光電世界-通信

信息傳遞的載體----電和光一.信息傳遞的載體---電磁波二.信息傳遞(通信)技術的發(fā)展三.通信的基本概念四.通信系統(tǒng)的基本模型五.通信系統(tǒng)分類六.通信系統(tǒng)的主要性能指標Why?How?1問題:請同學們想一想所知道的通信方式有哪些?這些通信方式使者是誰?也就是說誰把信息傳給對方的?信息傳遞的載體----電和光一.信息傳遞的載體---電磁波23人們需要信息的傳遞信息的傳遞需要使者---載體載體有電話線中的電信號網線中的電信號同軸電纜中的電信號空中的電磁波光纖中的光信號載波—電磁波一.信息傳遞的載體---電磁波下面我們將在了解電磁波本身特性的基礎上一起研究電磁波是如何攜帶信息并把信息帶走的通信技術。？想想，為什么用電磁波？410110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空間波長，m頻率，Hz電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電通信波段劃分及相應傳輸媒介頻段劃分傳輸介質一.信息傳遞的載體---電磁波5話音長波中波短波微波紅外光可見光頻率（低）（高）帶寬（小）（大）C=B㏒2（1+S/N）容量（大）（小）300~3400HZ30K~300K300K~3M3M~30M1G~100G100G~100000G105G~106G一.信息傳遞的載體---電磁波想想：帶寬是什么？寬帶？誰決定帶寬？6二.通信的發(fā)展：郵政電信郵政電信有線無線光通信71753年，蘇格蘭物理學家CharlesMorris就提到電力可以傳遞信息。他設計了一個方案，用一根根電線代表字母，英語有26個字母，所以就需要26根電線（當時根本沒有編碼技術的概念）。用靜電發(fā)電機給每根電線充電，然后通過靜電荷吸引另一端紙片，紙片上的相應信息也就傳遞過來了。當時好幾十年內人們就是用這種方式收發(fā)電報[1]。真正帶入我們進入電信（Telecommunications）時代的是畫家SamuelMorse。莫爾斯在亨利的指導下發(fā)明了第一臺商用電報機?；蛟S正是由于畫家所具有的天才想象力，莫爾斯不但給我們帶來了發(fā)報機，還給我們帶來了密電碼.有線電通信

1837年——摩爾斯電磁式有線電報二.通信的發(fā)展891876年貝爾發(fā)明有線電話二.通信的發(fā)展10無線電通信：1888年，德國赫茲發(fā)現電磁波二.通信的發(fā)展11無線電通信：1895年俄國人波波夫發(fā)出第一份無線電報二.通信的發(fā)展12無線電通信：1895年意大利人馬可尼在英國取得無線電得專利權，成為無線電創(chuàng)始人二.通信的發(fā)展133000年前的烽火臺光通信：二.通信的發(fā)展2/5/2023141791年法國人發(fā)明信號燈二.通信的發(fā)展151880年，美國人貝爾（BELL）發(fā)明了光話系統(tǒng)二.通信的發(fā)展16光話機原理圖弧光燈ABMNL送話器振動鏡17缺點：沒有理想的光源和傳光媒質傳光距離短可靠性差光源傳光媒介需解決問題問題：上述光通信方式的缺點是什么？181960年，美國人梅曼（MAIMAN）發(fā)明了第一臺紅寶石激光器。波譜窄方向性好亮度高頻率和相位一致相干光：振動方向相同，頻率相同，相位差恒定的光氦--氖激光器CO2激光器二.通信的發(fā)展191966年，英國華裔科學家高錕（C.K.Kao）提出介質新概念的理論，奠定現代光纖通信的理論基礎，被稱為光纖通信之父。石英的損耗1000dB/km石英傳輸信息的理論門限為20dB/km二.通信的發(fā)展20EducationTelephoneTravelEntertainmentHealth……AllservicesNetworktrafficisgrowing!!Thewholeworldisinmymind!!DemandforBroadbandwidthOpticalnetworkingShoppingBanking21世紀的通信業(yè)務21海底：光纜太空：衛(wèi)星地面：基站發(fā)射塔22

通信:信息（或消息）的傳輸和交換。（要求準確、迅速,突破空間的限制）

消息：信息的物理表現形式。如語言、文字、數據或圖像等。

信息：消息的內涵，即信息是消息中所包含的人們原來不知而待知的內容。后面學習定量計算信息量的大小.消息信息三.通信的基本概念23

電通信：是利用電（電流或電波，包括光）來傳遞信息。現代通信一般均是指“電通信”。信號：消息的電的表示形式。在電通信系統(tǒng)中，電信號是消息傳遞的物質載體。

通信系統(tǒng)：是完成傳遞信息任務所需要的一切技術設備和傳輸媒介所構成的總體。三.通信的基本概念24一般模型四.通信系統(tǒng)的基本模型通信系統(tǒng)的一般模型信道通信系統(tǒng)的一般模型由下列必須的設備組成25

信源是消息的產生地，其作用是把各種消息轉換成原始電信號(基帶信號)。電話機、電視攝像機和電傳機、計算機等各種數字終端設備就是信源。前者屬于模擬信源，輸出的是模擬信號；后者是數字信源，輸出離散的數字信號。一般模型26發(fā)送設備的基本功能是將信源和信道匹配起來，即將信源產生的消息信號變換成適合在信道中傳輸的信號(如已調信號）。一般模型

信道是指傳輸信號的物理媒質。在無線信道中，信道可以是大氣（自由空間），在有線信道中，信道可以是明線、電纜、光纖。自由空間發(fā)送設備信源27

噪聲源是通信系統(tǒng)中各種設備以及信道中噪聲與干擾的集中表現。

接收設備的基本功能是完成發(fā)送設備的反變換，它的任務是從帶有干擾的接收信號中正確恢復出相應的原始基帶信號來。一般模型28信道

信宿,又稱受信者.是傳輸信息的歸宿點，其作用是將復原的原始信號轉換成相應的消息。?課堂提問:用通信系統(tǒng)一般模型解釋QQ語音聊天的過程.一般模型29

連續(xù)消息：是指消息的狀態(tài)連續(xù)變化或是不可數的，如語音、圖像等。

離散消息：是指消息的狀態(tài)是可數的或離散的，如符號、數據、文字等。1、連續(xù)消息和離散消息模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型30按信號參量的取值方式不同可把信號分為模擬信號和數字信號.2、模擬信號和數字信號模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型

模擬信號：取值連續(xù)，包含無窮多個值數字信號：取值離散，僅包含有限數目的預定值tta)模擬信號b)數字信號31

（1）模擬信號

取值是連續(xù)的或取無窮多個值的信號。如電話機送出的語音信號、電視攝像機輸出的圖像信號等。連續(xù)是指信號的某一參量可以連續(xù)變化或取無窮多個值，而不一定在時間上也連續(xù)，如圖1-2(b)所示的脈沖振幅調制抽樣信號脈沖振幅調制信號。模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型32圖1–2模擬信號波形(a)連續(xù)信號；(b)抽樣信號模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型33（2）數字信號：只能取有限個值的信號。如電報信號、計算機輸入/輸出信號等。模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型34按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號，可相應地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)是傳輸模擬信號的通信系統(tǒng)。模型可由圖1-1略加演變而成，如圖1-3所示。圖中的調制器和解調器就代表圖1-1中的發(fā)送設備和接收設備。圖1-3模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型35信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號，基帶的含義是指信號的頻譜從零頻附近開始，如語音信號為300~3400Hz，圖像信號為0~6MHz。模擬信號具有頻率很低的頻譜分量，有時候可以(例如?)直接傳輸，更多時候(例如?)需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸的頻帶信號，并可在接收端進行反變換。完成這種變換和反變換作用的通常是調制器和解調器。3、模擬通信系統(tǒng)模型300~3400Hz300~3400Hz自由空間900MHz(GSM)模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型36調制(在通信中非常重要)調制,必須的?調制,好處?調制,哪些?37調制,必須的?NO!交換局音頻信號:300~3400Hz基帶系統(tǒng)382.調制,好處?移動、多路、長途…….國際漫游3G手機頻率列表廠家產品型號客戶群2G支持頻率(MHz)3G支持頻率(MHz)三星S7520U娛樂時尚900/1800/19002100三星B5210U商務工作900/1800/19002100三星S7220U娛樂時尚850/900/1800/1900900/2100三星C3370U普通大眾900/1800/19002100三星S7120U商務工作900/1800/19002100三星S3830U普通大眾850/900/1800/19002100諾基亞5320di商務工作850/900/1800/1900900/2100諾基亞6210si商務工作850/900/1800/1900900/2100諾基亞6120ci商務工作850/900/1800/1900?850/2100多普達T4288商務工作850/900/1800/19002100多普達T5388商務工作850/900/1800/1900900/2100MotorolaA3100商務工作850/900/1800/1900850/1900/2100TCL阿爾卡特OT-S988W商務工作900/1800/19002100中電F1商務工作850/900/1800/1900850/1900393.調制,哪些?調制方式用途連續(xù)波調制線性調制常規(guī)雙邊帶調幅廣播抑制載波雙邊帶調幅立體聲廣播單邊帶調幅SSB載波通信、無線電臺、數傳殘留邊帶調幅VSB電視廣播、數傳、傳真非線性調制頻率調制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調制PM中間調制方式數字調制幅度鍵控ASK數據傳輸相位鍵控數據傳輸40已調信號有三個基本特征：

攜帶有信息適合在信道中傳輸信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠離零頻，因而已調信號又稱頻帶信號。模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型414、數字通信系統(tǒng)模型圖1–4數字通信系統(tǒng)模型數字通信系統(tǒng)是傳輸數字信號的通信系統(tǒng)，如圖1-4所示。模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型42數字通信涉及的技術問題很多，其中主要有信源編碼/譯碼、信道編碼/譯碼、數字調制/解調、數字復接、同步以及加密等。模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型43

信源編碼的作用：一是將模擬信號轉換成數字信號，即模/數轉換。第7章中將討論模擬信號數字化傳輸的兩種方式：脈沖編碼調制(PCM)和增量調制(ΔM)。二是設法減少碼元數目和減少冗余信息，即數據壓縮。（1）信源編碼與譯碼模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型44信源譯碼是信源編碼的逆過程。碼元：數字通信中傳輸的一個接一個按節(jié)拍傳送的數字信號單元。模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型45數字信號在信道傳輸時，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會引起差錯。為了減少差錯，信道編碼器對傳輸的信息碼元按一定的規(guī)則加入保護成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進行解碼，從解碼過程中發(fā)現錯誤或糾正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實現可靠通信。（2）信道編碼與譯碼模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型46在需要實現保密通信的場合，為了保證所傳信息的安全，人為將被傳輸的數字序列擾亂，即加上密碼，這種處理過程叫加密。在接收端利用與發(fā)送端相同的密碼復制品對收到的數字序列進行解密，恢復原來信息，叫解密。（3）加密與解密模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型47數字調制就是把數字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸的頻帶信號。S(t)Acos(ωt+φ)S(t)Acos(ωt+φ)信源載波信號已調信號（4）數字調制與解調模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型48同步是保證數字通信系統(tǒng)有序、準確、可靠工作的不可缺少的前提條件。同步是使收、發(fā)兩端的信號在時間上保持步調一致。按照同步的功用不同，可分為載波同步、位同步、群同步和網同步。（5）同步模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型49圖1-5是數字通信系統(tǒng)的一般化模型，實際的數字通信系統(tǒng)不一定包括圖1-1中的所有環(huán)節(jié)。如在某些有線信道中，若傳輸距離不太遠且通信容量不太大時，數字基帶信號無需調制，可以直接傳送，稱之為數字信號的基帶傳輸，其模型中就不包括調制與解調環(huán)節(jié)。模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型50模擬信號經過數字編碼后可以在數字通信系統(tǒng)中傳輸，數字信號也可以在模擬通信系統(tǒng)中傳輸，可見，模擬通信與數字通信的區(qū)別僅在于信道中傳輸的信號種類。模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型51抗干擾能力強，可消除噪聲積累；差錯可控，可以采用信道編碼技術使誤碼率降低，提高傳輸的可靠性；易于與各種數字終端接口，用現代計算技術對信號進行處理、加工、變換、存儲，從而形成智能網；易于集成化，從而使通信設備微型化；易于加密處理，且保密強度高。5、數字通信的主要優(yōu)點模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型526、數字通信的主要不足占用帶寬大；模擬電話4KHz,數字電話20-64KHz

需要同步。模擬通信系統(tǒng)模型與數字通信系統(tǒng)模型531、按通信業(yè)務分類

按通信業(yè)務分，通信系統(tǒng)有話務通信和非話務通信。非話務通信主要是分組數據業(yè)務、計算機通信、數據庫檢索、電子信箱、電子數據交換、傳真存儲轉發(fā)、可視圖文及會議電視、圖像通信等。五.通信系統(tǒng)分類54視頻會議系統(tǒng)

返回55根據是否采用調制，可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶（調制）傳輸?；鶐鬏斒菍⑽唇浾{制的信號直接傳送，如音頻市內電話。頻帶傳輸是對各種信號調制后傳輸的總稱。調制方式很多，表1-1列出了一些常見的調制方式。

2、按調制方式分類五.通信系統(tǒng)分類56表1-1常見的調制方式（略）調制方式用途連續(xù)波調制線性調制常規(guī)雙邊帶調幅廣播抑制載波雙邊帶調幅立體聲廣播單邊帶調幅SSB載波通信、無線電臺、數傳殘留邊帶調幅VSB電視廣播、數傳、傳真非線性調制頻率調制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調制PM中間調制方式數字調制幅度鍵控ASK數據傳輸相位鍵控數據傳輸57調制方式用途脈沖調制數字調制相位鍵控PSK、DPSK、QPSK等數據傳輸、數字微波、空間通信其他高效數字調制QAM、MSK等數字微波、空間通信脈沖模擬調制脈幅調制PAM

中間調制方式、遙測脈寬調制PDM(PWM)中間調制方式脈位調制PPM遙測、光纖傳輸脈沖數字調制脈碼調制PCM市話、衛(wèi)星、空間通信增量調制DM軍用、民用電話差分脈碼調制DPCM電視電話、圖像編碼其他語言編碼方式ADPCM、APC、LPC中低速數字電話續(xù)表（1）58按照信道中所傳輸的是模擬信號還是數字相應地把通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)。3、按信號特征分類五.通信系統(tǒng)分類59可分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)兩大類。

有線通信是用導線（如架空明線、同軸電纜、光導纖維、波導等）作為傳輸媒質完成通信的，如市內電話、有線電視、海底電纜通信等。

無線通信是依靠電磁波在空間傳播達到傳遞消息的目的的，如短波電離層傳播、微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。

4、按傳輸媒質分類五.通信系統(tǒng)分類60按通信設備的工作頻率不同可分為長波通信、中波通信、短波通信、微波通信、遠紅外線通信等。表1-2列出了通信使用的頻段、常用的傳輸媒質及主要用途。

工作波長和頻率的換算公式為；

λ=λ為工作波長，f為工作頻率，c為光速5、按工作波段分類五.通信系統(tǒng)分類61表1–2通信波段與常用傳輸媒質頻率范圍波長符號傳輸媒質用途3Hz~30kHz104~108m甚低頻VLF有線線對長波無線電音頻、電話、數據終端、長距離導航、時標30~300kHz103~104m低頻LF有線線對長波無線電導航、信標、電力線通信300kHz~3MHz102~103m中頻MF同軸電纜短波無線電調幅廣播、移動陸地通信、業(yè)余無線電3~30MHz10~102m高頻HF同軸電纜短波無線電移動無線電話、短波廣播定點軍用通信、業(yè)余無線電30~300MHz1~10m甚高頻VHF同軸電纜米波無線電電視、調頻廣播、空中管制、車輛、通信、導航62續(xù)表（2）頻率范圍波長符號傳輸媒質用途300MHz~3GHz10~100cm特高頻UHF波導分米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達3~30GHz1~10cm超高頻SHF波導厘米波無線電微波接力、衛(wèi)星和空間通信、雷達30~300GHz1~10mm極高頻EHF波導毫米波無線電雷達、微波接力、射電天文學107~108GHz3×10-5~3×10-4cm紫外可見光紅外光纖激光空間傳播光通信63六.通信系統(tǒng)的主要性能指標通信的任務是快速、準確地傳遞信息。評價一個通信系統(tǒng)優(yōu)劣的主要性能指標是系統(tǒng)的有效性和可靠性。有效性是指傳輸一定信息量時所占用的信道資源，或在給定信道帶寬情況下,單位時間內所傳輸的信息內容的多少，或者說是傳輸的“速度”問題；可靠性是指接收信息的準確程度，也就是傳輸的“質量”問題。641、模擬通信系統(tǒng)有效性指標：實際常用傳輸每路信號的有效帶寬B有效來表示,B有效越小有效性越好.與調制方式有關.例如語音信號SSB調制B有效=4KHz,WBFM調制為48KHz.可靠性指標：用接收端最終輸出信噪比來度量，信噪比越大，可靠性越好。六.通信系統(tǒng)的主要性能指標65數字通信系統(tǒng)的有效性用傳輸速率來衡量；可靠性用差錯率來衡量。2、數字通信系統(tǒng)六.通信系統(tǒng)的主要性能指標66（1）傳碼率RB碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率。它表示單位時間內傳輸碼元(注意沒有限定是何種進制）的數目，單位是波特（Baud），記為B。例如，若1秒內傳2400個碼元，則傳碼率為2400B。t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號同步脈沖六.通信系統(tǒng)的主要性能指標67在數字通信中常用時間間隔相同的符號來表示一位數字，這個間隔被稱為碼元長度數字信號有多進制和二進制之分，但碼元速率與進制數無關，只與傳輸的碼元長度TB有關(2)碼元長度TB六.通信系統(tǒng)的主要性能指標68信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它表示單位時間內傳遞的平均信息量或比特數，單位是比特/秒，可記為bit/s，或b/s，或bps。（3）傳信率RbRb=RB·H(b/s)