现代通信原理(概述)

一概述现代通信原理ModernCommunicationPrinciples课程描述通信是一个广义的概念，涉及包括雷达、导航、遥控遥测等军用尖端技术和包括数字电话、广播电视、综合信息网、多媒体宽带网等现代民用技术，通信在过去分为模拟通信和数字通信两个方面来研究。目前，随着数字技术和计算机技术日新月异的发展，数字通信方式在许多领域已逐步取带模拟通信方式，成为通信的主流，也成为我们今天研究的重点。通信系统的核心是信号设计。本课程以通信技术的发展、演变为线索，从模拟到数字，由浅入深，力求把握通信信号设计的发展脉络和指导思想，用工程数学提供的方法准确表达和推导了通信信号和通信系统。通信的回顾与热点一、通信的回顾通信发展经历了五个阶段，其标志性事件分别是1、语言的产生，使人类有了比较完整的表达和交流形式。2、文字的产生，增大了交流的距离和流传的范围。3、印刷术的发明，使文明得以保存，世代相传，信息得以扩张。4、电报、电话、无线电等技术的发展，形成了通信理论和技术，形成了现代的通信产业。5、计算机技术、多媒体技术、有线及无线网络技术的发展，使信息交流达到了一个新的高度。利用电磁波通信的历史可大致划分三个阶段：1838年电报开始的通信初级阶段；1948年香农提出信息论开始的近代通信阶段；80年代以后光纤通信应用、综合业务数字网崛起的现代通信阶段。通信发展简史(1)1838年,摩尔斯发明有线电报,开始了电通信阶段1864年,麦克斯韦创立了电磁辐射理论,并被当时的赫兹证明,促使了后来无线通信的出现1876年,贝尔利用电磁感应原理发明了电话1879年,第一个专用人工电话交换系统投入运行1980年,第一个付费电话系统运营1896年,马可尼发明无线电报1907年,电子管问世,通信进入电子信息时代1915年,横贯大陆电话开通;实现越洋语音连接1918年,调幅无线电广播、超外差式接收机问世通信发展简史(2)1925年,开通三路明线载波电话,开始多路通信1936年,调频无线电广播开播1937年,雷沃斯发明脉冲编码调制,奠定了数字通信基础1938年,电视广播开播20世纪40年代二战期间,雷达与微波通信得到发展1946年,第一台数字电子计算机问世1947年,晶体管在贝尔实验室问世,为通信器件的进步创造了条件通信发展简史(3)1948年,香农提出了信息论,建立了通信统计理论1951年,直拨长途电话开通1956年,敷设越洋通信电缆1958年,发射第一颗通信卫星1962年,发射第一颗同步通信卫星,开通国际卫星电话;脉冲编码调制进入实用阶段20世纪60年代,彩色电视问世;阿波罗宇宙飞船登月;数字传输理论与技术得到迅速发展；计算机网络开始出现通信发展简史(4)20世纪70年代,商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用；一些公司制定计算机网络体系结构20世纪80年代,开通数字网络的公用业务;个人计算机和计算机局域网出现;网络体系结构国际标准陆续制定20世纪90年代,蜂窝电话系统开通，各种无线通信技术不断涌现;光纤通信得到迅速普遍的应用;国际计算机互联网得到极大发展二、当今通信的热点1、卫星通信2、移动通信3、多媒体通信4、用户数据接入5、全光网6、其它二、当今通信的热点1、卫星通信2、移动通信3、多媒体通信4、用户数据接入5、全光网6、其它1982年国际海事通信组织开通由四颗地球同步卫星组成的INMARSAT系统，实现全球移动通信。1998年中、低轨道的卫星系统得以研究成功并陆续开通，其中有-美国Motorala公司的铱星(Iridium)系统-美国LORAL公司的全球星(GlobalStar)系统-国际海事通信组织的ICO系统1999年国际卫星组织发射电视直播卫星、应用于高速信息公路。卫星的种类参考材料同步地球轨道卫星(GEO-GeosynchronousEarthOrbitingsatellites)位于近赤道的轨道上，高度35858公里最少三颗卫星可实现全球通信近地轨道卫星（LEO-LowEarthOrbitingsatellites）中距地球轨道卫星（MEO-MiddleEarthOrbitingsatellites）各种建议方案中卫星数目从12颗到840颗，配置成小型低功率卫星群，至少提供主要大陆地区的全方位覆盖轨道平面不是近赤道的，卫星群像电子围绕原子核高速运转一样绕地球运行近地轨道卫星高度644~2415公里，中距地球轨道卫星高度10062~20949公里小系统卫星数目较少，运行频带1GHz以下，支持低数据速率业务卫星的种类（续）参考材料大系统卫星数目较多，运行频带1GHz以上，支持高数据速率业务相对于GEO静止卫星系统，LEO和MEO被称为MSS(移动卫星系统)高距椭圆轨道卫星（HEO-HighlyEllipticOrbitingsatellites）该类卫星的原型为俄罗斯的Molniya系列卫星与赤道平面成65度夹角纵向运行，使用于北欧与北极地区。北半球远地点高度39968公里，南半球近地点高度500公里不同轨道的卫星三颗同步地球卫星基本上可覆盖全球参考材料MEO不同轨道的卫星轨迹示意参考材料铱星近地轨道卫星系统参考材料原计划中星群由77颗卫星组成，化学元素周期表中序号77的元素是Iridium(铱)。Iridium由希腊语“彩虹”一词转译而来。后来星群减为66颗，但序号66的化学元素Dysprosium(镝)读来拗口，而且不愿放弃“彩虹”，故仍称铱星。方案为66+6(备用星)，1目前1颗运行卫星和1颗备用卫星已分别发射到6个轨道平面，高度约778公里。铱星话机使用甚小天线通过L波段接入铱星，上行链路频率29.1~29.3GHz，下行链路23.18~23.38GHz。星际链路在Ka波段运行。上行频率28.6~29.1，使用FDMA，速率2Mbps；下行频率18.8~19.3，使用TDMA，速率达到或超过64Mbps。环路时延最大8.22ms，最小2.6ms。语音通信话音质量与模拟蜂窝移动电话差不多。铱星系统的接入和星际通信参考材料IEEE卫星频段参考材料频段名频率范围（下限~上限）L波段1~2GHzS波段2~4GHzC波段4~8GHzX波段8~12GHzKu波段12~18GHzK波段18~27GHzKa波段27~40GHzQ波段33~50GHzU波段40~60GHzV波段40~75GHzKu-K波段之下；Ka-K波段之上。Q波段、U波段、V波段由FCC指定。已运营的LEO和MEO卫星参考材料GlobalStarICOIridiumOdysseyTeleDesic业务范围语音,数据,传真,寻呼,定位语音,数据,传真,短消息语音,数据,传真,寻呼,定位语音,数据,传真,寻呼,定位语音,数据,传真,寻呼,视频,互联网接入调制技术QPAKQPAKQPAKQPAKQPAK轨道类型LEOMEOLEOMEOLEO高度(公里)1390~14101039077810354695~705卫星数目(运行/在轨备用)48/810/266/612/3288/??可见事件或停留时间(分钟)16.4115.611.194.53.5最小/最大环路传播时延(毫秒)4.63/11.534.5/48.02.6/8.2234.6/44.32.32/3.4二、当今通信的热点1、卫星通信2、移动通信3、多媒体通信4、用户数据接入5、全光网6、其它20世纪80年代，基于FDMA的第一代模拟系统(G1)北美AMPS、N-AMPS；英国TACS；日本JTAC；北欧NMT。20世纪90年代，基于TDMA和CDMA的第二代数字系统北美D-AMPS(EIA/TIAIS-136)；欧洲GSM；日本JDC。(G2)欧洲GSM/GPRS;基于CDMA的北美PCS(IS-95)。(G2+)目前，基于WCDMA的数字第三代系统已经出现(G3)提供数据速率为2Mbps(静态环境)的多媒体业务。ITU-T正在制定IMT(国际移动通信)建议标准，IMT2000参考建议有：欧洲根据GSM/GPRS演进的UMTS(通用移动通信系统)建议；北美根据IS-95演进的cdma2000建议；北美根据IS-136演进的UWCC-136建议(TDMA)。蜂窝系统频带划分CellularBands第一代•单频模拟蜂窝系统•仅用于语音通信•覆盖区仅有宏小区•商业用户Continued...移动通信的演进代的演进参考材料第二代•双频双模式数字系统•语音/低速数据通信•宏小区MacroCells微小区MicroCells皮可小区PicoCells•与固定电话网互补•商业用户和消费者第三代•多频多模式数字系统•多媒体通信多业务•同固定电话结合在一起，与IP网、VPN等网络互补•个人通信移动通信的演进蜂窝系统中的通信覆盖小区参考材料移动通信的演进标准的演进参考材料NMT-450NMT-900AMPSN-AMPSTACSJTAC……D-AMPS(IS-136)GSMJDCGSM/GPRSCDMA(IS-95)UTRA(UMTS)UWCC-136cdma20001G3G(IMT-2000)2G+2GContinued...移动通信的演进IMT-2000参考材料UTRA-UMTSTerrestrialRadioAccess（通用移动通信系统微波无线电接入）由ETSI（欧洲通信系统协会）提交采用WCDMA（宽带码分多址接入）cdma2000（码分多址接入2000）根据IS-95标准（CDMA）演化而来由美国TIA（电信业协会）提交采用WCDMAUWCC-136根据IS-136标准（D-AMPS）演化而来由美国UWCC（通用无线通信合作组织）提交采用TDMAUMTS-UniversalMobileTelecommunicationsSystemWCDMA-WidebandCodeDivisionMultipleAccessUWCC-UniversalWirelessCommunicationsConsortium移动通信的演进从GSM到UMTS的演变参考材料1990-本土GSM数据速率9.6Kbps1998-HSCSD数据速率57.6Kbps1999-GPRS数据速率115Kbps2000-GSM384数据速率384Kbps2002-UMTS数据速率2MbpsHSCSD-High-SpeedCircuit-SwitchingData高速电路交换数据GPRS-GeneralPacketRadioService通用分组无线业务移动通信的演进专用术语参考材料GSM-GlobalSystemforMobileCommunications全球移动通信系统AMPS-AdvancedMobilePhoneSystem高级移动电话系统N-AMPS-NarrowbandAMPS窄带高级移动电话系统D-AMPS-DigitalAMPS数字高级移动电话系统TACS-TotalAccessCommunicationSystem全向通信系统JTAC-JapanTotalAccessCommunications日本全向通信系统NMT-North-EuropeMobileTelephony北欧移动电话JDC/PDC-Japan/PersonalDigitalCellular日本(个人)数字蜂窝系统PCS-PesonalCommunicationSystem个人通信系统IMT-InternationalMobileTelecommunications国际移动通信二、当今通信的热点1、卫星通信2、移动通信3、多媒体通信4、用户数据接入5、全光网6、其它多媒体通信传媒信息量大适应现代社会许多应用需求，诸如-可视电话-电视会议-虚拟现实-视频点播-语音邮件-多媒体检索-远程教学二、当今通信的热点1、卫星通信2、移动通信3、多媒体通信4、用户数据接入5、全光网6、其它基于铜缆的接入技术。例如，能传输2Mbps以上的数据“高