江苏省计算机一级 第4章4.1 数字通信入门讲解

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1、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 2 4.1 数字通信入门 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 3 4.1 数字通信入门 4.1.1 数字通信的基本原 理 (1) 通信的基本模型 4 4.1 数字通信入门 什么是通信(communication) ？ n 广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交换 n 现代通信使用电波或光波传递信息的技术，也称为电 信（telecommunicatio

2、n），如电报、电话、传真、电子邮 件、QQ等，电视也可看作是一对多的单向通信 n 通信的发展历史： n1836年，英国建成第一条电报线路(Morse电报) n1876年，美国人A.G.Bell研制成可供实用的电话 n20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信 n1918年，出现收音机和无线电广播 n1938年，第一个电视台开始播出 n1940s 出现彩色电视 n1960s 出现计算机网络 5 4.1 数字通信入门 对通信系统的一般要求 n 远距离：传输距离要远 n 低成本：传输成本要低 n 高速度：从发生到接收的延迟时间要短 n 可靠：传输的信息不能有错误 n 方便：任何时间和地点都能通

3、信 n 安全：传输的信息要保密，不能泄漏 6 4.1 数字通信入门 通信系统的模型 n 通信的三要素： 信 道 信源(宿)信宿(源) 信 号 信 号 n 举例: 信道的任务是迅速、可靠而 准确地将信号从信源传输到 信宿 被传输的信息都必须以 某种电(或光)信号的形 式才能进行传输 发送信息 的设备 接收信息 的设备 有线电话移动电话计算机通信 信源/信宿电话座机手机计算机 信号形式话音经电话 机 转换成为变化 的电流信号 话音经电话 机转换成 为压缩编码 后的数字 信号 编码并打包后的数字信 号 信道构成电话线 和中继 器等传输设备 无线电波、基站等双绞线、集线器、路由 器、光纤等 7 4.1

4、 数字通信入门 模拟信号与数字信号 n 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 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 8 4.1 数字通信入门 什么是数字通信？ n 数字通信通信终端之间以数字信号的形式进行通

5、信 n 数字通信有2种情况： n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 n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 n数字通信技术的优点： n抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高 n灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可传输 n传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理 n数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高 n数字电路容易用超大规模集成电路实现，有利于通信设备的小型 化、微型化，也降低了功耗 9 4.1 数字通信入门 数字 调

6、制 数字 解调 编码器 解码器 电磁波 电视信号 发射器 电视信号 接收器 载波 载波 电视图像 及其伴音 电视机 人造卫星 数字通信技术 模拟 信号 模拟 信号 数字通信技术应用举例（1） n 卫星电视和数字有线电视：用数字通信技术传输模拟音视频信号 数字信号经调制和复用 后由天线发送至卫星， 再由卫星进行转发，被 卫星地面接收站所接收 ；或者经过光纤和同轴 电缆进行传输 电视台的节目在传输之 前，先要把图像和伴音 信号进行数字化，还要 进行数据压缩 地面站对接收到的信号 进行解调、解码后（或 同轴电缆送来的数字信 号经机顶盒处理后）恢 复为模拟信号，再送到 用户电视机上播放 10 4.1

7、数字通信入门 数字通信技术应用举例（2） n 长途电话系统的中继通信 PCM 编码器 PCM 解码器 PCM 编码器 PCM 解码器 多 路 复 用 器 分 路 器 光纤传输线路 (中继线和长途线) （本地电话局）（本地电话局） （用户线）（用户线） 数字通信技术 模拟传输技术模拟传输技术 模拟声音信号在需要进 行远距离传输之前，先 使用PCM编码器变换 为数字信号形式（此过 程称为“数字化”） 接收方所在地区的交换 局使用解码器把数字信 号还原成模拟声音信号 后，由用户线传输至接 听方的电话机 数字信号经调制和复 用后，通过光纤传输 到接收方所在地区的 交换局，再经解调和 分路处理，恢复为数

8、 字信号 11 4.1 数字通信入门 (2) 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 12 4.1 数字通信入门 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

9、讯距离长，容 量大，屏蔽特性非常好，不易被 窃听，重量轻，便于运输和铺设 。缺点是精确连接两根光纤很困 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 13 4.1 数字通信入门 双绞线和同轴电缆 n 原理：利用电流(电压)传输信息 n 双绞线分类 n3类线(10 Mb/s)；5类线(100Mb/s) ； 6类线(200Mb/s) n无屏蔽双绞线 (UTP)；屏蔽双绞线 (STP) 同轴电

10、缆 内层导线 金属屏蔽外绝缘层 绝缘体 n 同轴电缆分类 n基带同轴电缆（50） n以前在 以太网中使用 n宽带同轴电缆（75） n有线电 视网使用 信号线地线 套管 无屏蔽双绞线 14 4.1 数字通信入门 光纤与光缆 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 n 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） 纤芯 包层 保护层 光波 n 光缆 光 纤保护层 15 4.1 数字通信入门 光纤通信原理 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)

11、光调 制器 光纤 光纤 放大 电路 光检 测器 n 光纤主要用于传输数字信号， 0信号或1信号直接对光进行调制(即控制 激光的通或断) n 光波的频率为10141015Hz，目前一束光每秒能携带2.5G或10G的二进 位信号，通过波分多路复用（WDM）技术还可达到更大的通信容量 在发送端，由需要传输的 数字信号（电信号）去驱 动一个光源（半导体激光 器或发光二极管），并对 发出的光信号进行调制 在接收端，信号经放大后 由光检测器（半导体光电 管）进行检测、解调，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，为了补偿光纤 线路的损耗，消除信号失 真和噪声干扰，每隔一定 的距离要接入中

12、继器 16 4.1 数字通信入门 无线通信 n 原理：数字(或模拟)信号使用电磁波调制后进行传输 1041051061071081091010101110121013101410151016 Hz 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 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

13、1016 (Hz) 无线广播 电视、通信 通信 17 4.1 数字通信入门 微波通信 n 微波：300MHz300GHz范围内 的电磁波，波长为1 m1mm n 特点： n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 n容量大、可 靠性高 n建设费用低 n抗灾能力强 n 应用：长途电话、蜂窝移 动电话、全数字高清晰度 电视（HDTV）等 18 4.1 数字通信入门 卫星通信 n 卫星通信: 中继站在人造地球卫星上的 一种微波通信 n优点：通信距离远、频带宽、容 量大、抗干扰强、通信稳定 n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

14、卫星通信卫星 地面站地面站1 1 地面站地面站2 2 地地 球球 卫星卫星 卫星卫星卫星卫星 地球地球 3580035800公公 里里 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 19 4.1 数字通信入门 选讲： 卫星通信的重要应用GPS n 例美国研制GPS系统 n24颗卫星在1.2万公里高空以12小时 的周期绕地球运行 n地面任意点在任何时刻都可同时观测 到4颗以上卫星 n 原理： n由于卫星的

15、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) n 定位精度： n民用大约几十米 n军用可高得多 20 4.1 数字通信入门 选讲： GPS卫星接收机 n 根据用途有：导航型、测地型、授时 型等 n 产品形式：独立的GPS导航仪，也可 集成在电脑、手机、MP3(MP4)播放 器、甚至手表中 21 4.1 数字通信入门 个人移动通信 n 处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等 n 优点：克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息 基站 移动台 （手机） 移动电 话交换 中心 公

16、用电话网 22 4.1 数字通信入门 蜂窝移动通信原理 n 每10km20km的区域称为单元（形似 蜂窝），单元的中央建有一个基站，该 单元内所有手机都向该基站发送信号并 接收基站发给的信号 n 所有单元既相互分割，又彼此有所交叠 ，连成整个移动通信服务网 n 所有基站都通过微波或电缆、光缆与移 动交换中心通信 n 手机每个时刻都处于某个特定单元的基 站控制之下，通话时使用两个频率（一 个上行频率，一个下行频率），同一单 元内同一时刻的不同手机使用不同的频 率进行通信，相互不影响 n 每个蜂窝单元中有200 多个信道(GSM)。 n 相邻单元不允许使用相 同的频率，不相邻单元 的频率允许重用 移动 交换 中心 电话交 换中心 23 4.1 数字通信入门 选讲： 第二代移动通信系统 n 传输的是数字化的语音或文字信号 n 使用频段：900MHz/1800MHz，属于微波通信 n 我国使用两种标准： nGSM（欧洲移动通信系统，也称全球通) n已实现县以上城