数字通信入门课件

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交换技术第1页/共39页4.1.1数字通信的基本原理(1)通信的基本模型第2页/共39页什么是通信(communication)？广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交换现代通信——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、QQ等，电视也可看作是一对多的单向通信通信的发展历史：1836年，英国建成第一条电报线路(Morse电报)1876年，美国人A.G.Bell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出现计算机网络第3页/共39页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，不能泄漏第4页/共39页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、光纤等第5页/共39页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第6页/共39页什么是数字通信？数字通信——通信终端之间以数字信号的形式进行通信数字通信有2种情况：终端设备发出和接收的都是数字信号，例如：计算机与计算机之间的通信、手机与手机之间的通信发送方发出的是模拟信号，但把它转换成数字信号后再进行传输；接收方把收到的数字信号转换成模拟信号后再予以处理和使用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，也降低了功耗第7页/共39页(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第8页/共39页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，计算机无线局域网第9页/共39页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）以前在以太网中使用宽带同轴电缆（75Ω）有线电视网使用信号线地线套管无屏蔽双绞线第10页/共39页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第11页/共39页无线通信原理：数字(或模拟)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、通信通信第12页/共39页微波通信微波：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）等第13页/共39页个人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第14页/共39页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，连成整个移动通信服务网所有基站都通过微波或电缆、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，通话时使用两个频率（一个上行频率，一个下行频率），同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率进行通信，相互不影响每个蜂窝单元中有200多个信道(GSM)。相邻单元不允许使用相同的频率，不相邻单元的频率允许重用移动交换中心电话交换中心第15页/共39页第三代移动通信系统（3G）第2代移动通信的不足：（1）数据传输速率过低（9.6kb/s或57kb/s），仅可传输语音和文字（2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。（3）不能实现覆盖全球的无缝连接3G的目标：（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（3）地面移动通信与卫星移动通信相结合，实现全球漫游使用的频谱：1885MHz~2025MHz，2110MHz~2200MHz

传输速率：室内：2Mb/s，步行：384kb/s，快速移动：114kb/s我国采用的3种技术标准：中国移动TD-SCDMA(时分-同步码分多址接入)，自主知识产权中国电信CDMA2000中国联通W-CDMA第16页/共39页(3)调制解调技术第17页/共39页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模-数和数-模转换技术；数字编码和数据压缩技术第18页/共39页数字信号如何传输？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；电话拨号上网；ADSL上网什么是载波？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第19页/共39页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)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实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”：第20页/共39页信道信源(宿)信宿(源)调制后的载波

信号接收到的载波

信号调制(解调)器(调制)解调器载波载波小结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第21页/共39页(4)多路复用技术第22页/共39页怎样降低传输成本？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）波分多路复用（WDM）第23页/共39页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：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第24页/共39页时分多路复用(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、总线式以太网等第25页/共39页发送方：数据时间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附加上接收方的“地址”第26页/共39页波分多路复用(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第27页/共39页小结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，以提高复用效率第28页/共39页4.1.2分组交换原理第29页/共39页通信系统中“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的资源常用的交换方式：电路交换分组交换…交换机第30页/共39页什么是电路交换？电路交换的过程：建立连接通信释放连接应用：电话通信((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA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第31页/共39页什么是分组交换(PacketSwitching)?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：有效载荷(传输的数据)校验信息发送计算机地址目的计算机地址编号分组交换示意：321（c）132（b）不同的包在不同链路上进行传输123321（d）到接收方后，再将收到的包按顺序组合在一起321321（a）发送方将数据分成3个包表示分组交换机第32页/共39页分组交换与存储转发的过程发送数据的计算机将包发给它所连接的分组交换机交换机每收到一个包，就检查该包的目的地地址：若数据包目的地是直接与之相连的计算机，交换机就将包发往该计算机若目的地不是本分组交换机上的计算机，则选择一个输出端口，通过连接该端口的高速数字线路转发给另一台交换机（如果线路忙，则可放在对应的缓冲器中排队等候）下一台交换机收到数据包之后，重复过程2直到数据包到达目的计算机为止例1：计算机C发送数据包给计算机H例2：计算机A发送数据包给计算机G交换机1123412345交换机2123412345交换机3123451234交换机4123451234高速数字通信干线ABCDEFGH第33页/共39页分组交换机中的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1

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第34页/共39页分组交换网中传输路径的变化H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1向H5

发送分组H2向H6

发送分组注意分组路径的变化！交换机主机第35页/共39页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