第4章41数字通信入门new

第4章计算机网络与因特网4.1数字通信入门4.2计算机网络基础4.3因特网的组成4.4因特网提供的服务4.5网络信息安全4.1数字通信入门4.1.1通信的基本原理•通信系统模型•有线通信与无线通信•调制解调技术•多路复用技术4.1.2交换技术什么是通信(communication)？•广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交流•现代通信——使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ等•通信的要求：远距离、高速度、低成本、安全、可靠、方便•通信的发展历史：电报电话无线广播黑白电视彩色电视计算机网络1836187620世纪初191819381940’s1960’s越洋无线电报通信系统的模型•通信的三要素：信道信源(宿)信宿(源)信号信号模拟信号与数字信号•通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号)才能进行传输t数字信号信号强度模拟信号信号强度t电信号(或光信号)有两种形式：模拟信号形式:通过连续变化的物理量（如信号的幅度）来表示信息，例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号；数字信号形式:使用有限个状态(一般是2个状态)来表示（编码）信息，例如电报机、传真机和计算机发出的信号都是数字信号0011010001有线通信与无线通信•需使用物理介质进行信号传输的是有线通信，例如：•金属导体（双绞线、同轴电缆），传输电流信号•光导纤维（简称光纤），传输光信号•在自由空间进行信号传输的是无线通信，传输的是电磁波信号传输介质的类型与特点介质类型特点应用有线通信双绞线成本低，易受外部高频电磁波干扰，误码率较高；传输距离有限固定电话本地回路、计算机局域网同轴电缆传输特性和屏蔽特性良好，可作为传输干线长距离传输载波信号，但成本较高固定电话中继线路、有线电视接入光缆传输损耗小，通讯距离长，容量大，屏蔽特性好，不易被窃听，重量轻，便于铺设。缺点是强度稍差，精确连接两根光纤比较困难电话、电视等通信系统的远程干线，计算机网络的干线无线通信自由空间使用微波、红外线、激光等，建设费用低，抗灾能力强，容量大，无线接入使得通信更加方便.但易被窃听、易受干扰广播，电视，移动通信系统，计算机无线局域网双绞线和同轴电缆•原理：利用电流(电压)传输信息•双绞线分类–3类线(10Mb/s)；5类线(100Mb/s)；6类线(200Mb/s)–无屏蔽双绞线(UTP)；屏蔽双绞线(STP)同轴电缆内层导线金属屏蔽外绝缘层绝缘体同轴电缆分类基带同轴电缆（50Ω）以前在以太网中使用宽带同轴电缆（75Ω）有线电视网使用信号线地线套管无屏蔽双绞线光纤与光缆•光导纤维（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去）多根光纤保护层防止光泄漏的吸收外壳起保护作用的防护层外绝缘层光波在光纤中的传播纤芯包层保护层光波光缆(包含多根光纤)光纤保护层光纤通信原理光波优点：通信容量大：一束光每秒能传输2.5G或10Gb信息！传输距离远：无中继距离超过几十公里保密性强，信息不易泄露电信号驱动电路光源中继器输出电路电信号发送单元(电/光转换)传输单元接收单元(光/电转换)光调制器光纤光纤放大电路光检测器数字信号（电信号）驱动一个光源（半导体激光器或发光二极管），发出光信号光信号经放大后由光检测器（半导体光电管）进行检测、解调，再转换成电信号之后输出调制后的光信号通过光纤进行传输，为补偿光纤线路的损耗，每隔一定距离要接入中继器0/1信号对光波进行调制光纤通信：利用光波携带信息在光纤中传输，达到通信目的无线通信无线通信：利用电磁波携带信息在自由空间中传播，进行通信电磁波的种类与频率范围无线电波:104～1011(Hz)中波：0.3～3(MHz)短波：3～30(MHz)超短波：30～300(MHz)微波：0.3～300(GHz)红外线：1011～1014(Hz)可见光：1014(Hz)紫外线：1014～1016(Hz)无线广播电视通信1041051061071081091010101110121013101410151016Hz双绞线同轴电缆AM广播FM广播和TV卫星地面微波光纤紫外线红外线可见光微波无线电波超短波中波短波手机无线LAN手机：900MHz，1.8GHZ，2.1~2.2GHz;无线LAN：2.4GHz，5.8GHz微波通信•微波：300MHz～300GHz范围内的电磁波，波长为1m～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）等卫星通信卫星通信:中继站在人造地球卫星上的一种微波通信优点：通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定缺点：造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅180颗通信卫星地面站1地面站2地球卫星卫星卫星地球35800公里赤道上方高度为35800公里的地方为地球同步轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不动。一颗同步轨道卫星覆盖约120°，3颗同步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部面积，进行二十四小时的全天候通信选讲：卫星通信的重要应用——GPS•例——美国研制GPS系统–24颗卫星在1.2万公里高空以12小时的周期绕地球运行–地面任意点在任何时刻都可同时观测到4颗以上卫星•原理：–由于卫星的位置是精确可知的，通过地面接收机可测得与卫星的距离，利用三维坐标中的距离计算公式，就可以推导出接收机的地理位置(经度、纬度和高程)•定位精度：–民用大约十米–军用可高得多个人移动通信•移动对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等基站移动台（手机）移动电话交换中心公用电话网移动通信原理•每10km～20km的区域称为单元（形似蜂窝），每个单元中心高处建有一个基站，所有单元既相互分割，又彼此交叠，形成整个移动通信服务网•位于某单元内的所有手机都向该基站发送信号，并接收基站发给它的信号移动交换中心电话交换中心所有基站都通过微波或光缆与移动交换中心通信手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率与基站进行通信，相互不影响第二代移动通信（2G）•使用频段：900MHz/1800MHz，传输的是数字化的语音/文字信号•我国使用的2种标准（制式）：–GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通、全数字系统)•中国移动、中国联通经营的GSM网已基本覆盖县级市•移动的接入号段有：134～139、150～152、158、159•联通的接入号段有：130-132、155-156–CDMA(码分多址接入，CodeDivisionMultipleAccess)•抗干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小，•中国电信,接入号为133、153•不足：（1）数据传输速率过低（9.6kb/s或57kb/s），仅适合传输语音和文字（2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求第三代移动通信系统（3G）•使用的频段：1885MHz~2025MHz，2110MHz~2200MHz•传输速率：室内：1~3Mb/s，步行：384kb/s，快速移动：114kb/s•我国采用的3种技术标准：中国移动TD-SCDMA(G3),自主知识产权（157、187、188、147）中国电信CDMA2000(天翼),（180、189）中国联通W-CDMA(沃-WO)（185、186）3G的优点：（1）提供高质量的语音通信、数据通信和高分辨率图像通信（2）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务不足：发展慢、比例低(4.6%)，按流量收费费用高4G移动通信：室内:1Gbps，高速移動时:100Mbps我国沿海7个城市正在建设试验网（TD-LTE）(3)调制解调技术数字通信采用的技术•数字调制/解调技术（调幅；调频；调相）–解决信号传得远的问题•多路复用技术（时分多路；频分多路；波分多路）–提高传输线路使用效率、降低传输成本•交换技术（电路交换；分组交换）–动态分配信道资源，提高传输效率和质量•数字编码和数据压缩技术数字信号如何传输？•近距离传输：直接(基带)传输–例如：USB移动硬盘－主机；以太网数据传输•远距离传输：载波传输–例如：数字有线电视；手机；ADSL上网•什么是载波？–研究发现，高频振荡的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，把数字信号放在(调制在)载波上传输，则可比直接传输的距离远得多数字信号的三种调制方法(ASK)幅移键控(FSK)频移键控00110100010调制信号(两个状态)(PSK)相移键控载波信号(高频正弦波)调制后的载波信号传输信号解调器载波信号调制后的载波信号传输信号调制器载波信号实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”：信道信源(宿)信宿(源)调制后的载波信号接收到的载波信号调制(解调)器(调制)解调器载波载波小结1: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)例：ADSL宽带上网调制解调器把计算机送出的数字信号,采用数字调制的方法,调制成为适合于在用户电话线上传输的载波信号载波信号在电话网中经过交换机传输至目的地目的地计算机通过解调器从载波信号中恢复出数字信号传送给计算机ADSLMODEMADSLMODEM(4)多路复用技术怎样降低传输成本？•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）的容量通常远远超过传输1路用户信号所需的能力•降低成本采用的技术——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）DEMUXMUX共享的传输信道载波频率f1调制调制载波频率fn载波频率f1解调解调载波频率fnf频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing,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频分多路复用举例1•广播电台节目的发送与接收频分多路复用分路器(带通滤波器)信号发射信号接收常见广播电台使用的载波频率中波900KHz(南京经济台)■中波1008KHz(南京新闻台)短波15.28MHz(英国BBC)■短波15.29MHz(VOA美国之音)调频104.3MHz(南京体育台)■调频105.8MHz(南京音乐台)频分多路复用举例2电视节目的发送与接收频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)187.755123.259230.25295.756206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路复用器解调器在天空中传输的电磁波器电视信号发射器电视信号接收器电视节目调制器载波1电视图像及其伴音调制器载波2电视图像及其伴音调制器载波n电视图像及其伴音电视调谐器(分路器)时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing,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：HFGEDCBA传输线路时间片GC终端1终端2终端3终端4HDFBEA多路复用器43214321数据tMultiplexer多路分路器终端甲终端乙终端丙终端丁EAFBGCHDDemultiplexer应用：主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、