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1.3 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. 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. 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：

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1.3 通信技术入门

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  1. 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. 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. 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. 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. 信号 信号 信源(宿) 信宿(源) 信 道 通信系统的模型 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 • 通信的三要素： 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 • 举例:

  6. 信号 强度 t 模拟信号 信号 强度 t 数字信号 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 • 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

  7. 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. 载波信号 (高频正弦波) 调制信号 (连续信号) 调制后的 载波信号 传输 信号 传输 信号 调制后的 载波信号 调制器 解调器 调幅(AM) 载波信号 载波信号 调频(FM) 调相(PM) 模拟信号如何进行载波传输？——三种调制方法 实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”：

  9. 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） 曼彻斯特 编码 曼彻斯特 编码 NRZ 码 NRZ 码 码型 变换器 码型 变换器 双绞线 （网卡） （网卡） 0 0 1 1 0 1 二进位信号的 不归零制(NRZ)编码 电平从低到高表示0,从高到低表示1 二进位信号的 曼彻斯特编码 计算机 计算机 数字信号如何传输？ • 远距离传输方法——通过载波来传输数字信号(频带传输) 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

  10. (高频正弦波) 调制信号 (两个状态) 数字调制、解调器： 调制后的 载波信号 传输 信号 传输 信号 调制后的 载波信号 调制器 解调器 (ASK) 幅移键控 载波信号 载波信号 (FSK) 频移键控 载波信号 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 相移键控 (PSK) 数字信号的三种调制方法

  11. 信源(宿) 信宿(源) 调制后 的载波 调制后 的载波 信号 信号 调制 (解调)器 (调制) 解调器 信 道 载波 载波 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) 信源信号通过调制器 调整载波的某个参数(幅度、频率或相位) 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 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

  12. 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. f 调制 解调 共享的传输信道 DEMUX MUX 载波频率f1 载波频率f1 调制 解调 载波频率fn 载波频率fn 频分多路复用(Frequency Division Multiplexing, 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： 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. 信号发射 信号接收 频分多路复用 分路器 (带通滤波器) 频分多路复用举例1 • 广播电台节目的发送与接收 • 常见广播电台使用的载波频率 • 中波 900 KHz(南京经济台) ■中波1008 KHz (南京新闻台) • 短波 15.28 MHz(英国BBC) ■短波 15.29 MHz(VOA美国之音) • 调频104.3MHz (南京体育台) ■调频105.8MHz(南京音乐台)

  15. 电视图像及其伴音 调制器 多路复用器 在天空中传输的电磁波器 电视调谐器 载波1 电视图像及其伴音 电视节目 解调器 调制器 载波2 电视信号 发射器 电视信号 接收器 电视图像及其伴音 调制器 (分路器) 载波n 频分多路复用举例2 • 电视节目的发送与接收

  16. 终端 4 终端丁 多路分路器 多路复用器 数据 终端 3 终端丙 A H G F E D C B 终端 2 终端乙 传输线路 终端 1 终端甲 Demultiplexer Multiplexer t 4 3 2 1 4 3 2 1 时间片 H A D G C H D C E F B E G B F A 时分多路复用(Time Division Multiplexing, 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： • 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. 浪费 t1 t2 t3 同步TDM C1 D1 A2 B2 C2 A1 B1 D2 A B 周期1 周期2 C 节省带宽 D 异步TDM 待发数据 A1 B1 B2 C2 周期2 周期1 同步和异步时分多路复用 • 异步TDM的条件：发送信息中必须包含接收设备的地址！

  18. 信源 （宿） 信源 （宿） 信源 （宿） 调制解调器 调制解调器 调制解调器 复用 （分路） 调制解调器 信源 （宿） 复用 （分路） 信道 调制解调器 信源 （宿） ··· ··· 调制解调器 信源 （宿） 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 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. 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. 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. 2x2交换机原理 多路复用(分路)器 多路复用(分路)器 MODEM MODEM 载波1 载波1 传输线路 MODEM MODEM (中继线和长途线) 载波2 载波2 MODEM MODEM 载波n 载波n 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 电子开关 用户线 中继线 本地交换机 本地交换机 长途线 中继线 长途交换机 长途交换机 用户线 模拟通信技术应用举例（1） • 传统的有线载波电话

  22. 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. 模拟通信技术 数字信号 数字信号 本地 电话网 计算机网络 计算机 MODEM MODEM 家庭用户 因特网服务提供商(ISP) 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 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 • 目前电话上网的最高传输速率： 56Kbps

  24. 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. 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. 数字传输技术 模拟传输技术 模拟传输技术 分 路 器 多 路 复 用 器 PCM 编码器 PCM 解码器 光纤传输线路 (中继线和长途线) PCM 编码器 PCM 解码器 （用户线） （用户线） （本地电话局） （本地电话局） 数字通信技术应用举例（1） • 当今长途电话系统的中继通信 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 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

  27. A 3 4 10 取样周期 2 样本 5 12 6 5 11 1 7 10 8 9 t 0 T 样本 量化值 PCM码 样本 量化值 PCM码 • PCM编码的结果，就是将模拟信号转换成为一组数字信号 • 3 0011 8 3 0011 2 8 1000 7 4 0100 3 10 1010 9 3 0011 4 9 1001 10 4 0100 5 6 0110 11 4 0100 6 4 0100 12 6 0110 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

  28. 数字传输技术 数字 解调 数字 调制 电视图像及其伴音 解码器 编码器 电视机 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 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 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、解码后恢复为模拟信号，再经由有线电视电缆送到用户电视机上播放 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

  29. 信 源 压缩编码 加密编码 信道编码 调制与复用 信 道 解调与分路 信道解码 解 密 解压缩 信 宿 噪声 信源编码 信源解码 发送端 接收端 小结：数字通信系统的模型 为了进行可靠的传输 为了高效率地进行远程传输

  30. 数字通信系统的主要性能指标 • 数据传输速率(简称数据速率, data rate) • 指实际进行数据传输时单位时间内传送的二进位数目 • 计量单位： “位/秒”(bps) 、“千位/秒”(kbps) 、“兆位/秒”(Mbps) 或“千兆位/秒”(Gbps)等 • 信道带宽(也称为信道容量, bandwidth) • 一个信道允许的最大(高)数据传输速率 • 信道带宽与采用的传输介质、传输距离、多路复用方法、调制解调方法等密切相关 • 误码率(error rate) • 指数据传输中规定时间内出错数据占被传输数据总数的比例 • 端－端延迟(end-end delay) • 指数据从信源传送到信宿所花费的时间。

  31. 1.3.3 光纤通信与无线通信 （1） 传输介质的类型与特点 （2） 光纤通信 （3） 无线通信

  32. 传输介质的类型与特点

  33. 无屏蔽双绞线 套管 信号线 地线 金属屏蔽 外绝缘层 内层导线 同轴电缆 绝缘体 双绞线和同轴电缆 • 原理：利用电流(电压)传输信息 • 双绞线分类 • 3类线(10 Mb/s)；5类线(100Mb/s)； 6类线(200Mb/s) • 无屏蔽双绞线 (UTP)；屏蔽双绞线 (STP) • 同轴电缆分类 • 基带同轴电缆（50Ω） • 传输数字信号 • 宽带同轴电缆（75Ω） • 传输模拟信号

  34. 光线 光 纤 保护层 纤芯 多根光纤 保护层 包层 保护层 防止光泄漏的吸收外壳 起保护作用的防护层 外绝缘层 光波 光纤与光缆 • 光导纤维（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去） 光波在光纤中的传播 • 光缆

  35. 光调制器 放大电路 光检测器 输出 电路 驱动 电路 光源 中继器 电信号 电信号 接收单元(光/电转换) 传输单元 发送单元(电/光转换) 光纤 光纤 光纤通信原理 • 光纤主要用于传输数字信号， 0信号或1信号直接对光进行调制(即控制激光的通或断——幅移键控ASK) • 光波的频率为1014～1015Hz，目前一束光每秒能携带2.5G或10G的二进位信号，通过波分多路复用（WDM）技术还可达到更大的通信容量 在发送端，由需要传输的数字信号（电信号）去驱动一个光源（半导体激光器或发光二极管），并对发出的光信号进行调制 调制后的光信号通过光纤进行传输，为了补偿光纤线路的损耗，消除信号失真和噪声干扰，每隔一定的距离要接入中继器 在接收端，信号经放大后由光检测器（半导体光电管）进行检测、解调，转换成电信号之后输出

  36. 示意图 复合光 光纤 波分多路复用(Wave Division Multiplexing, WDM) • 为提高传输效率，1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波，每种光波各自传输自己所携带的信息，速率可达到 40G-100Gbit/s • 原理： 接收端用分路器(称为分波器)将不同波长的光分开，分别送到各自的光电检测器恢复出原始信号 发送端有N个发送单元，它们各自发出不同波长的光波 通过复用器（称为合波器）合并起来，进入同一根光纤进行传输

  37. 光纤通信的发展与应用 • 从上世纪80年代起，世界各国开始大规模铺设光纤通信线路，光纤传输网已经成为几乎所有现代通信的基础平台 • 高速光纤数字传输线路采用统一的国际标准，称为同步数字系列(SDH)，又称为同步光纤网(SONET)，它既是电话和有线电视的骨干传输网，又是计算机网络的骨干网 • SDH的速率等级：

  38. 电磁波的种类与频率范围 无线电波: 104～ 1011 (Hz) 中波： 0.3 ～ 3 (MHz) 短波： 3 ～ 30 (MHz) 超短波： 30 ～ 300 (MHz) 微波： 0.3 ～ 300 (GHz) 红外线： 1011～ 1014 (Hz) 可见光： 1014 (Hz) 紫外线： 1014～ 1016 (Hz) 无线广播 电视、通信 通信 双绞线 同轴电缆 AM广播 FM广播和TV 地面微波 光纤 卫星 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 Hz 中波 短波 微波 超短波 无线电波 红外线 可见光 紫外线 无线通信 • 原理：模拟信号或数字信号使用电磁波调制后进行传输

  39. 微波通信 • 微波：300MHz～300GHz范围内的电磁波，波长为1 m～1mm • 特点： • 直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），需要每隔几十公里设立一个中继站 • 容量大、可靠性高 • 建设费用低 • 抗灾能力强 • 应用：长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视（HDTV）等

  40. 通信卫星 地 球 地面站1 地面站2 卫星 35800公里 地球 卫星 卫星 卫星通信 • 卫星通信: 中继站在人造地球卫星上的一种微波通信 • 优点：通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定 • 缺点：造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅180颗 赤道上方高度为35800公里的地方为地球同步轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不动。一颗同步轨道卫星覆盖约120°， 3颗同步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部面积，进行二十四小时的全天候通信

  41. 卫星通信的重要应用——GPS • 例——美国研制GPS系统 • 24颗卫星在1.2万公里高空以12小时的周期绕地球运行 • 地面任意点在任何时刻都可同时观测到4颗以上卫星 • 原理： • 由于卫星的位置是精确可知的，通过地面接收机可测得与卫星的距离，利用三维坐标中的距离计算公式，就可以推导出接收机的地理位置(经度、纬度和高程) • 定位精度： • 民用大约几十米 • 军用可高得多

  42. GPS卫星接收机 • 根据用途有：导航型、测地型、授时型等 • 产品形式：独立的GPS导航仪，也可集成在电脑、手机、MP3(MP4)播放器、甚至手表中

  43. 1.3.4 移动通信 （1） 什么是移动通信 （2） 移动通信原理 （3） 第2代和第3代移动通信

  44. 什么是移动通信？ • 处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等 • 优点：克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息 移动电话交换中心 公用电话网 基站 移动台 （手机）

  45. 移动 交换 中心 电话交换中心 蜂窝移动通信原理 • 每10km～20km的区域称为单元（形似蜂窝），单元的中央建有一个基站，该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号 • 所有单元既相互分割，又彼此有所交叠，连成整个移动通信服务网 • 所有基站都通过微波或电缆、光缆与移动交换中心通信 • 手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，通话时使用两个频率（一个上行频率，一个下行频率），同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率进行通信，相互不影响 • 每个蜂窝单元中有200多个信道(GSM)。 • 相邻单元不允许使用相同的频率，不相邻单元的频率允许重用

  46. 第二代移动通信系统 • 传输的是数字化的语音/文字信号 • 使用频段：900MHz/1800MHz • 我国使用的2种标准： • GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通、全数字系统) • 中国电信的GSM网已基本实现县以上城市的覆盖,接入号有139～135、130 • 采用频分多路复用技术(分为124个上下行信道)和时分多路复用(每个信道8个连接)，每个蜂窝理论上支持992个连接，实际上可有200多个 • CDMA (码分多址接入，Code Division Multiple Access) • 所有手机都占用相同带宽和频率，在整个频段上进行信号传输,但它们分别采用不同的编码原理加以区分，即CDMA给每一手机分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信息的信号进行编码 • 抗干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小，

  47. 第三代数字移动通信系统 • 第2代移动通信的不足： （1）数据传输速率过低（9.6kb/s或57kb/s） （2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。 （3）不能实现覆盖全球的无缝连接 • 第3代移动通信技术（简称3G）的目标： （1）全球漫游 （2）适应多种环境，地面移动通信与卫星移动通信相结合 （3）提供高质量的话音通信、数据通信和高分辨率图像通信 （4）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务 • 技术： • 频谱：1885 MHz ~2025MHz，2110MHz~2200MHz • 传输速率：室内：2Mb/s，步行：384kb/s，快速移动：114kb/s • 标准：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA(时分-同步码分多址接入)

  48. 国外3G的进展 • 2007年底统计, 40个国家共190个 3G 网络已经投入运行，71个国家的154 HSDPA 网络已投入运行 • 2007.6统计, 全球3G用户数约2亿，占全球移动电话用户总数30亿的6.7%， • 日本（W-CDMA）和韩国（CDMA2000）3G用户数超过50％（不兼容2G） • 欧洲：意大利、英国，超过20％ （兼容2G） • 北美、亚太、欧洲(俄罗斯)、非洲等：CDMA2000

  49. 我国3G通信的进展 • 已初步形成了TD-SCDMA核心网、基站、终端以及各种芯片的配套产品体系，打造了一条完整的产业链。 • 中国移动从2008年4月1日起正式在北京、上海、天津、沈阳、广州、深圳、厦门和秦皇岛8个城市启动3G的社会化业务测试和试用，3G手机正式放号 • 截至2008年5月30日，已经有19家终端企业的29款TD终端(包括TD-HSDPA数据卡)取得了工业和信息化部颁发的入网许可证，6家系统厂商取得了TD-HSDPA全系列设备入网许可证

  50. 2008中国电信业重组，力推3G

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