现代通信讲座1

ShandongUniversityofScienceandTechnology通信工程系李丽君山东科技大学信息与电气工程学院Email:nankaillj163.com二零零八年叁月现代通信技术讲座(一)ShandongUniversityofScienceandTechnology通信技术发展概况1838莫尔斯有线电报1948晶体管香农IT通信统计理论建立1864麦克斯韦电磁辐射方程1950时分多路通信应用于电话1876贝尔电话1956越洋电话铺设1896马克尼无线电报1957第一颗人造卫星发射1906真空管1958第一颗通信卫星发射1918调幅广播超外差接收机1960发明激光1925三路明线载波电话多路通信1961发明集成电路1936调频广播1962第一颗同步通信卫星PCM进入实用1937脉冲编码调制1960彩电数字传输理论高速计算机1938电视广播1970LSI商用卫星程控交换光纤通信1940二战刺激雷达和微波系统发展1980SLSI长波光纤通信ISDN3GShandongUniversityofScienceandTechnology塞缪尔·莫尔斯（SamuelFinleyBreeseMorse，1791-1872），作为一名画家是成功的。莫尔斯曾两度赴欧洲留学，在肖像画和历史绘画方面成了当时公认的一流画家。1826年至1842年任美国画家协会主席。他在1837年9月4日，莫尔斯制造出了一台电报机。1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，进行电报发收试验。年过半百的莫尔斯在预先约定的时间，兴奋地向巴尔的摩发出人类历史上的第一份电报。他的助手很快收到那份只有一句话的电报：“上帝创造了何等的奇迹!”ShandongUniversityofScienceandTechnology1862年31岁，麦克斯韦发表了论文《论物理力线》，得到了新的结果：电场变化产生磁场，由此预言了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭示了光的电磁本质。1864年他的论文《电磁场的动力学理论》，建立了系统的电磁理论。1873年出版的《电学和磁学论》一书是集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作。麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面，同时在天体物理学、气体分子运动论、热力学、统计物理学等方面，都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立者普朗克（MaxPlankl858—1947）指出的：“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界”。ShandongUniversityofScienceandTechnology赫兹是一个短命的物理学家。他于1894年逝世时，年仅37岁。1886年29岁发现电磁波，其后不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现了无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术：无线电报（1894年）、无线电广播（1906年）、无线电导航（1911年）、无线电话（1916年）、短波通讯（1921年）、无线电传真（1923年）、电视（1929年）、微波通信（1933年）、雷达（1935年），以及遥控、遥感、卫星通信、射电天文学……它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。赫兹关于电磁波的实验，为无线电技术的发展开拓了新的道路，构成了现代文明的骨架，后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹。ShandongUniversityofScienceandTechnology信息论的创始人香农Shannon，1916年生于美国，大学时代在美国密执安大学和麻省理工学院学习。1938年，香农发表了著名的论文《继电器和开关电路的符号分析》，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现，明确地给出了实现加、减、乘、除等运算的电子电路的设计方法。这篇论文成为开关电路理论的开端。后来，香农到贝尔实验室工作，他进一步证明了可以采用能实现布尔代数运算的继电器或电子元件来制造计算机。无失真变长信源编码定理(香农第一定理)有噪信道编码定理(香农第二定理)保真准则下信源编码定理(香农第三定理)ShandongUniversityofScienceandTechnology1875年6月3日，贝尔电话机问世。1876年3月l0日，这是人类通信史上又一个划时代的日子，贝尔用他们发明的电话机第一次和华生通了话。1876年2月10日，贝尔就向美国专利局申请电话发明专利；3月7日，贝尔成为获得电话发明专利的电话发明家。ShandongUniversityofScienceandTechnology•1896年，前苏联科学家波波夫在彼得堡大学演示电磁波传递信息的实验。•1897年，马可尼横跨希里斯托尔海峡的无线电通信实验获得成功，传播距离达14公里。•1901年，马可尼在纽芬兰成功地接收到了由美国发出的横越大西洋的无线电信号，这成为以后迅速发展起来的无线电通信、广播的起点。•1909年，马可尼荣获年度诺贝尔物理学奖。•1960年，美国物理学家梅曼发明第一台红宝石激光器。•……ShandongUniversityofScienceandTechnology认识无线电波•用速度、波长、频率等来描述电磁波。•关系式：频率=速度/波长ShandongUniversityofScienceandTechnology无线电波波段名称频率范围波长范围超长波3-30千赫105-104米长波30-300千赫104-103米中波300-3000千赫103-102米短波3-30兆赫102-10米超短波30-300兆赫10-1米微波300兆赫-300吉赫1米-1毫米ShandongUniversityofScienceandTechnology无线电波的传播特性•无线电波在传播过程中也能被一些物体反射、折射、绕射、散射和吸收。•中波和长波的绕射能力强，主要沿地面传播，电波能量不易被地面和障碍物吸收．而且也不受天气变化的影响，因此有传播距离远也比较稳定的优点。•短波无线电波被大气中电离层反射的能力较强，利用电离层和地面间的多次来回反射、可以传到很远很远的地方，是实现远距离通信的好帮手。•至于超短波和微波，绕射能力弱，只能在大气对流层中像光波一样直线传播，也就是视距传播。ShandongUniversityofScienceandTechnology无线通信的实现•利用无线电波作为传输媒质的通信方式称为无线通信。•发送台，天线，调制，载波，天线，接收台。•如声音信号频率20-2000赫兹，波长15×103—15×106米。ShandongUniversityofScienceandTechnology无线通信的应用•流星余迹通信：什么是流星余迹？流星进入大气层时在80—120公里的高空中，会产生一条由带电微粒组成的空气柱—流星余迹。特点：•流星余迹存在的时间板短．约十分之几秒到几分钟。•利用流星余迹反射无线电波实现的远距离通信，就是流星余迹通信。•据天文观察，宇奋空间每天大约有几十亿颗流星落入大气层，这能为实现流星余迹通信创造了条件。ShandongUniversityofScienceandTechnology流星余迹通信的应用：•气象、水文、多山地区的恶劣环境监测和军事等。ShandongUniversityofScienceandTechnology对流层散射通信：靠近地球表面的大气低层是对流层。对流层中由于气流温度、压力和所含水蒸气的不均匀性，会形成许多湍流团。当无线电波射到这些湍流团上时会产生散射。散射，指波遇到障碍物时，不是向单一方向反射，而是向四面八方反射。利用对流层散射无线电波特性进行的通信，称为对流层散射通信。实用的对流层散射通信工作频率为100兆赫到10吉赫；在这范围内，波长和对流层湍流团的尺寸相差不多，散射作用最强，最远通信距离可达l000公里。这种通信方式不受核爆炸、太阳黑子等的影响．可跨越无人烟地区，保密性强，在军事通信中广泛应用。ShandongUniversityofScienceandTechnology•长波通信•月面反射通信•短波通信（频率预测、分集接收）ShandongUniversityofScienceandTechnology微波通信：•微波通常指波长为1毫米至1米的无线电波，频率为300兆赫至300吉赫。•微波在空间传播的特点是绕射能力弱。它不能像中波那样沿地面传播，因为地面强烈吸收微波能量；又因为微波能穿透电离层，也不能像短波那样靠电离层反射。“高不成，低不就”。微波就只能在大气层中沿直线传播。•地球表面是一个椭球面，显然微波只能在视距范围内传送信息了，传送距离一般只有几十公里。ShandongUniversityofScienceandTechnology微波接力通信，就是让微波来个“接力赛跑”。具体办法是：每隔几十公里建一个微波中继站，它能把前一个站传来的微波信号接收下来并加以放大，再传给后一个中继站，这样一站接一站地“接力”下去，信号就可以传到很远的地方了。ShandongUniversityofScienceandTechnology•一个微波接力通信系统由终端站和若干个中继站、分路站组成。•终端站、中继站、分路站统称为微波站。微波站的数目由通信全程决定，一般为几百公里到几千公里。•为了实现无线电波的“接力赛跑”，微波站中必须有下面几种基本设备：天线、收发信机、多路复用设备。ShandongUniversityofScienceandTechnology各种微波天线ShandongUniversityofScienceandTechnology•第二次世界大战后．微波接力通信在世界上得到迅速发展。1950年9月，美国在纽约与芝加哥之间建成世界上第一条民用微波接力通信线路，传送480路电话或一个电视节目。•目前各国使用的微波接力通信系统容量为960路、1200路和1800路等。•我国于50年代开始研究微波接力通信，目前已建成了长达几十万公里的微波接力通信线路，用于长途电话、电视传送以及国防、石油、电力等部门的专用通信业务。•许多微波站已实行了无人管理，设备出现了故障会自动调换备用设备工作、并自动报警。ShandongUniversityofScienceandTechnology卫星通信•气象卫星、导航卫星、通信卫星、地球资源卫星。•今天，部分国际通信和全部的国际电视转播都是由这些卫星和相应的地面设备完成的。•最早提出用同步卫星进行通信设想的人是英国科学家阿瑟·c·克拉克。•1945年10月他大胆地提出这个设想。ShandongUniversityofScienceandTechnology同步通信卫星ShandongUniversityofScienceandTechnology•1957年10月4日，前苏联第一颗人造卫星发送成功；•1960年8月，美国发送回声1号气球卫星，到1600公里高度。•1962年发射了中继1号人造卫星，转年完成横跨大西洋的日美间电视转播。•1964年8月世界上第一颗同步3号卫星发射成功，10月，这颗卫星把东京奥运会比赛的电视实况传送到美国。ShandongUniversityofScienceandTechnology•1965年4月，11个国家组成的国际卫星通信组织，位于大西洋上空的“晨鸟”卫星。•卫星通信也是未来全球信息高速公路的重要组成部分。它以其覆盖广、通信容量大。通信距离远、不受地理环境限制、质量优、经济效益高等优点。•1972年在我国首次应用,并迅速发展,与光纤通信、数字微波通信一起,成为我国当代远距离通信的支柱。ShandongUniversityofScienceandTechnology同步通信卫星上的主要装备•位置控制和姿态控制系统——它是卫星的平衡器官