通信的基本概念讲解课件.ppt

1、第第1 1章章 通信技术概述通信技术概述第第2 2章章 有线通信有线通信第第3 3章章 无线通信无线通信第第4 4章章 计算机网络计算机网络通信工程通信工程20122012级级计算机与通信工程学院计算机与通信工程学院 通信工程系通信工程系第二部分第二部分 通信技术基础通信技术基础1.1 1.1 通信的基本概念通信的基本概念1.2 1.2 多路复用技术多路复用技术1.3 1.3 通信交换技术通信交换技术1.4 1.4 通信发展趋势通信发展趋势第第1 1章章 通信技术概述通信技术概述烽火台烽火台击鼓击鼓信鸽信鸽旗语旗语驿站驿站航行用的信号灯等工具航行用的信号灯等工具u 1838 1838年年，莫尔

2、斯发明有线电报，标志着人类从此，莫尔斯发明有线电报，标志着人类从此 进入进入了电通信时代。了电通信时代。u18761876年年曾获诺贝尔奖金曾获诺贝尔奖金u19061906年，年，发明电子管发明电子管，进入了电子时代，开辟了模拟通，进入了电子时代，开辟了模拟通信的新纪元。信的新纪元。u19251925年年 载波电话系统问世载波电话系统问世u19381938年年 电视广播开播，电视广播开播， 单一声音到实单一声音到实 时图像时图像u1940-19451940-1945年年 微波通信系统的发展（二次大战刺激了雷微波通信系统的发展（二次大战刺激了雷达和微波通信系统的发展）达和微波通信系统的发展）u1

3、9461946年年 第一台电子计算机在美国出现第一台电子计算机在美国出现u19481948年年 晶体管问世晶体管问世( (导致小型化导致小型化) ) u19501950年年 时分多路通信应用于电话时分多路通信应用于电话 u19581958年年 发射第一颗人造卫星，太空通信时代到来发射第一颗人造卫星，太空通信时代到来u19611961年年 集成电路问世，使得数字通信得到进一步发展，集成电路问世，使得数字通信得到进一步发展，对电子产品的发展更新（高速、微小）起非常重要的作用对电子产品的发展更新（高速、微小）起非常重要的作用u19631963年年 发射第一颗同步通信卫星，开辟了空间通信的新发射第一颗

4、同步通信卫星，开辟了空间通信的新纪元纪元 u19691969年年 因特网（因特网（InternetInternet）的前身）的前身ARPAnetARPAnet出现，被后出现，被后人称为网络之父人称为网络之父 （巴兰）（巴兰） 2020世纪通信技术高速发展：世纪通信技术高速发展：q双绞线同轴电缆微波光纤卫星双绞线同轴电缆微波光纤卫星q长波中波短波超短波微波毫米波长波中波短波超短波微波毫米波2121世纪世纪 通信与信息通信与信息 融入生活融入生活 改变生活改变生活 不可缺少不可缺少（P P1-41-4）2.2.消息、信息与信号消息、信息与信号u消息：消息：语言、声音、音乐、文字和符号、数据、图像等

5、统称为语言、声音、音乐、文字和符号、数据、图像等统称为消息消息(Message)(Message)。u信息：信息：消息中给予收信者的新知识称为信息（消息中给予收信者的新知识称为信息（InformationInformation）u信息可以被理解为消息中包含的有意义的内容信息可以被理解为消息中包含的有意义的内容 u信号：信号：信息的符号表示信息的符号表示q是传递消息的载体，从通信的角度指与消息相对应的电信号是传递消息的载体，从通信的角度指与消息相对应的电信号或光信号。或光信号。q消息或信号所载荷的信息量可度量。消息或信号所载荷的信息量可度量。q电信号最常用的表示形式是电流或电压。电信号最常用的表

6、示形式是电流或电压。q由话筒输出的电压波形是电信号的一个例子由话筒输出的电压波形是电信号的一个例子3.3.信号的特征：与消息相对应的电信号或光信。信号的特征：与消息相对应的电信号或光信。 （1 1）信号的电参数：幅值、频率或相位）信号的电参数：幅值、频率或相位ut0T/2T频谱图频谱图时域图时域图（2 2）信号频谱：信号所含有的频率成分。）信号频谱：信号所含有的频率成分。（3 3）信号带宽）信号带宽: :信号所含最高频率信号所含最高频率f fH H与最低频率与最低频率f fL L之差，之差，即信号所含频率的宽度。即信号所含频率的宽度。例如人讲话声音包含有许许多多频率成份：例如人讲话声音包含有许

7、许多多频率成份：80808000 Hz 8000 Hz 电话语音信号的频率范围为电话语音信号的频率范围为3003003400Hz3400Hz，则其信号带宽，则其信号带宽为为3100 Hz3100 Hz。4.4.信号的分类：信号的分类：计时的钟表表示时间信息的两种方式：计时的钟表表示时间信息的两种方式：q指针式钟表是以指针的连续走动指示时间，所以它是指针式钟表是以指针的连续走动指示时间，所以它是一种一种“模拟模拟”方式；方式；q数字式钟表每隔一定时间跳一个数，是一种非连续计数字式钟表每隔一定时间跳一个数，是一种非连续计时方式，即时方式，即“数字数字”方式方式电信号表示信息的两种不同方式：电信号表

8、示信息的两种不同方式：q模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号q模拟信号用模拟信号用“连续变化的数值连续变化的数值”来表示要说明的信息来表示要说明的信息；q数字信号是用数字信号是用“离散（不连续）的数字离散（不连续）的数字”来表示信息来表示信息。（1 1）模拟信号）模拟信号q幅度取值连续的信号为模拟信号（函数值随时间连续幅度取值连续的信号为模拟信号（函数值随时间连续变化）变化）q以电话为例，由于声音信号以电话为例，由于声音信号“模拟模拟”了声压的变化了声压的变化，因此叫做，因此叫做“模拟信号模拟信号”。时时间间幅幅度度0 0模拟信号波形特点：模拟信号波形特点：q信号的波形在时间、幅度上均是连续的

9、（即在一定的时间内信号的波形在时间、幅度上均是连续的（即在一定的时间内取无限个值），所以又称之为取无限个值），所以又称之为“连续信号连续信号”。q它连续地它连续地“模拟模拟”着信息的变化。着信息的变化。q如发话者的话音改变时，信号的波形也改变。如发话者的话音改变时，信号的波形也改变。 q模拟信号将待传递的信息包含在信号的波形之中。模拟信号将待传递的信息包含在信号的波形之中。时时间间幅幅度度0 0（2 2）数字信号）数字信号幅度取值离散的信号。电报是用数字信号传递信息的幅度取值离散的信号。电报是用数字信号传递信息的最简单的方式。最简单的方式。早期的莫尔斯电报，早期的莫尔斯电报，q其电报信号是用其

10、电报信号是用“点点”和和“划划”组成的电码（叫做莫组成的电码（叫做莫尔斯电码）来代表文字和数字。尔斯电码）来代表文字和数字。q如果用如果用“1 1”代表有电流、代表有电流、 “0 0”代表无电流，那么代表无电流，那么“点点”就是就是1 1、0 0，“划划”就是就是1 1、1 1、1 1、0 0。q莫尔斯电码是用一点一划代表莫尔斯电码是用一点一划代表A A，用一划三点代表，用一划三点代表B B，所以所以A A就是就是101110101110，B B就是就是11101010101110101010。如现在要拍发一份电报，含有如现在要拍发一份电报，含有“中国中国”两字，用两字，用“00220022”

11、代表中。代表中。 图中的图中的“1 1”和和“0 0”可对应电流开启或关闭两种状态或其可对应电流开启或关闭两种状态或其他能表示两种状态的电压取值（如正负电压两种取值），他能表示两种状态的电压取值（如正负电压两种取值），分别称为分别称为“1 1”码或码或“0 0”码，码，由于每个码都有一定的持续时间由于每个码都有一定的持续时间TsTs，因此每个码又称为数，因此每个码又称为数字脉冲或码元。字脉冲或码元。 数字信号的特点数字信号的特点: :q波形从时间和幅度上都是离散的（取值是有限个）、不波形从时间和幅度上都是离散的（取值是有限个）、不连续的。连续的。q数字信号将待传递的信息包含在码元的不同组合之中

12、。数字信号将待传递的信息包含在码元的不同组合之中。q对数字信号来讲，信号的数据率越高，信号的带宽对数字信号来讲，信号的数据率越高，信号的带宽也就越宽。也就越宽。 （3 3）模数（）模数（A/DA/D）转换：）转换：u 模拟信号可通过数字化的方法转化成数字信号；反之，数字信模拟信号可通过数字化的方法转化成数字信号；反之，数字信号又可通过模拟化的方法转化成模拟信号。完成这两种转化的器件号又可通过模拟化的方法转化成模拟信号。完成这两种转化的器件分别称为分别称为“模数转换模数转换”（A/DA/D）器和）器和“数模转换数模转换”（D/AD/A）器。）器。 通信系统：传递信息所需要的一切技术、设备和传输媒

13、通信系统：传递信息所需要的一切技术、设备和传输媒介的集合。介的集合。u通信系统基本模型：通信系统基本模型：q必要的通信流程：必要的通信流程：消息消息信号信号处理传输处理传输信号信号还原消息还原消息技术设备包括硬件和软件技术设备包括硬件和软件（P4-15）通信系统实例通信系统实例1. 1. 信源和信宿信源和信宿q信源：发送信息的一端。信源：发送信息的一端。q信宿：是传输信息的归宿（目的地）。信宿：是传输信息的归宿（目的地）。 q信源、信宿可以是人或设备，发出的消息可以是信源、信宿可以是人或设备，发出的消息可以是声音、文本、图像等。声音、文本、图像等。 2. 2. 发送设备和接收设备发送设备和接收

14、设备 （1 1）发送设备：）发送设备：p将非电信号转换成电信号。将非电信号转换成电信号。p将电信号进行变换处理，变成适宜某种信道传输的将电信号进行变换处理，变成适宜某种信道传输的信号。信号。（2 2）接收设备）接收设备p 对接收信号进行与发送设备相反的变换处理，对接收信号进行与发送设备相反的变换处理，如解调、如解调、译码、转换等，译码、转换等，以便恢复出消息供受信者接收。以便恢复出消息供受信者接收。p 尽可能的抑制干扰，使所恢复的信号尽可能准确。尽可能的抑制干扰，使所恢复的信号尽可能准确。 3. 3. 信道信道(channel)(channel)q信号传输媒介的总称。信号传输媒介的总称。（1

15、1）信道的带宽：）信道的带宽：信道容许通过的最高与最低信号频率之差。信道容许通过的最高与最低信号频率之差。若要求信道无失真地传输信号，则要求若要求信道无失真地传输信号，则要求信道带宽信道带宽B B 信号的带宽信号的带宽B B。（2 2）信道的分类）信道的分类 按物理特性来分：按物理特性来分：q有线信道：有线信道：电磁信号被约束在有线传输线上。电磁信号被约束在有线传输线上。q架空明线、双绞线、同轴电缆及光纤等架空明线、双绞线、同轴电缆及光纤等q无线信道：无线信道：电磁信号沿自由空间传输。电磁信号沿自由空间传输。q无线信道可利用的频段从长波、中波、短波到激光无线信道可利用的频段从长波、中波、短波到

16、激光，有较宽的频段。，有较宽的频段。架空明线架空明线q指平行而相互绝缘的架空裸指平行而相互绝缘的架空裸线线路。线线路。q与电缆相比，它的优点是与电缆相比，它的优点是低低频信号传输损耗低频信号传输损耗低，但高频，但高频信号易于辐射，衰耗较大，信号易于辐射，衰耗较大，所以容许传输的信号频率受所以容许传输的信号频率受到限制。到限制。q易受气候和天气的影响，并易受气候和天气的影响，并且对外界噪声干扰较敏感、且对外界噪声干扰较敏感、串话严重串话严重。双绞线双绞线q由两根各自封闭在塑料皮内的铜线相互扭绞而成。由两根各自封闭在塑料皮内的铜线相互扭绞而成。q双绞的目的：减少相邻线对的干扰。双绞的目的：减少相邻

17、线对的干扰。q分类分类1.1.屏蔽双绞线（屏蔽双绞线（Shielded Twisted pairShielded Twisted pair，STP STP ）2.2.非屏蔽双绞线（非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted pairUnshielded Twisted pair，UTP UTP ）两种制作标准两种制作标准同轴电缆：同轴电缆：特点：抗干扰性能很强。特点：抗干扰性能很强。q5050的同轴电缆：局域网基带传输。传输带宽为的同轴电缆：局域网基带传输。传输带宽为1 120M20M传输距离传输距离1 11.2km1.2kmq7575的同轴电缆：闭路电视系统（的同轴电缆：闭路电视系统

18、（CATVCATV）。支持的带）。支持的带宽：宽：300300450MHz450MHz。距离：。距离：100km100km光纤光纤光缆：多根光纤外加防护层光缆：多根光纤外加防护层光纤带宽非常宽，通信容量非常大。光纤带宽非常宽，通信容量非常大。q1310nm 1550nm(3)(3)信道的损耗信道的损耗: :信道既给信号以通路，也对信号产生各种干扰信道既给信号以通路，也对信号产生各种干扰或或噪声。噪声。信道的损耗对传输距离的影响信道的损耗对传输距离的影响q传输的距离越远，信号的衰减就越严重。传输的距离越远，信号的衰减就越严重。q增加中继站数，提高了系统成本。增加中继站数，提高了系统成本。4.4.

19、干扰（或噪声源）：干扰（或噪声源）：q一种电信号，由噪声引起的对通信产生的不良影一种电信号，由噪声引起的对通信产生的不良影响的效应。响的效应。u通信系统中的噪声可分成以下三类：通信系统中的噪声可分成以下三类：第一类是通信系统的外部噪声第一类是通信系统的外部噪声q一部分是人为的一部分是人为的q例如，各种电器开关通断时产生的短促脉冲，荧光例如，各种电器开关通断时产生的短促脉冲，荧光灯闪烁产生的脉冲串等，这是一种常见的现象；灯闪烁产生的脉冲串等，这是一种常见的现象；q另一部分是非人为的另一部分是非人为的q比如：雷电干扰、其他邻近通信系统（如无线电发比如：雷电干扰、其他邻近通信系统（如无线电发射机）的

20、干扰、宇宙辐射等。射机）的干扰、宇宙辐射等。第二类是通信系统的内部噪声第二类是通信系统的内部噪声它主要包括通信设备中使用的电子元器件（例如，电它主要包括通信设备中使用的电子元器件（例如，电阻和半导体元器件）、转换器以及天线或传输线等。阻和半导体元器件）、转换器以及天线或传输线等。例如，电阻及各种导体都会在分子热运动的影响下产例如，电阻及各种导体都会在分子热运动的影响下产生热噪声，电子管或晶体管等电子器件会由于电子发生热噪声，电子管或晶体管等电子器件会由于电子发射不均匀等产生器件噪声。射不均匀等产生器件噪声。第三类是信道的特性不理想所引起的噪声第三类是信道的特性不理想所引起的噪声在有线信道中，它

21、主要表现为多对传输线间产生的不在有线信道中，它主要表现为多对传输线间产生的不必要的耦合。必要的耦合。在无线信道中例如，电离层和对流层的随机变化引起在无线信道中例如，电离层和对流层的随机变化引起信号的随机变化，而构成对信号的干扰。信号的随机变化，而构成对信号的干扰。为了分析问题的方便，一般将系统内所存在的上述三类噪为了分析问题的方便，一般将系统内所存在的上述三类噪声全部折合到信道中去，用噪声源来表示。声全部折合到信道中去，用噪声源来表示。 信噪比：信噪比：q是指接收端信号的平均功率和噪声的平均功率之比是指接收端信号的平均功率和噪声的平均功率之比(S/N)(S/N)。qS/N=10lg(S/N=1

22、0lg(信号功率信号功率/ /噪声功率噪声功率) (dB) (dB)q信噪比是衡量传输系统的重要参数。信噪比是衡量传输系统的重要参数。q在相同的条件下，系统的输出端的信噪比越大，则系在相同的条件下，系统的输出端的信噪比越大，则系统抗干扰的能力越大。统抗干扰的能力越大。三、通信系统分类三、通信系统分类1.1.按信源产生消息的物理特征分类按信源产生消息的物理特征分类 通信可分为电话通信系统、电报通信系统、数据通信系统、图像通信系统、广播电视通信系统和多媒体通信系统。2.2.按传输信号的特征分类按传输信号的特征分类模拟通信系统数字通信系统u数字通信系统与模拟通信系统相比较，有如下特点：数字通信系统与

23、模拟通信系统相比较，有如下特点： 抗干扰能力强，无噪声积累抗干扰能力强，无噪声积累 ( (数字信号可多次中继再生，可通数字信号可多次中继再生，可通过纠、检错）过纠、检错）电路易于集成化，使通信设备体积小、功耗低。电路易于集成化，使通信设备体积小、功耗低。 便于采用各种数字信号处理技术，易于与计算机接口。便于采用各种数字信号处理技术，易于与计算机接口。便于实现多种业务综合通信，使通信系统的功能增强。便于实现多种业务综合通信，使通信系统的功能增强。数字信号易于加密处理，保密性能强。数字信号易于加密处理，保密性能强。数字信号占用信道频带较宽数字信号占用信道频带较宽模拟系统模拟系统 数字系统数字系统3

24、.3.按传输媒介和系统组成特点分类按传输媒介和系统组成特点分类短波通信系统、微波通信系统、卫星通信系统、光纤通短波通信系统、微波通信系统、卫星通信系统、光纤通信系统、移动通信系统。信系统、移动通信系统。四、通信系统的主要性能指标四、通信系统的主要性能指标u性能指标性能指标q衡量系统的质量优劣的标准。衡量系统的质量优劣的标准。q通信系统的性能指标涉及其通信系统的性能指标涉及其有效性、可靠性、适应性有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性及维护使用、标准性、经济性及维护使用等等，等等，q从研究消息的传输来说，通信的从研究消息的传输来说，通信的有效性与可靠性有效性与可靠性将是将是衡量通信系统性能的主要

25、的指标。衡量通信系统性能的主要的指标。q有效性：指给定信道内传送信息的能力。有效性：指给定信道内传送信息的能力。q可靠性：指系统接收端恢复信息的准确度。可靠性：指系统接收端恢复信息的准确度。1.1.模拟通信系统的有效性和可靠性模拟通信系统的有效性和可靠性（1 1）有效性：）有效性：q模拟通信系统中，有效性通常可用有效传输带宽来衡量。模拟通信系统中，有效性通常可用有效传输带宽来衡量。q工程上常用给定信道内可同时传输的电话路数来衡量传输工程上常用给定信道内可同时传输的电话路数来衡量传输信息的多少。信息的多少。（2 2）可靠性：）可靠性：q常用系统输出端的信噪比来衡量。常用系统输出端的信噪比来衡量。

26、信噪比：信噪比：是指接收端信号的平均功率和噪声的平均功率之比是指接收端信号的平均功率和噪声的平均功率之比。qS/N=10lg(S/N=10lg(信号功率信号功率/ /噪声功率噪声功率) (dB) (dB)q信噪比是衡量传输系统的重要参数。信噪比是衡量传输系统的重要参数。q在相同的条件下，系统的输出端的信噪比越大，则系统抗在相同的条件下，系统的输出端的信噪比越大，则系统抗干扰的能力越大。信噪比越高，通信质量就越好。干扰的能力越大。信噪比越高，通信质量就越好。2.2.数字通信系统的有效性和可靠性数字通信系统的有效性和可靠性（1 1）有效性）有效性数字信号的传输速率数字信号的传输速率q又称信息速率和

27、传信率，信道每秒种所传送的信息量。又称信息速率和传信率，信道每秒种所传送的信息量。q单位是单位是“比特比特/ /秒秒”（bit/sbit/s或或b/sb/s或或bpsbps）。）。q用二进制数字用二进制数字0 0和和1 1取值时，规定传送一个二进制数字时取值时，规定传送一个二进制数字时的信息量就是的信息量就是1bit1bit，所以信息速率又称为比特率。，所以信息速率又称为比特率。 （2 2）可靠性）可靠性用误码率来衡量用误码率来衡量u误码率，收信机收到的数字信号码元出现错误的概率。误码率，收信机收到的数字信号码元出现错误的概率。常用误比特率来表示：是指错误接收的比特数在总传送比常用误比特率来表

28、示：是指错误接收的比特数在总传送比特数中所占的比例。特数中所占的比例。q 误比特率误比特率= =错误比特数错误比特数/ /传输总比特数传输总比特数 u数字信号的传输可靠性要求与模拟信号的要求不同数字信号的传输可靠性要求与模拟信号的要求不同q模拟信号的传输要求接收端无波形失真模拟信号的传输要求接收端无波形失真较高信噪比较高信噪比。q数字信号的传输要求接收端无差错地恢复成原来的二进数字信号的传输要求接收端无差错地恢复成原来的二进数码数码( (可以允许接收波形失真，只要不影响正确恢复信可以允许接收波形失真，只要不影响正确恢复信码即可码即可) )较低的误码率较低的误码率。 u现代数字微波通信要求误码率现代数字微波通信要求误码率 PS10-6；u数字光纤通信要求误码率数字光纤通信要求误码率Ps10Ps10-11-11 1010-9-9。例如对于数字光纤通信而言，要求光收信机每接收例如对于数字光纤通信而言，要求光收信机每接收10109 910101111个码元，只允许一个码元出错。个码元，只允许一个码元出错。