为同步信号二进位信号的曼彻斯特编码电平从低到高表示0,从高到低表示1

远距离传输方法——通过载波来传输数字信号(频带传输)数字信号的三种调制方法(ASK)幅移键控(FSK)频移键控00110100010调制信号(两个状态)(PSK)相移键控载波信号(高频正弦波)数字调制、解调器：调制后的载波信号传输信号解调器载波信号调制后的载波信号传输信号调制器载波信号小结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)信道信源(宿)信宿(源)调制后的载波

信号调制后的载波

信号调制(解调)器(调制)解调器载波载波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）波分多路复用（WDM）√频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing,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：DEMUXMUX

共享的传输信道载波频率f1调制调制载波频率fn载波频率f1解调解调载波频率fnf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频分多路复用分路器(带通滤波器)信号发射信号接收常见广播电台使用的载波频率中波900KHz(南京经济台)■

中波1008KHz(南京新闻台)短波15.28MHz(英国BBC)■

短波15.29MHz(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频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)187.755123.259230.25295.75

6206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路复用器解调器在天空中传输的电磁波器电视信号发射器电视信号接收器电视节目调制器载波1电视图像及其伴音调制器载波2电视图像及其伴音调制器载波n电视图像及其伴音电视调谐器(分路器)√时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing,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：HFGEDCBA传输线路时间片GC终端1终端2终端3终端4HDFBEA多路复用器43214321数据tMultiplexer多路分路器终端甲终端乙终端丙终端丁EAFBGCHDDemultiplexer应用：主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、GSM手机、总线式以太网等同步和异步时分多路复用ABCD待发数据t1t2t3A1B1C2B2周期1周期2异步TDM节省带宽A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM浪费异步TDM的条件：发送信息中必须包含接收设备的地址！√波分多路复用(WaveDivisionMultiplexing,WDM)

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示意图复合光小结2:多路复用可以降低通信成本通信系统的原理示意图复用（分路）信道信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器复用（分路）信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器······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模拟通信与数字通信（1）模拟通信（2）数字通信（3）数字通信系统模拟通信信源产生的模拟信号直接进行传输或者通过对载波调制后进行传输的通信技术称为模拟通信技术

应用：(传统的)有线载波电话无线电广播电视（卫星电视、数字有线电视除外）优点：历史长，技术成熟，结构简单，成本低缺点：在信号的调制和传输过程中易受噪声干扰，传输质量不够稳定趋势：已经越来越多地被数字通信所取代什么是数字通信？将信源产生的模拟信号转换为数字信号（或信源直接产生数字信号）之后，直接进行传输或通过用数字信号对载波进行数字调制来传输信息的技术称为数字通信数字通信技术的优点：抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可传输传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高数字电路容易用超大规模集成电路实现，有利于通信设备的小型化、微型化，也降低了功耗数字通信采用的技术数字调制/解调技术调幅；调频；调相多路复用技术时分多路；频分多路；波分多路交换技术电路交换；分组交换模-数和数-模转换技术；数字编码和数据压缩技术数字通信技术应用举例（1）当今长途电话系统的中继通信PCM编码器PCM解码器PCM编码器PCM解码器多路复用器分路器光纤传输线路(中继线和长途线)（本地电话局）（本地电话局）（用户线）（用户线）数字传输技术模拟传输技术模拟传输技术模拟声音信号在需要进行远距离传输之前，先使用PCM编码器变换为数字信号形式（此过程称为“数字化”）接收方所在地区的交换局使用解码器把数字信号还原成模拟声音信号后，由用户线传输至接听方的电话机数字信号经调制和复用后，通过光纤传输到接收方所在地区的交换局，再经解调和分路处理，恢复为数字信号补充：PCM编码PCM（脉冲编码调制）原理：将模拟信号按时间间隔T取样，再把取样得到的每一个样本用二进制整数表示At0510123456789101112T样本取样周期样本量化值

PCM码样本量化值

PCM码

30011281000

3101010

491001

560110640100

740100

830011

930011

1040100

1140100

1260110PCM编码的结果，就是将模拟信号转换成为一组数字信号数字通信技术应用举例（2）卫星电视数字传输：用数字传输技术传输模拟信号数字传输技术数字调制数字解调编码器解码器在空中传输的电磁波器电视信号发射器电视信号接收器载波载波电视图像及其伴音电视机数字信号经调制和复用后由天线发送至卫星，再由卫星进行转发，被卫星地面接收站所接收电视台的节目在发送到卫星去传输之前，先要把图像和伴音信号进行数字化，还要进行数据压缩地面站对接收到的信号进行解调、解码后恢复为模拟信号，再经由有线电视电缆送到用户电视机上播放4.1.3光纤通信与无线通信（1）传输介质的类型与特点（2）光纤通信（3）无线通信√传输介质的类型与特点介质类型特点应用有线通信双绞线成本低，易受外部高频电磁波干扰，误码率较高；传输距离有限固定电话本地回路、计算机局域网同轴电缆传输特性和屏蔽特性良好，可作为传输干线长距离传输载波信号，但成本较高固定电话中继线路、有线电视接入光缆传输损耗小，通讯距离长，容量大，屏蔽特性非常好，不易被窃听，重量轻，便于运输和铺设。缺点是精确连接两根光纤很困难电话、电视等通信系统的远程干线，计算机网络的干线无线通信自由空间使用微波、红外线、激光等，建设费用低，抗灾能力强，容量大，无线接入使得通信更加方便.但易被窃听、易受干扰广播，电视，移动通信系统，计算机无线局域网√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(10Mb/s)；5类线(100Mb/s)；6类线(200Mb/s)无屏蔽双绞线(UTP)；屏蔽双绞线(STP)同轴电缆内层导线金属屏蔽外绝缘层绝缘体同轴电缆分类基带同轴电缆（50Ω）传输数字信号宽带同轴电缆（75Ω）传输模拟信号信号线地线套管无屏蔽双绞线√光纤与光缆多根光纤保护层防止光泄漏的吸收外壳起保护作用的防护层外绝缘层光线光波在光纤中的传播光导纤维（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去）纤芯

包层保护层光波光缆光纤保护层无线通信原理：模拟信号或数字信号使用电磁波调制后进行传输1041051061071081091010101110121013101410151016Hz双绞线同轴电缆AM广播FM广播和TV卫星地面微波光纤紫外线红外线可见光微波无线电波超短波中波短波电磁波的种类与频率范围

√无线电波: 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)

√红外线： 1011

～1014(Hz)

可见光： 1014(Hz)

紫外线： 1014

～1016(Hz)

无线广播电视、通信通信微波通信微波：300MHz～300GHz范围内的电磁波，波长为1m～1mm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颗通信卫星地面站1地面站2地球卫星卫星卫星地球35800公里赤道上方高度为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卫星通信的重要应用——GPS例——美国研制GPS系统24颗卫星在万公里高空以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：民用大约几十米军用可高得多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√有线信道：双绞线、同轴电缆、光纤

√无线信道：无线电波、卫星、微波、

红外线、激光4.1.4移动通信（补充）（1）什么是移动通信（2）移动通信原理（3）第2代和第3代移动通信什么是移动通信？处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等优点：克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息基站移动台（手机）移动电话交换中心公用电话网蜂窝移动通信原理每10km～20km的区域称为单元（形似蜂窝），单元的中央建有一个基站，该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号所有单元既相互分割，又彼此有所交叠，连成