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通信技术基础2018年12月什么是通信？什么是电通信？什么是交换，交换技术有哪些类型？什么是传输，传输技术有哪些？什么是通信网络？为什么网络无处不在？什么是FDMA、TDMA和CDMA及其区别?什么是GSM？什么是3G?什么是4G？你知道吗？你想知道吗？通信网络概述1.通信的发展历史2.目前的通信技术3.基本的通信技术概念4.通信系统中全程全网的概念和组成5.固定电话、移动电话、数据通信中通信的过程1.1通信发展概述1.1.1通信的概念所谓通信是指通过某种媒质进行的信息传递。什么是信息？对于信息的定义非常多，在中国国家标准GB4894-85中关于信息的定义是：信息是物质存在的一种方式、形态或运动状态，也是事物的一种普遍属性，一般指数据、消息中所包含的意义，可以使消息中所描述事件的不定性减少。那么，什么又是媒质呢？自从人类存在开始，通信就已经存在，通信的目的一直没有发生过改变，变化的只是通信的方式。1.1.1通信的概念什么是媒质？媒质即“介质”，当一种物质存在于另一种物质内部时，后者就是前者的介质。在通信中所指的媒质是能传输信息的渠道。如有线介质、无线介质。其中铜介质、光纤介质等属于有线介质，而空气则属于无线介质。(a)同轴电缆(b)双绞线（c）光缆1.1.2通信的发展历史人类的通信从远古时代就已经开始。人与人之间的语言、肢体交流就是最早出现的通信。通信的发展历史则可以分为古代通信和近现代通信。在中国古代，飞鸽传书，烽火传信，利用驿站的邮驿系统、旗语等都是属于常见的通信方式。烽火台长城通信方式—手势旗语1.1.2通信的发展历史近现代的通信发展历史，大致可以分为两个阶段。第一阶段是电通信阶段，第二阶段是电子信息通信阶段。第一阶段的通信技术包括1835年莫尔斯发明电报机，并于1837设计莫尔斯电报码。1876年贝尔发明电话机，这使得利用电磁波不仅可以传输文字还可以传输语音，大大加快了通信进程。1895年，马可尼和波波夫发明无线电设备，从而开创了无线电通信发展的道路。1.1.2通信的发展历史莫尔斯人工电报机1.1.2通信的发展历史近现代通信发展历史的第二阶段是电子信息通信阶段。主要的通信技术有移动通信技术，程控交换技术，传输技术，数据通信与数据网技术，接入网与接入技术。四通八达的座机电话灵活方便的手机电话和绚丽多彩的电视画面精彩纷呈的计算机互连网络—Internet……近现代通信的常见方式包括：计算机技术与通信技术的结合，计算机网络的产生，标志着人类史上信息通信时代的到来。1.1.2通信的发展历史【移动通信发展历史】1928年，发明了工作于2MHz的超外差式无线电接收机；1946年，贝尔系统建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”；20世纪80年代中期，欧洲和日本纷纷建立了自己的第一代蜂窝移动通信系统（1G系统）；1992年开始GSM（2G系统）在全球范围内迅速扩张；1995年ITU将第三代移动通信系统（3G系统）命名为国际移动通信2000（IMT-2000）。1.1.2通信的发展历史【程控交换技术发展历史】1878年就出现了人工交换机，借助话务员进行人工话务接续。1893年步进制的交换机问世，它标志着交换技术从人工时代迈入机电自动交换时代。1938年纵横制(crossbar)交换机被发明，相对于步进制交换机，提高了可靠性和接续速度。1.1.2通信的发展历史【程控交换技术发展历史】美国贝尔公司于1965年生产了世界上第一台商用存储程序控制的电子交换机(No.1ESS),这一成果标志着电话交换机从机电时代跃入电子时代。法国于1970年开通了世界上第一个程控数字交换系统E10，它标志着交换技术从传统的模拟交换进入数字交换时代。程控交换机1.2通信基本概念•电信号通常分为两大类：模拟信号和数字信号。模拟信号：某一电参量（幅度、频率）在一定取值范围内连续变化的信号。数字信号：某一电参量（幅度、频率）在一定取值范围内跳跃变化，仅有有限个取值的信号。1.2通信基本概念数字信号在性能方面优于模拟信号，但是很多原始信号产生时是模拟信号，所以要想使用数字信号实现通信就需要先将模拟信号转换成数字信号。最常见的模数信号转换方法就是脉冲编码调制技术（PCM）。PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。1.2.2脉冲编码调制（PCM）1.抽样：所谓抽样就是每隔一定的时间间隔Ｔ抽取模拟信号的一个瞬时幅度值（样值）。抽样频率fs取多大合适呢？应满足抽样定理。fs不是越高越好，目前最常见的抽样频率是每秒8000次。抽取的样值为8000个抽样值/s。1.2.2脉冲编码调制（PCM）2.量化：量化的意思是将时间域上幅度连续的样值序列变换为时间域上幅度离散的样值序列信号(即量化值）。量化分为均匀量化和非均匀量化两种。若量化间隔是均匀的,称为均匀量化;还有一种是量化间隔不均匀的非均匀量化,其量化间隔随信号幅度的大小不同而相应调整。非均匀量化克服了均匀量化的缺点。目前非均匀量化中的直接非均匀编解码法使用较多。量化级数共有256个。1.2.2脉冲编码调制（PCM）3.编码：一路模拟信号在经过抽样、量化、编码以后所形成的PCM数字信号带宽为：8000个抽样值/s×8bit/每个抽样值＝64Kbit/s一条信道中PCM30/32系统的传输速率＝8bit/时隙×32时隙/帧×8000帧/s＝2.048Mbit/s编码即是将量化后的信号抽样幅值以二进制数值来表示。编码最多需要的二进制位数为log2N位，N是量化等级数。每个量化级别可编码为8个二进制数字信号，即8bit。1.2.3多路复用技术1.基本概念在发送端将若干个独立无关的分支信号合并为一个复合信号，然后送入同一个信道内传输，接收端再将复合信号分解开来，恢复原来的各分支信号，称为多路复用。多路复用的原理示意图如下：多路复用器多路分路器1n21n2最常用的多路复用技术是频分多路复用和时分多路复用，另外还有统计时分多路复用和波分多路复用技术。1.2.3多路复用技术定义：FDM是把线路的通频带资源分成多个子频带，分别分配给用户形成数据传输子通路，每个用户终端的数据通过专门分配给它的子通路传输，当该用户没有数据传输时，别的用户不能使用，此通路保持空闲状态。FDM主要适用于传输模拟信号的频分制信道，主要用于电话、电报和电缆电视（CATV）。在数据通信中，需和调制解调技术结合使用。优点：多个用户共享一条传输线路资源。缺点：给每个用户预分配好子频带，各用户独占子频带,使得线路的传输能力不能充分利用。2.频分多路复用（FDM）图示FDM原理示意图2.频分多路复用（FDM）定义：TDM采用固定时隙分配方式，即一条物理信道按时间分成若干个时间片（称为“时隙”），轮流地分配给多个信号使用，使得它们在时间上不重叠。每一时间片由复用的一个信号占有,利用每个信号在时间上的轮流传输，在一条物理信道上传输多个数字信号。通过时分多路复用技术，多路低速数字信号可复用到一条高速数据速率的信道。优点：多路低速数字信号可共享一条传输线路资源。缺点：时隙是预先分配的，且是固定的，每个用户独占时隙，时隙的利用率较低，线路的传输能力不能充分利用。3.时分复用（TDM）3.时分复用（TDM）图示TDM原理示意图4.码分复用（CDM）图示CDM原理示意图码分码分复用(CDM，CodeDivisionMultiplexing)也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干拢能力强。1.2.3多路复用技术定义：WDM是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），恢复出原信号后送入不同的终端。分类：WDM系统按工作波长的波段不同可以分为两类。一类是在整个长波长波段内信道间隔较大的复用，称为粗波分复用(CWDM);另一类是在1550nm波段的密集波分复用(DWDM)。构成形式：WDM系统基本构成主要有两种形式：即双纤单向传输和单纤双向传输。5.波分复用（WDM）•图1-20WDM单纤双向原理示意图5.波分复用（WDM）1.2通信基本概念多址技术是在无线通信中常用的技术,目的使多用户的信号可以直接实现多边通信传输；需要区分不同用户信号。•1.概念•发端：给用户信息赋予不同的特征，然后向空中发射，自然•合路；收端：根据不同的特征，从空中提取自己的信号。•多址技术适用于无线传输，可以提高频率利用率。多址技术根据特征的不同可以分为：FDMA（频率区分）、TDMA（时间区分）、CDMA（编码区分）、TD-SCDMA、SDMA（空间方向区分）1.2.6多址技术概念：以频率区分不同的用户信号，每个用户占用一个频道传输信息。原理：在发送端将每个用户的信息调制到不同载频上传输；在接收端接收并解调获取自己的信息。1.2.6多址技术1.FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）图1-28FDMA系统工作示意图频率利用率低，系统容量有限；每个频道一对频率，只可送一路话音；信息连续传输；FDMA不需要复杂的成帧、同步和突发脉冲序列的传输，MS设备相对简单；技术成熟，易实现，但系统中多个频率信号易相互干扰，且保密性差；独立应用于模拟系统。1.FDMAFDMA具有如下特点：概念：以传输时间区分不同的用户信号，每个用户占用一个频道的不同时间段传输信息。原理：在发端：每个用户的信息调制到一个载频上在规定的时间段传输；在收端在规定的时间段接收解调获取自己的信息。图1-29TDMA系统工作示意图2.TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）GSM中采用FDMA/TDMA方式图1-29TDMA系统工作示意图图1-29TDMA系统工作示意图图1-29TDMA系统工作示意图图1-29TDMA系统工作示意图概念：以不同编码特征区分不同的用户信号，每个用户、信息、基站采用不同的编码调制。原理：在发送端将不同用户信息用不同的地址码调制后传输；在接收端用与发送端相同的地址码解调获取自己的信息。3.CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）系统容量：CDMATDMAFDMA图1-30TDMA系统工作示意图图1-30TDMA系统工作示意图图1-30TDMA系统工作示意图图1-30TDMA系统工作示意图图1-30TDMA系统工作示意图图1-30TDMA系统工作示意图•时分-同步码分多址（TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess），融合后亦称UMTSTDDLCR，是ITU（国际电信联盟）批准的多个3G移动通信标准中的一个。相对于另两个主要3G标准（W-CDMA和CDMA2000），它的起步较晚而且产业链薄弱（2008年中国大陆发放3G牌照时的情况），发展过程较为曲折。•该标准是中国大陆地区制定的3G标准。1998年6月29日，中国大陆地区原邮电部电信科学技术研究院（现大唐电信科技股份有限公司）以信威通信的SCDMA技术为基础，向ITU提出了该标准，并且顺利通过成为IMT20003G系统的一个标准。在3GPPR99之后的版本，TD-SCDMA实现了与原西门子所研究的TD-CDMA的高层融合，结合SCDMA的智能天线、上行同步、和软件无线电（SDR,SoftwareDefinedRadio）等技术，成功克服了TD-CDMA技术不能用于宏蜂窝组网的缺陷，原因是通过GPS同步和特殊时隙，实现了全网同步解决了切换的问题，虽较TD-CDMA系统的特殊时隙配置固定化，却获得了宏网组网能力4.TD-SCDMA5.空分多址技术（SDMA）概念：（SpaceDivisionMultipleAccess)以不同空间方向性区分不同的用户信号，每个用户占用不同的空间波束。原理：根据来波方