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第1章1.1~1.3 信息微电子通信技术


信息技术基础

第1章 信息技术概述
1.1 信息与信息技术 1.2 微电子技术简介 1.3 通信技术入门

教学目标
? 掌握信息、信息处理、信息技术的含义和特点 ? 掌握微电子技术、集成电路的含义

? 掌握通信的含义及其传输技术

3

第1章 信息技术概述

1.1 信息与信息技术
(1)什么是信息
(2)信息处理与信息技术 (3)信息处理系统

4

第1章 信息技术概述

信息是什么?(1)
? 语言、文字、图画、照片等表示的内容

(新闻、消息或知识)
? 读书、上课、交谈等所学习和了解的知识、

方法、事实和情况
? 为了做判断、订计划或求解问题等所需要

的数据、资料
? ···

5

第1章 信息技术概述

信息是什么?(2)
? 信息
? “事物运动的状态及状态变化的方式” ? 所表达的内容有一定的价值 ? 能够传播交流,从而体现其作用 ? 表现形式(载体)有多种,文字、声音、图片、

影像等

6

第1章 信息技术概述

什么是信息处理?
? 信息处理指的是与下列内容相关的行为和活动:
? ? ? ? ?

信息的收集(如信息的感知、测量、获取、输入等) 信息的加工(如信息的分类、计算、分析、转换等) 信息的存储(如书写、摄影、录音、录像等) 信息的传递(如邮寄、电报、电话等 ) 信息的施用(如控制、显示等)

7

第1章 信息技术概述

人工进行信息处理的过程
信息传递 (神经系统) 信息加工与 存储(大脑)
眼/耳/鼻/舌/身 手/脚/身

信息传递 (神经系统)

信息获取 (感觉器官)

事物客体

信息施用 (效应器官)

? 人工信息处理的不足:

8

算不快 ? 记不住 ? 传不远 ? 看(听)不清
?

信息技术(IT)

第1章 信息技术概述

什么是信息技术?
指的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们 更有效地进行信息处理的一门技术。
? 信息技术包括:
? 扩展感觉器官功能的感测(获取)与识别技术
? 扩展神经系统功能的通信技术

? 信息技术(Information Technology,简称IT)

? 扩展大脑功能的计算(处理)

与存储技术

? 扩展效应器官功能的控制与显示技术
9
第1章 信息技术概述

信息技术的发展历史
◎语言的形成和使用 ◎文字的创造

◎印刷技术的发明
◎望远镜、显微镜 ◎电报和电话通信

◎广播、电视
◎雷达、卫星(遥感感测)

◎计算机、机器人
◎因特网(Internet) ···
10
第1章 信息技术概述

现代信息技术
? 3大特征:
? 采用电子技术(包括激光技术) ? 以数字技术(计算机)为基础 ? 以软件为核心

? 内容:
? 计算机、微电子、通信、广播、遥感遥测、

自动控制、机器人等
11
第1章 信息技术概述

什么是信息处理系统?
? 用于辅助人们进行信息获取、传递、存储、加工处

理、控制及显示的综合使用各种信息技术的系统, 可以通称为信息处理系统
? 信息处理系统的结构:
通信/存储 信息加工 通信/存储

感测与识别

控制与显示

12

第1章 信息技术概述

信息处理系统举例
? 雷达:以感测与识别为主要目的 ? 电视/广播:以单向、点到多点的信息传递为主

要目的
? 电话:以双向、点到点的信息交互为主要目的 ? 银行:以处理金融信息为目的 ? 图书馆:以信息收藏和检索为主要目的 ? 因特网:跨越全球的多功能信息处理系统
13
第1章 信息技术概述

1.2 微电子技术简介
(1)微电子技术与集成电路
(2)集成电路的发展趋势 (3)IC卡

14

第1章 信息技术概述

(1)微电子技术与集成电路
? 微电子技术是信息技术领域中的关 键技术,是发展电子信息产业和各项 高技术的基础 ? 微电子技术的核心是集成电路技术

电子电路中元器件的发展演变
电子管 (1904) 晶体管 (1948) 中/小规模 集成电路 (1950’s) 大规模/超大规模 集成电路(1970’s)

? 微电子技术是以集成电路为核心的电子技术, 它是在电子元器件小型化、微型化的过程中 发展起来的。
16
第1章 信息技术概述

什么是集成电路?
? 集成电路 (Integrated Circuit,简称IC):

以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺,

将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线
所构成的电路制作在基片上所构成的一个
小规模集成电路

微型化的电路或系统
? 集成电路的优点:
? ? ?
17

体积小、重量轻 功耗小、成本低 速度快、可靠性高
超大规模集成电路

第1章 信息技术概述

集成电路的分类
? 按用途分:

通用集成电路 ? 专用集成电路(ASIC) ? 按电路的功能分: ? 数字集成电路 ? 模拟集成电路 ? 按晶体管结构、电路和工艺分: ? 双极型(Bipolar)电路 ? 金属氧化物半导体(MOS)电 路 ? ·· ·· ··
?

集成电路规模 小规模集成电 路(SSI) 中规模集成电 路(MSI) 大规模集成电 路(LSI)

元器件数目 <100

100~3000
3000~10万 10万~100万 >100万

超大规模集成 电路(VLSI)
极大规模集成 电路(ULSI)

? 按集成度(芯片中包含的元器件

数目)分:
18

第1章 信息技术概述

附:常见集成电路产品的类型

19

第1章 信息技术概述

(2)集成电路的发展趋势
? 集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。
晶体管的尺寸越小,其极限工作频率越高,门电路 的开关速度就越快,相同面积的晶片可容纳的晶体 管数目就越多。 ? 所以从集成电路问世以来,人们就一直在缩小晶

体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。

IC集成度提高的规律
Moore定律:单块集成电路的集成度平均每18个月 翻一番 (Gordon E.Moore,1965年)

例:Intel微处理器集成度的发展
Pentium 4
Pentium III Pentium 80486 80386 80286 8086

晶体管数 100,000,000

10,000,000

Pentium II 1,000,000

100,000

10,000

8080
8008 4004 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 1,000

21

? 安腾 Itanium 2(2002) 221M晶体管 ? 安腾双核 Itanium 2 Dual-Core(2006) 1.7B 晶体管

第1章 信息技术概述

集成电路技术的发展趋势
1999
工艺(μm) 晶体管(M) 时 钟 频 率 (GHz) 面积(mm2) 连线层数 晶圆直径(英 寸) 引脚数目 功耗(w)
22

2001
0.13 47.6 1.6 340 7 12

2004
0.09 135 2.0 390 8 14 957 130

2008
0.06 539 2.655 468 9 16

2014
0.014 3500 10 901 10 18 3350 183
第1章 信息技术概述

0.18 23.8 1.2 340 6 12 700 90

进一步提高集成度的问题与出路
?

问题:
?

线宽进一步缩小后,晶体管线条小到纳米级时,其电流微弱 到仅有几十个甚至几个电子流动,晶体管将逼近其物理极限 而无法正常工作

?

出路:
?

在纳米尺寸下,纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应, 人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件, 使能开发出新的纳米芯片和量子计算机

?

同时,正在研究将光作为信息的载体,发展光子学,研制集
成光路,或把电子与光子并用,实现光电子集成

23

第1章 信息技术概述

(3) IC卡简介
几乎每个人每天都与IC卡打交道,例如我们的身份 证、手机SIM卡、交通卡、饭卡等等,什么是IC卡? 它有哪些类型和用途?工作原理大致是怎样的?下 面是简单介绍。

什么是 IC卡?
? IC卡(chip card、smart card),又称为集成电路卡,它是把

集成电路芯片密封在塑料卡基片内,使其成为能存储信息、 处理和传递数据的载体 ? 特点: ? 存储信息量大 ? 保密性能强 ? 可以防止伪造和窃用 ? 抗干扰能力强 ? 可靠性高 ? 应用举例: ? 作为电子证件,记录持卡人的信息,用作身份识别(如 身份证、考勤卡、医疗卡、住房卡等) ? 作为电子钱包(如电话卡、公交卡、加油卡等)
25

第1章 信息技术概述

IC卡的类型(按芯片分类)
? 存储器卡:封装的集成电路为存储器,信息可长期保

存,也可通过读卡器改写。结构简单,使用方便。用 于安全性要求不高的场合,如电话卡、水电费卡、公 交卡、医疗卡等 (带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路)
? CPU卡:封装的集成电路为中央处理器(CPU)和存

储器,还配有操作系统(Chip Operating System),处 理能力强,保密性更好,常用作证件和信用卡使用。 手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡。
26
第1章 信息技术概述

IC卡的类型(按使用方式分类)
? 接触式IC卡(如电话IC卡) ? 表面有方型镀金接口,共8个或6个镀金触点。 使用时必须将IC卡插入读卡机,通过金属触点 传输数据。 ? 用于信息量大、读写操作比较复杂的场合,但易 磨损、怕脏、寿命短

接触式IC卡

? 非接触式IC卡(射频卡、感应卡) ? 采用电磁感应方式无线传输数据,解决了无源 (卡中无电源)和免接触问题 ? 操作方便,快捷,采用全密封胶固化,防水、 防污,使用寿命长 ? 用于读写信息较简单的场合,如身份验证等

接触式IC卡的结构

非接触式IC卡

27

第1章 信息技术概述

1.3 通信技术入门
1.3.1 通信的基本原理 1.3.2 模拟通信与数字通信 1.3.3 光纤通信和无线通信 1.3.4 移动通信

1.3.1 通信的基本原理
(1) 通信系统的基本模型
(2) 调制与解调 (3) 多路复用技术

29

第1章 信息技术概述

什么是通信(communication)?
? 广而言之,通信就是信息的(远距离)传递与交流

? 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、BBS、QQ等 ? 通信系统的模型(重要)

30

第1章 信息技术概述

通信系统的模型
? 通信的三要素:

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

信源(宿)
发送信息 的设备

信 号

信道

信 号

信宿(源)

? 举例:
信源/信宿 信号

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

接收信息 的设备

有线电话
电话座机 话音经电话机 转换成为变化 的电流信号 电话线和中继 器等传输设备

移动电话
手机 话音经电话机转换成 为压缩编码后的数字 信号 无线电波、基站等

计算机通信
计算机 编码、打包后的数字信 号 双绞线、集线器、路由 器、光纤等
第1章 信息技术概述

信道
31

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

信号 强度

模拟信号
信号 强度

t

?

t 数字信号
第1章 信息技术概述

32

模拟信号如何传输?
? 近距离传输:
?

直接传输 (如:MP3播放器 ->耳机 ;计算机输出信号-> 投影仪)

? 远距离传输:
?

通过载波来传输模拟信号(如:广播电台->收音机)

? 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。这种高频振荡的正弦波信号称为载

波信号。
?

若把模拟信号放在(调制在)载波上传输,则可比直接传输远 得多
第1章 信息技术概述

33

模拟信号如何进行载波传输?
—— 三种调制方法
载波信号
(高频正弦波)

调制信号 (连续信号) 调幅(AM) 调频(FM) 调相(PM)

实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”:
传输 信号

调制器

调制后的 载波信号

调制后的 载波信号

解调器
载波信号

传输 信号

载波信号

34

第1章 信息技术概述

数字信号如何传输?
? 远距离传输方法——通过载波来传输数字信号(频带传输) ? 近距离传输方法——基带传输
? ?

近距离传输时:不加处理直接进行(如:USB连接) 较长距离传输:需作码型转换(如:以太网中传输数字信 号) 曼彻斯特 曼彻斯特
计算机
NRZ 码

码型 变换器
(网卡)

编码

双绞线

编码

码型 变换器
(网卡)

NRZ 码

计算机

含有直流成分, 不便于同步,不 适合直接传输 平均直流电平为0, 电平的变化可作 为同步信号

二进位信号的 不归零制(NRZ)编码

0

0

1

1

0

1
电平从低 到高表示 0,从高到 低表示1

二进位信号的 曼彻斯特编码

35

第1章 信息技术概述

数字信号的三种调制方法
载波信号
(高频正弦波)

调制信号 (两个状态) 幅移键控 (ASK) 频移键控 (FSK) 相移键控 (PSK)

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

0

数字调制、解调器:
传输 信号

调制器

调制后的 载波信号

调制后的 载波信号

解调器

传输 信号

载波信号

载波信号 第1章 信息技术概述

36

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)
信号

信源(宿)

调制 (解调)器 载波

调制后 的载波 信道

调制后 的载波

(调制) 解调器 载波

信号

信宿(源)

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)

经过调制后的载波 信号,携带着被传 输的信号在信道中 进行长距离传输

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

37

第1章 信息技术概述

怎样实现低成本传输?
? 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 通常远超过传输1路用户信号所需的能力 多路信号同时共用一条传输线进行传输 频分多路复用(FDM) 时分多路复用(TDM)
第1章 信息技术概述

?

? 采用的技术——多路复用技术(Multiplexing)
?

? 方法:
? ?
38

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)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:
调制
f

解调 MUX DEMUX

载波频率f1 调制 载波频率fn

共享的传输信道

载波频率f1 解调

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

载波频率fn

39

第1章 信息技术概述

频分多路复用举例1
? 广播电台节目的发送与接收

信号 发射 频分多路复用

信号 接收 分路器 (带通滤波器)

? 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)
调频104.3MHz (南京体育台)

■ 短波 15.29 MHz(VOA美国之音)
■ 调频105.8MHz(南京音乐台)

40

第1章 信息技术概述

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:
终端 4 终端 3 终端 2 终端 1 H G F E D C B

多路复用器

多路分路器

H D 终端丁 G C 终端丙 终端乙 E A 终端甲

数据
HGF E D CB A

F B

传输线路
A

43214321 t 时间片

Multiplexer

Demultiplexer

41

第1章 信息技术概述

1.3.2 模拟通信与数字通信
(1) 模拟通信 (2) 数字通信

(3) 数字通信系统

42

第1章 信息技术概述

什么是模拟通信?
? 信源产生的模拟信号直接进行传输或者通过对载波

调制后进行传输的通信技术称为模拟通信
? 应用:

(传统的)有线载波电话 ? 无线电广播 ? 电视(卫星电视、数字有线电视除外) ? 优点:历史长,技术成熟,结构简单,成本低
?

? 缺点:在信号的调制和传输过程中易受噪声干扰,

传输质量不够稳定
? 趋势:已经越来越多地被数字通信所取代
43
第1章 信息技术概述

模拟通信技术应用举例
? 传统的有线载波电话
用户线 本地交换机 中继线 长途线 本地交换机 中继线 长途交换机 长途交换机 用户线

2x2交换机原理
电子开关

MODEM
载波1

MODEM
载波2

MODEM
载波n

多 路 复 用 分 路 器

传输线路
(中继线和长途线)

多 路 复 用 分 路 器

MODEM
载波1

MODEM
载波2

(

使用对称电缆或同轴电缆,前者 每一对线可传输60路电话,后者 可提供成千上万个话路
44
第1章 信息技术概述

(

)

)

MODEM
载波n

什么是数字通信?
?

将信源产生的模拟信号转换为数字信号(或信源直接产生数字 信号)之后,直接进行传输或通过用数字信号对载波进行数字 调制来传输信息的技术称为数字通信 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
第1章 信息技术概述

45

数字通信采用的技术
?

数字调制/解调技术
? 调幅;调频;调相

?

多路复用技术
? 时分多路;频分多路;波分多路

?

交换技术
? 电路交换;分组交换

? ?
46

模-数和数-模转换技术; 数字编码和数据压缩技术
第1章 信息技术概述

数字通信技术应用举例(1)
? 当今长途电话系统的中继通信
模拟传输技术
PCM 编码器

数字传输技术

模拟传输技术
PCM 解码器
分 路 器

PCM 编码器 (用户线)

多 路 光纤传输线路 复 (中继线和长途线) 用 器

(本地电话局)

PCM 解码器 (用户线) (本地电话局)

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”)
47

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 字信号

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
第1章 信息技术概述

数字通信技术应用举例(2)
? 卫星电视数字传输:用数字传输技术传输模拟

信号
电视图像 及其伴音 编码器 数字 调制
载波

数字传输技术
数字 解调
电视信号 接收器 载波

在空中传输 的电磁波器 电视信号 发射器

解码器

电视机

电视台的节目在发送到 卫星去传输之前,先要 把图像和伴音信号进行 数字化,还要进行数据 压缩

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

地面站对接收到的信号 进行解调、解码后恢复 为模拟信号,再经由有 线电视电缆送到用户电 视机上播放

48

第1章 信息技术概述

小结:数字通信系统的模型
压 缩 编 码 加 密 编 码 信 道 编 码 调 制 与 复 用 解 调 与 分 路 信 道 解 码 解 压 缩

信 源

信 道
噪声

解 密

信 宿

信源编码

信源解码

发送端
为了进 行可靠 的传输 为了高效率地 进行远程传输

接收端

49

第1章 信息技术概述

数字通信系统的主要性能指标
? 数据传输速率(简称数据速率, data rate)
? ?

指实际进行数据传输时单位时间内传送的二进位数目 计量单位: “位/秒”(bps) 、“千位/秒”(kbps) 、“兆位/ 秒”(Mbps) 或“千兆位/秒”(Gbps)等 一个信道允许的最大数据传输速率 信道带宽与采用的传输介质、传输距离、多路复用方法、调制 解调方法等密切相关 指数据传输中规定时间内出错数据占被传输数据总数的比例

? 信道带宽(也称为信道容量, bandwidth)
? ?

? 误码率(error rate)
?

? 端-端延迟(end-end delay)
?

指数据从信源传送到信宿所花费的时间。
第1章 信息技术概述

50

1.3.3 光纤通信与无线通信
(1) 传输介质的类型与特点
(2) 光纤通信 (3) 无线通信

51

第1章 信息技术概述

传输介质的类型与特点
介质 金属 导体 类型 双绞线 特点 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 应用 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 固定电话中继线 为传输干线长距离传输载波信号,路、有线电视接 但成本较高 入 光导 纤维 光缆 传输损耗小,通讯距离长,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

52

无线电波 建设费用低,抗灾能力强,容量 广播,电视,移 大,无线接入使得通信更加方便. 动通信系统,计 微波 但易被窃听、易受干扰 算机无线局域网 红外线 激光 第1章 信息技术概述

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
?

无屏蔽双绞线

3类线(10 Mb/s);5类线(100Mb/s); 6类线(200Mb/s)
信号线 地线

套管

?

无屏蔽双绞线 (UTP);屏蔽双绞线 (STP)
金属屏蔽 外绝缘层

? 同轴电缆分类
?

?

基带同轴电缆(50Ω ) ? 传输数字信号 宽带同轴电缆(75Ω ) ? 传输模拟信号

内层导线 绝缘体

同轴电缆

53

第1章 信息技术概述

光纤与光缆

光线

? 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

光波 包层
保护层
光波在光纤中的传播

? 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 保 护 层 光 纤

54

第1章 信息技术概述

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——幅移键控ASK)
? 光波的频率为1014~1015Hz,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
光纤 驱动 电路 光源 光调 制器 中继器 光纤 放大 电路 光检 测器 输出 电路

电信号

电信号

发送单元(电/光转换)

传输单元

接收单元(光/电转换)

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 55

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

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

第1章 信息技术概述

波分多路复用(Wave Division Multiplexing, WDM)
? 为提高传输效率,1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波,每种

光波各自传输自己所携带的信息,速率可达到 40G-100Gbit/s
? 原理:
发送端有N个 发送单元,它 们各自发出不 同波长的光波 通过复用器(称 为合波器)合并 起来,进入同一 根光纤进行传输 接收端用分路器(称为 分波器)将不同波长的 光分开,分别送到各 自的光电检测器恢复 出原始信号

示意图

光纤

复合光
56
第1章 信息技术概述

无线通信
? 原理:模拟信号或数字信号使用电磁波调制后进行

传输

电磁波的种类与频率范围
无线电波: 中波: 短波: 超短波: 微波: 红外线: 可见光: 紫外线: 106 107
同轴电缆 AM广播 FM广播和TV 地面微波 卫星 中波 短波 超短波 无线电波 微波 红外线 可见光 紫外线 第1章 信息技术概述 光纤

104 0.3 3 30 0.3 1011 1014 1014 109

~ 1011 (Hz) ~ 3 (MHz) ~ 30 (MHz) ~ 300 (MHz) ~ 300 (GHz) 14 (Hz) ~ 10 (Hz) 16 (Hz) ~ 10 1010 1011

无线广播 电视、通信 通信 1013 1014 1015 1016 Hz

104

105
双绞线

108

1012

57

微波通信
? 微波:300MHz~300GHz范围内

的电磁波,波长为1 m~1mm
? 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

58

第1章 信息技术概述

卫星通信
? 卫星通信: 中继站在人造地球卫星上的
通信卫星

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
卫星

地 球 地面站1 地面站2

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
35800公 里

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

地球 卫星 卫星

积,进行二十四小时的全天候通信
第1章 信息技术概述

59

1.3.4 移动通信
(1) 什么是移动通信
(2) 移动通信原理 (3) 第2代和第3代移动通信

60

第1章 信息技术概述

什么是移动通信?
? 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

移动电 话交换 中心
基站

公用电话网

移动台 (手机)
61
第1章 信息技术概述

蜂窝移动通信原理
? 每10km~20km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 移动 ? 所有单元既相互分割,又彼此有所交叠, 交换 中心 连成整个移动通信服务网 电话交 换中心 ? 所有基站都通过微波或电缆、光缆与移 动交换中心通信 ? 每个蜂窝单元中有200 ? 手机每个时刻都处于某个特定单元的基 多个信道(GSM)。 站控制之下,通话时使用两个频率(一 ? 相邻单元不允许使用相 个上行频率,一个下行频率),同一单 同的频率,不相邻单元 元内同一时刻的不同手机使用不同的频 的频率允许重用 率进行通信,相互不影响
62
第1章 信息技术概述

第二代移动通信系统
? 传输的是数字化的语音/文字信号 ? 使用频段:900MHz/1800MHz ? 我国使用的2种标准:
?

?

GSM(欧洲移动通信系统,也称全球通、全数字系统) ? 中国电信的GSM网已基本实现县以上城市的覆盖, 接入 号有139~135、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,实际上可有200多个 CDMA (码分多址接入,Code Division Multiple Access) ? 所有手机都占用相同带宽和频率,在整个频段上进行信 号传输,但它们分别采用不同的编码原理加以区分,即 CDMA给每一手机分配一个唯一的码序列(扩频码), 并用它对承载信息的信号进行编码 ? 抗干扰能力强,系统容量大,接通率高,噪声小,
第1章 信息技术概述

63

第三代数字移动通信系统
? 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) (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 ? 第3代移动通信技术(简称3G)的目标: (1)全球漫游 (2)适应多种环境,地面移动通信与卫星移动通信相结合 (3)提供高质量的话音通信、数据通信和高分辨率图像通信 (4)提供足够的系统容量,具有高保密性和优质的服务 ? 技术: ? 频谱:1885 MHz ~2025MHz,2110MHz~2200MHz ? 传输速率:室内:2Mb/s,步行:384kb/s,快速移动:114kb/s ? 标准:WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA(时分-同步码分多址接 入)
64
第1章 信息技术概述

附:现代电话通信网络
通信卫星 地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备 地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备

用户

市 内 交 换 设 备 移 动 交 换 设 备

长 途 交 换 设 备

数 字 多 路 设 备

数 字 多 路 设 备

长 途 交 换 设 备

市 内 交 换 设 备 移 动 交 换 设 备 基 站 基 站

基 站 基 站

光再生中继设备 ( 光放大器)

长途网 本地网 移动网 本地网

65

第1章 信息技术概述

小结
? 什么是通信?
?

使用电波或光波传递信息 远距离——调制解调技术(MODEM) 低成本——多路复用技术(Multiplexer)+交换技术(Switch) 高速度——光纤通信技术 可靠——信号不失真、无差错、保证通信畅通(数字通信) 方便——移动通信技术(无线、数字通信) 安全——加密、身份认证(数字通信)

? 对通信系统的要求:
? ? ? ? ? ?

? 目前许多通信系统既采用模拟通信技术,也采用数字通信技术,总

的趋势是数字化、光纤化

66

第1章 信息技术概述


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