基本通信核心技术.docx

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基本通信核心技术

基本通信技术

20世纪无疑是通信技术和计算机技术蓬勃发展一百年，从19世纪模仿电话、电报通信到20世纪Internet，人类通信手段发生了翻天覆地变化。

今天，计算机已经由过去单机应用模式越来越多依赖于计算机之间互联和网络互联，通过将分布在不同位置计算机连接在一起，实现了计算机之间通信和数据互换。

通信技术是计算机互连基本，虽然这不是一本专门解说通信技术书籍，但是掌握某些通信知识对于理解计算机网络和Internet应用是非常有益。

由于通信技术许多概念、工作原理、拓扑构造和咱们将要讨论主题关于。

1.1通信系统简介

通信就是信息通过传播媒介进行传递过程。

人类通信历史非常久远，远古时代人类通过语言、符号或烽火传递信息，听觉和视觉是信息传递基本方式。

随着人类文明进步，特别是文字和印刷术创造，邮政系统成为信息传递手段。

而电创造和应用使人类进入了电子通信时代，电报、电话和广播电视已成为最重要信息传递手段。

20世纪末，随着计算机网络和Internet迅猛发展，Internet作为一种新通信媒体，向老式通信手段发出了新挑战。

1.1.1通信技术发展简史

自从19世纪初，人类开始电子通信以来，通信技术发展不久，新传播媒体不断浮现，下面简要回顾一下通信技术发展历史。

1837年，美国人摩尔斯（SamuelMorse）创造了有线电报，使得通过一条铜线上电脉冲来传递信息成为也许。

对报文每一种字符进行编码，这些编码相应着一串长短不一电脉冲，通过铜导线传导出去，接受者通过一种电子感应器来辨认编码信息。

1844年，摩尔斯建立了以她姓氏命名电报系统。

1866年，第一条横跨大西洋海底电报电缆铺设成功。

1876年，贝尔（AlexanderGrahamBell）创造了电话，它将声音转化成电信号，然后由一条电压持续变化导线传导出去。

在导线另一端，电信号被还原成声音。

初期电话系统，通话双方必要有一种直接物理连接，日后互换板技术变化了电话之间直接连接，接线员依照呼喊者说出电话号码来连接两部电话。

这样，两部电话通信不再需要事先建立固定连接，连接是依照需要暂时建立，大大改进了电话可用性。

1887年，德国人赫兹（H.R.Hertz）进行电磁波辐射赫兹实验，证明了麦克斯韦（J.C.Maxwell）电磁波学说。

1895年，马可尼（GuglielmoMarconi）创造了无线电报。

1894年，无线电通信奠基人马可尼第一次在家运用无线电波打响了10m以外电铃。

1895年夏，马可尼对已有火花式发射机和金属粉末检波器进行了改进，在发射机和接受机端加装了天线，成功地进行了无线电波传播信号实验。

同年秋天，她使通信距离增长到2.8km，并且在纸带上记录拍发来摩尔斯电报。

1897年，她运用风筝作为收发天线，使电信号越过了布里斯托尔海湾，距离达14km，创造了当时最远通信纪录，并于同年7月组建无线电报公司。

19，马可尼初次收到横跨大西洋4800km火花式无线电报。

19，在无线电基本上，调幅广播初次在美国实现。

1937年，英国开始黑白电视广播，1939年，美国开始黑白电视广播。

1941年，调频无线电广播得以实现。

1940年至1945年，使用雷达实现了微波通信。

1946年，世界上第一台多用途电子计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。

ENIAC共使用17 000各种真空电子管、70000各种电阻和6000各种开关。

整个机器重达30吨，占地170m2，功率150kW。

ENIAC计算机重要是靠继电器状态组合来完毕运算任务，每秒钟可进行5000次加法运算。

1947年，贝尔实验室Schockley博士创造了被誉为“20世纪最伟大创造”晶体管。

1953年，美国开始试播NTSC制式广播电视。

1955年，NarinderKapany创造了光纤。

1956年，铺设越洋电缆。

1957年，前苏联发射了人类历史上第一颗人造地球卫星Sputnik，卫星高度达900km。

1958年，TexasInstruments公司制成第一种集成电路，贝尔电话推出了第一台调制解调器，贝尔实验室研究人员创造了激光。

1962年，美国发射了第一颗通信卫星Telstar-I，卫星通信进入实用阶段。

20世纪60年代后来，随着微电子技术和计算机技术迅速发展，大规模集成电路、超大规模集成电路、数字传播理论和技术、商用通信卫星、程控数字互换机、光纤通信、综合数字业务等一系列技术都得到了迅速发展和应用。

1.1.2通信系统构成

实现信息传递所需要一切设备构成通信系统，通信系统普通由5个某些构成，概念模型如图1-1所示。

图1-1通信系统概念模型

从通信系统概念模型来看，通信事实上涉及两大方面问题。

一方面，是信息符号表达和编码，即信息如何表达，以及为了依照通信媒体物理特性选取相应编码。

另一方面，通信媒体物理特性，如何表达和传播编码数据。

1．信息源

按照信息源输出信号性质来区别，信息源可分为模仿信源和数字信源。

模仿信源输出持续幅度信号，如：

声音强度、温度高低变化等都是模仿信号。

数字信源输出离散值，每个离散值代表一种符号，如：

计算机、电传机产生输出数据等。

2．发送设备

发送设备是将信源产生信号变换成可以在传播媒介中便于传送信号形式，送往传播媒介。

这种变换是各种各样，常用办法是调制。

对于数字通信系统来说，发送设备涉及信源编码和信道编码两个某些。

信源编码将持续信号变为数字信号，信道编码使数字信号和传播媒介匹配，来提高传播有效性和可靠性。

此外，发送设备还涉及为了实现某些特殊规定而进行各种解决，如信息分组、数据加密、多路复用等。

3．传播媒介

传播媒介是指从发送设备到接受设备信号传递所通过物理媒介。

传播媒介可以是有线，如：

同轴电缆、双绞线、光纤等。

也可以是无线，如微波、通信卫星、移动通信等。

无论是有线还是无线传播，由于传播介质和电信号固有物理特性，信号在传递过程中会产生干扰和信号衰减。

4．接受设备

接受设备用于信号辨认，它将接受到信号进行解调、译码操作，还原为本来信号，提供应接受者。

5．接受者

接受者将接受设备得到信息进行运用，从而完毕一次信息传递过程。

最后，需要阐明是，图1-1描述是单向通信，事实上大某些通信系统都是双向通信。

信息发送者同步也是信息接受者，反过来信息接受者也是信息发送者。

通信双方均有发送和接受设备，如果两个方向均有不同传播媒介，则双方可以独立发送和接受信息；如果传送和接受公用传播媒介，则需要采用相应技术如频率或时间分割办法来共享传播介质。

通信系统除了完毕信息传递外，有时还需要在不同传播系统之间进行互换，传播系统和互换系统共同构成一种完整通信系统，或称为通信网络。

1.2通信媒体

信息通信是以某种能量形式编码数据通过传播媒体来传送，在研究信息编码此前，先来简介各种通信媒体物理特性。

惯用通信媒体可以提成三类：

第一类为金属导体，例犹如轴电缆、双绞线等，运用铜或铁等金属导体电流变化来传播数据。

第二类为以光纤为代表透明玻璃或塑胶绳媒体，它们运用光波来传播数据。

第三类媒体不需要物理连接，重要是运用电磁波辐射来实现数据传播，例如无线电报、无线广播等。

数据传播特性和质量是由传播介质特性和信号特性决定，每一种传播媒体在带宽、延迟、成本和安装维护方面各不相似，下面对每一种媒体作简要简介。

1.2.1双绞线

图1-2非屏蔽双绞线构造示意图

双绞线由螺旋状扭结在一起两条绝缘导线构成，线对扭结可以有效地减少串扰。

双绞线有屏蔽和非屏蔽双绞线两种类型。

现行双绞线电缆中普通包括4个双绞线对，详细为橙/白橙、蓝/白蓝、绿/白绿、棕/白棕。

双绞线构造如图1-2所示。

双绞线既可以传播模仿信号，也可以传播数字信号。

对于模仿信号，双绞线中继距离为5～6km。

例如，在电话通信系统中，采用双绞线传播语音信号。

虽然语音频率大概在20～30kHz之间，但是可听见语音所需要带宽要窄多，大概在300～3300Hz。

因而，在一条双绞线上，采用频分多路复用技术可进行各种音频通道复用，每个通道容量为3kHz。

由于双绞线带宽约为268kHz，这样在一对双绞线上可以频分为24个音频信道。

使用调制解调器可以在模仿音频信道上传播数字信号。

每一通道比特率可达9600b/s，因而在一条24通道双绞线上，总传播速度可达230Kb/s。

使用T1线路在双绞线上传播数字信号，传播速率可达1.544Mb/s，实际传播速率与传播距离关于。

在10BaseT网络中，在100m距离内，传播速率可达10Mb/s，采用特殊信号编码技术，传播速率可以达到100Mb/s。

1.2.2同轴电缆

同轴电缆（Coaxial）以单根铜导线为内芯，外裹一层绝缘材料，再外覆一层密集网状导体，最外面是一层保护性塑料。

同轴电缆构造如图1-3所示。

图1-3同轴电缆构造示意图

金属屏蔽层能将磁场反射回中心导体，同步也使中心导体免受外界干扰，故同轴电缆比双绞线具备更高带宽和更好噪声抑制特性。

同轴电缆重要有两种应用，一种为50Ω（沿电缆导体各点电磁电压对电流比）电缆，用于基带数字传播；另一种为75Ω电缆，用于宽带模仿传播。

使用基带传播数字信号，信号占据整个频宽，电缆上只有一种信道。

基带电缆传播重要用于局域网，采用曼彻斯特编码，传播速率为10Mb/s。

宽带模仿传播采用原则有线电视技术，频带可达300～450MHz。

由于传播模仿信号，传播距离可达100km。

要在模仿网上传播数字信号，需要在特殊接口，把比特流转换为模仿信号和将模仿信号还原成比特流。

宽带可以分为各种信道，电视广播普通占用6MHz，每个信道可用于模仿电视、CD质量声音或者3Mb/s数据流。

电视和数据可以在一条电缆上混合传播。

随着电话系统和有线电视公司激烈竞争，有线电视系统会在宽带电缆上提供电话和其她服务。

在以太网架设中，同轴电缆接法有两种：

直径为1cmRG-11粗缆采用凿孔接头接法，直径为0.5cmRG-58细缆采用T型头接法。

粗缆符合10Base5介质原则，使用时需一种外接受发器和收发器电缆，单根最大长度为500m，可靠性强，最多可接100台计算机，两台计算机最小间距为2.5m。

细缆按10Base2介质原则直接连到网卡T型头连接器（即BNC连接器）上，单段最大长度为185m，最多可接30个工作站，最小站间距为0.5m。

1.2.3光纤

光纤（OpticalFiber）是光导纤维简称，是一种可以传导光信号极细传播介质。

光纤是由玻璃或塑料等物质材料做成。

光纤由纤芯、覆层和保护层三个某些构成，构造如图1-4所示。

纤芯为光通路，由纯净玻璃和塑胶材料制成，每一路光纤涉及两根，一根接受，一根发送。

覆层包围着纤芯，由多层反射玻璃纤维构成，光密度比纤芯某些低，可将光线反射到纤芯上。

保护层起保护和提供光纤强度作用，防止光纤受到弯曲、外拉、折断和温度等影响。

与同轴电缆比较，光纤可提供极宽频带且功率损耗小、传播距离长（2km以上）、传播率高（可达数千兆位每秒）、抗干扰性强（不会受到电子监听），是构建安全性网络抱负选取。

1．光纤工作原理

依照光学原理，当光线从一种介质进入另一种介质时，在两种物质交界处会发生折射现象，如图1-5所示。

图1-4光纤截面图图1-5光折射和反射示例

若光源入射角度为α，一某些光线在表面以α 角反射回来，而另一某些光线将穿越边界，进入另一种物质媒体，即折射光。

折射光不会按直线射出，它和边界夹角为β。

例如，在二氧化硅/空气界面上，光线以21°角射入，将以31°角射出。

如果第一种媒体光密度不不大于第二种媒体，则β < α，反之则β > α。

物理学家用折射率来衡量这种关系，折射率定义为cos（α）和cos（β ）比。

如果cos（α） < cos（β ），则α > β。

因而，当折射率不大于1，表白光线正在进入一种光密度较小媒体。

一种有趣现象是，在折射率不大于1状况下，当入射角α不大于某个特定临界值时，将不发生折射。

即光线将所有反射回第1种媒体，而不会漏射入第2种媒体。

这就是光纤工作原理。

依照光纤工作原理，光线将被完全限制在光纤中，可以无损耗地传播几十公里。

由于光线是端到端传播，可以将光纤想像成一种几十公里厚玻璃，并且是透明。

2．光纤类型

光线沿着纤芯传播存在一种潜在问题，由于穿越光纤光线频率普通为1014Hz，波长大概为2×10– 6m，即2μm。

和光波长相比，当光传播媒体相称厚时，光将从不同位置，以各种不同角度进入媒体。

有些光线基本上沿着媒体中线传播，有些光线则以不同角度撞击边界面，成果是光将以有限角度在边界面之间来回反弹沿着传播媒体向前传播。

每一种角度都定义了一条途径或一种模式。

以这种方式传播光波光纤成为多模光纤，如图1-6所示。

图1-6多模光纤

多模光纤又分为步率多模光纤（stepindexmultimodefiber）和级率多模光纤（gradedindexmultimodefiber）两种。

两者区别是级率多模光纤所用覆层材料光密度由内向外逐渐变小，从而减少了步率多模光纤中模式散步（modaldispersion）现象。

在多模光纤中，光波以有限模式向前传播，模式详细数目是由纤芯所用媒体直径和光波长决定。

减少纤芯直径可以减少光线撞击边界面角度数目，即模式数目减少了。

如果纤芯直径减少到一定限度，光纤内将只有一种模式传播光波，这就是单模光纤（singlemodefiber），如图1-7所示。

图1-7单模光纤

纤芯直径应当是多少呢？

依照物理学原理，反射体反射电磁波（如光波）能力与其大小关于。

要使光纤按照单模方式传播，反射体（即覆盖层）必要不不大于被反射光波长，由于覆盖层包围着核心媒体（纤芯），因而覆盖层大小是由核心媒体直径决定。

由于穿越光纤光线频率普通为1014Hz，依照波长和频率关系：

因光速c = 299792458m/s（≈3⨯108），可以得出光线波长大概为2×10–6m，即2μm。

因而，单模光纤直径普通为4～8μm，大概有人头发丝那么细。

光纤又经常按照芯直径提成各种规格型号，当前常用有8.3μm芯/125μm覆盖层（单模）、62.5μm芯/125μm覆盖层（多模）、50μm芯/125μm覆盖层（多模）和100μm芯/140μm覆盖层（多模）等各种规格。

3．光纤系统

采用光纤传播，除了光纤传播介质以外，还需要光源和检测器等。

一种光纤系统如图1-8所示。

图1-8光纤传播系统

当前光纤系统中使用光源重要有发光二极管（lightemittingdiode，LED）和注入式激光二极管（Injectionlaserdiode，ILD）两种。

LED是一种在加电后能发光固态器件，可以工作在较宽温度范畴、较长使用寿命、价格低。

ILD是基于被激发量子电子效应而产生窄带超发光束以激光原理固态器件，ILD更为有效，可以支持更高传播速率，价格昂贵。

当前在局域网中使用较多是850nmLED光源。

在光波传播中采用一种称为ASK（amplitudeshiftkeying）光强度调制，二进制0和1是用一种给定频率光有无来表达。

LED和ILD器件都能用此方式调制，而接受端监测器可以直接相应光强度调制。

在接受端，监测器光电二极管将光变成电信号。

新波分多路复用技术（wavelengthdivisionmultiplexing，WDM）对每个位流使用不同波长，可以在一条光纤上复用、发送和传播各种位，如按照一种字节8位（b）并行传播。

WDM光纤链路适合于字节宽并行计算机接口。

1.2.4微波通信

无论使用双绞线、同轴电缆还是光纤作为传播介质，都是在通信设备之间建立一种物理连接。

在许多状况下，物理连接是不实际，甚至是不也许，这就需要无线通信。

1．电磁波

无线通信运用物理学电磁波理论，电磁波是发射天线感应电流而产生电磁振荡辐射。

电磁波在自由空间传播，被接受天线感应。

无线通信例子诸多，例如：

无线广播、电视等。

电磁波依照频率和波长分为无线电波、红外线、可见光、紫外线等。

依照电磁波原理，低频电磁波将以较少损耗从高层大气中反射回来。

通过在地面和大气之间来回反弹，电磁波可以在地球表面传播很远。

例如，频率为3～30MHz短波设备可以接受到地球背面传来信号。

频率较高信号趋向于以较大损耗进行反射，传播距离较近。

依照物理学原理以及频率与波长关系，低频波传播需要很长天线。

2．微波传播

微波是波长约1m～1mm（相应频率为300MHz～300GHz）电磁波，该段电磁频谱又提成分米波、厘米波和毫米波等。

从当代电磁技术发展来看，普通以为波长不大于1mm电磁波属于微波范畴。

微波有两个重要特性。

第一，微波是直线传播，不能向低频波同样沿着地球曲面传播。

第二，大气条件和障碍物将妨碍微波传播。

由于微波是直线传播，它规定消息发送方和接受方之间有一条视线通路（lineoflight）。

当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送，例如卫星到地面、都市两个建筑物之间，或者很大无法实际布设电缆开阔区域，如沙漠、草地和湖泽等。

由于地球表面是曲面，因而，微波在地面传播距离有限。

为了使微波通信传播更远距离，需要建立若干中继站。

在中继站内，配备信号放大器和安装双向天线，这些双向天线以点到点方式汇集其她点发出电磁波或无线电波能量。

天线之间需要无障碍途径，最大范畴可达30km。

天线普通安装在高塔上，以扩展它们工作距离，并避免引起反射信号障碍物。

各地无线电发射接受器通过天线发送信号。

安装一种小微波系统是很简朴。

例如，可以在两个建筑物墙上分别安装一种天