通信科學技術概論全套教學課件

通信科學技術概論

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1全套可編輯PPT課件第1章

緒

論1.1肇始的通信語言和文字是人類最早需要交流的消息。通過媒介傳送消息都屬于通信范疇。運動通信

—用人力、驛馬、信鴿等傳送信件。驛站—傳遞文書人員中途暫息和住宿的地方發(fā)明電的應用后，電報和電話通信已經有一百多年的歷史。21631.2電報通信莫爾斯電碼：是早期得到廣泛應用的電報通信技術之一。莫爾斯電碼用“點”和“畫”的組合表示字母和數字：以“點”的持續(xù)時間長度為1單位，則“畫”的長度應為3單位，“點”和“畫”的間隔時間為1單位，字符的間隔時間為3單位，字的間隔時間為7單位。國際電信聯盟（ITU）制定的標準：為了提高通信效率，其中“E”的

出現概率最大，所以莫爾斯電碼只

用一個“點”表示它。3ITU規(guī)定的國際莫爾斯電碼4用莫爾斯電碼發(fā)送漢字采用4位十進制數字表示一個漢字。例如，“中”字用“0022”表示。對漢字編碼時，需按照《標準電碼本》將每個漢字用4位阿拉伯數字編碼：例如，“中”字用“0022”表示。電報通信長期主要用電鍵發(fā)送莫爾斯電碼，用人耳收聽電碼的“滴答”聲，然后用紙筆記錄下來。隨著計算機的廣泛應用，莫爾斯電碼我國已基本不再使用，但是在業(yè)余無線電等領域仍然在使用。

電鍵1.3電話通信 1.3.1人工電話

磁石電話機：它是最早出現的電話機。每部電話機包括一個發(fā)送語音的話筒和一個收聽聲音的耳機。在電話機中，還有呼叫對方的手搖鈴流發(fā)生器和接收方接收呼叫的電鈴；以及給耳機供電的電池。5

壁掛式

臺式機鈴流發(fā)生器電池耳機

交換機電話通信初期：用戶雙方間直接架設電話線路。當用戶增多時，需要架設的線路數量急劇上升。例如：當有100個電話用戶時，需要架設的線路數量將達到（100×99/2=）4950條。若在用戶和交換機之間架設線路。若仍有100個電話用戶，這時只需要架設100條通向交換機的線路就夠了。這樣，電話交換網就形成了，不過需要人工接線。6人工電話交換機

1.3.2自動電話自動電話出現后，不需要人工接線，由機械自動接線。第一臺自動電話交換機，是步進制自動電話交換機。這時的電話機增加了一個撥號盤，用于呼叫對方，并且由交換機供電話機用電，故稱為共電式（撥號盤）電話機。撥號盤按照每位電話號碼發(fā)出相應數目的電脈沖，交換機收到這些電脈沖就得知需要接通的收話用戶，并將收發(fā)用戶雙方的線路接通。7步進制自動電話交換機撥號盤電話機隨著用戶增多，電話號碼位數不斷增加，撥號盤需要發(fā)送的電脈沖數目也隨之增加，因而撥號費時太長。另外這種方法易受干擾而出錯，所以逐漸被雙音多頻（Dual-ToneMulti-Frequency，DTMF）按鍵鍵盤所取代。這種鍵盤用不同頻率的兩個正弦波脈沖代表一位數字，發(fā)送一位數字僅需0.08秒的時間，速度較快。隨著數字計算機的發(fā)展，由數字計算機的程序控制進行交換，代替了機械動作。這種計算機就稱為程（序）控（制）電話交換機。8按鍵鍵盤電話機程控電話交換機 1.3.3電話線路架空明線：是架設在電線桿上的裸銅線。在發(fā)明電話僅4年后，1880年在紐約某條街道上的架空明線線路已經達到350條。91880年紐約街貌電話電纜：是許多對絕緣電線聚合在一起制成的電纜，可以滿足日益增長的電話線路需求。這種電纜可以架設在電線桿上，也可以埋入地下。最大的電話電纜甚至有1800對電線。1800對線的電話電纜截面電話電纜1.3.4光纖線路華裔科學家高錕：于1966年首次提出將玻璃纖維作為光波導用于通信的理論，奠定了光纖線路發(fā)展和應用的基礎。光纖線路的優(yōu)點：傳輸帶寬更寬，傳輸距離更長，并且不受電磁波的干擾。目前光纖線路在我國已經成為主要的有線傳輸媒體。10高錕1.4無線電電話通信1.4.1早期的無線電話1895年意大利人馬可尼成功地進行了無線電報通信試驗。1918年德國的鐵路系統在軍用列車上試驗了無線電話通信。第二次世界大戰(zhàn)中，摩托羅拉公司研制出了手持式步話機。1946年貝爾實驗室研發(fā)出的無線電話系統開始能和公共有線電話網相連接。11手持式步話機1.4.2蜂窩電話網第0代移動通信：指上述早期無線電話通信。第1代移動電話：1968年貝爾實驗室提出蜂窩電話網概念。把地面劃分成蜂窩狀結構的小區(qū)，解決重復使用頻率問題。1981年在北歐國家建立了第一個民用蜂窩電話網。第1代手機大且笨重，只能用來打電話。第2代移動電話：1991年在北歐開通第2代蜂窩網，

其信號質量有了很大提高，并且

可以傳輸文字（數據）。此后，蜂窩網快速發(fā)展，出現了第3代、第4代，目前已經進入第5代。12

正六邊形蜂窩狀結構fafafafafafafafa1.4.3手機的發(fā)展從第2代開始，蜂窩網的手機體積在逐步減小，通話質量逐步提高。從第3代開始出現了智能手機。將掌上電腦的系統移植到手機中，才出現智能手機概念。智能手機具有獨立的操作系統，可以自行安裝各種軟件，并設有觸摸屏。智能手機具有照相機、指南針、手電筒、計步器、鏡子等多種日常需用的功能。手機逐漸縮小，主要歸功于集成電路、液晶屏、傳

感器等的進步。右圖是手機演進的過程。13手機的演進過程1.5數字通信

1.5.1數字信號計算機中采用的是二進制數字。二進制和十進制的關系：用電壓表示二進制數字的兩種方法：用0伏電壓表示數字“0”，用V伏電壓

表示數字“1”；用+V伏電壓表示數字“1”，用-V伏電壓

表示數字“0”。14十進制二進制00112101141005101611071118100091001+V-V

V0

時間時間電壓V+V0-V1.5.2模擬信號原始的聲音信號不是數字信號，其電壓的大小是連續(xù)變化的，稱為模擬信號。若將模擬信號的連續(xù)取值近似為數字信號，就能和其他數字信號一起在數字通信系統中傳輸。將模擬信號的連續(xù)取值近似為離散值的過程，稱為量化。15

模擬信號的量化電壓聲音信號1.5.3數據通信網數據通信網是由計算機組成的網。按照覆蓋范圍，可以分為廣域網（WAN）、城域網（MAN）、局域網（LAN）、個人網（PAN）、體域網（BAN）。各種網的覆蓋范圍大?。簜鬏數膬热莅ǎ盒偶?、

數字語音、數字音頻（音

樂等）、數字圖片、數字

視頻（圖像）、計算機軟

件、計算數據、控制指令

等。實質上，數據通信網的功能

可以包含電話網的全部功能，目前數據通信網、電話網

和電視網，三者正在走向逐步合并中。16個域網局域網城域網

廣域網數據通信網，和電話網一樣，同樣需要在發(fā)送信號前，先發(fā)送通信對方的地址（編號）。此外，還需要為傳輸數字信號，做許多準備工作。例如，標記發(fā)送信號的“頭”和“尾”，以及解決傳輸過程中發(fā)生錯誤時如何解決。為此要制定一些規(guī)則，使各計算機都明了和遵守這些規(guī)則，才能順利進行通信。單個計算機由集線器或數據交換機連接成計算機網。多個計算機網通過路由器互連的網稱為互連網(internet)。按照TCP/IP標準建立的互連網則稱為互聯網（Internet）。17互連網

1.5.4互聯網互聯網能夠連接各種計算機網，傳輸各種信息和提供多種應用，例如萬維網（WWW）、電子郵件、電話業(yè)務、文檔傳輸、電子商務、網上購物、電子政務、信息檢索、網絡社交（微信、QQ、博客、微博）、網絡游戲、網絡視頻、云盤（互聯網存儲工具）等。互聯網的快速增長要歸功于：沒有中央管理機構，因而容許網絡自由發(fā)展互聯網協議的非專利性，鼓勵供應商之間互通，防止任何公司的網絡受到太多控制?；ヂ摼W的新應用領域：物聯網全球衛(wèi)星定位系統區(qū)塊鏈1.6小結18第2章

通信科學技術的基本概念192.1消息、信號和信息的概念2.1.1

什么是消息、信號和信息？消息

消息是通信系統傳輸的對象。消息具有不同的形式，例如：語音、文字等。消息可以分為連續(xù)消息和離散消息兩類。信號信號是消息的載體，包括：電信號、光信號和聲信號。為了傳輸消息,必須先將消息轉變成信號。信號也分為連續(xù)信號和離散信號。

信息是消息中包含的有效內容。

202.2信號的概念2.2.1

模擬信號連續(xù)取值的信號稱為模擬信號。例1：語音信號—在用電信號傳輸語音時，首先要用傳感器（話筒）把聲波轉換成電信號。語音信號電壓隨時間變化的曲線：例2：照片—把照片上的圖像看成是由非常多的稱為“像素”的“點”構成的。傳輸時要把每“點”圖像的亮度轉換成電壓再掃描傳輸。當掃描速度很快時，看到的是一個完整的畫面。

對于活動圖像，則先把圖像按照時間

分解成一幀一幀的靜止圖像，再用上述傳

輸靜止圖像的方法逐幀傳輸。21時間(ms)電壓聲波轉換成的電信號

圖像的掃描

2.2.2

數字信號計算機鍵盤輸出的信號是數字信號，其電壓僅取2個值，可以用“1”和“0”表示。區(qū)分模擬信號和數字信號的準則：表示信息的取值是連續(xù)的還是離散的，而不是看信號在時間上是連續(xù)的還是離散的。222.2.3

信號傳輸速率碼元速率；碼元速率的單位是波特，即

波特=碼元數/秒波特與比特的關系：每個碼元含有的信息量和可能出現的不同碼元的數量有關。例：設天氣預報有8種天氣狀態(tài)，既有8種不同碼元，則每個碼元含有3比特的信息量

。若信號傳輸速

率是100波特，則信息傳輸速率等于300比特/秒。在通信工程技術中，常常不嚴格區(qū)分信號傳輸速率和信息傳輸速率，常說信號傳輸速率是100波特或300比特/秒。232.3模擬通信和數字通信模擬通信和數字通信的比較由于信道性能不良，接收信號可能產生失真，故對傳輸的模擬信號的接收質量造成較大影響。當數字信號的失真不很大時，由于數字信號的取值數目有限，可能不影響正確接收（判決）。在有多次轉發(fā)的線路中，中繼站可以對接收信號加以整形，在接收端仍能得到高質量的接收信號。24終端站終端站中繼站終端站中繼站終端站終端站終端站中繼站中繼站數字通信的其他優(yōu)點可以采用糾錯編碼等差錯控制技術，減少或消除錯誤接收的碼元?？梢圆捎帽Ｃ苄詷O高的數字加密技術，從而大大提高系統的保密度。可以用信源壓縮編碼方法壓縮數字信號，以減小冗余度，提高信道利用率。模擬信號的數字化把信源產生的模擬信號轉化成數字信號再傳輸，就可以獲得數字通信的這些優(yōu)越性能。這種轉化就叫作模擬信號的數字化。目前，電話、電視等模擬信號幾乎無例外地數字化后采用數字傳輸技術進行遠距離傳輸。因此，數字通信是當前通信技術的主流發(fā)展方向。252.4信號頻譜的概念頻譜的定義設一正弦波電壓用公式表示為：f(t)=Asin(2πft+θ)式中：f—頻率，單位是赫茲，A—振幅，單位是伏特，

θ—相位，單位是度或弧度。非正弦波是由多個正弦波組成的。例1：由頻率為50Hz、150Hz和250Hz的三個正弦波組成的電壓波形。例2：矩形波包含許多（無窮多）個不同頻率的正弦波。26頻譜—組成一個波形的這些正弦波的頻率與其振幅和相位的函數關系就是頻譜。頻譜是復函數，即每個頻率上信號有其振幅A和相位θ，用數學公式表示為

Aejθ。周期性信號的頻譜周期性信號f(t)的定義：它必須滿足下列條件：f(t)=f(t+T),

≤t≤

式中，T為周期。例：周期性矩形的波形和頻譜。周期性信號的頻譜是離散的。27非周期性信號的頻譜非周期性信號的頻譜是連續(xù)的。例：一段聲音波形及其連續(xù)頻譜：28圖2.4.6低音吉他空弦音符A（55Hz）發(fā)出的聲音的連續(xù)頻譜，橫軸是頻率（Hz）頻譜的單位離散頻譜：其每根譜線的頻率上都存在確定值的電壓，所以其縱坐標表示的是電壓（V）。連續(xù)頻譜：只有在一個頻率區(qū)間上才有確定的信號電壓值，其縱坐標是電壓密度（V/Hz），即每單位頻率范圍內的電壓值。其縱坐標值乘以頻率區(qū)間的寬度才是在這一頻率范圍內的信號電壓值。信號頻譜和信號傳輸的關系信號頻譜寬度（帶寬）必須不大于傳輸線路的傳輸帶寬。信號按其頻譜位置不同，可以區(qū)分為基帶信號和帶通信號。定量分析信號頻譜特性的數學工具：分析周期性模擬信號頻譜的數學工具是傅里葉級數。分析非周期性模擬信號頻譜的數學工具是傅里葉變換。分析非周期性數字信號頻譜的數學工具是Z變換。292.5無線電頻帶的劃分無線電波頻譜是電磁波頻譜的一部分，從3Hz到3000GHz（3THz）。在此范圍內的電磁波稱為無線電波。30電磁波譜頻帶是無線電通信頻譜的一小段，將不同類型的業(yè)務分配到不同的頻帶上以防止互相干擾。為了方便，ITU把無線電波頻譜劃分為12個頻帶，每個頻帶覆蓋10倍的頻率或波長范圍。每個頻帶有一個名稱。例如，高頻（HF）是指波長范圍從100米至10米，相當于頻率范圍從3MHz至30MHz。表2.5.1ITU無線電頻譜劃分表31頻帶名縮略詞ITU頻帶號頻率和波長范圍應用舉例低頻LF530～300kHz

10.0～1.0km導航，授時信號，調幅長波廣播（歐洲和部分亞洲），視頻識別，業(yè)余無線電中頻MF6300～3000kHz

1.0～0.1km調幅（中波）廣播，業(yè)余無線電，雪崩信標高頻HF73～30MHz

99.9～10.0m短波廣播，民用波段無線電通信，業(yè)余無線電和超視距航空通信，視頻識別，超視距雷達，船舶和移動電話甚高頻VHF830～300MHz

10.0～1.0m調頻廣播，電視廣播，視距地面與飛機和飛機間通信，地面移動通信和船舶移動通信，業(yè)余無線電，氣象無線電特高頻UHF9300～3000MHz

1.0～0.1m電視廣播，微波爐，微波設備/通信，無線電天文，移動電話，無線局域網，藍牙，衛(wèi)星定位，業(yè)余無線電，遙控2.6信道的概念通信系統的組成：發(fā)送設備、接收設備和信道。

信道是信號從發(fā)送設備傳輸到接收設備的通道。2.6.1有線信道架空明線對稱電纜同軸電纜光纜32光

纜同軸電纜對稱電纜2.6.2無線信道電磁波：無線信道利用電磁波在空間傳播來傳輸電信號的。為此在發(fā)送設備和接收設備中分別需要發(fā)送天線和接收天線來發(fā)射和接收無線電信號。線天線：由線狀金屬導體組成，當無線電信號的頻率不太高（大約1GHz以下）時使用。面天線：由饋源和反射面組成。當無線電信號的頻率很高時使用。無線信道應用場合：長距離傳輸：例如，移動通信。近距離傳輸：例如，主機和鍵盤間。33線天線面天線電磁波的傳播方式：除了在外層空間的電磁波基本上是在自由空間傳播外，總是受到地面和（或）大氣層等的影響。電磁波傳播可以分為地波、天波和直射波3種。地波傳播：頻率較低（大約2MHz以下）的電磁波，趨于

沿彎曲的地球表面?zhèn)鞑ィ幸?/p>

定的繞射能力。天波傳播：頻率較高（大約

在2～30MHz之間）的電磁波，

能夠被電離層反射。直射波：類似光波那樣做視線傳播。為了能增大其在地面上的傳播距離，

最簡單的辦法就是提升天線架設的

高度。34圖2.6.12高架天線電離層電離層位于地面上約60～400km之間。它是因太陽的紫外線和宇宙射線輻射使大氣電離的結果。電磁波經過電離層的一次反射最大可以達到約4000km的距離。經過多次反射，可以傳播10000km以上。衛(wèi)星信道利用人造地球衛(wèi)星將地面發(fā)送設備的發(fā)

送信號轉發(fā)到地面接收設備的信道稱為

衛(wèi)星信道。在距地面35,800km的赤道平面上，衛(wèi)星圍繞地球轉動一周的時間和地球自轉周期相等，從地面上看衛(wèi)星好像靜止不動；這種衛(wèi)星稱作靜止衛(wèi)星。利用3顆這樣的靜止衛(wèi)星作為轉發(fā)站就能覆蓋全球，保證全球通信。當衛(wèi)星與地面的距離較小時，衛(wèi)星轉動周期小于地球自轉周期，這時需要多顆衛(wèi)星，使至少有一顆作為轉發(fā)站的衛(wèi)星，才能保證地面兩點間的不間斷通信。35

靜止衛(wèi)星散射信道：有電離層散射、對流層散射和流星余跡散射三類。電離層散射：產生于電離層不均勻性的亂散射現象。接收點散射信號的強度比反射信號的強度要小得多。電離層散射現象發(fā)生在30～60MHz間的電磁波上。對流層散射：對流層是指從地面至高約10km間的大氣層。由于對流層中的大氣不均勻性產生的。流星余跡散射：流星經過大

氣層時在大氣中產生的很強

的電離余跡，使電磁波散射

的現象。一條流星余跡的存

留時間在十分之幾秒到幾分

鐘之間，所以，流星余跡散

射通信只能用突發(fā)的斷續(xù)方

式傳輸數據。36流星余跡散射對流層散射鏈路通常在發(fā)送設備和接收設備之間可能需要經過多段有線或無線傳輸通道的連接，可能還要經過交換設備的轉接。每一段傳輸通道稱為一條鏈路。鏈路是定義在一定的頻域和空域的，它占用給定的頻帶和物理空間，并且中間沒有任何交換設備。372.6.3單工、雙工和半雙工信道

單工信道指只支持信號在一個方向上傳輸的信道。

雙工信道又稱全雙工信道，是指能同時進行雙向信號傳輸的信道。

半雙工信道允許通信雙方之間信號能夠雙向傳輸，但不能同時進行傳輸。382.6.4信道的帶寬信道能夠傳輸的最高頻率和最低頻率之差就是信道的帶寬。信道帶寬基本由通信設備的性能決定。例如，普通模擬電話信道的頻帶為300~3400Hz，所以其帶寬為3100Hz。這一帶寬主要由電話機中的帶通濾波器決定。信道帶寬的單位是頻率的單位赫茲（Hz）。在互聯網被廣泛應用的情況下，通常把網絡傳輸速率說成是網絡的帶寬。例如，網絡運營商說200M寬帶光纖，說的是200Mb/s傳輸速率。在討論信號傳輸時，常用的傳輸速率單位是比特/秒（b/s），而在計算機領域中常用的下載速度單位是字節(jié)/秒（B/s）。1字節(jié)（B）等于8比特（b），而且通常是把1024kb稱做1Mb，所以1Mb/s=1024kb/s=128kB/s。這就是說，1M帶寬可以每秒傳輸128kB的數據。392.7信道特性對信號傳輸的影響2.7.1恒參信道：參量恒定的信道，其特性變化很小、

很慢，可以認為其參量恒定。振幅特性：又稱幅頻特性。它表示信號各個頻率分量的振幅A(f)，和頻率的關系。無失真?zhèn)鬏斠笮诺赖恼穹匦栽谛盘栴l譜范圍內與頻率無關，即其振幅~頻率曲線是一條水平直線。40A(f)幅頻特性曲線實例A(f)相位特性：又稱相頻特性信號的各個頻率分量的相位

改變和頻率f的關系。若信道的相頻特性（

~

f）曲線是一條直線，則信號波形不會因此產生失真。例：假設信道的輸入信號si(t)由兩個

不同頻率的正弦波組成，即：

si(t)=sin

1t+sin

2t若經過信道傳輸，這兩個不同頻率的正弦波受到相同的

秒延遲，則信道輸出波形沒有失真，因為這兩個正弦波的相對“位置”保持不變。這時，信道輸出信號為：so(t)=sin

1(t-

)+sin

2(t-

)

=sin(

1t-

1

)+sin(

2t-

2

)=sin(

1t-

1)+sin(

2t-

2)

式中,

1=

1

，

=

1/

1；

2=

2

，

=

2/

2于是得到：

1/

1=

2/

2，要求相位的變化

和頻率f成正比，即要求

-

f曲線成直線關系。圖中的虛直線是理想無相位失真曲線。41相頻特性曲線實例

碼間串擾：指一個碼元經過信道傳輸，因其波形畸變而導致其寬度擴展，與相鄰的碼元重疊。若信道的振幅特性不理想，失真會使信號的波形產生畸變。使數字信號產生碼間串擾。使模擬信號（例如語音）也產生失真。若信道的相位特性不理想，信號產生的相位失真同樣使數字信號產生碼間串擾，但是對模擬語音信號則不然，因為人耳對于聲音波形的相位失真不敏感。42圖2.7.4碼間串擾

43非線性特性曲線442.7.2變參信道：是參量隨時間而變的信道。變參信道舉例：依靠天波和地波傳播的無線電信道。某些視距傳輸信道和各種散射信道。移動通信中，由于收發(fā)兩點間的傳輸路徑在變化。變參信道的共同特性：信號的傳輸衰減隨時間而變；信號的傳輸時延隨時間而變；信號經過幾條路徑到達接收端，即存在多徑傳播現象：多徑傳播使信號波形產生畸變，產生碼間串擾。當一個單一頻率fc的正弦波，經過變參信道傳輸后，接收信號波形的包絡有了起伏，頻率也有了擴展。這種現象稱為衰落。2.7.3信道中的干擾天然干擾：例如，雷電人為干擾：例如，電氣設備產生火花熱噪聲：電阻性元件因電子的熱運動（布朗運動）產生的。熱噪聲隨元件溫度升高而增大，并且分布在極寬的頻率范圍內。電子的隨機熱運動，產生的噪聲也是隨機的，見波形圖。有用信號功率和噪聲功率之比稱為信號噪聲功率比，簡稱信噪比，它是衡量接收信號質量的主要指標之一。45圖

布朗運動隨機熱噪聲波形簡稱噪聲2.8通信系統的質量指標在模擬通信系統中，傳輸質量的度量準則主要是輸出信號噪聲比，簡稱信噪比。在數字通信系統中，傳輸質量的度量準則主要是產生的錯誤概率。影響接收信號質量的主要原因，除了設備電路性能不良外，同樣重要的是干擾（噪聲）電壓。隨機干擾只能用概率論和隨機過程理論去分析解決。46噪聲的影響：（a）發(fā)送信號波形，（b）接收信號波形。2.9小

結47第3章

通信系統的主要技術3.1調制與解調調制的目的：搬移和變換信號的頻譜，以滿足或適應通信系統對信號頻譜的要求。在無線信道中，為了利用天線高效率地發(fā)射和接收電磁波，利用調制把基帶信號的頻譜搬移到更高的頻率范圍。例：右圖中(a)基帶信號，(b)載波，(c)已調信號。在接收端收到已調信號后，需要將其恢復成原調制信號，此恢復過程稱為解調。48圖振幅調制信號波形一個正弦載波有3個參量，即振幅、頻率和相位，模擬信源信號可以載荷在載波的振幅、頻率或相位上，得到：振幅調制(AM)、頻率調制(FM)、相位調制(PM)。在用數字信源信號調制時，這些調制分別稱為振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）和相位鍵控（PSK）。見下圖：49圖

數字調制波形調制的第二個目的：提高信道的傳輸能力。例：把信源的模擬語音信號利用調制將其頻譜搬移到不同的高頻段上，則一對導線就能傳輸多路語音信號。實際上，一對導線可以做到傳輸600路甚至更多路的電話信號。調制有多種類型。不同的調制具有不同的抗干擾能力，因此選用適合的調制類型以達到提高信號傳輸的抗干擾能力也是調制的目的之一50多路電話信號的復用3.2模擬信號數字化3.2.1常用的數字信號通信中最常用的數字信號是二進制數字信號：0和1通信中還會用到8進制和16進制等數字信號。下表中列出二進制、八進制和十進制數字的對應關系：16進制數字：加用拉丁字母，即用A,B,C,D,E,F分別表示十進制中的10,11,12,13,14,15。例如，十進制中的“90”，在十六進制中為“5A”。51十進制0123456789二進制0000000100100011010001010110011110001001八進制00010203040506071011十進制012345678910111213141516進制0123456789ABCDEF用不同電平表示數字信號用不同頻率表示數字信號多進制信號的好處是一個碼元含有多個比特的信息量。例如，一個四進制碼元含有2比特；一個八進制碼元含有3比特，用它去鍵控相位信號就產生8PSK信號。復合調制：同時利用振幅和相位的不同表示一個碼元，例如QAM、16QAM、64QAM等。52用不同頻率表示二進制信號的波形用不同電平表示數字信號QAM3.2.2模擬信號數字化過程數字化過程包括三個步驟：抽樣、量化和編碼。

抽樣：按照等間隔進行的，模擬信號被抽樣后，成為抽

樣信號，其取值仍然是連續(xù)的，所以是離散模擬

信號。當抽樣頻率足夠高時，從抽樣信

號可以恢復出原模擬信號。

量化：量化使抽樣信號變成量

化信號其取值是離散的，

成為多進制數字信號。

編碼：把多進制的數字信號變

成二進制信號。以上將模擬信號變?yōu)閿底中盘柕?/p>

三個步驟又稱為脈沖編碼調制

（PCM）。53以電話信號的數字化為例，信源輸出的電話信號是模擬信號，在數字化前先將其頻帶寬度用濾波器限制在300～3400Hz內，然后用重復頻率為8000Hz的脈沖抽樣，再對每個抽樣脈沖量化并編碼成8比特一組的二進制碼元。這樣數字化的結果，就把模擬電話信號變成了數字信號，其碼元速率等于8000

8=64kb/s。當抽樣頻率足夠高時，從抽樣信號可以無失真地恢復出原模擬信號。這就是說，若把抽樣當作一種變換，則這種變換是無失真的。但是數字化的第二步“量化”則是有失真的變換了。量化把連續(xù)量變成離散量，產生了誤差。在量化時劃分的量化區(qū)間越多，編碼時使用的二進制碼元數越多，產生的誤差越小，但是誤差總是存在的。若量化誤差足夠小，不影響信號的應用，則這樣的數字化是合理的和允許的。543.3

同

步3.3.1位同步在二進制數字通信中，接收端需要識別或判斷每個接收碼元是“0”還是“1”。為此，接收端需要知道每個碼元的起止時刻，以判斷接收碼元的值，即接收端需要有一個時鐘，它和發(fā)送端的時鐘保持同步運行。為此，在接收端就需要有一個電路能從接收信號中提取出同步信息，從而正確決定接收碼元的起止時刻，如圖3.3.1所示。這種同步稱為位同步或碼元同步。55時鐘脈沖3.3.2群同步在正確接收信號碼元后，必須在此信號碼元序列中正確分組加入特定的標志符號。例：設接收到“

1000100111

”。若這一串二進制數字代表圖3.3.2中的天氣消息，則不同的分組方法就會得到不同的天氣消息。若把它分組為“

1000100111

”，則解讀為“陰晴陰云雨”。若把它分組為“

1000100111

”（見圖

3.3.3），則解讀為“

1晴云晴雨1

”。因此必須在此序列中加入特定的標志符號。在接收端檢測此符號并由其產生群同步脈沖，用于正確地分組。群同步又稱字同步或幀同步。563.3.3載波同步和網同步在一般通信系統中，當接收端需要產生一個和發(fā)送端的載波同頻同相的正弦波用于解調時，就需要解決載波同步問題。在有多個用戶的通信網內，還有使網內各站點之間時鐘保持同步的網同步問題。573.4多路復用為了提高通信系統的容量，將多路獨立信號在一條鏈路上傳輸，稱之為多路復用。利用調制技術可以達到多路信號復用的目的。頻分多路復用（FDM）技術：利用不同頻帶傳輸不同用戶的信號。時分多路復用（TDM）技術：利用不同時間傳輸不同用戶的信號。除了上述2種復用，還有碼分復用（CDM）、空分復用（SDM）、極化復用（PDM）和波分復用（WDM）等。583.5多址接入多址接入和多路復用的區(qū)別：在多路復用中，用戶是固定接入的或者是半固定接入的，因此網絡資源是預先分配給各用戶共享的。多址接入時網絡資源通常是動態(tài)分配的，并且可以由用戶在遠端隨時提出共享要求。多址接入的優(yōu)點：可以充分利用頻帶和時間，使每條通路時時都有用戶在使用著。電話用戶并不是每時每刻都在打電話，也不是每時每刻都在說話，只有一半時間在說話。因此，多址接入能夠充分利用頻帶和時間。例如，為了使衛(wèi)星轉發(fā)器得到充分利用，按照用戶需求，將每個通路動態(tài)地分配給大量用戶，共享網絡資源。多址技術有多種，例如頻分多址、時分多址、碼分多址、空分多址、極化多址等。59

60

61

62

63

64

65663.6.3阿達瑪矩陣阿達瑪矩陣是一種方陣，僅由元素+1和－1構成，而且其各行和列是互相正交的，簡記為H矩陣。最低階的H矩陣是2階的，即

為了簡單，把上式中的＋1和－1簡寫為＋和－，上式變成階數為2的冪的高階矩陣可以從下列遞推關系得出式中，N

＝2m；

－直積。

67

直積是指將矩陣中的每一個元素用矩陣H2代替。例如：

HN/268H矩陣中各行（或列）是相互正交的，所以H矩陣是正交方陣。若把其中每一行看作是一個碼組，則這些碼組也是互相正交的，而整個H矩陣就是一種長為n的正交編碼，它包含n個碼組。因為長度為n的編碼共有2n個不同碼組，現在若只將這n個碼組作為準用碼組，其余(2n-n)個為禁用碼組，則可以將其多余度用來糾錯。這種編碼在糾錯編碼理論中稱為里德-繆勒碼。

693.6.4沃爾什函數和沃爾什矩陣沃爾什函數的定義：前8個沃爾什函數的波形示于圖3.6.2中。沃爾什函數滿足兩兩正交的條件?？梢杂闷潆x散的抽樣值表示成矩陣形式：應用：…703.7差錯控制和糾錯編碼基本原理對于二進制數字信號碼元，為了得知接收碼元是否正確，可以在發(fā)送碼元序列中增加冗余的碼元，利用這些冗余碼元去發(fā)現或糾正錯誤。最簡單的發(fā)現錯誤的方法之一就是把一組碼元重復發(fā)送一遍，比較這兩次收到的碼元，當對應位碼元不同時就認為該碼元發(fā)生了錯誤。例如，若原發(fā)送碼組為“11101”，實際發(fā)送兩遍“1110111101”；當接收到的碼組為“1110111001”時，就知道第3位碼元錯了，即發(fā)現錯誤了，但是仍不知道是原發(fā)送碼元“1”錯成為“0”了，還是原發(fā)送碼元“0”錯成為“1”了。若想能夠糾正錯誤，可以把碼組重復發(fā)送兩遍。例如，把待發(fā)送的碼組“11101”發(fā)送為“111011110111101”，在接收端若發(fā)現在對應位出現碼元不同，則可以按照“少數服從多數”的原則，判斷發(fā)送的正確碼元。71為了提高傳輸效率，可以利用數學方法，減少發(fā)送冗余碼元的數量。例如，采用奇偶監(jiān)督碼：把發(fā)送碼元分成包括相同數目碼元的碼組。在每個碼組中加入稱為監(jiān)督碼元a0的一個冗余碼元，它使監(jiān)督碼元加入后碼組中“1”的個數等于偶數（或奇數）。當接收碼組中“1”的個數不等于偶數（或奇數）時，就得知此碼組中出現了奇數個（1,3,5,…）錯碼，但是不能確定哪位碼元錯了，因而不能糾正錯誤。不過，在二進制通信系統中，若能確定錯碼的位置，就等于能夠糾錯了。當采用的編碼只能發(fā)現錯碼而不能糾正時，下一步的措施是，把錯碼刪除，或者通過反向信道要求發(fā)送端重發(fā)。在通信系統中采用的所有發(fā)現或糾正傳輸錯誤碼元的方法統稱為差錯控制技術。差錯控制技術可以分為以下4種。723.7.1檢錯重發(fā)（ARQ）在發(fā)送碼元序列中加入一些差錯控制碼元，然后發(fā)送到接收端，同時還把它暫存在緩沖存儲器中。接收端解碼器利用差錯控制碼元發(fā)現接收碼元中有錯碼，但是不能確定錯碼的位置。這時，接收端向發(fā)送端發(fā)送“錯誤接收”指令，要求發(fā)送端重發(fā)；重發(fā)控制器將緩沖存儲器暫存的碼組重發(fā)出去，直到接收端收到的序列中檢測不出錯碼為止。當沒有發(fā)現錯碼時，解碼器通知指令發(fā)生器發(fā)出“正確接收”指令，于是重發(fā)控制器通知信源發(fā)送下一組碼元。采用檢錯重發(fā)技術時，通信系統需要有雙向信道。733.7.2前向糾錯（FEC）接收端利用差錯控制碼元，不但能夠發(fā)現錯碼，還能確定錯碼的位置。在二進制碼元的情況下，能夠確定錯碼的位置，就相當于能夠糾正錯碼。3.7.3反饋校驗不需要在發(fā)送序列中加入差錯控制碼元。接收端將接收到的碼元發(fā)回發(fā)送端。在發(fā)送端將它和原發(fā)送碼元比較。若發(fā)現有不同，就認為接收有錯碼，發(fā)送端立即重發(fā)。3.7.4檢錯刪除在接收端發(fā)現錯碼后，立即將其刪除。這種方法只適用于發(fā)送碼元中有大量冗余，刪除部分接收碼元不影響應用。例如，在循環(huán)重復發(fā)送天氣預報。以上幾種技術可以結合使用。例如，檢錯重發(fā)技術和前向糾錯技術結合，即檢錯和糾錯結合使用。743.8信源壓縮編碼信源壓縮編碼的目的：減小信號的冗余度，提高信號的傳輸效率。信源壓縮方法分類

有損壓縮：容許在壓縮時信號產生少許失真。例如，在傳輸語音、圖像信號時，少許失真不會被人耳和眼睛察覺。

無損壓縮：用于對數據和文字等信號壓縮，不容許有任何錯誤。信源壓縮基本原理有損壓縮：利用信號的相關性。例如，在傳輸數字電話信號時，只傳輸相鄰脈沖值之差。由于此差值比脈沖值小很多，因此傳輸差值所需的二進制碼元數量就少。無損壓縮：例如，英文可以利用其字母出現的統計特性來壓縮。對于出現概率大的字母（E）采用短的編碼，對于出現概率小的字母用較長的編碼。753.9天線3.9.1線天線偶極子，又稱對稱振子。金屬棒：當波長較短時使用。金屬線：當波長較長時使用。折合振子：當波長較短時使用。鞭狀天線：常用在移動電臺上。八木天線用折合振子作為有源振子，并在其后增加一個無源反射器,在前面增加若干個無源引向器。因此它的方向性和增益得以增強。八木天線陣進一步提高了八木天線的性能。金屬棒對稱振子半波對稱振子折合振子鞭狀天線八木天線八木天線陣763.9.2面天線拋物面天線結構和原理基本結構包括主反射面、饋源和支架。原理：饋源位于拋物面的焦點，其發(fā)出的電磁波由反射面反射形成定向發(fā)射的電磁波。拋物面天線的類型金屬板拋物面天線網狀拋物面天線切割拋物面天線卡塞格倫天線拋物面天線結構拋物面天線原理金屬板拋物面天線網狀拋物面天線切割拋物面天線77

對稱振子方向圖天線方向圖3.10通信安全和保密編碼3.10.1密碼學通信安全的基礎－密碼學密碼編碼學密碼分析學為了通信安全，首先需要防止被破譯防止被攻擊－被偽造和篡改認證－為了防止信息的偽造和被篡改認證的目的：驗證信息發(fā)送者真?zhèn)悟炞C接收信息的完整性―是否被篡改了？是否被重復接收了？是否被拖延了？認證技術：包括消息認證、身份驗證和數字簽字。7879密碼編碼學內容：將消息加密的方法將已加密的消息解密的方法密碼學的基本術語明文－待加密的消息密文－加密的結果密碼－用于加密的數據變換集合密鑰－用于表示加密變換的參數密碼分析學內容：如何破譯密文和偽造密文。密碼種類：單密鑰密碼公共密鑰密碼：也稱為雙密鑰密碼3.10.2單密鑰密碼使用這種密碼的前提是發(fā)送者和接收者雙方都知道此密鑰，并且沒有其他人知道。單密鑰加密通信系統的原理方框圖密鑰Z－例：隨機序列加密算法－模2加法解密算法－仍是模2加法例：待發(fā)送明文為10101010密鑰為11110000實際發(fā)送的密文為10101010⊕11110000=01011010將接收到的密文與密鑰再次相加：得到：01011010⊕11110000=10101010，即得到了原發(fā)送的明文。803.10.3公鑰密碼單密鑰加密通信系統的缺點：在單密鑰加密通信系統中，用戶需使用一個安全信道（例如，快遞或掛號信）分配密鑰。此安全信道不總是安全的。當通信網很大時，分配密鑰的代價很大。公共密鑰密碼（簡稱公鑰密碼），又稱雙密鑰密碼密鑰分成兩部分：一個公開部分和一個秘密部分。公開部分：每個接受者的密碼的公開部分放在一本類似“電話簿”中，發(fā)送者用它對原始發(fā)送消息加密。秘密部分：每個接收者有自己密鑰的，不為人知。使用方法：發(fā)送者使用對方的公鑰對消息加密。加密的消息（即密文）只能由持有對應私鑰的用戶閱讀。公鑰密碼體制特別適用于大型的安全通信網絡中。813.10.4兩種簡單密碼替代密碼：明文的每個字符用一種固定的替代所代替；代替的字符仍為同一字符表中的字符；特定的替代規(guī)則由密鑰決定。若明文為

X=(x1,x2,x3,x4,…)

式中，x1,x2,x3,x4,…為相繼的字符，則變換后的密文為

Y=(y1,y2,y3,y4,…)=[f(x1),f(x2),f(x3),f(x4),…] 式中，f(

)是一個可逆函數。例：密文的字符表從此表中可以看到，第一個字符U替代A，第二個字符H替代B，等等。使用替代密碼可以得到混淆的密文。82圖3.10.2替代密碼置換密碼明文被分為具有固定周期d的組，對每組作同樣的交換。特定的交換規(guī)則是由密鑰決定的。若周期d＝4，交換規(guī)則為 則明文中的字符x將從位置1移至密文中的位置4。一般而言，明文

X=(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,…)將變換成密文

Y=(x3,x4,x2,x1,x7,x8,x6,x5,…) 雖然密文Y中單個字符的統計特性和明文X中的一樣，但是高階統計特性卻改變了。將簡單的替代和置換做交織，并重復多次，就能得到保密性極強的密碼。83明文字符x1

x2

x3

x4密文字符x3

x4x2x1圖3.10.3置換密碼【例3.10.1】設明文消息為THEAPPLESAREGOOD使用圖3.10.2中的交換字符表作為替代密碼，則此明文將變換為如下密文：IYCUWWKCZUOCVRRA假設下一步我們將圖3.10.3中的置換規(guī)則用于置換密碼，則從替代密碼得到的密文將進一步變換成CUYIKCWWOCUZRARV這樣，上面的密文和原來的明文相比，毫無共同之處。若將此結果用上述替代和置換交織方法重復多次，就可以得到保密性極強的密碼。843.10.5通信安全的重要性在半個多世紀前，通信保密主要在政府和軍事部門受到重視。例如：…..今日的信息社會，政府、軍隊、商業(yè)、金融、銀行、交通運輸、科研機構、工礦企業(yè)、農業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和學校等，都時時需要信息安全得到保證。任何個人也都已經離不開通信安全了。3.11小結85第4章

固定電信網4.1電信網的發(fā)展歷程有線電報網：因報文必須由專人翻譯，發(fā)展不大。電話網：簡稱固話網。規(guī)模遠比電報網大。模擬電話機：用戶到電話局的線路上傳輸的是模擬信號。電話局間：目前傳輸的都是數字信號。數字電話機：輸出的是數字語音信號，使全網都數字化了。數字電話機在我國采用很少。綜合業(yè)務數字網：其他的數字業(yè)務進入這種數字化電話網傳輸，形成綜合業(yè)務數字網。移動電話網：1980年代后，發(fā)展很快。發(fā)展方向：數據通信網、有線電視網、電信網，“三網合一”864.2

固定電話網4.2.1概述固定電話網組成：電話機（座機）、傳輸線路和交換設備。分類：專用交換電話網：為特定組織、集團內部專用。公共交換電話網：為公眾服務。（本節(jié)以公用交換電話網為例講述。）固定電話網的功能擴展：無繩電話在用戶和電話局之間用無線電路代替有線電路傳輸數據：調制解調器、不對稱數字用戶線路（ADSL）傳真機874.2.2公共交換電話網的結構本地電話網大城市電話網88長途電話網：二級結構894.2.3公共交換電話網的交換基本原理：雙向交換矩陣單向交換矩陣信令的種類信令

—控制交換機操作的一組數字信號。直流電脈沖信令：用撥號盤產生。90撥號脈沖波形雙音多頻（DTMF）信令：發(fā)送一位數字僅需0.08秒91步進制交換機利用選擇器（又稱尋線器）完成通話接續(xù)過程。最簡單的上升旋轉型選擇器有一個軸，軸的周圍有10層弧線，每層弧線含有10個接點。交換原理：當主呼用戶摘機后，用戶預選器的弧刷就一步一步轉動，直到接觸一個空閑接點停住，同時給主呼用戶送出撥號音，用戶聽到撥號音后開始撥號。此時預選器連接到了第一選組器，第一選組器按照用戶撥號的前兩位號碼，按照上述原理移動到相應的位置，并連接到第二選組器。第二選組器則按照用戶撥出的第三和第四位號碼，選擇停留在對應的位置。如此繼續(xù)下去，直到終接器，并將線路接到被呼叫用戶電話機為止。92縱橫制交換機原理：縱橫制接線器由縱線（入線）和橫線（出線）組成（圖4.2.15）。平時，縱線同橫線互相隔離，但在每個交叉點處有一組接點。根據需要使一組接點閉合，就能使某一縱線與某一橫線接通。10條縱線和10條橫線有100個交叉點，控制這100個交叉點處的接點組的閉合，最多能接通10個各自獨立的通路。93圖4.2.14縱橫制電話交換機圖4.2.15縱橫制接線器

信令的作用呼叫和通話過程舉例94程控交換機在交換設備中采用時分數字交換技術，構成數字程序控制交換機，簡稱程控交換機。若用戶線路輸入的是模擬信號，則先將其數字化，再進行交換。交換后，再經過數/模變換，變成模擬信號送回用戶。數字交換設備中，均采用時分復用PCM體制。只需將分配給各用戶的時隙位置搬移，即可達到交換的目的。自動交換機為空分交換，程控交換機為時分交換?？辗纸粨Q時刻保持連接直至通信結束。時分交換則不然。4.2.4公共交換電話網的業(yè)務公共交換電話網的用戶終端主要有：用戶的電話機用戶交換機非話業(yè)務設備：傳真機（發(fā)送圖片信號）和計算機（發(fā)出數據信號）等。954.3電話網中的非話業(yè)務4.3.1調制解調器—簡稱調解器功能：在模擬電話網中傳輸數字信號。原理：把數字信號“調制”為模擬信號，在300～3400Hz之間傳輸，在進入接收端計算機之前，再把模擬信號解調為數字信號。外置式調解器內置式調解器插卡式調解器96調解器的速率97調解器（標準）調

制比特率（kb/s）發(fā)布年份300波特調解器（V.21）FSK0.31962

600波特調解器（V.22）QPSK1.21980600波特調解器（V.22bis）QAM2.419841200波特調解器（Bell202）FSK1.21200波特調解器（V.26bis）PSK2.41600波特調解器（V.27ter）PSK4.82400波特調解器（V.32）QAM9.619842400波特調解器（V.32bis）Trellis14.419912400波特調解器（V.32terbo）Trellis19.219933200波特調解器（V.34）Trellis28.819943429波特調解器（V.34）Trellis33.619964.3.2寬帶調解器非對稱數字用戶線路（ADSL）調解器原理上行和下行帶寬不等（不對稱）用頻分復用技術把電話線路的傳輸帶寬分成語音、上行數據和下行數據3段傳輸的數據信號采用離散多音調制。用信號分離器將電話信號和ADSL數據信號分開。98ADSL調解器分離調解器ADSL調解器的連接ADSL采用離散多音（DMT）調制ADSL標準兩個標準：北美標準ANSIT1.413，ITU標準G.992.1。G.992.1，現常稱作G.dmt標準。下面僅介紹此標準。2008年發(fā)布的的新標準版本（ITUG.992.5AnnM）可以提供最高24Mb/s的下行速率，和3.3Mb/s的上行速率。DMT調制把ADSL信號劃分到以4.3125kHz的倍數為中心頻率的255個子載頻上。有224個下行子載頻和31個上行子載頻。4kHz以下頻段用于傳統電話信號。采用編碼正交頻分復用。994.4有線電視網4.4.1概述有線電視網是通過同軸電纜用射頻信號發(fā)送電視節(jié)目給付費用戶的系統。今天有線電視網已經升級到傳輸數字電視。有線電視電纜還可以用于調頻無線電節(jié)目、高速互聯網、電話業(yè)務以及其他非電視業(yè)務。最早在接收不到廣播電視信號的地區(qū)，在地勢好的地點架設天線接收廣播電視信號，用電纜將信號，送到一個社區(qū)的許多用戶。由于信號在經過電纜傳輸時有衰減，所以必須按一定的間隔放置放大器來增強信號。100有線電視網4.4.2工作原理傳統的模擬信號有線電視網中，送到用戶的信號是射頻信號，有些網裝有一個機頂盒用于管理收費。有線電視網的帶寬，可以同時傳輸60套以上模擬電視節(jié)目。數字電視網中，機頂盒輸出的數字電視信號是視頻信號。模擬電視信號轉換為數字信號，利用MPEG壓縮技術后，一路標準的6MHz模擬電視頻道可以傳輸多達10個頻道的數字視頻信號。數字技術還允許糾錯，有助于確保接收視頻信號質量?，F代的電纜系統常采用光纜-同軸電纜混合系統，即干線用光纖傳輸信號，社區(qū)內用同軸電纜將信號配送給用戶。目前有線電視網已經發(fā)展到光纜直接到戶，在用戶處把從光纖來的光信號變換回電信號，再送入電視機。1011999年國家廣播電影電視總局重新頒發(fā)了《有線電視廣播系統技術規(guī)范》（GY/T106－1999）。有線電視網最大的優(yōu)勢是頻帶寬。我國典型的有線電視網絡的帶寬是860MHz。如果全部網絡帶寬資源用于傳輸數據信號，可實現高達5Gb/s的速率！1024.4.3機頂盒—用于數字電視的機頂盒主要功能：信道信號解調、信源解碼、上行數據的調制編碼、顯示控制和加解擾。信道信號解調：包括QPSK、QAM、OFDM、VSB解調功能。解復用：把數據流分成視頻、音頻和數據。解壓縮編碼：

將收到的用MPEG2標準壓縮后的信號解壓。對上行數據調制和編碼：這是為了進行交互式工作。4.5小

結103第5章

移動通信網5.1概

述5.1.1移動通信的概念和分類移動通信的概念不僅是指通信對象可以移動，而且更重要的是要求通信對象可以在運動中通信。按照移動通信類型區(qū)分：移動電話、移動數據、移動多媒體通信、無線尋呼等。按照移動通信工作方式區(qū)分：單工、半雙工、雙工通信等。按照組網方式區(qū)分：專線、廣播網、集群網、自組織網、蜂窩網等。5.1.2移動通信的發(fā)展歷程無繩電話系統單信道接入系統：由一個基站和一部手機組成。第一代無繩電話（CT1）系統：由一個（或幾個）基站和多部手機組成。模擬體制第二代無繩電話（CT2）系統：數字體制

英國1987年CAI標準—用戶只能呼出，不能呼入。

歐洲1992年DECT標準—可以

雙向呼叫，并能傳輸數據。

第二代的缺點：不能漫游。第二代無繩電話系統無線尋呼系統是一種沒有話音的單向廣播式無線選呼系統。工作原理：由基站尋呼發(fā)射機，將主叫用戶的消息發(fā)送給被叫尋呼機。尋呼機收到呼叫時，就會振鈴、顯示向用戶傳遞的信息。若需要回電話，則必須找一個電話機回撥對方的電話機。對于只能呼出不能呼入的CT2用戶，恰好可以和尋呼機配合使用。第三種移動通信系統是無線集群通信系統。將簡單介紹。第四種移動通信系統是蜂窩網。將重點介紹。尋呼機收到尋呼時用固定電話回答5.2無線集群通信系統5.2.1無線集群通信的功能無線集群通信系統能把少量無線電信道集中起來，給大量無線電話用戶使用，達到自動共享少量無線電信道的目的。模擬集群網所能提供的容量曾因不能滿足用戶需求，一度衰落。在走向數字集群移動通信系統后，集群移動通信系統再次興旺起來。無線集群通信系統5.2.2無線集群通信的特點最大特點：話音通信采用一按即通方式接續(xù)，被叫用戶無需摘機即可接聽，并能支持群組呼叫等功能。以單工、半雙工為主，采用信道動態(tài)分配方式，并且用戶可以具有不同的優(yōu)先等級和特殊功能。能在2.5G蜂窩網上提供PoC（PTToverCellular）業(yè)務。PoC是一種雙向、即時、多方通信方式，允許用戶與一個或多個用戶進行通信。該業(yè)務類似移動對講業(yè)務——用戶按鍵與某個用戶通話或廣播到一個群組，接收方收聽到這個呼叫后，可以沒有任何動作，例如不應答這個呼叫，或者在聽到發(fā)送方呼叫之前，被通知并且必須接收該呼叫。在該初始呼叫完成后，其他參與者可以響應該呼叫消息。PoC通信是半雙工的，每次最多只能有一個人發(fā)言，其他人接聽。主要應用于非郵電系統的各個專業(yè)部門，例如軍隊、公安、消防、交通、防汛、電力、鐵道、金融等，作為調度使用。5.3地面基站蜂窩網5.3.0概述基本組成：移動交換中心電話交換中心有線鏈路從第一代至第四代的發(fā)展進步：第一代：模擬電話第二代：數字電話第三代：全球漫游、多媒體第四代：快速傳輸數據、高質量音頻和視頻信號第五代：傳輸速率更快、物聯網傳輸速率：2G網絡GSM體制CDMA體制下行速率384kb/s153kb/s上行速率118kb/s153kb/s3G網絡CDMA2000體制TD-SCDMA體制WCDMA體制下行速率3.1Mb/s2.8Mb/s14.4Mb/s上行速率1.8Mb/s2.2Mb/s5.76Mv/s4G網絡TD-LTE體制FDD-LTE體制下行速率100Mb/s150Mb/s上行速率50Mb/s40Mb/s5.3.1蜂窩網的小區(qū)劃分和頻率規(guī)劃小區(qū)劃分：地面按正6邊形劃分為小區(qū)，半徑

r約為10～30km。小區(qū)使用的頻率在一定距離外的小區(qū)可以重復使用。為了進一步增大用戶容量，可以：將小區(qū)再次劃分成微蜂窩。用扇區(qū)方法，采用定向天線分別覆蓋不同方向。正六邊形蜂窩結構頻率規(guī)劃：

a方案：4組頻率重復使用：

相鄰同頻基站的距離為：

b方案：7組頻率重復使用：

相鄰同頻基站的距離為：比較：a方案距離小，頻率多。b方案距離大，頻率少。5.3.2蜂窩網的組成基站：在每個小區(qū)中心建立的一個固定無線電臺。移動臺：車載電臺或手機。切換：移動臺運動到相鄰小區(qū)的過程稱為越區(qū)“切換”：

硬切換：瞬間立即轉換

軟切換：逐漸過渡漫游：移動臺在不同移動交換中心之間的運動。5.3.3蜂窩網的發(fā)展概況第一代蜂窩網基本性能：模擬調頻信號，7組頻率重復小區(qū)劃分。只能通話。缺點：模擬調制容易受到干擾，通話信號質量不很好。容易復制和克隆到另一個手機，被偷用電話號碼。各系統之間沒有公共接口。手機的體積、質量都很大。典型系統：美國AMPS系統，800MHz頻段。英國TACS系統，900MHz頻段。第二代蜂窩網（1）第二代蜂窩網標準兩種標準：歐洲GSM標準：采用頻分多址美國CDMA標準：采用碼分多址性能改進：數字調制、可以傳輸文字（短信）（2）GSM標準

工作頻段900MHz頻段1800MHz頻段頻道劃分頻道帶寬：200kHz每路模擬語音信號用8kKz的頻率采樣，幀長為125μs

，（=1/8000秒）時分多址（TDMA）：每個頻道的每幀時間劃分為8個時隙，分別給8個用戶使用。GSM-TDMA原理信道容量900MHz頻段共有174個頻道可用174個頻道分為9組時，每組中容納的頻道數等于：174/9=19.3頻道/組；174個頻道分為12組時，

每組中容納的頻道數等于：174/12=14.5頻道/組每個小區(qū)可以容納的同時通話的

信道數大約等于8

(15～20)=120～160兩端用戶在對話，因此可以同時通話的用戶數應該是2

（120～160）=240～320戶。在1800MHz頻段，還可以容納374個頻道，按照上述方案計算，

可以同時有496～656戶通話。最后得到，第二代GSM體制的小

區(qū)可以同時通話用戶數目共為：(240～320)+(496～656)=736～976戶GSM標準在我國的應用

我國第二代GSM蜂窩網于1995年開始建設，并于1998年開始建設1800MHz頻段的GSM蜂窩網。2G網絡雖然已經采用了數字傳輸體制，但是仍然以語音通信為主，且語音質量還不算很高；其數據傳輸速率僅有22.8kb/s，若加用不同的前向糾錯編碼（FEC），則其數據傳輸速率僅為14.5，12.6，3.6kb/s。因此，2G網絡很快做了若干改進，稱為2.5G；其數據傳輸速率可以達到384kb/s。第三代蜂窩網ITU于1996年提出了發(fā)展3G的IMT-2000計劃。IMT-2000計劃的總目標：全球化：能無縫隙地覆蓋全球，實現國際漫游個人化：實現大容量、高質量和保密的通信綜合化：能綜合各種業(yè)務，實現多媒體IMT-2000對傳輸速率的要求：在室內環(huán)境中：2Mb/s在城市環(huán)境中：384kb/s（最高移動速率可達120km/h）在各種環(huán)境中的最低速率：144kb/sIMT-2000的業(yè)務等級：會話類：延遲時間最小，容許誤碼，雙向業(yè)務對稱。數據流類：要求與上類類似，但其雙向業(yè)務極不對稱。交互類：請求-應答型數據交換業(yè)務。要求透明傳輸。后臺類：對延遲時間不太敏感，不需要透明地傳輸。ITU推薦的3種3G標準：歐洲提出的WCDMA美國提出的CDMA2000中國提出的TD-SCDMA第四代蜂窩網ITU-R對4G的要求：必須基于全IP分組交換網絡。高速移動時，速率100Mb/s，低速移動時，1Gb/s。能夠動態(tài)地共享網絡資源。信道帶寬可以在5～20MHz間調整，也可以調整到高達40MHz。下行的頻譜利用率峰值達到15b/s/Hz，上行的頻譜利用率峰值達到6.75b/s/Hz在室內，系統頻譜利用率下行達到3b/s/Hz/cell，上行達到2.25b/s/Hz/cell。在異構網絡間能平滑切換。4G網絡的標準：兩種國際建議：FDD-LTE和TD-LTELTE是“LongTermEvolution（長期演進技術）”LTE的特點：在20MHz帶寬下能夠提供下行100Mb/s與上行50Mb/s的峰值速率大大地提高了小區(qū)的容量網絡延遲大大降低基站天線的波束更窄2013年12月我國工業(yè)和信息化部向有關通信公司正式發(fā)放了TD-LTE體制的4G業(yè)務牌照，這標志著我國開始進入了4G時代。第五代蜂窩網目前還沒有完整的5G標準可用。下一代移動網絡聯盟規(guī)定了5G標準應當滿足的要求：①為數千用戶提供數十Mb/s的數據率。②在大城市區(qū)域，數據率達到100Mb/s。③為同一樓層辦公室的眾多工作人員同時提供1Gb/s的數據率。④能夠同時連接數十萬個無線傳感器。⑤頻譜利用率比4G大為提高。⑥覆蓋范圍增大。⑦信令傳輸效率提高。⑧延遲時間比LTE大為減小。5G的性能：速度將比4G快數百倍，整部超高清晰度電影可在1秒之內下載完成。5G將滲透到各個領域，使萬物互連，與工業(yè)設施、醫(yī)療設施等深度融合。5G的研究進展和應用2015年10月，ITU-R正式確定了5G的法定名稱是“IMT-2020”2017年12月，國際標準組織3GPP正式發(fā)布5G新空中接口(NR，簡稱空口)首發(fā)版本。（空口指移動終端到基站之間的連接協議）3GPP已正式宣布了“5G”的官方標識目前，中國的5G發(fā)展處于全球的領先位置。第五代半（5.5G）蜂窩網5.5G即5G-A移動通信技術，是增強版5G。5.5G技術在時延、帶寬、速率、可靠性等關鍵指標上介于5G和6G之間，能帶來多至10倍網絡能力的提升。按照3GPP定義，5G到6G間共存在R15到R20六個技術標準。R15到R17作為5G標準的第一階段，R18到R20作為5G標準的第二階段。從R18開始，被視為5G的演進，命名為5G-A，即5.5G。預計5.5G仍然將會有3個版本：R18-R20。第六代（6G）蜂窩網2019年3月，全球首屆6G峰會在芬蘭舉辦，明確6G發(fā)展的基本方向，給出了衡量6G技術的幾個關鍵指標如下：峰值傳輸速度達到100Gb/s-1Tb/s，而5G僅為10Gb/s；室內定位精度10厘米，室外1米，相比5G提高10倍；通信時延0.1ms，是5G的十分之一；高可靠性，中斷幾率小于百萬分之一；高密度，連接設備密度達到每立方米過百個；此外，6G將采用太赫茲頻段通信，網絡容量大幅提升。目前全球6G發(fā)展正在從概念形成走向技術突破階段，6G的標準化制定時間會在2025年，預計商用時間將在2030年左右。手機的發(fā)展從2G時代開始，手機的體積、重量都在逐步減小。從3G開始出現智能手機，它是掌上電腦演變而來的。智能手機誕生于1993年，其特點有：（1）具有無線接入互聯網的功能：包括能夠直接接入WLAN。（2）具有PDA功能：包括記事、安排日程、多媒體和瀏覽網頁等。（3）具有開放性的操作系統：可以安裝更多的應用程序。（4）人性化：可以實時地擴展內置功能，以及升級軟件。（5）功能多樣：具有照相機、指南針、手電筒、計步器、鏡子等功能，以及自動旋轉屏幕、自動調節(jié)屏幕亮度等功能。5.4衛(wèi)星基站蜂窩網5.4.1早期的衛(wèi)星基站蜂窩網“銥”系統公用分布在6個軌道平面上的66顆低軌道衛(wèi)星，。每個衛(wèi)星上設置一個基站，地面移動臺直接和某個衛(wèi)星上的基站建立無線鏈路。衛(wèi)星基站之間也有無線鏈路聯系。每個衛(wèi)星覆蓋地面一個小區(qū)，保證無縫隙覆蓋。至少有一個衛(wèi)星基站能和地面上的移動臺建立鏈路連接?！般灐毕到y基站的覆蓋范圍在衛(wèi)星基站蜂窩網