通信技术

通信的定义：

• 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.
  通信的发展历史：
  1836年，英国建成第一条电报线路(Morse电报)
  1876年，美国人A.G.Bell研制成可供实用的电话
  20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信 1918年出现收音机和无线电广播
  1938年第一个电视台开始播出
  1940’s 出现彩色电视
  1960’s 出现计算机网络
• 通信的三要素：信源、信宿、信道
• 对通信系统的一般要求
  远距离：传输距离要远
  低成本：传输成本要低
  高速度：从发生到接收的延迟时间要短
  可靠：传输的信息不能有错误
  方便：任何时间和地点都能通信
  安全：传输的信息要保密，不能泄漏

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
• 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

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
模-数和数-模转换技术； 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；电话拨号上网 ；ADSL上网。

远距离传输信息

• 远距离传输：载波传输
  什么是载波？
  由于导线存在电阻，低频的电信号直 接传输的距离不可能很远。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。 调制器与解调器合称为调制解调器

数字信号的三种调制方法

实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”
结论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)
信源信号通过调制器调整载波的某个参数(幅 度、频率或相位)
到达目的地后，使用解调器把载波所携带的信号检测出来，恢复为原始信号的形式
经过调制后的载波信号，携带着被传输的信号在信道中进行长距离传输

• 调制：信息传输时，利用信源信号去调整载波的某个参数的过程。不同类型的信号，需要的调制方法也不同。
  调制模拟信号的方法有：调频、调幅、调相； 调制数字信号的方法有：频移键控、幅移键控、相移键控。
• 解调：在长距离传输到目的地后，接受方把载波所携带的信号检测出来恢复为原始信号的过程。

低成本传输信息

• 多路复用技术
  怎样降低传输成本？
  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
  为了提高传输线路的利用率，一般总是让多路信号同时共 用一条传输线路进行传输，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）
• 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)
2. 电视节目的发送与接收

• 时分多路复用(Time Division Multiplexing, 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
• 应用：主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、GS M手机、总线式以太网等
  异步时分多路复用
• 数据发送方和接收方也可以异步地进行信息传输。即：发送方有数据且信道有空闲时就发送，没有数据时即使轮到它，也不占用信道。这样可以大大提高信道的利用率
• 实现方法：在被传输数据中必须附加上接收方的“地址

码分多路复用（Code Division Multiple,CDM）

思想：CDM与FDM（频分多路复用）和TDM （时分多路复用）不同,它既共享信道的频率, 也共享时间,是一种真正的动态复用技术.

• 其原 理是每比特时间被分成m个更短的时间槽，称为码片（Chip）,通常情况下每比特有64或 128个码片.每个站点(通道)被指定一个唯一的 m位的代码或码片序列。当发送1时站点就发 送码片序列，发送0时就发送码片序列的反码 。当两个或多个站点同时发送时，各路数据在 信道中被线形相加。为了从信道中分离出各路 信号，要求各个站点的码片序列是相互正交的 。
• 码分多路复用技术主要用于无线通信系统,特别是移动通信系统.它不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通 信的影响,而且增大了通信系统的容量.笔记本电脑或个人数字助理(Personal Data Assistant, PDA) 以及掌上电脑(Handed Personal COmputer,HPC)等移动性计算机的联网通信就是使用了这种技术。

波分多路复用(Wave Division Multiplexing, WDM)

• 为提高传输效率，1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波，每种 光波各自传输自己所携带的信息，速率可达到 40G-100Gbit/s
  原理：
  发送端有N个 发送单元，它 们各自发出不同波长的光波
  通过复用器（称 为合波器）合并起来，进入同一 根光纤进行传输
  接收端用分路器(称为分波器)将不同波长的光分开，分别送到各自的光电检测器 恢复出原始信号
  结论2: 多路复用可以降低通信成本
  

附加: 分组交换原理

• 通信系统中“交换”的含义
  “交换”(switching)的含义就是转接——把一条 链路转接到另一条链路，使它们连通起来
  从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源
• 常用的交换方式：

1. 电路交换
2. 分组交换
3. 交换机

• 什么是电路交换？
  电话网使用电话交换机互连，采用的交换技术是“电路交换”技术
• 电路交换的过程：
   建立连接
   通信
   释放连接
• 应用：电话

分组交换

• 分组交换也称为包交换
  节点计算机把需要传送的数据划分为若干小块，再加上地址、编号、校验等信息后就构成了一个“包”（packet，也称“分组”） 数据包经过分组交换机的缓冲和转发到达目的计算机 目的计算机则根据数据包的编号进行处理， 达到通信的目的
• 什么是分组交换(Packet Switching)?
  分组交换的要点： 被传输的数据必须划分为若干“分组”(packet, 简称“包”)进行传输 每个分组中必须包含收发双方的地址
• 分组交换机与存储转发

广域网中的交换机称为分组交换机或包交换 机(packet switch) 。 分组交换机的基本工作模式：存储转发
当一台计算机发送一个数据包到另外一台计算机去时，必须在数据包中给出目的计算机的地址
每一台交换机都必须有一张“转发表”，包含了所有可能目的地的输出端口的编号和到达目的地的最短路径

分组交换机与存储转发

• 转发表是交换机中的软件根据交换机与计算机、交换机与交换机之间的连接情况自动计算得到的。
  交换机与交换机之间的连接采用数据通信线路，几乎所有的点对点数字通信方式都可以使用。
• 优点：
  1.线路利用率高
  2.数据通信可靠
  3.很高的灵活性，接受方忙时，整个网络都可以作为缓冲，可为数据建立优先级
  缺点：

1. 延迟较长
2. 额外开销大
3. 需要高性能的交换机，成本较高

• 分组交换的应用
  在数据通信和计算机网络中应用广泛，如 ： 低速的X.25网
  中速的帧中继网
  高速的ATM网等
  局域网中也采用分组交换技术
  交换式以太网
  蜂窝移动通信系统(手机)也采用分组交换 技术

数字通信

模拟通信技术与数字通信技术

模拟通信

• 信源产生的模拟信号直接进行传输或者通过对载波调 制后进行传输的通信技术称为模拟通信技术
• 应用： (传统的)有线载波电话

1. 无线电广播
2. 电视（卫星电视、数字有线电视除外）

• 优点：历史长，技术成熟，结构简单，成本低
• 缺点：在信号的调制和传输过程中易受噪声干扰，传输质量不够稳定
  趋势：已经越来越多地被数字通信所取代

数字通信的定义

• 数字通信——通信终端之间以数字信号的形式进行通 信
  数字通信有2种情况： 终端设备发出和接收的都是数字信号，例如：计算机与计 算机之间的通信、手机与手机之间的通信
  发送方发出的是模拟信号，但把它转换成数字信号后再进行传输；接收方把收到的数字信号转换成模拟信号后再予以处理和使用
• 数字通信技术：将信源模拟信号转换为数字信号，然后 直接传输数字信号或通过用数字信号对载波进行数字调制来传输信息的技术。
• 数字通信的优点： 抗干扰能力强，差错可控制，可实现远距离 、高质量传输； 灵活性好，能适应电话、图像、数据等各种 应用要求； 由于传输的是数字信号，可直接由计算机进 行存储、管理和处理； 易加密，安全性高； 数字电路可以使用大规模集成电路，有利于 小型化、微型化。

数字通信的应用

• 计算机网络 --基带传输（信号直接在网络中传输，如以太网）
• 频带传输（信号调制后在网络中传输，如广域网）

数字通信系统的性能指标

• 信道带宽：带宽又叫频宽，最早出现在模拟通信时代，指的是信号频率的变动范围，一般由信号的最高频率减去最低频率所得，单位为赫兹（Hz）。信道带宽指的是能够通过的频率分量的范围。在数字通信系统中，带宽指一个信道允许的最大数据传输速率。
• 数据传输速率：单位时间内传送的二进制比特数。
• 误码率：指错误接收的码元数在传送总码元数中所占的比 例,或者更确切地说, 误码率 是码元在传输系统中被传错的 概率。
• 端到端延迟：指数据从信源传送到信宿所花费的时间。
  性能指标与传输介质、传输技术和设备密切相关。