1、1第六講：通信技術 I2OutlinePart I (一般理論一般理論)p 通信的基本概念通信的基本概念p傳輸介質傳輸介質p 通信網通信網Part II(現狀與前沿現狀與前沿)p 光纖通信光纖通信p 移動通信移動通信p 衛星通信衛星通信3通信通信: 一個地方向另一個地方進行消息的有一個地方向另一個地方進行消息的有效傳遞和交換效傳遞和交換 4.1 4.1 基本概念基本概念u所謂所謂通信通信，是指人們為了達到相互聯系的目的，是指人們為了達到相互聯系的目的，用電的、電子的、電磁的或其他設施來傳送語音、用電的、電子的、電磁的或其他設施來傳送語音、文字、圖像、符號、數據等信息的過程。文字、圖像、符號、數

2、據等信息的過程。u通信從本質上講就是通信從本質上講就是實現信息傳遞功能實現信息傳遞功能的一門科的一門科學技術，它要將大量有用的信息無失真、高效率學技術，它要將大量有用的信息無失真、高效率地進行傳輸，同時還要在傳輸過程中將無用信息地進行傳輸，同時還要在傳輸過程中將無用信息和有害信息抑制掉。和有害信息抑制掉。u當今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有存當今的通信不僅要有效地傳遞信息，而且還有存儲、處理、采集及顯示等功能，通信已成為信息儲、處理、采集及顯示等功能，通信已成為信息科學技術的一個重要組成部分。科學技術的一個重要組成部分。4通信通信發展發展簡史簡史 54.1.1 4.1.1 通信系統模型通

3、信系統模型通信系統通信系統是指完成通信過程的全部是指完成通信過程的全部設備和傳輸媒質。設備和傳輸媒質。消息的傳遞消息的傳遞: 利用通信系統來實現的利用通信系統來實現的6產生消息產生消息 接收消息接收消息轉換成信號轉換成信號 信號轉換為消息信號轉換為消息 信息源信息源發送設備發送設備信道信道接收設備接收設備收信者收信者發送端發送端接收端接收端噪聲源噪聲源7信息源信息源 調制器調制器信道信道 解調器解調器 收信者收信者發送端發送端接收端接收端噪聲源噪聲源模擬通信模擬通信系統模型系統模型8信息源信息源調調制制器器信道信道解解調調器器 收信者收信者發送端發送端接收端接收端噪聲源噪聲源信信源源編編碼碼信

4、信道道編編碼碼信信道道譯譯碼碼信信源源譯譯碼碼提高傳輸有效性提高傳輸有效性提高傳輸可靠性提高傳輸可靠性數字通信數字通信系統模型系統模型94.1.2 4.1.2 通信的分類通信的分類通信通信短波通信短波通信同軸電纜同軸電纜架空明線架空明線雙絞線雙絞線光纖通信光纖通信有線電通信有線電通信無線通信無線通信有線通信有線通信微波通信微波通信散射通信散射通信衛星通信衛星通信移動通信移動通信1. 1. 按傳輸媒質分按傳輸媒質分10 信道是個抽象的概念。這里我們可理解信道是個抽象的概念。這里我們可理解成傳輸信號的通路成傳輸信號的通路. 通常信道中傳送的信號可通常信道中傳送的信號可分為數字信號和模擬信號，由此通

5、信亦可分分為數字信號和模擬信號，由此通信亦可分為為數字通信數字通信和和模擬通信模擬通信。 2. 2. 按信道中所傳信號的不同分按信道中所傳信號的不同分113. 3. 按工作頻段分按工作頻段分 12 根據消息在送到信道之前是否采用調制，根據消息在送到信道之前是否采用調制， 通信可分為通信可分為基帶傳輸基帶傳輸和和頻帶傳輸頻帶傳輸。 所謂基帶傳輸是指信號沒有經過調制而所謂基帶傳輸是指信號沒有經過調制而直接送到信道中去傳輸的一種方式，而頻帶直接送到信道中去傳輸的一種方式，而頻帶傳輸是指信號經過調制后再送到信道中傳輸，傳輸是指信號經過調制后再送到信道中傳輸，收端有相應解調措施的通信系統。收端有相應解調

6、措施的通信系統。 4. 4. 按調制方式分按調制方式分13 目前通信業務可分為目前通信業務可分為電報、電話、電報、電話、 傳傳真、真、 數據傳輸、數據傳輸、 可視電話、可視電話、 無線尋呼無線尋呼等。等。 另外從廣義的角度來看，廣播、另外從廣義的角度來看，廣播、 電視、電視、 雷達、雷達、 導航、導航、 遙控、遙控、 遙測等也應列入通信遙測等也應列入通信的范疇，因為它們都滿足通信的定義。由于的范疇，因為它們都滿足通信的定義。由于廣播、電視、雷達、導航等的不斷發展，目廣播、電視、雷達、導航等的不斷發展，目前它們已從通信中派生出來，形成了獨立的前它們已從通信中派生出來，形成了獨立的學科。學科。 5

7、. 5. 按業務的不同分按業務的不同分14 通信還可按收信者是否運動分為通信還可按收信者是否運動分為移動通信移動通信和和固固定通信定通信。 移動通信是指通信雙方至少有一方在運動中進移動通信是指通信雙方至少有一方在運動中進行信息交換。由于移動通信具有建網快、行信息交換。由于移動通信具有建網快、 投資少、投資少、 機動靈活，機動靈活， 它使用戶能隨時隨地快速可靠地進行信它使用戶能隨時隨地快速可靠地進行信息傳遞，因此，移動通信已被列為現代通信中的三息傳遞，因此，移動通信已被列為現代通信中的三大新興通信方式之一。大新興通信方式之一。 6. 6. 按收信者是否運動分按收信者是否運動分另外，通信還有其它一

8、些分類方法，如按多地址方式可分為另外，通信還有其它一些分類方法，如按多地址方式可分為頻分多址通信、時分多址通信、碼分多址通信等。按用戶類頻分多址通信、時分多址通信、碼分多址通信等。按用戶類型可分為公用通信和專用通信等。型可分為公用通信和專用通信等。 154.1.3 通信方式雙工通信雙工通信單工通信單工通信全雙工通信全雙工通信根據信息傳送根據信息傳送的方向與時間的方向與時間16單工、半雙工和全雙工單工、半雙工和全雙工發方發方收方收方A方方A方方B方方B方方只支持數據的單向流動。支持數據雙向分時流動，線路只有一條，兩個方向須分時使用信道。支持數據雙向同時流動，線路有兩條或四條。17并行通信并行通信

9、串行通信串行通信根據信號排序根據信號排序接接收收端端發發送送端端123N.接接收收端端發發送送端端1.2.N.N+1N+22N.指一位一位地傳送數據，從發送端到接收指一位一位地傳送數據，從發送端到接收端只要一根傳輸線即可。優點是節省設備端只要一根傳輸線即可。優點是節省設備, 降低費用；缺點是傳速慢，網絡中多采用降低費用；缺點是傳速慢，網絡中多采用這種傳輸方式。這種傳輸方式。一次可以傳送一個字節一次可以傳送一個字節(8位位)，發端到收端，發端到收端用用8根線。目前，計算機內部操作多用并行根線。目前，計算機內部操作多用并行傳輸，當采用串行傳輸時，發端通過并傳輸，當采用串行傳輸時，發端通過并/串串轉

10、換設備將并行數據流變為串行數據流，轉換設備將并行數據流變為串行數據流，在接收端又通過串在接收端又通過串/并行設備，還原為并行設備，還原為8位并位并行數據。行數據。 18串行傳輸串行傳輸:數據在一個信道上一位一位依次傳輸。數數據在一個信道上一位一位依次傳輸。數據線數目與與傳輸數據無關據線數目與與傳輸數據無關特點：特點：通信線路數小，線路通信線路數小，線路利用率高適合于遠距利用率高適合于遠距離傳輸。離傳輸。在發送端和接收端需在發送端和接收端需要并要并/串轉換和串串轉換和串/并轉并轉換。換。1. 需要實施同步措施，需要實施同步措施，以確保不產生錯字。以確保不產生錯字。串行傳輸串行傳輸 與并行傳輸與并

11、行傳輸 19并行傳輸并行傳輸: :數據在數據在多多個信道上個信道上同時同時傳輸傳輸。數據線數目。數據線數目與與傳輸數據相同并可能多一校驗線與與傳輸數據相同并可能多一校驗線特點：特點： 不需要對傳輸代不需要對傳輸代碼進行時序轉換碼進行時序轉換 需要數據線數目需要數據線數目多。多。 傳輸速率高。傳輸速率高。串行傳輸串行傳輸 與并行傳輸與并行傳輸 20根據通信網絡根據通信網絡形式形式直通方式直通方式分支方式分支方式交換方式交換方式圖1-3終端A終端B終端C交換設備終端N(c)終端A終端B(a)轉接站終端A終端B終端C(b)終端N214.1.4 4.1.4 通信系統的質量指標通信系統的質量指標通信質量

12、的好壞：通信質量的好壞：有效性有效性和和可靠性可靠性 模擬通信系統中模擬通信系統中有效性有效性指標用單位時間內傳送信息量指標用單位時間內傳送信息量的多少來衡量的多少來衡量可靠性可靠性指標常用信噪比（指標常用信噪比（SNR-Signal to Noise Ratio）或均方誤差來衡量。）或均方誤差來衡量。 22可靠性可靠性有效性有效性碼元傳輸速率碼元傳輸速率信息傳輸速率信息傳輸速率消息傳輸速率消息傳輸速率數字通信系統中數字通信系統中指信息傳輸的錯誤率，是衡量系指信息傳輸的錯誤率，是衡量系統可靠性的指標。統可靠性的指標。23可靠性與差錯校正可靠性：可靠性：可用差錯率來表示。常用的差錯率可用差錯率來

13、表示。常用的差錯率指標有平均誤碼率、平均誤字率、平均誤碼指標有平均誤碼率、平均誤字率、平均誤碼組率等組率等 。誤碼。誤碼(碼組，字符碼組，字符)=接收出現差錯的接收出現差錯的比特比特(字符、碼組字符、碼組)數。差錯率是一個統計平均數。差錯率是一個統計平均值，因此在測試或統計時，總的發送比特值，因此在測試或統計時，總的發送比特(字字符、碼組符、碼組)數應達到一定的數量，否則得出的數應達到一定的數量，否則得出的結果將失去意義。結果將失去意義。誤碼率誤碼率P Pe e誤比特率誤比特率P Pb b它以接收信息中比特數占總它以接收信息中比特數占總傳輸比特數的比例來度量，傳輸比特數的比例來度量，通常應低于

14、通常應低于10-6。24差錯校正： 字符代碼在傳輸、接收過程中，難免字符代碼在傳輸、接收過程中，難免發生錯誤，如何及時自動檢測差錯并進一發生錯誤，如何及時自動檢測差錯并進一步自動校正，也是數字通信系統研究的重步自動校正，也是數字通信系統研究的重要課題，通常的解決辦法采用抗干擾編碼要課題，通常的解決辦法采用抗干擾編碼或糾錯編碼，目前常采用的有奇偶校驗碼、或糾錯編碼，目前常采用的有奇偶校驗碼、方塊碼、循環冗余碼等。方塊碼、循環冗余碼等。 可靠性與差錯校正25p 通常在給出碼元速率時，有必要說明碼元的通常在給出碼元速率時，有必要說明碼元的進制。由于進制。由于M進制的一個碼元可以用進制的一個碼元可以用

15、 log2M個二進制碼元去表示，因而在保證信息速率個二進制碼元去表示，因而在保證信息速率不變的情況下，不變的情況下，M進制的碼元速率進制的碼元速率RBM與二與二進制的碼元速率進制的碼元速率RB2之間有以下轉換關系：之間有以下轉換關系： RB2=RBMlog2 M (B)Rb2=RB226 例例1-5 已知二進制數字信號在已知二進制數字信號在2min內共傳送了內共傳送了72 000個碼個碼元，元，(1) 問其碼元速率和信息速率各為多少問其碼元速率和信息速率各為多少? (2) 如果碼元寬度如果碼元寬度不變不變(即碼元速率不變即碼元速率不變)，但改為八進制數字信號，但改為八進制數字信號， 則其碼元則

16、其碼元速率為多少速率為多少? 信息速率又為多少信息速率又為多少? 解解 (1) 在在260s內傳送了內傳送了72 000個碼元個碼元RB2=72 000/(260)=600 (B)Rb2=RB2=600 (b/s)(2) 若改為若改為8進制進制則則 RB8=72 000/(260)=600 (B) Rb8=RB8log28=1 800 (b/s) 27 例例 1-6 已知某八進制數字通信系統的信息速率為已知某八進制數字通信系統的信息速率為12 000 b/s，在收端半小時內共測得出現了，在收端半小時內共測得出現了216個錯誤碼元，試求系統個錯誤碼元，試求系統的誤碼率。的誤碼率。 5288810

17、36030000421600048log/00012ebBbRBRRsbR解解 28帶 寬l“帶寬帶寬”是指在信道上（或一段鏈路上）是指在信道上（或一段鏈路上）能夠傳送的數字信號的速率，即數據率能夠傳送的數字信號的速率，即數據率或比特率或比特率。 l帶寬的單位就是比特每秒（帶寬的單位就是比特每秒（bit/s），而更常用的帶寬單位是千比特每秒kbit/s、兆比特每秒 Mbit/S（106bit/s）、吉比特每秒 Gbit/s（109bit/s）或太比特 Tbit/S（1012bit/s）。 29 信號在時間軸上的寬度就隨著帶寬的增大而變窄。信號在時間軸上的寬度就隨著帶寬的增大而變窄。例如，當信號

18、為例如，當信號為1和和0相間的脈沖時，在帶寬為相間的脈沖時，在帶寬為1Mbit/S鏈路上，每一個比特在時間軸上的寬度為鏈路上，每一個比特在時間軸上的寬度為 l s，但在帶但在帶寬為寬為4 Mbit/s的鏈路上，每一個比特在時間軸上的寬度的鏈路上，每一個比特在時間軸上的寬度就減小到原來的四分之一，即只有就減小到原來的四分之一，即只有0.25 s。 帶帶 寬寬 230數字通信的主要優缺點數字通信的主要優缺點 1. 1. 主要優點主要優點 抗干擾、抗干擾、 抗抗噪聲性能好。噪聲性能好。 (2) 差錯可控。差錯可控。 (3) 易加密。易加密。 (4) 易于與現易于與現代技術相結合。代技術相結合。(1)

19、 2.2.數字通信的缺點數字通信的缺點(1) 頻帶利用率不高。頻帶利用率不高。 以電話為例，一路數字電話一般要占據以電話為例，一路數字電話一般要占據約約2060kHz的帶寬，而一路模擬電話僅占用的帶寬，而一路模擬電話僅占用約約4 kHz帶寬。如果系統傳輸帶寬一定的話，帶寬。如果系統傳輸帶寬一定的話， 模擬電話的頻帶利用率要高出數字電話的模擬電話的頻帶利用率要高出數字電話的515倍。倍。(2) 需要嚴格的同步系統。需要嚴格的同步系統。 數字通信中，要準確地恢復信號，必須數字通信中，要準確地恢復信號，必須要求收端和發端保持嚴格同步。因此，數字要求收端和發端保持嚴格同步。因此，數字通信系統及設備一般

20、都比較復雜，體積較大。通信系統及設備一般都比較復雜，體積較大。 31 由于數字信號占用的頻帶寬，而使數字通信的頻帶利用率低。系統的頻帶利用率，可用系統允許最大傳輸帶寬(信道的帶寬)與每路信號的有效帶寬之比來表征，即 iWBBn 式中，BW為系統允許最大頻帶寬度；Bi為每路信號的頻帶寬度；n為系統在其帶寬內最多能容納(傳輸)的話路數。n值大， 說明系統利用率高。 3. 克服數字通信不足的辦法多址方式324.2 傳輸介質傳輸介質有線、無線（軟、硬）有線、無線（軟、硬）傳輸媒質：傳輸媒質：影響系統傳輸特性和質量信號性質傳輸介質特性 在網絡的最低層次上，所有計算機通信都以某種在網絡的最低層次上，所有計

21、算機通信都以某種能量形式對數據進行編碼，并將這些能量通過傳輸介能量形式對數據進行編碼，并將這些能量通過傳輸介質發送出去。例如，電流可用來在導線上傳輸數據，質發送出去。例如，電流可用來在導線上傳輸數據，而無線電波可用來在空中傳輸數據。而無線電波可用來在空中傳輸數據。 33(1) 雙絞線雙絞線 絞在一起限制了電磁能量的發射，并有絞在一起限制了電磁能量的發射，并有助于防止雙絞線中的電流發射能量干擾其他助于防止雙絞線中的電流發射能量干擾其他導線。其次，絞在一起也使雙絞線本身不易導線。其次，絞在一起也使雙絞線本身不易被電磁能量所干擾，有助于防止其他導線中被電磁能量所干擾，有助于防止其他導線中的信號干擾這

22、兩根導線。的信號干擾這兩根導線。34雙絞線35(2) 同軸電纜同軸電纜 和有線電視所用的電纜一樣。同軸和有線電視所用的電纜一樣。同軸電纜較雙絞線有更好的抗干擾作用。與雙絞電纜較雙絞線有更好的抗干擾作用。與雙絞線絞在一起以限制干擾不同，同軸電纜由一線絞在一起以限制干擾不同，同軸電纜由一根為金屬屏蔽層所包圍的導線組成根為金屬屏蔽層所包圍的導線組成36(3) 光纜光纜 37光纖的優點光纖的優點 1.1.傳輸的形式是光，所以光纖不會引起電磁干擾也不傳輸的形式是光，所以光纖不會引起電磁干擾也不會被干擾。會被干擾。2.2.因為玻璃纖維可以被制成能反射光纖內絕大多數的因為玻璃纖維可以被制成能反射光纖內絕大多

23、數的光，所以光纖傳輸信號的距離比導線所能傳輸的距光，所以光纖傳輸信號的距離比導線所能傳輸的距離要遠得多。離要遠得多。3.3.因為較之電信號，光可以對更多的信息進行編碼，因為較之電信號，光可以對更多的信息進行編碼，所以光纖可在單位時間內傳輸比導線更多的信息。所以光纖可在單位時間內傳輸比導線更多的信息。4.4.與電流總是需要二根導線形成回路不同，光僅需一與電流總是需要二根導線形成回路不同，光僅需一根光纖即可從一臺計算機傳輸數據到另一臺計算機根光纖即可從一臺計算機傳輸數據到另一臺計算機 38圖2.58 光纖與電纜頻率衰減關系圖62.5/125m漸變增強型多模光纖01101003001000頻率(MH

24、z)衰減(dB/km)051015202530355類UTP雙絞電纜光纖與電纜的比較光纖與電纜的比較光纖與電纜光纖與電纜頻率與衰減頻率與衰減關系圖關系圖39利用大氣作為傳輸介質利用大氣作為傳輸介質微波、紅外線、激光微波、紅外線、激光 （4 4）無線傳輸媒質）無線傳輸媒質40微 波 p 2GHz40GHzp雖然微波就是頻率較高的無線電波，但它們的性質雖然微波就是頻率較高的無線電波，但它們的性質并不相同并不相同。與無線電波向各個方向傳播不同，微波。與無線電波向各個方向傳播不同，微波傳輸集中于某個方向，可以防止他人截取信號。傳輸集中于某個方向，可以防止他人截取信號。p微波不能穿透金屬結構。微波不能穿

25、透金屬結構。p微波傳輸在發送和接收器之間存在無障礙的通道時微波傳輸在發送和接收器之間存在無障礙的通道時工作得很好，因此，絕大多數微波裝置都設有高于工作得很好，因此，絕大多數微波裝置都設有高于周圍建筑物和植被的高塔，并且其發送器都直接朝周圍建筑物和植被的高塔，并且其發送器都直接朝向對方高塔上的接收器向對方高塔上的接收器 。中繼站中繼站41衛星通信衛星通信也是利用微波頻段42紅外線紅外線p電視和立體聲系統使用的電視和立體聲系統使用的遙控器遙控器是用紅外線通信。是用紅外線通信。p紅外線一般局限于一個很小的區域（例如，在一個房紅外線一般局限于一個很小的區域（例如，在一個房間內）并且通常要求發送器直接指

26、向接收器。間內）并且通常要求發送器直接指向接收器。p紅外硬件與采用其他機制的設備比較相對便宜，且不紅外硬件與采用其他機制的設備比較相對便宜，且不需要天線。計算機網絡可以使用紅外技術進行數據通需要天線。計算機網絡可以使用紅外技術進行數據通信。信。p例如，為一個大房間配備一套紅外連接以使該房間內例如，為一個大房間配備一套紅外連接以使該房間內的所有計算機在房間內移動時仍能和網絡保持連接。的所有計算機在房間內移動時仍能和網絡保持連接。紅外網絡對小型的便攜計算機尤為方便。因為紅外技紅外網絡對小型的便攜計算機尤為方便。因為紅外技術提供了無需天線的無繩連接。這樣，使用紅外技術術提供了無需天線的無繩連接。這樣

27、，使用紅外技術的便攜計算機可將所有的通信硬件放在機內。的便攜計算機可將所有的通信硬件放在機內。 43激光激光 通過光纖可把光用于通信中。此外，光也能用于通過光纖可把光用于通信中。此外，光也能用于在空中傳輸數據。在空中傳輸數據。 和微波通信系統相似，采用光的通信連接通常由兩和微波通信系統相似，采用光的通信連接通常由兩個站點組成，每個站點都擁有發送和接收器，設備安個站點組成，每個站點都擁有發送和接收器，設備安裝在一個固定的位置，經常在一個高塔上，并且相互裝在一個固定的位置，經常在一個高塔上，并且相互對齊，以便一個站點的發送器將光束直接傳輸至另一對齊，以便一個站點的發送器將光束直接傳輸至另一站點的接

28、收器。發送器使用激光器產生光束，因為站點的接收器。發送器使用激光器產生光束，因為激激光能在很長距離內保持聚焦。和微波傳輸相似，激光光能在很長距離內保持聚焦。和微波傳輸相似，激光器發出的光束走的也是直線，并且不能被遮擋。器發出的光束走的也是直線，并且不能被遮擋。u不幸的是，激光光束不能穿透植物以及雨、雪、霧不幸的是，激光光束不能穿透植物以及雨、雪、霧等多種氣候條件，因此激光傳輸的應用受到限制。等多種氣候條件，因此激光傳輸的應用受到限制。 444.3 通信網基本概念通信網基本概念通信網：多用戶通信系統互連的總體通信網：多用戶通信系統互連的總體通信通信網網45目前運營的主要通信網絡目前運營的主要通信

29、網絡(1)電信網電信網 : 包括電話網、電報網、傳真網、幀中繼、包括電話網、電報網、傳真網、幀中繼、DDN等等 (2)計算機網計算機網 ：Internet是最大的計算機網是最大的計算機網 (3)有線電視網有線電視網 4.3.1 通信網現狀通信網現狀46(a)(b)(c)(d)(e)(f) 通信網的基本結構有網型、星型、復合型、通信網的基本結構有網型、星型、復合型、環型、總線型和樹型環型、總線型和樹型4.3.2 通信網的基本結構通信網的基本結構474.3.3 通信網的構成要素通信網的構成要素（1）通信終端設備）通信終端設備（2）傳輸設備）傳輸設備（3）節點（交換）設備。）節點（交換）設備。傳輸 鏈路終端節點（交換機）481. 按通信內容分按通信內容分，有電話網、電報網、電傳，有電話網、電報網、電傳網、移動通信網、計算機網、綜合業務數網、移動通信網、計算機網、綜合業務數字網、有線電視網等。字網、有線電視網等。 2. 按通信的范圍來分按通信的范圍來分，通信網可