信息与通信专业基础知识

一、信息与通信工程 - 主要研究方向

1．数字电视图像通信 2．光纤通信 3．计算机通信及网络安全 4．无线通信 5．统计信号处理 6．生物信息技术 7．多媒体技术 8．智能信息处理

二、计算机通信简介：

计算机通信是一种以数据通信形式出现，在计算机与计算机之间或计算机与终端设备之间进行信息传递的方式。它是现代计算机技术与通信技术相融合的产物，在军队指挥自动化系统、武器控制系统、信息处理系统、决策分析系统、情报检索系统以及办公自动化系统等领域得到了广泛应用。

计算机通信按照传输连接方式的不同，可分为直接式和间接式两种。

直接式是指将两部计算机直接相联进行通信，可以是点对点，也可以是多点通播。间接式是指通信双方必须通过交换网络进行传输。

按照通信覆盖地域的广度，计算机通信通常分为局域式、城域式和广域式三类。

局域式是指在一局部的地域范围内（例如一个机关、学校、军营等）建立计算机通信。局域计算机通信覆盖地区的直径在

数公里以内。

城域式是指在一个城市范围内所建立的计算机通信。城域

计算机通信覆盖地区的直径在十公里到数十公里。

广域式是指在一个广泛的地域范围内所建立的计算机通信。通信范围可以超越城市和国家，以至于全球。广域计算机通信

覆盖地区的直径一般在数十公里到数干公里乃至上万公里。

在通常情况下，计算机通信都是由多台计算机通过通信线路连接成计算机通信网进行的，这样可共享网络资源，充分发挥

计算机系统的效能。

三、各种无线通信传输方式简介

目前随着通信技术的发展，无线通信技术的使用已经渗透到社会的各个角落。要实现全球对无人驾驶智能车的监控，无线

通信自然不能少。在我们实际生活中，可以接触到的无线通信

技术有：红外线、蓝牙、UWB、以及我们早期使用的Zigbee、无线数传电台、WIFI、GPRS、3G等等。下面针对这些技术做

一些简单的介绍。目前随着通信技术的发展，无线通信技术的

使用已经渗透到社会的各个角落。要实现全球对无人驾驶智能

车的监控，无线通信自然不能少。在我们实际生活中，可以接

触到的无线通信技术有：红外线、蓝牙、UWB、以及我们早期

使用的Zigbee、无线数传电台、WIFI、GPRS、3G等等。下面

针对这些技术做一些简单的介绍。

3.1 常见的短距离无线通信技术

红外数据传输(IrDA)：IrDA是一种利用红外线进行点对点通信

的技术，是由红外线数据标准协会（InfraredDataAssociation）制定的一种无线协议，其硬件及相应软件技术都已比较成熟。IrDA是第一个实现无线个人局域网（PAN）的技术。起初，采

用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2kb/s速率传

输数据，很快发展到4Mb/s（FIR技术）以及16 Mb/s（VFIR

技术）的速率。在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。

事实上当今出厂的PDA以及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA，多用于室内短距离传输，目前很多应用场合逐渐被蓝牙所取代。

其优点：IrDA无需申请频率使用权，因而红外线通信成本低。并且具有移动通信所需要的体积小，功耗低，连接方便，简单

易用的特点。此外，红外线发射角娇小传输上安全性高。

其缺点：IrDA是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能有其他的物体阻隔，也就是穿透能力差。其点

对点的传输连接，也导致无法灵活地组成网络。

蓝牙（Bluetooth）：蓝牙是我们生活随处可见的传输技术，蓝牙的数据速率为1Mbps，传输距离约10米左右。支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。蓝牙较多用于手机，游戏机，

PC外设，表，体育健身，医疗保健，汽车，家用电子等。

其优点：使得各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，

能在近距离范围内实现相互通信，也就是一点可以对多点，在

10m范围内可以实现1Mb/s的高传输速率。

其缺点：芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距

离太短、信息安全问题等等。

WIFI（WirelessFidelity，无线高保真技术）：Wi－Fi与蓝牙一样，同属于短距离无线技术。wifi的频段很多，2.4G，也有用

5G的，一般的传输功率要在1毫瓦到100毫瓦之间。根据使用的标准不同，WIFI的速度也有所不同。最高传输速率为

54Mbps(Netgear SUPER g技术可以将速度提升到108Mbps）。虽然在数据安全性方面，该技术比蓝牙技术要差一些，但是在

电波的覆盖范围方面则要略胜一筹，WiFi的覆盖范围则可达

300英尺左右（约合90米），广泛的应用于机场、酒店、以及办公室等公共场合。

其优点：可以大大减少企业成本，提供WLAN接入，是目前WLAN的主要技术标准，不受墙壁等干扰物的阻隔。

其缺点：安全性差，传输距离短。

UWB（Ultra Wideband）超宽带技术：UWB无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔极短的脉冲进行通信的方式，UWB也称做脉冲无线电、时域或无载波通信。与普通二进制移相键控（BPSK）信号波形相比，UWB方式不利用余弦波进行载波而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范

围很宽。主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无

绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。

其优点：成本低、系统复杂度低、抗干扰能力强、传输速率高（数百Mbit/s的速率）、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小，能够穿透墙壁等诸多优势。

其缺点：UWB标准化的工作还没有完成一些技术问题需要不断完善，传输距离只有10m左右。

Zigbee技术：Zigbee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。它使用2.4GHz波段，采用跳频技术，与蓝牙相比Zigbee更简单、速率更慢，功率及费用也更低。它的基本速率是250kb/s，当降低到28kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。可以比蓝牙更好的支

持游戏、电子仪器和家庭自动化应用。

其优点：成本低，功耗低，协议简单、网络容量大。

其缺点：传输速率低，有效范围小（10m~75m之间）。

3.2 常见的远距离无线通信技术

无线数传电台：它是采用数字信号处理、数字调制解调、具有

前向纠错、均衡软判决等功能的一种无线数据传输电台。工作

频率大多使用220～240 MHz或400～470 MHz频段，有效覆

盖半径约有几十公里。无线数传电台发展早，也比较成熟应用

领域广泛从航空航天、铁路、电力、石油、气象、地震等个行

业均有规模的应用，可以传输包括遥控遥测数据、数字化语音、动态图像等领域。

其优点：可以实现远距离通信，通信技术成熟，应用领域广泛。

其缺点：每个节点的一次性造价高，通信规约、协议没有一个

统一的明确的标准，大部分厂商产品自成体系。互不兼容。

GSM（Global System of Mobile Communication全球移动通信

系统）：它是作为全球数字蜂窝通信的DMA标准，是全球使用用户最多的移动通信系统，被称为第二代移动通信系统。传输

速率为9.6~28.8kbps。GSM使用900MHz频带。其优点：几

乎实现了全球的覆盖这也就是的使用其进行通信的成本降低，

防盗拷能力佳、网络容量大、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通信死角少、耗电量低等。

其缺点：按时计费，上网连接速度慢，数据传输速率

低。 GPRS（General Packet Radio Service）通用分组无线服务技术：GPRS是GSM

移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的

延续。这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间，56~115Kbps的传输速度，频段有

850/900/1800/1900 MHz。GPRS可以让工业用的RS232/485

串口设备的

串口通信立即转换为GPRS无线网络通信。内置TCP/IP协议透明传输，可以用于长距离通信或控制。

其优点：突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，具有GSM所有的优点，传输速率是GSM的四倍以上，按流量计费，对于使用者来说降低了成本。

其缺点：传输速率不是很高

3G第三代移动通信技术：3G标准有 CDMA2000，WCDMA，

TD-SCDMA，WiMAX等，3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。

其优点：传输速率高，具有2G网络稳定性强不易受干扰，能够与GPRS，GSM技术兼容。

其缺点：需要大面积的网络覆盖，其覆盖面积不如GPRS。

四、常用的计算机网络通信协议有：

OSI （ Open System Interconnect ）：开放系统互联，是一个七层的计算机网络模型，分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

TCP/IP （ Transmission Control Protocol/Internet Protocol ）：传输控制协议 / 因特网互联协议，是一个四层的计算机网络模型，分别为：网络接口层、网络层、传输层和应用层。结

合 OSI 和 TCP/IP 产生了一个五层结构，分别为：物理层、数

据链路层、网络层、传输层和应用层。 Internet 就是采用

的 TCP/IP 协议

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）：它是

一个面向连接的协议，提供IP环境下的数据可靠传输，它提供的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多

路复用。通过面向连接、端到端和可靠的数据包发送。通俗说，它是事先为所发送的数据开辟出连接好的通道，然后再进行数

据发送。用于传送容量大、安全性高的数据文件。

UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）：它是一种面向无连接的传输层的一个重要协议，它不与对方建立连接，而是直接就把数据包发送过去，为应

用程序提供一次性的数据传输服务它并，不为IP提供可靠性、流控或差错恢复功能。适用于需要分别与很多下属通信、资源消耗小的情况。

IP（Internet Protocol，因特网互联协议）：主要应用于因特网通信，是网络层的主要协议，他用来将多个包交换网络连接起来，在源地址和目的地址之间传送数据报。

HTTP（Hypertext transfer protocol，超文本传输协议）：是一个面向对象的应用层协议，由于其具有简洁、快速的优点，通常使用于分布式多媒体信息系统。

FTP（File Transfer Protocol，文本传输协议）：用于管理计算机之间的文件传送。用户连网的首要目的就是实现信息共享，文件传输是信息共享非常重要的一项内容。FTP协议采用客户/服务器模式，由FTP客户端程序和服务器程序组成。

SMTP：（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）是一种提供可靠有效电子邮件传输协议，SMTP协议建立在FTP 文件传输服务上的一种服务，主要用于传输系统之间的邮件信息与来信有关的通知。

POP3（Post Office Protocol 3，邮局协议版本3）是TCP/IP协议族中的一员，本协议主要用于支持使用客户端远程管理在服务器上的电子邮件，提供了SSL加密功能。

五、各种通信传输介质的不同特性及其应用：

一.有线通信

有线通信介质包括架空明线，双绞线，同轴电缆，光缆等。

1.架空明线

架空明线是一种最早发展和使用的传输介质，它的通信容量较小而且很容易受外界干扰，线路损耗也大，但是设备技术简单，价格便宜，因此目前在通信线路中仍占有一定比例，早期使用的长途电话线就是架空明线。

2.双绞线

双绞线也称为双扭线，是最古老但又最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来（这样做是为了减少相邻的导线的电磁干扰）而构成双绞线，局域网中的双绞线是将四对双绞线封装在绝缘外套中的一种传输介质。双绞线电缆分为非屏蔽双绞线（UTP: Unshielded Twisted Pair）和屏蔽双绞线（STP：Shielded Twisted Pair）两大类。其中非屏蔽双绞线易弯曲、易安装，具有阻燃性，布线灵活，而屏蔽双绞线价格高，安装困难，需连结器，抗干扰性好。按传输质量双绞线分为1类到5类，局域网中常用的为3类，4类和5类双绞线。3类线用于语音传输及最

高传输速率为10Mbps的数据传输；4类线用于语音传输和最高

传输速率为16Mbps的数据传输；5类线用于语音传输和最高传

输速率为100Mbps的数据传输。为适应网络速度的不断提高，

近来又出现了超5类和6类双绞线，其中6类双绞线可满足最新的千兆以太网的高速应用，可望在不久的将来被国际电气工业协

会(EIA)采纳为国际标准。

在用双绞线联起来的网络中，由于存在信号衰减，因此每

网段最多不能超过100米，接4个中继器后最长可达到500米，因而也限制了它较大范围的使用。

在现代家庭通信网络中，双绞线又是必不可少的一部分，

在这里介绍一下双绞线及其接头的制作：

由于网卡使用的是RJ-45接头方式，所以要用双绞线来进

行连接，双绞线共有8根线头，如果是多台微机通过集线器进

行连接，其线头按颜色进行排列为：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕（如果只有两台微机，只需用网线直接连接

两网卡即可，但其接线方法则有所变化：要把线头的1、3交换，2、6交换，两头依次为橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕，另一头是绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白，棕）。

然后两头分别用专用钳子把RJ-45卡子头夹好，一头插在微机

的网卡上，另一头插在集线器的任意接口上。

3.同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线，绝缘层，网状编制的外导体

屏蔽层及保护塑料外层组成,内导体和外导体构成一组线对。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰性。此外，由于它比双绞线有优越的频率特性，现已被广泛用于较高速率

和较高频率的数字数据传输中。

通常按特性阻抗值的不同，将同轴电缆分为两大类：基带

同轴电缆和宽带同轴电缆。基带同轴电缆用于传输离散的基带

数字信号，用这种同轴电缆可以将10Mb/S的基带数字信号传

送1千米到1.2千米，因此被广泛用于局域网中。宽带同轴电

缆常用于传输模拟信号，是公用天线电视系统CATV中的标准

传输电缆，利用频分多路复用技术，一条同轴电缆可以同时发

送一万多个相互独立的话音信道上的信息。但在传送数字信号时，必须将数字信号用调制器转换成模拟信号，在宽带同轴电

缆上传送。

同轴电缆又可分为细缆和粗缆两大类，细缆使用较普遍，

主要用于总线形网络布线。细缆两端装BNC头，可连接在网卡的T形头上。细缆每段干线最大长度为185m，每段干线可接

30台计算机。若要拓宽网络范围则需加中继器，最多加4个，最大传输距离可达925m。细缆安装容易，造价低，但维护麻烦，中大型网一般不使用。粗缆每段干线最大长度为500米,每

段干线可接100台计算机，最长网络范围可达到2500米，收

发器间最小2.5米,收发器电缆最长50米。

同轴电缆同双绞线相比，价格较贵，但频带宽，传输数据

速率高，传输距离大，抗干扰能力强，是用途广泛的传输媒体。目前普遍用于长距离的电话或电报传输，有线电视，局域网络

和短距离系统连的通信线路（如主机和外设，终端的高速I/O

通道的连接等）。

4.光纤通信

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，而光导纤维是光纤通信的媒体。

光导纤维（光纤）是一种能够传导光信号的极细(50μm～100μm)而柔软的介质。常用的光纤材料有：超纯二氧化硅、多成份玻璃纤维、塑料纤维。光纤的模截面为圆形，由纤芯、包

层两部分构成，二者由两种光学性能不同的介质构成。其中，

纤芯为光通路；包层由多层反射玻璃纤维构成，用来将光线反

射到纤芯上。实用的光缆外部还须有一个保护层。每一纤芯及

包层或紧或松地被外壳包裹着。在紧型结构中，光纤被外层塑

料壳完全包住；在松型结构中，光纤与保护壳之间有一层胶体

或其他材料。无论哪一种结构，外壳都是起着提供必要的光缆

强度的作用，以防止光纤受外界温度、弯曲、外拉等影响而折断。

从传输点模数来分，光纤可以分为单模和多模两种传输方式，单模提供单条光通路；多模光纤，即发散为多路光波，每一路光波走一条通路。单模光纤因为衰减小而具有更大的容量，但是它的生产要比多模光纤昂贵。

光纤在任何时间都只能单向传输，因此，要实行双向通信，它必须成对出现，一个用于输入，一个用于输出，光纤两端接到光学接口上。

光纤与同轴电缆通信系统性能的比较：

1.光纤的传输系统比同轴电缆大的多，一般小同轴电缆的最大传输带宽为20MH z左右，中同轴电缆的最大传输带宽为60MHz左右。而目前一般工程实用的梯度多模光纤和单模光纤的带宽都比同轴电缆的带宽大得多。表一为同轴电缆与目前国际上发达国家已工程实用的较先进的光纤带宽比较。

从表中可知，从现在已工程实用化的光纤来说，已不但能满足目前电话、数据、文字和图像等带宽综合业务信息的传输要求，而且还可以适应预见的将来信息业务日益发展的需求，可以这样说，光纤是目前有线通信传输介质中最良好的传输介质，一但当光缆敷设以后，通过频分，时分和波分复用，传输容量可以管用几十年，具有良好的技术经济性能。

2．光纤的传输衰耗要比同轴电缆小的多，而且光纤的传输衰耗不像同轴电缆那样随频率和温度而变。所以光纤通信不需要同轴电缆通信那样复杂的频率和温度均衡。这样，光纤通信设备就可做得比较简单。表二为国际上先进的，有代表性的光纤传输衰耗。

光纤通信的中继间距比同轴电缆长的多，长途通信中中继器数量的减少就使系统的可靠性得到较大的提高，这对于海底光缆通信和国防长途通信具有特别重要的意义。

3．光纤的抗电磁干扰能力比同轴电缆强的多，由于光纤是绝缘材料，只能导光而不能导电，所以，光纤不受电磁干扰。光纤的抗电磁干扰能力对现代通信网十分重要，既可以防止外部干扰信号的影响，又可以防止电磁波辐射而受到窃听，这样就可大大的提高现代通信网的完全性和保密性。

4．光纤还有一项同轴电缆所没有的独特性能，即光纤可波分复用。目前光纤已有三个波长区（0.85微米短波长区，1.3微米和1.55微米两个长波长区）。由于上述三个波区中的每一个波长都有几百兆赫以上的带宽，所以一根光纤通过波分复用就可得到非常巨大的传输容量。

从上面的这些光纤特性来看，光纤是现代有线通信最理想的传输介质。

以上介绍的几种传输介质都是有线传输介质，但有线介质

不可能在任何时候都满足要求。例如，当通信线路要通过某些

建筑物、一座高山或一个岛屿时、施工挖掘、铺设电缆往往是

费时又费钱，因而需要自由空间做通信介质，进行数据的通信。这就是下面要介绍的无线通信和卫星通信。

二．无线通信

无线通信包括红外通信，激光通信和微波通信。由于它们都是沿直线传播的，有时也称它们为视线媒体，因为这三种技术都需要在发送方面和接受方面有一条视线通路。红外通信和激光通信将要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号，直接在空间传播。微波的频率范围为300MHz~300GHz，但主要是使用2~40GHz的频率范围，在自由空间主要是直线传播。

下面主要介绍微波通信的特点：

由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此微波通信分为两种主要方式：地面微波接力通信和卫星通信。

1.地面微波接力通信

由于微波在空间是以直线传播的，而地球表面是曲面，微波在地面的传播距离受到限制。为了增大直接传播距离，而增大天线塔的高度，塔越高传播距离。例如一般传播距离为50km，但当天线塔为100m时，距离可增大到100km。当超过一定距

离后，则需在一个无线通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一端送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为微波接力通信。大多数长途电话业务使用4~6GHz的频率范围，在这些频率上越来越挤，所以其他较高的微波频率也在使用。

地面微波通信主要有以下特点：

波段频率高、传输频带宽、通信容量大、传输距离远、抗干扰能力强、可靠性较高，与同容量的光纤和长度的电缆载波相比，建设投资少，见效快。但微波接力通信业也存在着如下的一些缺点：相邻站点之间必须直视，不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达天线，因而造成失真。微波的传播有时也会受到恶劣天气的影响，与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差，对大量中继的使用和维护要耗费一定的人力和物力。

2.卫星通信

卫星通信实质上是在利用地球站之间利用位于36000km高空的人造同步地球卫星作为中继的一种微波接力通信。而通信卫星就是在太空的无人职守的微波通信的中继站。采用三个适当配置的卫星，即可覆盖两极音区以外的整个地球。和微波接

力通信相似，卫星通信的频带较宽，通信容量较大，信号改变干扰小，通信比较稳定，适合于卫星通信的频段是1GHz—10GHz。目前常用的频段是：

3700—4200MHz(下行，卫星--地球)

5925—6425MHz(上行，地球--卫星)

7250—7750MHz（下行，卫星--地球）

7900—8400MHz（上行，地球--卫星）

每一段的带宽都是500MHz，可同时传输几千至一万路模拟话音信号。随着业务两的不断增加，这一频段已经非常拥挤，因此现在也使用频率更高的14/12Ghz的频段。

卫星通信最大的优点是：通信是“面覆盖”式的，同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球的1/3的区域，因而便于实现多址和移动通信，也便于组成通信网。因此广泛用于传输多路长距离电话，电报，电视业务，数据等。它的缺点是，具有较大的传播时延，无论地面上两站的距离有多远，从发送站通过卫星载发到接收站的传播延迟时间要花270s这对于微波接力通信的3ns/km与同轴电缆的5ns/km相比，显然要慢的多，从安全方面考虑，卫星通信系统的保密性也较差。

总之，随着时间的推移，各种传输介质将会朝着传播速度

快，传输容量大，传输距离远，传输安全性高，抗干扰能力强，投资少，见效快等这些方面发展，传输介质将会为各种信息的及时传输起着重要的作用。