1、,第 3 章 通 信 概论,2019年6月19日,2,内容提要,一：通信基本原理 二:通信的传输介质 三：通信网络 四:通信技术：光纤通信卫星通信移动通信计算机网络,2019年6月19日,3,一：通信基本原理,什么是通信：指用电的、电子的、电磁的或其他设施来传送语音、文字、图像、符号、数据等信息的过程。,2019年6月19日,4,通信系统的模型,通信的三要素：,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,2019年6月19日,5,通信基本原理,实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的
2、总和称为通信系统,通信系统的一般模型,2019年6月19日,6,通信基本原理,模拟信号： 凡信号参量的 取值是连续的 或取无穷多个 值的（a）连续信号(b)抽样信号,2019年6月19日,7,通信基本原理,数字信号： 凡信号参量只能 取有限个值。（a）二进制波形（b）2PSK波形,2019年6月19日,8,3.6V,3.8V,0.2V（噪声）,接收到错误电平信号,模拟通信系统,2019年6月19日,9,3.6V,3.8V,0.2V（噪声）,判决正确,数字通信系统,判决,“1”,1.8V,“1” 3.6v；“0” 0v,2019年6月19日,10,3.6V “1”,2.6V,1.0V,判决正确,
3、数字通信系统,判决,“1”,1.8V,“1” 3.6v；“0” 0v,2019年6月19日,11,通信基本原理,模拟通信系统：,模拟通信系统模型,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),研究发现，高频振荡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)载波上传输，则可比直接传输远得多。,2019年6月19日,12,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”：
4、,2019年6月19日,13,模拟通信,模拟通信的特点优点：信道的利用率较高（模拟信号的频谱较窄）缺点：信号连续，噪音混入加到信号上，不易清除抗干扰能力差，不适合远距离传输，不易保密通信，设备不易大规模集成，不适应数据通信的要求。,2019年6月19日,14,模拟通信,系统的主要性能指标:,（3）最大容许功率范围： 分平均功率和峰值功率，超过容易使设备破坏。(小),（2）可用时间： 与设备的故障率和电离层的状态有关。 (短),（1）频带宽度： 在无线通信中，决定于收、发信机和天线的宽度。在有线通信中，决定于结构、放大器和传输网络的带宽,2019年6月19日,15,模拟通信技术应用举例（1）,传
5、统的有线载波电话,2019年6月19日,16,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,目前电话上网的最高传输速率： 56Kbps,2019年6月19日,17,通信基本原理,数字通信系统：,数字通信系统模型,2019年6月19日,18,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,2019年6月19日,19,数字信号如何传输？,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（
6、如：以太网中传输数字信号）,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,远距离传输方法通过载波来传输数字信号(频带传输),2019年6月19日,20,数字信号的三种调制方法,2019年6月19日,21,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,2019年6月19日,22,
7、数字通信技术应用举例（1）,当今长途电话系统的中继通信,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,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,2019年6月19日,23,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,2019年6月19日,24,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,数字信号经调
8、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,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,2019年6月19日,25,优点：,数字通信,数字通信的特点：,（1）抗干扰能力强（噪音基本上不影响信号） （2）容易实现高质量远距离通信。 （3）可把电话、电报、图像、数据等各种消息变换成统一的数字信号来传输，便于实现综合业务数字网（ISND）。 （4）容易采用复杂的、非线性长周期码序列对信号进行加密，有高强度的保密性。,2019年6月19日,26
9、,缺点：,数字通信,（1）占用的信道频带宽。（2）系统和设备比较复杂。,5）适于集成化、智能化（DSP、CPU等LSI大量出现） 多功能、微型化、低功耗、低成本。,2019年6月19日,27,码率,通信系统,数字系统主要性能指标：,码率为Gbit/s时称为宽带 码率为Mbit/s时称为窄带,信道带宽 (也称为信道容量, bandwidth),误码率(error rate),一个信道允许的最大数据传输速率 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。,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。,指数据从信源传送到信宿所花费的时间。,端端延迟(end-en
10、d delay),2019年6月19日,28,2：在数字通信中,1：在模拟通信中,通信系统,质量指标：有效性和可靠性有 效 性：指信息传输的快慢问题可 靠 性：指信息传输的好坏问题,有效性：单位时间内传送信息的多少（有效传输频带） 可靠性：信噪比,有效性：传输速率(频带利用率)（1）码元传输速率（RB）：系统每秒所传送的码元（脉冲）数，单位为波特（Baud）（2）信息传输速率（Rb）：系统每秒所传送的信息量（bit）单位为bit/s。,2019年6月19日,29,通信系统,（3）消息传输速率（Rm）：系统每秒所传送的从信源发出的消息量，单位为bit/s。,可靠性： 误码率或误比特率误码率：在一
11、定时间内，发生差错的码元数（neB）占传输总码元数（nB）的比例（平均值）bit 差错率：在一定时间内，发生差错的bit数占传输总bit数的比例（平均值）Pb,不同场合对bit误码率的要求不同：在传输书信、电报等，允许误码率为 对数字电话，允许为 对传送计算机数据，允许为,10-410-5,10-510-6,10-810-9,2019年6月19日,30,通信的发展,通信的发展：初级通信：1838年莫耳斯发明电报。 中级通信：1948年香农提出的信息论开始。 现代通信：20世纪80年代的光纤通信和综合业务数字网为标志。,2019年6月19日,31,宽带化即高速化。通过增宽频道来增加通信容量， 以
12、满足HDTV和高速数据传输的要求。以光纤和卫星 通信系统为主,综合化综合进网，把各种信息综合到 一个数字网中来传输。,数字化数字传输，数字交换，数字终端， 数字网（DN）。数字网的优点是：高速，大容量、 高传输效率、低差错率、大的网络灵活性。,通信的发展方向：,现代通信的发展,2019年6月19日,32,现代通信的发展,智能化智能网（IN）使网络能力大大提高。个人化服务到人。标准化国家标准，国际标准。,2019年6月19日,33,现代通信技术：,光纤通信卫星通信移动通信数据通信,2019年6月19日,34,二：传输介质,2019年6月19日,35,第三种类型：则根本不需要物理连接， 而是依靠电
13、磁波，如无线电视和无线电广播。,第二种类型：透明玻璃或塑胶绳， 它们可以通过光波实现数据传送。,第一种类型：铜、铁等金属导体。,三种类型,传输介质:可以支持声波、光波和电磁波信 号的传播的媒质。,传输介质,传输介质及工作原理,2019年6月19日,36,传输介质的类型与特点,2019年6月19日,37,同轴电缆,双绞线,直线电缆,三种基本连线：,第一种：铜、铁等金属导体及电信号传输,输介质-电导体,2019年6月19日,38,传输介质-电导体,直线电缆,2019年6月19日,39,传输介质-电导体,双绞线,两根铜线扭绞而成，降低干忧，一对双绞线可作一条通路， 有100和150两种输入阻抗，可传
14、输模拟和数字 信号 （电话线）带宽取决于铜线的粗细和传输距离。每条电 线都带有电流，但相位相差180。,2019年6月19日,40,传输介质-电导体,同轴电缆是非常广泛的传输介质，可用于视频和高频传输利用多路复用技术可传送多路信号。输入阻抗有50和75两种。抗干忧能力强，速率可达500Mbps,50:数字信号（基带信号） 100Mbps几公里,75:模拟信号 (宽带信号) 500M的带宽 几十公里,2019年6月19日,41,第二种传输介质-光纤,光纤与光信号传输 光纤线的三个主要部分是核心、覆层和保护层。核心部分由纯净的玻璃或塑胶材料制成。覆层包围着核心部分，它也是玻璃或塑料的，但它的光密度
15、要比核心部分低。,2019年6月19日,42,传输介质-光纤,单步多模光纤,如果介质相当厚（与波长相比较而言），光可以从许多位置以不的角度进入介质，有的光以直线方式沿中心线向前传播。有些光以不同的角度在光纤中不断反射并向前传播， 缺点：一个脉冲中因其反射角较小而经过的距离较短，将有可能追上前一个脉冲所产生的反射角度大的光波，从而消除了两者的时间间隔，这样脉冲中所有的编码信息都将丢失（乱序）。,2019年6月19日,43,传输介质-光纤,级率多模光纤,如果从核心放射状地向外移动，材料的光密度逐渐变小，当光线放射状地向外传播时，它将逐渐向中心弯曲，最后被反射回来，由于媒体的光密度逐渐变小，光的传播
16、速度逐渐加快，最后结果是尽管有的光纤传播距离较长，但他的传播速度快，就可以同时到达终点，消除了乱序现象。,2019年6月19日,44,传输介质-光纤,单模光纤,如果把光纤直径减少到一定程度，光纤内只有唯一一种模式传播的光波，也可以解决乱序的问题。,2019年6月19日,45,传输介质-光纤,光纤较导线有四大优点：,首先、光纤不会引起电磁干扰也不会被干扰。 其次、光纤传输信号的距离比导线所能传输 的距离要远得多。 第三、因为较之电信号，光可以对更多的信息进行编码，所以光纤可在单位时间内传输比导线更多的信息。第四、与电流总是需要两根导线形成回路不同，光仅需一根光纤即可从一台计算机传输数据到另一台计
17、算机。,2019年6月19日,46,第三种传输介质-无线电波,无线电波无线电波通过多种传输方式从发射天线到接收天线。主要有：地波 电离层波 对流层反射波 自由空间波,2019年6月19日,47,传输介质-无线电波,无线电波的传播特性,2019年6月19日,48,传输介质-无线电波,微波 微波就是频率较高的无线电波，但它们的性质并不相同。与无线电波向各个方向传播不同，微波传输集中于某个方向，即微波是直线传播的，所以可以防止他人截取信号。但是，微波不能穿透金属结构，大气条件和固体物也将妨碍微波的传播。,2019年6月19日,49,微波通信,微波：300MHz300GHz范围内的电磁波，波长为1 m
18、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,2019年6月19日,50,传输介质-无线电波,红外线红外线一般局 限于一个很小的区域（如在一个房间内）并且通常要求发送器直接指向接收器。红外硬件与采用其他机制的设备比较相对便宜，且不需要天线。 计算机网络可以使用红外技术进行数据通信。,2019年6月19日,51,传输介质-无线电波,激光 激光也能用于在空中传输数据。和微波通信系统相似，采用光的通信连接通常由两个站点组成，每个站点都拥有发送和接收器，
19、设备安装在一个固定的位置，经常在一个高塔上，并且相互对齐，以便一个站点的发送器将光束直接传输至另一站点的接收器。,2019年6月19日,52,三.通信网络,2019年6月19日,53,通信网络,如果在任意两个用户之间都建立一条物理传输通道，就可以解决我们之间相互通信问题。假定有N个用户数，共需要有N(N-1) 条物理传输通道。 缺点：成本昂贵，且极难扩展，每条物理传输通道的利用率极低。,N2,2019年6月19日,54,怎样实现低成本传输？,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
20、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）,2019年6月19日,55,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,201
21、9年6月19日,56,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),2019年6月19日,57,频分多路复用举例2,电视节目的发送与接收,2019年6月19日,58,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：
22、,2019年6月19日,59,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！,2019年6月19日,60,波分多路复用(Wave Division Multiplexing, WDM),原理：,光纤,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,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,2019年6月19日,61,通信网络,高性能宽带信息网,2019年6月19日,62,通信网络,网络结构图,2019年6月19日,63,通信网络,通信系统,2019年6月19日
23、,64,通信网络,卫星通信网络,2019年6月19日,65,通信网络,2019年6月19日,66,通信网络构成,通信网的基本构成,2019年6月19日,67,通信网络,2019年6月19日,68,路由器,2019年6月19日,69,数据传输链路,2019年6月19日,70,数据传输链路-接入链路,2019年6月19日,71,数据传输链路-局域网链路,2019年6月19日,72,网络设计的基本理论问题,2019年6月19日,73,网络设计的基本理论问题,2019年6月19日,74,网络设计的基本理论问题,2019年6月19日,75,网络设计的基本理论问题,2019年6月19日,76,网络设计的基
24、本理论问题,2019年6月19日,77,计算机网络体系结构简介,如何解决这些问题-协议,2019年6月19日,78,计算机网络体系结构简介,1.协议和体系结构的概念,2019年6月19日,79,计算机网络体系结构简介,网络通信模型 OSI参考模型：,2 、计算机网络体系结构-ISO/OSI参考模型,2019年6月19日,80,分层的好处：,计算机网络体系结构简介,2 、为什么要对计算机网络进行分层？,1、使网络变得更简单 2、将网络部件标准化 3、有利于模块化设计 4、保证不同类型部件的互操作性 5、加快了技术发展的速度 6、简化了教育和学习,2019年6月19日,81,分层的原则：,计算机网
25、络体系结构简介,l 网络中各结点都具相同的层次； l 不同结点的相同层具有相同的功能； l 同一结点内各相邻层之间通过接口通信； l 每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务； l不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。,2019年6月19日,82,2019年6月19日,83,2019年6月19日,84,2019年6月19日,85,2019年6月19日,86,2019年6月19日,87,2019年6月19日,88,2019年6月19日,89,与应用有关,与数据传输有关,2019年6月19日,90,计算机网络体系结构简介,PDU协议数据单元,数据流,数据段,数据包,数据帧,2019年6月19日,91,四：通信技术,光纤通信 卫星通信 移动通信 计算机网络,
