通信技术发展简史 • 1837年，美国人摩尔斯（Samuel Morse）发明了有线电报，使得通过一条铜线上的电脉冲来传递信息成为可能。揭开了现代通信的历史 • 1876年，贝尔（Alexander Graham Bell）发明了电话，它将声音转化成电信号，然后由一条电压连续变化的导线传导出去。在导线的另一端，电信号被还原成声音。 • 1895年，马克尼（Guglielmo Marconi）发明了无线电报。 • 1920年，在无线电的基础上，调幅广播首次在美国实现。 • 1940年至1945年，使用雷达，实现微波通信。 • 1946年，世界上第一台多用途的电子计算机“爱尼亚克”（ENIAC）在美国宾夕法尼亚大学莫尔电子工程学院诞生。 • 1969年，美国国防部高级研究计划署ARPA关广域网络的项目宣告了网络世界的到来。 • 1978年，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统(AMPS)，建成了蜂窝状移动通信网， • 1982年，欧洲推出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系，并于1991年7月投入商用，GSM手机开始走入百姓生活，GSM成为全球移动通信系统的代名词。 • 1989年，在瑞士日内瓦欧洲核子物理研究中心（CERN）工作的蒂姆·伯纳斯·李（Tim Berners-Lee）首先提出了WWW的概念 • 1992年，Internet开始进入它的商业化发展阶段，Internet用户开始向全世界扩展，标志着以互联网Internet为主要手段的新的通信时代的到来。 • … …

通信系统的组成 通信就是通过传输媒体进行信息传递的过程，实现信息传递所需要的一切设备构成通信系统。通信系统概念模型

通信系统的组成(Cont.) 信源  模拟信源，模拟信源输出连续幅度的信号，如：声音的强度、温度的高低变化等都是模拟信号。 数字信源，数字信源输出离散的值，每个离散值代表一个符号，如：计算机、电传机产生输出的数据等。  信宿接收者将接收设备得到的信息进行利用，从而完成一次信息的传递过程通信系统概念模型

通信系统的组成(Cont.) 发送设备  概念，发送设备是将信源产生的信号变换成能够在传输媒介中便于传送的信号形式，送往传输媒介。传送的信号不同、通信系统类型不同，发送设备和接收设备所起的作用悬殊很大。  接收设备接收设备用于信号的识别，它将接受到的信号进行解调、译码操作，还原为原来的信号，提供给接收者。通信系统概念模型

通信系统的组成(Cont.) • 传输媒体 • 概念，传输媒体是指从发送设备到接收设备信号传递所经过的物理媒介  分类  有线的，如：同轴电缆、双绞线、光纤等。  无线的，如微波、通信卫星、移动通信等。通信系统概念模型  干扰和信号衰减传输介质和电信号的固有物理特性。

通信系统的分类 • 按信号类型分类 • 模拟通信系统，在传输线路上传输模拟信号的通信方式称为模拟通信，模拟通信系统通过模拟信号传输数据。 • 数字通信系统，数字通信是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。 • 按消息传送的方向与时间的关系 • 单工通信 • 半双工通信 • 全双工通信 • 按照数字信号码元排列方法分类 • 串行传输 • 并行传输

数字通信的特点  抗干扰能力强，数字传输系统通过使用中继器来扩大传送距离，不会累积噪声，传输误差小，只要噪声绝对值不超过某一门限值，接收端便可判别脉冲的变化，以保证通信的可靠性。  以数据帧为单位传输数据，并通过检错编码和重发数据帧来发现并纠正通信错误，从而有效保证通信的可靠性。  可以方便地利用各种加密和解密技术，从而有效增强通信的安全性。  适合远距离传输，在长距离数字通信中可通过中继器放大和整形来保证数字信号的完整，并可以克服模拟通信中的噪音累积，保证高质量的数据传输。  可适应各种通信业务要求，如电话、电报、图像、数据等，便于实现统一的综合业务数字网，便于采用大规模集成电路，便于实现通信网的计算机管理等优点。

通信模式 • 单工通信单工通信（Simplex Communication）是指数据传输是单方向的，如：只能由设备A到设备B，反之则不可以。例如，无线广播等。 • 半双工通信半双工通信（Half-Duplex Communication）指双方可以互相通信，但是同一时间不能进行发送和接收数据的操作，发送和接收数据必须轮流进行。例如使用无线对讲机通信。 • 全双工通信全双工通信（Full-Duplex Communication）是指传输的双方可以同时对数据进行发送和接收，即在两者之间的传输通道中，允许两个方向的数据流动。

传输模式 • 并行传输（Parallel Transmission）是指同时可以传输多个比特，每个比特使用一条独立的线路，这些线路通常被困扎在一条电缆里。 • 串行传输（Serial Transmission）是指利用一条线路，逐个传送比特位的传输方式。和并行传输相比，串行传输使用的线路少，因此价格较低，长距离传输更加可靠。由于每次只能发送一个比特位，因此速度较慢。

传输模式（Cont.） 串行传输（Serial Transmission）的实现  异步传输（Asynchronous Transmission）是指将比特串划分成一个个的小组发送，这些比特组可以在任何时候发送。  同步传输（Synchronous Transmission）也是对比特流分组，它不是单独的发送每个字符，而是将多个字符组合成一个大的组一起发送。每一个组合成为一个数据帧，简称帧（Frame）。

1.2 模拟信号与数字信号 • 模拟信号及其传输 • 数字信号及其传输 • 模拟信号与数字信号的转换

模拟信号  模拟信号的概念模拟信号（Analog signal）是指在两个峰值之间来回振荡的、连续变化的信号。例如无线电与电视广播中的电磁波，电话传输中的音频电压信号等。  模拟信号的主要特征  周期（Period）和频率（Frequency）  振幅（Amplitude）  相移（Phase）

数字信号  数字信号的概念数字信号是指在一个持续时间内保持一个固定的值，然后再转变为另外一个值的信号。例如一系列断续变化的电压脉冲，或光脉冲。  数字信号传输数据

模拟信号与数字信号的转换  信源数据  模拟数据—温度，湿度，声音等  数字数据—计算机，传真机等  信号  数字信号  模拟信号  模拟信号与数字信号的转换  模数转换（A/D），如果用数字信号传输模拟数据，在发送端需要进行模数转换，在接受端进行反变换  数模转换（D/A）

1.3 模拟通信 • 模拟通信系统模型 • 模拟信号传输模拟数据 • 模拟信号传输数字数据

模拟通信系统模型 在模拟通信系统中，数据是通过模拟信号传输的。用模拟信号传输数据，信息的传输需要经过信号转换和调制/解调两种变换。  发送端  原始信号，即基带信号，调制信号  调制  数字调制  模拟调制

调制  调制的概念基带信号通常集中在低频谱区域，这种信号不能在通常的信道中直接进行远距离传输。为解决这一问题，需要将原始基带信号承载到一个频率更高、更适合远程传输的信号上，这就是调制。  数字调制，数字调制是指用数字的基带信号对正弦载波信号的某些参数(幅度、频率和相位)进行控制，使之其随基带信号的变化而变化  幅移键控(ASK) 频移键控(FSK)  相移键控(PSK)  模拟调制  调制的目的  将信号转换成便于媒体传输的形式。 在模拟通信中，通过调制还可以实现频分多路复用，提高媒体的通信能力。

模拟信号传输模拟数据 举例：电话系统和无线语音广播。在电话系统中，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。 • 发送端调制 •  发送端 • 解调， •  相干解调 •  非相干解调

模拟信号传输数字数据 • 数字调制过程模拟信号传输的基础是载波，载波是一个连续变化的信号。一条模拟线路一般为频带传输，适合于传输模拟信号，而不是基带信号（原始电脉冲信号），因为基带信号往往是频率近似于零的直流分量。因此必须将数字数据变换成模拟信号（调制过程）后才能发送。 • 解调过程因为，数字调制的目的是使用模拟信号传输数字数据，因此在接收端必须进行逆变换，将模拟信号还原成数字数据，这个过程就是解调。

数字调制过程 • 数字调制过程  频率调制（Frequency Modulation，FM）又称调频和频移键控。调制解调器在一个指定的时间周期内传输一个适当频率的信号，时间周期的长短不尽相同。如果可以使用的频率的个数为N，则每个信号可对应的比特串的长度为k=log2N。 •  幅度调制（Amplitude Modulation，AM）又称调幅和幅移键控。每个幅度对应一要传送的比特串，如果希望每个比特串的长度为1，需要两个幅度值（二元制调幅），如果希望比特串的长度为2，需要四个幅度值（多幅度调制），以此类推. •  相位调制（Phase Modulation，PM）又称相移键控。信号的差异在于相移，而不是频率和振幅。通常，一个信号的相移是相对于前一个信号而言的，因此又称为差分相移键控（Differential Phase Shift Keying，DPSK）。如果需要每一次相移的变化传输k个比特，则需要2k个不同的相移

解调过程 • 脉冲幅度调制PAM 脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation，PAM）是脉冲调制的最简单的形式，他按照一定的时间间隔对模拟信号进行采样，然后产生一个振幅等于采样信号的脉冲。采样信号和原始信号在幅度上存在一个差别，即会产生量化误差。对脉冲幅度转换成比特串，完成模拟信号传输数字数据

解调过程（Cont.） • 脉冲编码调制PCM 脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）又称脉码调制，脉码调制PCM为采样信号分配一个预先确定的振幅。例如，假设整个振幅范围等分为2n个振幅级别，则每个振幅对应一个长度为n的比特串。PCM按照一定的时间间隔对模拟信号进行采样，然后从2n个振幅中挑选出最接近采样频率的那个值，然后用其对应的比特序列对这个脉冲进行编码，然后将编码数据发送。这种经编码后的PAM调制就称为PCM调制，它增强了传输的可靠性，防止误码。

1.4 数字通信 • 数字信号数据编码 • 数字通信系统模型 • 数字信号传输数字数据 • 数字信号传输模拟数据

数字信号数据编码 在数字通信中，采用数字信号传输数据，首先需要对数字信号进行编码，将数字信息转换为数字信号。  单极性（unipolar）编码，单极性编码仅使用一个电平，比如，正电平或负电平表示1，0电平表示0  极化（polar）编码，极化编码使用两个电平，比如，正电平表示1，负电平表示0  双极性编码，双极性（bipolar）编码使用两个正负交替变化的电平表示1，0电平表示0（或者反之）

不归零法编码NRZ 不归零法编码NRZ-L（Nonreturn to Zero，NRZ）是一种常见的极化编码。在NRZ-L中，信号电平取决于比特状态，正电压通常表示0，负电压表示1。在传送0时，把电平升高，传送1时把电平降低，在一个比特（bit）位传送的持续时间△t内，电压保持不变，这个时间称为比特时间（bit time）。

不归零法编码NRZ（Cont.） 0的个数=？ = (t2-t1)/△t ?

不归零法编码NRZ（Cont.） NRZ差分编码，即NRZI（Nonreturn to Zero,invert on ones）在NRZI编码中，信号电平遇1反转。

曼彻斯特编码 曼彻斯特编码（Manchester Code）是一种用信号的变化来保证发送设备和接收设备之间保持同步的编码方案，又称自同步码（Self -Synchronizing Code）。在曼彻斯特编码中，用电平的变化表示0和1。曼彻斯特编码规定，从高电平到低电平的变化代表0，从低电平到高电平的变化代表1。

4B/5B编码 4B/5B编码的特点是将欲发送的数据流每4bit作为一个组，每四位二进制代码由5位编码表示，这5位编码称为编码组(code group)，并且由NRZI方式传输。  优势，降低调制速率  4B/5B编码是在百兆位快速以太网的光纤分布式数据接口中采用的信息编码方案。

数字通信系统模型 和模拟通信系统相比，数字通信涉及的技术问题很多，其中有信源编码、信道编码、数据加密、调制/解调、数字复接、同步等。

数字信号传输数字数据 计算机局域网（LAN）是一种典型的数字信号传输数字数据的应用。在计算机局域网中，一般采用基带传输方式，数据不需要调制，直接通过双绞线、同轴电缆等媒体传输。根据数字信号数据编码，在发送端，编码器将原始数字数据进行编码，转换成媒体可传输的信号，通过媒体进行数据传输。在以太网中，只使用双绞线中的两对线，即橙色对线和绿色对线来实现全双工的数据通信，其它的两对线未用。

数字信号传输模拟数据 数字信号不但可以传输数字数据，同样可以传输模拟数据。数字信号传输模拟数据需要经过模/数转换和数/模转换两个过程。 •  调制过程 •  采样（Sampling），即每隔固定长度的时间采样模拟数据的瞬间值，作为本次采样到下次采样该模拟数据的代表值。 •  量化（Quantization），量化就是把采样取得的数值按照量化级别转化为相应的数字值，这样，就可以把连续变化的幅值转换成离散的数字数据 •  编码（Coding），就是将每一个量化值转变成二进制数。 •  解调过程

举例--数字信号传输模拟数据 动画演示

动画演示--数字信号传输模拟数据 动画演示

1.5 通信媒体与传输速度 • 通信媒体 • 双绞线 • 同轴电缆 • 光纤 • 微波通信 • 传输速度 • 多路复用器 • 频分多路复用 • 时分多路复用

双绞线  双绞线外观  双绞线通信全双工  影响因素  串扰  衰减问题：  为什么采用4对8线？  为什么采用绞线？

同轴电缆  结构组成  铜芯  绝缘层  网状导线  外皮  规格分类  粗缆，直径为0.4 cm，采用凿孔接头接法  细缆，直径为0.2 cm，采用T型头接法 通信  基带数字传输，使用基带传输数字信号，信号占据整个频宽，电缆上只有一个信道。基带电缆传输主要用于局域网，采用曼彻斯特编码，传输速率为10 Mbps。  宽带模拟传输，宽带模拟传输采用标准的有线电视技术，频带可达300~450 MHz。由于传输模拟信号，传输距离可达100 km。宽带可以分为多个信道，电视广播通常占用6 MHz，

光纤  结构组成  纤芯，纤芯为光通路，由纯净的玻璃和塑胶材料制成，每一路光纤包括两根，一根接收，一根发送。  覆层，覆层包围着纤芯，由多层反射玻璃纤维构成，光密度比纤芯部分低，可将光线反射到纤芯上。  保护层，保护和提供光纤强度的作用  光纤通信的特点光纤可提供极宽的频带且功率损耗小、传输距离长（2 km以上）、传输率高（可达数千Mbps）、抗干扰性强（不会受到电子监听）动画演示=〉光纤截面图

光纤（Cont.）  工作原理当入射角α小于某个特定的临界值时，将不发生折射。即光线将全部反射回第1种媒体，而不会漏射入第2种媒体。这就是光纤的工作原理。动画演示=〉

光纤（Cont.）  光纤的类型  多模纤芯，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。有些光线基本上沿着媒体的中线传播，有些光线则以不同的角度撞击边界面，结果是光将以有限的角度在边界面之间来回反弹沿着传输媒体向前传播。每一个角度都定义了一条路径或一种模式，以这种方式传输光波的光纤称为多模光纤(Multi Mode Fiber)。  特点：多模光纤的中心玻璃芯较粗，纤芯直径为50～62.5μm，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重，因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

光纤（Cont.）  单模光纤，在多模光纤中，光波以有限的模式向前传播，模式的具体数目是由纤芯所用媒体的直径和光的波长决定的。减少纤芯的直径可以降低光线撞击边界面的角度数目，即模式数目减少了。如果纤芯直径减少到一定程度，光纤内将只有一种模式传播的光波，这就是单模光纤（Single Mode Fiber）。  特点：单模光纤的中心玻璃芯较细，纤芯直径为9～10μm，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

光纤（Cont.） 纤芯的直径应该是多少呢？据物理学原理，反射体反射电磁波（如光波）的能力与其大小有关。要使光纤按照单模方式传输，反射体（即覆盖层）必须大于被反射光的波长，由于覆盖层包围着核心媒体（纤芯），因此覆盖层的大小是由核心媒体的直径决定的。穿越光纤的光线的频率一般为1014～1015 H z，根据波长和频率的关系：因光速c=299 792 458 m/s（3108），可以得出光线的波长大约为2×10-4 m，即2 m。因此，根据光的波长可以得出多模光纤和单模光纤理论直径，大约有人的头发丝那么细。

光纤通信 光纤通信（optical fiber communication）是以激光为光源，以光导纤维为传输介质进行的通信。  光发射机：光发射机是实现电/光信号转换的光端机。  光接收机：光接收机是实现光/电转换的光端机。  光纤或光缆：光纤或光缆构成光的传输通路。功能是将发射端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到接收端的光检测器上去，完成传送信息任务。  中继器：由于受发送光功率、接收机灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响及限制，光端机之间的最大传输距离是有限的。  光纤连接器、耦合器等无源器件

微波通信  电磁波频率（Hz）分布  微波微波是波长约1 m~1mm（相应的频率为300MHz~300 GHz）的电磁波，该段电磁频谱又分成分米波、厘米波和毫米波等。  微波传输  微波是直线传播的，不能向低频波一样沿着地球曲面传播。  大气条件和障碍物将妨碍微波的传播。

卫星传输  地球同步卫星，地面站和卫星的相对静止状态，卫星应该位于赤道上空22 300英里的高度，覆盖地球三分之一以上的表面。  卫星的覆盖范围使用同一频率范围的信号不能交迭在一起，一个特定波段上传送数据的卫星的数目以及卫星之间的最短距离有一定的要求

动画演示--同步卫星通信 地球同步卫星通信

卫星传输（Cont.）  低轨道人造卫星，在低层空间运行的低轨道人造卫星（Low Earth Orbit Satellite，LEO）, LEO和地球是相对运动的。  LEO通信原理一个地面站和LEO卫星1建立了通信，LEO和地球处于相对运动状态，一边移动一边和地面保持联系，但最终会落下地平线，直到它绕地球旋转并出现在相反方向的地平线上以前无法和地面站之间保持直接通信。在卫星1还没有落到低平下以下时，另外一颗卫星2刚好从地平线上升起，继续卫星1和地面站的通信（动画演示）

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