通信工程專業(yè)導(dǎo)論 課件 第二章 通信主要技術(shù)

第二章

通信主要技術(shù)x2.1基本概念標(biāo)題利用電子等手段，將電磁信號從一端傳輸?shù)搅硪欢诉M行信息交換和傳遞的過程，稱為通信。通信的本質(zhì)是信息的傳遞，通過某些技術(shù)手段，克服傳輸中的障礙，實現(xiàn)有效、可靠的信息傳遞。通信系統(tǒng)是由傳送信息的一系列設(shè)備和傳輸信道構(gòu)成的整體。按照傳統(tǒng)的理解，通信就是信息的傳輸與交換，即將消息進行時空轉(zhuǎn)移，從一方傳送到另一方，其目的在于信息的傳遞，信息即對通信接收方有用的內(nèi)容。消息是對某人或者某種事物狀態(tài)的表達和描述，是一組有序符號序列，可以文字、語音、視頻、音樂、數(shù)據(jù)、圖片等不同形式表達。信號是反映消息的物理量，是消息的表現(xiàn)形式。由于消息不能直接長距離傳輸，因此需要先對消息進行變換，轉(zhuǎn)換后的物理量稱為信號。此時，信號也就成了消息傳輸?shù)妮d體，或者是消息的運載工具。信息是消息和信號中包含的某種有意義的抽象的東西，即可從消息中獲取的有效內(nèi)容。不同形式的消息可以包含相同的信息，例如，用廣播播報和用文字發(fā)布的天氣預(yù)報所含信息內(nèi)容一致。

x2.1基本概念標(biāo)題信號的分類：信號可從多個角度進行分類，例如，依照用途可分為通信信號、廣播信號、雷達信號等；依照信號的時間特性能分為連續(xù)信號和離散信號、隨機信號和確定信號、周期信號和非周期信號、能量信號和功率信號等。這里僅對連續(xù)信號和離散信號進行簡單介紹。連續(xù)信號是連續(xù)時間信號的簡稱，即當(dāng)以時間為自變量時，取值在此時間范圍內(nèi)連續(xù)的信號為連續(xù)時間信號。模擬信號指在時間和數(shù)值上都是連續(xù)變化的信號，其幅度、頻率、相位隨時間連續(xù)變化，如聲音信號、圖像信號、視頻信號等[見圖2-1（a）]。離散時間信號則是指僅在某些離散的時間點上有定義的信號，簡稱為離散信號。數(shù)字信號是指在時間和幅值上均為離散的信號，它的幅值在有限個數(shù)值內(nèi)是離散的，其幅度也是離散的，如電報信號、數(shù)字數(shù)據(jù)、模擬信號進行抽樣和量化之后所得到的信號等[見圖2-1（b）]。x2.1基本概念標(biāo)題通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成消息的傳遞和交換。兩個通信節(jié)點的通信系統(tǒng)由發(fā)送端、接收端和收發(fā)兩端構(gòu)成，主要包括信源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備、信宿（受信者）五大部分，如圖2-2所示。圖中顯示了從發(fā)送端信源到接收端信宿的傳輸過程，實際上通信雙方的設(shè)備都包含信源、信宿、發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備，這樣才能實現(xiàn)同時收、發(fā)的功能。x2.1基本概念標(biāo)題通信網(wǎng)：通信網(wǎng)是指由終端設(shè)備、傳輸系統(tǒng)和交換系統(tǒng)設(shè)備按照某種結(jié)構(gòu)組成以實現(xiàn)多個節(jié)點之間的信息傳遞的通信體系，解決信道共享、資源分配、路由選擇、流量工程、QoS等問題。一個完整的通信網(wǎng)由某些硬件和軟件共同組成。其中，硬件通常包含終端設(shè)備、交換設(shè)備和傳輸系統(tǒng)三部分；軟件是指通信網(wǎng)為高質(zhì)量完成信號傳遞、轉(zhuǎn)接交換所需要的一系列協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)，以及通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)內(nèi)信令、協(xié)議、接口、技術(shù)體制、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。軟件部分是實現(xiàn)通信服務(wù)和支撐運行的重要組成部分。圖2-3所示為網(wǎng)絡(luò)電話網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。x2.2收發(fā)技術(shù)標(biāo)題為了能在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳送模擬信號，需要先將模擬信號數(shù)字化，其次就是多路信號的復(fù)用傳輸。模擬信號數(shù)字化是指把信源產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再傳輸?shù)倪^程。當(dāng)前電話、電視等模擬信號大都是數(shù)字化后采用數(shù)字傳輸技術(shù)進行遠距離傳輸。脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation，PCM）是實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的方法之一，該方法廣泛應(yīng)用于光纖通信、數(shù)字微波通信以及衛(wèi)星通信。PCM主要包括抽樣、量化、編碼三個部分（見圖2-5）。抽樣是指在時間上將模擬信號離散化，用每隔一段時間抽取的樣值序列代替原來在時間上連續(xù)變化的信號。量化是用有限數(shù)量的幅度值代替原來連續(xù)變化的幅度值，將模擬連續(xù)變化的幅度值轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢迋€數(shù)的離散幅度值。編碼是指按照一定的規(guī)律，將量化之后得到的信號用二進制的數(shù)字表示，再轉(zhuǎn)換為二進制或多進制的數(shù)據(jù)流。x2.2收發(fā)技術(shù)標(biāo)題調(diào)制通過使高頻載波隨信號幅度的變化而改變載波的幅度、相位或者頻率來實現(xiàn)，將要傳輸?shù)哪M信號或數(shù)字信號變換成適合信道傳輸?shù)母哳l信號用于通信系統(tǒng)的發(fā)射端。在通信系統(tǒng)中，調(diào)制具有多個作用：①

信號的多路復(fù)用傳輸可以通過調(diào)制實現(xiàn)；②

調(diào)制能提高信號的抗干擾能力；③

調(diào)制還能提高天線的輻射效率。

按照調(diào)制方法可分為兩類：線性調(diào)制和非線性調(diào)制。線性調(diào)制包括調(diào)幅（AmplitudeModulation，AM）、抑制載波雙邊帶調(diào)幅（DoubleSideBandwithSuppressedCarrier，DSB-SC）、單邊帶調(diào)幅（Single-sidebandModulation，SSB）、殘留邊帶調(diào)幅（VestigialSideBand-AmplitudeModulation，VSB）等。非線性調(diào)幅的抗干擾性能較強，包括調(diào)頻（FrequenncyModulation，F(xiàn)M）、移頻鍵控（Frequency-ShiftKeying，F(xiàn)SK）、移相鍵控（PhaseShiftKeying，PSK）、差分移相鍵控（DifferentialPhase-ShiftKeying，DPSK）等。線性調(diào)制的特點是不改變信號原始頻譜結(jié)構(gòu)，而非線性調(diào)制改變了信號原始頻譜結(jié)構(gòu)。解調(diào)是在接收端將已調(diào)信號還原成原始信號，也就是將基帶信號從載波中提取出來以便預(yù)定的接受者（信宿）處理和理解的過程。解調(diào)作為調(diào)制的逆過程，調(diào)制方式不同，解調(diào)方法也不一樣。解調(diào)可分為正弦波解調(diào)（有時也稱為連續(xù)波解調(diào)）和脈沖波解調(diào)兩個大類。正弦波解調(diào)又分為幅度解調(diào)、頻率解調(diào)和相位解調(diào)。同樣，脈沖波解調(diào)也可細分為脈沖幅度解調(diào)、脈沖相位解調(diào)、脈沖寬度解調(diào)和脈沖編碼解調(diào)等。x2.2收發(fā)技術(shù)標(biāo)題編碼就是將原始內(nèi)容按照某種標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為另一種表示格式，主要為了滿足傳輸要求。編碼作為通信系統(tǒng)中的基本組成部分，主要分為信源編碼和信道編碼兩類。其中，通信的有效性通常利用信源編碼來實現(xiàn)，可靠性則通過信道編碼來實現(xiàn)。

信源編碼的目的就是為了減少或者消除數(shù)據(jù)的冗余。造成冗余的原因在于原有的信息之間存在一定的關(guān)聯(lián)，以及不同信息之間的概率會分布不均。通過編碼處理，可達到解除相關(guān)性，概率均勻化的目的，使得序列中各個符號之間都能最大可能地相互獨立且出現(xiàn)概率相等。信源編碼主要利用源的統(tǒng)計特性來解決源的相關(guān)性，去除源的冗余信息，從而壓縮源輸出的信息速率，提高系統(tǒng)的有效性。信道編碼也稱為差錯控制編碼，其主要任務(wù)是提高傳輸效率，降低誤碼率，增加通信的可靠性。信道編碼能在傳輸信息時保護數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)存在錯誤時可恢復(fù)數(shù)據(jù)。其基本思路是在傳輸碼元中加入監(jiān)督碼元，使得傳輸碼元產(chǎn)生某種規(guī)律性，在接收端檢驗監(jiān)督碼元的規(guī)律性是否遭到破壞。若碼元規(guī)律性沒變化，則說明接收碼元可靠。如果碼元的規(guī)律性遭到破壞，則說明傳輸出錯，然后可以采取糾錯控制技術(shù)恢復(fù)傳輸碼元。x2.3傳輸系統(tǒng)標(biāo)題傳播介質(zhì)及網(wǎng)絡(luò)：傳輸介質(zhì)包括有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)兩大類，有線傳輸介質(zhì)形成的傳輸信道稱為有線信道，無線傳輸介質(zhì)形成的信道稱為無線信道。有線傳輸介質(zhì)有固定電話連接使用的雙絞線、有線電視使用的同軸電纜、光纖通信使用的光纜等，無線傳輸介質(zhì)有無線電波、紅外線、微波、衛(wèi)星、激光等。對有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)而言，其物理特性決定了其僅能實現(xiàn)傳送功能。利用傳輸設(shè)備（見圖2-8），可實現(xiàn)對傳送信號的有效調(diào)整，保證信號在傳輸系統(tǒng)中穩(wěn)定傳送。圖

有線傳輸介質(zhì)圖

天線（無線傳輸介質(zhì)）x2.3傳輸系統(tǒng)標(biāo)題多路復(fù)用技術(shù)：為了在一條物理信道中傳輸多路信息，提高信道的傳輸效率，需要將多路信息進行復(fù)用。多路復(fù)用技術(shù)是指將多路信號在發(fā)射端處組合起來，用一條專用的物理信道傳輸，到接收端后將復(fù)合的信號分離開來（見圖2-9）。常見的多路復(fù)用技術(shù)包括頻分復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM）、時分復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）、碼分復(fù)用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）和波分復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）。x2.3傳輸系統(tǒng)標(biāo)題多址接入技術(shù)：在無線通信系統(tǒng)中，各基站和移動用戶終端間的通信共用一個空間物理媒體，需要采用不同的信號特征來表征每一個無線信道，以便接收端能夠選擇接收所需無線信道。因此，在無線通信中，許多用戶同時通話，以不同的無線信道分隔，防止相互干擾的技術(shù)方式稱為多址方式。實質(zhì)上，切割與分配通信資源就相當(dāng)于劃分多維無線信號空間，不同維度上進行的不同劃分就對應(yīng)著不同的多址技術(shù)。我們常見的信號維度除了時域、頻域和空域外還有信號的各種擴展維度。在劃分信號空間時，在劃分的維度上要使各用戶的無線信號正交，此時用戶就能共享有限的通信資源，并且不會相互干擾。常用的多址技術(shù)主要有頻分多址（FrequencyDivisionMultipleAccess，F(xiàn)DMA）、時分多址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）、碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）和空分多址（SpaceDivisionMultipleAccess，SDMA）四種。x2.4交換系統(tǒng)標(biāo)題交換設(shè)備：交換系統(tǒng)設(shè)備完成數(shù)據(jù)路由和交換，實現(xiàn)終端設(shè)備互聯(lián)（見圖2-12）。以移動通信為例，當(dāng)用戶A撥打用戶B號碼時，用戶A所在移動交換中心（MobileSwitchingCenter，MSC）會根據(jù)既定規(guī)則對用戶B號碼進行“號碼分析”，從而實現(xiàn)路由及交換功能，即移動通信電話網(wǎng)的核心交換設(shè)備是移動交換中心。尋址技術(shù)：對于任意一個接入通信網(wǎng)絡(luò)的終端，若它需要從另一終端上獲取信息，就一定要知道對方所在的位置，這個位置就是用地址來表達的。例如，當(dāng)瀏覽某個網(wǎng)站時，需要知道它的網(wǎng)址。不管是使用哪種通信方式，在獲取信息或者通信時都需要知道信息發(fā)往何處，而此處的地址必須通過某種統(tǒng)一格式（如電話號碼、IP地址、域名）或者風(fēng)格（超文本鏈接、電視頻道）的標(biāo)識來表示。交換技術(shù)：（1）電路交換（circuitswitching，CS）：是指信息從一條物理電路到另一條物理電路，具有實時，無延時或延時很小（全程200

ms）的特點，通話前要為通話雙方建立一條通路，并保持到通話結(jié)束再拆除。電話通信的基本流程：主叫摘機，聽撥號音后開始撥號并建立接通關(guān)系，當(dāng)電話撥號的信令經(jīng)過許多交換器到呼號使用者所聯(lián)系的互換機上時，該互換機就給使用者的電話機振鈴，被叫者振鈴且主叫方送回鈴音，此時，雙方在同一電話網(wǎng)中的主、被叫號碼間已形成了聯(lián)系。當(dāng)呼叫的號碼接通并應(yīng)答后，即正式進入通信階段。在通通信程中，如果任何一方掛機，立即移除已形成的通信線路，并給另一方當(dāng)事人發(fā)出連忙音提醒掛機，以便結(jié)束通信。當(dāng)通信完成并掛機后，將掛機信令通知給這些交換器，使路由交換機立即釋放剛才的這一條物理通道。而這個需要經(jīng)歷“建立連接—通信—釋放連接”三個步驟的連網(wǎng)方法，稱為面向連接的服務(wù)。x2.4交換系統(tǒng)標(biāo)題（2）報文交換：為解決傳統(tǒng)電路交換中資源獨占、通信線路效率低下、存在呼損的問題，以及各種不同類別和特點的應(yīng)用終端間無法交叉通信的弊端，人們發(fā)明了報文交換。報文交換的基本原則是“存儲—轉(zhuǎn)送”。假設(shè)使用者A要給使用者B發(fā)送信息，則使用者A和使用者B之間不需預(yù)先設(shè)置連接通道，而僅需使用者A和互換機直接相連，由互換機暫時地將使用者A要傳輸?shù)膱笪慕邮詹⒈４?。然后互換機按照報文中給出的使用者B的位置判斷報文在互換網(wǎng)中的路由，并把報文放到送出隊列上排隊，在等候該送出線空閑時立刻把該報文送往下一臺互換機，最后到達使用者B。（3）分組交換:分組交換方式一般用在計算機之間的數(shù)據(jù)通信服務(wù)上，它的產(chǎn)生晚于電路互換。除了以上三種交換技術(shù)之外，還有作為全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中一個重要支撐技術(shù)的光交換技術(shù)，以及軟交換和IM交換等技術(shù)。x2.5通