12第一章微电子技术与通信技术.pptx

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1、第第1章章 微电子技术与通信技术微电子技术与通信技术电子信息技术电子信息技术现代信息技术现代信息技术的特点：的特点：采用采用电电(光光)子技术子技术：以以计算机计算机为基础（为基础（computer_basedcomputer_based）以以软件软件为核心（为核心（software_centricsoftware_centric）现代信息技术领域：现代信息技术领域：微电子、通信、微电子、通信、广播广播、计算机、计算机、遥感遥测、自动控制、机器人等遥感遥测、自动控制、机器人等2021/9/121信息技术三大信息技术三大基础技术基础技术1.微电子微电子技术技术-集成电路集成电路2.通信通信技术技

2、术 -通信系统通信系统3.计算机计算机技术技术-数字技术数字技术2021/9/1221.1 1.1 微电子技术微电子技术1.1.1 1.1.1 微电子技术与集成电路微电子技术与集成电路 微电子技术：微电子技术：以以集集成成电电路路为为核核心心的的微微电电子子技技术术是是在在电电子子电电路路和和系系统统的的超超小小型型化化和和微微型型化化过过程程中中逐逐渐渐形形成成和和发展起来的。发展起来的。2021/9/123电子电路使用的基础电子电路使用的基础元件元件的演变的演变:真空电子管真空电子管 晶体管晶体管 中小规模集成电路中小规模集成电路 大规模超大规模集成电路大规模超大规模集成电路2021/9/

3、124电子电路使用的基础元件的演变电子电路使用的基础元件的演变真空电子管真空电子管 在这个阶段产生了广播、电在这个阶段产生了广播、电视、无线电通信、仪器仪表、自视、无线电通信、仪器仪表、自动化技术和动化技术和第一代第一代电子计算机电子计算机晶体管晶体管 1948年发明，再加上印制电年发明，再加上印制电路组装技术的使用，使电子电路路组装技术的使用，使电子电路在小型化方面前进了一大步，产在小型化方面前进了一大步，产生了生了第二代第二代计算机计算机2021/9/125电子电路使用的基础元件的演变电子电路使用的基础元件的演变集成电路集成电路(Integrated Circuit，简称，简称IC)：这是

4、这是20世纪世纪50年代出现，以年代出现，以半导体单晶片半导体单晶片作为材料，经平面作为材料，经平面工艺加工制造，将工艺加工制造，将大量晶体管、大量晶体管、电阻电阻等元器件及互连线构成的电等元器件及互连线构成的电子线路集成在基片上，构成的一子线路集成在基片上，构成的一个个微型化的电路或系统微型化的电路或系统。现代集成电路使用的半导体现代集成电路使用的半导体材料通常是材料通常是硅硅(Si)，也可以是，也可以是化化合物半导体合物半导体如砷化镓如砷化镓(GaAs)等。等。集成电路的集成电路的特点特点是：体积小，重是：体积小，重量轻，可靠性高。量轻，可靠性高。超大规模集成电路超大规模集成电路小规模集成

5、电路小规模集成电路2021/9/126集成电路的规模集成电路的规模根据所包含的晶体管数目分为：根据所包含的晶体管数目分为：集成电路规模集成电路规模集成度（个电子元件）集成度（个电子元件）小小规模集成电路规模集成电路（SSI）100中中规模集成电路规模集成电路（MSI）1003000大大规模集成电路规模集成电路（LSI）300010万万超大超大规模集成电路规模集成电路（VLSI）10万万100万万极大极大规模集成电路规模集成电路（ULSI）100万万2021/9/127集成电路分类集成电路分类根据根据所用晶体管结构、电路和工艺所用晶体管结构、电路和工艺分为：分为：双极型双极型（Bipolar）集

6、成电路）集成电路 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)集成电路集成电路 双双极极金金属属-氧氧化化物物-半半导导体体集集成成电电路路(Bi-MOS)等等根据根据集成电路的功能集成电路的功能分为：分为：数字数字集成电路集成电路(如逻辑电路、存储器、微处理器、如逻辑电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等微控制器、数字信号处理器等)模拟模拟集成电路集成电路(又称为线性电路，如信号放大器、又称为线性电路，如信号放大器、功率放大器等功率放大器等)根据根据用途用途分为：分为：通用通用集成电路集成电路 专用专用集成电路集成电路（ASIC）2021/9/128微电子技术与集成电路微电子技

7、术与集成电路集集成成电电路路芯芯片片是是微微电电子子技技术术的的结结晶晶，它它们们是是计计算机的核心。算机的核心。2021/9/129微电子技术与集成电路微电子技术与集成电路集成电路集成电路是现代信息产业和信息社会的是现代信息产业和信息社会的基础基础集成电路集成电路是改造和提升传统产业的是改造和提升传统产业的核心技术核心技术 2000年世界半导体产值达年世界半导体产值达2000亿美元亿美元 电子信息产品市场总额超过电子信息产品市场总额超过1万亿美元万亿美元据据预预测测：未未来来十十年年内内世世界界半半导导体体的的年年平平均均增增长长率率将将达达15%以以上上，2010年年全全世世界界半半导导体

8、体的的年年销销售售额额可可达达到到60008000亿亿美美元元，将将支支持持45万万亿亿美元的电子装备市场。美元的电子装备市场。2021/9/1210集成电路的制造集成电路的制造集成电路的制造：集成电路的制造：400多道工序多道工序硅衬底硅衬底硅衬底硅衬底晶圆晶圆晶圆晶圆芯片芯片芯片芯片硅平面工艺硅平面工艺硅平面工艺硅平面工艺剔除、分类剔除、分类剔除、分类剔除、分类集成电路集成电路集成电路集成电路封装封装成品成品成品成品成品测试成品测试成品测试成品测试2021/9/1211集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势集成电路的工作速度集成电路的工作速度 主主要要取取决决于于组组成成逻逻辑辑门门电电路路

9、的的晶晶体体管管的的尺尺寸寸，晶晶体体管管的的尺尺寸寸越越小小，其其极极限限工工作作频频率率越越高高，门门电电路路的的开开关关速速度度就就越越快快。芯芯片片上上电电路路元元件件的的线线条条越越细细，相相同同面面积积的的晶晶片片可可容容纳纳的的晶晶体体管管就就越越多，功能就越强，速度也越快。多，功能就越强，速度也越快。2021/9/1212集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势提高集成度提高集成度，关键在缩小门电路面积，关键在缩小门电路面积集成电路特点：体积小、重量轻、可靠性高集成电路特点：体积小、重量轻、可靠性高MooreMoore定律定律单块集成电路的集成度平均每单块集成电路的集成度平均每18

10、24个月个月翻一翻一番番 Gordon E.Moore,1965 Gordon E.Moore,1965年年IntelIntel公司创始人公司创始人2021/9/1213集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势 Intel公司公司30年来微处理器集成度的发展年来微处理器集成度的发展19701975198019851990199520001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0004004800880808086802868038680486PentiumPentium IIPentium IIIPentium 4晶体管数晶体管数2021/9/12

11、14集成电路技术的发展趋势集成电路技术的发展趋势年度（年）年度（年）1999199920012001200420042008200820142014工艺工艺(m)m)0.180.180.130.130.090.090.060.060.010.014 4晶体管晶体管(M)M)23.823.847.647.613513553953935003500时时 钟钟 频频 率率(GHz)GHz)1.21.21.61.62.02.02.652.655 51010面积面积(mmmm2 2)340340340340390390468468901901连线层数连线层数6 67 78 89 91010晶晶 圆圆 直

12、直 径径(mmmm)300300300300350350400400450450引脚数目引脚数目70070095795733503350功耗（功耗（w w）90901301301831832021/9/1215集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势目前集成电路生产的主流技术：目前集成电路生产的主流技术：12吋吋晶晶圆圆、0.18微微米米工工艺艺，并并正正在在向向1414吋吋晶晶圆圆、0.090.09微米工艺过渡微米工艺过渡 Intel P4P4：已采用：已采用0.130.13mm工艺制造生产工艺制造生产AMDAMD：有采用：有采用0.130.13mm工艺制造生产的工艺制造生产的CPUCPU1 1

13、（mm微米）微米）1/1,000,000 1/1,000,000（米）（米）美国半导体协会美国半导体协会(SIA)(SIA)预测，到预测，到20102010年将能达到年将能达到1818吋晶圆和吋晶圆和0.070.070.050.05微米的工艺。在未来十微米的工艺。在未来十年时间里，集成电路的技术还将继续遵循年时间里，集成电路的技术还将继续遵循MooreMoore定律得到进一步的发展定律得到进一步的发展2021/9/1216集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势u光子计算机光子计算机光能够像电一样来传递光能够像电一样来传递信息，甚至效果更好。而且，信息，甚至效果更好。而且，更重要的一个特点在于它不

14、更重要的一个特点在于它不会和周围环境发生相互干扰会和周围环境发生相互干扰的作用。因为当电子计算机的作用。因为当电子计算机芯片越来越趋向于芯片越来越趋向于0.18m0.18m时，就会产生很多的问题时，就会产生很多的问题,而光子计算机就可以避免。而光子计算机就可以避免。2021/9/1217集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势u量子计算机量子计算机 这这是运用是运用量子力学量子力学来设计的，来设计的，它们的特点是其潜在的运算速度将它们的特点是其潜在的运算速度将更大于电子计算机。从理论上说，更大于电子计算机。从理论上说，它们的速度提高可以说是没有止境它们的速度提高可以说是没有止境的，因为量子计算技术

15、可以在同一的，因为量子计算技术可以在同一时间内执行各种操作，同时有足够时间内执行各种操作，同时有足够的能力来完成现在电子计算机还很的能力来完成现在电子计算机还很难完成的任务，比如说完成密码的难完成的任务，比如说完成密码的破译和语音的识别等等。因此，欧破译和语音的识别等等。因此，欧洲已经成立了量子计算机研究所，洲已经成立了量子计算机研究所，现在估计，量子计算机可能会在今现在估计，量子计算机可能会在今后的十五年左右出现。后的十五年左右出现。图为一种可瞬间进图为一种可瞬间进行图像数据计算的行图像数据计算的光电计算机光电计算机2021/9/1218集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势u分子计算机分子计

16、算机现在已经开发出来一种能现在已经开发出来一种能够由氮气和二氯化碳来开动和够由氮气和二氯化碳来开动和闭关的分子计算机，这种超高闭关的分子计算机，这种超高速的微型计算机离现实已经很速的微型计算机离现实已经很近了。这种技术将会导致只需近了。这种技术将会导致只需要利用立体和光线就能够产生要利用立体和光线就能够产生新的、甚至能够思考的计算机新的、甚至能够思考的计算机来解决目前晶体管的物理局限，来解决目前晶体管的物理局限，使得未来的计算机的功能大大使得未来的计算机的功能大大的增加，尺寸大大的缩小。的增加，尺寸大大的缩小。2021/9/1219集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势u生物计算机生物计算机 实

17、际上就是随着生物技术的发展，人们将模仿人的实际上就是随着生物技术的发展，人们将模仿人的大脑制造一种用大脑制造一种用基因学的机制基因学的机制来开发的新一代计算机。来开发的新一代计算机。现在生物计算机的模型已经出来。以色列的科学家现在生物计算机的模型已经出来。以色列的科学家制造了一个有可能会比单个活细胞还要小的计算机的模制造了一个有可能会比单个活细胞还要小的计算机的模型。这么微小的计算机也可能将在我们的体内漫游，监型。这么微小的计算机也可能将在我们的体内漫游，监视我们的健康。也许会纠正它所发视我们的健康。也许会纠正它所发现人体内哪个地方脂肪的堆积，帮现人体内哪个地方脂肪的堆积，帮助解决问题。其实每

18、一个细胞实际助解决问题。其实每一个细胞实际上都是一个复杂的生物机件，一个上都是一个复杂的生物机件，一个系统。用这么一种仿生技术来制造系统。用这么一种仿生技术来制造生物计算机。生物计算机。2021/9/12201.2 通信技术通信技术1.2.1概述概述 通信通信：各种信息的传递各种信息的传递 现代通信现代通信：使用电波或光波双向传递信息的：使用电波或光波双向传递信息的 技术（电信）技术（电信）2021/9/1221 通信三要素：通信三要素：信源信源（信息的发送者）（信息的发送者）信宿信宿（信息的接收者）（信息的接收者）信道信道（信息的载体与（信息的载体与 传播媒介）传播媒介）通信系统模型：通信系

19、统模型：信源信源（宿）（宿）编码器编码器（解码器）（解码器）复用复用（分路）（分路）信道信道复用复用（分路）（分路）编码器编码器（解码器）（解码器）信源信源（宿）（宿）产生和发送信产生和发送信息的一端息的一端信源信源信宿信宿通信线路通信线路 信道信道噪声噪声外界的干扰外界的干扰接收信息接收信息的一端的一端2021/9/1222 通信系统通信系统（也称（也称电信网电信网）组成：）组成：终端设备（例如：电话机）终端设备（例如：电话机）传输设备（例如：电话线）传输设备（例如：电话线）交换设备（例如：程控交换机）交换设备（例如：程控交换机）2021/9/1223通信系统（电信网）通信系统（电信网）分类

20、分类按按业业务务种种类类：电电话话网网、电电报报网网、数数据据通通信信网网、传真通信网、图像通信网等传真通信网、图像通信网等按按服服务务区区域域范范围围：本本地地电电信信网网、农农村村电电信信网网、长途电信网、移动通信网、国际电信网等长途电信网、移动通信网、国际电信网等按按信信息息信信号号形形式式：模模拟拟通通信信网网、数数字字通通信信网网、数字模拟混合网等数字模拟混合网等按按传输媒体传输媒体分类分类2021/9/1224按按传输媒体传输媒体分类：分类：电缆通信网电缆通信网 光缆通信网光缆通信网 短波通信网短波通信网 微波通信网微波通信网 卫星通信网卫星通信网 低轨道卫星移动通信网低轨道卫星移

21、动通信网 2021/9/12251.2.2数据通信基本原理及有关的基本概念数据通信基本原理及有关的基本概念信道信道调制解调（编码器：调制，解码器：解调）调制解调（编码器：调制，解码器：解调）多路复用（主干信道）多路复用（主干信道）交换交换信源信源（宿）（宿）编码器编码器（解码器）（解码器）复用复用（分路）（分路）信道信道复用复用（分路）（分路）编码器编码器（解码器）（解码器）信源信源（宿）（宿）2021/9/1226信道信道的基本概念的基本概念信道的定义信道的定义：向某个方向传输信息的向某个方向传输信息的媒体媒体。一条通信线路通常包含一个一条通信线路通常包含一个发送信道发送信道和和一个一个接收

22、信道接收信道。2021/9/1227信道的种类信道的种类按按传输的信号类型传输的信号类型可将信道分为：可将信道分为：模拟模拟信道：传输连续的模拟信号的信道信道：传输连续的模拟信号的信道特点：频带窄，信道利用率高；受噪声干扰大特点：频带窄，信道利用率高；受噪声干扰大例如：传输语音信号的架空明线、双绞线，传输广例如：传输语音信号的架空明线、双绞线，传输广播电视信号的宽带同轴电缆播电视信号的宽带同轴电缆数字数字信道：传输离散的数字信号信道：传输离散的数字信号特点：信号不失真，准确性高；数字设备可大规模特点：信号不失真，准确性高；数字设备可大规模集成，价格便宜；易于加密；要求频带宽，信道利集成，价格便

23、宜；易于加密；要求频带宽，信道利用率低用率低例如：传输计算机通信所用的信号的基带例如：传输计算机通信所用的信号的基带 同轴电缆、光缆等同轴电缆、光缆等按按信号的传输媒体信号的传输媒体分类：分类：有线信道：电缆、光缆有线信道：电缆、光缆无线信道：自由空间无线信道：自由空间2021/9/12282.调制解调调制解调 调制解调调制解调基本概念基本概念调制调制（ModulationModulation）将基带数字信号的波形变换为适合于模拟信道传输将基带数字信号的波形变换为适合于模拟信道传输的模拟信号波形。的模拟信号波形。(将将数字数字信号转换成信号转换成模拟信号模拟信号)解调解调（Demodulati

24、onDemodulation）将由调制器变换过的模拟信号波形恢复成原来的基将由调制器变换过的模拟信号波形恢复成原来的基带数字信号波形。带数字信号波形。(将将模拟模拟信号转换成信号转换成数字数字信号信号)基本调制方法：基本调制方法：调幅，调频，调相调幅，调频，调相2021/9/12293.多路复用多路复用 多路复用多路复用 为了提高线路利用率，总是设法在一条传输为了提高线路利用率，总是设法在一条传输线路上，传输多个模拟信号（例如，话路信息）线路上，传输多个模拟信号（例如，话路信息）或数字信号，这就是多路复用。或数字信号，这就是多路复用。多路复用技术多路复用技术通常有：通常有：频分复用，时分复用，

25、码分复用频分复用，时分复用，码分复用，波分复用波分复用 信道信道多路复用器多路复用器多路复用器多路复用器终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端2021/9/1230多路复用多路复用基本概念基本概念频分频分多路复用多路复用 将传输线路的将传输线路的频带分成频带分成N部分部分，每一个，每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。这部分均可作为一个独立的传输信道使用。这样在一对传输线路上可有样在一对传输线路上可有N对话路信息传送，对话路信息传送，而每一对话路所占用的只是其中的一个频段。而每一对话路所占用的只是其中的一个频段。频分制通信又称频分制通信又称载波通信载波通信，它是模

26、拟通，它是模拟通信的主要手段信的主要手段。2021/9/1231时分多路复用时分多路复用 把一个传输通道进行把一个传输通道进行时间分割时间分割以传送若干话以传送若干话路的信息。把路的信息。把N个话路设备接到一条公共的通道个话路设备接到一条公共的通道上，按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使上，按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，执行操作。与此同时，其它设备与通通道接通，执行操作。与此同时，其它设备与通道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到，道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到，则通过时分多

27、路转换开关把通道联接到下一个要则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要连接的设备上去。时分制通信也称连接的设备上去。时分制通信也称时间分割通信时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法，因而它是数字电话多路通信的主要方法，因而PCM(脉冲编码调制脉冲编码调制)通信常称为通信常称为时分多路通信时分多路通信。2021/9/1232码分多路复用码分多路复用 用于无线移动通信。所有移动站点（例如手用于无线移动通信。所有移动站点（例如手机）在整个频段上进行传输，多路信号同时传输机）在整个频段上进行传输，多路信号同时传输时采用时采用不同的编码原理不同的编码原理加以区分。加以区分。例如，每个站点有一个唯

28、一的例如，每个站点有一个唯一的m m位代码位代码（芯片序列），当需要发送比特（芯片序列），当需要发送比特1 1时，站点发送时，站点发送其芯片序列；当需要发送比特其芯片序列；当需要发送比特0 0时，站点发送其时，站点发送其芯片序列的补码。芯片序列的补码。2021/9/1233信道使用的鸡尾酒会原理信道使用的鸡尾酒会原理 在一个大房间里（一个信道），有许多对人在交谈在一个大房间里（一个信道），有许多对人在交谈（多路信号传输）：（多路信号传输）：时分复用时分复用 不同对的人轮流交谈，一对交谈结束后不同对的人轮流交谈，一对交谈结束后 另一对再接上。另一对再接上。频分复用频分复用 不同对的人分成不同的组

29、，每组独立占不同对的人分成不同的组，每组独立占 用房间内的一小块区域，各组人同时进用房间内的一小块区域，各组人同时进 行自己的交谈，互不干扰。行自己的交谈，互不干扰。码分复用码分复用不同对的人分别用不同语言进行交谈，不同对的人分别用不同语言进行交谈，其它语言只当作噪音不予理会。其它语言只当作噪音不予理会。2021/9/1234波分多路复用波分多路复用 在单一光纤内同步传输多个在单一光纤内同步传输多个不同波长不同波长的光的光波，使得数据传输速度和容量获得倍增波，使得数据传输速度和容量获得倍增2021/9/12353.交换技术交换技术交换：交换：在广域网的情况下，网络节点是部分连接，在广域网的情况

30、下，网络节点是部分连接，没有直接互联的节点间的通信，必须经过没有直接互联的节点间的通信，必须经过中转节点中转节点的转换的转换才能实现。这种由中转节点参与的通信和电才能实现。这种由中转节点参与的通信和电话系统中两个电话用户间的通话必须经由电话交换话系统中两个电话用户间的通话必须经由电话交换机的现象类似，也称为机的现象类似，也称为交换交换。中转的节点称为。中转的节点称为交换交换节点节点。交换技术能为需要通信的计算机建立一个交换技术能为需要通信的计算机建立一个临临时时的通信链路，通信结束后再拆除链路。的通信链路，通信结束后再拆除链路。2021/9/1236交换技术有：电路交换与分组交换交换技术有：电

31、路交换与分组交换电路交换电路交换（线路交换）（线路交换）为发送端和接收端建立一条为发送端和接收端建立一条临时的实际物理通道临时的实际物理通道，供通信双方使用，通信完毕后，交换机内的连线供通信双方使用，通信完毕后，交换机内的连线被拆除。被拆除。例如：例如：电话交换机电话交换机优点：交换方式简单，适合远距离成批数据传输，优点：交换方式简单，适合远距离成批数据传输，建立一次连接可传送大量数据。建立一次连接可传送大量数据。缺点：线路利用率低，通信成本高缺点：线路利用率低，通信成本高2021/9/1237分组交换分组交换（包交换包交换）把需要传输的数据块分割成若干小块，然后为每个小把需要传输的数据块分割

32、成若干小块，然后为每个小块数据加上有关的地址信息及分组信息，组成一个块数据加上有关的地址信息及分组信息，组成一个数据包数据包（也称为（也称为“分组分组”）。数据包的长度通常为几十到几百个）。数据包的长度通常为几十到几百个字节。这些数据包按照类似于流水线的方式在网络中经过字节。这些数据包按照类似于流水线的方式在网络中经过缓冲、转发而到达目的地。通信网络中每个结点为其相连缓冲、转发而到达目的地。通信网络中每个结点为其相连的每条链路准备了一个缓冲区，每个数据包按照去向不同的每条链路准备了一个缓冲区，每个数据包按照去向不同送入各个缓冲区排队，当某一条链路空闲时，就从相应的送入各个缓冲区排队，当某一条链

33、路空闲时，就从相应的缓冲区中取出一个数据包发送到下一结点，下一结点再进缓冲区中取出一个数据包发送到下一结点，下一结点再进行转发，直至数据包到达接收端。接收端的计算机按照数行转发，直至数据包到达接收端。接收端的计算机按照数据包的编号，将它们重新组装成为原来形式的数据块。据包的编号，将它们重新组装成为原来形式的数据块。优点优点：线路利用率高；收发双方不需同时工作，当接：线路利用率高；收发双方不需同时工作，当接收方忙碌时，整个网络都可以作为它的缓冲；可以给数据收方忙碌时，整个网络都可以作为它的缓冲；可以给数据包建立优先级，使得一些重要应用的数据包能优先传递。包建立优先级，使得一些重要应用的数据包能优

34、先传递。缺点缺点：延时长，不宜用于实时通信或交互通信。：延时长，不宜用于实时通信或交互通信。2021/9/12381.2.3几种通信系统几种通信系统有线载波通信有线载波通信光纤通信光纤通信微波通信微波通信卫星通信卫星通信移动通信移动通信2021/9/12391.有线载波通信有线载波通信有有线线载载波波通通信信：主主要要传传输输电电话话、电电报报、传传真真、数数据，也可传输广播、可视电话、电视节目据，也可传输广播、可视电话、电视节目依据依据所用的传输介质所用的传输介质，有线载波通信可分为：，有线载波通信可分为：明明线线载载波波系系统统(常常见见应应用用:电电话话系系统统,传传输输模模拟拟信信号号

35、(例如，话音例如，话音)（架空明线）（架空明线）对称电缆对称电缆载波系统载波系统(常见应用常见应用:电电话话系系统统（模模拟信号）与局域网（数字信号）拟信号）与局域网（数字信号）)（双绞线）（双绞线）同同轴轴电电缆缆载载波波系系统统(常常见见应应用用：有有线线电电视视系系统统(模拟信号模拟信号)与局域网与局域网(数字信号数字信号)（同轴电缆）（同轴电缆）2021/9/12402.光纤通信光纤通信传输介质：光纤（光缆）传输介质：光纤（光缆）传传输输的的信信号号：光光信信号号（数数字字信信号号，有有光光脉脉冲冲相相当于当于1，无光脉冲相当于，无光脉冲相当于0）传输速率：传输速率：1 Gb/s 以上

36、以上包层包层纤芯纤芯光纤的构成光纤的构成2021/9/1241光波在纤芯中的传输原理光波在纤芯中的传输原理 当光线的入射角足够大时，当光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去。光就沿着光纤传播下去。光纤种类光纤种类 多模多模：纤芯直径为：纤芯直径为 50 或或 62.5m，可以存在许多条，可以存在许多条入射角不同的光线，各自以不同的反射角全反射传播下入射角不同的光线，各自以不同的反射角全反射传播下去（即：每一个光线有一个不同的模式）。去（即：每一个光线有一个不同的模式）。单模单模：纤芯直径为：纤芯直径为 810 m（一个光波波长），光（

37、一个光波波长），光线不出现反射，直接向前传输线不出现反射，直接向前传输。衰耗小，在衰耗小，在 2.5 Gb/s 的的高速率下传输数十公里而不必采用中继器。高速率下传输数十公里而不必采用中继器。光线光线光线光线光波在光纤中的传播光波在光纤中的传播光波在光纤中的传播光波在光纤中的传播2021/9/1242 光纤通信系统光纤通信系统调制器调制器发信电路发信电路激励电路激励电路信息信息解调器解调器收信电路收信电路放大电路放大电路信息信息光缆光缆中继中继器器发信设发信设备备收信设收信设备备电光变换器电光变换器光电变换器光电变换器2021/9/1243 光纤通信优点光纤通信优点 传输频带非常宽，通信容量大

38、传输频带非常宽，通信容量大 抗雷电和电磁干扰、抗辐射能力强抗雷电和电磁干扰、抗辐射能力强 无无串串音音干干扰扰，保保密密性性强强，不不易易被被窃窃听听或或截取数据截取数据传输损耗小，通讯距离长传输损耗小，通讯距离长数数据据速速率率为为420Mbps、距距离离为为119km、无中继器时，误码率为无中继器时，误码率为10-8重量轻，便于运输和铺设重量轻，便于运输和铺设 光纤通信缺点光纤通信缺点精确连接两根光纤比较困难精确连接两根光纤比较困难2021/9/1244光纤通信的瓶颈之一是光信号的传输距离光纤通信的瓶颈之一是光信号的传输距离。焦点在焦点在“信号放大信号放大”。普通光纤网络中的信息在传输时每

39、隔普通光纤网络中的信息在传输时每隔200km200km500km500km间需加入电间需加入电放大器，将光信号还原成电信号进行放大，然后再转换成光信放大器，将光信号还原成电信号进行放大，然后再转换成光信号继续传输。这不仅增加成本，还使号继续传输。这不仅增加成本，还使进一步提高带宽变得越来进一步提高带宽变得越来越困难，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光越困难，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电电和电/光转换所抵消光转换所抵消。全光网全光网（All Optical NetworkAll Optical Network）：光信息流在通信网络中的传输及交换时始终以光的形式始终以光的形式

40、存在，不需要经过光/电、电/光转换。全光网技术是光纤通讯领域的前沿技术，是21世纪真正的高速公路。2021/9/12457.2.4 无线通信系统无线通信系统无线通信原理无线通信原理 利利用用电电磁磁波波可可以以在在空空间间自自由由传传播播的的特特性性，通通过过调调节节电电磁磁波波的的振振幅幅、频频率率或或相相位位实现远距离传输信息。实现远距离传输信息。电磁波的种类与频率范围：电磁波的种类与频率范围：无线电波：无线电波：104 108(Hz)微波：微波：108 1011(Hz)红外线：红外线：1011 1014(Hz)可见光：可见光：1014 (Hz)紫外线：紫外线：1014 1016(Hz)X

41、射线：射线：1016 1022(Hz)伽玛射线伽玛射线:1022 1024(Hz)2021/9/12461.微波通信微波通信 无无线线电电波波按按频频率率(或或波波长长)可可分分成成中中波波、短短波、超短波和微波。波、超短波和微波。微微 波波：一一 种种 具具 有有 较较 高高 频频 率率(300MHz(300MHz300GHz)300GHz)的的电电磁磁波波。波波长长很很短短，通通常常为为1 1米米至至1 1毫毫米。米。微波通信是众多无线通信形式中的一种。微波通信是众多无线通信形式中的一种。2021/9/1247通信卫星通信卫星通信卫星通信卫星对流层对流层对流层对流层不均匀体不均匀体不均匀体

42、不均匀体 微波通信方式微波通信方式：地面微波接力通信地面微波接力通信 卫星通信卫星通信 对流层散射通信对流层散射通信2021/9/1248地地面面微微波波接接力力通通信信 如如终终端端站站 A，通通过过地地面面中中继继站站C，D，E,F，.，与与另另一一终终端端站站 B 进进行行通通信信。中中继继站站之之间间的的距距离离大大致致与与塔塔高高平平方方成成正正比比。一般为一般为50公里左右。公里左右。卫卫星星通通信信 地地球球站站 G 经经通通信信卫卫星星（空空中中微微波波中中继继站站）与与另另一一地地球球站站 H 进进行行通通信信。是是微微波波接接力力通信向太空的延伸。通信向太空的延伸。对流层散

43、射通信对流层散射通信 终端站终端站X发出的微波信号经对发出的微波信号经对流层流层散射散射传到另一终端站传到另一终端站Y进行通信。进行通信。2021/9/1249 微波通信优点微波通信优点：容量大容量大 可靠性高可靠性高 建设费用低建设费用低 抗灾能力强抗灾能力强2021/9/12502.卫星通信卫星通信 利用利用人造地球卫星人造地球卫星作为中继站转发无线电作为中继站转发无线电信号，实现两或多个地球站之间的通信。信号，实现两或多个地球站之间的通信。是微波接力通信技术与空间技术相结合的是微波接力通信技术与空间技术相结合的产物。产物。2021/9/1251 通信卫星工作原理通信卫星工作原理 从从地地

44、面面站站1发发出出的的无无线线电电信信号号，被被卫卫星星通通信信天天线线接接收收后后，首首先先在在通通信信转转发发器器中中进进行行放放大大、变变频频和和功功率率放放大大，然然后后由由卫卫星星的的通通信信天天线线把把放放大大后后的的信信号号重重新新发发向向地地面面站站2，从从而而实实现现两两个个地地面面站站或或多多个个地地面面站站的的远远距离通信。距离通信。通信卫星通信卫星通信卫星通信卫星地面站地面站地面站地面站1 1地面站地面站地面站地面站2 2地地地地 球球球球2021/9/1252卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星地球地球地球地球3580035800公里公里公里公里同步轨道同

45、步轨道 卫星卫星(地球同步地球同步卫星卫星)赤道上方高度为赤道上方高度为36 000公公里的地方，里的地方，卫星的运行周期与卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同地球自转一圈的周期相同，因，因此在地面上看这种卫星好似静此在地面上看这种卫星好似静止不动止不动。三颗同步定点轨道三颗同步定点轨道 卫星就可以覆盖地球的几乎全卫星就可以覆盖地球的几乎全部面积，可以进行二十四小时部面积，可以进行二十四小时的全天候通信。的全天候通信。天空中最多天空中最多只能有只能有180180颗颗地球同步通信卫星。地球同步通信卫星。2021/9/1253中、低轨道中、低轨道卫星卫星 运行周期小于运行周期小于地球自转一圈的周

46、期，因此地球自转一圈的周期，因此相相对于地面是对于地面是运动运动的，卫星天线覆盖的区域小，的，卫星天线覆盖的区域小，地面天线必须随时跟踪卫星。地面天线必须随时跟踪卫星。优点：高度仅是同步轨道的二十分之一至优点：高度仅是同步轨道的二十分之一至八十分之一，路径损耗低，传播时延时大大缩八十分之一，路径损耗低，传播时延时大大缩短，对于手执通信终端和话音通信非常有利。短，对于手执通信终端和话音通信非常有利。例如，摩托罗拉公司的一项计划：发射例如，摩托罗拉公司的一项计划：发射6666颗低轨道卫星（高度颗低轨道卫星（高度750km750km）覆盖整个地球，利）覆盖整个地球，利用直接与卫星通信的手持设备实现世

47、界范围内用直接与卫星通信的手持设备实现世界范围内的电信服务。的电信服务。2021/9/1254 卫星通信特点卫星通信特点：优优点点：通通信信距距离离远远、频频带带宽宽、容容量量大大、抗抗干扰强、通信稳定。干扰强、通信稳定。缺缺点点：造造价价高高（卫卫星星本本身身，发发射射卫卫星星的的火火箭箭）、技技术术复复杂杂、通通信信天天线线口口径径大大、有有较较大大延延时、同步轨道卫星数目有限。时、同步轨道卫星数目有限。2021/9/12557.3.5 移动通信移动通信移动通信移动通信 处处于于移移动动状状态态的的对对象象之之间间的的通通信信，包包括括寻寻呼呼系系统统、蜂蜂窝窝移移动动电电话话（俗俗称称手

48、手机机）、集集群群调调度、无绳电话和卫星系统。度、无绳电话和卫星系统。2021/9/1256 蜂窝移动通信系统组成蜂窝移动通信系统组成:移动台、基站、移动电话交换中心移动台、基站、移动电话交换中心移动电话网移动电话网基站的有效区域基站的有效区域2021/9/1257移动台移动台：是移动的通信终端，它是接收无线信：是移动的通信终端，它是接收无线信号的接收机，包括手机，呼机，无绳电话等。号的接收机，包括手机，呼机，无绳电话等。基站基站：是与移动台联系的一个固定收发机，它：是与移动台联系的一个固定收发机，它接收移动台的无线信号，每个基站负责与一个接收移动台的无线信号，每个基站负责与一个特定区域（特定

49、区域（10km 10km 20km 20km的区域）的所有的移的区域）的所有的移动台进行通信。动台进行通信。移动交换中心移动交换中心：与基站之间通过无线微波、电：与基站之间通过无线微波、电缆或光缆交换信息，移动交换中心再与公共电缆或光缆交换信息，移动交换中心再与公共电话网进行连接。话网进行连接。每个基站的有效区域既相互分割，又彼此有所每个基站的有效区域既相互分割，又彼此有所交叠，整个移动通信网就像是蜂窝，所以也称交叠，整个移动通信网就像是蜂窝，所以也称为为“蜂窝式移动通信蜂窝式移动通信”。2021/9/1258 地地理理上上每每10km 10km 20km20km的的区区域域（单单元元,形形似

50、似蜂蜂窝窝）内内的的中中央央有有一一个个基基站站，该该单单元元内内所所有有移移动动电电话话都都向向其其基基站站发发送送信信号号。所所有有基基站站都都通通过过微微波波或或电电缆缆、光光缆缆与与一一个个移移动动交交换换中中心心通通信信。每每个个移移动动电电话话每每一一时时刻刻处处于于一一个个特特定单元，即在该单元的基站控制之下。定单元，即在该单元的基站控制之下。每每个个单单元元使使用用一一套套信信号号传传送送频频率率，每每个个通通话话使使用用两两个个频频率率（双双向向传传输输），不不同同的的通通话使用不同的频率。话使用不同的频率。2021/9/1259 相邻单元不允许使用相同的频率，但允许相邻单元