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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,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,4.1.1 数字通信的基本原理,(1) 通信的基本模型,什么是通信(communication)？,广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交换 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、QQ等，电视也可看作是一对多的单向通信 通信的发展历史：
2、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 1940s 出现彩色电视 1960s 出现计算机网络,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,通信系统的模型,通信的三要素：,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(
3、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,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,0 0 1 1 0 1 0 0 0 1,什么是数字通信？,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
4、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 数字通信技术的优点： 抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高 灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可传输 传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理 数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高 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,数字通信技术应用举例（1）,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
5、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,数字通信技术应用举例（2）,长途电话系统的中继通信,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
6、复为数字信号,(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,传输介质的类型与特点,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(10 Mb/s)；5类线(100Mb/s)； 6类线(200Mb/s) 无屏蔽双绞线 (UTP)；屏蔽双绞线 (STP),同轴电缆分类 基带同轴电缆（50） 以前在以太网中使用 宽带同轴电缆（75） 有线电视网使用,光纤与光缆,光波在光纤中的传播,光导纤维（光线的入射角足够大时，就会
7、出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去）,光波,光缆,光纤通信原理,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) 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继器,无
8、线通信,原理：数字(或模拟)信号使用电磁波调制后进行传输,微波通信,微波：300MHz300GHz范围内的电磁波，波长为1 m1mm,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,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
9、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： 民用大约几十米 军用可高得多,选讲： GPS卫星接收机,根据用途有：导航型、测地型、授时型等 产品形式：独立的GPS导航仪，也可集成在电脑、手机、M
10、P3(MP4)播放器、甚至手表中,个人移动通信,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 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,公用电话网,蜂窝移动通信原理,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 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 所有基站都通过微波或电缆、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，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
11、使用不同的频率进行通信，相互不影响,每个蜂窝单元中有200多个信道(GSM)。 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,选讲： 第二代移动通信系统,传输的是数字化的语音或文字信号 使用频段：900MHz/1800MHz，属于微波通信 我国使用两种标准： GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通) 已实现县以上城市的覆盖, 接入号有139135、130 采用频分多路复用技术(分为124个上下行信道)和时分多路复用(每个信道8个连接)，每个蜂窝理论上支持992个连接，实际可有200多个 CDMA (码分多址接入，Code Division Multiple Access) 所有手机都占
12、用相同带宽和频率，在整个频段上进行信号传输, CDMA给每一手机分配一个唯一的码序列(扩频码)，用它对承载信息的信号进行编码，实现相互间的区分 抗干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小，,第三代移动通信系统（3G）,第2代移动通信的不足： （1）数据传输速率过低（9.6kb/s或57kb/s），仅可传输语音和文字 （2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。 （3）不能实现覆盖全球的无缝连接 3G的目标： （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 （3）地面移动通信与卫星移动通信相结合，实现全球漫游 使用的频谱：1
13、885 MHz 2025MHz，2110MHz2200MHz 传输速率：室内：2Mb/s，步行：384kb/s，快速移动：114kb/s 我国采用的3种技术标准：,(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 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
14、线电视；电话拨号上网；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,实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”：,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),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
15、载波信号，携带着被传输的信号在信道中进行长距离传输,(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）,频分多路复用(Frequency Division Multiplexing, 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)
16、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,常见广播电台使用的载波频率 中波 900 KHz(南京经济台) 中波1008 KHz (南京新闻台) 短波 15.28 MHz(英国BBC) 短波 15.29 MHz(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,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 工作原理：,应用：主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、GSM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
