1、通信系统复习远程教育中的通信系统复习大纲1 通信系统概述1.1 通信的任务与发展1.1.1 通信的任务：克服距离上的障碍，迅速而准确地传递信息。 1.1.2 通信的发展A、 语言方式通信，通过人力、马力和烽火台等手段通信；B、 通过文字及邮政通信；C、 印刷；D、 电气通信：电报、电话、广播等；E、 信息时代：通信与计算机结合。1.1.3 远程教育与通信系统的关系丁兴富：三代远程教育与三代通信系统（2002）分期年代远程教育信息技术主要媒体第一代19世纪中叶-20世纪中叶函授教育传统印刷技术邮政运输技术早期的视听技术印刷材料、照相、电话、幻灯、电唱、投影、录音、电影、早期录音第二代20世纪中叶
2、到80年代末多种媒体教学的远程教育单向传输为主的电子信息通信技术大众媒体（广播电视、卫星电视）、个人媒体（录音录像、光盘、微机）、远程电子通信（始）、计算机辅助教学第三代20世纪90年代初开放灵活的远程学习双向交互的电子信息通信技术远程电子通信（续）、无线移动通信、计算机多媒体、计算机网络、知识（智能）媒体、虚拟技术远程教育模式和相关的发送技术（泰勒，2003）第一代函授模式印刷第二代 多种媒体教学模式印刷 录音带录像带有关计算机的学习（如计算机管理学习和计算机辅助学习）交互录像（盘和带）第三代 远程学习模式音频远程会议视频会议音频图像通信广播电视和播音随同音频远程会议第四代 灵活学习模式相互
3、作用多媒体基于因特网获取万维网资源计算机媒介通信第五代 智能灵活学习模式在线交互多媒体在线资源自动反应计算机为媒介的通信基于校园网的教学与资源远程教育的阶段划分通常以所使用的技术手段为依据。1.2 通信基础知识1.2.1 模拟与数字几个常用术语：A、 消息：有待于传输的文字、符号、数据和语音、活动图片等等信息。 消息分为两类：离散消息，消息的状态是可数的或离散的，也称为数字消息；连续消息，状态是连续变化的。 B、 信号：为便于传输，将消息通过一些设备转变为与消息一一对应的电量，即为信号。它是消息的物质载体，通常消息被载荷在电信号的某一参量上。 C、 通信系统：传递信息所需要的一切技术设备的总和
4、。按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，分为模拟通信系统和数字通信系统。 模拟信号：代表消息的信号及其参数（幅度、频率或相位）随消息连续变化的信号。 数字信号：在时间与幅度上都是离散的信号。 数字通信的主要特点： 抗干扰能力强。 差错可控。 可以采用信道编码技术使误码率降低， 提高传输的可靠性。 易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。 易于集成化， 从而使通信设备微型化。 易于加密处理， 且保密强度高。 缺点： 数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。数字通信的频带利用率不高。例如：一路模拟电话带宽为4kHz，而一
5、路接近同样话音质量的数字电话可能要占据 2060kHz的带宽。 另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。 前景：宽带信道（光纤）的发展，其缺点已可以接受，在现代通信的发展中已成为主流。 1.2.2 通信系统的构成（模拟通信系统与数字通信系统）从硬件上看，通信系统主要由信源、信宿、传输介质和收信、发信设备五部分组成 模拟通信系统模型如图所示。图中的调制器和解调器就代表上图中的发送设备和接收设备。数字通信系统的一般化模型，1.2.3 通信方式的划分1.2.3.1 按消息传递的方向与时间关系分对于点与点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系， 通信方式可分为单工、半双工及全双工通信三种
6、。单工通信消息只能单方向传输的工作方式， 因此只占用一个信道， 广播、遥测、遥控、无线寻呼等就是单工通信方式的例子。半双工通信通信双方都能收发消息， 但不能同时进行收和发的工作方式。例如，使用同一载频的对讲机，收发报机以及问询、检索、科学计算等数据通信都是半双工通信方式。全双工通信通信双方可同时进行收发消息的工作方式，一般情况全双工通信的信道必须是双向信道。普通电话、手机都是最常见的全双工通信方式， 计算机之间的高速数据通信也是这种方式。1.2.3.2 按通信对象数量的不同，通信方式可分为点到点通信(即通信是在两个对象之间进行)、点到多点通信(一个对象和多个对象之间的通信)和多点到多点通信三种
7、(多个对象和多个对象之间的通信)1.2.4 信号转换（调制）调制的目的便于信号的传输实现信道的多路复用改善系统抗噪声性能调制定义：按基带信号的变化规律去改变高频载波某些参数的过程 调制分类：幅度调制（属线性调制）：AM、DSB、SSB、VSB 角度调制（非线性调制）：FM、PM1.2.5 信号的频域分析通信原理中有一个很重要的基本概念就是信号的频谱。通常，我们习惯于在时间域(简称时域)考虑问题，研究函数(信号)幅度(因变量)与时间(自变量)的关系。而在通信领域我们常常需要了解信号幅度和相位与频率(自变量)之间的关系。也就是说，要在频率域(简称频域)中研究信号。无论是一个周期信号还是一个非周期信
8、号都可在频域进行研究分析。任何一个信号都具有频谱(随机信号用功率谱描述)。对于非周期信号，根据频谱宽度我们把信号分为频带有限信号(简称带限信号)和频带无限信号。频带有限信号又包括低通型信号、带通型信号。任何一个信道不管是一个设备、一个电路或是一个传输介质，对信号的传输都有影响，除线路损耗之外，还主要表现在两个方面：一个是对不同频率信号的幅度衰减，通常是传输信号的频率越高，信道对信号的衰减越大；再一个就是对不同频率信号的延迟。信道对信号的这两个影响正好可以用信道的频率特性(也叫频响特性)，即幅频特性和相频特性来表示。在多数情况下，我们只关心其幅频特性，所以把输出信号的幅值与频率的变化曲线叫做频率
9、响应曲线，简称频响曲线。大多数信道的频响曲线都是带通型的，也就是说，信道对某一频率段的信号幅度影响不大且基本上一致，而对大于或小于该频率段的信号影响较大，并且逐渐衰减到零。对于一般信道而言，我们希望通频带越宽越好(对于模拟信号来说，意味着频分复用的信号路数就越多，或者信号的保真程度就越高；对于数字信号意味着比特率就越大，可以传输更多的信息)，频响曲线越平越好(输出信号的一致性好)。需要注意的是，尽管在计算机网络中使用“宽带”或“窄带”表示信息传输速率，但它们的单位却不是“赫兹(Hz)”而是“比特/秒(b/s)”。1.2.6 信号数字化原始信号数字化三个步骤：采样、量化 、编码低通抽样定理：一个
10、频带限制在（0，fH）的连续信号m(t)，如果抽样频率fs大于或等于2fH，则所得到的抽样值ms(t)，可以不失真地重建恢复原始信号m(t)。利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程称为量化。 抽样是时间上的离散，而量化是幅度上的离散，从数学上看，量化是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。 量化噪声：量化之后信号会产生误差，称为量化噪声。语音信号常用抽样频率：44.lKHz（达到CD音质），22.05KHz(达到调频广播音质)及11.025KHz(达到电话语音音质)。数字电话的抽样频率为8KHz。1.2.7 多路复用若干路信息在同一信道中传输称为多路复用。有两种
11、基本的多路复用方式：频分复用(FDM)与时分复用(TDM)。按频率区分信号的方法叫频分复用，而按时间分割信号的方法叫时分复用。2 用户接入网2.1 通信网络的整体构成与接入网的位置通信网络包括3大组成部分：传送网、交换网、接入网接入网是用户与通信网络连接的接口。可以利用同一个接入网设备接入到不同交换网网络中。2.2 有线接入网络2.2.1 ISDN接入 ISDN方式，Integrated Service Digital Network的缩写，其中文名称是综合业务数字网。 ISDN是数字技术和电信业务结合的产物。 用户可以根据需要，在一对用户线上任意组合不同类型的终端，例如可以将电话机、传真机和
12、PC机连接在一起，可以同时打电话，发传真或传送数据。 一条电话线可当两条用，可以使用两部电话，在上网的同时拨打、接听电话、收发传真；还可以使用两台计算机同时上网。通过配置适当的终端设备，也可以实现可视电话或会议电视功能。 用户线传输速率是64Kbps或128Kbps。2.2.2 DDN接入 数字数据网DDN（Digital Data Network）是将数万、数十万条以光缆为主体的数字电路，通过数字电路管理设备，构成一个传输速率高、质量好，网络时延小，全透明、高流量的数据传输基础网络。 一般作为一种专线接入方法 传输质量高，时延小，通信速率可以根据用户需要任意选择。 可用于多种业务。可以根据带
13、宽获得多路通话话路，还可以将专线的速率灵活划分给电路、电话、计算机网等应用。2.2.3 ADSL接入xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它在承载电话业务的同时能够承载宽带业务。 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线 ADSL在一对铜线上支持上行速率640Kbps到1Mbps，下行速率 1Mbps到8Mbps，有效传输距离在35公里范围以内。2.2.4 HFC接入光纤同轴混合网HFC（Hybrid Fiber Coax）是在传统有线电视网CATV（Cable Television）的基础上发展起来的一种居民
14、宽带接入网。其网络传输主干为光纤，到用户端为同轴电缆接入。HFC不仅可以实现原CATV的业务，还能实现普通电话、VOD、远程医疗和数字交互业务等窄带和宽带业务，将电话网、计算机网和有线电视网的各种业务合并在一起，实现“三网合一”。 缆线调制解调器CM（Cable Modem）是连接用户的电脑至Cable Network的必需设备。 缆线调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在 310 Mb/s之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为 0.22 Mb/s，最高可达 10 Mb/s。 普通Modem的传输介质由用户独享，而CM的传输介质是HFC网，将数据信号调制到某个传输频带与
15、有线电视信号共享介质。 无须拨号上网，不占用电话线，可提供随时在线连接的全天候服务。3 网络服务器的接入与信息发布3.1 局域网接入技术利用局域网将计算机连接到Internet网上或访问Internet资源。当访问Internet资源时可以通过代理与NAT两种方式。代理： 代理服务器上安装两块网卡，一块连接内部网，设置内部私有地址；另一块连接Internet，设置ISP分配的合法地址，能直接访问Internet。将设备连接好后，在代理服务器上安装代理软件，并在工作站上设置代理即可访问INTERNET，如在IE浏览器中设置代理。 其优点是可以利用代理服务器提供的CACHE服务来提高INTERNE
16、T的访问速度和效率。3.2 NAT在局域网中计算机的地址与真实的IP地址之间可以不同，局域网中的计算机没有真实的IP地址，对外部Internet网络而言，这个局域网络可能只有很少的IP地址。这个网络地址的转换需要路由器或网关来完成。一般情况下，内部的局域网都使用INTERNET上的保留地址。在常规情况下，内部的工作站在直接利用路由对外访问时，会因工作站使用的是互联网上的保留地址，而被路由器过滤掉，从而导致无法访问互联网资源。解决这一问题的办法是利用路由操作系统提供的NAT（Network Address Translation）地址转换功能，将内部网的私有地址转换成互联网上的合法地址，使得不具
17、有合法IP地址的用户可以通过NAT访问到外部Internet。这样做的好处是无需配备代理服务器，减少投资，还可以节约合法IP地址，并提高了内部网络的安全性。 NAT有两种类型：Single模式和global模式。 使用NAT的single模式，可以将众多的本地局域网主机映射为一个Internet地址。局域网内的所有主机对外部Internet网络而言，都被看作一个Internet用户。本地局域网内的主机继续使用本地地址。 使用NAT的global模式，路由器的接口将众多的本地局域网主机映射为一定的Internet地址范围（IP地址池）。当本地主机端口与Internet上的主机连接时，IP地址池中
18、的某个IP地址被自动分配给该本地主机，连接中断后动态分配的IP地址将被释放，释放的IP地址可被其他本地主机使用。在每台工作站上只需设置网关指向路由器的以太口即可上网，无需设代理。3.3 网络服务的组成与信息发布网络服务器的基本架构其中： 浏览器是客户端软件，在客户端上运行，不同的浏览器有不同的运行特点，相同的代码在不同的浏览器上可能有不同的显示结果； Web服务器是提供页面服务的软件系统，比较常见的包括IIS（windows系统）、Apache、Nginx、Tomcat等等。除此之外也有一些其它不常用的web服务器软件可以代替这些软件。Web服务器主要的作用是获取客户端传来的http请求（如文
19、件需求、数据发送等等），返回HTML指令（如文件内容），由客户端浏览器软件解释并显示。 有一些数据需要进行保存和进一步处理，因此增加了数据库层，对数据进行处理。 三层结构将网络信息服务划分为不同阶段，由专用的软件来处理，能减少系统开发的工作量，提高效率。如浏览器部分主要是信息与数据的显示（表现层），可以由界面设计人员来完成工作；web服务器（业务逻辑层）主要完成对代码的处理，根据用户的要求进行运算（其中可能会用到数据库数据），并将运算结果返回客户端；数据库层（持久化层），存储数据以备进一步使用。 数据库与web服务层分开的另一个好处是只有web服务器能访问数据库，客户端不能直接访问数据库，能保
20、护数据的安全。web服务器可以进一步划分层次：前端：通用web服务层，如IIS、Apache、Nginx、Tomcat等等；中间件（中间层运行环境）：如需要使用不同的服务器技术（动态服务器网页技术，如asp、.net、php、jsp等），需要配置相应的运行环境以及一些插件，便于进行服务器动态网页的进一步开发。如iis可以支持php，需要安装php并配置iis支持。配置完成之后还可以使用一些已经制作完成的符合这些环境的插件，如tomcat下可以增加MVC插件来实现更快捷的服务器程序编写。后台：数据库访问层。访问数据库的接口，不同的数据库可以使用不同的接口文件，相应的需要安装和配置这些接口信息。W
21、eb服务前端有时可以互相访问，以达到对外统一接口但使用不同的服务器技术（asp、php、jsp）。如IIS可以通过调用tomcat来完成对jsp页面的执行。相应的这需要配置二者之间的调用接口。采用分层架构的服务器可以灵活地扩展服务，特别是中间层运行环境可以通过安装已有的一些中间件，在进一步开发中提高开发效率和速度。服务器架构完成后需要进行发布，发布主要有两种情况： 服务器具有直接的、真实的Internet地址，可以直接发布到网上；只要把对应服务端口和协议排除到防火墙外就可以将服务发布； 服务器在局域网中，没有直接和Internet连接，具有的IP地址是一个内部网络地址；这时需要服务器连接到一个
22、具有真实Internet地址的路由器上，由路由器完成NAT（网络地址转换）工作。客户端从Internet访问到路由器，由路由器按照一定的规则将信息转发到内网的服务器上，有服务器进行处理后再通过路由器返回放到客户端。这种规则可以根据协议、端口、域名等条件进行设置，也可以静态转换（也称映射，直接将服务器内网地址映射到Internet地址，外部用户可以透明访问服务器，跟服务器有外网地址没有区别）。 采用第二种方法发布信息的时候，将服务器与外网分割开来，可以起到保护服务器的作用。3.4 无线局域网WIFIWi-Fi的全称是Wireless Fidelity，是IEEE (Institute of El
23、ectrical and Electronics Engineers) 美国电气及电子工程师学会定义的一个无线网络通信的工业标准。该技术使用的使2.4GHz开放的ISM（Industrial Scientific and Medial）频段。 其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。 可以在低速运动状态下保持网络连接。是小范围内的移动通信技术，但不能跨区连接。到达新的AP（无线接入点）范围内需要重新连接网络。 连接方法：主流的WiFi：协议工作频率速率802.11a5G Hz6,
24、 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps 802.11b2.4G Hz1,2,5.5,11 Mbps802.11g2.4G Hz6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps 802.11n2.4 & 5G Hz540 Mbps3.5 短距离数据交换技术蓝牙蓝牙是一个开放性的无线通信标准，设计者的初衷是用隐形的连接线代替线缆。它推动和扩大了无线通信的应用范围，使网络中的各种数据和语音设备能互连互通，从而实现个人区域内的快速灵活的数据和语音通信。 “蓝牙”技术的目的是使特定的移动电话、便携式电脑以及各种便携式通信设备的主机之间在近距离内实现无缝的资源共享
25、。蓝牙技术产品是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，其传输速率最高为每秒1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10米左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。采用2.4GHz的ISM (即工业、科学、医学)频段。4 移动通信网络4.1 移动通信系统的概念与分类所谓移动通信，是指通信双方或至少一方是在运动中实现信息传输的过程或方式。1.按设备的使用环境分类按这种方式分类主要有陆地移动通信、海上移动通信和航空移动通信三种类型。作为特殊使用环境，还有地下隧道矿井、水下潜艇和太空航天等移动通信。2. 按服务对象分类按这种方式分类可分为公用移动通信和专用移动通信两种类型。
26、3.按系统组成结构分类（1）蜂窝状移动电话系统。蜂窝状移动电话是移动通信的主体，它是具有全球性的用户容量的最大移动电话网。（2）集群调度移动电话。它可将各个部门所需的调度业务进行统一规划建设，集中管理，每个部门都可建立自己的调度中心台。它的特点是共享频率资源，共享通信设施，共享通信业务，共同分担费用，是一种专用调度系统的高级发展阶段，具有高效廉价的自动拨号系统，频率利用率高。（3）公用无绳电话系统。公用无绳电话是公共场所使用的无绳电话系统，例如商场、机场、火车站等。通过无绳电话的手机可以呼入市话网，也可以实现双向呼叫。它的特点是不适用于乘车使用，只适用于步行。（4）移动卫星通信系统。移动通信分
27、代：1. 第一代（1G：1Generation）模拟移动通信系统2. 第二代（2G）数字移动通信系统这时候移动通信系统的主要特征是采用了数字技术。虽然仍是多种系统，但每种系统的技术体制有所减少。数字蜂窝移动系统有GSM、DAMPS、CDMA三种。3. 第三代（3G）IMT2000移动通信系统4.2 移动通信系统的特点移动通信特点：(1) 移动通信的传输信道必然是无线信道。(2) 具有复杂的电波传播环境。由于电波受到城市高大建筑物的阻挡等原因，移动台接收到的是多径信号，即同一信号通过各种途径到达接收天线。这种信号的幅度会发生快速和剧烈的变化，称为快衰落。此时，就要求移动台具有良好的抗衰落的技术指
28、标。移动通信是在运动过程中进行的，移动台之间会出现近处移动台干扰远处移动台的现象，称为远近效应。因此，一般要求移动台的发射功率具有自动调整的能力，同时移动台的接收机需要具有自动增益控制的能力，当通信距离迅速改变时能自动进行信号调整。(3) 干扰大，需采用抗干扰措施。(4) 多普勒效应。运动中的移动台所接收的信号频率将随运动速度而变化。(5) 用户量大，但频率有限。4.3 移动通信系统的构成与工作原理移动通信系统一般由移动台（MS,Mobile Set）、基站（BS,Base Station）、移动业务交换中心（MSC,Mobile Switch Center）等组成。基站和移动台设有收、发信机
29、和天线等设备。每个基站都有一个可靠通信的服务范围，称为无线小区（通信服务区）。根据服务面积的大小可将移动通信网分为大区制、中区制和小区制（Cellular System）三种。大区制是指一个通信服务区（比如一个城市）由一个无线区覆盖，其基本特点是，只有一个基站，覆盖面积大，信道数有限，一般只能容纳数百到数千个用户。大区制的主要缺点是系统容量不大，为了克服这一限制，适合更大范围（大城市）、更多用户的服务，就必须采用小区制。小区制一般是指覆盖半径为210km的多个无线区链合而形成整个服务区的制式，此时的基站发射功率很小（820W）。由于通常将小区绘制成六角形（实际小区覆盖地域并非六角形），多个小区
30、结合后看起来很像蜂窝，因此称这种组网为蜂窝网。小区制有以下四个特点：(1) 基站只提供信道，其交换、控制都集中在一个移动电话交换局（MTSO，Mobile Telephone Switching Office），或称为移动交换中心。其作用相当于一个市话交换局。而大区制的信道交换、控制等功能都集中在基站完成。(2) 具有“过区切换功能”（Handoff），简称“过区”功能。即一个移动台从一个小区进入另一个小区时，要从原基站的信道切换到新基站的信道上来，而且不能影响正在进行的通话。(3) 具有漫游（Roaming）功能。即一个移动台从本管理区进入到另一个管理区时，其电话号码不能变，仍然像在原管理区
31、一样能够被呼叫到。(4) 具有频率再用的特点。所谓频率再用是指一个频率可以在不同的小区重复使用。由于同频信道可以重复使用，再用的信道越多，用户数也就越多。因此，小区制可以提供比大区制更大的通信容量。根据传输方式和系统控制、管理的不同移动通信系统分为GSM、CDMA、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等等。GSM： 我国参照GSM标准制定了自己的技术要求，主要内容有：使用900MHz频段，即890915MHz（移动台-基站）和935960MHz（基站、移动台），收发间隔45MHz，单向带宽25MHz；载频间隔200kHz，每载波信道数8个，基站最大功率300W，小区半径0.535km，调制类型GMSK，传输速率270kb/s，手机的发射功率约为0.6W。 传输方式：GSM系统主要采用了时分多址（TD
