现代通信技术基础第一单元

现代通信概论主讲：向劲松副教授办公室:信息科技大楼8楼S804Email:[e-mail]教材蒋青等，现代通信技术基础，北京：高等教育出版社，2008参考教材崔健双等,现代通信技术概论，北京：机械工业出版社，2009王兴亮,现代通信技术与系统，北京：电子工业出版社，20081、绪论2、通信传输技术3、信道与信道复用4、现代数字交换技术5、光纤传输网技术6、移动无线通信技术9、现代通信网课程主要内容第1章绪论1.1通信技术的历史演进1.2通信的基本概念1.3通信网概述1.4通信技术的社会作用和发展趋势1.1通信技术的历史演进古代：烽火狼烟、飞鸽传信、击鼓、旗语、邮驿等驿站：快马一般300里/天，最快600里/天。视觉通信：1793年，法国查佩兄弟在巴黎和里尔之间架设了一条230千米长的接力方式传送信息的托架式线路，每分钟能传270公里。现代：电话、电视、广播、邮政、因特网等。什么是通信？异地间人与人、人与机器、机器与机器进行信息的传递和交换。信息、信号的含义语言、文字、图像等信息是不能直接在通信系统中传递，为此需在发送端将它们转换成电（光）信号（即信源）来载荷语言、文字、图像等信息，电信号经通信系统传送至接收端，收端将电信号还原成语言、文字、图像等信息。通信的发展简史1753年2月17日，《苏格兰人》杂志上发表了一封署名C.M的书信。作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。最早的电通信设想1832年，俄国外交家希林在当时著名物理学家奥斯特电磁感应理论的启发下，制作出了用电流计指针偏转来接收信息的电报机.1837年6月，英国库克和惠斯通设计制造了第一个有线电报。首先在铁路上获得应用。不过，这种方式很不方便和实用。最早的有线电报1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报,通信距离60km。在座无虚席的国会大厦里,莫尔斯用激动得有些颤抖的双手,操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机,发出了:“上帝创造了何等奇迹!”一语。莫尔斯(1791-1972):美国画家和发明家，擅长肖像画及历史绘画，1826－1842年任美国画家协会主席.1746年，荷兰莱顿发明的莱顿瓶解决了电的存储问题。随后，英国威.华生用这些莱顿瓶使大约2公里长的导线通电.（发现电的传播速度非常快）1752年，富兰克林著名的风筝接收雷电实验.1800年伏打发明电池。通信的发展简史1871年，贝尔任波士顿大学声学生理学家和聋哑人语的教师。1876年2月14日，贝尔和沃森申请了那个著名的电话专利。同一天另一个发明家格雷（1835-1901）也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。1925年贝尔实验室成立。1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔（1847－1922）发明了电话1871年，贝尔任波士顿大学声学生理学家和聋哑人语的教师。1875年的一天，由于机件发生故障，贝尔的助手沃森看管的发报机上的一块铁片在电磁铁前不停地振动；这一振动产生了波动的电流沿着导线传播，使邻室的一块铁片产生了同样的振动，振动发出的微弱声音被贝尔听到了；由此启发他产生了新奇的联想和构思。1875年6月2日贝尔和沃森利用电磁感应原理，试制出世界上第一部传递声音的机器──磁电电话机。于1876年2月14日向美国专利局递交了专利申请书。同一天另一个发明家格雷也向美国专利局递交了相似设备的专利申请书，只因比贝尔晚了几个小时而痛失电话发明权。1875年6月2日，美国人亚力山大.格雷厄姆.贝尔发明了电话通信的发展简史贝尔电话机的原理是：对着话筒说话，使话筒底部的金属膜片随声音而振动，膜片的振动带动一根磁性簧片随之振动，在电磁线圈中便产生了感应电流，电流经导线传至受话一方，使受话器上的膜片相应的振动，将话音还原出来。1820年奥斯特发现电流磁效应。1831年法拉第的发现了磁石在运动中可以使旁边的铜线产生电流。意大利人，起初为舞台技工，后来研究电生理学。1849年发现并开始研究电话。1860年，向公众展示了这个系统，并发表了关于这项发明的介绍。1871年，梅乌奇交了一种需要一年一更新的专利权2002年6月15日，美国议会议定议案，认定安东尼奥.梅乌奇为电话的发明者。安东尼奥.梅乌奇(1808-1889)贝尔的电话有剽窃嫌疑！1854年，电话原理就已由法国人鲍萨尔设想出来了。6年之后德国人赖伊斯又重复了这个设想。原理是：将两块薄金属片用电线相连，一方发出声音时，金属片振动，变成电，传给对方。但这仅仅是一种设想，问题是送话器和受话器的构造，怎样才能把声音这种机械能转换成电能，并进行传送。格雷的设计原理与贝尔有所不同，是利用送话器内部液体的电阻变化，而受话器则与贝尔的完全相同。1877年，爱迪生又取得了发明碳粒送话器的专利。1881年电话传入中国。其他人的发明电话的工作电话的工作原理：基本组成：话筒与听筒１）话筒结构：话筒里有一个金属盒，里面装满碳粒，上面盖有一个膜片.对话筒讲话时，膜片时紧时松地压迫碳粒，使电阻时大时小，从而使流过碳粒的电流时小时大，这样，话筒把声信号变成电信号。1877年，爱迪生取得了发明碳粒送话器的专利。2）听筒结构：听筒里有一个永磁铁，它的两个磁极上套有螺线管，磁极前有薄铁片.话筒传来的电流，通过电话线，传入听筒的电流流过电磁铁。电流时大时小，电磁铁对膜片的吸引力也时大时小，使膜片发生不同的振动，在空气中形成声波。这样，听筒把电信号变成声信号。通信的发展简史1887年3月21日，德国物理学家赫兹(1857－1894)在实验中发现，电火花的能量能够越过空间传到远处。这是人类历史上第一次证实了电磁波的存在。但赫兹断然否认选用电磁波进行通信的可能性。他认为如要利用电磁波进行通信的话，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。1864年，麦克斯韦解决了电磁波的理论问题，预言电磁波的存在。通信的发展简史1895年5月7日，36岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5月7日定为“无线电发明日”。最早的无线通信波波夫实验用的无线电接收机通信的发展简史1897年5月18日,意大利人马可尼进行横跨布里斯托尔海峡的无线电通信取得成功，通信距离为14公里。人类首次远距离无线电通信影响通信发展的重要发明或理论1906年,福雷斯特发明了真空三极管放大器。1925年，英国发明家贝尔德在前人研究的基础上终于制成了世界上第一台有实用价值的电视机.1935年，英国的沃森.瓦特研制成功了世界上第一部雷达。1941年，冯.诺依曼发明第一台电子计算机。1947.12月，贝尔实验室肖克利等发明了取代电子管的晶体管。1948年，ClaudeE.Shannon发表了信息论。影响通信发展的重要发明或理论1957年10月4日，第一颗人造地球卫星上天，地球上第一次收到了来自人造卫星的电波。它不仅标志着航天时代的开始，也意味着卫星通信的时代即将到来。1958年，基尔比和诺依斯分别发明了集成电路。1980年，贝尔公司推出FT3光纤通信系统。70年代末至80年代中，美、欧、日本建立第一代蜂窝移动通信系统1989年，美国卫星全球定位系统（GPS）完成部署。1993年，美国政府提出了建设国家“信息高速公路”的建设计划，从此进入互联网时代。信息之路微波通信频率在30MHz~3×105MHz卫星通信用通信卫星转为微波中继站光纤通信激光在光导纤维中传播网络通信把计算机联在一起进行通信1.2通信的基本概念1.2.1消息、信号和信息通信的目的：为了获取信息信息：是人类社会和自然界中需要传递、交换、存储和提取的抽象内容消息：表示信息的语言、文字、图像和数据信号：运载消息的声、光、电等物理量信号的分类及描述（1）确知信号与随机信号确知信号：指能够以确定的时间函数表示的信号，它在定义域内任意时刻都有确定的函数值。随机信号：具有随机性的信号。（2）周期信号与非周期信号周期信号：满足下列条件()(),0,1,2,3,,ftftnTnt式中T为周期非周期信号：不具有重复性的信号。(a)周期正弦信号f(t)t(b)周期脉冲信号AtU(t)τ/2AO-A-τ/2Tsin(2πft+ψ)OψT2T-T宽度τ（3）模拟信号与数字信号模拟信号是指代表消息的信号参量（幅度、频率或相位）随消息连续变化的信号。数字信号是指它不仅在时间上离散，而且在幅度取值上也是离散的信号。图1-20模拟信号模拟信号幅度在某一范围内可以连续取值的信号，称为模拟信号。典型的模拟信号如下：数字信号幅度仅能够取有限个离散值的信号称为数字信号。典型的数字信号如下：t(a)二进制数字信号1-1t(b)四进制数字信号1-12-21011010010OOf(t)数字信号or模拟信号：信号弧度的取值是否离散.模拟信号数字化：抽样＋量化＋编码信号的频域特性信号的频域特性表达的是信号幅度和相位随频率变化的规律。f1(a)周期正弦信号的频谱F(f)x(b)周期脉冲信号的频谱an/a0OπAf02π周期脉冲信号的频谱分析根据傅立叶级数理论，任意周期函数u(t)均可分解为直流分量和无限多个正弦及余弦分量之和。f(t)tOTsin(2πft)1/3sin(6πft)ttT/3T/51/5sin(10πft)前3个波形的叠加tff13f15f1频谱图OOOOTT/2T/2正弦信号谐波分量叠加逼近矩形波信号基波3次谐波5次谐波])14sin(71)10sin(51)6sin(31)2[sin()(ftftftftAtfTf/1基波3次谐波5次谐波7次谐波(1+3+5)(1+3+…+9)(1+3+…+27)信号的带宽一个信号所包含谐波的最高频率与最低频率之差，即该信号所拥有的频率范围，即为该信号的带宽。例如，单一频率的正弦波带宽为0，而周期脉冲方波带宽是最高次谐波与最低次谐波之差。数字通信传输近似周期方波信号，因此分析其带宽具有重要现实意义。为信号比特速率宽一般，数字信号双边带bbRRB,2信号的衰耗与增益信号在传输过程中若输出端功率小于输入端功率，则称信号受到了衰耗（减）；若输出端功率大于输入端功率，则称信号得到了增益，定义为：10lg()dBinoutPdP例如，把10mW功率信号加到输入端并在输出端测得功率5mW，得衰耗约为3dB。（分贝）噪声与失真叠加在有用信号之上并对其产生有害影响的成分，称为噪声。噪声是一种随机信号经过传输后的信号，由于受到各种因素的影响可能会发生畸变，称为信号失真。36噪声叠加导致信号幅度失真信号噪声信号叠加噪声1.3、信息的度量通信的目的在于信息的传递和交换。信息是对事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。用数学语言来讲，不确定性就是随机性，具有不确定性的事件就是随机事件。因此可运用研究随机事件的数学工具——概率来测度不确定性的大小。我们把消息用随机事件表示，而发出这些消息的信源则用随机变量来表示。我们把某个消息出现的不确定性的大小定义为该消息所携带的信息量，用表示。在信息论中，与消息出现的概率的关系式为ixixix()iPx()iIx()iIx1()loglog()()iaaiiIxPxPx信息量同时也表示这个消息所包含的信息量，也就是能够提供给收信者的最大信息量。()iIxix[例]设英文字母E出现的概率为0