电子信息技术导论-第4章

1、清华大学出版社清华大学出版社第第4章章 通信技术通信技术4.1 引言 信息技术的三个主要分支： 感测技术、计算技术和通信技术。 所谓通信，就是信息的传递。这里所说的“传递”，可以认为是一种信息传输的过程或方式。在这里，我们所讨论的，是特指利用各种电信号和光信号作为通信信号的电通信与光通信。第第4章章 通信技术通信技术通信发展史上的10项重大通信技术:(1)莫尔斯发明有线电报。(2)马克尼发明无线电报。(3)载波通信。 (4)电视。(5)电子计算机。 (6)集成电路。(7)光纤通信。 (8)卫星通信。 (9)蜂窝移动通信。 (10)因特网。第第4章章 通信技术通信技术4.2 通信系统4.2.1

2、概述 通信是从一地向另一地传递和交换信息。 实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。 通信系统通常是指：由通信收、发双方和信道组成的器件与设备的全体。通信系统是研究通信问题的基本概念。第第4章章 通信技术通信技术4.2.2 通信系统模型图4.1通信系统的一般模型 第第4章章 通信技术通信技术 通信系统的发送端由信源和发送设备组成。 信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。 变换方式是多种多样的，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统来说，

3、发送设备常常还包括信源编码、信道编码和加密编码。 第第4章章 通信技术通信技术 信道是指传输信号的物理通道。分为无线信道和有线信道。 噪声源不是人为加入的，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，分为内部噪声和外部噪声。 通信系统的接收端由接收设备和信宿组成。 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来。 信宿是信息传输的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。第第4章章 通信技术通信技术4.2.3 通信方式的分类 常用通信方式（1）同频单工 同频是指，通信的双方，使用相同工作频率。 单工是指，通信的双方的操作采用“按讲

4、”（PTT）方式。第第4章章 通信技术通信技术送 话 器T发 射 机AR接 收 机受 话 器TBRf1f1(f2)f1(f2)f1图4.2 同频单工方式示意图 第第4章章 通信技术通信技术（2）半双工制 半双工制方式中，中心转信台（A）使用一组频率，而移动台（B）采用单工制，主要用于有中心转信台的无线调度系统。 TARTBRf1f2f2f1天 线 共 用 器送 话 器受 话 器发 射 机接 收 机第第4章章 通信技术通信技术（3）双工制 双工制是指通信的双方，收发信机均同时工作，即任一方在发话的同时，也能收听到对方的话音，无需按PTT开关，类同于平时打市话，使用自然，操作方便。TARTBRf1

5、f2f2f1天线共用器送话器受话器发射机接收机第第4章章 通信技术通信技术2. 2. 通信系统的分类通信系统的分类1、按信号特征分类（1）模拟通信系统。（2）数字通信系统。数字通信相对于模拟通信很多特点：1）抗干扰能力强。2）便于对信号加工与处理。3）可以控制传输中的误码。4）易于加密且保密性强。5）能够传输话音、电视、数据等多种信息等。第第4章章 通信技术通信技术(2)按传输介质分类1）无线通信系统。2）有线通信系统。 随着通信技术、计算机技术和网络技术的飞速发展，单纯的有线或无线通信系统越来越少，实际通信系统常常是有线与无线两种方式结合起来使用。第第4章章 通信技术通信技术(3)按调制方式

6、分类1）基带通信系统。2）调制通信系统。 基带系统，传输的是基带信号即没有经过任何调制处理的信号，而调制通信传输的是已调信号。第第4章章 通信技术通信技术(4)按通信业务分类1）电话通信系统。2）电报通信系统。3）广播通信系统。4）电视通信系统。5）数据通信系统。第第4章章 通信技术通信技术(5)按工作波段分类1）长波通信系统。2）中波通信系统。3）短波通信系统。4）微波通信系统。5）光通信系统等。 无论怎样划分通信系统，都只是在信号处理方式、传输方式或传输介质等外在特征上做文章，其通信的实质并没改变，即大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地传送信息。第第4章章 通信技术通信技

7、术4.2.4 常用通信系统 微波中继通信系统 微波通信是指用微波频率作载波携带信息进行通信的方式。微波的传播特性类似于光的传播，沿直线传播，绕射能力很弱，一般可以进行视距内的传播。 所谓视距传播，是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。地面通信、卫星通信、雷达等都可以采用这种传播方式。第第4章章 通信技术通信技术2. 2. 卫星通信系统卫星通信系统（1）低轨道卫星通信系统（2）同步卫星通信系统 卫星通信的优点概括为：远、多、好、活、省。第第4章章 通信技术通信技术3 散射通信系统 散射通信系统是利用散射波进行通信的。电波在低空对流层中遇到不均匀的“介质团”时，就会发生散射,

8、 散射波的一部分到达接收天线处，这种传播方式称为不均匀媒质的散射传播。第第4章章 通信技术通信技术（1）对流层散射通信 对流层散射主要用于100 MHz以上频段。对流层是大气的最低层, 通常是指从地面算起至高达135千米的区域。（2）流星余迹通信 流星余迹通信系统也是一种散射通信系统。它利用流星余迹形成的不均匀媒质的散射传播，实现通信。第第4章章 通信技术通信技术4. 4. 无线寻呼系统无线寻呼系统 无线寻呼系统是一种单向无线通信系统。无线寻呼系统的用户设备是袖珍式接收机，称作袖珍铃，俗称“BB机”。公用电话网无线电寻呼控制中心及主发射台用户回路发射台发射台图4.6 无线电寻呼系统示意图第第4

9、章章 通信技术通信技术5. 5. 无绳电话系统无绳电话系统 无绳电话系统是一种双向无线通信系统。市话局用户线座机普通话机图4.7 无绳电话系统示意图第第4章章 通信技术通信技术6. 6. 蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 蜂窝移动通信网络，把整个服务区域划分成若干个较小的区域(小区)，用小功率基站发射机覆盖小区，许多小区组成蜂窝一样的网络，可以完整覆盖任意形状的服务区域。 把若干相邻的小区按一定的数目划组成区群,并把可供使用的无线频道分成等于区群中的小区数的频率组， 区群内各小区均使用不同的频率组。第第4章章 通信技术通信技术4.3 卫星通信4.3.1 微波接力通信 微波接力通信，是指用微波频

10、率作载波携带信息进行的接力通信。 所谓视距传播，是指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式。地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式。 对于长距离通信可采用接力的方式，这就是微波接力通信。第第4 4章章 通信技术通信技术 图4.8 微波接力通信 第第4章章 通信技术通信技术 由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。 微波中继站的设备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备等。中继站的作用是将信号进行再生、放大处理后，再转发给下一个中继站，以确保传输信号的质量。 为了把电波聚集起来成为波束

11、，送至远方，一般都采用抛物面天线，其聚焦作用可大大增加传送距离。第第4章章 通信技术通信技术4.3.2 卫星通信系统 1945年，克拉克提出三颗对地球同步的卫星可覆盖全球的设想。第第4章章 通信技术通信技术1. 1. 卫星通信系统的组成卫星通信系统的组成图4.10 卫星通信系统的组成示意图第第4章章 通信技术通信技术卫星通信系统由以下部分组成：（1）卫星：作为空中的微波中继站，进行信号转发。（2）地球站：接收卫星的微波信号。2. 卫星通信的特点卫星通信的特点 卫星通信同现在常用的电缆通信、微波通信等相比，有较多的优点，基本可以概括为几个字：远、多、好、活、省。（1）远：是指卫星通信的距离远。（

12、2）多：指通信路数多、容量大。（3）好：指通信质量好、可靠性高。（4）活：指运用灵活、适应性强。（5）省：指成本低。第第4 4章章 通信技术通信技术第第4章章 通信技术通信技术卫星通信的优点：(1)通信范围大，只要卫星发射的波束覆盖进行的范围均可进行通信。(2)不易受陆地灾害影响。 (3)建设速度快。(4)易于实现广播和多址通信。(5)电路和话务量可灵活调整。(6)同一信通可用于不同方向和不同区域。卫星通信的缺点：(1)由于两地球站向电磁波传播距离有72000Km，信号到达有延迟。(2)10GHz以上频带受降雨雪的影响。(3)天线受太阳噪声的影响。第第4 4章章 通信技术通信技术第第4章章 通

13、信技术通信技术4.3.3 卫星通信的关键技术（1）微波技术。（2）天线技术。（3）卫星技术。（4）多址技术。（5）轨道技术。（6）地球站技术。第第4章章 通信技术通信技术4.3.4 常用卫星通信系统（1）同步卫星通信系统。（2）中轨道卫星通信系统。（3）低轨道卫星通信系统。（4）卫星移动通信系统。第第4章章 通信技术通信技术4.4 移动通信4.4.1 移动通信的概念 移动通信定义为，指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间进行的通信。同时，它也包括通信用户的位置存在变化，但通信过程中用户不处于运动状态的情况。第第4章章 通信技术通信技术移动通信的特点：（1）电波传播条件恶劣。（2）干扰严重。（

14、3）网络结构复杂。（4）网络管理比较复杂。第第4章章 通信技术通信技术4.4.2 移动通信系统的分类（1）按使用对象可分为：1）民用设备。 2）军用设备。 （2）按使用环境可分为：1）陆地通信。 2）海上通信。 3）空中通信。 （3）按多址方式可分为：1）频分多址(FDMA)。2）时分多址(TDMA)。3）码分多址(CDMA) 。 （4）按覆盖范围可分为：1）广域网。 2）城域网。 3）局域网。第第4章章 通信技术通信技术（5）按业务类型可分为：1）电话网。 2）数据网。 3）多媒体网。 （6）按工作方式可分为：1）同频单工。 2）异频单工。 3）异频双工。4）半双工。 （7）按服务范围可分为

15、：1）专用网。 2）公用网。 （8）按信号形式可分为：1）模拟网。 2）数字网。第第4章章 通信技术通信技术4.4.3 移动通信的关键技术（1）无线信道抗衰落技术。（2）抗干扰技术。（3）调制解调技术。（4）语音编码技术。（5）纠错编码技术。（6）组网技术。（7）智能天线技术。（8）多输入多输出技术。（9）多用户检测技术。（10）软件无线电技术。（11）认知无线电技术。（12）电磁兼容技术等。第第4章章 通信技术通信技术ACHLRVLRMSCBSMSMSCPSTN图4.11 蜂窝移动通信系统的网络结构 第第4章章 通信技术通信技术数字蜂窝移动通信系统的网络结构：（1）移动交换中心(MSC)。（

16、2）基站分系统(BSS)(含基站控制器(BSC)。（3） 基站收发信台(BTS)。（4）移动台(MS)。（5）归属位置寄存器(HLR)。（6）访问位置寄存器(VLR)。（7）设备标志寄存器(EIR)。（8）认证中心(AUC)。（9）操作维护中心(OMC)。第第4章章 通信技术通信技术 MSSmUm BSAbisAMSCHLREIRMSCVLRVLRCGBDFE图4.12 蜂窝移动通信系统的网络接口第第4章章 通信技术通信技术网络的控制与管理： 网络要为用户呼叫配置所需的控制信道和业务信道， 指定和控制发射机的功率，进行设备和用户的识别和鉴权，完成无线链路和地面线路的连接和交换，最终在主呼用户和

17、被呼用户之间建立起通信链路，提供通信服务。这一过程称为呼叫接续过程， 提供移动通信系统的连接控制(或管理)功能。第第4章章 通信技术通信技术4.4.4 移动通信的应用（1）手机无人不有。（2）移动上网。（3）移动支付。（4）移动监控。（5）移动电视。（6）移动音乐。（7）移动计算。第第4章章 通信技术通信技术4.4.5 移动互联网 随着互联网与移动通信的发展，人们不仅满足于固定上网，还希望能够在移动中上网。这就促成了移动接入技术与互联网的结合，出现了移动互联网。移动互联网的特点是：（1）互联网：构成网络骨干。（2）移动接入网：实现移动上网。第第4章章 通信技术通信技术4.4.6 常用移动通信系

18、统 微波中继通信系统 微波通信是指用微波频率作载波携带信息进行通信的方式。对于长距离通信可采用接力的方式，即为微波中继通信，或称微波接力通信。也可利用对流层传播进行通信，称为对流层散射通信。或利用人造卫星进行转发，即卫星通信。第第4章章 通信技术通信技术2. 移动卫星通信系统 移动卫星通信系统是地球上的微波通信站（地球站）利用人造地球卫星作为中继站而进行的通信。3. 无线寻呼系统 无线寻呼系统是一种单向无线通信系统，其用户设备是袖珍式接收机，称作袖珍铃，俗称“BB机” 。4. 无绳电话系统 无绳电话系统是一种双向无线通信系统。它把普通的电话单机分成座机和手机两部分， 座机与有线电话网连接， 手

19、机与座机之间用无线电连接，这样，允许携带手机的用户可以在一定范围内自由活动时进行通话。第第4章章 通信技术通信技术5. 小灵通系统 小灵通系统（PAS）是一种灵活、而功能强大的无线市话系统， PAS系统主要由局端设备(RT)、基站控制器(RPC)、 基站(RP)和机构漫游服务的空中话务控制器(ATC)组成。 6. 蜂窝移动通信系统 蜂窝移动通信网络，把整个服务区域划分成若干个较小的区域(小区)，用小功率基站发射机覆盖小区，许多小区组成蜂窝一样的网络，可以完整覆盖任意形状的服务区域。第第4章章 通信技术通信技术7. 集群移动通信系统 集群移动通信系统采用的基本技术是频率共用技术。其主要做法是：把

20、一些由各部门分散建立的专用通信网集中起来，统一建网和管理，并动态地利用分配给它们的有限个频道，以容纳数目更多的用户； 改进频道共用的方式，即移动用户在通信的过程中，不是固定地占用某一个频道，而是在按下其“按讲开关”(PTT)时，才能占用一个频道；一旦松开PTT， 频道将被释放，变成空闲频道，并允许其它用户占用该频道。 第第4章章 通信技术通信技术4.5 光纤通信4.5.1 有线通信导体衬垫导体固定绝缘材料(a)(b)导体(c)(d)导体固定绝缘体编织物保护套中心导体环型间隔器外部导体(e)编织导体中心导体绝缘体保护外套(f )平面导体接地板PC绝缘材料b(g)(h)a第第4章章 通信技术通信技

21、术 有线通信是指：信道为有线的通信方式，常见有线信道包括：（1）明线电缆是双线并行导体。（2）双线电缆是另一种双线平行导体传输线。（3）双绞线电缆是由两根绝缘的导体扭绞在一起而形成的。（4）屏蔽电缆对是在平行双线导体传输线外包上导电的金属编织物。（5）同轴电缆。（6）微带线：是一个由绝缘体隔离的、与接地板分离的平面导体。（7）波导是一个空心导管，它们的内表面可以反射电磁波。第第4章章 通信技术通信技术4.5.2 光纤通信系统（1）在发信端，信息被转换和处理成便于传输的电信号，电信号控制光源，使发出的光信号具有所要传输的信号的特点，从而实现信号的电一光转换。（2）发信端发出的光信号通过光纤传输出

22、到远方的收信端，经光电二极管等转换成电信号，从而实现信号的光一电转换。第第4章章 通信技术通信技术光纤通信最主要的优点是：(1) 容量大。(2) 衰减小。 (3) 体积小，重量轻。 (4) 防干扰性能好。(5) 节约有色金属。(6) 成本低。第第4章章 通信技术通信技术4.5.3 光纤通信的关键技术光纤传输系统的主要组成部分：（1）光发送机。 （2）光接收机。（3）光缆传输线路。（4）光中继器。（5）各种无源光器件构成。光纤通信的关键技术包括：（1）光信号源技术。（2）光传输技术。（3）光纤技术。 （4）光电测量技术。（5）光电转换技术等等。第第4章章 通信技术通信技术4.5.4 光纤通信的应

23、用光纤通信与以往的电气通信相比，主要区别在于：（1）它传输频带宽、通信容量大；（2）传输损耗低、中继距离长；（3）线径细、重量轻，绝缘、抗电磁干扰性能强；（4）具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点。第第4章章 通信技术通信技术光纤通信的应用领域：（1）特殊环境。（2）军事通信。（3）市话中继线。（4）长途干线通信。（5）全球通信网、各国的公共电信网。（6）高质量彩色的电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、共用天线（CATV）系统。（7）光纤局域网和其他如在飞机内、飞船内、舰艇内、矿井下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。

24、 第第4章章 通信技术通信技术4.6 量子通信4.6.1 信息安全 信息安全是现代通信系统的一个重要指标。在互联网络的大规模应用中，网络信息安全发挥着越来越重要的作用。 从广义来说，凡是涉及到网络上信息的保密性、完整性、可用性、真实性和可控性的相关技术与原理， 都是信息安全所要研究的领域。第第4章章 通信技术通信技术4.6.2 保密通信 保密通信，就是通过对信息的变换或编码，将机密的敏感消息变换成难以读懂的乱码型文字的一种通信方式。 信息加密的目的是保护网内的数据、文件、口令和控制信息， 保护网上传输的数据。网络加密常用的方法有链路加密、端点加密和结点加密三种。 加密主要分为常规加密算法和公钥

25、加密算法。第第4章章 通信技术通信技术4.6.3 量子通信的概念1、量子通信的含义 经典通信：电信号参数传送信息。量子通信：由量子态携带信息。量子密码通信提供了一种不可窃听、不可破译的绝对安全的密码技术。 量子的特性：量子不可分割性：不能分流信号窃听。量子力学不可克隆性：不能复制信号窃听。量子力学非定域性：量子隐形传态先传量子态，后传信息。第第4章章 通信技术通信技术2、量子通信的发展 1984年，C.H.Bennett和G. Brassard提出了第一个量子密钥分发协议，史称BB84协议。 1992年，C.H.Bennett提出量子信道传送经典信息的可能性。 1993年，C.H.Bennett发表了量子测量、量子信息提取、量子信道、信道容量的开创性的研究成果。 2003年，Aspelmeyer 小组首次完成了自由空间的纠缠光子对分发实验