现代通信讲座1.ppt

通信工程系李丽君山东科技大学信息与电气工程学院Email 二零零八年叁月 现代通信技术讲座 一 通信技术发展概况 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 1862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 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 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 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 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 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 无线电波 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 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 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 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 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 长波通信月面反射通信短波通信 频率预测 分集接收 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 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 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 各种微波天线 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 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 同步通信卫星 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 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 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 用来保持和控制卫星在运行轨道上的正确位置和姿态 天线系统 它是卫星的耳目 收发无线电波的出入口 空间转发器系统 它是卫星的主体 用来放大和转发无线电信号 遥测指令系统 它是卫星的神经 用来把卫星工作的情况及时通知地面上的有关设备 并接收和执行地面发来的命令 电源系统 它是卫星的心脏 用来提供卫星上各种设备工作时需要的电能 1 低轨道通信卫星低轨道通信卫星在距地球表面不同高度 但低于地球同步卫星轨道的空间中运行 目前 世界各国已经启用或正在研制的低轨道卫星通信系统已有多种 其中有一种是由美国摩托罗拉公司正在研制的取名为 铱 的全球卫星通信系统 在该系统中计划采用由低轨道上运行的77颗小型通信卫星组成一个 星系 恰如化学元素周期表中第77号元素 铱 Iridium Ir 原子有77颗电子绕核旋转一样 由它们提供连续覆盖全球的卫星通信系统 卫星环绕地球一周大约100分钟 所有卫星都朝同一个方向运转 越过地球北极飞向南极上空 从而使整个地球表面都覆盖在内 铱 系统中每颗通信卫星的体积小 直径约1米 宽2米左右 重量轻 在轨重量为320千克左右 由于卫星运行的轨道低 距离地球表面只有765公里左右 比地球同步卫星的距离近的多 因此只用小型火箭便可以发射升空 其造价和发射费用都比同步卫星低得多 一颗低轨道卫星就相当于被倒挂在天空中的移动通信系统中的一个 基地台 而形成覆盖区域的天线和无线电中继设备都安在卫星上 铱 系统卫星通信计划的实施 实现了人们在地球上的任何地方 无论陆地 空中和海洋 只要拨通一个电话号码便可与远隔千山万水的亲人通话的目的 移动通信 定义 能够使通信一方或双方在移动中实现通信的方式 蜂窝移动通信系统 无线寻呼系统及无绳电话通信系统是目前应用最广的3种功用移动通信系统 蜂窝移动通信 蜂窝移动通信提出的原因 3个小区群21个小区频率分配情况 过区转接技术 基站和手机同时监测小区内无线电波强度 当信号很弱时表明已经到达另一小区 基站发出命令将手机频率转到另一小区频率范围 移动漫游技术 当移动用户移动到非自己手机注册区域 移动通信网跟踪手机位置 若确认该手机申请了移动漫游业务 就开始给它注册 并提供服务 光纤技术 光纤通信技术光纤传感技术 光纤通信的关键技术包括 光源技术 光纤技术 光接收滤波技术 分波合波技术 光放大技术及监控技术等 光源技术 光源是光纤通信系统中的关键光子器件 常见的光源器件有 激光二极管 LD 发光二极管 LED 光纤激光器 FL 随着光通信网络向大容量和高速率发展 特别是波分复用和密集波分复用技术的日益成熟 多波长光纤激光器的发展逐渐提上了日程 多波长光纤激光器可以同时为多个信道提供所需光源 使光发射端的设计更为紧凑 经济 同时在光纤陀螺 光谱分析和分布光纤传感等领域中也有极大的应用价值 就增益介质来讲 目前多波长掺稀土光纤激光器是研究热点之一 光放大技术 对光放大器的需要来自光信号沿光纤传送时的衰减 在光纤通信网络中有两种主要类型的光放大器 半导体光放大器和光纤放大器 光纤放大器包括 稀土掺杂光纤放大器和利用光纤非线性效应的光纤放大器 最流行的是掺铒光纤放大器 EDFA 它打开了推广运用WDM光纤通信系统的大门 是当今光纤通信网的主力 超宽带掺杂光纤放大器稀土掺杂光纤放大器是利用掺入光纤中稀土元素的增益机制实现光放大 光纤传感技术光纤传感器 光波在光纤中传播时表征光波的特性参量 振幅 相位 偏阵态 波长等 因外界因素 如温度 压力 磁场 电场 位移 转动等 的作用而间接或直接地发生变化 从而可以将光纤作为传感元件来探测各种物理量 光纤传感器的主要特点 抗电磁干扰 电绝缘 耐腐蚀 本质安全 在各种大型机电 石油化工 冶金高压 强电磁干扰 易燃 易爆 强腐蚀环境中能方便高效地传感 灵敏度高 如可利用光波干涉技术测量加速度 辐射 温度 磁场等物理量的光纤传感器 重量轻 体积小 外形可变 可以制成外形各异 尺寸不同的传感器 用于航空 航天以及狭窄空间的应用 测量对象广泛 目前有性能不同的测量温度 压力 速度 加速度 液面 流量 电流 磁场 电压 杂质含量 液体浓度 核辐射等传感器 对被测物质影响小 可在医药生物领域应用 便于复用 便于成网 可用于光通信技术组成传感网络 成本低 光纤光栅传感器是光纤传感器中近几年来发展最快 最引人注目的传感器件 特点 具备光纤传感器的一切特点 它是一种波长调制型传感器 测量信息是波长编码决定了它不受系统整体光强波动 光纤连接损耗 光波偏阵态等因素的影响 利用复用技术可以形成传感阵列和传感网络 光纤光栅传感器正朝着高灵敏度 高分辨力 低成本 小型化 高可靠性 多参量网络化和智能化方向发展 光纤光栅 是继掺铒光纤放大器 EDFA 之后在光纤领域的又一重大技术突破 对它的研究已成为国际上光纤器件领域的一个热点 相位掩模法使光纤光栅真正走向实用化和产品化成为可能 光纤光敏性的提高 光折变效应的物理机理 色心模型 可以远距离传输 光纤光栅在光纤通信领域的应用光纤激光器光纤滤波器增益平坦器色散补偿器光分插复用器光纤光栅在光纤传感领域的应用 光纤与其它传感材料比较 光纤光栅传感器Vs 传统传感器 光纤光栅在传感领域的应用民用结构中的应用 在建筑物 桥梁 水坝 容器 高速公路 机场跑道等结构中 测定其结构的完整性和内部应变状态 航空航天业中的应用 在飞行器机翼 旋翼 起落架方向舵 发动机系统等结构中检测压力 温度 振动等 船舶航运业中的应用 在船舶各种结构中进行多点应力 温度等参量的测量 在电力工业中的应用 高压变压器 电缆 高压开关柜 母线排等测试温度 荷载等参量 其他领域中的应用 在石化行业的油气罐 油气井 油气管等地方进行温度 压力等测量 在医学监测仪器中用于形变 压力 温度等的测量 光纤光栅传感技术以其独特的性能与强大的优势除了广泛应用于土木 石化