現(xiàn)代通信技術課件

現(xiàn)代通信技術

主講教師：張炎生

使用教材：現(xiàn)代通信技術朱月秀主編周玨副主編電子工業(yè)出版社ISBN：7-121-03565-0定價：22元從遠古時代到現(xiàn)在高度文明發(fā)達的信息社會，人類的各種活動都與通信密切相關。通信是現(xiàn)代信息社會中包括能源、交通、通信等在內的三大基礎結構之一，是現(xiàn)代信息社會運行機體神經(jīng)系統(tǒng)。

1.1通信的基本概念1.6復用技術第1章通信基礎知識1.1通信的基本概念人們在相隔較遠的地方，如何進行信息交換呢？人類是通過嘴巴、耳朵、眼睛等與對方進行信息交換的。通信的基本任務：是解決兩地之間消息的傳遞和交換。例如，將地點A的信息傳輸?shù)降攸cB，或者將地點A和地點B的信息雙向傳輸。AB實現(xiàn)通信的方式:

古代人們曾利用信物、烽火、金鼓、旗語等作為通信工具傳遞信息?，F(xiàn)代人們利用電話、傳真、電視、國際互聯(lián)網(wǎng)等進行信息傳遞和交換。1.1.1信號信息要用某種物理方式表達出來，通常可以用聲音、圖像、文字、符號等來表達。信號的定義：是信息的載體，是信息的表現(xiàn)形式。一般講的信號是指電信號，它的表達形式可以是電壓、電流或電場等。在語音中頻率越高能量就越小，所以電話中只傳送聽清對方說話聲的300～3400Hz部分。電信號的分類以頻率劃分，可分為基帶信號和頻帶信號。以信號參數(shù)的狀態(tài)劃分，可以分為模擬信號和數(shù)字信號。1.基帶信號與頻帶信號

基帶信號是指含有低頻成份甚至直流成份的信號，通常原始信號都是基帶信號。

例如:話音信號是一種典型的基帶信號，它是由人的聲音經(jīng)過話筒轉換而成的。

2.模擬信號與數(shù)字信號模擬信號是指電信號參量的取值隨時間連續(xù)變化的信號。因此，模擬信號也叫連續(xù)信號。如圖所示。

常見的模擬信號有語音信號、圖像信號以及來自各種傳感器的檢測信號等。數(shù)字信號與模擬信號相反，是指電信號參量的取值是離散的且只有有限個狀態(tài)的信號。因此，數(shù)字信號也叫離散信號。如圖（a）所示是二進制數(shù)字信號，它只有兩種取值，分別用0和1表示。如圖（b）所示就是四進制數(shù)字信號，分別用0、1、2、3表示四種取值。

數(shù)字信號舉例

常見的數(shù)字信號有電報、傳真、計算機數(shù)據(jù)等信號。1.有線信道有線信道主要有雙絞線、同軸電纜和光纖，它們的構造、特征及主要用途如表1.1所示。線路種類構造特征主要用途雙絞線便宜、構造簡單，傳輸頻帶寬，有漏話現(xiàn)象，容易混入雜音電話用戶線低速LAN同軸電纜價格稍高，傳輸頻帶寬，漏話感應少，分支、接頭容易CATV分配電纜高速LAN光纖低損耗，頻帶寬，重量輕，直徑小，無感應，無漏話國際間主干線國內城市間主干線高速LAN表1.1

有線信道的線路種類、構造、特征和主要用途

雙絞線構造簡單且價格便宜，但傳輸損耗大，且隨著頻率升高雙絞線間產(chǎn)生漏話現(xiàn)象。另外，不能對電磁波產(chǎn)生屏蔽，容易混入外部雜音。雙絞線主要使用于100kHz以下或數(shù)字信號10Mbit/s以下的信息傳輸，被廣泛應用于電話端局和用戶之間的連線，或低速局域網(wǎng)計算機之間連線。光纖與雙絞線、同軸電纜相比較，具有無可比擬的低損耗、傳輸頻帶寬、無電磁感應、不漏話且質輕、徑細等極優(yōu)良的性能。國際間、國內城市間長距離大容量的傳輸線路使用的同軸電纜很快被光纖替代了。伴隨著制造光纖技術的日益提高，成本不斷下降，甚至原來以雙絞線、同軸電纜為主要傳輸線路的高層大樓、辦公室等內部通信也開始使用光纖了。

2．無線信道無線信道是利用電波傳輸信號。電波是一種在空間傳播的物質，是全世界共同擁有的資源和財產(chǎn)。電波是指頻率在3GHz以下的電磁波，電磁波包括電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和

射線等，它們都是以光速3×108m/s傳播的，人們根據(jù)電波的波長對它進行命名，如表所示。電波的名稱

名稱頻帶范圍波長范圍主要傳播方式主要用途長波30kHz～300kHz1km～10km地表面波遠距離通信，導航中波300kHz～3000kHz0.1km～1km地表面波調幅廣播，船舶、飛機通信短波3MHz～30MHz10m～100m地表面波電離層反射波調幅廣播，調幅和單邊帶通信超短波30MHz～300MHz1m～10m直射波對流層散射調頻廣播，廣播電視，雷達與導航，移動通信微波300MHz以上1m以下直射波廣播電視，衛(wèi)星通信，移動通信，微波接力通信等

無線信道的工作頻率、傳播方式和主要用途

如下圖所示是電波的各種傳播路徑。地球的表面是一個球面，繞地球表面進行傳播的電波稱地表面波，中波以下頻段的電波主要以地表面波形式傳播。電波發(fā)送端與接收端在視距范圍內直接傳播的方式稱為直射波，超短波以上波段的電波主要以直射波為主。受地表面曲率的影響，直射波的傳播范圍一般不超過50km。電離層反射波是指電波經(jīng)過電離層反射到地面的電波，短波頻段電波的電離層反射波最為明顯。

1.1.3信息的傳輸方式

信息的傳輸方式可以有以下幾種分類：按照通過傳輸線路信息的形式不同可以將傳輸方式分為模擬傳輸和數(shù)字傳輸；按照傳輸方法可分為串行傳輸和并行傳輸；按照信號的流向可分為單工、半雙工和全雙工三種通信方式。

1．模擬傳輸和數(shù)字傳輸根據(jù)信道中傳送的是模擬信號還是數(shù)字信號，將通信傳輸方式分成模擬傳輸方式和數(shù)字傳輸方式。應當指出，模擬傳輸方式和數(shù)字傳輸方式是以信道傳輸信號的差異為標準的，而不是根據(jù)原始輸出的信號來劃分。若將原始輸出的模擬信號經(jīng)過模/數(shù)變換，成為數(shù)字信號，就可以用數(shù)字傳輸方式傳送，在接收端再進行相反的數(shù)/模變換，即可還原出原始的模擬信號。

2．串行傳輸和并行傳輸將多位二進制碼的各位碼在時間軸上排列成一行，在一條傳輸線路上一位一位地傳輸?shù)姆绞椒Q為串行傳輸方式。用數(shù)量等于二進制碼的位數(shù)的多條傳輸線路同時傳送多位碼的傳輸方式稱為并行傳輸方式。如圖所示是兩種傳輸方式的示意圖。

串行傳輸?shù)耐ㄐ懦杀镜偷俣嚷⑿袀鬏數(shù)膫鬏斔俣瓤斓杀靖?。因此，在通信線路長即遠距離傳輸時使用串行傳輸方式，而在短距離的計算機之間或計算機與外部設備（如打印機、顯示器等）之間使用并行傳輸方式。

數(shù)據(jù)的串行傳輸和并行傳輸

3．單工、半雙工和全雙工通信（1）單工通信

單工通信是指信息的流動方向始終固定為一個方向的通信方式。雖然能夠逆向傳輸應答監(jiān)視信號，但不能在反方向傳輸信息，如圖（a）所示。例如，電視機、收音機只能接收信號，而不能反方向傳送信號，它是一種類似于單行道的通信方式。（2）半雙工通信這是一種信息流動方向可以隨時改變的通信方式，信息的流動方向有時是從A流向B，有時是從B流向A。但任何時刻只能由其中的一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)，如圖（b）所示。由于傳輸方向不斷交換，所以傳輸效率會有所下降。

例如，無線電收、發(fā)兩用機和銀行的聯(lián)機系統(tǒng)都屬于這種方式。它是一種類似于單向交互通行道路的通信方式。（3）全雙工通信全雙工通信是指可以同時向兩個方向傳輸信息的通信方式，如圖（c）所示。這種通信方式可以相互交換大量的信息。雖然是同時雙向傳輸信息，但不一定非要在兩個方向上分別敷設傳輸線路，如將發(fā)送、接收的信號頻率分離，引入頻分復用技術就可實現(xiàn)雙向通信。例如，電話通信、寬帶上網(wǎng)等都是屬于這種通信方式。它是一種類似于雙向通行道路的通信方式。1.1.4通信系統(tǒng)

1．通信系統(tǒng)的基本組成信號的傳遞與處理由通信系統(tǒng)完成。通信系統(tǒng)的一般模型如圖所示，它包括信源、發(fā)送設備、信道、噪聲源、接收設備和信宿六個部分。通信系統(tǒng)的一般模型模型中各個部分的功能如下：

（1）信源信源即為信息的來源，它的作用是將原始信息轉換為相應的電信號，即基帶信號。常用的信源有電話機的話筒、攝像機等。（2）發(fā)送設備發(fā)送設備的功能是對基帶信號進行各種變換和處理，比如放大、調制等，使其適合于在信道中傳輸。（3）信道信道即為發(fā)送設備和接收設備之間用于傳輸信號的媒介。（4）接收設備接收設備的功能與發(fā)送設備的相反，其作用是對接收信號進行必要的處理和變換，以便恢復出相應的基帶信號。（5）信宿信宿指信息的接收者，它是與信源相對應的，其作用是將恢復出來的基帶信號轉換成相應的原始信息。常用的信宿有電話機的聽筒、耳機、顯示器等。（6）噪聲源噪聲源是信道中的噪聲以及分散在通信系統(tǒng)其他各處的噪聲的集中表現(xiàn)。

如果通信距離較遠，還必須加上中繼器，對被衰減的信號進行放大或再生，然后再傳送。2．模擬通信和數(shù)字通信根據(jù)信道傳輸信號的差異，通信系統(tǒng)的分類如圖所示。

模擬基帶傳輸系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)模擬調制傳輸系統(tǒng)通信系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字調制傳輸系統(tǒng)

通信系統(tǒng)的分類利用模擬基帶信號傳遞信息的系統(tǒng)稱模擬基帶傳輸系統(tǒng)，如麥克風和放大器之間的信息傳輸。利用模擬頻帶信號傳遞信息的系統(tǒng)稱模擬調制傳輸系統(tǒng)，如電視、廣播等系統(tǒng)。

利用數(shù)字基帶信號傳遞信息的系統(tǒng)稱數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)，如計算機和周邊設備（打印機等）之間的信息傳輸。利用數(shù)字頻帶信號傳遞信息的系統(tǒng)稱數(shù)字調制傳輸系統(tǒng)，如高清晰度數(shù)字電視、GSM移動通信系統(tǒng)等。信道中傳輸?shù)氖悄M基帶信號或模擬頻帶信號的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字基帶信號或數(shù)字頻帶信號的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)僅使用模擬傳輸方式，而由于數(shù)字頻帶信號是模擬信號，因此數(shù)字通信系統(tǒng)既可以使用模擬傳輸方式又可使用數(shù)字傳輸方式。

目前無論是模擬通信還是數(shù)字通信都已獲得廣泛的應用，但近年來數(shù)字通信無論是在理論上還是技術上都有了突飛猛進的發(fā)展。與模擬通信相比，數(shù)字通信更能適應現(xiàn)代社會通信技術越來越高的要求。這是由于它本身具有一系列模擬通信無法比擬的特點。其主要優(yōu)點如下：（1）抗干擾能力強在遠距離通信中，中繼器可以對數(shù)字信號波形進行整形、再生而消除噪聲和失真的積累，但對模擬信號來說，中繼器對傳輸信號放大的同時，對疊加在信號上的噪聲和失真也進行了放大，如圖所示。此外還可以采用各種差錯控制編碼方法進一步改善傳輸質量。

模擬通信和數(shù)字通信抗干擾性能比較

（2）便于加密處理在數(shù)字通信中易于采用復雜、非線性長周期的碼序列對信號進行加密，從而使通信具有高強度的保密性。（3）易于實現(xiàn)集成化，使通信設備體積小、功耗低由于數(shù)字通信中大部分電路都是由數(shù)字電路來實現(xiàn)的，微電子技術的發(fā)展可使數(shù)字通信便于用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路來實現(xiàn)。（4）利于采用時分復用實現(xiàn)多路通信數(shù)字信號本身可以很容易用離散時間信號表示，在兩個離散時間之間可以插入多路離散時間信號實現(xiàn)時分多路復用。當然，數(shù)字通信系統(tǒng)的許多優(yōu)點是用比模擬信號占用更寬的頻帶而換得的。以電話為例，一路模擬電話僅占用約4kHz帶寬，而一路數(shù)字電話卻要占用20kHz～64kHz的帶寬。不過，隨著信道帶寬很寬的數(shù)字微波、衛(wèi)星和光纖通信等系統(tǒng)的利用以及數(shù)字頻帶壓縮技術的發(fā)展，數(shù)字通信占用頻帶寬的問題將可以逐步獲得解決。

3．通信系統(tǒng)的性能指標衡量通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，最重要的是看它的有效性和可靠性。有效性指的是傳輸信息的效率，可靠性指的是接收信息的準確度。有效性和可靠性這兩個要求通常是矛盾的。提高有效性會降低可靠性，反之亦然。因此，在實際設計一個系統(tǒng)時，必須根據(jù)具體情況尋求適當?shù)恼壑薪鉀Q辦法。

模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)對這兩個指標要求的具體內容有很大差別，因此分別予以介紹。（1）模擬通信系統(tǒng)的質量指標模擬通信系統(tǒng)的有效性用有效傳輸頻帶來度量。信道的傳輸頻帶越寬，則能夠容納的信息量就越大。例如，一路模擬電話占據(jù)4kHz帶寬，采用頻分復用技術后，一對架空明線最多只能容納12路模擬電話，而一對雙絞線可以容納120路，同軸電纜的通信量最大可達到10000路。顯然同軸電纜的有效性指標比架空明線、雙絞線好得多。模擬通信的可靠性用接收端輸出的信噪比來度量。信噪比指輸出信號的平均功率和輸出噪聲的平均功率之比，并用分貝值作為衡量的單位，即10lgS/N（dB）。信噪比越大，通信質量越好。如普通電話要求信噪比在20dB以上，電視圖像則要求信噪比在40dB以上。

（2）數(shù)字通信系統(tǒng)的質量指標

數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性用信息速率來度量。它是指單位時間內傳輸?shù)男畔⒘浚炊M制數(shù)字信號碼元數(shù)），單位用bit/s來表示。例如，無線短波最大信息速率只有幾百到幾千bit/s，而光纖、衛(wèi)星通信系統(tǒng)速率可達幾百兆到幾千兆bit/s，甚至更高。因此可以說只有光纖、衛(wèi)星等才能為信息高速公路建立傳輸平臺。數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性用誤碼率來度量。它是指接收錯誤的碼元數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比，即在有線或衛(wèi)星傳輸信道中誤碼率可以達到10-7，而在無線短波信道內只能達到10-3。

1.1.5通信網(wǎng)1．通信網(wǎng)的基本結構

多用戶通信系統(tǒng)互連的通信體系稱之為通信網(wǎng)。一般通信網(wǎng)是按業(yè)務種類來分的，如通常所說的電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)及有線電視網(wǎng)等。實現(xiàn)業(yè)務通信網(wǎng)的基本網(wǎng)絡結構主要有如圖所示的四種形式以及它們的組合。圖中的小圓圈代表網(wǎng)絡轉接中心，小圓點代表用戶終端（在網(wǎng)絡中稱為結點），連接線代表通信鏈路。通信網(wǎng)的基本網(wǎng)絡結構

（1）網(wǎng)形網(wǎng)網(wǎng)形網(wǎng)最具代表性的是完全互連網(wǎng)，各結點之間直接以通信鏈路連接，通信建立過程中不需要任何形式的轉換。這種結構的最大優(yōu)點是接續(xù)質量高，網(wǎng)絡的穩(wěn)定性好。但當用戶數(shù)量較大時，通信鏈路數(shù)將很大，因而網(wǎng)絡投資費用很高。如果通信業(yè)務量不是很大的話，經(jīng)濟性會很差。（2）星形網(wǎng)

星形網(wǎng)中，各結點都通過轉接中心進行連接，N個用戶需要N條通信鏈路。與網(wǎng)形網(wǎng)相比節(jié)省許多通信鏈路，但它需要有轉接設備。由于各用戶之間的通信都要通過轉接點，通信的接續(xù)質量和穩(wěn)定性會受到一定的影響，尤其當轉接設備發(fā)生故障時，可能會造成整個網(wǎng)內的通信癱瘓。

（3）環(huán)形網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)的拓撲結構為一封閉環(huán)形，各結點通過中繼器接入網(wǎng)內，各中繼器由點到點鏈路首尾連接，信號單向沿環(huán)路逐點傳送。環(huán)形網(wǎng)的主要優(yōu)點是通信鏈路短，初始安裝比較容易，故障的診斷比較準確，十分適用于光纖傳輸介質。但其可靠性差，可擴充性和靈活性也較其他網(wǎng)絡差。（4）總線形網(wǎng)總線形網(wǎng)采用公共總線作為傳輸介質，各結點都通過相應的硬件接口連接到總線上，信號沿總線進行廣播式傳送?？偩€形網(wǎng)的主要優(yōu)點是通信鏈路短，安裝容易，可靠性高并易于擴充。但故障診斷和隔離困難，并且終端必須是智能的。環(huán)形網(wǎng)和總線形網(wǎng)在計算機通信中應用較多，在這兩種網(wǎng)中，一般傳輸?shù)男畔⑺俾瘦^高。它要求各結點或總線終端結點由較強的信息識別和處理能力。2．通信網(wǎng)的基本構成從通信網(wǎng)的基本結構可以看出，通信網(wǎng)主要由終端設備、通信鏈路和轉接交換設備三部分構成。終端設備是通信網(wǎng)中的源點和終點，它除對應于一般通信系統(tǒng)模型中的信源和信宿外，還包括部分發(fā)送設備和接收設備。

通信鏈路是網(wǎng)絡結點的傳輸媒介，是信息的傳輸通道，它除對應于通信系統(tǒng)模型中的信道外，也還包括部分發(fā)送設備和接收設備。轉接交換設備是現(xiàn)代通信網(wǎng)的核心，它的基本功能是完成接入交換結點鏈路的匯集、轉接、接續(xù)和分配。目前廣泛使用的轉接交換設備有電話網(wǎng)中的電路交換和計算機網(wǎng)中的分組交換等。1.6復用技術

所謂復用就是指將多個信號按一定的規(guī)律匯集在一起，用一條傳送線路傳輸?shù)募夹g。例如，電話系統(tǒng)中用戶電話機到交換局使用的是單獨的傳輸線路，而在交換局之間所使用的是復用的中繼傳輸線路。目前廣泛使用的復用技術有頻分復用、時分復用和碼分復用等。這里主要介紹頻分復用和時分復用。1.6.1頻分復用技術（FMD）

1．頻分復用原理

頻分復用是按頻率分割多路信號的方法，即將信道的可用頻帶分為若干個互不重疊的頻段，每路信號占據(jù)其中的一個頻段，合路成為一個復用信號，在同一信道中傳輸。在接收端用適當?shù)臑V波器將多路信號分開，分別進行解調和終端處理。

以話音信號的頻分復用為例，設有n路話音信號，每路信號的頻率范圍均為300Hz～3400Hz，如圖（a）所示。首先各路信號分別對不同頻率的載波進行單邊帶振幅調制，形成頻率不同的已調波，如圖（b）所示。

頻分復用原理示意圖

然后將各路已調波合路成為頻分復用信號后送往信道傳輸?？紤]到傳輸過程中鄰路信號的相互干擾，因此在保證各路信號的帶寬之外，還應留有一定的防衛(wèi)間隔。電話系統(tǒng)每個話路取4kHz，作為標準頻帶。這里用一個三角形表示0kHz～4kHz的一路電話基帶信號，各路話音合成后在頻率軸上的位置如圖（c）所示。

要想從頻分復用的信號中取出某一個話路的信號，只要選用一個與頻率范圍相對應的帶通濾波器對信號進行濾波，然后進行解調即可恢復原調制信號。2．多級復用 當對話音信號進行一次調制實現(xiàn)多路復用時，一個話路需要一個與它相對應的載頻和濾波器。當復用的話路數(shù)目很多時，必須使用種類繁多的載頻和濾波器，實現(xiàn)起來難度很大。在這種情況下，采用多級復用是解決問題的最佳辦法。多級復用是指在一個復用系統(tǒng)內，對同一個基帶信號進行兩次或兩次以上同一種方式的調制。

載波電話系統(tǒng)是多級頻分復用的一種典型應用。12路話音信號合在一起成為基群，5個基群復合構成一個超群，5個超群構成一個基本主群，3個基本主群構成一個基本超主群。如圖所示是900路基本超主群的多級復用結構示意圖。900路主群的多級復用結構

1.6.2時分復用技術（TDM）1．時分復用原理

時分復用是按時間分割多路信號的方法，即將傳輸時間劃分為若干個互不重疊的時隙，互相獨立的多路信號順序地占用各自的時隙，合路成為一個復用信號，在同一信道中傳輸。在接收端按同樣的規(guī)律把它們分開。數(shù)字信號在傳輸過程中一般都采用時分復用方式。PCM