信息的傳輸與通信技術(shù) 課件 第4、5章 綜合應(yīng)用、未來通信

現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries信息的傳輸與通信技術(shù)信息的傳輸與通信技術(shù)簡(jiǎn)介

《現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書》共分為四本，其內(nèi)容按照信號(hào)傳輸?shù)逆湕l編寫：

傳感器

調(diào)制與解調(diào)

信息的傳輸與通信技術(shù)

智能控制技術(shù)的應(yīng)用

本書系統(tǒng)地對(duì)信息傳輸與現(xiàn)代通信技術(shù)的密切關(guān)系、通信技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史，現(xiàn)代通信技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了介紹；

簡(jiǎn)述了世界通用的有線通信的載波技術(shù)、無線通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各類通信系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)、不足及適用領(lǐng)域。信息的傳輸與通信技術(shù)簡(jiǎn)介

本書還對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)的“高速公路”，即光導(dǎo)纖維通信、５Ｇ通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)，以及近距離小容量的通信手段———無線保真（ＷｉＦｉ）、藍(lán)牙和可見光通信技術(shù)進(jìn)行原理、功能及應(yīng)用的闡述。

對(duì)未來的通信技術(shù)，即量子通信技術(shù)的概況進(jìn)行介紹，并預(yù)測(cè)量子通信技術(shù)將在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信傳輸技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等方面應(yīng)用的可期待前景。

本書可作為大專院?；蚋叩仍盒Ｖ悄芸刂祁愊嚓P(guān)專業(yè)的參考書籍，也可供從事智能控制信息的傳輸方面的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用領(lǐng)域工作的工程技術(shù)人員作為參考資料。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

自動(dòng)控制、智能控制、智慧控制是相對(duì)ＡＩ控制技術(shù)的普遍話題。在當(dāng)今的生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有重要的作用。

在控制技術(shù)中離不開將甲地的信息傳送到乙地，以便遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)（遙測(cè)）、視頻顯示和數(shù)據(jù)記錄（遙信）、狀況或數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)（遙調(diào)）和智能控制（遙控），統(tǒng)稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現(xiàn)象、過程或系統(tǒng)所固有的。信息本身不是物質(zhì)，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質(zhì)和能量。

而信號(hào)則是信息的某種表現(xiàn)形式，是傳輸信息的載體。信號(hào)是物理性的，并且隨時(shí)間而變化，這是信號(hào)的本質(zhì)所在。

在無線電通信中，電磁波信號(hào)承載著各種各樣的信息。所以信號(hào)是有能量的物質(zhì)，它描述了物理量的變化過程，在數(shù)學(xué)上，信號(hào)可以表示為關(guān)于一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)，也可以表示隨時(shí)間或空間變化的圖形。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

實(shí)際的信號(hào)中往往包含著多種信息成分，其中有些是我們關(guān)心的有用信息，有些是我們不關(guān)心的噪聲或冗余信息。傳感器的作用就是把未知的被測(cè)信息轉(zhuǎn)化為可觀察的信號(hào)，提取所研究對(duì)象的有關(guān)信息，將原始信息轉(zhuǎn)換成信號(hào)。將有效信息轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)男盘?hào)，或?qū)⑿盘?hào)放大，或?qū)⑤^低頻率的原始信息“調(diào)制”到較高頻率的信號(hào)；滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?，或?qū)⒃寄M信息處理為數(shù)字信號(hào)等。這就是智能控制發(fā)送部分的“職責(zé)”———信息的收集與調(diào)制。然后，將調(diào)制后的信號(hào)置于所選取的傳輸通道上進(jìn)行傳輸，使調(diào)制后的信號(hào)傳輸至信宿端———乙地在乙地接收到經(jīng)傳輸線路傳送來的信號(hào)后，然后進(jìn)行調(diào)制器的反向操作“解調(diào)”。即將高頻信號(hào)或數(shù)字信號(hào)還原成原始信息。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

原始信息通過揚(yáng)聲器器（還原的音Ⅳ頻信號(hào)）、顯示器（還原的圖像或視頻信號(hào)）、打（還原的計(jì)算結(jié)果）或進(jìn)行力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等轉(zhuǎn)換，對(duì)原始信息控制目的物進(jìn)行作用，從而達(dá)到智能控制的目的。本套叢書就是對(duì)智能控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的一些關(guān)鍵技術(shù)的原理、特性、基本計(jì)算公式和方法、基本結(jié)構(gòu)的組成、各個(gè)部分參數(shù)的選取，以及主要應(yīng)用場(chǎng)合及其優(yōu)勢(shì)和不足等問題進(jìn)行討論和分析。本套叢書則沿著“有效信息的取得”、“有效信息的調(diào)制”、“調(diào)制信號(hào)的傳輸“、“調(diào)制信號(hào)的解調(diào)”以及“智能控制系統(tǒng)的舉例應(yīng)用”這一線索展開，對(duì)比較典型的智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用于實(shí)踐的設(shè)計(jì)計(jì)算及控制的邏輯關(guān)系進(jìn)行舉例論述。本套叢書雖然經(jīng)歷了十多年的知識(shí)積累，但仍然覺得時(shí)間倉促，加之水平有限，錯(cuò)誤與疏漏之處在所難免，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。編撰者

蘇遵惠

信息的傳輸與通信技術(shù)

叢書序

前言第一章簡(jiǎn)說通信技術(shù)與信息傳輸?shù)谌?jié)現(xiàn)代通信技術(shù)特點(diǎn)第五節(jié)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展第二章世界通用的通信技術(shù)

第二節(jié)有線通信的載波通信技術(shù)

第三節(jié)微波接力通信和衛(wèi)星微波

通信第三章通信技術(shù)的“高速公路”第一節(jié)通信技術(shù)的“高速公路”

概述

第二節(jié)無線通信的第五代移動(dòng)通信技術(shù)——５Ｇ第三節(jié)近距離小容量無線通信技術(shù)——無線保真通信、藍(lán)牙通信、可見光通信第四節(jié)有線通信的光導(dǎo)纖維通信技術(shù)

第四章通信技術(shù)的綜合應(yīng)用———脈沖碼編調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)第五章未來的量子通信技術(shù)

第一節(jié)量子通信技術(shù)

第二節(jié)量子計(jì)算機(jī)的工作原理附錄附錄Ａ名詞術(shù)語及解釋附錄Ｂ相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)重點(diǎn)目錄

信息的傳輸與通信技術(shù)正文

第四章通信技術(shù)的綜合應(yīng)用——多通道反向脈沖編碼調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第一節(jié)脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)解析

第二節(jié)脈沖編碼調(diào)制概述

第三節(jié)脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

第四節(jié)可見光信號(hào)的發(fā)射與接收

第五節(jié)信號(hào)解調(diào)器

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)解析

一、模擬信號(hào)相位調(diào)制的量化

（一）量化的定義

所謂量化就是將從模擬信號(hào)中獲取的采樣信號(hào)的幅度離散化的過程。

（二）信號(hào)量化的必要性

信號(hào)在傳輸之前，必須將信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合傳輸線路傳輸?shù)男畔⒏袷剑磳?duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

歸一量化是因?yàn)槟M信號(hào)的連續(xù)性，但只能對(duì)采樣的PAM信號(hào)采取“四舍五入”的方法，將非整值信號(hào)舍入為整值信號(hào)，以便用有限的碼位將PAM數(shù)字化。其編碼過程即為模數(shù)轉(zhuǎn)換，見書本P129

圖4-1所示。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)解析

一、模擬信號(hào)相位調(diào)制的量化（三）脈沖編碼調(diào)制的步驟

1、采用低通濾波器濾去高于上限頻率（4KHz）的頻譜；

2、決定時(shí)鐘頻率：

f（時(shí)鐘頻率）≥T（每幀時(shí)鐘碼數(shù)）×２fmax（２倍最高頻率）

＝[N×D×B]×２fmax3、進(jìn)行脈沖編碼調(diào)制，即模數(shù)轉(zhuǎn)換,得到調(diào)制為PCM信號(hào)。

分為不歸零碼調(diào)制和歸零碼調(diào)制。

編碼步驟見圖4-1所示。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)解析

一、模擬

信號(hào)

相位

調(diào)制

的

量化圖4-1編碼步驟圖

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)解析

一、模擬信號(hào)相位調(diào)制的量化

（四）均勻量化與非均勻量化

1、信號(hào)的采樣

2、量化誤差

3、均勻量化：直接按照電平大小量化。其量化信噪比隨著

量化電平數(shù)M的增加而提高;4、非均勻量化：高電平壓縮量化，低電平擴(kuò)展量化。其量

化信噪比大小信號(hào)基本一致；A律和μ律壓擴(kuò)特性

公式見下：

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)解析

一、模擬信號(hào)相位調(diào)制的量化——均勻量化和非均勻量化語音信號(hào)電平分布示意圖PAM信號(hào)壓擴(kuò)前后脈幅示意圖PAM信號(hào)壓擴(kuò)A律13折線原理圖

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)解析

二、壓縮擴(kuò)展特性

（一）A律13折線的壓擴(kuò)特性

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)解析

二、壓縮擴(kuò)展特性

（二）μ律15折線的壓擴(kuò)特性

圖4-11μ律15折線壓擴(kuò)特性曲線圖圖4-12μ律15折線量化信噪比曲線圖

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)解析

二、壓縮擴(kuò)展特性

（三）μ律15折線與A律13折線的壓擴(kuò)特性比較

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)解析

二、壓縮擴(kuò)展特性

（三）μ律15折線與A律13折線的壓擴(kuò)特性比較

圖4-15μ律15折線和A律13折線量化信噪比比較曲線圖

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

脈沖編碼調(diào)制概述

一、脈沖編碼調(diào)制的發(fā)展概況

脈沖編碼調(diào)制(PulseCodeModulation,PCM)，簡(jiǎn)稱“脈碼調(diào)制”。是由A.里弗斯于1937年提出的一種調(diào)制方式。

60年代它開始應(yīng)用于市內(nèi)電話網(wǎng)以擴(kuò)充容量，使已有音頻電纜的傳輸容量擴(kuò)大24～48倍。

70年代中、末期各國相繼把脈碼調(diào)制應(yīng)用于同軸電纜通信、微波接力通信、衛(wèi)星通信和光纖通信等中、大容量傳輸系統(tǒng)。

80年代初脈沖編碼調(diào)制已用于市話中繼傳輸和大容量干線傳輸以及數(shù)字程控交換機(jī)，并在用戶話機(jī)中采用。

至今已用于多種業(yè)務(wù)，可提供從2M到155M速率的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)專線，提供話音、圖象傳送,遠(yuǎn)程教學(xué)等業(yè)務(wù)。特別適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高、更高帶寬的使用。

70年代末應(yīng)用于CD，80年代初脈碼調(diào)制的音頻格式也被DVD-A所采用，它支持立體聲和5.1環(huán)繞聲，1999年由DVD討論會(huì)發(fā)布和推出。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

脈沖編碼調(diào)制概述

二、脈沖編碼調(diào)制的基本原理

（一）采樣

是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)，即脈幅調(diào)制信號(hào)PAM。

（二）量化

因模擬信號(hào)的幅度值是連續(xù)的、量值無窮多，而量化值是有限級(jí)別，需將抽樣得到的PAM調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)抽樣值用最接近的電平值來表示，現(xiàn)在一般方法是采用1024等級(jí)規(guī)定的電平值量化原信息的抽樣值。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

脈沖編碼調(diào)制概述

二、脈沖編碼調(diào)制的基本原理

（三）量化誤差

量化后的信號(hào)和抽樣信號(hào)的差值即為量化誤差。其在接收端表現(xiàn)為噪聲，稱為量化噪聲。

為平衡量化噪聲與碼位數(shù)的關(guān)系，通常采用非線性量化，也稱為“非均勻量化”的方法。

（四）編碼

是用一組二進(jìn)制碼來表示每一個(gè)固定電平的量化值。實(shí)際上量化是在編碼過程中同時(shí)完成的，故編碼過程也稱為模/數(shù)變換調(diào)制，可記作A/D。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

脈沖編碼調(diào)制概述

三、脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的特點(diǎn)

1、脈碼調(diào)制系統(tǒng)采用數(shù)字脈沖來傳輸信息，傳送的是"1"或"0"，即脈沖的"有"或"無",所以在傳輸線路中抗干擾性強(qiáng)。2、進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，采用信號(hào)再生中繼方式，每隔一定距離就再生出"干凈"的脈沖向下一站繼續(xù)傳送，其信號(hào)的失真不積累3、脈碼在制式確定后，可采用定型的集成電路進(jìn)行信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換,設(shè)備體積小、重量輕、功耗小。4、脈碼調(diào)制設(shè)備傳送的是數(shù)字信號(hào)，便于信號(hào)的加密處理。5、脈碼調(diào)制的主要缺點(diǎn)是占用頻帶較寬。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

一、設(shè)計(jì)方案原理圖

1、RPCM—VLC/4FCH可見光通信系統(tǒng)方案方框圖，即反向脈沖編碼的4通道可見光通信系統(tǒng)方框圖見圖4-17所示。

2、RPCM—VLC/4FCH可見光通信系統(tǒng)方案詳細(xì)方框圖，即反向脈沖編碼的4通道可見光通信系統(tǒng)詳細(xì)方框圖見圖4-18所示。

圖4-17反向脈沖編碼的4通道可見光通信系統(tǒng)方框圖圖4-18反向脈沖編碼的4通道可見光通信系統(tǒng)詳細(xì)方框圖(見下頁)

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

一、設(shè)計(jì)方案原理圖(詳見P148圖4-18)

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

二、設(shè)計(jì)方案功能概述

1、系統(tǒng)命名：反向脈沖編碼的4通道可見光通信系統(tǒng)；

2、系統(tǒng)型號(hào)：RPCM—VLC/4FCH

3、通信通道：4通道，雙向通信；

4、復(fù)用編碼方式：時(shí)間分割，多路復(fù)用；

5、壓擴(kuò)方式：采用數(shù)字壓擴(kuò)；壓擴(kuò)律：13折線近似，壓擴(kuò)率：A=87.6；

6、每通道代碼組成：8bt/CH,

其中：D1——通/斷信號(hào)碼

D2——信息極性碼

D3—D8——信息幅度碼；

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

二、設(shè)計(jì)方案功能概述

7、信息幀同步方式：每4通道結(jié)束（1幀）后增加1位D9作為同步碼，同步碼以規(guī)律為每幀“1-0-1-0........”方式傳輸，連續(xù)檢出，一比特移位，具有前、后方保護(hù)時(shí)間；

8、信道碼：四通道信道碼分別用：CH1,CH2,CH3,CH4表示；

9、信道終端形式：二線制信道接口或四線制信道接口；

10、輸出碼型：正向二進(jìn)制碼，與取樣PAM脈幅反向編碼（即大信號(hào)為“0”碼，小信號(hào)為“1”碼）；

11、輸出信息編碼脈沖碼型占空比：50%的歸零碼；

12、輸出脈沖幅度：不超過LED燈具所需幅度（V0-P,orI0-P）的5%，一般采用3—5V；

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

三、設(shè)計(jì)方案技術(shù)指標(biāo)擬定

1、每通道可傳輸信息帶寬：B≥6.5MHz(電視的帶寬)，故信息通道可傳輸語音、圖片及視頻信號(hào);

2、每通道取樣頻率：13MHz;

3、時(shí)鐘頻率：429MBt/S[(4*8+1)*13Bt/S=429MBt/S];

4、頻率響應(yīng)：0dB輸入電平,增益?zhèn)龋?/10以內(nèi),衰減側(cè)：2/5以內(nèi)；

5、輸入/輸出阻抗：二線制600Ω，平衡反射系數(shù)≤±10%；

6、轉(zhuǎn)接點(diǎn)電平：輸入標(biāo)準(zhǔn)電平：As=0dB,

輸入最高電平：Amax=+3dB;

輸出標(biāo)準(zhǔn)電平：As=-4dB,

輸出最高電平：Amax=0dB;

7、凈衰耗：4dB;

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

三、設(shè)計(jì)方案技術(shù)指標(biāo)擬定

8、凈衰耗電平特性：凈衰耗波動(dòng)值：Abd≤±1dB

(條件：以0dB為參數(shù)，在輸入+3dB～-37dB范圍內(nèi))；

9、傳輸距離：有線部分傳輸距離：Dw不小于500m,

無線部分傳輸距離：Freeair不小于2.0m；

10、信噪比：RSN≥23dB(條件：在輸入+3dB～-37dB范圍內(nèi))；

11、背景噪聲：信道無信號(hào)時(shí)傳輸信道噪聲Ni≤-60dB(衡重)；

12、發(fā)信端/收信端信息防衛(wèi)度：Dsc≥57dB;

13、時(shí)鐘脈沖泄露最大值：Rcp≤-50dB(不衡重)；

14、非線性失真：2次、3次諧波衰耗：Ah≥34dB;

15、使用工作環(huán)境：電源：AC:50Hz,220V±10%,

DC:Vo(Io)±2%;

環(huán)境溫度：-10℃～+50℃；

環(huán)境相對(duì)濕度：Hr≤90%;

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

四、系統(tǒng)的工作原理（一）定時(shí)部分

本通信系統(tǒng)的定時(shí)部分由發(fā)送端定時(shí)部分和接收端定時(shí)部分組成。

發(fā)送端定時(shí)部分為“主動(dòng)式時(shí)鐘”系統(tǒng)；

接收端定時(shí)部分為“被動(dòng)式時(shí)鐘”系統(tǒng)，從接收的脈沖信息中

提取時(shí)鐘，以保證收端和發(fā)端同步。

1、發(fā)送端定時(shí)部分：發(fā)送端定時(shí)部分原理框圖如圖4-19所示。主頻率：（時(shí)鐘）晶體振蕩器產(chǎn)生通道脈沖：（路脈沖）CH1-CH4編碼脈沖：（位脈沖）D1-D8同步脈沖：

D9

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

四、系統(tǒng)的工作原理（一）定時(shí)部分

1、發(fā)送端定時(shí)部分：1）時(shí)鐘頻率的計(jì)算：

Fcp=[(4X8)+1]X13MBt/S=429MBt/S2、位脈沖的分配（參見圖4-19）每位PAM由8位（D1～D8）比特組成其中：D1——通/斷信號(hào)碼脈沖，信息通時(shí)為“0”，信息斷時(shí)為“1”；

D2——極性碼脈沖，當(dāng)PAM信息為正向時(shí)，輸出“0”碼，當(dāng)PAM信息為負(fù)向時(shí)，輸出“1”碼；

D3～D8——信息取樣PAM（脈幅調(diào)制）的幅度反向編碼。

D9——同步碼脈沖，每幀后插入1位同步碼“0”和“1”交替設(shè)置。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

四、系統(tǒng)的工作原理（一）定時(shí)部分

2、接收端定時(shí)部分：被動(dòng)式時(shí)鐘系統(tǒng)，從接收的脈沖信息中提取。接收端定時(shí)部分原理框圖如圖4-20所示。

通道脈沖（路脈沖）、編碼脈沖（位脈沖）、同步脈沖提取同發(fā)送端定時(shí)部分。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

四、系統(tǒng)的工作原理

（二）信號(hào)預(yù)處理部分：信號(hào)預(yù)處理部分是相對(duì)模擬信號(hào)調(diào)制為數(shù)字信號(hào)的過程而言的，該部分的原理框圖如圖4-21所示。

包括以下電路部分：1、差分電路2、模擬放大電路3、低通濾波器4、進(jìn)入PAM采樣

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

四、系統(tǒng)的工作原理

（三）信號(hào)調(diào)制部分:將預(yù)處理的PAM信號(hào)按照模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的要求，進(jìn)一步處理的電路。包括：

1、脈沖放大

PAM信號(hào)放大電路；

2、脈沖整流

將負(fù)極性PAM信號(hào)轉(zhuǎn)換為正極性PAM，并在D2碼中記憶其原極性；

3、二次取樣

得到更窄的PAM調(diào)幅脈沖，使其幅值為唯一性；

4、信號(hào)保持

將窄PAM信號(hào)展寬至D3—D8調(diào)制時(shí)隙的寬度；

5、信號(hào)調(diào)制

進(jìn)行PAM/RPCM調(diào)制；

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第三節(jié)

脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的功能

四、系統(tǒng)的工作原理

（三）信號(hào)調(diào)制部分:5、脈沖匯合

將RPCM與脈沖D1,D2及D9在信號(hào)匯合電路中匯合。

6、與時(shí)鐘脈沖對(duì)位

形成連續(xù)的、占空比為50%，等幅的RPCM脈沖群，送至載頻發(fā)射部分。

發(fā)送端信號(hào)調(diào)制部分原理框圖見圖4-22所示。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第四節(jié)

可見光信號(hào)的發(fā)射與接收

一、可見光信號(hào)載頻的發(fā)射

載頻部分的功能：

將調(diào)制編碼后的電脈沖信號(hào)裝載到LED的光中，

使電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。

其原理框圖如圖4-23所示。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第四節(jié)

可見光信號(hào)的發(fā)射與接收

一、可見光信號(hào)載頻的發(fā)射

（一）控制裝置的選取與要求

１、輸出電流（電壓）的穩(wěn)定性；

２、輸出電流（電壓）中的紋波限制；

３、控制系統(tǒng)的容抗和感抗的限制，（二）載頻LED的選取與要求

１、系統(tǒng)LED的中心波長具有一致性，λ＝λ0±１ｎｍ；

２、LED的發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)滿足其需要；

３、LED系統(tǒng)的電容值根據(jù)傳輸速率和傳輸距離有嚴(yán)格的要求；

４、防止多點(diǎn)效應(yīng)，避免LED的輻射死角。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第四節(jié)

可見光信號(hào)的發(fā)射與接收

一、可見光信號(hào)載頻的發(fā)射

（三）可見光載頻信息的發(fā)射

經(jīng)LED系統(tǒng)載頻的照通結(jié)合信號(hào)通過空氣進(jìn)行可見光輻射。

注意發(fā)送端與接收端之間的距離及光障礙物、傳輸介質(zhì)，可見光的有效發(fā)射距離與輻射立體角、主振頻率之間的關(guān)聯(lián)。

（四）可見光通信的脈沖編碼調(diào)制波形圖

用時(shí)鐘和模擬信號(hào)經(jīng)采樣、脈沖整流、二次采樣、信號(hào)保持和Ａ－Ｄ調(diào)制過程的波形參見本書

P157

圖4-24所示。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第四節(jié)

可見光信號(hào)的發(fā)射與接收

二、可見光信號(hào)的接收及光電信號(hào)轉(zhuǎn)換

數(shù)字光接收機(jī)一般包括光電探測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、判別器和解調(diào)器，其主要結(jié)構(gòu)方框圖圖4-25所示。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第四節(jié)

可見光信號(hào)的發(fā)射與接收

二、可見光信號(hào)的接收及光電信號(hào)轉(zhuǎn)換

（一）光電探測(cè)器（PIN）將光輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。

（二）RPCM信號(hào)前置放大器將經(jīng)過PIN檢測(cè)出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，達(dá)到可識(shí)別脈沖有、無的幅度和控制一定的占空比。

（三）RPCM信號(hào)主放大器

RPCM信號(hào)主放大器為后級(jí)脈沖放大器。對(duì)低電平小信號(hào)脈沖進(jìn)行脈幅放大，以達(dá)到判決器對(duì)“０”“１”信號(hào)進(jìn)行判決的電平。（四）信號(hào)均衡器對(duì)主放大器輸出脈沖波形進(jìn)行脈沖幅度、脈沖寬度、脈沖占空比等質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整，對(duì)時(shí)鐘脈沖的前沿和后沿進(jìn)行校正。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第五節(jié)

信號(hào)解調(diào)器——RPCM/PAM信號(hào)變換

信號(hào)解調(diào)器是信號(hào)調(diào)制器的逆變過程，即將接收到的數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)的過程。

本部分由脈沖判別器和信號(hào)解調(diào)器組成。

其原理圖如圖4-26所示。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第五節(jié)

信號(hào)解調(diào)器——RPCM/PAM信號(hào)變換

一、RPCM脈沖判別器

PCM脈沖判決器的工作是恢復(fù)數(shù)字信號(hào)，根據(jù)信號(hào)電平的大小判別出該信號(hào)是“１”bit還是“０”bit。在同步信號(hào)的引導(dǎo)下，將均衡器整形的脈沖與時(shí)鐘脈沖進(jìn)行“相與”，得到與時(shí)鐘脈沖同相位的信息脈沖列，送至解調(diào)器將脈沖列信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。

二、RPCM信號(hào)解調(diào)器

RPCM信號(hào)解調(diào)器完成解碼功能，完成信號(hào)從脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，具有調(diào)制器的反向功能。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第五節(jié)

信號(hào)解調(diào)器——RPCM/PAM信號(hào)變換

三、PAM信號(hào)的后處理

PAM信號(hào)的后處理包括：用Ｄ9進(jìn)行第一通道信息判定，利用通道脈沖（CH1、CH2、CH3、CH4）將各個(gè)信道的PAM信號(hào)“各行其道”進(jìn)入各個(gè)分電路系統(tǒng)。

PAM信號(hào)在各分路中經(jīng)濾波器、模擬信號(hào)放大，送入信號(hào)接收器終端，完成可見光通信的全過程，其原理框圖如圖4-29所示。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第五節(jié)

信號(hào)解調(diào)器——RPCM/PAM信號(hào)變換

三、PAM信號(hào)的后處理

1、PAM信號(hào)放大器

PAM信號(hào)是源信號(hào)的采樣代表信號(hào)，其幅度中既包含還原模擬信號(hào)的幅度信息，也包含還原后模擬信號(hào)的頻率信息。PAM信號(hào)放大器可視為既是脈沖放大器，又是模擬放大器。2、濾波器解調(diào)后的PAM信號(hào)中，主要是源信號(hào)的解調(diào)信息，但也可能包含外部高頻干擾信息和不規(guī)則波形中的高倍頻信息。所以，在濾波前必須將源信息頻率以上的高頻信息過濾掉，且通過濾波電路將PAM信號(hào)還原成連續(xù)的模擬信號(hào)。這就是接收部分濾波器（高頻濾波器）的作用。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第五節(jié)

信號(hào)解調(diào)器——RPCM/PAM信號(hào)變換

三、PAM信號(hào)的后處理

3、模擬信號(hào)放大器

模擬信號(hào)放大器是根據(jù)最后信息傳送至各個(gè)通道終端（音響、圖片文件接收器、視頻顯示器等）的距離和要求的電平，對(duì)模擬信號(hào)予以放大。

4、差分電路——模擬信號(hào)輸出

本部分前面已詳細(xì)敘述，此處不再贅述。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)

１、本系統(tǒng)采用RPCM調(diào)制／解調(diào)信息，通過可見光通信系統(tǒng)傳輸。

２、本系統(tǒng)適用于一套信息發(fā)送／接收主控系統(tǒng)，４路不同的信息接收／發(fā)送系統(tǒng)，適合上級(jí)向不同部門發(fā)送不同的信息，而各個(gè)部門可將信息上傳給上級(jí)的雙向信息傳輸方式。在４通道傳輸中共用部分占80％以上。

３、本系統(tǒng)可擴(kuò)展到更多通道，最好擴(kuò)展為８通道、１６通道等２的ｎ次方通道，便于定時(shí)部分處理。但必須注意相關(guān)元器件的頻率滿足設(shè)計(jì)要求，并考慮頻率與傳輸距離的要求。

４、按照國際標(biāo)準(zhǔn)PCM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)類型應(yīng)為：

Ｔ１型———基群32路，基頻2.048ＭＨｚ；

Ｅ１型———基群24路，基頻1.544ＭＨｚ。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文

第五章

未來的量子通信技術(shù)

現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries敬請(qǐng)繼續(xù)閱讀感謝各位聆

聽

！

現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries信息的傳輸與通信技術(shù)信息的傳輸與通信技術(shù)簡(jiǎn)介

《現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書》共分為四本，其內(nèi)容按照信號(hào)傳輸?shù)逆湕l編寫：

傳感器

調(diào)制與解調(diào)

信息的傳輸與通信技術(shù)

智能控制技術(shù)的應(yīng)用

本書系統(tǒng)地對(duì)信息傳輸與現(xiàn)代通信技術(shù)的密切關(guān)系、通信技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史，現(xiàn)代通信技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了介紹；

簡(jiǎn)述了世界通用的有線通信的載波技術(shù)、無線通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各類通信系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)、不足及適用領(lǐng)域。信息的傳輸與通信技術(shù)簡(jiǎn)介

本書還對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)的“高速公路”，即光導(dǎo)纖維通信、５Ｇ通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)，以及近距離小容量的通信手段———無線保真（ＷｉＦｉ）、藍(lán)牙和可見光通信技術(shù)進(jìn)行原理、功能及應(yīng)用的闡述。

對(duì)未來的通信技術(shù)，即量子通信技術(shù)的概況進(jìn)行介紹，并預(yù)測(cè)量子通信技術(shù)將在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信傳輸技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等方面應(yīng)用的可期待前景。

本書可作為大專院校或高等院校智能控制類相關(guān)專業(yè)的參考書籍，也可供從事智能控制信息的傳輸方面的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用領(lǐng)域工作的工程技術(shù)人員作為參考資料。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

自動(dòng)控制、智能控制、智慧控制是相對(duì)ＡＩ控制技術(shù)的普遍話題。在當(dāng)今的生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有重要的作用。

在控制技術(shù)中離不開將甲地的信息傳送到乙地，以便遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)（遙測(cè)）、視頻顯示和數(shù)據(jù)記錄（遙信）、狀況或數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)（遙調(diào)）和智能控制（遙控），統(tǒng)稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現(xiàn)象、過程或系統(tǒng)所固有的。信息本身不是物質(zhì)，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質(zhì)和能量。

而信號(hào)則是信息的某種表現(xiàn)形式，是傳輸信息的載體。信號(hào)是物理性的，并且隨時(shí)間而變化，這是信號(hào)的本質(zhì)所在。

在無線電通信中，電磁波信號(hào)承載著各種各樣的信息。所以信號(hào)是有能量的物質(zhì)，它描述了物理量的變化過程，在數(shù)學(xué)上，信號(hào)可以表示為關(guān)于一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)，也可以表示隨時(shí)間或空間變化的圖形。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

實(shí)際的信號(hào)中往往包含著多種信息成分，其中有些是我們關(guān)心的有用信息，有些是我們不關(guān)心的噪聲或冗余信息。傳感器的作用就是把未知的被測(cè)信息轉(zhuǎn)化為可觀察的信號(hào)，提取所研究對(duì)象的有關(guān)信息，將原始信息轉(zhuǎn)換成信號(hào)。將有效信息轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)男盘?hào)，或?qū)⑿盘?hào)放大，或?qū)⑤^低頻率的原始信息“調(diào)制”到較高頻率的信號(hào)；滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?，或?qū)⒃寄M信息處理為數(shù)字信號(hào)等。這就是智能控制發(fā)送部分的“職責(zé)”———信息的收集與調(diào)制。然后，將調(diào)制后的信號(hào)置于所選取的傳輸通道上進(jìn)行傳輸，使調(diào)制后的信號(hào)傳輸至信宿端———乙地在乙地接收到經(jīng)傳輸線路傳送來的信號(hào)后，然后進(jìn)行調(diào)制器的反向操作“解調(diào)”。即將高頻信號(hào)或數(shù)字信號(hào)還原成原始信息。

信息的傳輸與通信技術(shù)叢書序

原始信息通過揚(yáng)聲器器（還原的音Ⅳ頻信號(hào)）、顯示器（還原的圖像或視頻信號(hào)）、打（還原的計(jì)算結(jié)果）或進(jìn)行力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等轉(zhuǎn)換，對(duì)原始信息控制目的物進(jìn)行作用，從而達(dá)到智能控制的目的。本套叢書就是對(duì)智能控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的一些關(guān)鍵技術(shù)的原理、特性、基本計(jì)算公式和方法、基本結(jié)構(gòu)的組成、各個(gè)部分參數(shù)的選取，以及主要應(yīng)用場(chǎng)合及其優(yōu)勢(shì)和不足等問題進(jìn)行討論和分析。本套叢書則沿著“有效信息的取得”、“有效信息的調(diào)制”、“調(diào)制信號(hào)的傳輸“、“調(diào)制信號(hào)的解調(diào)”以及“智能控制系統(tǒng)的舉例應(yīng)用”這一線索展開，對(duì)比較典型的智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用于實(shí)踐的設(shè)計(jì)計(jì)算及控制的邏輯關(guān)系進(jìn)行舉例論述。本套叢書雖然經(jīng)歷了十多年的知識(shí)積累，但仍然覺得時(shí)間倉促，加之水平有限，錯(cuò)誤與疏漏之處在所難免，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。編撰者

蘇遵惠

信息的傳輸與通信技術(shù)

叢書序

前言第一章簡(jiǎn)說通信技術(shù)與信息傳輸?shù)谌?jié)現(xiàn)代通信技術(shù)特點(diǎn)第五節(jié)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展第二章世界通用的通信技術(shù)

第二節(jié)有線通信的載波通信技術(shù)

第三節(jié)微波接力通信和衛(wèi)星微波

通信第三章通信技術(shù)的“高速公路”第一節(jié)通信技術(shù)的“高速公路”

概述

第二節(jié)無線通信的第五代移動(dòng)通信技術(shù)——５Ｇ第三節(jié)近距離小容量無線通信技術(shù)——無線保真通信、藍(lán)牙通信、可見光通信第四節(jié)有線通信的光導(dǎo)纖維通信技術(shù)

第四章通信技術(shù)的綜合應(yīng)用———脈沖碼編調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)第五章未來的量子通信技術(shù)

第一節(jié)量子通信技術(shù)

第二節(jié)量子計(jì)算機(jī)的工作原理附錄附錄Ａ名詞術(shù)語及解釋附錄Ｂ相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)重點(diǎn)目錄

信息的傳輸與通信技術(shù)正文

第五章未來的通信技術(shù)

第一節(jié)量子通信概述

第二節(jié)量子計(jì)算機(jī)的工作原理

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信

（一）量子（quantum）

定義：一個(gè)物理量如果有最小的單元而不可連續(xù)地分割，則稱這個(gè)物理量是量子化的，并把最小的單元稱為量子。

（二）量子通信（Quantumcommunication）

定義：利用量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式。

基于量子力學(xué)中的不確定性、測(cè)量坍縮和不可克隆三大原理，提供了無法被竊聽和計(jì)算破解的絕對(duì)安全性保證，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信

（三）量子計(jì)算機(jī)（QuantumComputer）

定義：一種基于量子理論的計(jì)算機(jī)，遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。

（四）量子信息學(xué)的構(gòu)成及包涵的內(nèi)容見右圖所示。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信

量子通信原理框圖見下圖所示?？梢娋哂辛孔与[形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)，無法被竊聽和計(jì)算破解的絕對(duì)安全性保證

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概述

一、量子與量子通信1、量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)狀況

量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的是量子比特，可以同時(shí)處在多個(gè)狀態(tài)，而不像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣只能處于0或1的二進(jìn)制狀態(tài)。

2017年5月3日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)宣布，利用量子點(diǎn)單光子源，構(gòu)建了世界首臺(tái)單光子量子計(jì)算機(jī)。

2017年12月，德國康斯坦茨大學(xué)與美國普林斯頓大學(xué)及馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家合作，開發(fā)出了基于硅雙量子位系統(tǒng)的穩(wěn)定的量子門。2018年12月6日，由中國合肥的本源量子開發(fā)了首款量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)“原Q量子系統(tǒng)”（OriginQQuantum，AIO）。

2019年1月10日，IBM宣布推出世界上第一臺(tái)商用的集成量子計(jì)算系統(tǒng)（IBMQSystemOne）。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信2、量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的理論之一

1）相對(duì)論（Theoryofrelativity）

2）量子論（Quantumtheory）量子論給我們提供了新的關(guān)于自然界的表述方法和思考方法。揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。它能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)、光的吸收與輻射等已發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信3、量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展

19世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)理論已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段，幾個(gè)主要部門——力學(xué)，熱力學(xué)和分子運(yùn)動(dòng)論，電磁學(xué)以及光學(xué)，已經(jīng)建立了完整的理論體系，在應(yīng)用上也取得了巨大成果，其主要標(biāo)志是：

機(jī)械運(yùn)動(dòng)當(dāng)速度遠(yuǎn)小于光速的情況下，嚴(yán)格遵守牛頓力學(xué)的規(guī)律；

電磁現(xiàn)象總結(jié)為麥克斯韋方程組；

光現(xiàn)象有光的波動(dòng)理論，最后也歸結(jié)為麥克斯韋方程組；

熱現(xiàn)象有熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理的理論。

但是，從實(shí)驗(yàn)上出現(xiàn)了一系列重大發(fā)現(xiàn)，如固體比熱、黑體輻射、光電效應(yīng)、原子結(jié)構(gòu)……給物理學(xué)帶來了一場(chǎng)深刻的革命。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信4、物理學(xué)的重大實(shí)驗(yàn)與發(fā)現(xiàn)

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信（四）舊量子論的建立

突出的是以下三個(gè)問題：

1、黑體輻射問題;1893年維恩（德）(WinhelmWein,1864-1928)提出黑體輻射能量分布定律，即維恩公式。直接導(dǎo)致了量子論的誕生。1900年普朗克（德）(MaxPlanck,1858-1947)提出了:電磁振蕩只能以"量子"的形式發(fā)生，量子的能量E和頻率u之間有一確定的關(guān)系：

[E=hu]，其中h為普朗克常量：h=6.6260755×10-34J?S

注：普朗克公式見書本P167圖5-2所示；

維恩曲線／瑞利－金斯曲線／普朗克曲線圖見書本P168圖5-3所示；

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（四）舊量子論的建立——普朗克、愛因斯坦、玻爾同為奠基者

2、光電效應(yīng)問題：1905年愛因斯坦發(fā)表了著名論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》。他總結(jié)了光學(xué)發(fā)展中微粒說和波動(dòng)說的歷史，在普朗克能量子假說的基礎(chǔ)上，提出了光量子假說和光電方程：

Ｅｋ＝ｈｕ－Ｗ０（Ｗ和材料有關(guān)）

3、波爾理論：普朗克和愛因斯坦的工作在物理學(xué)史上有其重要的地位，但使量子理論產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的是玻爾。

1913年玻爾寫出了他著名的《原子與分子結(jié)構(gòu)》Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的三篇論文。在這三篇論文中，玻爾提出了與經(jīng)典理論相悖的兩個(gè)重要的假設(shè)：定態(tài)假設(shè)和躍遷假設(shè)。提出了量子化條件，即電子的角動(dòng)量J只能是h的整數(shù)倍。這里他運(yùn)用了對(duì)應(yīng)原理。較好地了解決原子的穩(wěn)定性問題

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（四）舊量子論的建立——普朗克、愛因斯坦、玻爾同為奠基者

4、德布羅意物質(zhì)波：

1922年，德布羅意發(fā)表關(guān)于黑體輻射的論文為標(biāo)志，他用光量子假設(shè)和熱力學(xué)分子運(yùn)動(dòng)論推導(dǎo)出維恩輻射定律，而從光子氣的假設(shè)，得出普朗克定律，他在1924年的博士論文《量子論的研究》論述了“任何物體伴隨以波，而且不可能將物體的運(yùn)動(dòng)和波的傳播分開”。這就是說，波粒二象性并不只是光才具有的特性，而是一切粒子共有的屬性。

把微觀粒子的粒子性質(zhì)（能量E和動(dòng)量p）與波動(dòng)性質(zhì)（頻率ν和波長λ）用德布羅意關(guān)系聯(lián)系起來：

即E=hν，p=hν/c=h/λ=?kp=?k，k=2π/λ

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（五）波動(dòng)力學(xué)——現(xiàn)代量子論的建立

舊量子理論出現(xiàn)于1900—1925年，是量子理論的早期階段，其包括：１）普朗克量子假說（1900年）：輻射量子假說，普朗克常數(shù)。２）愛因斯坦光量子理論（1905年）：解釋了光子能量、動(dòng)量與輻射頻率及波長的關(guān)系，解決了光電效應(yīng)、低溫固體比熱的問題。３）波爾的原子量子理論（1913年）：原子中的電子只在分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，原子具有確定的能量，其能量態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)吸收或輻射能量。4）德布羅意的波粒二相假設(shè)，并為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

舊量子理論主要是對(duì)經(jīng)典物理理論加以修正或附加某些條件，用以解釋微觀世界，并不能從根本上創(chuàng)立全新的對(duì)微觀世界的研究的理論。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（五）波動(dòng)力學(xué)——現(xiàn)代量子論的建立

完成現(xiàn)代量子論是薛定諤（奧），他于1925年在德布羅意波理論的基礎(chǔ)上，以波動(dòng)方程的形式建立了新的量子理論——波動(dòng)力學(xué)。

推導(dǎo)出一個(gè)光子的能量就可表示為：

計(jì)算出許多物理量可以量子化，普朗克就定義了五個(gè)最基本的度量宇宙單位。見表5-2所示。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

一、量子與量子通信

（五）波動(dòng)力學(xué)——現(xiàn)代量子論的建立

表5-2普朗克五個(gè)最基本的度量宇宙單位信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（一）量子計(jì)算技術(shù)

１、定義基于量子力學(xué)原理，借助微觀粒子量子態(tài)的疊加、糾纏和不確定性，以全新的方式進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)和計(jì)算的技術(shù)。２、特征

能夠?qū)崿F(xiàn)量子并行計(jì)算，核心特征是具有超強(qiáng)計(jì)算能力和儲(chǔ)存能力。1）運(yùn)用量子計(jì)算超強(qiáng)運(yùn)算能力，可快速破譯現(xiàn)有密碼體系;2）可以對(duì)海量情報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，大幅度提升評(píng)估與決策能力。

3）可以有效解決高性能、大數(shù)據(jù)計(jì)算問題，縮短建模仿真時(shí)間，提升研發(fā)效率。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（二）量子通信技術(shù)

（１）定義利用量子力學(xué)原理和微觀粒子的量子特性進(jìn)行信息傳

輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。

（２）內(nèi)容主要包括量子密鑰傳輸和量子隱形傳態(tài)兩種。

１）量子密鑰傳輸

２）量子隱形傳態(tài)３）量子糾纏４）量子通信的優(yōu)勢(shì)：①超大信息容量；②超高通信速率；③超遠(yuǎn)距離傳輸；④工作機(jī)制為“一次一密”。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（二）量子通信技術(shù)

５）量子通信的應(yīng)用①在軍事應(yīng)用方面，利用量子密鑰傳輸進(jìn)行保密通信；

②利用量子隱形傳態(tài)，可大幅度提高通信質(zhì)量與效率，例如水下通信（見右圖所示）為深海遠(yuǎn)洋通信提供新的技術(shù)途徑；③有助于構(gòu)建安全、實(shí)時(shí)、高效的遠(yuǎn)距離軍事信息網(wǎng)。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第一節(jié)

量子通信概論

二、量子信息技術(shù)

（三）量子探測(cè)技術(shù)

量子探測(cè)技術(shù)是利用量子糾纏和相干疊加特性，對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量或成像的技術(shù)，主要包括量子成像技術(shù)、量子雷達(dá)技術(shù)和量子傳感技術(shù)等。

１）量子成像技術(shù)是利用量子光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像；

２）量子雷達(dá)技術(shù)是基于量子糾纏理論，將量子信息調(diào)制到雷達(dá)信號(hào)中，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)；

３）量子傳感技術(shù)是利用量子信號(hào)對(duì)環(huán)境變化的敏感度來提高測(cè)量精度。量子探測(cè)技術(shù)具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值，將實(shí)現(xiàn)全天候、反隱身、抗干擾作戰(zhàn)。未來，量子信息技術(shù)將逐步走向成熟，在指揮控制、情報(bào)偵察、軍事通信等軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

一、量子計(jì)算機(jī)

以函數(shù)ｙ＝ｆ（ｘ），ｘ∈Ａ為例：

普通的數(shù)字計(jì)算機(jī)

在“0”和“1”的二進(jìn)制系統(tǒng)上運(yùn)行，稱為比特（bit）。

其輸入?yún)?shù)是ｘ，得到輸出值ｙ，要多次計(jì)算才能得到值域Ｂ，即ｙ＝ｆ（x）,ｘ∈Ａ,ｙ∈Ｂ

量子計(jì)算機(jī)

在量子比特上運(yùn)算，可以計(jì)算“0”和“1”之間的數(shù)值。

其輸入?yún)?shù)是定義域Ａ，一步到位得到輸出值域Ｂ，即Ｂ＝ｆ（A）量子計(jì)算機(jī)有一待解決的問題，即輸出值域B只能隨機(jī)取出一個(gè)有效值y。使輸出集B中的元素遠(yuǎn)少于輸入集A中的元素，當(dāng)需要取出全部有效輸出值時(shí)仍需要多次計(jì)算。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

（一）理論背景

1、量子理論量子論的一些基本論點(diǎn)并不顯得“玄乎”，但它的推論顯得很“玄”。

按照量子論假設(shè)一個(gè)量子距離，即最小距離的兩個(gè)端點(diǎn)Ａ和Ｂ，物體從Ａ不經(jīng)過Ａ和Ｂ中的任何一個(gè)點(diǎn)，就能直接到達(dá)Ｂ。即物體在Ａ點(diǎn)突然消失，與此同時(shí)在Ｂ點(diǎn)出現(xiàn)。而在宏觀世界無法找到這樣的例子，量子論把人們?cè)诤暧^世界里建立起來的許多常識(shí)和直覺推翻了。

信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

（一）理論背景

2、模擬系統(tǒng)在量子計(jì)算機(jī)中，基本信息單位是量子比特，運(yùn)算對(duì)象是量子比特序列。而量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)不僅提供了量子并行計(jì)算的可能，還帶來許多奇妙的性質(zhì)。如可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進(jìn)行測(cè)量得出計(jì)算結(jié)果；在數(shù)學(xué)形式上，經(jīng)典計(jì)算可看作是一類特殊的量子計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量進(jìn)行變換，所有這些變換同時(shí)完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計(jì)算稱作量子并行計(jì)算。另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項(xiàng)工作是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法勝任的。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

（一）理論背景

量子態(tài)就是量子狀態(tài)，即微觀粒子所可能具有的狀態(tài)——能量狀態(tài)。

原子中的電子具有能級(jí)狀態(tài)，即這些電子的能量是量子化的，電子只可能具有某條能級(jí)所對(duì)應(yīng)的能量。

晶體的電子具有能帶狀態(tài)，即這些電子的能量也是量子化的，但電子只可能具有某個(gè)能帶中的某條能級(jí)所對(duì)應(yīng)的能量。

理解：好比在一個(gè)教室中有許多座位，某個(gè)學(xué)生可以去占據(jù)某個(gè)座位，某個(gè)座位也可以空著。這里的座位就相當(dāng)于量子態(tài)，學(xué)生就相當(dāng)于微觀粒子。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

（二）算法理論1、量子計(jì)算概念

量子計(jì)算機(jī)控制原子或小分子的狀態(tài)，記錄和運(yùn)算信息。

1994年貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得·秀爾（PeterShor）證明量子計(jì)算機(jī)能做出離散對(duì)數(shù)運(yùn)算，速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。因?yàn)榱孔涌梢酝瑫r(shí)表示多種狀態(tài)。一次運(yùn)算可以處理多種不同狀況，因此，一個(gè)40比特的量子計(jì)算機(jī)，就能在很短時(shí)間內(nèi)解開1024位計(jì)算機(jī)花上數(shù)十年解決的問題。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

2、量子的通用計(jì)算

量子計(jì)算機(jī)是使用量子邏輯進(jìn)行通用計(jì)算的設(shè)備。其用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的對(duì)象是量子比特，使用量子算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。量子信息學(xué)中，量子信息的基本單位是量子比特(qubit，復(fù)數(shù)qubits)，稱為量子位。一個(gè)qubit是一個(gè)雙態(tài)量子系統(tǒng)，是一個(gè)二維希爾伯特空間，是描述態(tài)矢的抽象空間，由于光子的偏振態(tài)以及電子的自旋態(tài)都只有兩個(gè)正交取向，即相當(dāng)于相互垂直的兩個(gè)坐標(biāo)軸，所以是二維。量子位數(shù)就是雙態(tài)量子系統(tǒng)的個(gè)數(shù)。如果采用光子的偏振態(tài)，那么有幾個(gè)光子，就有幾個(gè)量子位數(shù)，如果采用電子同理。

2012年10月物理學(xué)家組織基于硅材料內(nèi)的單個(gè)原子制成了首個(gè)可工作的量子位。為研發(fā)超強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)鋪平了道路。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

2、量子的通用計(jì)算要說清楚量子計(jì)算，首先看經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為：對(duì)輸入信號(hào)序列按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。（1）其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號(hào)，用量子力學(xué)的語言來描述即是：其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)。

例如輸入二進(jìn)制序列0110110，用量子記號(hào)，即|0110110>。所有的輸入態(tài)均相互正交。而經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能輸入如下疊加態(tài)：

C1|0110110>+C2|1001001>。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

2、量子的通用計(jì)算（2）經(jīng)典計(jì)算機(jī)內(nèi)部的每一步變換都演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒有這個(gè)性質(zhì)，其輸入用一個(gè)具有有限能級(jí)（如二能級(jí)系統(tǒng)）的量子系統(tǒng)來描述，量子計(jì)算機(jī)的變換（即量子計(jì)算）包括所有可能的幺正變換。（3）量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交；（4）量子計(jì)算機(jī)中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計(jì)算機(jī)對(duì)輸出態(tài)進(jìn)行一定的測(cè)量，給出計(jì)算結(jié)果。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

二、理論背景及算法理論

3、承載16個(gè)量子位的硅芯片

量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，經(jīng)典計(jì)算是一類特殊的量子計(jì)算。其最本質(zhì)的特征為量子疊加性和量子相干性。量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換（計(jì)算）相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有這些經(jīng)典計(jì)算同時(shí)完成，這就是量子的并行計(jì)算特征。

D-Wave系統(tǒng)為基于硅芯片實(shí)現(xiàn)了16個(gè)量子位，如圖所示。并計(jì)劃在未來增加量子位的數(shù)量，如達(dá)到32個(gè)，直至1024個(gè)。隨著量子位數(shù)量的增加，計(jì)算能力預(yù)計(jì)將呈指數(shù)級(jí)增長。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（一）研究的歷程

最早發(fā)表“基于量子力學(xué)的信息處理”的文章是亞歷山大.豪勒夫（1973）、帕帕拉維斯基（1975）、羅馬.印戈登（1976）和尤里.馬尼（1980）年。

1969年史蒂芬·威斯納最早提出“基于量子力學(xué)的計(jì)算設(shè)備”。即國際上首款量子計(jì)算機(jī)誕生。

1982年理查德.費(fèi)曼在一個(gè)演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算。

1985年大衛(wèi).杜斯提出了量子圖靈機(jī)模型。

1994年彼得.秀爾證明量子計(jì)算機(jī)完成對(duì)數(shù)運(yùn)算。

2018年12月6日首款國產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)OriginQQuantumAIO在合肥誕生，該系統(tǒng)由本源量子開發(fā)。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況1、研發(fā)趨勢(shì)

正如貝奈特（Bennett）教授所說，“現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)只是一個(gè)玩具，真正做到有實(shí)用價(jià)值的也許是5年，10年，甚至是50年以后”；

我國科技大學(xué)的郭光燦教授則宣稱，他領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室將在5年之內(nèi)研制出實(shí)用化的量子密碼！

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程充滿了偶然和未知，就是物理學(xué)泰斗愛因斯坦也沒想到，為了批判量子力學(xué)而假想出來的EPR態(tài)，在六十多年后不僅被證明是存在的，而且還被用來做量子計(jì)算機(jī)。

在量子的狀態(tài)下不需要任何計(jì)算過程，計(jì)算時(shí)間，量子進(jìn)行空間跳躍。可以說量子芯片，是終極的芯片。信息的傳輸與通信技術(shù)正文第二節(jié)

量子計(jì)算機(jī)的工作原理

三、研究的歷程及意義

（二）研究狀況2、國外研究狀況1920年，奧地利人埃爾溫·薛定諤、愛因斯坦、德國人海森伯格和狄拉克，共同創(chuàng)建了一個(gè)前所未有的新學(xué)科——量子力學(xué)。美國的洛斯阿拉莫斯和麻省理工學(xué)院、IBM、和斯坦福大學(xué)、武漢物理教學(xué)所、清華大學(xué)四個(gè)研究組已實(shí)現(xiàn)7個(gè)量子比特量子算法演示。2001年，科學(xué)家在具有15個(gè)量子位的核磁共振量子計(jì)算機(jī)上成功利用秀爾算法對(duì)15進(jìn)行因式分解。2005年，美國密歇根大學(xué)的科學(xué)家使用半導(dǎo)體芯片實(shí)現(xiàn)離子囚籠（iontrap）。

2007年2月，加拿大