《信息技术基础与应用》课件第4章

第四章通信技术4.1程控交换技术4.2无线通信与卫星通信技术4.3移动通信技术4.4光纤通信技术所谓通信，最简单也是最基本的理解，就是人与人沟通的方法。无论是电话还是网络，解决的最基本的问题，实际还是人与人的沟通。而现代通信技术则是随着科技的不断发展，通过采用最新的技术来不断优化通信的各种方式，让人与人的沟通变得更为便捷、有效。现代通信一般是指电信，国际上称为远程通信。随着电信业务从以话音为主向以数据为主转移，所采用的交换技术也相应地从传统的电路交换技术逐步转向分组的数据交换和宽带交换，以及适应下一代网络基于IP的业务综合特点的软交换方向发展。信息传输技术主要包括光纤通信、数字微波通信、卫星通信以及移动通信。

4.1.1基本概念

日常使用的电话是通过双绞线或双股线与一台电话交换机相连接的，一部电话交换机上连接着成千上万台电话机(或者计算机、多媒体终端等)。两个电话用户之间要实现通话，首先要通过交换机之间的中继线把它们相互连接起来，这种技术就是电话交换技术。

交换机经历了从人工交换到自动交换的发展。自动交换机早期为机电制(旋转制、步进制、纵横制等)。4.1程控交换技术20世纪70年代后期，随着计算机技术的发展，可以把用户拨号完成接续的控制过程通过计算机的程序来实现，这种控制交换的方式就称为程控交换。

程控交换的分类方法有许多种。按控制方式来分，有集中控制和分散控制；按接续方式来分，有电路交换、分组交换和报文交换；按交换速率来分，有同步时分交换和异步时分交换；按交换的信号形式来分，有模拟交换和数字交换；按网络接续方式来分，有空分交换和时分交换。程控交换中的重要设备程控交换机分为局用交换机和用户交换机两大类。局用交换机有市话、长途、汇接、长途市话合一等四类；用户交换机有通用和专用两类，主要用于各单位内部的电话交换。图4.1所示为早期的程控交换机机房。

图4.1早期的程控交换机机房在交换方法中电路交换和分组交换非常重要。所谓电路交换，就是当一对终端要通信时，交换机就在这两台终端之间建立一条专用信号通路，即使线路中无信号传输(如双方均未讲话)，其他终端也不能使用。所谓分组交换，就是通信终端将数字化的信息打成一个个数据包(或数据分组)，然后在分组交换机中进行传送，当一台分组交换机收到一个分组后，先存储起来，然后从线路中找出空闲的线路，再依次将各分组发送到下一分组交换机，这就叫“存储—转发”方式。按照这种方式直至把分组送达目的终端为止。电路交换的优点是简单、实时性强，缺点是线路使用效率较低；分组交换则恰好相反。4.1.2程控交换的发展与特点

20世纪70年代，法国阿尔卡特(Alcatel)公司研制出世界上第一台数字式程控交换机，实现了交换、传输的数字一体化。由于话音信息的数字化，使交换网络可采用计算机存储器和逻辑门电路等电子器件来代替金属接点接续器件，实现了交换机的全部电子化。80年代，出现了二级分散控制交换机，即交换机的各级都采用数字化交换网络和模块化结构，每个模块都采用独立的微机进行控制，并增强了中央处理机的功能。这种交换机最突出的特点是提高了非话音业务(主要是计算机数据)的能力，并可与数字传输设备直接配合，形成以下三种传输技术。

(1)窄带综合业务数字网(N-ISDN)：它是以电话线为基础发展起来的，既可进行电路交换，也可进行分组交换，能实现在一对用户线中同时进行话音和数据的传输，使信息系统的功能更加完善，效率和可靠性都有显著的提高。

(2)

ATM(异步传输模式)技术：它是一种快速分组交换技术，可以实现话音和非话音等各种宽带(通常指2Mb/s以上速率)业务的交换。ATM技术可对各种带宽的信号进行分配，能对不同的业务采取统一的交换方式。因此ATM能够实现各种不同业务的统一交换，是一种高效的交换技术。但由于ATM交换与IP技术相比技术复杂、成本较高，因而尚未普遍推广。

(3)光交换技术：光交换具有极宽的带宽，运行速度快，并且具有与光传输配合无需进行光电转换的特点。利用光交换技术可在光传送网上进行模拟信号和数字信号交换，从而降低了功耗和成本，避免了干扰，提高了通信质量。由于它具有空间并行传输信息的特性，因此可以提高通信容量。

4.2.1无线通信

英国著名的物理学家麦克斯韦尔指出：变化的电场激发变化的磁场，变化的电场与变化的磁场不是彼此孤立的，而是相互联系、相互激发的，这样就形成了电磁场。1862年，麦克斯韦尔从大量的实验与理论中，推导出描述电磁场的麦克斯韦尔方程，揭示了电磁波谱的秘密，使人们对无线电波、微波、光波、X射线、γ射线的内在联系有了深刻的认识。4.2无线通信与卫星通信技术电磁波的传播有两种方式：

(1)在自由空间中传播，即通过无线方式传播。

(2)在有限制的空间区域内传播，即通过有限方式传播(同轴电缆、双绞线、光纤传输电磁波的方式)。

描述电磁波的参数有三个：波长(WaveLength)、频率(Frequency)与光速(SpeedofLight)。这三者之间的关系为：λ

×

f

=

C，频率单位为Hz。图4.2给出了电磁波谱与通信类型的关系。

图4.2电磁波谱与通信类型的关系图无线通信所使用的频段覆盖从低频到超高频，其中：调频无线电通信使用中波MF；调频无线广播使用甚高频；电视广播使用甚高频到特高频。

国际通信组织对各个频段都规定了特定服务，以高频HF为例：频段从3MHz到30MHz，被划分为多个特定的频段，分别分配给移动通信(空中、海洋与陆地)、广播、无线电导航、业余电台、宇宙通信及射电天文等方面。高频无线电信号由天线发出后，沿两条路径在空中传播。其中，地波沿地表面传播，天波在地球与地球电离层之间来回反射。高频无线电信号的传播路径如图4.3所示。

图4.3高频无线电信号的传播路径示意图4.2.2微波通信

在电磁波谱中，频率在100MHz～10GHz的信号叫微波信号，其波长为3m～3cm。微波信号传输的特点是：第一，只能进行视距传播，因为微波信号没有绕射能力，所以两个微波天线之间只能在可视，即中间无物体遮挡的情况下，才能正常接收和发送信号；第二，大气对微波信号的吸收与散射作用较大。微波信号波长较短，因此利用机械尺寸相对较小的抛物面天线，就可以将微波信号能量集中在一个很小的波束内发送出去。这样就可以用很小的发射功率来进行远距离通信。同时，由于微波天线具有高度方向性，因此在地面一般采用点—点通信方式，微波频率很高，故可以获得较高的通信带宽。因此，微波通信是适用于卫星之间及城市建筑物之间的通信方式。图4.4给出了微波通信工作示意图。

图4.4微波通信工作示意图4.2.3卫星通信

位于地面上方36000km且与地球同步旋转的卫星称为同步地球卫星。从一颗这样的卫星上发射的电波波长几乎可覆盖地球上的一个洲，如果把信号转发器放到该卫星上就可以实现国内任何两点之间，甚至国内与周边国家之间的通信。通过地球站将这一信号再发送到另一颗同步地球卫星的过程称为一跳，经过两跳或三跳便可以实现全球通信。通常所谓的卫星通信，就是指地球上(包括地面、水面和低层大气中)的无线电通信站之间利用人造卫星作中继站进行的通信，图4.5给出了卫星通信原理图。

图4.5卫星通信原理图4.2.4卫星通信的发展与特点

卫星通信一般使用300MHz～300GHz的微波频段，具有通信距离远、容量大、质量好和能多址广播等优点。预计到2015年前，星间激光通信的传输率将达到40Gb/s，采用数据压缩等技术并利用激光可使数据的传输率达到400Gb/s。而到2025年，采用紫外激光的数据传输率将达到15Tb/s。使用卫星通信时需要注意它的传输延时，其延时时间Δt取决于卫星距地面的高度。一般Δt值在250ms～300ms(如270ms)时传输延时为540ms(即信号上星再返回地面的总时间。商用通信卫星一般被发射到赤道上方35

900km的地球同步轨道上，地球与卫星之间可保持相对静止，三颗这样的卫星均匀分布，就可以覆盖全球。20世纪70年代后期，卫星的重量越来越大，技术越来越复杂。例如，1989年美国发射的IntelsatⅥ卫星重达4吨。20世纪80年代中期开始出现小卫星，重量与尺寸回到初期卫星的重量轻、尺寸小的状态。20世纪90年代初，由于小卫星技术的发展，出现了中、低轨道卫星移动通信的方法。中、低轨道卫星不是同步卫星，它们作为陆地移动通信系统的补充与扩展，只有与地面公用通信网有机结合起来，才能实现全球个人移动通信。低轨道移动通信系统的优点是卫星轨道低，传输延时缩短，多卫星组成的星座可以真正覆盖全球。

卫星移动通信是未来个人通信的一个组成部分，20世纪90年代以来得到了迅速的发展。卫星移动通信的发展趋势是：卫星朝着小型化、轻型化方向发展，卫星技术将更多地采用星上处理、星间链路、高频段宽带传输等技术；地面终端的手持机更趋小型化，其价格和通话费将不断降低，以满足全球个人通信的需求。下面列举几个卫星通信的典型系统。

典型系统1：微软与麦考通公司的卫星通信网络Teledesic计划发射840～924颗卫星。每颗卫星是网中的交换节点，相邻8颗构成一个网路拓扑，采用30GHz/20GHz频段。

典型系统2：由STANFORD大学制作，于2000年2月6日脱离母卫星OPAL(微卫星)，重量为0.5lb(磅)，体积为4in×3in×1in。图4.6给出了STANFORD大学的OPAL实物图，从图中可以看出该卫星的尺寸只有香烟盒大小。

图4.6STANFORD大学的OPAL实物图

4.3.1基本概念

移动通信是指允许通信终端从一地搬至另一地或用户在移动过程中进行通信。在移动通信系统中，通信终端(例如常见的手机)通过无线电波与附近的某个基站连接，这些基站再通过电缆或光纤连接到移动交换机，最终连入陆地公共电话网。

4.3移动通信技术一个基站只能覆盖一定的地理区域，一个较大的区域通常需要由若干个基站来覆盖。当一个用户在移动中逐渐远离他所在的基站时，必须转接到另一个较近的基站，这称为越区切换。4.3.2技术发展过程与特点

1．第一代移动通信技术

第一代移动电话系统出现于20世纪70年代。它以频分多址(FDMA)技术为基础，所传送的是模拟话音信号，因而称为模拟移动通信系统。

2．第二代移动通信技术

20世纪90年代初，移动通信系统开始进入采用窄带时分多址(TDMA)和窄带码分多址(CDMA)数字接入技术的第二代数字系统，已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统(又称全球通)、美国的IS-54系统和IS-95系统、日本的PDC系统。随着近年来移动电话用户的迅猛增长，第二代移动通信系统向更高频发展，世界各地开始出现基于1.8/1.9GHz频段的微蜂窝移动通信系统。

3．第三代移动通信技术

随着移动通信的进一步发展，目前各国都在试验和推广宽带CDMA和宽带TDMA与CDMA技术兼容的双模式系统。国际电信联盟也提出了IMT2000标准，这里的2000是指工作在2000MHz频段，传输速率最高应达到2Mb/s。在第三代系统的方案中，目前最主要的是两类方案，即欧洲和日本支持的宽带CDMA(WCDMA)和美国的朗讯、摩托罗拉、高通公司及芬兰的诺基亚提出的CDMA2000。第三代移动通信是宽带、数字、多业务、多媒体系统。

4.4.1光通信的基本概念

光通信是一种以光波为传输媒质的通信方式。光波和无线电波同属电磁波，但光波的频率比无线电波的频率高，波长比无线电波的波长短。因此，光波具有传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点。4.4光纤通信技术光波按其波长长短，依次可分为红外线光、可见光和紫外线光。红外线光和紫外线光属不可见光，它们同可见光一样都可用来传输信息。光通信按光源特性可分为激光通信和非激光通信；按传输媒介的不同，可分为有线光通信和无线光通信(也叫大气光通信)。

(1)大气激光通信：信息以激光束为载波，沿大气传播。它不需要敷设线路，设备较轻，便于机动，保密性好，传输信息量大，可传输声音、数据、图像等信息。大气激光通信易受气候和外界环境的影响，一般用作河湖山谷、沙漠地区及海岛间的视距通信。

(2)光纤通信：是一种有线通信，光波沿光导纤维传输。光源可以是激光器(又称半导体激光二极管)，也可以是发光二极管。光纤通信传输衰减小、容量大、不受外界干扰、保密性好，可用于大容量国防干线通信和野战通信等。

(3)蓝绿光通信：是一种使用波长介于蓝光与绿光之间的激光在海水中传输信息的通信方式，是目前较好的一种水下通信手段。

(4)红外线通信：是利用红外线(波长为300μm～0.76μm)传输信息的通信方式。它可传输语言、文字、数据、图像等信息，适用于沿海岛屿间、近距离遥控、飞行器内部通信等。其通信容量大、保密性强、抗电磁干扰性能好，设备结构简单，体积小、重量轻、价格低。但它在大气信道中传输时易受气候影响，传输的距离只能达到4km。

(5)紫外线通信：是利用紫外线(波长为0.39μm～60

×

10μm)传输信息的通信方式。其基本原理与红外线通信相似，与红外线通信同属非激光通信。光纤通信系统中除需要有传统电子通信系统中的电子通信终端外，还需在终端和光纤之间配有电—光、光—电转换设备(光端机)。由于光纤传播的是激光，其过程类似于波导中的电磁波传播，所以高效的激光源、高性能光放大器和光纤对接也是光纤通信中必须解决的特殊问题。图4.7所示为玻璃光纤和石英光纤实物图。

(a)玻璃光纤及制品(b)石英光纤及制品

图4.7玻璃光纤和石英光纤实物图4.4.2技术特点

光波的频率很高，虽然光导纤维很细，直径仅为几微米，而通信容量却很大。一对光纤可以传输千万路通话，而一条光缆又可以包含多根乃至数百根光纤。所以，理论上光纤通信的容量几乎可以达到无限大。此外，光纤通信系统轻而小，容易布设，不受电磁干扰，这就决定了它有许多用途，且发展十分迅速。

光纤通信的技术原理是将电信号通过光电转换模块将电信号转换为光信号，之后通过光缆进行输送，到达接收端后再通过光电转换模块将光信号转换为电信号。图4.8所示为光纤传输系统结构图。

图4.8光纤传输系统结构图4.4.3光技术发展

1970年，美国康宁玻璃公司研制出的第一条损耗低于20dB/km的通信光纤，这是光纤通信发展的里程碑。此后光纤通信技术的发展一直非常快，超高速、超大容量、超长距离光传输系统是新一代光纤通信传输的明显标志。

(1)采用损耗极低、传输窗口很宽的1.55μm色散位移多模光纤。

目前，光纤干路系统的工作波长有1.3μm及1.55μm两种，其中1.3μm是石英光纤的零色散工作波长，在该波长上石英的材料色散同单模光纤的波导色散恰好抵消，自然对获得宽频带工作非常有利。但是石英光纤损耗最低点在1.55μm，可兼得两项优点，这称为色散位移光纤。不过由于成本和其他一些技术原因，这类光纤还未广泛采用。

(2)采用光放大技术实现高速率的光信号处理，实现超长距离无中继通信。

目前，已开发出的光放大器主要有掺铒光纤放大器(EDFA)、掺镨光纤放大器(PDFA)、喇曼光纤放大器和半导体光放大器(SOA)。其中掺铒光纤放大器具有高增益(30

dB)、高饱和输出功率(10dBm)和对偏振不敏感的高增益特性，有利于实施波分复用技术。掺镨光纤放大器的工作波长是1.3μm，目前敷设在地下的光缆有90%是由G.652光纤成缆的，这种光纤的零色散波长就是1.3μm。目前，掺镨光纤放大器仍比掺铒光纤放大器的价格高得多。

半导体光放大器因其成本较低，预计它在商用1.3μm长途网上应用时具有非常大的潜力。在1.3μm波长附近的半导体光放大器已在一些大容量、长距离的光通信系统中进行试验，可在普通单模光纤上提高传输速率。

(3)应用光密集波分复用(DWD