基本通信技術(shù)

1、根本通信技術(shù)20世紀(jì)無疑是通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)蓬勃開展的一百年，從19世紀(jì)的模擬 、電報(bào)通信到20世紀(jì)的In ternet，人類的通信手段發(fā)生了翻天覆地的變化。今天，計(jì)算機(jī) 已經(jīng)由過去的單機(jī)應(yīng)用模式越來越多的依賴于計(jì)算機(jī)之間的互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，通過將分 布在不同位置的計(jì)算機(jī)連接在一起，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)交換。通信技術(shù)是計(jì)算機(jī)互連的根底，雖然這不是一本專門講解通信技術(shù)的書籍，但是掌 握一些通信知識(shí)對(duì)于理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和In ternet應(yīng)用是非常有益的。因?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)的許多概念、工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和我們將要討論的主題有關(guān)。1.1 通信系統(tǒng)簡介通信就是信息通過傳輸媒介進(jìn)行傳遞的過程。人類通信的

2、歷史非常久遠(yuǎn)，遠(yuǎn)古時(shí)代 人類通過語言、符號(hào)或烽火傳遞信息，聽覺和視覺是信息傳遞的根本方式。隨著人類文 明的進(jìn)步，特別是文字和印刷術(shù)的創(chuàng)造，郵政系統(tǒng)成為信息傳遞的手段。而電的創(chuàng)造和 應(yīng)用使人類進(jìn)入了電子通信時(shí)代，電報(bào)、 和播送電視已成為最主要的信息傳遞手段。20世紀(jì)末，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和In ternet的迅猛開展，In ternet作為一種新的通信媒體，向傳統(tǒng)的通信手段發(fā)出了新的挑戰(zhàn)。1.1.1 通信技術(shù)開展簡史自從19世紀(jì)初，人類開始電子通信以來，通信技術(shù)的開展很快，新的傳輸媒體不斷 出現(xiàn)，下面簡要回憶一下通信技術(shù)的開展歷史。1837年，美國人摩爾斯(Samuel Morse )創(chuàng)造了有線電報(bào)

3、，使得通過一條銅線上的電脈沖來傳遞信息成為可能。對(duì)報(bào)文的每一個(gè)字符進(jìn)行編碼，這些編碼對(duì)應(yīng)著一 串長短不一的電脈沖，通過銅導(dǎo)線傳導(dǎo)出去，接收者通過一個(gè)電子感應(yīng)器來識(shí)別編碼 信息。1844年，摩爾斯建立了以他的姓氏命名的電報(bào)系統(tǒng)。1866年，第一條橫跨大西洋的海底電報(bào)電纜鋪設(shè)成功。1876年，貝爾(Alexander Graham Bell )創(chuàng)造了 ，它將聲音轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，然 后由一條電壓連續(xù)變化的導(dǎo)線傳導(dǎo)出去。在導(dǎo)線的另一端，電信號(hào)被復(fù)原成聲音。早期的 系統(tǒng)，通話雙方必須有一個(gè)直接的物理連接，后來的交換板技術(shù)改變了 之間的直接連接，接線員根據(jù)呼叫者說出的 號(hào)碼來連接兩部 。這樣，兩部 的通信不

4、再需要事先建立固定的連接，連接是根據(jù)需要臨時(shí)建立的，大大改善了電 話的可用性。1887年，德國人赫茲(H.R.Hertz )進(jìn)行電磁波輻射的赫茲實(shí)驗(yàn)，證明了麥克斯韋 (J.C.Maxwell )的電磁波學(xué)說。1895年，馬可尼(Guglielmo Marconi )創(chuàng)造了無線電報(bào)。1894年，無線電通信的奠 基人馬可尼第一次在家利用無線電波打響了10m以外的電鈴。1895年夏，馬可尼對(duì)已有的火花式發(fā)射機(jī)和金屬粉末檢波器進(jìn)行了改進(jìn)，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)端加裝了天線，成 功地進(jìn)行了無線電波傳輸信號(hào)的試驗(yàn)。同年秋天，他使通信距離增加到2.8km，并且在紙帶上記錄拍發(fā)來的摩爾斯電報(bào)。1897年，他利用風(fēng)箏

5、作為收發(fā)天線，使電信號(hào)越過了布里斯托爾海灣，距離達(dá)14km，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)最遠(yuǎn)通信的紀(jì)錄，并于同年7月組建無線電報(bào)公司。1901年，馬可尼首次收到橫跨大西洋4800km的火花式無線電報(bào)。1920年，在無線電的根底上，調(diào)幅播送首次在美國實(shí)現(xiàn)。1937年，英國開始黑白電視播送，1939年，美國開始黑白電視播送。1941年，調(diào)頻無線電播送得以實(shí)現(xiàn)。1940年至1945年，使用雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了微波通信。1946年，世界上第一臺(tái)多用途的電子計(jì)算機(jī)ENIAC在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生。ENIAC共使用17 000多個(gè)真空電子管、70 000多個(gè)電阻和6000多個(gè)開關(guān)。整個(gè)機(jī)器重 達(dá)30噸，占地170m2，功率150k

6、W。ENIAC計(jì)算機(jī)主要是靠繼電器的狀態(tài)組合來完成 運(yùn)算任務(wù)，每秒鐘可進(jìn)行5000次的加法運(yùn)算。1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Schockley博士創(chuàng)造了被譽(yù)為“ 20世紀(jì)最偉大創(chuàng)造的晶體管。1953年，美國開始試播 NTSC制式播送電視。1955 年，Narinder Kapany 創(chuàng)造了光纖。1956年，鋪設(shè)越洋電纜。1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射了人類歷史上的第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik，衛(wèi)星高度達(dá)900km。1958年，Texas Instruments公司制成第一個(gè)集成電路，貝爾 推出了第一臺(tái)調(diào)制 解調(diào)器，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員創(chuàng)造了激光。1962年，美國發(fā)射了第一顆通信衛(wèi)星Telstar-I，

7、衛(wèi)星通信進(jìn)入實(shí)用階段。20世紀(jì)60年代以后，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速開展，大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路、數(shù)字傳輸理論和技術(shù)、商用通信衛(wèi)星、程控?cái)?shù)字交換機(jī)、光纖通信、 綜合數(shù)字業(yè)務(wù)等一系列技術(shù)都得到了迅速開展和應(yīng)用。1.1.2 通信系統(tǒng)的組成實(shí)現(xiàn)信息傳遞所需要的一切設(shè)備構(gòu)成通信系統(tǒng)，通信系統(tǒng)一般由5個(gè)局部構(gòu)成，概念模型如圖1-1所示。信息源干擾接收者圖1-1通信系統(tǒng)概念模型從通信系統(tǒng)的概念模型來看，通信實(shí)際上包括兩大方面的問題。首先，是信息的符 號(hào)表示和編碼，即信息如何表示，以及為了根據(jù)通信媒體的物理特性選擇相應(yīng)的編碼。 其次，通信媒體的物理特性，怎樣表示和傳輸編碼數(shù)據(jù)。1 .信息源

8、按照信息源輸出信號(hào)的性質(zhì)來區(qū)分，信息源可分為模擬信源和數(shù)字信源。模擬信源 輸出連續(xù)幅度的信號(hào)，如：聲音的強(qiáng)度、溫度的上下變化等都是模擬信號(hào)。數(shù)字信源輸 出離散的值，每個(gè)離散值代表一個(gè)符號(hào)，如：計(jì)算機(jī)、電傳機(jī)產(chǎn)生輸出的數(shù)據(jù)等。2 .發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備是將信源產(chǎn)生的信號(hào)變換成能夠在傳輸媒介中便于傳送的信號(hào)形式，送往 傳輸媒介。這種變換是多種多樣的，常見的方法是調(diào)制。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備包括信源編碼和信道編碼兩個(gè)局部。信源編碼將 連續(xù)信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，信道編碼使數(shù)字信號(hào)和傳輸媒介匹配，來提高傳輸?shù)挠行院?可靠性。另外，發(fā)送設(shè)備還包括為了實(shí)現(xiàn)某些特殊要求而進(jìn)行的各種處理，如信息分組、數(shù)據(jù)加密

9、、多路復(fù)用等。3 傳輸媒介傳輸媒介是指從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備信號(hào)傳遞所經(jīng)過的物理媒介。傳輸媒介可以是 有線的，如：同軸電纜、雙絞線、光纖等。也可以是無線的，如微波、通信衛(wèi)星、移動(dòng) 通信等。無論是有線還是無線傳輸，由于傳輸介質(zhì)和電信號(hào)的固有物理特性，信號(hào)在傳 遞過程中會(huì)產(chǎn)生干擾和信號(hào)衰減。4 .接收設(shè)備接收設(shè)備用于信號(hào)的識(shí)別，它將接受到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼操作，復(fù)原為原來的 信號(hào)，提供給接收者。5 接收者接收者將接收設(shè)備得到的信息進(jìn)行利用，從而完成一次信息的傳遞過程。最后，需要說明的是，圖1-1描述的是單向通信， 實(shí)際上大局部的通信系統(tǒng)都是雙向 通信的。信息發(fā)送者同時(shí)也是信息的接收者，反過來信息的

10、接收者也是信息的發(fā)送者。 通信雙方都有發(fā)送和接收設(shè)備，如果兩個(gè)方向都有不同的傳輸媒介，那么雙方可以獨(dú)立的 發(fā)送和接收信息；如果傳送和接收公用傳輸媒介，那么需要采用相應(yīng)技術(shù)如頻率或時(shí)間分 割的方法來共享傳輸介質(zhì)。通信系統(tǒng)除了完成信息的傳遞外，有時(shí)還需要在不同的傳輸系統(tǒng)之間進(jìn)行交換，傳 輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)共同構(gòu)成一個(gè)完整的通信系統(tǒng)，或稱為通信網(wǎng)絡(luò)。1.2 通信媒體信息通信是以某種能量形式的編碼數(shù)據(jù)通過傳輸媒體來傳送的，在研究信息的編碼 以前，先來介紹各種通信媒體的物理特性。常用的通信媒體可以分成三類：第一類為金 屬導(dǎo)體，例如同軸電纜、雙絞線等，利用銅或鐵等金屬導(dǎo)體的電流變化來傳輸數(shù)據(jù)。第 二類為以光

11、纖為代表的透明玻璃或塑膠繩媒體，它們利用光波來傳輸數(shù)據(jù)。第三類媒體 不需要物理連接，主要是利用電磁波的輻射來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，例如無線電報(bào)、無線廣數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶卣骱唾|(zhì)量是由傳輸介質(zhì)的特征和信號(hào)的特征決定的，每一種傳輸媒體 在帶寬、延遲、本錢和安裝維護(hù)方面各不相同，下面對(duì)每一種媒體作簡要介紹。1.2.1 雙絞線雙絞線由螺旋狀扭結(jié)在一起的兩條絕緣導(dǎo)線組成，線對(duì)的扭結(jié)可以有效地減少串圖1-2 非屏蔽雙絞線結(jié)構(gòu)示意圖擾。雙絞線有屏蔽和非屏蔽雙絞線兩種類型?，F(xiàn) 行雙絞線電纜中一般包含4個(gè)雙絞線對(duì)，具體為橙/白橙、藍(lán)/白藍(lán)、綠/白綠、棕/白棕。雙絞線結(jié) 構(gòu)如圖1-2所示。雙絞線既可以傳輸模擬信號(hào)，也可以傳輸數(shù)字

12、信號(hào)。對(duì)于模擬信號(hào)，雙絞線的中繼距離為 5 6km。例如，在 通信系統(tǒng)中，采用雙絞線傳 輸語音信號(hào)。雖然語音頻率大約在2030kHz之間，但是可聽見的語音所需要的帶寬要窄的多， 大約在3003300Hz。因此，在一條雙絞線上，采用頻分多路復(fù)用技術(shù)可進(jìn)行多個(gè)音頻通道的復(fù)用，每個(gè)通道的容量為3kHz。由于雙絞線的帶寬約為 268kHz，這樣在一對(duì)雙絞線上可以頻分為24個(gè)音頻信道。使用調(diào)制解調(diào)器可以在模擬音頻信道上的傳輸數(shù)字信號(hào)。每一通道的比特率可達(dá)9600b/s，因此在一條24通道的雙絞線上，總的傳輸速度可達(dá)230Kb/s。使用T1線路在雙絞線上傳輸數(shù)字信號(hào)，傳輸速率可達(dá)1.544Mb/s，實(shí)際的

13、傳輸速率與傳輸距離有關(guān)。在lOBaseT網(wǎng)絡(luò)中，在100m的距離內(nèi)，傳輸速率可達(dá)10Mb/s，采用特殊的信號(hào)編碼技術(shù)，傳輸速率可以到達(dá)100Mb/s。1.2.2 同軸電纜同軸電纜Coaxial以單根銅導(dǎo)線為內(nèi)芯，外裹一層絕緣材料，再外覆一層密集網(wǎng) 狀導(dǎo)體，最外面是一層保護(hù)性塑料。同軸電纜結(jié)構(gòu)如圖金屬屏蔽層能將磁場反射回中心導(dǎo)體，同時(shí)也使 中心導(dǎo)體免受外界干擾，故同軸電纜比雙絞線具有更 高的帶寬和更好的噪聲抑制特性。1-3所示。外皮絕緣層同軸電纜主要有兩種應(yīng)用，一種為50門沿電纜導(dǎo)體各點(diǎn)的電磁電壓對(duì)電流的比的電纜，用于基帶數(shù)字 傳輸；另一種為75的電纜，用于寬帶模擬傳輸。使用基帶傳輸數(shù)字信號(hào)，信

14、號(hào)占據(jù)整個(gè)頻寬，電纜網(wǎng)狀導(dǎo)線銅芯圖1-3同軸電纜結(jié)構(gòu)示意圖上只有一個(gè)信道?；鶐щ娎|傳輸主要用于局域網(wǎng)， 采用曼徹斯特編碼，傳輸速率為10Mb/s。 寬帶模擬傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的有線電視技術(shù)，頻帶可達(dá)300450MHz。由于傳輸模擬信號(hào)，傳輸距離可達(dá) 100km。要在模擬網(wǎng)上傳輸數(shù)字信號(hào)，需要在特殊的接口，把比特流 轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)和將模擬信號(hào)復(fù)原成比特流。寬帶可以分為多個(gè)信道，電視播送通常占用6MHz，每個(gè)信道可用于模擬電視、CD質(zhì)量聲音或者3Mb/s的數(shù)據(jù)流。電視和數(shù)據(jù)可以在一條電纜上混合傳輸。隨著 系統(tǒng) 和有線電視公司的劇烈競爭，有線電視系統(tǒng)會(huì)在寬帶電纜上提供 和其他效勞。在以太網(wǎng)架設(shè)中，同軸電纜

15、的接法有兩種：直徑為1cm的RG-11粗纜采用鑿孔接頭接法，直徑為0.5cm的RG-58細(xì)纜采用T型頭接法。粗纜符合 10Base5介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，使用 時(shí)需一個(gè)外接收發(fā)器和收發(fā)器電纜，單根最大長度為500m，可靠性強(qiáng)，最多可接 100臺(tái)計(jì)算機(jī)，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的最小間距為2.5m。細(xì)纜按10Base2介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)直接連到網(wǎng)卡的 T型頭連接器即BNC連接器上，單段最大長度為 185m，最多可接30個(gè)工作站，最小站 間距為0.5m。1.2.3 光纖光纖Optical Fiber是光導(dǎo)纖維的簡稱，是一種能夠傳導(dǎo)光信號(hào)的極細(xì)的傳輸介質(zhì)。 光纖是由玻璃或塑料等物質(zhì)材料做成的。光纖由纖芯、覆層和保護(hù)層三個(gè)局部構(gòu)成，結(jié)

16、構(gòu)如圖1-4所示。纖芯為光通路，由純潔的玻璃和塑膠材料制成，每一路光纖包括兩根，一根接收，一 根發(fā)送。覆層包圍著纖芯，由多層反射玻璃纖維構(gòu)成，光密度比纖芯局部低，可將光線反 射到纖芯上。保護(hù)層起保護(hù)和提供光纖強(qiáng)度的作用，防止光纖受到彎曲、外拉、折斷和溫度等影響。與同軸電纜比較，光纖可提供極寬的頻帶且功率損耗小、傳輸距離長2km以上、傳輸率高可達(dá)數(shù)千兆位每秒、抗干擾性強(qiáng)不會(huì)受到電子監(jiān)聽，是構(gòu)建平安性 網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。1 .光纖的工作原理根據(jù)光學(xué)原理，當(dāng)光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種物質(zhì)的交界處會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，如圖1-5所示。保護(hù)層纖芯圖1-5光的折射和反射例如圖1-4光纖截面圖假設(shè)光源的

17、入射角度為:，一局部光線在外表以 ：角反射回來，而另一局部光線將穿 越邊界，進(jìn)入另一種物質(zhì)媒體，即折射光。折射光不會(huì)按直線射出，它和邊界的夾角為 一：。例如，在二氧化硅/空氣界面上，光線以 21 °角射入，將以31 °角射出。如果第一種媒體的光密度大于第二種媒體，那么1 二反之那么1 物理學(xué)家用折射率來衡量這種關(guān)系，折射率定義為cos和cos：的比。如果cos二 cos：,那么二一:。因此，當(dāng)折射率小于 1,說明光線正在進(jìn)入一種光密度較小的媒體。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，在折射率小于 1的情況下，當(dāng)入射角：小于某個(gè)特定的臨界值 時(shí)，將不發(fā)生折射。即光線將全部反射回第1種媒體，而不會(huì)

18、漏射入第 2種媒體。這就是光纖的工作原理。根據(jù)光纖的工作原理，光線將被完全限制在光纖中，可以無損耗地傳輸幾十公里。 由于光線是端到端傳輸?shù)?，可以將光纖想像成一個(gè)幾十公里厚的玻璃，并且是透明的。2 光纖的類型光線沿著纖芯傳播存在一個(gè)潛在的問題，由于穿越光纖的光線的頻率一般為1014Hz,波長大約為2X 10七m,即2心。和光的波長相比，當(dāng)光的傳輸媒體相當(dāng)厚時(shí)，光將從不 同的位置，以各種不同的角度進(jìn)入媒體。有些光線根本上沿著媒體的中線傳播，有些光 線那么以不同的角度撞擊邊界面，結(jié)果是光將以有限的角度在邊界面之間來回反彈沿著傳 輸媒體向前傳播。每一個(gè)角度都定義了一條路徑或一種模式。以這種方式傳輸光波

19、的光 纖成為多模光纖，如圖 1-6所示。人射光渡圖1-6多模光纖多模光纖又分為步率多模光纖step index multimode fiber 和級(jí)率多模光纖 gradedindex multimode fiber 兩種。兩者的區(qū)別是級(jí)率多模光纖所用的覆層材料的光密度由內(nèi) 向外逐漸變小，從而減少了步率多模光纖中的模式散步 modal dispersion現(xiàn)象。在多模光纖中，光波以有限的模式向前傳播，模式的具體數(shù)目是由纖芯所用媒體的 直徑和光的波長決定的。減少纖芯的直徑可以降低光線撞擊邊界面的角度數(shù)目，即模式 數(shù)目減少了。如果纖芯直徑減少到一定程度，光纖內(nèi)將只有一種模式傳播的光波，這就 是單模光

20、纖single mode fiber，如圖1-7所示。入肘光潼一圖1-7單模光纖纖芯的直徑應(yīng)該是多少呢？根據(jù)物理學(xué)原理，反射體反射電磁波如光波的能力與其大小有關(guān)。要使光纖按照單模方式傳輸，反射體即覆蓋層必須大于被反射光的 波長，由于覆蓋層包圍著核心媒體纖芯，因此覆蓋層的大小是由核心媒體的直徑?jīng)Q定的。由于穿越光纖的光線的頻率一般為1410 Hz，根據(jù)波長和頻率的關(guān)系:光速頻率因光速c = 299 792 458m/s ：3 108,可以得出光線的波長大約為2X 10m, 即卩2m。因此，單模光纖的直徑一般為48m,大約有人的頭發(fā)絲那么細(xì)。光纖又常常按照芯的直徑分成多種規(guī)格型號(hào)，目前常見的有8.3

21、 m芯/125 口覆蓋層單模、62.5 pm芯/125呵覆蓋層多模、50 pm芯/125口 覆蓋層多模和 100 pm 芯/140 pm覆蓋層多模等多種規(guī)格。3 .光纖系統(tǒng)采用光纖傳輸，除了光纖傳輸介質(zhì)以外，還需要光源和檢測器等。一個(gè)光纖系統(tǒng)如 圖1-8所示。圖1-8 光纖傳輸系統(tǒng)目前光纖系統(tǒng)中使用的光源主要有發(fā)光二極管 light emitting diode , LED 和注入 式激光二極管Injection laser diode , ILD 兩種。LED是一種在加電后能發(fā)光的固態(tài)器 件，可以工作在較寬的溫度范圍、較長的使用壽命、價(jià)格低。ILD是基于被激發(fā)的量子電子效應(yīng)而產(chǎn)生窄帶超發(fā)光束

22、以激光原理的固態(tài)器件，ILD更為有效，可以支持更高的傳輸速率，價(jià)格昂貴。目前在局域網(wǎng)中使用較多的是850nm LED光源。在光波傳輸中采用一種稱為ASK amplitude shift keying 的光強(qiáng)度調(diào)制，二進(jìn)制的0和1是用一種給定頻率光的有無來表示的。LED和ILD器件都能用此方式調(diào)制，而接 收端的監(jiān)測器可以直接相應(yīng)光強(qiáng)度調(diào)制。在接收端，監(jiān)測器的光電二極管將光變成電信號(hào)。新的波分多路復(fù)用技術(shù)( wavelength division multiplexing ， WDM )對(duì)每個(gè)位流使用 不同的波長，可以在一條光纖上復(fù)用、發(fā)送和傳輸多個(gè)位，如按照一個(gè)字節(jié)8位(b)并行傳輸。WDM光纖鏈路適合于字節(jié)寬的并行計(jì)算機(jī)接口。1.2.4 微波通信無論使用雙絞線、同軸電纜還是光纖作為傳輸介質(zhì)，都是在通信設(shè)備之間建立一個(gè) 物理的連接。在許多情況下，物理連接是不實(shí)際的，甚至是不可能的，這就需要無線 通信。1 .電磁波無線通信利用物理學(xué)的電磁波理論，電磁波是發(fā)射天線感應(yīng)電流而產(chǎn)生的電