1、通信基本原理,通信系统的组成 通信系统的分类和通信方式 信道 通信的主要技术指标 调制和解调技术 复用技术 多址技术 交换技术,通信的概念,通信：利用电压、电流或电磁波参数(如振幅、频率或相位)的变化来传递信息。广义的通信：两个单元的信息交换。数据通信：简单的说是以电子计算机为中心，实现数字计算机或数字终端之间的通信。,信息 、数据和信号-1,(1)信息（Information）是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。 (2)数据（Data）一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。狭义的“数据”通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象
2、数据、测量数据及计算机中区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系统中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。 (3)信号（Signal）简单地讲就是携带信息的传输介质。在通信系统中我们常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质。,信息 、数据和信号-2,雪 六角形 凉 白色,信息,数据,信号,信息 、数据和信号-3,信息：人对雪花和马的认识数据：文字，二进制数，十进制数信号：光，电，磁场强度,通信系统模型-1,信息源,发送设备,信道,接收设备,收信者,噪声源,（发送端）,（接收端）,通信系统模
3、型-2,噪声,通信系统模型-3,模拟信号与数字信号,两种不同类型的量：,A. 时间、温度、电波、声音,B. 字符，二进制数，电脉冲,信号中没有断开或不连续的的地方；,信号仅取一些有限数目的值；,模拟信号与数字信号的特点,模拟信号：连续性；波动性；数字信号：离散性； 跃变性；,（A）模拟信号 （B）数字信号,电报与电话,1844年，莫尔斯（Morse）发明电报（数字通信） 1876年，贝尔（Bell）发明电话（模拟通信）,模拟通信与数字通信,数据传输：,模拟通信系统模型,模拟通信系统模型,模拟 信息源,调制器,信道,解调器,收信者,噪声源,数字通信的优点,数字通信抗干扰能力强 数字通讯差错可以控
4、制 便于使用现代DSP技术对数字信息进行处理 便于进行高保密性的加密处理 可以综合传递各种信息缺点：占用的信道频带宽,数字通信中的突出问题,可以进行差错控制（抗干扰编码） 可以进行加密 需要进行同步（位同步/码元同步，字符同步，帧同步）,数字通信系统模型（a）,数字通信系统模型（a）,信息源：产生和发出消息的人或机器 受信者：接收消息的人或机器 信源编码器：将信息源送出的模拟信号或数字信号转换为合乎要求的数码序列 信道编码器：给数码序列按一定规则加入监督码 调制器：将信道编码器输出的码元转换为适于信道上传送的调制信号后再送往信道 解调器：将收到的调制信号转换为码元序列 信道：传送信号的媒质 信
5、道译码器：对收到的数码序列进行检错或纠错译码 信源译码器：把信道译码器处理后的数字序列转换为相应的信号送给受信者 同步系统：保证收发两端步调一致，协调工作。,数字通信系统模型（b）,信息源,基带信号 形成器,信道,接收 滤波器,受信者,噪声源,数据编码技术研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换） 数字数据的数字传输（基带传输）基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带。基带传输：在传输时直接使用基带信号。基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。适用范围：低速和高速的各种情况。限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定
6、的要求。,数据的编码-1,数据的编码-2,常用的几种编码方式：1）不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero） 原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，例如用低电平表示“0”，高电平表示“1”。 缺点： a 难以分辨一位的结束和另一位的开始；b 发送方和接收方必须有时钟同步；c 若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。 结论：容易产生传播错误。2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。,数
7、据的编码-3,3）差分曼彻斯特码（Differential Manchester）原理：每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”，表示数据。每一位中间都有一个跳变，表示时钟。优点：时钟、数据分离，便于提取。4）逢“1”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。5）逢“0”变化的NRZ码原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。,NRZ,曼彻斯特,差分曼彻斯特,逢“1”变化NRZ,逢“0”变化NRZ,数据的编码（图）,通信系统的分类,按信息的物理特征分类 按调制方式分类 按信号特征分类 按传输媒介分类 按信号复用方式分类,通信系统的工作方式-1,
8、按消息传送的方向与时间关系： 1、单工通信：消息只能按一个方向传送。 2、半双工通信：消息可以双向传输，但不能同时进行，只能交替进行。 3、全双工通信：通信双方可同时进行双向传送消息。,通信系统的工作方式-2,串行通信与并行通信,按照数字信号码元排列方法的不同：串行通信：数据各位是按照时间顺序一位一位依次传送的 并行通信：数据各位是同时传送的,串行通信方式示意图,并行通信方式示意图,有线和无线信道,信道是信号的传输媒质。电信系统是利用电磁波来传递电信号的。 电磁波的传播有两种方式： 一种是沿导体传播，传播效率较高；另一种是在自由空间传播，效率较低。信道可分为有线信道和无线信道两类。,有线信道,
9、有线信道包括：架空明线、对称电缆、同轴电缆、光缆等除了传输媒体(导线)外，每隔一定的距离，还要设置中继器或增音器等放大设备。,无线信道,为使传播距离更远，一般频率较高，需要发射机、接收机、天线组成无线信道。 根据波长分类：长波、中波、短波、微波。 长波用于特种通信，如海上通信 中短波用于广播、电视等 短波频率3MHz30MHz，可在电离层反射，但受自然影响较大 微波频率300MHz， 用于卫星通信、微波中继系统 传播方式有：地波传播、电离层反射、对流层散射等。,通常，信道可有两种理解： 一种是指信号的传输媒质，如架空明线、同轴电缆、超短波及微波视距传输（包括人造卫星中断）路径、短波电离层反射路
10、径、超短波及微波对流层散射路径以及光导纤维等，此类型信道为狭义信道。 另一种是将传输媒介和各种信号形式的转换、耦合等设备都归纳在一起（如发送设备、接收设备、馈线与天线、调制器、解调器等），称这种扩大范围的信道为广义信道。两种信道的区别和联系如下图所示。,狭义信道和广义信道,调制信道和编码信道,信息源,编码器,调制器,发转换器,媒质,解调器,译码器,受信者,收转换器,狭义信道,调制信道,编码信道,信道的多种分类,1按传输媒介分： （1）有线信道。（2）无线信道。 2按信息传递方向与时间关系分： （1）单工信道。（2）半双工信道。（3）全双工信道。 3按信号的类型来分： （1）模拟信道。（2）数字
11、信道。,各种信道简介,明线 双绞线 同轴电缆 光纤 无线电短波通信 地面微波接力通信 卫星通信 VSAT卫星通信 红外线和激光,明线,架空明线：平行而相互绝缘的架空裸线 特点：敷设简单,成本低，传输损耗比电缆低。但是容易受气候和大气的影响，对外界噪声干扰比较敏感。 适合：低速和近距离传送,双绞线-1,(a) Category 3 UTP.(b) Category 5 UTP.,非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair） 屏蔽双绞线 传输损耗比明线大，但传输特性稳定,双绞线-2,下表是非屏蔽双绞线（UTP）电缆的常见类型。 10BaseT局域网中主要使用3类和5类线，它
12、们的有效传输距离一般在100m左右。,双绞线-3,10/100 M 双绞线 Ethernet 接口,同轴电缆-1,典型的同轴电缆（Coaxial Cable）由一根内导体铜质芯线外加绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成，其结构如图2-11所示。,下表是网络工程施工中常常用到的一些IEEE802.3 10BaseT系列网络电缆。,同轴电缆-2,现有的电力通信线路（即信道）主要有四种：（1）双绞线或电缆 （2）远动与载波电话复用电力线载波信道。 （3）无线信道，如微波视距中继和卫星通信。 （4）光纤信道。,电力系统通信常用的信道,数字通讯系统性能指标-码制,二元码制与多元码
13、制二元码制的一位码元可表示两种状态N元码制的一位码元可表示N种状态 一位N元码用二元码表示时需要n位，则2nN，即nlog2N,传输速率-1,波特率和比特速率 码元传输速率：每秒传送的码元数目，单位是“波特”，用“B”表示。也称为码元速率/传码率/波特率(Baudrate)。 信息传输速率：每秒传送的信息量，单位是“比特/秒”，记为bps。也称信息速率/传信率。,传输速率-2,信息论中，消息中所包含的信息量为： I = logaN(bit) 当a = 2时，I单位为bit 在N元制码中，每一消息(位)所含的信息量为： I=log2N(bit) 当码元速率为RBN(Bd)时，其信息速率为Rb =
14、 RBN log2N,差错率,误码率：错误接收的码元数/传送总码元数 实用的通讯系统的误码率都很低。误信率（误比特率）：错误接收的信息量/传送的信息总量,调制和解调技术,调制和解调的概念,调制：按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波某些参数。解调：即采用调制技术方法的逆变换。,基带信号和频带信号,基带信号：发送端未经调制，或在接收端已经解调的信号。频带信号：经过连续波调制的信号。 频带信号的特点为信号的频谱分量主要集中在载波频率附近的频带内，又称“带通信号”。 如果其有效频带宽度远小于载波的中心频率，则又称“窄带信号”。,调制用的载波,载波可分两大类：正弦型高频信号作为载波脉冲串或一组数字
15、信号作为载波常见的模拟/数字变换可以看成是一种用脉冲串作为载波的数字调制，又称脉冲编码调制(PCM)。,调制的作用,原始信号（基带信号）在许多信道中不适宜直接进行传输。 通过调制，可以进行频谱搬移，把基带信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将基带信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号。 调制对系统的传输有效性和可靠性有很大影响。,模拟调制和数字调制,模拟调制：用连续的模拟基带信号对载波进行调制 数字调制：用离散的数字基带信号对载波进行调制。 数字调制中的波形参数是离散变化的，其已调信号又称键控信号。,模拟调制的种类,振幅调制：载波的振幅随基带信号而改变调幅(AM) 频率调制：载波
16、的频率随基带信号而改变调频(FM) 相位调制：载波的相位随基带信号而改变调相(PM),数字调制的种类,根据载波 Asin(t + )的三个特性：幅度、频率、相位。通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码。最基本的数字数据模拟信号调制方式有以下三种： （1）移幅键控方式（ASK，Amplitude-Shift Keying） （2）移频键控方式（FSK，Frequency-Shift Keying） （3）移相键控方式（PSK，Phase-Shift Keying）,数字调制的种类（图）,信号ASKFSKPSK,数字调制的种类及特点, 幅度调制：用不同的幅值
17、分别代表0和1。易受突变干扰的影响，通常只用于低速数据传输。 频率调制：用不同频率分别代表0和1。抗干扰能力较强，频率利用率不高 相位调制：用载波的相位变化分别代表0和1。抗干扰能力好，数据速率也较高。,ASK信号的调制框图,FSK信号的调制原理,数字频率调制又称频移键控（FSK），它的基本原理是利用载波振荡的频率变化来传递数字信息。 这里所说的频率变化不是连续的，而是离散的。数字频率调制是在数字通信中使用比较早的一种调制方式式。 实现数字频率调制的方法一般有二种：一种称为频率键控法，另一种称为直接调频法。,PSK信号的调制原理,用所要传递的数字基带信号来控制载波的相位变化，这种调制方式称为数
18、字调相或移相键控（PSK）。 在数字调相中，数字基带信号的码元取值为有限数种，因而在其已调波中表征信息的相位变化也只有有限种离散取值。对二进制数字相位调制（2PSK），用同一载波的二种不同相位（0相和相）来传输数字“1”和“0” 。,PSK信号的分类,（1）绝对移相键控信号：以载波的相位为基准，用一种固定的相位代表一种数字信号，而载波的频率和振幅不变。 缺点：容易出现“倒相”现象。（2）相对移相键控信号：以前一码元的相位为基准，利用前后相邻码元的相对载波相位差，来判断是码元“0”或“1”。,PSK 和DPSK波形,模拟信号的数字传输,模拟 信息源,A/D转换,数字通信 系统,D/A转换,模拟
19、信号,抽样/ 量化/编码,译码/ 低通滤波,解决模拟信号数字化问题，常用的是脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）。,抽样定理,抽样定理：一个频带限制在（0, fH）的时间连续信号m(t)，如果以T1/2fH的间隔对它进行等间隔抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。 信号中最高频率分量在一个周期内至少应抽样两次。常用的PCM技术：将模拟信号振幅分成多级（2n），每一级用n位表示。例如将模拟信号分成128级，则每次采样用7位二进制数表示。,脉冲编码调制（PCM ）,对量化值进行编码-1,对量化值进行编码-2,复用技术（目录）,多路复用技术由于一条传输线路的能力往往
20、远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。三种方法： 频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing） 时分复用 TDM（Time Division Multiplexing） 波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing,频分多路复用-1,FDMFrequency Division Multiplexing 当信道的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一信道上实现同时传送多路信号。 将信道的可用频带（带宽）按频率分割多路信号的方法
21、划分为若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成许多个子信道；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用。 各通道之间通常用保护频带隔离，以保证各路信号的频带间不发生重叠。,频分多路复用-2,三路音频信号的FDM,频分多路复用-3,频分多路复用的电话系统,频分多路复用-4,优点：信道复用率高，容许复用的路数多，同时分路也很方便缺点：设备生产较为复杂，可能产生路间干扰应用：有线通信（如电力线载波），微波，无线电广播，电视,时分多路复用-1,TDMTime Division Multiplexing TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠
22、的时隙，各路信号占有各自的时隙，来实现在同一信道上传输多路信号。 TDM中，各路时隙的分配是预先确定的且各信号源的传输定时是同步的。 对于TDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多。,时分多路复用-2,时分多路复用（TDMTime Division Multiplexing）,波分多路复用-1,波分复用（WDMWavelength Division Multiplexing）就是将一系列载有信息的光载波，在光频域内以1至几百纳米的波长间隔合在一起沿单根光纤传输，在接收端再用一定的方法将各个不同波长的光载波分开的通信方式。 WDM扩容方案充分利用了光纤的
23、带宽，可以混合使用各种速率，各种数据格式和各厂家的设备（开放式系统）；可以通过增加新的波长和特性，非常方便地扩充网络容量，以满足用户的要求。,波分多路复用-2,波分多路复用（WDM）应用于光缆线路,多址技术（目录）,多址通信：同一通信网内各个通信台、站共用同一指定射频信道，进行相互间的多边通信。 频分多址（FDMA） 时分多址（TDMA） 码分多址（CDMA） 空分多址（SDMA）,多址通信与多路复用的比较,多址通信指多个通信台的射频信号在射频频道上的复用，以实现各台、站之间，同一时间、同一方向的用户间的多边通信。 多路复用指一个站内的多路低频信号，在群频信道上的复用，在接收端用低通滤波器分开
24、，以实现两个台、站之间，双边点对点的多用户通信。,（1）频分多址,频分多址（FDMA）技术 是不同的地球站（移动台）占用不同频率的信道进行通信。因为各个用户使用着不同频率的信道，所以相互没有干扰。早期的移动通信多使用这种方式。,应用模拟蜂窝移动系统,模拟蜂窝移动系统也采用了频分多址（FDMA ） 技术，某一小区中的某一客户呼叫占用了一个频点，即一个信道（实际上是占用两个，因为是双向连接，即双工通信），则其它呼叫就不能再占用。,（2）时分多址,时分多址（TDMA）技术 是若干个地球站（移动台）共同使用一个信道，但是占用的时间不同，所以相互之间不会干扰。 显然，在相同信道数的情况下，采用时分多址（
25、TDMA）技术就比频分多址（FDMA）能容纳更多的用户。现在的移动通信系统多数采用这种多址技术。,应用-GSM手机,在GSM中，无线路径上是采用时分多址（TDMA）方式。每一频点（频道或叫载频TRX）上可分成8个时隙，每一时隙为一个信道，因此，一个TRX最多可有8个移动客户同时使用。图中所示（a为FDMA，b为TDMA）是一个方向的情况，在相反方向上必定有一组对应的频率（FDMA）时隙（TDMA）。,（3）码分多址,码分多址（CDMA）技术是不同的地球站（移动台）共同使用一个信道，但是每个地球站（移动台）都被分配带有一个独特的“码序列”，与所有别的“码序列”都不相同，所以各个用户相互之间也没有
26、干扰。因为是靠不同的“码序列”来区分不同的地球站（移动台），所以叫做“码分多址”。 采用CDMA技术可以比时分多址方式容纳更多的用户。这种技术比较复杂，但现在已经为不少移动通信系统所采用。第三代移动通信系统也将采用宽带的码分多址技术。,TDMA的缺点和CDMA的优点,目前的数字移动通信网的主要多址方式是TDMA、TDMA系统(GSM)在频谱效率上约是模拟系统的3倍，容量有限；在话音质量上13kbit/s编码也很难达到有线电话水平；TDMA系统的业务综合能力较高，能进行数据和话音的综合，但终端接入速率有限(最高9.6kbit/s)；TDMA系统无软切换功能，因而容易掉话，影响服务质量；TDMA系
27、统的国际漫游协议还有待进一步的完善和开发。因而 TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接人，而CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等。 CDMA多址技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。,（4）空分多址,空分多址（SDMA）技术是利用空间分割构成不同的信道。举例来说，在一颗卫星上使用多个天线，各个天线的
28、波束射向地球表面的不同区域。这样，地面上不同地区的地球站，即使在同一时间使用相同的频率进行工作，也不会彼此形成干扰。 空分多址（SDMA）是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，有利于充分利用频率资源。空分多址还可以和其它多址方式相互兼容，从而实现组合的多址技术。,交换技术（目录）,在多节点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的线路。动态地接通或断开通信线路，称为“交换” 交换方式分类： 电路交换 报文交换 分组交换,电路交换（circuit switching）,原理：直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方。 三个阶段： 建立电路 传输数据 拆除电路
29、特点 在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路； 建立物理通路时间较长，有时延 信道建立后就被独占，信道利用率低 建立通道后透明性好，数据传送延迟较短。 例如： 电话网 ISDN (Integrated Services Digital Networks),电路交换（图）-1,2.6.1 电路交换,A,B,C,D,发送呼叫信号,传输,1.交换2.发送 呼叫信号,传输,1.交换2.发送 呼叫信号,传输,1.作出反应 2.发送回应 信号,电路交换（图）-2,报文交换（message switching）,原理 信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发。即转接站先把信息收下暂存，当所需的线
30、路空闲时在转发出去。特点 线路利用率高； 要求中间结点（网络通信设备）缓冲大； 延迟时间长，实时性差。,报文交换（图）-1,A,D,C,B,发送报文,传输,等待-发送,传输,等待-发送,传输,分组交换（packet switching）,原理 信息以分组为单位进行存储转发。源结点把报文分为分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。 分组：比报文还小的信息段，可定长，也可变长。特点 每个分组头包括目的地址，独立进行路由选择 网络结点设备中不预先分配资源 线路利用率高； 结点存储器利用率高； 易于重传，可靠性高； 易于开始新的传输，让紧急信息优先通过； 额外信息增加。,分组交换（图）-1,
31、2.6.3 分组交换,分组交换数据报,数据报（datagram） 每个分组均带有全称网络地址（源、目的）和分组号等控制标志，可走不同的路径。 例: IP networks特点： 报文分组后长度短，便于灵活处理 提高了线路的利用率 提高了通信的实时性 在部分网络出现故障时也能传输数据 报文分解和重组等工作增加了网络的开销,分组交换虚拟电路-1,虚拟电路（virtual circuit） 建立一条逻辑（非物理）链路 电路交换和分组交换的结合 分三个阶段 建立：发带有全称网络地址的呼叫分组，建立虚电路 传输：沿建立好的虚电路传输数据； 拆除：拆除虚电路。例: ATM networks,分组交换虚拟电
32、路-2,特点： 数据分组传送 所有分组数据都沿事先建立的同一条链路（虚电路）传送 可保证各分组依次传送，不需要设置分组顺序号一条物理链路可以为不同的虚拟电路所公用,三种交换技术对比-1,三种交换技术对比: 传输速率和实时性,A: 固定的传输速率、会有呼叫阻塞 B,C: 能进行速率转换、虽会降速但不会阻塞可以使用优先级,A: 实时性强 B,C: 存在时延和额外开销,三种交换技术对比-2,三种交换技术对比:,A. 存在呼叫建立；专有线路上不传送数据时浪费资源,B. 没有呼叫建立；只有发送数据时才占用线路,C. 除了B的特点外，在接收分组时可以发送下一个分组,对线路的利用率,三种交换技术对比-3,三种交换技术对比-总结,结论： 电路交换适用于实时信息和模拟信号传送，在线路带宽比较低的情况下使用比较经济； 报文交换适用于线路带宽比较高的情况，可靠灵活，但延迟大； 分组交换缩短了延迟，也能满足一般的实时信息传送。在高带宽的通信中更为经济、合理、可靠。是目前公认较（最）好的一种交换技术。,
