通信系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用省環(huán)保廳的講座

1、通信系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用通信工程系內(nèi)容提要1. 通信技術(shù)的發(fā)展簡史2. 無線通信系統(tǒng)的基本原理3. 電磁環(huán)境4. 無線通信新技術(shù)和現(xiàn)代通信發(fā)展趨勢(shì)1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史通信技術(shù)的發(fā)展總況三大主線有線通信/無線通信現(xiàn)代成就：光纖通信/移動(dòng)通信近距離通信/遠(yuǎn)距離通信現(xiàn)代成就：衛(wèi)星通信點(diǎn)(多)點(diǎn)通信/網(wǎng)絡(luò)通信現(xiàn)代成就：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)1）1.1 有線通信電報(bào)通信電話通信商用電報(bào)的先驅(qū)：1839年英國William.CookeCharles.Wheatstone1844年美國Samuel.Morse摩斯（Morse） 電報(bào)機(jī)1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)2）有線通信（續(xù)）二次世界大戰(zhàn)時(shí)

2、期的電報(bào)機(jī)1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)3）有線通信（續(xù)）80年代的電傳機(jī)（英國電信）1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)4）有線通信（續(xù)）早期有線電報(bào)通信的杰出成就： 跨越大西洋的海底電纜通信（1851年）鋪設(shè)海底電纜專用船只1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)5）有線通信（續(xù)）現(xiàn)代海底通信用光纜聚乙烯套管聚脂薄膜鋼纜防水鋁管聚碳酸酯銅或鋁管凡士林油通信用光纖1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)6）有線通信（續(xù)）海底電纜的地面段1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)7）有線通信（續(xù)）1901年由Eastern電報(bào)公司經(jīng)營的海底電纜通信網(wǎng)歐亞大陸美洲大陸紅線為海底電纜非洲大西洋1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)8）有線通信（續(xù)）1876年美國人A

3、lexander Grabham Bell (貝爾）發(fā)明的單筒電話機(jī)：聽說同一個(gè)口，聽說必須分開。1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)9）有線通信（續(xù)）1912年法國的電話（巴黎博物館）1896年瑞典的電話1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)10）1.2 無線通信無線電科學(xué)之父:James Clerk Maxwell(麥克斯韋）蘇格蘭理論物理學(xué)家1861年提出了著名的麥克斯韋方程，理論上預(yù)言電磁波的存在。1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)11）無線通信（續(xù)）無線電科學(xué)之父:Heinrich Hertz（赫茲）德國物理學(xué)家，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在（不是第一人，但第一個(gè)給出令人滿意的結(jié)果）。為了紀(jì)念，無線電頻率的單位定位Hz

4、。1887年赫茲用于實(shí)驗(yàn)的原理電路1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)12）無線通信（續(xù)）無線通信的重要里程碑：Alexander Popov）蘇聯(lián)物理學(xué)家，第一個(gè)研制了實(shí)用的無線通信系統(tǒng)。因他1895年5月年7日公開演示了第一個(gè)無線傳輸系統(tǒng)，5.7被蘇聯(lián)命名為無線電日。Popov的早期系統(tǒng)通信距離可大550m.1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)13）無線通信（續(xù)）無線通信的重要里程碑：Guglielmo Marconi(英國科學(xué)家，1896年研制了第一個(gè)實(shí)用的無線電報(bào)系統(tǒng)，并因此而獲得Nobel獎(jiǎng)?lì)}名。研制了實(shí)用的無線通信系統(tǒng)。1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)14）無線通信（續(xù)）無線通信的重要里程碑：Reginal

5、d Fessenden(加拿大發(fā)明家）和Lee De Forest（英國發(fā)明家）1906年第一個(gè)發(fā)明調(diào)幅（AM）通信系統(tǒng)，從而使得多個(gè)通信臺(tái)在一個(gè)頻帶中發(fā)送信號(hào)（頻分復(fù)用）。當(dāng)前的中波和短波電臺(tái)使用的是AM調(diào)制系統(tǒng)。FessendenForest1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)15）無線通信（續(xù)）無線通信的重要里程碑：Charles David Herrold（美國） 1909年建立了世界第一個(gè)語音信號(hào)的無線廣播電臺(tái)KCBS（美國舊金山）。1912.4.12在海上的泰坦尼克出發(fā)前的泰坦尼克重要事件：1912年震驚世界的泰坦尼克號(hào)沉船事件，促進(jìn)了海上無線電報(bào)系統(tǒng)的建立和發(fā)展。1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)

6、16）無線通信（續(xù)）建立第一個(gè)語音無線廣播電臺(tái)的時(shí)間:1921年：蘇聯(lián)、墨西哥等1922年：法國、英國、瑞士等1923年：德國、中國、瑞典、西班牙、意大利等1924年：波蘭、羅威1925年：日本、葡萄牙、羅馬尼亞1926年：希臘、多米尼加1927年：印度、新加坡1928年: 香港 1973年：不丹1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)17）無線通信（續(xù)）無線通信的重要里程碑：Edwin Howard Armstrong（美國電氣工程師） 1933年發(fā)明了無線調(diào)頻技術(shù)。1937年建立了第一個(gè)調(diào)頻廣播電臺(tái)。1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)18）無線通信（續(xù)）其他重要事件：1970s:無線導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)1987年

7、：發(fā)射GPS衛(wèi)星1990s：廣播中的數(shù)字傳輸 1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)19）1.3 移動(dòng)通信GSM GSMGlobal System for Mobile communication 全球移動(dòng)通信系統(tǒng)1982年郵電管理歐洲會(huì)議（CEPT）建立了GSM研究組織；1987年13個(gè)國家簽署了GSM理解備忘錄，建立一個(gè)公共的蜂窩電話系統(tǒng)；1991年首個(gè)GSM網(wǎng)絡(luò)由芬蘭網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商Radiolinja投入運(yùn)行，其技術(shù)和相關(guān)設(shè)備1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)20）GSM和3G 2009年全球覆蓋情況 1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)21）1.4 衛(wèi)星通信1957年10月4日：蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星Sputnik 1

8、 號(hào)：重量：83.6Kg運(yùn)行時(shí)間：3個(gè)月軌道周期：96.2分鐘運(yùn)行速度：29000Km/h 信號(hào)頻率：20.005MHz 和 40.002MHz1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)22）1.4 衛(wèi)星通信(續(xù)）1958年12月18日：美國發(fā)射第一顆中繼通信衛(wèi)SCORE號(hào)，廣播了美國總統(tǒng)艾森豪威爾的圣誕賀辭。美國第一顆衛(wèi)星和發(fā)射火箭1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)23）1.4 衛(wèi)星通信(續(xù)）1962年7月10日美國發(fā)射Telstar 1號(hào)實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星；1963.2.21:發(fā)射了Telstar 2號(hào)。進(jìn)行了電視圖像、電話和傳信號(hào)的中繼實(shí)驗(yàn)。2004年發(fā)射了Telstar 18號(hào)Telstar 1號(hào)實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星1 通

9、信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)24）1.4 衛(wèi)星通信(續(xù)）銥通信衛(wèi)星星座：覆蓋全球的通信衛(wèi)星構(gòu)成一個(gè)星座，這樣一個(gè)星座需要66顆有源衛(wèi)星和約6個(gè)備用衛(wèi)星。1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)25）1.4 衛(wèi)星通信(續(xù)）1970年4月20日中國發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星。播放東方紅樂曲和遙測(cè)信號(hào)。1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)26）1.4 衛(wèi)星通信(續(xù)）1984年4月8日北京時(shí)間19:20中國發(fā)射了第一顆實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星，4月16日正式定位，4月17日北京地面站和烏魯木齊地面站通過衛(wèi)星進(jìn)行了通信，5月14日正式交付使用。1 通信技術(shù)的發(fā)展簡史(續(xù)27）1.4 衛(wèi)星通信(續(xù)）2009年2月10日UTC時(shí)間16:56(北京時(shí)間11日

10、0:56)通信衛(wèi)星銥33號(hào)（Iridium 33）和俄羅斯廢棄衛(wèi)星Kosmos-2251號(hào)通信衛(wèi)星發(fā)生碰撞，產(chǎn)生了很多太空碎片。2 無線通信系統(tǒng)的基本原理2.1 電磁波及其發(fā)射和接收 電磁波的“視覺化”電磁波的頻率f: 每秒變化的次數(shù)頻率的單位：Hz波長：c / f2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)1）2.1 電磁波及其發(fā)射和接收（續(xù)）白光的分解:紅光頻率最低（波長最長），紫光頻率最高（波長最短） 光是一種電磁波2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)2）2.1 電磁波及其發(fā)射和接收（續(xù)）電磁波的頻譜微波頻段：300M300G（波長1m-1mm)2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)3）2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（

11、續(xù)4） GSM 頻率 GSM900主頻段（P-GSM）上行：890MHz-915MHz（移動(dòng)臺(tái)發(fā)，基站收）下行：935MHz-960MHz（基站發(fā)，移動(dòng)臺(tái)收） GSM擴(kuò)展頻段（E-GSM）上行：880MHz-890MHz（移動(dòng)臺(tái)發(fā)，基站收）下行：925MHz-935MHz（基站發(fā)，移動(dòng)臺(tái)收） DCS1800頻段上行：1710MHz-1785MHz（移動(dòng)臺(tái)發(fā)，基站收）下行：1805MHz-1880MHz（基站發(fā)，移動(dòng)臺(tái)收）2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)5） GSM頻率復(fù)用蜂窩375163243561752436127742513142 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)6）2.1 電磁波及其發(fā)射和接收（

12、續(xù)） 電磁波有效輻射的基本要求: 天線的尺寸和信號(hào)波長可比擬，通常有1/4波長或1/2波長天線。300MHz信號(hào)的波長為1m，3GHz信號(hào)的波長為10cm。3KHz的波長為100km，話音信號(hào)的頻率為1-3KHz,直接將話音信號(hào)通過天線發(fā)射出去是行不通的！2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)7）2.2 通信中調(diào)制的概念問題：直接發(fā)射話音信號(hào)，需要100Km以上的天線長度解決方法:調(diào)制調(diào)制的通俗表述：將低頻信號(hào)的信息寄載到高頻信號(hào)之上。例如：中波安徽電臺(tái)930kHz，承載話音/音樂的高頻：930kHz中波江蘇臺(tái)是700kHz，承載話音/音樂的高頻：700kHz調(diào)頻臺(tái)88MHz，承載話音/音樂的高頻：8

13、8MHz2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)8）2.2 通信中調(diào)制的概念（續(xù)）高頻信號(hào)的形式： 正弦信號(hào)正弦信號(hào)的三個(gè)參數(shù)： 幅度、頻率、相位調(diào)制的三中基本形式： 調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相調(diào)制的波形表示：（音樂信號(hào)的實(shí)例）2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)9）2.2 通信中調(diào)制的概念（續(xù)）相位調(diào)制信號(hào)2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)10）2.2 通信中調(diào)制的概念（續(xù)） 數(shù)字信號(hào)2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)11）2.2 通信中調(diào)制的概念（續(xù)） 數(shù)字調(diào)制波形舉例： FSK調(diào)制現(xiàn)在常用的數(shù)字調(diào)制有：QPSK、QAM調(diào)制 2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)12）2.3 電磁波的傳播 視距傳播和非視距傳播 視距傳播（直線傳播

14、）：遇到障礙物有很大的衰減 信號(hào)頻率3GHz以上，會(huì)有較強(qiáng)的視距傳播特性。 900MHz的手機(jī)信號(hào)是非視距傳播。2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)13）2.3 電磁波的傳播（續(xù)） 電磁波強(qiáng)度的度量： 電磁波產(chǎn)生的場可分為近場和遠(yuǎn)場，衡量場的大小用“電場強(qiáng)度”和“磁場強(qiáng)度”。 近場區(qū)：指與源的距離小于波長的約1/6的區(qū)域 在近場區(qū)，電場與磁場強(qiáng)度間無固定關(guān)系，每一點(diǎn)的波阻抗都是變化的，通常必須分別加以測(cè)量和考慮。2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)14）2.3 電磁波的傳播（續(xù)） 在遠(yuǎn)場區(qū)，電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之間存在固定的關(guān)系，電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的比值為定值，該定值稱為波阻抗， 因此在遠(yuǎn)場區(qū)，知道了電場（

15、或磁場），就可以方便地得到磁場（或電場）。 對(duì)于空氣，波阻抗為377。2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)） 2.3 電磁波的傳播（續(xù)） 傳播損耗： 自由空間傳播損耗 慢衰落分集 由地形起伏、建筑物及障礙物的遮蔽等引起慢衰落（陰影衰落） 快衰落均衡 由各種反射物和散射體產(chǎn)生的直射波、反射波和散射波的相互干擾和串?dāng)_，以及多普勒（Doppler）頻移等產(chǎn)生的快衰落（多徑衰落）2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)15） 2.3 電磁波的傳播（續(xù)） 多徑衰落：2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)16）2.4 通信系統(tǒng)的基本組成infoTCR信源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備信宿noise 最基本的系統(tǒng)框圖：2 無線通信系統(tǒng)的基本

16、原理（續(xù)17）2.4 通信系統(tǒng)的基本組成（續(xù)） 數(shù)字通信系統(tǒng)框圖：2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)18）2.4 通信系統(tǒng)的基本組成GSM基站系統(tǒng)框圖基站接口設(shè)備信令處理編碼與交織譯碼與解交織加密加密發(fā)信機(jī)天線收信機(jī)均衡解調(diào)解密AbisUm跳頻控制時(shí)鐘功率控制2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)19）2.5 天線基站和天線外形典型的GSM基站2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)20）2.5 天線基站和天線外形（續(xù)）移動(dòng)通信基站一列2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)22）2.5 天線基站和天線外形（續(xù)）樓頂基站2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)23）2.5 天線基站和天線外形（續(xù)）法國巴黎安裝的基站一例2 無線通信系統(tǒng)

17、的基本原理（續(xù)24）2.5 天線其他形式天線拋物面天線喇叭口天線2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)25）2.5 天線天線的輻射方向 全向天線：水平方向例如 垂直鞭狀天線（單極天線）天線輸入功率的計(jì)算： Pi2ri: 天線輸入電流r：饋點(diǎn)阻抗實(shí)部2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)26）2.5 天線天線的輻射方向 有向天線：例如 多極拋物面天線2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)27）2.5 天線天線的輻射方向半波陣子的全向輻射圖理想的全向應(yīng)該是球形有向輻射圖實(shí)際的有向輻射圖2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)28）2.5 天線天線的主要參數(shù) 諧振頻率：與天線的電氣長度有關(guān)。 天線增益：即天線的方向性增益，一個(gè)特定方

18、向上的功率和無方向天線（半波陣子天線）在同一地點(diǎn)的功率之比。 輻射方向圖 阻抗復(fù)阻抗與天線的電氣長度有關(guān) 效率輻射功率/輸入功率 帶寬 極化電場平面與地表面之間的方向關(guān)系，與天線的結(jié)構(gòu)和方向有關(guān)。2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)29）2.5 天線天線的互易性 用于發(fā)射天線的分析和相應(yīng)的結(jié)論，同樣實(shí)用于接收天線。例如發(fā)射天線的輻射方向性圖，在接收天線中就表現(xiàn)為不同方向上的靈敏度。2 無線通信系統(tǒng)的基本原理（續(xù)30）2.5 天線近場/遠(yuǎn)場的定量劃分d = 2D2/D 天線半徑；信號(hào)波長d ：為遠(yuǎn)場；反之為近場3 電磁環(huán)境3.1 電磁環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)我國目前已頒布的電磁環(huán)境評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)主要有：（a）環(huán)境電磁

19、波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB9175-88）（b）電磁輻射防護(hù)規(guī)定 （GB870288）（c）輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則 （HJ/T 10.21996）3 電磁環(huán)境（續(xù)1）環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) GB 917588波長波長單位容許場強(qiáng)一級(jí)(安全區(qū))二級(jí)(中間區(qū))長、中、短波V/m1025超短波V/m512微波W/cm21040混合V/m按主要波段場強(qiáng)；若各波段場分散，則按復(fù)合場強(qiáng)加權(quán)確定3 電磁環(huán)境（續(xù)2）3.2 基站輻射 一般GSM基站天線高度均在35米55米，電磁波在空中傳播衰減很快。有測(cè)試表明，發(fā)射功率為20瓦的大功率基站，其天線前10米的功率密度是0.6W/cm2，遠(yuǎn)低于40W/cm2的國家標(biāo)準(zhǔn)。另外，電磁波穿過一般磚墻時(shí)要衰減6dB左右，而穿過帶鋼筋的墻要衰減20dB左右。 因此，將GSM基站天線建在一般住宅樓頂時(shí)，宅內(nèi)的居民應(yīng)該是安全的。 另外，移動(dòng)通信運(yùn)營部門也會(huì)按照國家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。 3 電磁環(huán)境（續(xù)3）3.3 電磁輻射對(duì)人體的影響電磁輻射危害人體的機(jī)理主要是熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)和積累效應(yīng)等。 熱效應(yīng)：引起機(jī)體升溫累積效應(yīng)：熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的長期作用 基站的輻射對(duì)人體究竟會(huì)有多大的影響，目前國際不少機(jī)構(gòu)正在對(duì)此進(jìn)行研究，應(yīng)該說尚無明確定論。3 電磁環(huán)境（續(xù)4）3.3 電磁輻射