第2章数据通信技术概述

1第二章数据通信技术概述2本章内容2.1数据通信的基本知识2.2微波通信2.3光纤通信2.4卫星通信2.5移动通信2.6宽带无线通信32.1数据通信的基本知识现代通信系统的分类按信息传输介质来划分，有光纤通信系统、微波通信系统和卫星通信系统；按信息的表示媒体来划分，有电话通信系统、图像通信系统、数据通信系统和多媒体通信系统；按通信双方移动的情形来划分，有固定通信系统、移动通信系统和半移动通信系统等。现代通信系统的发展方向数字化、综合化、智能化、宽带化、个人化2.1.1数据通信网的发展方向4组成:•信源分为数字信源和模拟信源。•发送设备即将信源产生的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号。•信道是指信号传输的通道，有线或无线的。•接收设备是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。即进行解调、译码、解码等。•信宿是将复原的原始电信号转换成相应的消息。2.1.2数据通信的组成与分类信道信源发送设备接收设备信宿噪声源52.1.2数据通信的组成与分类主要分类通信系统可以从不同的角度来分类。•数据通信按传输媒质分为两大类：有线通信、无线通信。•按信道中所传信号的特征分类分为模拟信号和数字信号，因而可以相应地把通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统。•按工作频段即通信设备的工作频率来分类。通信系统可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。•按通信业务通信系统可分为话务通信和非话务通信。•按通信者是否运动分类。通信分为移动通信和固定通信。62.1.3数据通信的主要技术通信方向对于点对点之间的通信，按消息传送的方向与时间，数据通信的工作方式通常可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。通信形式数字通信中，按照数字信号代码排列顺序的方式不同，可将通信方式分为串序传输和并序传输。传输方式按照信道中所传信号的形式不同，数据的传输方式有模拟通信和数字通信。＊注意数字通信较与模拟通信的区别.72.1.3数据通信的主要技术编码技术信号有基带（baseband）信号和宽带（broadband）信号。基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。宽带信号则是基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。计算机数据的传输需要利用调制解调器（MODEM）进行转换。MODEM就是由调制器（Modular）和解调器（Demodulator）这两字的字头组合而成。它的主要作用就是进行D/A或A/D转换，即模拟信号与数字信号的转换。8调制解调器(MODEM)的作用调制器的主要作用就是将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。解调器的主要作用就是将模拟的电话信号转化成数字信号，转化时，必须先对电话信号进行采样，采样频率不低于电话信号的最高频率的2倍，然后是量化和编码。在我国的PCM体制中，电话是采用8bit编码，也就是将采样后的模拟的电话信号量化为256个不同的等级中的一个。最基本的二元调制方法有以下几种：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）2.1.3数据通信的主要技术FSKPSK图2-2数字调制的三种基本形式9102.1.3数据通信的主要技术基本的信道复用技术频分复用技术（FDM）时分复用技术（TDM）波分复用技术（WDM）码分复用技术（CDM）即码分多址（CDMA）112.1.4衡量数据的主要技术指标对于模拟通信来说，系统的有效性和可靠性具体可用系统频带利用率和输出信噪比来衡量。对于数字通信系统而言，系统的可靠性和有效性具体可用误码率和传输速率来衡量。衡量数据通信可靠性和有效性的主要性能指标。衡量可靠性的指标可用信号在传输过程中出错的概率来表述，即用误码率来衡量。误码率越大，表明系统可靠性越差。数字通信系统的有效性可用传输速率来衡量，传输速率越高，系统的有效性越好。12数据传输速率传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。计算公式：S=1/T*log2N(bps)…（1）式中T为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码)或重复周期(归零码)，单位为秒；N为一个码元所取的离散值个数。通常N=2K，K为二进制信息的位数，K=log2N。N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。信号传输速率单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。计算公式：B=1/T(Baud)…（2）式中T为信号码元的宽度，单位为秒。信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。由（1）、（2）式得：S=B*log2N(bps)或B=S/log2N(Baud)…（3）13信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位是位/秒(bps)。信道容量与数据传输速率的区别是前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。信道频带利用率信道频带利用率是衡量数字通信系统的有效性的指标，可说明传输数字信号时频带的利用情况，从而体现出信息的传输效率。14误码率Pe是二进制数据位传输时出错的概率，即发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例。它是衡量数据通信系统在正常工作情况下，传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于10-6，若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。误码率公式：Pe=Ne/N…（4）式中Ne为其中出错的位数；N为传输的数据总数。152.2微波通信2.2.1微波通信简介微波通信的概念与组成概念:微波通信是指用微波频率作载波携带信息，通过无线电波空间进行中继(接力)通信的方式。微波中继通信是发展最早、技术最成熟、使用最广泛的一种远距离微波通信方式。微波通信可以传送大容量的信息，速率高，还可利用一定带宽的天线方便地传送几个并行的微波波道。162.2.1微波通信简介组成:一条微波接力通信线路，通常由终端站、枢纽站、分路站（也有不设分路站的）和若干个中继站（也称再生站）组成，长度在几百公里甚至长达一、二千公里。172.2.1微波通信简介微波的频段和分类表2-1美国微波波段常用的划分标准波段名称频率范围/MHz波段名称频率范围/GHzL1120-----1700K18-----26.5Ls1700-----2600V26.5-----40S2600-----3950Q33-----50C3950-----5850M50-----75XN5850-----8200E60-----90XB7050-----10000N90-----136X8200-----12500D137-----143KU12500-----18000182.2.1微波通信简介分类:按照不同的应用要求现代微波通信又可以分为卫星通信、移动通信、微波中继通信、无线电系统、有线微波传输以及散射通信等几种方式。本节讨论的是微波中继通信，简称微波通信。192.2.2微波通信的特性微波通信是点对点通信，与有线通信方式相比，可以减少地理条件的影响，并且有抗水淹、台风和地震等自然灾害的能力，因此微波通信的可靠性高。当利用微波通信组网时只需要建设站点，因而建设投资少，调整比较方便，维护费用也低，比有线通信具有更大的灵活性。目前,数字微波设备逐渐取代了模拟制微波设备。数字微波除了具有微波通信的一般特点外，还具有数字通信的特点：1．抗干扰性强。2．保密性性好，便于加密。3．便于组成数字通信网。4．器件便于固态化和集成化，可靠性高。202.2.3SDH微波通信技术在数字传输系统中，有两种数字传输系列:•“准同步数字系列”（PlesiochronousDigitalHierarchy），简称PDH；•“同步数字系列”（SynchronousDigitalHierarchy），简称SDH。SDH在数字通信系统中，传送的信号都是数字化的脉冲序列。这些数字信号流在数字交换设备之间传输时，其速率必须完全保持一致，才能保证信息传送的准确无误，这就叫做“同步”。212.2.3SDH微波通信技术新一代的数字传输体制，它不仅可以用于光纤通信系统中，而且还可以应用于微波通信、卫星通信之中，从而可以建立一个全新的SDH微波、卫星通信网络。运用于微波通信中的SDH技术，具有传输容量大、通信性能稳定、投资小、建设周期短以及便于运行、维护、管理操作等优点。因而在数字微波传输网中SDH已逐步取代了准同步数字系列(PDH)。SDH技术与PDH技术相比，有如下明显优点：•统一的比特率，统一的接口标准，为不同厂家设备间的互联提供了可能。•网络管理能力大大加强。•提出了自愈网的新概念。用SDH设备组成的带有自愈保护能力的环网形式，可以在传输媒体主信号被切断时，自动通过自愈网恢复正常通信。•采用字节复接技术，使网络中上下支路信号变得十分简单。由于SDH具有上述显著优点，它将成为实现信息高速公路的基础技术之一。222.2.4微波通信的应用微波具有频率高，频带宽，信息量大的特点，所以被广泛应用于各种通信业务。目前，数字微波在通信系统的主要应用场合如下：•用于干线光纤传输系统在遇到自灾害时的紧急修复，以及由于种种原因，不适合使用光纤的地段和场合。•用于农村、海岛等边远地区和专用通信网中为用户提供基本业务的场合。这些场合可以使用微波点对点、点对多点系统，微波频段的无线用户环路也属于这一类。•用于城市内的短距离支线连接。如移动通信基站之间、基站控制器与基站之间的互连、局域网之间的无线联网等等。232.3光纤通信2.3.1光纤与光缆1．光缆的基本组成(参见第三章)目前，光纤通信中使用各种不同类型的光缆，其结构形式多种多样，但基本上都由缆芯、加强元件和护层三部分组成。2．光缆的种类光缆按成缆结构方式不同可分为层绞式、套管式和沟槽式。242.3.2光纤通信的组成与特点1.光纤通信的组成目前，实用光纤通信系统由电端机、光发信机、光收信机、中继器和光纤或光缆五个部分组成。如图2-6是光纤通信系统的原理图。图2-6光纤通信原理图电端机调制光源光检测放大判决再生电端机光检测光源光发信机光收信机光缆252.光纤通信的特点光纤通信的优点如下：•传输频带极宽，通信容量很大；•由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；•串扰小，信号传输质量高；•光纤抗电磁干扰，保密性好；•光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；•耐化学腐蚀；•光纤是石英玻璃拉制成形，原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。光纤通信的缺点有光纤弯曲半径不宜过小；光纤的切断和连接操作技术复杂；分路、耦合麻烦。262.3.3光纤通信新技术1.光放大器2.光波分复用（WDM）光波分复用是将波长间隔为数十纳米的多个光源独立进行调制，让其在同一条光纤中传输，可使光纤中传输的信息容量增加几倍至几十倍。3.光的码分复用（OCDMA）光的码分复用是一种扩频通信，其中不同用户的数字信号先要对每个用户特有的相互正交的码序列进行模2加，再调制到光信号上。在接收端，只有利用用户特有的正交码才能恢复原来的数字信号，其它支路的信号不会形成干扰。272.4卫星通信1957年10月4日苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，实现了利用静止卫星进行通信的设想。1963年美国成功发射实用的地球同步卫星，这标志着第I代国际通信卫星已经开始应用，目前，已经发展到第Ⅶ代国际通信卫星。282.4.1卫星通信简介概念:卫星通信是宇宙无线电通信的一种形式，是利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。这里所指的地球站是指设在地球表面，包括地面、海洋和大气中的通信站。29常用术语:（1）上行频率指发射站把信号发射到卫星上用的频率，由于信号是由地面向上发射，所以叫上行频率。（2）转发器指卫星上用于接收地面发射来的信号，并对该信号进行放大，再以另一个频率向地面进行发射的设备。一颗卫星上可以有多个转发器。（3）下行频率指卫星向地面发射信号所使用的频率，不同的转发器所使用的下行频率不同，换句话，当我们接收不同的节目内容时，所使用的下行频率不同，在使用卫星接收机时所设置的参数也就不同，如果设置不正确，将不能接收相应的节目内容。例如：我国鑫诺一号卫星用于数据广播的下行频率之一为12,620MHz。由于一颗卫星上有多个转发器，