第四章 通信技术与教育(上)

第四章通信技术与教育本章学习目标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。通信系统一般模型信源发送设备信道接收设备信宿噪声源发送端接收端图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、电话发展到图文传真、数字数据通信、电视电话、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。模拟信息源由抽样、量化、编码组成的模数转换器数字通信系统数模转换器受信者图1-5模拟信号数字化传输系统模型（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、蜂窝电话和短波广播。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电话，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电话，先要通过长途电话局，由它把用户电话线路与卫星通信系统中的北京地面站连通，地面站把电话信号发射到卫星，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，地面站把电话信号取出来，送到受话人所在的城市长途电话局转接用户。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。传输媒体速率传输距离性能(抗干扰性)价格应用双绞线10-1000Mb/s几十kM可以低模拟/数字传输50同轴电缆10Mb/s3kM内较好略高于双绞线基带数字信号75同轴电缆300-450MHz100kM较好较高模拟传输电视、数据及音频光纤几十Gbps30kMup很好较高远距离传输短波50MHz全球较差较低远程低速通信地面微波接力4-6GHz几百kM好中等远程通信卫星500MHz18000kM很好与距离无关远程通信常用传输媒体的比较（三）按通信方式划分接收器发送器接收器发送器接收器发送器接收器发送器接收器发送器单工通信半双工通信全双工通信数据流数据流数据流数据流广播电视步讲机电话系统三通信技术应用（一）电话（二）有线电视（三）无线广播和卫星通信（四）移动通信IP电话1.什么是IP电话IP是国际互联网协议（InternetProtocol）的简称，IP电话是按国际互联网协议规定的网络技术内容开通的电话业务，中文翻译为网络电话或互联网电话，它是利用国际互联网In