第4章4.1 数字通信入门

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,4.1,数字通信入门,第,4,章 计算机网络与因特网,4.,1,数字通信入门,4.,2,计算机网络基础,4.,3,因特网的组成,4.4,因特网提供的服务,4.5,网络信息安全,4.1,数字通信入门,4.1.1,通信的基本原理,通信系统模型,有线通信与无线通信,调制解调技术,多路复用技术,4.1.2,交换技术,4.1.1,数字通信的基本原理,(1),通信的基本模型,什么是通信,(communication),？,广而言之，通信就是信息的,(,远距离,),传递与交换,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、,QQ,等，电视也可看作是一对多的单向通信,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,1940s,出现彩色电视,1960s,出现计算机网络,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,通信系统的模型,通信的三要素：,信 道,信源,(,宿,),信宿,(,源,),信号,信号,举例,:,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,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,有线电话,移动电话,计算机通信,信源,/,信宿,电话座机,手机,计算机,信号形式,话音经电话机转换成为变化的电流信号,话音经电话机转换成为压缩编码后的数字信号,编码并打包后的数字信号,信道构成,电话线和中继器等传输设备,无线电波、基站等,双绞线、集线器、路由器、光纤等,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,t,数字信号,信号,强度,模拟信号,信号,强度,t,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,0 0 1 1 0,1 0,0,0,1,什么是数字通信？,数字通信,通信终端之间以数字信号的形式进行通信,数字通信有,2,种情况：,终端设备发出和接收的都是数字信号，例如：计算机与计算机之间的通信、手机与手机之间的通信,发送方发出的是模拟信号，但把它转换成数字信号后再进行传输；接收方把收到的数字信号转换成模拟信号后再予以处理和使用,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,(2),有线通信与无线通信,需使用物理介质进行信号传输的是,有线通信,，例如：,金属导体（双绞线、同轴电缆），传输电流信号,光导纤维（简称光纤），传输光信号,在自由空间进行信号传输的是,无线通信，,传输的是电磁波信号,传输介质的类型与特点,介质类型,特点,应用,有线通信,双绞线,成本低，易受外部高频电磁波干扰，误码率较高；传输距离有限,固定电话本地回路、计算机局域网,同轴电缆,传输特性和屏蔽特性良好，可作为传输干线长距离传输载波信号，但成本较高,固定电话中继线路、有线电视接入,光缆,传输损耗小，通讯距离长，容量大，,屏蔽特性非常好，,不易被窃听，重量轻，便于运输和铺设。缺点是精确连接两根光纤很困难,电话、电视等通信系统的远程干线，计算机网络的干线,无线通信,自由空间,使用微波、红外线、激光等，,建设费用低，抗灾能力强，容量大，无线接入使得通信更加方便,.,但易被窃听、易受干扰,广播，电视，移动通信系统，计算机无线局域网,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,(,100,Mb/s),；,6,类线,(200Mb/s),无屏蔽双绞线,(UTP),；屏蔽双绞线,(STP),同轴电缆,内层导线,金属屏蔽,外绝缘层,绝缘体,同轴电缆分类,基带同轴电缆（,50,）,以前在以太网中使用,宽带同轴电缆（,75,）,有线电视网使用,信号线,地线,套管,无屏蔽双绞线,光纤与光缆,多根光纤,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,光波在光纤中的传播,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,）,纤芯,包层,保护层,光波,光缆,光 纤,保护层,无线通信,原理：,数字,(,或,模拟,),信号,使用电磁波,调制后进行,传输,10,4,10,5,10,6,10,7,10,8,10,9,10,10,10,11,10,12,10,13,10,14,10,15,10,16,Hz,双绞线,同轴电缆,AM,广播,FM,广播和,TV,卫星,地面微波,光纤,紫外线,红外线,可见光,微波,无线电波,超短波,中波,短波,电磁波的种类与频率范围,无线电波,:10,4,10,11,(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：,10,11,10,14,(Hz),可见光：,10,14,(Hz),紫外线：,10,14,10,16,(Hz),无线广播,电视、通信,通信,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,个人移动通信,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,基站,移动台,（手机）,移动电话交换中心,公用电话网,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,移动,交换,中心,电话交换中心,第三代,移动通信系统,（,3G,）,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,），仅可传输语音和文字,（,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,3G,的目标：,（,1,）提供高质量的语音通信、数据通信和高分辨率图像通信,（,2,）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务,（,3,）地面移动通信与卫星移动通信相结合，实现全球漫游,使用的频谱：,1885 MHz 2025MHz,，,2110MHz2200MHz,传输速率：室内：,2Mb/s,，步行：,384kb/s,，快速移动：,114kb/s,我国采用的,3,种技术标准：,中国移动,TD-SCDMA(,时分,-,同步码分多址接入,),，自主知识产权,中国电信,CDMA2000,中国联通,W-CDMA,(3),调制解调技术,数字通信采用的技术,数字调制,/,解调技术（调幅；调频；调相）,解决信号传得远的问题,多路复用技术（时分多路；频分多路；波分多路）,提高传输线路使用效率、降低传输成本,交换技术（电路交换；分组交换）,动态分配信道资源，提高传输效率和质量,模,-,数和数,-,模转换技术；,数字编码和数据压缩技术,数字信号如何传输？,近距离传输：,直接,(,基带,),传输,例如：,USB,移动硬盘,主机；以太网数据传输,远距离传输：,载波传输,例如：数字有线电视；电话拨号上网；,ADSL,上网,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，,把数字信号放在,(,调制,在,),载波上传输，则可比直接传输的距离远得多,数字信号的三种调制方法,(,ASK,),幅移键控,(,FSK,),频移键控,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,调制信号,(,两个状态,),(,PSK,),相移键控,载波信号,(,高频正弦波,),调制后的,载波信号,传输,信号,解调器,载波信号,调制后的,载波信号,传输,信号,调制器,载波信号,实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”：,信 道,信源,(,宿,),信宿,(,源,),调制后,的载波,信号,接收到,的载波,信号,调制,(,解调,),器,(,调制,),解调器,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,),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,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,(4),多路复用技术,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,）,DEMUX,MUX,共享的传输信道,载波频率,f,1,调制,调制,载波频率,f,n,载波频率,f,1,解调,解调,载波频率,f,n,f,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,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：,H,F,G,E,D,C,B,A,传输线路,时间片,G,C,终端,1,终端,2,终端,3,终端,4,H,D,F,B,E,A,多路复用器,4 3 2 1 4 3 2 1,数据,t,Multiplexer,多路分路器,终端甲,终端乙,终端丙,终端丁,E,A,F,B,G,C,H,D,Demultiplexer,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,发送方：,数据,时间,异步时分多路