现代通信的发展动态

-1-现代通信的发展动态甘良才武汉大学电子信息学院2006年10月27日-2-提要一．概述二．现代通信系统的任务和要求三．通信技术发展的历史四．国内外通信系统的现状五．现代通信系统的发展趋势六．现代通信系统中的关键技术七、思考与对策-3-一．概述1．基本概念（1）通信——是指带有信息的信号从一点传到另一点的过程。但随着通信技术的发展，现代通信可以这样来定义：信息的信号从一点（或多点）传送到另一点（或多点）的过程；或者可以这样来定义：现代通信是指在任何时间、任何空间、任何地点、任何对象之间以任何方式进行信息交换的过程。例如人与人、人与机器之间信息的交换。（2）信息信号的形式：语言、文字、数据、图像等。（3）信道：传输或交换信息信号所用的媒介（或媒质）即通信的信道。（4）信道的分类：1）有线信道（明线、电缆、光纤）2）无线信道（空间）。（5）通信的任务：它是克服信息源与收信者之间的地理（距离）上的障碍，经济、迅速、可靠而准确地传送信息。（6）通信系统：传递信息所需地一切技术、设备和信道的总称。[即信息源的时空点向另一信宿的时空点(用户)传递信息所需的一切技术、设备、信道的总和]。2．通信系统的组成-4-发送设备载波调制信道信宿（收信者）基带反变换解调接收设备信源（发信者）基带变换噪声源有线或无线信道（空间）发端收端图1－1通信系统的组成框图模拟源：电话机、电报、电视、摄像机数字源：电传机、计算机（1）通信系统的分类：1）按信息的物理特征分：电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图象通信系统。2）按调制方式分：○1基带传输通信系统——不经调制的信号直接在信道上传输的系统。即音频市内电话、数字信号的基带传输的通信系统。○2调制传输通信系统——对各种信号变换方式后进行传输的总称。调制的目的：a．将信息信号变换成便于在信道上传送的形式。如无线传输时，必须将信息信号载在高频上才能在自由空间发射出去。b．提高通信的性能（可靠性和有效性），尤其是抗干扰的能力。c．有效地利用频带。3）按传输信号的特征分——连续波模拟通信系统：AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM，连续波数字通信系统：ASK、OOK、FSK、PSK、DPSK，-5-脉冲波模拟调制通信系统：PDM、PAM、PPM，脉冲波数字调制通信系统：PCM、ΔM。4）按传输信号的复用方式分：○1频分复用：用频谱搬移的方法，使不同信号占据不同的频率范围。○2时分复用：用脉冲调制的方法，使不同信号占据不同的时间区间。○3码分复用：用一组正交的脉冲序列分别携带不同的信号。5）按传输媒介分：有线通信系统（明线、电缆、光纤），无线通信系统（空间）。6）按传输手段分：电缆通信系统、微波（中继）通信系统、光纤通信系统、卫星通信系统、移动通信系统、计算机通信系统、扩频通信系统。7）按传输频段分：长波通信系统、短波通信系统、中波通信系统、激光通信系统、红外波通信系统。（2）现代通信系统：以先进的通信手段、技术、设备组成的通信系统。如光纤通信系统、卫星通信系统、移动通信系统、扩频通信系统、个人通信系统等。二．现代通信系统的任务和要求1．主要任务将愈来愈多的信息，通过经济的手段从某一地点传输到所需的任-6-何地点（包括人类物质文明所能达到的，甚至远离地球的地点）。2．主要要求随着人类精神文明和物质文明的日益进步，人们对通信的要求越来越高，尤其是随着大规模和超大规模集成电路（LSI、VLSI）的迅猛发展及计算机技术的不断更新和广泛应用，原有的多种通信手段，如短波通信、模拟微波中继通信、同轴电缆载波通信、机电式市内电话交换机及移动调频台均逐步表现出不能适应现代化通信的要求，需要不断地对其进行改造或淘汰。其具体要求：1）要求任何通信系统应能对大量的信息进行处理（包括变换）、传递和复现。在远距离传输信息（无线）时，要求限制在一定带宽和功率范围内（即在频带受限、功率受陷的条件下）能有效可靠地进行远距离的信息传输。2）要求任何现代通信系统，应能在任何复杂的电磁环境中（尤其是强电磁环境），信息复现时失真最小，即保证信息不受任何干扰能进行有效地、可靠地传输。3）要求现代通讯系统，应不受地理地形环境的限制，及时地、有效地、可靠地传输信息。尤其应使任何国与国之间的通信满足“及时、迅速、保密、可靠”的要求。应使国内各族人民，不论城市、农村均能享受到现代通信对时空感觉带来的变化。4）要求现代通信系统，应能使信息社会中的生活、办公、科研、生产、文教、卫生等活动形成一个生动活泼的整体，高效率高质量地提供经济、可靠的通信手段。-7-5）要求现代通信系统能将电话、电视（TV）、图像和文字、数据等多种通信业务有机地结合起来，实现综合业务通信。如现在正在兴起和发展的综合业务数据网（ISDN），尤其是宽带综合业务数字网（B-ISDN）。三．通信技术发展的历史通信技术发展史上的重要事件如下：1837年莫尔斯发明有线电报，至1844年已能传送40英里。1858年大西洋海底电缆第一次解决了越洋通信，但原始的电缆带宽极窄，90个字的电报需要67分钟。1864年麦克斯韦尔提出了著名的电磁辐射方程。1876年贝尔发明电话。1887年德国赫兹以卓越的实验证明了电磁波的存在。1895年马可尼发明了无线电报，并于1901年首次完成了横跨大西洋的无线电通信。1904年弗莱明发明了真空二极管，1907年李·德·福尔斯特发明了真空三极管，1918年FM无线广播、超外差接收机相继问世，1925年开始采用了三路载波电话、多路通信。1936年调频无线广播开播，1937年发明了PCM原理，1938年电视（TV）广播开播。（1940～1945）年第二次世界大战刺激了雷达和微波通信系统的发展。1948年发明了晶体管，仙农提出了信息论，通信统计理论开始建立。1950年时分多路应用于电话。1956年建设了越洋电缆。1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星。1958年美国发射了第一颗通信卫星，1960年发明了激光，1961年发明了集成电路，1962年发射了第一颗同步通信卫星，PCM进入实用阶段。-8-（1960～1970）年彩电问世，阿波罗宇宙飞船登月，数字传输理论和技术得到了迅速发展，出现了高速数字计算机。（1970～1980）年大规模集成电路出现和发展，国际商用卫星通信建立，程控交换机进入实用阶段，第一条光纤通信系统投入运用，微处理机在通信领域的应用迅速发展。1980年以后，用VLSI制成了长波长光通信系统广泛应用，综合业务数字网ISDN崛起。作为现代无线通信应用发展的标志是蜂窝无线和个人通信系统的建立和发展：70年后期为第一代无线通信系统（模拟，FDMA），80年代为第二代窄带数字系统的广泛应用（TDMA、CDMA），目前即将进入实用的第三代移动通信系统为采用智能信号处理技术的宽带数字系统（CDMA），第四代移动通信系统是多功能集成的宽带移动通信系统(CDMA、OFDM)，现在处在概念阶段，可提供的最大带宽为100Mbps。第四代移动通信将以宽带（超宽带）、接入因特网、具有多种综合功能的系统形态出现，很可能到2010年就会出现相关的实验系统和手机模型。四．国内外通信系统的现状数字化、大容量、远距离、高效率、多信源及保密性、可靠性、智能化等成为现代通信系统的特点。1、有线通信系统（架空明线、对称电缆、中小同轴电缆和海缆）：它是各国国内长途干线的主要通信手段。国内，目前的有线通信系统主要是以光缆（光纤）通信为主导，无论是长途干线或市内局-9-间均己用光缆更换（或取代）。国内近几年来也在迅速发展光纤通信系统。目前已建成各种光纤通信线路数千公里。并在研制各种类型的大容量光纤通信系统和光纤局域网。2、微波中继通信系统在国内、外均是一种重要的通信手段。目前国外在数字化、大容量、更高频段（接近毫米波）和无人管理方面均已取得很大的进展，实现了在40MHz的标准频道间隔内，可传送（1920～7680）路PCM数字电话，实现了在40MHz带宽内传输4×140Mbit/s多路通信。而国内：已新建了不少微波中继专用通信网，我国5万多公里的微波中继通信线路，其中3/5用于通信，2/5用于广播TV传送，至2000年前国内已新建了10多万公里的微波中继线路。但我国数字微波通信系统目前仍比较落后，现在正在大力发展。3、光纤通信系统具有通信容量大、成本低，而且抗干扰能力强，与同轴电缆相比可以节省大量的有色金属和能源。自1997年世界第一个光纤通信系统在芝加哥投入使用以来，光纤通信发展极为迅速，世界各国广泛采用光纤通信系统，大西洋、太平洋的海底光纤通信系统已经开通使用。目前，某些发达国家长途电话及市话中继系统的光纤通信网已基本建成。今后将集中发展用户光纤通信网（即个人通信网）。至今我国光纤通信系统累计光缆长度已近达10万多公里。目前除了扩充、改造原有的同轴电缆载波线路，以充分发挥其作用外，已不再敷设同轴电缆，全部采用光纤通信的新技术，预计未来十年内光缆-10-还将增加10万公里。光纤通信的发展方向：大力开发单模、长波长、大容量数字传输光缆通信和相干光通信。4、卫星通信系统自1965年第一颗国际通信卫星投入商用以来，卫星通信获得了迅速的发展。现在第七代国际通信卫星（IS－VII）即将投入使用，卫星通信的使用范围已遍布全球。仅国际卫星通信组织拥有数十万条话路，80%的洲际通信业务和100％的远距离TV传输，均采用卫星通信，它已成为国际通信的主要传输手段，同时，卫星通信已进入国内通信领域，许多发达国家和发展中国家均拥有国内卫星通信系统。我国自70年代起，开始将卫星通信用于国际通信，从1985年开始发展国内卫星通信，至今已发射了7颗同步通信卫星，连同租借的国际卫星转发器，已拥有30多个转发器，与182个国家和地区开通了国际通信业务，并初步组织了国内公用卫星通信网及若干专用网。目前卫星通信大量使用的模拟调制及频分多路和频分多址。部分使用数字及时分多址和码分多址。5、移动通信系统它是现代通信系统中发展最为迅速的一种通信手段。它是随着汽车、飞机、轮船、火车等交通工具的发展而同时发展起来的。近十年来，在微电子技术和计算技术的推动下，移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个有线、无线融为一体，固定移动相互连通的全国规模的通信系统。在电信工业中，移动通信所占比例名列前-11-三，仅次于电话、数据通信。目前，欧美各国蜂窝式公用移动通信系统的用户已有数百万，专用调度系统的移动用户亦有数百万。我国公用移动通信系统处于发展初期，专用移动通信系统及无线寻呼在近几年也发展迅速。目前广泛用于政府、军事、外交、气象等部门，尤其是军事部门。6、计算机通信系统（网）计算机与通信的结合是通信网发展的一个新阶段。目前国外计算机通信网已相当发达，组成了全国性的大型计算机网，使信息得到充分的利用。国内也已开始建设数字网和计算机网。7、扩频通信系统扩频通信是70年代中期迅速发展起来的一种新型的通信系统，它抗干扰能力、抗衰落能力、抗多径的能力是上述其它通信系统无与伦比的。目前国外扩频通信系统发展相当迅速，尤其是中、长波和超短波已相当成熟，已生产出各种类型的扩频通信系统，并广泛地用于多个领域，尤其是资源探测，交通管理部门（如GPS系统）和军事部门，（如海湾战争）均用到这种通信系统。短波跳频通信目前国外主要用在军事上。我国自80年代以来亦开展了扩频通信系统的研制工作，在中波和超短波的扩频通信也已有产品用于军事通信上，而短波跳频通信正处于理论探讨和实验阶段。估计不久也会有这类产品问世。-12-五．现代通信系统的发展趋势现代通信系统主要是朝着宽频带、大容量、远距离、多用户、高保密性、高效率、高可靠性、高灵活性的数字化、智能化、综合化的方向发展。具体而言：1）数字通信系统是一个必然趋势，尤其是大容量的数字微波中继通信系统将成为近年来干线通信系统的发展方向。2）卫星通信系统可以实现多址通信，它是最理想的通信手段。而数字卫星通信系统将是今后卫星通信系统的重要发展方向,其主要技术发展和应用方向有：①卫星电视直播成为卫星应用产业的支柱产业②卫星通信网与互联网