第四章通信技术与教育(上)

第四章通信技术与教育(上)本章学习目标1.掌握通信技术的基础知识2.了解通信技术的应用与发展趋势3.掌握通信技术在教育领域中的应用第一节通信技术一通信技术概述二通信技术基础知识三通信技术应用四通信技术发展趋势一、通信技术概述通信，简单地说，就是把信息从一个地方传送到另一个地方，完成信息的传递和交流。简单通信系统的模型信源信宿信道发信方收信方通信的理想目标就是，任何一个人不管在何时何地都可与另外的任何人以各种方式进行任何种类的信息交流。为实现这一目标所开发的技术都称之为通信技术。通信系统一般模型图1-1通信系统的一般模型随着电子技术的不断发展和进步，通信的业务内容不断扩充，从原有的电报、发展到图文、数字数据通信、电视、电视会议等，出现了卫星通信、数字通信、光纤通信、数字程控交换等新的通信技术，从而形成了现代通信蓬勃发展的局面。由于通信技术及计算机技术的融合和高速发展，通信网已经由仅仅传输语音发展到需同时传送大容量高速率的话音、数据、图像，现代通信正处在一个从非智能型转向智能型，由集中式结构转向分布式结构的质的飞跃性历史时期。二、通信技术基础知识（一）按传输技术划分（二）按信道介质是否有形划分（三）按通信方式划分（一）按传输技术划分根据在信道上使用的传输技术，可以把通信分为模拟通信和数字通信两大类。在模拟通信中，通信信号是随时间连续变化的，数字通信中在传输信道上使用数字式的离散信号。数字信号模拟信号数字通信与模拟通信相比具有明显的优点：1.抗干扰能力强。2.远距离传输仍能保证质量。3.能适应各种通信业务要求。模拟（Analog)信号与数字(Digital)信号的转换实现数字通信，必须使发送端发出的模拟信号变为数字信号，这个过程称为“模数转换”。模拟信号数字化最基本的方法有三个过程：第一步是“抽样”，就是对连续的模拟信号进行离散化处理，通常是以相等的时间间隔来抽取模拟信号的样值。第二步是“量化”，将模拟信号样值变换到最接近的数字值。因抽样后的样值在时间上虽是离散的，但在幅度上仍是连续的，量化过程就是把幅度上连续的抽样也变为离散的。第三步是“编码”，就是把量化后的样值信号用一组二进制数字代码来表示，最终完成模拟信号的数字化。数字信号进入数字网进行传输。接收端则是一个还原过程，把收到的数字信号变为模拟信号，即“数模转换”，从而再现声音或图像。如果发送端发出的信号本来就是数字信号，则用不着进行模数变换过程，数字信号可直接进入数字网进行传输。ABCD模拟（Analog)信号与数字(Digital)信号的转换模拟信号数字化传输通信系统

发端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；接收端需进行相反的转换，即D/A转换。

（二）按信道介质是否有形划分

1.有线通信

同轴电缆（coaxialcable或coaxialline）由同轴的内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体是一根圆柱形的套管，一般是细金属线编制成的网状结构，内外导体之间有绝缘层。同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成，这种结构中的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁场，也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号，因而具有很好的抗干扰特性，被广泛用于较高速率的数据传输。通常按特性阻抗数值的不同，将其分为基带同轴电缆（50

同轴电缆）和宽带同轴电缆（75

同轴电缆）。

同轴电缆可以分为两种：基带(baseband)同轴电缆，50欧姆电缆，用于数字传输。宽带(boardband)同轴电缆，75欧姆电缆，用于模拟传输。双绞线(TwistedPair)每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约1mm。计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)以箔屏蔽以减少干扰和串音双绞线外没有任何附加屏蔽内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP，ShieldedTwistedPair)：抗干扰性好，性能高，用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高，

所以一直没有广泛使用。非屏蔽双绞线(UTP，UnshieldedTwistedPair)：非屏蔽双绞线的传输距离一般为100米。由于它较好的性能价格比，目前被广泛使用。光纤(fiber)与光缆光纤即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信，光导纤维电缆，简称光缆，是网络传输介质中性能最好、应用前途广泛的一种。以金属导体为核心的传输介质，其所能传输的数字信号或模拟信号，都是电信号。而光纤则只能用光脉冲形成的数字信号进行通信。有光脉冲相当于1,没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率极高，约为108MHz的量级，因此光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束●高密度多芯光缆剖面结构光纤通常由极透明的石英玻璃拉成细丝作为纤芯。光纤信号衰减极小,可以在6km-8km的距离内,在不使用中继器的情况下,实现高速率的数据传输。光缆主要是在要求传输距离较长，布线条件特殊的情况下用于主干网的连接。光缆的铺设方式（1）架空光缆架空光缆是架挂在电杆上使用的光缆。这种敷设方式可以利用原有的架空明线杆路，节省建设费用、缩短建设周期。架空光缆挂设在电杆上，要求能适应各种自然环境。架空光缆易受台风、冰凌、洪水等自然灾害的威胁，也容易受到外力影响和本身机械强度减弱等影响，因此架空光缆的故障率高于直埋和管道式的光纤光缆。适用于专用网光缆线路或某些局部特殊地段。（2）直埋光缆这种光缆外部有钢带或钢丝的铠装，直接埋设在地下，要求有抵抗外界机械损伤的性能和防止土壤腐蚀的性能。要根据不同的使用环境和条件选用不同的护层结构，例如在有虫鼠害的地区，要选用有防虫鼠咬啮的护层的光缆。根据土质和环境的不同，光缆埋入地下的深度一般在0.8m至1.2m之间。（3）管道光缆管道敷设一般是在城市地区，管道敷设的环境比较好，因此对光缆护层没有特殊要求，无需铠装。制作管道的材料可根据地理选用混凝土、石棉水泥、钢管、塑料管等。水底光缆是敷设于水底穿越河流、湖泊和滩岸等处的光缆。这种光缆的敷设环境比管道敷设、直埋敷设的条件差得多。水底光缆必须采用钢丝或钢带铠装的结构，护层的结构要根据河流的水文地质情况综合考虑。例如在石质土壤、冲刷性强的季节性河床，光缆遭受磨损、拉力大的情况，不仅需要粗钢丝做铠装，甚至要用双层的铠装。施工的方法也要根据河宽、水深、流速、河床、流速、河床土质等情况进行选定。水底光缆的敷设环境条件比直埋光缆严竣得多，修复故障的技术和措施也困难得多，所以对水度光缆的可靠性要求也比直埋光缆高。海底光缆也是水底电缆，但是敷设环境条件比一般水底光缆更加严竣，要求更高，对海底光缆系统及其元器件的使用寿命要求在25年以上。（4）水底光缆无线通信无线电波微波红外线激光无线电波（Radio）无线电波作为传输介质，可用于无线电广播和电视的传输。它可以随地球表面弯曲传输，也可以通过对流层和电离层传输。例如，电视频道中的VHF（甚高频）的播送频率为30MHz～300MHz，UHF（超高频）的播送频率为300MHz～3GHz。无线电波也用于AM和FM广播、业余无线电、蜂窝和短波广播。微波（Microwave）微波使用高于广播与电视所用的电磁波频率，它也可以用作传输介质。微波通信可用于长途，也可以用于数据通信传输。与无线电波向所有方向发射不同，微波只向某个固定方向传输，并可以携带更多的信息。由于微波不能进入实体结构，因此在微波发射器与接收器之间不应有障碍物。地球两个地面站之间传送距离：50-100km地面站之间的直视线路微波传送塔地面微波接力卫星通信是一种特殊的微波通信系统，与地面微波干线的主要区别是由地面站将信号发向卫星之后，卫星向地面转发的信号能覆盖较大的地域。通信用的同步卫星定位在地球固定的经线上空，距地面高约为36000km，则信号直线可达的地域大约为1/3个地球，故三个分布于合适位置的卫星就能覆盖全球。地球

卫星通信系统是由空间部分——通信卫星和地面部分——通信地面站两大部分构成的。在这一系统中，通信卫星实际上就是一个悬挂在空中的通信中继站。它居高临下，视野开阔，只要在它的覆盖照射区以内，不论距离远近都可以通信。通信卫星的工作过程

通信卫星工作的基本原理如图所示。从地面站1发出无线电信号，这个微弱的信号被卫星通信天线接收后，首先在通信转发器中进行放大，变频和功率放大，最后再由卫星的通信天线把放大后的无线电波重新发向地面站2，从而实现两个地面站或多个地面站的远距离通信。通信卫星的工作过程

举一个简单的例子：如北京市某用户要通过卫星与大洋彼岸的另一用户打，先要通过长途局，由它把用户线路与卫星通信系统中的北京地面站连通，地面站把信号发射到卫星，卫星接到这个信号后通过功率放大器，将信号放大再转发到大西洋彼岸的地面站，地面站把信号取出来，送到受话人所在的城市长途局转接用户。通信卫星的工作过程红外线（Infrared）红外线使用远高于微波而接近于可见光的频率，常用于小范围（例如在一个房间里）的信号传输，它不需要天线，使用时要求发射器直接对准接收器。它可用于笔记本计算机，例如我们可以在一个房间的计算机网络中使用红外线来让笔记本计算机在房间内移动时均保持与网络连接。我们常用的电视遥控器就是利用红外线传输信息的。红外线可能是最新的无线传输介质，它利用红外线来传输信号。常见于电视机等家电中的红外线遥控器，在发送端设有红外线发送器，接收端有红外线接收器。发送器和接收器可任意安装在室内或室外，但需使它们处于视线范围内，即两者彼此都可看到对方，中间不允许有障碍物。红外线通信设备相对便宜，有一定的带宽。当光束传输速率为100kbps时，通信距离可大于16km，1.5Mbps的传输速率使通信距离降为1.6km。红外线通信只能传输数字信号。此外，红外线具有很强的方向性，故对于这类系统很难窃听、插入数据和进行干扰，但雨、雾和障碍物等环境干扰都会妨碍红外线的传播。激光（Laser）激光除了可以在光缆中用作传输数据信号的载体外，它也可以直接作为传输介质在空气中传输数据。与微波传输类似，激光只能向一个固定方向传播，它不能穿过金属、植物，甚至雪和雾，因此直接用激光作为传输介质在实用上受到限制。在空间传播的激光束可以调制成光脉冲以传输数据，和地面微波或红外线一样，可以在视野范围内安装两个彼此相对的激光发射器和接收器进行通信，如图所示。激光通信与红外线通信一样是全数字的，不能传输模拟信号；激光也具有高度的方向性，从而难于窃听、插入数据及干扰；激光同样受环境的影响，特别当空气污染、下雨下雾、能见度很差时，可能使通信中断。通常激光束的传播距离不会很远，故只在短距离通信中使用。常用传输媒体的比较（三）按通信方式划分广播电视步讲机系统三通信技术应用（一）（二）有线电视（三）无线广播和卫星通信（四）移动通信IP1.什么是IPIP是国际互联网协议（InternetProtocol）的简称，IP是按国际互联网协议规定的网络技术内容开通的业务，中文翻译为网络或互联网，它是利用国际互联网Internet为语音传输的媒介，从而实现语音通信的一种全新的通信技术。由于其通信费用的低廉(每分钟互联网通信费用人民币6分6厘，而普通的国际通信费，每分钟需十几元人民币)，所以也有人称之为廉价。网络、互联网、经济或者廉价，这些都是人们对IP的不同称谓，其实质基本都是一个意思。现在用得最广泛，也是比较科学的叫法即“IP”。2.IP的由来（1）最初的IP是个人计算机与个人计算机之间的通话。他们是一些拥有电脑，并且可以上互联网的客户，通话双方利用双方的电脑与调制解调器，再安装好声卡及相关软件，加上送话器和扬声器，双方约定时间同时上网，然后进行通话，具体如下图:在这一阶段，只能完成双方都知道对方网络地址及必须约定时间同时上网的点对点的通话，在普通的商务领域中就显得相当麻烦，因而，不能商用化或进入公众通信领域。（2）计算机与普通之间的通信随着IP的优点逐步被人们认识，许多电信公司在此基础上进行了开发，从而实现了计算机与普通之间的通话。

（2）计算机与普通之间的通信计算机一方，一般需要能上国际互联网(Internet)的普通计算机(PC)，一台调制介调器(modem)，计算机上同样应该装有声卡和送话器及扬声器，并且要安装IP的软件。机用户方，应当具备拨号上本地网IP的网关(gateway)的功能。（2）计算机与普通之间的通信计算机(PC)方呼叫远端:先通过Internet登陆到网关，进行帐号确认，提交被叫号码，然后由网关完成呼叫。呼叫远端计算机(PC):计算机(PC)应当向Internet提供一个固定的地址，并且在所在网关上进行登记，向网关呼叫，通过网关自动呼叫被叫计算机(计算机平时不能关机)。（2）计算机与普通之间的通信这一类IP，拥有机的一方，可以不必安装计算机及相关软件与设备。目前，国内有些计算机客户与国外进行IP的通话已可以采用这种方式。但是，这种方式仍旧十分不方便，无法满足公众随时需要的通话方式。（3）普通与普通之间的通信普通客户通过本地拨号上本地的互联网的网关(Gateway)，输入帐号、密码，确认后键入被叫号码，这样本地与远端的网络通过网关透过Internet网络进行连接，远端的Internet网关通过当地的网呼叫被叫用户，从而完成普通客户之间的通信。（3）普通与普通之间的通信作为网络的网关，一定要有专线与Internet网络相连，即是Internet网上的一台主机，目前双方的网关必须用相同一家公司的产品。（3）普通与普通之间的通信这种通过Internet网从普通----普通的通话方式就是人们通常讲的IP，也是目前发展得最快而且最有商用化前途的。（2）无绳无绳使人们在打时可以在屋里走来走去。无绳由两部分组成：基站和，它们通常是一起卖的。基站的后面有一个标准的插座，可以通过线连接到系统上。和基站通过低功率无线电波通信，范围一般为100～300m。图是一个无绳系统的示意图，无绳手机通过无线链路和基站相连，基站在通过线连接到公用交换网上。有线电视（CATV）有线电视系统是指用电缆传输电视信号的系统，即用有线方式将电视信号分送各用户的电视系统。移动通信无线通信中的移动通讯系统也是一种无线通信方式。自1978年美国芝加哥开通第一台模拟移动以来，世界移动通信一直呈现蓬勃发展的态势,全球用户超过10亿户。第一代移动通讯系统第二代移动通讯系统第三代移动通讯系统第四代移动通讯系统第一代移动通讯系统1G（模拟移动技术）：使用模拟调制和频分多址技术，工作频率为1GHZ以下，受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。缺点：容易被盗号穿透力差容易受其它电波干扰只能提供语音服务，不能传递数据（无法用手机上网)第二代移动通讯系统2G（数字移动技术）:欧洲的ＧＳＭ(GlobalSystemofMobilecommunication)系统、日本的ＰＤＣ系统、美国的ＣＤＭＡ(CodeDivisionMultipleAccess)系统以及Ｄ-ＡＭＰＳ.数字式的GSM规格是全球目前拥有最多使用者的移动规格。能够提供广域话音业务和低速数据业务，不过不同的系统间无法相互支持，频谱利用率较高。从用户观点出发，GSM的主要优势在于提供更高的数字语音质量和替代呼叫的低成本的新选择（比如短信）。从网络运营商角度看来，其优势是能够部署来自不同厂商的设备，因为GSM作为开放标准提供了更容易的互操作性。而且允许网络运营商提供漫游服务，用户可以在全球使用他们的移动。GSM的传输速率是9.6Kbps，通过一些特殊的无线协议（如WAP）可以直接联接到互联网上，与网络交换信息。用GSM不适合传送或接收多媒体材料，适合于传送简讯。第三代移动通讯系统3G（宽带多媒体移动通信技术）：第三代移动通讯系统，即宽带多媒体移动通信技术。目前全球有三大标准，分别是欧洲提出的WCDMA、美国提出的CDMA2000和我国提出的TD—SCDMA。第三代移动通信基于足够带宽的数据业务不同于目前的手机，不仅可以发送图片，还可以发送接受动态图像。CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA商用系统运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信运营公司中有7家选用CDMA。到今年4月，韩国有60%的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第28届奥运会中，CDMA技术更是发挥了重要作用。第四代移动通讯系统4G：未来第四代移动通信要求实现全球统一的标准，真正实现一部手机在全球的任何地点都能实现通信：以移动数据为主传输速率比现在高1000倍，达到100兆发射功率比现在降低10—100倍，能解决电磁干扰问题支持更丰富的移动业务，包括高清晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等，使用户在任何地方都可以获得任何所需的信息服务四、通信技术发展趋势（一）光通信技术烽火台、望远镜、交通红绿灯，它们都是光通信的不同形式。但是它们有一个共同点，就是利用大气来传播可见光，由人眼来接收。也正因为如此，我们才会对它们如此地熟悉，可是这些却不是真正的意义上的光通信，更不是强大的光通信，真正强大的光通信应该是光纤通信。这里，应该明确，光通信指的是一切运用光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的媒介是什么；而光纤通信则是单纯地依靠光纤作为媒介来传送信息的通信方式。1.光纤通信有很强的抗干扰能力。主要有两个原因：第一是光纤是由非金属的石英介质材料构成的，它是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；第二是光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比它高的多的光波。(打个比方说，光纤中的光波好比是在万丈高空飞行的飞机，任凭地上行驶的火车、汽车如何得多，也不会影响到它的飞行。)光纤通信的优点：2.光纤通信之所以魅力四射，其奥妙还在于它的原材料不是金属，而是资源丰富的二氧化硅，这具有重大的战略意义。现有的线和电缆是由铜和铅等金属制成的。地质调查表明，世界上铜的储藏量并不多，据估计，按照现在的开采速度，世界上的铜矿资源将在50年内开采完毕。而光纤的主要构成材料是石英（主要成分是二氧化硅），说得更通俗一点就是随处可见的砂子，这种材料在地球上可以说是取之不尽、用之不竭的。用1公斤的高纯度的石英玻璃可以拉制上万公里的光纤，相比之下，制造1公里18管同轴电缆需要耗120公斤的铜，或500公斤的铅。所以，用光缆取代电缆，可以节约大量的有色金属。3.传输速率快；体积小，重量轻等优点。缺点：

光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦。（二）蓝牙通信现代通信网络无论有线还是无线都颇为发达，各种通信电缆也五花八门，不但办公室中电缆无处不在，随着家用设备的发展，居室也成了充满电缆的世界。从计算机和打印机的连接到耳机线，以及计算机间的通信电缆、电视机和影视设备的连接，真可谓丰富多彩。在人们觉得它必不可少的同时，也为人们带来不少伤脑筋的问题。有线电缆除了诸多使用不便、连线频出故障之外，各种电缆之间也无法通用。因此，电缆成为现代通信中的美中不足。

公元10世纪的时候，丹麦有一个国王，原来是一个海盗，但是他后来统一了北欧一个四分五裂的国家。这个人爱吃蓝梅，牙齿常常被染成蓝色，由此得了个外号叫“蓝牙”。蓝牙技术最初是爱立信公司提出来的，这个公司也是北欧的，为了让这种技术的名字含有“一统天下”的意思，就取了这个名字。“蓝牙”名称的由来：“