通信基础知识.docx
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通信基础知识
通信基础知识
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第1章通信概述
1.1通信基础概念
1．通信的定义
通信按传统理解就是信息的传输与交换，信息可以是语音、文字、符号、音乐、图像等等。
任何一个通信系统，都是从一个称为信息源的时空点向另一个称为信宿的目的点传送信息。
以各种通信技术，如以长途和本地的有线电话网（包括光缆、同轴电缆网）、无线电话网（包括卫星通信、微波中继通信网）、有线电视网和计算机数据网为基础组成的现代通信网，通过多媒体技术，可为家庭、办公室、医院、学校等提供文化、娱乐、教育、卫生、金融等广泛的信息服务。
可见，通信网络已成为支撑现代社会的最重要的基础结构之一。
2．信息、数据和信号
信息是客户事物的属性和相互联系特性的表现，它反映了客观事物的存在形式或运动状态。
数据是信息的载体，是信息的表现形式。
信号是数据在传输过程的具体物理表示形式，具有确定的物理描述。
传输介质是通信中传送信息的载体，又称为信道
3．模拟通信和数字通信
通信系统主要由5个基本系统元件构成，信源、转换器、信道、反转换器、信宿。
源系统将信源发出的信息转换成适合在传输系统中传输的信号形式，通过信道传输到目的系统，目的系统再将信号反变换为具体的信息。
通过系统的传输的信号一般有模拟信号和数字信号两种表达方式。
模拟信号是一个连续变化的物理量，即在时间特性上幅度（信号强度）的取值是连续的，一般用连续变化的电压表示。
数字信号是离散的，即在时间特性上幅度的取值是有限的离散值，一般用脉冲序列来表示。
数字信号比模拟信号可靠性高，数字信号比较容易存储、处理和传输。
4．数据通信的技术指标
1）信道带宽：
是描述信道传输能力的技术指标，它的大小是由信道的物理特性决定的。
信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带度。
2）数据传输速率：
称为比特率，是指信道每秒钟所能传输的二进制比特数，记为bps，常见的单位有Kbps、Mpbs、Gbps等，数据传输速率的高低，由每位数据所占的时间决定，一位数据所占用的时间宽度越小，则传输速率越高。
3）信道容量：
信道的传输能力是有一定限制的，信道传输数据的速率的上限，称为信道容量，一般表示单位时间内最多可传输的二进制数据的位数。
C=Wlog2（1+S/N）
C为信道容量；W为信道带宽；N为噪声功率；S为信号功率。
S/N称为信噪比，用来描述信道的质量，噪声小的系统信噪比高，信噪比S/N通常用10lg（S/N）来表示，其单位为分贝。
无噪声离散信道容量公式为C=2Wlog2L（L为传输二进制信号）。
4）波特率：
是传输的信号值每秒钟变化的次数，如果被传输的信号周期为T，则波特率Rb=1/T。
Rb称为波形速率或调制速率。
R=Rblog2V
V表示所传输信号所包含的离散电平数。
5）信道延迟：
信号沿信道传输需要一定的时间,就是信道延迟,信道延迟时间的长短,主要受发送设备和接收设备的响应时间、通信设备的转发和等待时间、计算机的发送和接收处理时间、传输介质的延迟时间等的影响。
信道延迟=计算机的发送和接收处理时间+传输介质的延迟时间+发送设备和接收设备的响应时间+通信设备的转发和等待时间
6）误码率：
是指接收的错误码元数占传送总码元数的比例，即码元在传输系统中被传错的概率。
Pc=Ne/N
Ne表示单位时间内接收的错误码元数；N表示单位时间内系统接收的总码元数
误码率越低，通信系统的可靠性越高，通信质量越好。
5．数据的传输
数据的传输方式有串行通信和并行通信两种，并行通信用于较低距离的数据传输，串行通信用于较远距离的数据传输
1）串行通信：
串行通信在传输数据时，数据是一位一位地在通信上传输的。
USB指串行总线。
网卡负责串行数据和并行数据的转换工作。
2）并行通信：
并行通信是指要传输的数据中多个数据位同时在两个设备中传输，发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位校验位。
接收设备可同时接收到这些数据，而且无需变换就可以直接使用。
并行通信特点是传输速度快，处理简单。
6．通信线路的连接方式
1）点对点连接方式：
指在发送端和接收端之间采用一条线路连接，使用的线路可以是专用线路、租用线路或交换线路。
2）多点连接方式：
指各个站点通过一条公共的通信线路或集线器连接起来。
7．信道的通信方式
1）单工通信：
在单工通信方式中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传输方向。
2）半双工通信：
信号可以双向传送，但必须交替进行，在任一时刻只能向一个方向传送。
3）全双工通信：
信号可以双向传送数据，通信效率高，适合于计算机与计算机之间的通信。
8．信号的传输方式
1）基带传输：
在数据通信信道上直接传输数据基带信号的通信方式称为基带传输。
把矩形脉冲信号的固有频带称为基带，把矩形脉冲信号叫做基带信号。
发送端通过编码器将信源的数据变换为直接传输的数字基带信号，在接收端通过译码进行解码，恢复发送端的原始数据。
基带传输的优点是无需调制就可以传送数字信号，从而简化了通信处理过程，提高了传输速度。
但是基带传输不适合远距离传输。
2）频带传输：
频带传输是利用它们调制载荷的高频载波信号进行传输。
根据载波信号的不同又可分为模拟传输和数字传输。
频带传输是在通信中把数字信息调制成模拟音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号的传输技术。
是一种利用调制器对传输信号进行频率交换的传输方式，信号调制的目的是为了更好的适应信号传输通道的频率特性，传输信号经过调制处理也能克服基带传输同频带过宽的缺点，提高线路的利用率，一举两得。
但是调制后的信号在接收端要解调还原，所以传输的收发端需要专门的信号频率变换设备，传输设备费用相应增加。
远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。
利用频带传输不仅解决了数字信号可利用电话系统传输的问题，而且可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率。
3）宽带传输：
宽带是指比音频更宽的频带，包括大部分电磁波频谱，利用宽带进行的数据传输称为宽带传输。
宽带传输可容纳全部的广播信号，可以把声音、图像及数据等信息综合到一个物理信道进行高速数据传输，采用频分多路复用的形式进行数据传输。
宽带传输优点是传输距离远，可达几十千米，技术复杂，传输系统的成本相对较高。
9．数据传输的同步技术
常用的同步技术有两种:
异步传输方式和同步传输方式
1）异步传输：
每传送一个字符，都要在字符前加1个起始位，表示字符的开始，在字符代码和检验码后面加1或2个停止位，表示字符的结束。
接收方根据起始位或停止位判断一个字符开始或结束，从而起到通信双方的同步作用。
异步传输特点：
（1）每个字符作为一个独立的整体进行传送。
（2）字符之间的时间间隔是任意的。
（3）每传输一个字符都需要多使用2-3个二进制位，增加了通信的开销，适合于低速通信。
2）同步传输：
是数据块为单位进行传输，在数据块之前先发送一个或多个同步字符SYN，用于接收方进行同步检测，从而使通信双方进行同步状态。
在同步字符之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送完毕，再使用同步字符来标识整个发送过程结束。
3）同步传输特点：
传输效率高，对传输设备要求高。
1.2通信系统模型
图1-1是一个基本的点到点通信系统的一般模型：
图1-1通信系统的一般模型
其中，各部分的功能如下：
①信息源：
把各种可能消息转换成原始电信号；
②发送设备：
为了使原始电信号适合在信道中传输，对原始电信号变换成与传输信道相匹配的传输信号；
③信道：
信号传输的通道；
④接收设备：
从接收信号中恢复出原始电信号；
⑤收信者：
将复原的原始电信号转换成相应的消息；
要传送的信息（消息）是m（t），其表达形式可以是语言、文字、图像、数据等，经输入设备处理，将其变换成输入数据g（t），并传输到发送设备（发送机）。
通常g（t）并不是适合传输的形式（波形和带宽），在发送机中，它被变换成与传输媒质特性，相匹配的传输信号S（t）经传输媒质一方面为信号传输提供通路，另一方面衰减信号并引入噪声n（t），r（t）是受到噪声干扰的S（t），是接收机恢复输入信号的依据，r（t）的质量决定了通信系统的性能，r（t）经接收设备转换成适合于输出的形式g’（t），它是输入数据g（t）的近似或估值。
最后，输出设备将由g’（t）传出的信息m’（t）提交给终点的经办者，完成一次通信。
事实上，噪声只对输出造成影响，可以将整个系统产生的噪声等同成一个噪声源。
根据所要研究的对象和所关心的问题的重点的不同，又可以使用形式不同的具体模型。
通信系统也可以分为模拟通信系统与数字通信系统两大类。
模拟通信系统：
模拟通信系统在信道中传输的是模拟信号（如：
普通电话机收发的语音信号），模型如图1-2所示。
图1-2模拟通信系统模型
其中：
基带信号:
由消息转化而来的原始模拟信号，一般含有直流和低频成分，不宜直接传输；
已调信号:
由基带信号转化来的、频域特性适合信道传输的信号。
又称频带信号;
对模拟通信系统进行研究的主要内容就是研究不同信道条件下不同的调制解调方法。
数字通信系统：
数字通信系统在信道中传输的是数字信号，模型如图1-3所示。
图1-3数字通信系统模型
其中,各部分的功能如下：
1信源编/译码器:
实现模拟信号与数字信号之间的转换；
②加/解密器:
实现数字信号的保密传输；
③信道编/译码器:
实现差错控制功能，用以对抗由于信道条件造成的误码；
④调制/解调器:
实现数字信号的传输与复。
以上各个部分的功能可根据具体的通信需要进行设置，对数字通信系统进行研究的主要
内容就是研究这些功能的具体实现方法。
数字通信具有以下显著的特点：
① 数字电路易于集成化，因此数字通信设备功耗低、易于小型化；
2再生中继无噪声累积，抗干扰能力强；
3信号易于进行加密处理，保密性强；
4 可以通过信道编码和信源编码进行差错控制，改善传输质量；
5支持各种消息的传递；
6数字信号占用信道频带较宽，因此频带利用率较低。
1.3通信系统的分类
通信系统有不同的分类方法。
① 按消息分：
电报系统、电话系统、数据系统、图像系统。
② 按调制方式分：
基带传输、频带传输（调幅、调频、调相、脉幅、脉宽、脉位）。
③ 媒质上的信号分：
模拟系统、数字系统。
④ 传输媒质（信道）分：
有线系统（架空明线、对称电缆、同轴电缆、光纤、波导）、无线系统（长波、中波、短波、微波、卫星）。
⑤ 按复用方式分：
频分复用、时分复用、码分复用。
⑥ 按消息传送的方向和时间分：
单工、半双工、全双工。
⑦ 按数字信号的排列顺序分：
串序、并序。
⑧ 按连接形式分：
专线直通（点对点）、交换网络（多点对多点）。
1.4通信法规和通信标准
任何行业的发展都必须遵循一定的标准、规章、制度等，通信行业也不例外，无论是业务的运营还是技术的研发，包括整个企业的运作，都要受到这些“条条框框”的限制。
这些限制主要包括政策法规和技术标准两个方面：
（1）通信行业中的政策法规：
政策法规主要由各国的政府部门制订。
这些政策规章对于通信运营最主要的影响就是“准入”。
基本上，在任何国家电信业务都是受到管制的，也就是要经过政府部门的批准。
以我国为例，骨干网和接入网的运营资格都是被严格控制的。
未来的发展趋势是业务的运营、特别是增殖电信业务的运营将逐步放松管制，而以话音业务为代表、包括网络基础设施建设在内的基础电信业务运营仍将在各国受到严格的管制；
（2）通信行业中的技术标准：
通信行业中的技术标准主要由各种技术标准化团体、以及相关的行业协会负责制订，典型的标准化组织包括国际电联（ITU）、电气和电子工程师协会（IEEE）、第三代移动通信伙伴项目（3GPP）等，主要由设备制造商与网络运营商组成。
下面以IEEE802系列标准的制订过程为例，对此通信技术标准的制订过程进行说明：
①首先，一个新的标准必然会针对某个特定的市场，先行关注这一市场的公司一般也会是技术上的先行者，他们会向IEEE申请设立这一标准的研究机构；
②这些研究机构会定期举行会议，以交流工作进展，参加这些研究机构的资格即通过参加这些会议来取得；
③标准的研究机构下设多个工作组与研究组，它们针对不同的技术主题，并接受各种研究提案，会提出很多草稿（draft）以供进一步的研究；
④完成以上研究之后即会进行表决，包括内部的表决和之后提交给IEEE的表决；
⑤IEEE表决通过之后，即成为IEEE各系列的标准，这些标准又会经常被很多国家的标准化机构所引用，成为该国的国家标准。
第2章通信网的组成
2.1通信网的概念
通信网是在分处异地的用户之间传递信息的系统。
属于电磁系统的也称电信网。
它是由
相互依存、相互制约的许多要素所组成的一个有机整体，以完成规定的功能。
通信网的功能就是要适应用户呼叫的需要，以用户满意的程度沟通网中任意两个或多个用户之间的信息。
通信网是一种使用交换设备，传输设备，将地理上分散用户终端设备互连起来实现通信和信息交换的系统。
通信最基本的形式是在点与点之间建立通信系统，但这不能称为通信网，只有将许多的通信系统（传输系统）通过交换系统按一定拓扑结构组合在一起才能称之为通信。
也就是说，有了交换系统才能使某一地区内任意两个终端用户相互接续，才能组成通信网。
通信网由用户终端设备，交换设备和传输设备组成。
交换设备间的传输设备称为中继线路（简称中继线），用户终端设备至交换设备的传输设备称为用户路线（简称用户线）。
2.2通信网的分类
按照信源的内容可以分为：
电话网、数据网、电视节目网和综合业务数字网（ISDN）等。
其中，数据网又包括电报网、电传网、计算机网等；
按通信网络所覆盖的地域范围可以分为：
局域网、城域网、广域网等；
按通信网络所使用的传输信道可以分为：
有线（包括光纤）网、短波网、微波网、卫星网等。
2.3电信网的组成
电信网由核心网、接入网（AN）和用户驻地网（CPN）三大部分组成。
核心网和接入网属于公共电信网，CPN为用户自有通信网，传统CPN是单用户。
接入网的一侧是核心网，核心网主要由各类业务网构成，另一侧是用户。
接入网起到承上启下的作用，通过接入网将核心网的业务提供给用户。
接入网是一种透明传输体系，本身不提供业务，由用户终端与核心网配合提供各类业务。
核心网的技术发展走势和用户分布特点及用户对业务需求的特点决定了接入网技术的选择。
为了进一步认识接入网，下面首先对接入网的两端，即核心网和用户进行分析：
核心网的业务接口特点：
①核心业务网目前主要分语音网和数据网两大类。
语音网通常指公共电话网（PSTN），是一种典型的电路型网络。
接入网接入PSTN时多数采用V5.2接口，也有部分采用V5.1、Z、U等接口。
②传统的数据通信网主要包括公用分组交换网（PSPDN）、数字数据网（DDN）、帧中继网（FR）三种，可以看到这三种数据网是通信网发展过中的过渡性网络。
DDN是电路型网络，而PSPDN和FR是分组型网络。
接入网在接入这些网络时，一般采用E1、V.24、V.35、2B1Q“U”接口，其余类型的接口使用较少。
现有的综合类的接入网大多都有上述接口，运营企业在选择接口时应主要考虑各业务网接口的资源利用率和业务的灵活接入。
③IP网是一种典型的计算机通信网，因其具有IPovereverthing和开放网络特点，并与中国电信对通信网的垄断形成鲜明的对比，所以许多生产厂家和其它运营公司都看好IP市场的前景，目前已有运营公司在构筑自己的纯IP骨干网。
④接入网在接入INTERNE/IP网时，当前还以拨号上网方式接入为主。
INTERNET/IP在综合接入网侧的业务分流，许多生产厂商的接入网设备提供了不同的解决方案，但其思路和方法各不相同。
目前有关机构正在提出V5.2接口技术规范的扩展功能附件，该附件允许Internet业务在LE控制下，直接从接入网处选路至网络接入服务器或IP电话网关，从而支持IP业务的分流。
应注意到这种IP业务分流可能对一些接入网局端设备的业务交叉能力提出考验。
综上所述，目前核心网中仍以电话业务和PSTN上的增值业务为主，传统的数据网在ATM与IP技术尚不成熟的今天，仍将发挥重要作用，另一方面应认识到传统的数据网是电信网发展过程中的过渡性网络。
新兴的INTERNET业务将对传统的通信网格局发起冲击，ATM和IP形势还不明朗，因此运营企业应密切关注这方面的技术发展走势和相关技术标准的出台。
1）用户的特点：
具有随机性，这种随机性包含两方面的含义，第一，用户的空间位置是随机的，也就是用户接入是随机的。
第二，用户对业务需求的类型是随机的，也就是业务接入是随机的。
核心网是提供业务的网络，用户是业务的使用者，接入网所起的作用是将核心网各类业务接口适配和综合，然后OVER在不同的物理介质上传送分配给用户。
2）接入网的结构分层：
接入网系统由接入系统，传输系统，物理介质三部分构成。
接入系统负责业务的接入，承担接入网建设第二方面主题。
传输系统负责业务的承载运送。
物理介质负责用户的接入，承担接入网建设第一方面主题。
接入网三部分的有机组合承担接入网建设第三方面主题。
接入系统承载在有源传输系统上，传输系统承载在无源物理介质上，三者缺一不可，因此接入网在建设时应由下而上统筹考虑三层结构。
①接入系统:
接入系统具有设备属性，在接入网中负责业务的接入。
通常接入设备分局端设备和远端设备。
其主要功能是：
局端设备负责核心业务网业务接口的接入，远端设备提供相应用户业务接口接入。
②传输系统
③物理介质
接入网技术是电信市场化的产物，是满足用户环路网激烈的市场竞争而产生的新技术。
接入网所采用的技术可以是不同接入系统、不同传输系统和不同网络介质的排列与组合，因而技术构成十分复杂。
但不管怎样，电信运营企业所面临的是市场，是这些技术的使用者，因此就需对复杂的接入网技术的脉络按市场化要求进行梳理，综合分析选择一种适应当地接入网发展的新技术。
2.4通信网的组网结构
通信网组网结构类型主要为星，网状，环，树，总线，复合型等。
衡量通信网质量的三个目标：
接通的任意性与快速性，信号传输的透明性与传输的一致性，网络的可靠性与经济合理性。
通信网络的组成从功能上可以划分为接入设备、交换设备、传输设备。
① 接入设备：
包括电话机、传真机等各类用户终端，以及集团电话、用户小交换机、集群设备、接入网等；
② 交换设备：
包括各类交换机和交叉连接设备；
③ 传输设备：
包括用户线路、中继线路和信号转换设备，如：
双绞线、电缆、光缆、无线基站收发设备、光电转换器、卫星、微波收发设备等。
此外，通信网络正常运作需要相应的支撑网络的存在。
支撑网络主要包括数字同步网、信令网、电信管理网三种类型。
① 数字同步网：
保证网络中的各节点同步工作；
② 信令网：
可以看作是通信网的神经系统，利用各种信令完成保证通信网络正常运做所需的控制功能；
③ 电信管理网：
完成电信网和电信业务的性能管理、配置管理、故障管理、计费管理、安全管理。
第3章通信信道
3.1无线信道
1．无线信道的定义
无线通信的传输媒质，即是无线信道，更确切的说，无线信道是基站天线与用户天线之间的传播路径。
天线感应电流而产生电磁振荡并辐射出电磁波，这些电磁波在自由空间或空中传播，最后被接收天线所感应并产生感应电流。
电磁波的传播路径可能包括直射传播和非直射传播，多种传播路径的存在造成了无线信号特征的变化。
了解无线信道的特点对于理解无线通信是非常必要的。
与其它通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。
例如，模拟有线信道中典型的信噪比约为46dB，也就是说，信号电平要比噪声电平高40000倍。
而且对有线信道来说，其传输质量是可以控制的，通过选择合适的材料与精心加工，可以确保在有线传输系统中有一个相对稳定的电气环境。
有线传输介质中，信噪比的波动通常不超过l-2dB。
与此相对照，陆地移动无线信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经常发生的，衰落深度可达30dB。
而且在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。
这种衰落现象严重恶化了接收信号的质量，影响通信的可靠性。
在蜂窝移动环境中，同频干扰也是一个必须考虑的问题。
当发生衰落时，要接收的信号也许比同频小区基站来的干扰信号还要弱，接收机就会锁定在错误信号上。
模拟移动通信多采用调频方式，调频方式的捕获效应对同频干扰有一定的抑制作用。
而衰落现象会显著改变调频信号特性，削弱其捕获效应。
对于数字传输来说，衰落将使比特误码率（BER）大大增加。
无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。
不同的环境，其传播特性也不尽相同。
例如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不同，两者的无线信道特性也大有差异。
而传播环境本身是相当复杂和多变的，这就使得无线信道特性也是十分复杂的。
复杂、恶劣的传播条件是无线信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。
2.电磁波在无线信道中的传播
电磁波传播的特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题。
传播特性直接关系到通信设备的能力、天线高度的确定、通信距离的计算以及为实现优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列系统设计问题。
不仅如此，对于移动通信系统的无线信道环境而言，其信道环境比固定无线通信的信道环境更复杂，因而不能简单地用固定无线通信的电波传播模式来分析，必须根据移动通信的特点按照不同的传播环境和地理特征进行分析。
对于不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的。
在陆地移动系统中，移动台处于城市建筑群之中或处于地形复杂的区域，其天线将接收从多条路径传来的信号，再加上移动台本身的运动，使得移动台和基站之间的无线信道越发多变而且难以控制。
1）基本传播机制:
无线信号最基本的四种传播机制为直射、反射、绕射和散射。
①直射：
即无线信号在自由
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