通信技术入门

1.3通信技术入门1.3.1通信的基本原理1.3.2模拟通信与数字通信1.3.3光纤通信和无线通信1.3.4移动通信2第1章信息技术概述1.3.1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3第1章信息技术概述什么是通信(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4第1章信息技术概述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5第1章信息技术概述通信系统的模型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6第1章信息技术概述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00110100017第1章信息技术概述模拟信号如何传输？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)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，把模拟信号放在(调制在)载波上传输，则可比直接传输远得多8第1章信息技术概述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”：9第1章信息技术概述数字信号如何传输？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)10第1章信息技术概述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11第1章信息技术概述小结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12第1章信息技术概述怎样降低传输成本？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）13第1章信息技术概述频分多路复用(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14第1章信息技术概述频分多路复用举例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)15第1章信息技术概述频分多路复用举例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)187.755123.259230.25295.756206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25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)16第1章信息技术概述时分多路复用(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17第1章信息技术概述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！18第1章信息技术概述小结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19第1章信息技术概述1.3.2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20第1章信息技术概述模拟通信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21第1章信息技术概述模拟通信技术应用举例（1）传统的有线载波电话使用对称电缆或同轴电缆，前者每一对线可传输60路电话，后者可提供成千上万个话路多路复用(分路)器传输线路(中继线和长途线)MODEM载波1MODEM载波2MODEM载波n多路复用(分路)器MODEM载波1MODEM载波2MODEM载波n本地交换机长途交换机本地交换机中继线用户线中继线长途线长途交换机用户线电子开关2x2交换机原理22第1章信息技术概述模拟通信技术应用举例（2）电话拨号上网:利用模拟传输技术传输数字信号23第1章信息技术概述模拟通信技术应用举例（2）家庭计算机用户通过电话拨号接入计算机网络调制解调器把计算机送出的数字信号,采用数字调制(频移键控或相移键控)的方法,调制成为适合于在用户电话线上传输的音频模拟信号因特网服务提供商把接收到的模拟信号，通过解调器恢复成数字信号送给计算机目前电话上网的最高传输速率：56KbpsMODEM本地电话网MODEM计算机网络模拟通信技术计算机数字信号因特网服务提供商(ISP)家庭用户数字信号音频模拟信号在本地电话网中，采用模拟传输技术进行传输24第1章信息技术概述什么是数字通信？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25第1章信息技术概述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26第1章信息技术概述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27第1章信息技术概述补充：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1300112810003101010491001560110640100740100830011930011104010011401001260110PCM编码的结果，就是将模拟信号转换成为一组数字信号28第1章信息技术概述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