江苏专转本计算机12第一章微电子技术与通信技术.doc

1、江苏专转本计算机 12 第一章微电子技术与通信技术.txt28 生活是一位睿智的长者，生活是一位博学的老师，它常常春风化雨，润物无声地为我们指点迷津，给我们人生的启迪。不要吝惜自己的爱，敞开自己的胸怀，多多给予，你会发现，你也已经沐浴在了爱河里。 本文由 yanyufenfei 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。第 1 章 微电子技术与通信技术 章 电子信息技术现代信息技术的特点: 现代信息技术的特点: 的特点 子技术: 采用电(光)子技术: 采用电 采用 以计算机为基础(computer_based) 为基础( 以计算机为基础 c

2、omputer_based) 以软件为核心(software_centric) 为核心( 以软件为核心 software_centric) 现代信息技术领域: 现代信息技术领域: 微电子,通信,广播,计算机, 微电子, 微电子 通信,广播,计算机, 遥感遥测,自动控制,机器人等 遥感遥测,自动控制,信息技术三大基础技术 信息技术三大基础技术 1. 微电子技术 微电子技术集成电路 集成电路 技术 2. 通信技术 通信系统 通信技术 通信系统 3. 计算机技术 计算机技术 技术数字技术 数字技术1.1微电子技术1.1.1 微电子技术与集成电路 微电子技术: 微电子技术: 集成电路为核心的微电子技术

3、是在电子电 以集成电路为核心的微电子技术是在电子电 路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和 路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和 超小型化 发展起来的. 发展起来的.电子电路使用的基础元件的演变: 电子电路使用的基础元件的演变: 元件的演变 真空电子管 晶体管 中小规模集成电路 大规模超大规模集成电路电子电路使用的基础元件的演变真空电子管 在这个阶段产生了广播, 在这个阶段产生了广播,电 无线电通信,仪器仪表, 视,无线电通信,仪器仪表,自 动化技术和第一代 第一代电子计算机 动化技术和第一代电子计算机 晶体管 1948 年发明,再加上印制电 年发明, 年发明 路组装技术的使用, 路

4、组装技术的使用,使电子电路 在小型化方面前进了一大步, 在小型化方面前进了一大步,产 生了第二代 第二代计算机 生了第二代计算机电子电路使用的基础元件的演变集成电路 集成电路(Integrated Circuit, , 简称 IC): 简称 :这是 20 世纪 年代出现,以 这是 世纪 50 年代出现, 世纪 年代出现 半导体单晶片作为材料 作为材料, 半导体单晶片作为材料,经平面 工艺加工制造, 大量晶体管, 工艺加工制造,将大量晶体管, 电阻等元器件及互连线构成的电 电阻等元器件及互连线构成的电 子线路集成在基片上,构成的一 子线路集成在基片上, 个微型化的电路或系统. 微型化的电路或系统

5、. 现代集成电路使用的半导体 材料通常是硅 材料通常是硅(Si),也可以是化 ,也可以是化 如砷化镓(GaAs)等. 合物半导体如砷化镓 等 合物半导体如砷化镓 集成电路的特点是:体积小,重 集成电路的特点是 体积小, 特点 量轻,可靠性高. 量轻,可靠性高.小规模集成电路超大规模集成电路集成电路的规模根据所包含的晶体管数目分为: 根据所包含的晶体管数目分为:集成电路规模 小规模集成电路(SSI) 规模集成电路( ) 中规模集成电路(MSI) 规模集成电路( ) 大规模集成电路(LSI) 规模集成电路( ) 超大规模集成电路( 超大规模集成电路(VLSI) 规模集成电路 ) 极大规模集成电路(

6、 极大规模集成电路(ULSI) 规模集成电路 ) 集成度(个电子元件) 集成度(个电子元件) 100 万 万集成电路分类根据所用晶体管结构,电路和工艺分为: 根据所用晶体管结构 电路和工艺分为 所用晶体管结构, 分为: 双极型( 双极型(Bipolar)集成电路 ) 金属-氧化物-半导体(MOS) 集成电路 金属-氧化物-半导体 双极-金属-氧化物-半导体集成电路(Bi-MOS)等 双极-金属-氧化物-半导体集成电路( 等 集成电路 根据集成电路的功能分为: 根据集成电路的功能分为: 集成电路的功能分为 数字集成电路 如逻辑电路,存储器,微处理器, 集成电路(如逻辑电路 数字集成电路 如逻辑电

7、路,存储器,微处理器, 微控制器,数字信号处理器等) 微控制器,数字信号处理器等 模拟集成电路 又称为线性电路,如信号放大器, 集成电路(又称为线性电路 模拟集成电路 又称为线性电路,如信号放大器, 功率放大器等) 功率放大器等 根据用途分为: 根据用途分为: 用途分为 通用集成电路 通用集成电路 专用集成电路 集成电路( 专用集成电路(ASIC) )微电子技术与集成电路集成电路芯片 是微电子技术的结晶 , 它们是 集成电路芯片是微电子技术的结晶 集成电路芯片 是微电子技术的结晶, 计算机的核心. 计算机的核心.微电子技术与集成电路集成电路是现代信息产业和信息社会的基础 集成电路是现代信息产业

8、和信息社会的 是现代信息产业和信息社会的基础 集成电路是改造和提升传统产业的核心技术 是改造和提升传统产业的核心技术 集成电路是改造和提升传统产业的 2000 年世界半导体产值达 年世界半导体产值达 2000 亿美元 亿美元 年世界半导体产值达 电子信息产品市场总额超过 1 万亿美元 电子信息产品市场总额超过 万亿美元 据预测:未来十年内世界半导体的年平均增长 据预测: 率将达 15%以上,2010 年全世界半导体的年销 以上, 率将达 以上 年全世界半导体的年销 售额可达到 60008000 亿美元 , 将支持 亿美元, 售额可达到 亿美元 将支持 45万 万 亿美元的电子装备市场. 亿美元

9、的电子装备市场.集成电路的制造集成电路的制造: 多道工序 集成电路的制造:400 多道工序硅平面工艺 硅衬底 晶圆剔除,分类 剔除, 芯片封装 集成电路成品测试 成品集成电路的发展趋势集成电路的工作速度 集成电路的工作速度 主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸 晶体管的尺寸, 主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸, 晶体管的尺寸越小,其极限工作频率越高, 晶体管的尺寸越小 ,其极限工作频率越高, 门 电路的开关速度就越快.芯片上电路元件的线 电路的开关速度就越快 . 芯片上 电路元件的线 越细, 条 越细, 相同面积的晶片可容纳的晶体管就越 多,功能就越强,速度也越快. 功能就越强,速度也

10、越快.集成电路的发展趋势提高集成度,关键在缩小门电路面积 提高集成度, 集成电路特点:体积小,重量轻,可靠性高 集成电路特点:体积小,重量轻, Moore 定律 Moore 定律 单块集成电路的集成度平均每18 个月 个月翻一 单块集成电路的集成度平均每 24 个月翻一 番 Gordon E.Moore,1965 年 Gordon E.Moore,1965 年 Intel 公司创始人 Intel 公司创始人集成电路的发展趋势Intel 公司 年来微处理器集成度的发展 公司 30 年来微处理器集成度的发展 公司晶体管数Pentium 4 Pentium III10,000,000 100,000

11、,000Pentium II Pentium1,000,00080386 8028680486 100,0008086 8080 8008 400410,000 1,0001970197519801985199019952000集成电路技术的发展趋势年度( 年度(年) 工艺( m) 工艺(m) 晶体管(M) 晶体管( 面积( 面积(mm2) 连线层数 晶圆直径(mm 晶圆直径 mm) mm 引脚数目 功耗( 功耗(w) 1999 0.18 23.8 340 6 300 700 90 2001 0.13 47.6 1.6 340 7 300 2004 0.09 135 2.0 390 8 350

12、 957 130 2008 0.06 539 2.655 468 9 400 2014 0.014 3500 10 901 10 450 3350 183时钟频率(GHz) 1.2 时钟频率(集成电路的发展趋势目前集成电路生产的主流技术: 目前集成电路生产的主流技术: 12 吋晶圆 , 0.18 微米工艺 , 并正在向 14 吋晶圆 , 吋晶圆, 微米工艺, 14 吋晶圆 吋晶圆 微米工艺 并正在向14 吋晶圆, 09 微米工艺过渡 0.09 微米工艺过渡 Intel P4:已采用 0.13m 工艺制造生产 已采用 0 13m 工艺制造生产 m AMD:有采用 0.13m 工艺制造生产的 CP

13、U AMD:有采用 0 13m 工艺制造生产的 CPU m 工艺制造生产的 1(m 微米)= 1/1,000,000(米) m 微米)= 1/1,000,000( 微米 美国半导体协会(SIA)预测,到 2010 年将能达到 美国半导体协会(SIA)预测, 2010 年将能达到 (SIA)预测 18 吋晶圆和 0.070.05 微米的工艺 吋晶圆和 0.07 微米的工艺. 18 吋晶圆和 0.070.05 微米的工艺.在未来十 年时间里,集成电路的技术还将继续遵循 Moore 年时间里,集成电路的技术还将继续遵循 Moore 定律得到进一步的发展集成电路的发展趋势光子计算机 光能够像电一样来传

14、递 信息,甚至效果更好. 信息,甚至效果更好.而 且,更重要的一个特点在 于它不会和周围环境发生 相互干扰的作用. 相互干扰的作用.因为当 电子计算机芯片越来越趋 向于 0.18m 0.18m 时 向于 0.18m 时,就会产生 很多的问题,而光子计算机 很多的问题, 就可以避免. 就可以避免.集成电路的发展趋势量子计算机 是运用量子力学来设计的, 量子力学来设计的 这是运用量子力学来设计的, 它们的特点是其潜在的运算速度将 更大于电子计算机.从理论上说, 更大于电子计算机.从理论上说, 它们的速度提高可以说是没有止境 的,因为量子计算技术可以在同一 时间内执行各种操作, 时间内执行各种操作,

15、同时有足够 的能力来完成现在电子计算机还很 难完成的任务, 难完成的任务,比如说完成密码的 破译和语音的识别等等.因此, 破译和语音的识别等等.因此,欧 洲已经成立了量子计算机研究所, 洲已经成立了量子计算机研究所, 现在估计, 现在估计,量子计算机可能会在今 后的十五年左右出现. 后的十五年左右出现.图为一种可瞬间进 行图像数据计算的 光电计算机集成电路的发展趋势分子计算机 现在已经开发出来一种能 够由氮气和二氯化碳来开动和 闭关的分子计算机, 闭关的分子计算机,这种超高 速的微型计算机离现实已经很 近了. 近了.这种技术将会导致只需 要利用立体和光线就能够产生 新的, 新的,甚至能够思考的

16、计算机 来解决目前晶体管的物理局限, 来解决目前晶体管的物理局限, 使得未来的计算机的功能大大 的增加,尺寸大大的缩小. 的增加,尺寸大大的缩小.集成电路的发展趋势生物计算机 实际上就是随着生物技术的发展, 实际上就是随着生物技术的发展,人们将模仿人的 大脑制造一种用基因学的机制来开发的新一代计算机. 基因学的机制来开发的新一代计算机 大脑制造一种用基因学的机制来开发的新一代计算机. 现在生物计算机的模型已经出来. 现在生物计算机的模型已经出来.以色列的科学家 制造了一个有可能会比单个活细胞还要小的计算机的模 型.这么微小的计算机也可能将在我们的体内漫游,监 这么微小的计算机也可能将在我们的体

17、内漫游, 视我们的健康. 视我们的健康.也许会纠正它所发 现人体内哪个地方脂肪的堆积, 现人体内哪个地方脂肪的堆积,帮 助解决问题. 助解决问题.其实每一个细胞实际 上都是一个复杂的生物机件, 上都是一个复杂的生物机件,一个 系统.用这么一种仿生技术来制造 系统. 生物计算机. 生物计算机.1.2 通信技术1.2.1 概述 概述通信: 各种信息的传递 通信:现代通信:使用电波或光波双向传递信息的 现代通信: 技术(电信) 技术(电信)通信三要素: 通信三要素: 信源(信息的发送者) 信源(信息的发送者) 信宿(信息的接收者) 信宿(信息的接收者) 信道( 信道(信息的载体与 传播媒介) 传播媒

18、介) 通信系统模型: 通信系统模型:通信线路 信道 信源 产生和发送信 息的一端 信宿 接收信息 的一端噪声 外界的干扰编码器 复用 信源 (宿) (解码器) (分路) 解码器) 分路)信道复用 编码器 信源 分路) 解码器) (分路) (解码器) (宿)通信系统(也称电信网)组成: 通信系统(也称电信网)组成: 电信网 终端设备(例如:电话机) 终端设备(例如:电话机) 传输设备(例如:电话线) 传输设备(例如:电话线) 交换设备(例如:程控交换机) 交换设备(例如:程控交换机)通信系统(电信网) 通信系统(电信网)分类按业务种类:电话网,电报网,数据通信网, 业务种类:电话网,电报网,数据

19、通信网, 传真通信网, 传真通信网,图像通信网等 服务区域范围:本地电信网,农村电信网, 按服务区域范围:本地电信网,农村电信网, 长途电信网,移动通信网,国际电信网等 长途电信网,移动通信网, 按信息信号形式:模拟通信网,数字通信网, 信息信号形式:模拟通信网,数字通信网, 数字模拟混合网等 按传输媒体分类 传输媒体分类按传输媒体分类: 传输媒体分类: 分类 电缆通信网 光缆通信网 短波通信网 微波通信网 卫星通信网 低轨道卫星移动通信网1.2 .2 数据通信基本原理及有关的基本概念 数据通信基本原理及有关的基本概念 信道 调制解调(编码器:调制,解码器:解调) 调制解调(编码器:调制,解码

20、器:解调) 多路复用(主干信道) 多路复用(主干信道) 交换信源 编码器 复用 复用 编码器 信源 信道 (宿) (解码器) (分路) 解码器) 分路) (分路) (解码器) (宿) 分路) 解码器)信道的基本概念 信道的基本概念信道的定义: 信道的定义: 媒体. 向某个方向传输信息的媒体 向某个方向传输信息的媒体. 发送信道和 一条通信线路通常包含一个发送信道 一条通信线路通常包含一个发送信道和 一个接收信道 接收信道. 一个接收信道.信道的种类按传输的信号类型可将信道分为: 传输的信号类型可将信道分为 可将信道分为: 模拟信道:传输连续的模拟信号的信道 模拟信道 信道: 特点:频带窄,信道

21、利用率高; 特点:频带窄,信道利用率高;受噪声干扰大 例如:传输语音信号的架空明线,双绞线, 例如:传输语音信号的架空明线,双绞线,传输广 播电视信号的宽带同轴电缆 数字信道:传输离散的数字信号 数字信道 信道: 特点:信号不失真,准确性高; 特点:信号不失真,准确性高;数字设备可大规模 集成,价格便宜;易于加密;要求频带宽, 集成,价格便宜;易于加密;要求频带宽,信道利 用率低 例如: 例如:传输计算机通信所用的信号的基带 同轴电缆, 同轴电缆,光缆等 按信号的传输媒体分类: 信号的传输媒体分类 分类: 有线信道:电缆,光缆 有线信道:电缆, 无线信道:自由空间 无线信道:2. 调制解调调制

22、解调基本概念调制(Modulation) 调制(Modulation) 将基带数字信号的波形变换为适合于模拟信道传 输的模拟信号波形. 数字信号转换成模拟信号) 信号转换成模拟信号 输的模拟信号波形.(将数字信号转换成模拟信号) 解调(Demodulation) 解调(Demodulation) 将由调制器变换过的模拟信号波形恢复成原来的 基带数字信号波形. 模拟信号转换成数字信号 信号转换成数字信号) 基带数字信号波形.(将模拟信号转换成数字信号) 基本调制方法: 基本调制方法: 调幅,调频, 调幅,调频,调相3. 多路复用多路复用 为了提高线路利用率, 为了提高线路利用率,总是设法在一条传

23、输 线路上,传输多个模拟信号(例如,话路信息) 线路上,传输多个模拟信号(例如,话路信息) 或数字信号,这就是多路复用. 或数字信号,这就是多路复用. 多路复用技术通常有: 多路复用技术通常有 通常有: 频分复用,时分复用,码分复用, 频分复用,时分复用,码分复用,波分复用终端 终端 终端 终端 多路复用器 多路复用器信道终端 终端 终端 终端多路复用基本概念 多路复用基本概念频分多路复用 频分多路复用 将传输线路的频带分成 部分 将传输线路的频带分成 N 部分,每一个 频带分成 部分, 部分均可作为一个独立的传输信道使用. 部分均可作为一个独立的传输信道使用.这 样在一对传输线路上可有 N

24、对话路信息传送 对话路信息传送, 样在一对传输线路上可有 对话路信息传送, 而每一对话路所占用的只是其中的一个频段. 而每一对话路所占用的只是其中的一个频段. 载波通信, 频分制通信又称载波通信 频分制通信又称载波通信,它是模拟通 信的主要手段.时分多路复用 时分多路复用 把一个传输通道进行时间分割以传送若干话 把一个传输通道进行时间分割以传送若干话 时间分割 路的信息. 路的信息.把 N 个话路设备接到一条公共的通道 个话路设备接到一条公共的通道 上,按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使 用通道的时间.当轮到某个设备时, 用通道的时间.当轮到某个设备时,这个设备与 通道接通,执行操作.与此

25、同时, 通道接通,执行操作.与此同时,其它设备与通 道的联系均被切断.待指定的使用时间间隔一到, 道的联系均被切断.待指定的使用时间间隔一到, 则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要 连接的设备上去.时分制通信也称时间分割通信 时间分割通信, 连接的设备上去.时分制通信也称时间分割通信, 它是数字电话多路通信的主要方法,因而 PCM 它是数字电话多路通信的主要方法,因而 (脉冲编码调制 通信常称为时分多路通信. 脉冲编码调制)通信常称为时分多路通信. 脉冲编码调制 通信常称为时分多路通信码分多路复用 码分多路复用 用于无线移动通信.所有移动站点( 用于无线移动通信.所有移动站点(例如手 在

26、整个频段上进行传输, 机)在整个频段上进行传输,多路信号同时传输 时采用不同的编码原理加以区分. 不同的编码原理加以区分 时采用不同的编码原理加以区分. 例如,每个站点有一个唯一的 m 例如,每个站点有一个唯一的 m 位代码 芯片序列),当需要发送比特 1 ),当需要发送比特 (芯片序列),当需要发送比特 1 时,站点发送 其芯片序列;当需要发送比特 0 其芯片序列;当需要发送比特 0 时,站点发送其 芯片序列的补码. 芯片序列的补码.信道使用的鸡尾酒会原理 信道使用的鸡尾酒会原理在一个大房间里(一个信道),有许多对人在交谈 在一个大房间里(一个信道),有许多对人在交谈 ), 多路信号传输):

27、 (多路信号传输): 时分复用 不同对的人轮流交谈,一对交谈结束后 不同对的人轮流交谈, 时分复用 另一对再接上. 另一对再接上. 频分复用 不同对的人分成不同的组,每组独立占 不同对的人分成不同的组, 频分复用 用房间内的一小块区域, 用房间内的一小块区域,各组人同时进 行自己的交谈,互不干扰. 行自己的交谈,互不干扰. 码分复用不同对的人分别用不同语言进行交谈, 不同对的人分别用不同语言进行交谈, 码分复用 不同对的人分别用不同语言进行交谈 其它语言只当作噪音不予理会. 其它语言只当作噪音不予理会.波分多路复用 在单一光纤内同步传输多个不同波长的光 在单一光纤内同步传输多个不同波长的光 不

28、同波长 波,使得数据传输速度和容量获得倍增3. 交换技术交换: 交换: 在广域网的情况下,网络节点是部分连接, 在广域网的情况下,网络节点是部分连接, 没有直接互联的节点间的通信,必须经过中转节 没有直接互联的节点间的通信,必须经过中转节 点的转换才能实现 才能实现. 点的转换才能实现.这种由中转节点参与的通信 和电话系统中两个电话用户间的通话必须经由电 交换. 话交换机的现象类似,也称为交换 话交换机的现象类似,也称为交换.中转的节点 称为交换节点 交换节点. 称为交换节点. 交换技术能为需要通信的计算机建立一个临 交换技术能为需要通信的计算机建立一个临 的通信链路,通信结束后再拆除链路.

29、时的通信链路,通信结束后再拆除链路.交换技术有: 交换技术有:电路交换与分组交换电路交换(线路交换) 电路交换(线路交换) 为发送端和接收端建立一条临时的实际物理通 为发送端和接收端建立一条临时的实际物理通 供通信双方使用,通信完毕后, 道,供通信双方使用,通信完毕后,交换机内的 连线被拆除. 连线被拆除. 例如: 例如:电话交换机 优点:交换方式简单,适合远距离成批数据传输, 优点:交换方式简单,适合远距离成批数据传输, 建立一次连接可传送大量数据. 建立一次连接可传送大量数据. 缺点:线路利用率低, 缺点:线路利用率低,通信成本高分组交换(包交换) 分组交换(包交换)把需要传输的数据块分割

30、成若干小块, 把需要传输的数据块分割成若干小块,然后为每个小 块数据加上有关的地址信息及分组信息,组成一个数据包 块数据加上有关的地址信息及分组信息,组成一个数据包 也称为“分组“).数据包的长度通常为几十到几百个 (也称为“分组“).数据包的长度通常为几十到几百个 字节. 字节.这些数据包按照类似于流水线的方式在网络中经过 缓冲,转发而到达目的地. 缓冲,转发而到达目的地.通信网络中每个结点为其相连 的每条链路准备了一个缓冲区, 的每条链路准备了一个缓冲区,每个数据包按照去向不同 送入各个缓冲区排队,当某一条链路空闲时, 送入各个缓冲区排队,当某一条链路空闲时,就从相应的 缓冲区中取出一个数

31、据包发送到下一结点, 缓冲区中取出一个数据包发送到下一结点,下一结点再进 行转发,直至数据包到达接收端. 行转发,直至数据包到达接收端.接收端的计算机按照数 据包的编号,将它们重新组装成为原来形式的数据块. 据包的编号,将它们重新组装成为原来形式的数据块. 优点:线路利用率高;收发双方不需同时工作, 优点:线路利用率高;收发双方不需同时工作,当接 收方忙碌时,整个网络都可以作为它的缓冲; 收方忙碌时,整个网络都可以作为它的缓冲;可以给数据 包建立优先级,使得一些重要应用的数据包能优先传递. 包建立优先级,使得一些重要应用的数据包能优先传递. 缺点:延时长,不宜用于实时通信或交互通信. 缺点:延

32、时长,不宜用于实时通信或交互通信.1.2.3 几种通信系统 几种通信系统 有线载波通信 光纤通信 微波通信 卫星通信 移动通信1.有线载波通信 有线载波通信有线载波通信:主要传输电话,电报,传真,数 有线载波通信:主要传输电话,电报,传真, 有线载波通信 也可传输广播,可视电话, 据,也可传输广播,可视电话,电视节目 依据所用的传输介质,有线载波通信可分为: 依据所用的传输介质 依据所用的传输介质,有线载波通信可分为: 明线 载波系统 (常见应用: 电话系统 , 传输模拟信 明线载波系统 常见应用 电话系统, 常见应用:(架空明线) 架空明线) 对称电缆载波系统 常见应用 对称电缆载波系统 常

33、见应用: 电 话 系 统 ( 模 载波系统( 拟信号)与局域网(数字信号) 双绞线) 拟信号)与局域网(数字信号) (双绞线) 同轴电缆载波系统 常见应用:有线电视系统 模 同轴电缆载波系统 常见应用:有线电视系统(模 载波系统( 拟信号)与局域网 数字信号) 与局域网(数字信号 同轴电缆) 拟信号 与局域网 数字信号 (同轴电缆) 号(例如,话音) 例如,话音)2.光纤通信 光纤通信传输介质:光纤(光缆) 传输介质:光纤(光缆) 传输的信号:光信号(数字信号,有光脉冲相 传输的信号:光信号(数字信号, 当于 1,无光脉冲相当于 0) 当于 ,无光脉冲相当于 ) 传输速率:1 Gb/s 以上

34、传输速率:包层纤芯 光纤的构成光波在纤芯中的传输原理 光波在纤芯中的传输原理 当光线的入射角足够大时, 当光线的入射角足够大时, 就会出现全反射,重复此过程, 就会出现全反射,重复此过程, 光就沿着光纤传播下去. 光就沿着光纤传播下去. 光纤种类 光纤种类 多模: 多模:纤芯直径为 50 或 62.5m ,可以存在许多 条入射角不同的光线, 条入射角不同的光线,各自以不同的反射角全反射传播 下去( 每一个光线有一个不同的模式). 下去(即:每一个光线有一个不同的模式). 单模: 单模:纤芯直径为 810 m(一个光波波长), (一个光波波长), 光线不出现反射, 衰耗小, 光线不出现反射,直接

35、向前传输 . 衰耗小,在 2.5 Gb/s 的高速率下传输数十公里而不必采用中继器. 的高速率下传输数十公里而不必采用中继器.光线 光波在光纤中的传播光纤通信系统信 信 息 调 制 器 发 信 电 路 激 励 电 路 光 放 大 电 路 信 收 信 电 路 解 调 器 信 息光光光纤通信优点 传输频带非常宽,通信容量大 传输频带非常宽, 抗雷电和电磁干扰,抗辐射能力强 抗雷电和电磁干扰, 无串音干扰 , 保密性强 , 不易被窃听 无串音干扰, 保密性强, 或截取数据 传输损耗小,通讯距离长 传输损耗小, 数据速率为 420Mbps,距离为 数据速率为 , 距离为 119km, , 无中继器时,

36、误码率为 10 无中继器时,误码率为 -8 重量轻,便于运输和铺设 重量轻, 光纤通信缺点 精确连接两根光纤比较困难光纤通信的瓶颈之一是光信号的传输距离.焦点在“信号放大“. 光纤通信的瓶颈之一是光信号的传输距离.焦点在“信号放大“ 普通光纤网络中的信息在传输时每隔 200km500km间需加入 普通光纤网络中的信息在传输时每隔 200km500km 间需加入 200km 电放大器,将光信号还原成电信号进行放大,然后再转换成 电放大器,将光信号还原成电信号进行放大, 光信号继续传输.这不仅增加成本,还使进一步提高带宽变 光信号继续传输.这不仅增加成本,还使进一步提高带宽变 进一步提高 得越来越

37、困难,超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/ 得越来越困难,超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/ 电和电/光转换所抵消 电和电/光转换所抵消.全光网 All Optical Network :光信息流在通 全光网(All Network)信网络中的传输及交换时始终以光的形式 始终以光的形式存在,不需要经过 始终以光的形式 光/电,电/光转换. 全光网技术是光纤通讯领域的前沿技术, 是 21 世纪真正的高速公路.7.2.4 无线通信系统无线通信原理 无线通信原理 利用电磁波可以电磁波的种类与频率范围: 电磁波的种类与频率范围:无线电波: 无线电波:104 108 (Hz) 在 空 间 自

38、由 传 播 的 特 微波: 微波: 108 1011 (Hz) 红外线: 1011 1014 (Hz) 性 , 通 过 调 节 电 磁 波 红外线: 可见光: 可见光: 1014 (Hz) 的 振 幅 , 频 率 或 相 位 紫外线: 1014 1016 (Hz) 紫外线: X 射线: 1016 1022 (Hz) 射线: 实现远距离传输信息 . 射线 伽玛射线: 伽玛射线 1022 1024 (Hz)1.微波通信 微波通信 无线电波按频率 或波长) 可分成中波, 按频率( 无线电波 按频率 ( 或波长 ) 可分成中波 , 短 超短波和微波. 波,超短波和微波. 微波:一种具有较高频率 300

39、MHz 300GHz) 较高频率( MHz 微波:一种具有较高频率(300MHz300GHz) 的电磁波.波长很短,通常为 1 米至 1 毫米. 的电磁波.波长很短,通常为 1 米至 1 毫米. 微波通信是众多无线通信形式中的一种. 微波通信是众多无线通信形式中的一种.微波通信方式 :地面微波接力通信通信卫星 对流层 不均匀体 卫星通信 对流层散射通信地面微波接力通信 如终端站 A,通过地面中继 ,通过地面中继 , , , , 站 C,D,E, F,与另一终端站 B 进行通 中继站之间的距离大致与塔高平方成正比. 信.中继站之间的距离大致与塔高平方成正比. 一般为 50 公里左右. 一般为 公

40、里左右. 公里左右 经通信卫星( 卫星通信 地球站 G 经通信卫星(空中微波中继 进行通信. 站)与另一地球站 H 进行通信.是微波接力 通信向太空的延伸. 通信向太空的延伸. 终端站 X 发出的微波信号经对 对流层散射通信 终端站 发出的微波信号经对 流层散射传到另一终端站 Y 进行通信 散射传到另一终端站 进行通信. 流层散射传到另一终端站 进行通信.微波通信优点 : 容量大 可靠性高 建设费用低 抗灾能力强2.卫星通信 卫星通信人造地球卫星作为中继站转发无线电 利用人造地球卫星 利用人造地球卫星作为中继站转发无线电 信号,实现两或多个地球站之间的通信. 信号,实现两或多个地球站之间的通信

41、. 是微波接力通信技术与空间技术相结合的 产物. 产物.通信卫星工作原理 从地面站 1 发出的无 从地面站 发出的无 线电信号, 线电信号 , 被卫星通信 天线接收后, 天线接收后 , 首先在通 信转发器中进行放大 放大, 信转发器中进行 放大 , 变频和功率放大 和功率放大, 变频 和功率放大 , 然后 由卫星的通信天线把放 大后的信号重新发向地 面站 2, 面站 ,从而实现两个地 面站或多个地面站的远 距离通信. 距离通信.通信卫星地 球 地面站 1 地面站 2同步轨道 卫星(地球同步 同步轨道 卫星)赤道上方高度为 36 000 公 里的地方, 里的地方,卫星的运行周期与 地球自转一圈的

42、周期相同,因 地球自转一圈的周期相同, 此在地面上看这种卫星好似静 止不动 .三颗同步定点轨道 卫星就可以覆盖地球的几乎全 部面积, 部面积,可以进行二十四小时 的全天候通信. 的全天候通信. 卫星 天空中最多只能有 180 颗 天空中最多只能有 180 颗 只能有 180 地球同步通信卫星. 地球同步通信卫星.卫星35800 公里地球卫星中,低轨道卫星 中 低轨道卫星 运行周期小于地球自转一圈的周期 因此相 地球自转一圈的周期, 运行周期小于地球自转一圈的周期,因此相 对于地面是运动 运动的 卫星天线覆盖的区域小, 对于地面是运动的,卫星天线覆盖的区域小, 地面天线必须随时跟踪卫星. 地面天

43、线必须随时跟踪卫星. 优点: 优点:高度仅是同步轨道的二十分之一至 八十分之一,路径损耗低, 八十分之一,路径损耗低,传播时延时大大缩 短,对于手执通信终端和话音通信非常有利. 对于手执通信终端和话音通信非常有利. 例如,摩托罗拉公司的一项计划:发射 66 例如,摩托罗拉公司的一项计划:发射 66 颗低轨道卫星(高度 750km 覆盖整个地球, 750km) 颗低轨道卫星(高度 750km)覆盖整个地球,利 用直接与卫星通信的手持设备实现世界范围内 的电信服务. 的电信服务.卫星通信特点 : 优点: 通信距离远, 频带宽, 容量大, 优点 : 通信距离远 , 频带宽 , 容量大 , 抗干扰强,

44、通信稳定. 干扰强,通信稳定. 缺点: 造价高 ( 卫星本身 , 发射卫星的火 缺点 : 造价高( 卫星本身, 技术复杂,通信天线口径大, 箭 ) , 技术复杂 , 通信天线口径大 , 有较大延 时,同步轨道卫星数目有限. 同步轨道卫星数目有限.7.3.5 移动通信移动通信 移动通信 处于移动状态的对象之间的通信, 处于移动状态的对象之间的通信,包括寻 呼系统,蜂窝移动电话(俗称手机) 呼系统,蜂窝移动电话(俗称手机),集群调 度,无绳电话和卫星系统. 无绳电话和卫星系统.蜂窝移动通信系统组成: 蜂窝移动通信系统组成: 移动台,基站, 移动台,基站,移动电话交换中心移动电话网基站的有效区域移动

45、台:是移动的通信终端,它是接收无线信 移动台:是移动的通信终端, 号的接收机,包括手机,呼机,无绳电话等. 号的接收机,包括手机,呼机,无绳电话等. 基站:是与移动台联系的一个固定收发机,它 基站:是与移动台联系的一个固定收发机, 接收移动台的无线信号, 接收移动台的无线信号,每个基站负责与一个 特定区域( 20km 的区域 的区域) 特定区域(10km 20km 的区域)的所有的移 动台进行通信. 动台进行通信. 移动交换中心:与基站之间通过无线微波,电 移动交换中心:与基站之间通过无线微波, 缆或光缆交换信息, 缆或光缆交换信息,移动交换中心再与公共电 话网进行连接. 话网进行连接. 每个

46、基站的有效区域既相互分割,又彼此有所 每个基站的有效区域既相互分割, 交叠,整个移动通信网就像是蜂窝, 交叠,整个移动通信网就像是蜂窝,所以也称 蜂窝式移动通信“. 为“蜂窝式移动通信地理上每 10km 20km 的区域(单元, km 的区域 地理上每 10km 20km 的区域(单元,形 10 似蜂窝)内的中央有一个基站, 似蜂窝 ) 内的中央有一个基站 , 该单元内所 有移动电话都向其基站发送信号. 有移动电话都向其基站发送信号 . 所有基站 都通过微波或电缆, 都通过微波或电缆 , 光缆与一个移动交换中 心通信. 心通信 . 每个移动电话每一时刻处于一个特 定单元,即在该单元的基站控制之

47、下. 定单元,即在该单元的基站控制之下. 每个单元使用一套信号传送频率, 每个单元使用一套信号传送频率 , 每个 通话使用两个频率(双向传输) 通话使用两个频率 ( 双向传输 ) , 不同的通 话使用不同的频率. 话使用不同的频率.相邻单元不允许使用相同的频率, 相邻单元不允许使用相同的频率,但允许 重用附近(不相邻)单元的频率.因此, 重用附近(不相邻)单元的频率.因此,在 100 个相邻的 10km 单元的地域内, 10km 单元的地域内 个相邻的 10km 单元的地域内,每个频率上可以 有 510个通话. 10 个通话. 10 个通话蜂窝移动通信的发展 第一代:传输模拟信号,使用频段 8

48、00/900MHz 第一代:传输模拟信号,使用频段 800/900MHz 模拟信号 800 900MHz 第 二 代 : 传 输 数 字 信 号 , 使 用 频 段 900MHz 1800MHz 1800MHz 标准如下: 标准如下 : GSM(欧洲全数字移动通信系统, GSM(欧洲全数字移动通信系统,全球可移动 通信系统,全球通) 通信系统,全球通) IS-54(美国移动通信系统, IS-54(美国移动通信系统,数字系统并兼容 模拟系统) 模拟系统) JDC(日本移动通信系统, JDC(日本移动通信系统,数字系统并兼容模 拟系统) 拟系统) 第三代:使用频段 2 第三代:使用频段 2GHz第

49、二代数字蜂窝无线电通信系统的 信道分配方 第二代数字蜂窝无线电通信系统的信道分配方 第二代数字蜂窝无线电通信系统的 案:9.6 或 57kbps 57kbps GSM全球可移动通信系统 全球可移动通信系统 GSM每个蜂窝有 200 多个全双工信道 124 个下行频率信 每个蜂窝有 200 多个全双工信道(124 个下行频率信 200 多个全双工信道( 道和 124 个上行频率信道 , 每个信道 采用 时分复用技术 采用时分复用技术 道和 124 个上行频率信道 每个信道采用 124 个上行频率信道, 支持 8 个独立连接,理论上每个蜂窝支持 992 992 个全双工信 支持 8 个独立连接,理论上每个蜂窝支持 992 个全双工信 道,实际上许多信道不能使用) 实际上许多信道不能使用)第三代移动通信 第三代移动通信IMT-2000(2Mbps, ( , 384kbps,114kbps) , ) 意指在 2000 年左右开始商用并工作在 年左右开始商用并工作在 2000 意指在 年左右开始商用并工作在 MH