光电世界--通信

1、信息传递的载体信息传递的载体-电和光电和光一一. .信息传递的载体信息传递的载体-电磁波电磁波二二. .信息传递信息传递( (通信通信) )技术的发展技术的发展三三. .通信的基本概念通信的基本概念四四. .通信系统的基本模型通信系统的基本模型五五. .通信系统分类通信系统分类六六. .通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标Why?How?问题:1. 请同学们想一想所知道的通信方式通信方式有哪些?2. 这些通信方式使者是谁?也就是说谁把信息传给对方的?信息传递的载体信息传递的载体-电和光电和光一一. 信息传递的载体信息传递的载体-电磁波电磁波n人们需要信息的传递n信息的传递需要使者-载体

2、n载体有电话线中的电信号网线中的电信号同轴电缆中的电信号空中的电磁波光纤中的光信号载波载波电磁波电磁波一一. 信息传递的载体信息传递的载体-电磁波电磁波下面我们将在了解电磁波本身特性的基础上一起研究电磁波是如何携带信息并把信息带走的。？想想，为什么用电磁波？想想，为什么用电磁波？10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空间波长，自由空间波长，m频率，频率，Hz电力、电话电力、电话无线

3、电、电视无线电、电视微波微波红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频段频段划分划分传传输输介介质质一一. 信息传递的载体信息传递的载体-电磁波电磁波n话音n长波n中波n短波n微波n红外光n可见光频率（低）（高）带宽（小）（大）C=B2（1+S/N）容量（大）（小）3003400HZ30K300K300K3M3M30M1G100G100G100000G105G106G一一. 信息传递的载体信息传递的载体-电磁波电磁波想想：带宽是什想想：带宽是什么？宽带？谁决么？宽带？谁决定带宽

4、？定带宽？二二. 通信的发展：通信的发展：邮政邮政 电信电信邮政邮政电信电信有线有线 无线无线 光通信光通信1753年，苏格兰物理学家Charles Morris就提到电力可以传递信息。他设计了一个方案，用一根根电线代表字母，英语有26个字母，所以就需要26根电线（当时根本没有编码技术的概念）。用静电发电机给每根电线充电，然后通过静电荷吸引另一端纸片，纸片上的相应信息也就传递过来了。当时好几十年内人们就是用这种方式收发电报1。真正带入我们进入电信（Telecommunications）时代的是画家Samuel Morse。莫尔斯在亨利的指导下发明了第一台商用电报机。或许正是由于画家所具有的天才

5、想象力，莫尔斯不但给我们带来了发报机，还给我们带来了密电码.有线电通信有线电通信 1837年摩尔斯电磁式有线电报二二. 通信的发展通信的发展1876年贝尔发明有线电话二二. 通信的发展通信的发展无线电通信：1888年，德国赫兹发现电磁波二二. 通信的发展通信的发展无线电通信：1895年俄国人波波夫发出第一份无线电报二二. 通信的发展通信的发展无线电通信：1895年意大利人马可尼在英国取得无线电得专利权， 成为无线电创始 人二二. 通信的发展通信的发展 3000年前的烽火台光通信：二二. 通信的发展通信的发展二二. 通信的发展通信的发展1880年，美国人贝尔（BELL）发明了光话系统二二. 通信

6、的发展通信的发展光话机 原 理 图弧光灯ABMNL送话器振动镜振动镜缺点： 没有理想的光源和传光媒质传光距离短 可靠性差光源传光媒介需解决问题需解决问题问题：上述光通信方式的缺点是什么？问题：上述光通信方式的缺点是什么？1960年，年， 美国人梅曼（美国人梅曼（MAIMAN）发明了第一台红宝石）发明了第一台红宝石激光器。激光器。波谱窄方向性好亮度高频率和相位一致相干光：振动方向相同， 频率相同，相位差恒定的光氦-氖激光器CO2激光器二二. 通信的发展通信的发展1966年，英国华裔科学家高锟（C.K.Kao）提出介质新概念的理论，奠定现代光纤通信的理论基础， 被称为光纤通信之父。石英的损耗100

7、0dB/km石英传输信息的理论门限为20dB/km二二. 通信的发展通信的发展Optical networking海底：光缆太空：卫星地面：基站发射塔 v 通信: 信息（或消息）的传输和交换。（要求准确、迅速,突破空间的限制） v消息：信息的物理表现形式。如语言、文字、 数据或图像等。 v信息：消息的内涵，即信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容。后面学习定量计算信息量的大小.消息消息信息信息三三. 通信的基本概念通信的基本概念v 电通信：是利用电（电流或电波，包括光）来传递信息。现代通信一般均是指“电通信”。 v信号：消息的电的表示形式。在电通信系统中，电信号是消息传递的物质载体。v

8、通信系统：是完成传递信息任务所需要的一切技术设备和传输媒介所构成的总体。三三. 通信的基本概念通信的基本概念一般模型一般模型四四. .通信系统的基本模型通信系统的基本模型通信系统的一般模型通信系统的一般模型信息源发送设备信息接收设备受信者噪声源发送端接收端信道通信系统的一般模型由下列必须必须的设备组成v 信源是消息的产生地， 其作用是把各种消息转换成原始电信号(基带信号)。q 电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。前者属于模拟信源，输出的是模拟信号；后者是数字信源，输出离散的数字信号。一般一般模型模型v 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变

9、换成适合在信道中传输的信号(如已调信号）。一般一般模型模型v 信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆、光纤。自由空间发送设备信源v 噪声源是通信系统中各种设备以及信道中噪声与干扰的集中表现。 v 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来。一般一般模型模型信息源发送设备信息接收设备受信者噪声源发送端接收端信道v 信宿,又称受信者.是传输信息的归宿点，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。 ?课堂提问课堂提问:用通信系统一般模型解释用通信系统一般模型解释QQ语音聊天

10、的过程语音聊天的过程.一般一般模型模型v 连续消息：是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、图像等。v 离散消息：是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据、文字等。 1、 连续消息和离散消息连续消息和离散消息模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型 按信号参量的取值方式不同可把信号分为模拟信号和数字信号.2、 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟信号：取值连续，包含无穷多个值 数字信号：取值离散，仅包含有限数目的预定值tta) 模拟信号b) 数字信号 （1）模拟信号 取值是连续的或取无穷

11、多个值的信号。v 如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。v 连续是指信号的某一参量可以连续变化或取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如图 1 - 2(b)所示的脉冲振幅调制抽样信号脉冲振幅调制信号。模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型Of (t)t(a)f (nT )tPA M信号(b)O图图 1 2 模拟信号波形模拟信号波形 (a) 连续信号；连续信号； (b) 抽样信号抽样信号模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型（2）数字信号：只能取有限个值的信号。如电报信号、计算机输入/输出信号等。模拟通信系统模型与数字通信

12、系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。 模拟通信系统是传输模拟信号的通信系统。模型可由图 1 - 1 略加演变而成， 如图 1 - 3 所示。图中的调制器和解调器就代表图 1 - 1 中的发送设备和接收设备。 信息源调制器信道解调器受信者噪声源图图 1-3 模拟通信系统模型模拟通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型 信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为3003400Hz， 图像信号为06MHz。 模拟信号具有频率

13、很低的频谱分量，有时候可以(例如?)直接传输，更多时候(例如例如?)需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的频带信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。3、 模拟通信系统模型模拟通信系统模型3003400Hz3003400Hz自由空间900MHz(GSM) 模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型调制调制(在通信中非常重要在通信中非常重要)1.1. 调制调制, ,必须的必须的? ?2.2. 调制调制, ,好处好处? ?3.3. 调制调制, ,哪些哪些? ?1.调制调制,必须的必须的? NO!交换局音频信号:3003400Hz

14、2.调制调制,好处好处? 移动、多路、长途移动、多路、长途. .国际漫游3G手机频率列表 厂家产品型号客户群2G支持频率 (MHz)3G支持频率(MHz)三星S7520U娱乐时尚900/1800/19002100三星B5210U商务工作900/1800/19002100三星S7220U娱乐时尚850/900/1800/1900900/2100三星C3370U普通大众900/1800/19002100三星S7120U商务工作900/1800/19002100三星S3830U普通大众850/900/1800/19002100诺基亚5320di商务工作850/900/1800/1900900/210

15、0诺基亚6210si商务工作850/900/1800/1900900/2100诺基亚6120ci商务工作850/900/1800/1900?850/2100多普达T4288商务工作850/900/1800/19002100多普达T5388商务工作850/900/1800/1900900/2100MotorolaA3100商务工作850/900/1800/1900850/1900/2100TCL阿尔卡特 OT-S988W商务工作900/1800/19002100中电F1商务工作850/900/1800/1900850/19003.调制调制,哪些哪些?调调 制制 方方 式式 用途用途 连连续续波波

16、调调制制线性线性调制调制常规双边带调幅常规双边带调幅广播广播 抑制载波双边带调抑制载波双边带调幅幅 立体声广播立体声广播 单边带调幅单边带调幅SSB 载波通信、无载波通信、无线电台、数传线电台、数传 残留边带调幅残留边带调幅VSB 电视广播、电视广播、 数数传、传、 传真传真 非线非线性调性调制制频率调制频率调制FM 微波中继、卫微波中继、卫星通信、广播星通信、广播 相位调制相位调制PM 中间调制方式中间调制方式 数字数字调制调制幅度键控幅度键控ASK 数据传输数据传输 相位键控相位键控数据传输数据传输 已调信号有三个基本特征：已调信号有三个基本特征：v 携带携带有信息有信息v 适合在信道中传

17、输适合在信道中传输v 信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。因而已调信号又称频带信号。 模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型4、 数字通信系统模型数字通信系统模型 信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源图图 1 4 数字通信系统模型数字通信系统模型数字通信系统是传输数字信号的通信系统， 如图 1 -4 所示。模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型 数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数

18、字调制/解调、数字复接、 同步以及加密等。 模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型 信源编码的作用：v 一是将模拟信号转换成数字信号，即模/数转换。第7章中将讨论模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲编码调制(PCM)和增量调制(M)。v 二是设法减少码元数目和减少冗余信息，即数据压缩。 （1）信源编码与译码）信源编码与译码信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型信源译码是信源编码的逆过程。 码元：数字通信中传输的一个接一个按节拍传送的数字信号单元。信息源信源

19、编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源 数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。 （2） 信道编码与译码信道编码与译码模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信

20、系统模型在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。 （3） 加密与解密加密与解密模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。S(t) Acos(t+)S(t)Acos(t+)信源信源 载波信号载波信号 已调信号已调信号（4） 数字调制与解调数字调制与解调信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源模拟通信系

21、统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步。 （5） 同步同步模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型图 1 - 5 是数字通信系统的一般化模型， 实际的数字通信系统不一定包括图 1 - 1中的所有环节。 如在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节。信息源信源编码器信道编码器数字调

22、制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型 模拟信号经过数字编码后可以在数字通信系统中传输，数字信号也可以在模拟通信系统中传输，可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型v 抗干扰能力强，可消除噪声积累；v 差错可控，可以采用信道编码技术使误码率降低， 提高传输的可靠性； v 易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网；v 易于集成化，从而使通信设备微型化； v 易于加密处理，且保密强度高。

23、5、 数字通信的主要优点数字通信的主要优点模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型6、 数字通信的主要不足数字通信的主要不足v 占用带宽大；模拟电话4KHz,数字电话20-64KHzv 需要同步。模拟通信系统模型与数字通信系统模型模拟通信系统模型与数字通信系统模型1 、按通信业务分类、按通信业务分类 按通信业务分， 通信系统有话务通信和非话务通信。 非话务通信主要是分组数据业务、计算机通信、数据库检索、电子信箱、电子数据交换、传真存储转发、可视图文及会议电视、图像通信等。五五. .通信系统分类通信系统分类视频会议系统视频会议系统 返回返回 根据是否采用调制，可将通信

24、系统分为基带传输和频带（调制）传输。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话。频带传输是对各种信号调制后传输的总称。调制方式很多，表 1 - 1 列出了一些常见的调制方式。 2、 按调制方式分类按调制方式分类五五. .通信系统分类通信系统分类表表 1- 11- 1常见的调制方式（略）常见的调制方式（略） 调调 制制 方方 式式 用途用途 连续连续波调波调制制线性调制线性调制常规双边带调幅常规双边带调幅广播广播 抑制载波双边带调幅抑制载波双边带调幅 立体声广播立体声广播 单边带调幅单边带调幅SSB 载波通信、无线电台、数传载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅残留边带调幅VSB 电视广

25、播、电视广播、 数传、数传、 传真传真 非线性调制非线性调制频率调制频率调制FM 微波中继、卫星通信、广播微波中继、卫星通信、广播 相位调制相位调制PM 中间调制方式中间调制方式 数字调制数字调制幅度键控幅度键控ASK 数据传输数据传输 相位键控相位键控数据传输数据传输 调调 制制 方方 式式 用途用途 脉冲脉冲调制调制数字调制数字调制相位键控相位键控PSK、 DPSK、 QPSK等等 数据传输、数据传输、 数字微波、数字微波、 空空间通信间通信 其他高效数字调制其他高效数字调制QAM、 MSK等等 数字微波、数字微波、 空间通信空间通信 脉冲模拟调脉冲模拟调制制脉幅调制脉幅调制PAM 中间调

26、制方式、中间调制方式、 遥测遥测 脉宽调制脉宽调制PDM(PWM) 中间调制方式中间调制方式 脉位调制脉位调制PPM 遥测、遥测、 光纤传输光纤传输 脉冲数字调脉冲数字调制制脉码调制脉码调制PCM 市话、市话、 卫星、卫星、 空间通信空间通信 增量调制增量调制DM 军用、军用、 民用电话民用电话 差分脉码调制差分脉码调制DPCM 电视电话、电视电话、 图像编码图像编码 其他语言编码方式其他语言编码方式ADPCM、 APC、 LPC 中低速数字电话中低速数字电话 续表（续表（1）按照信道中所传输的是模拟信号还是数字相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。3、 按信号特征分类按信号特征分类

27、五五. .通信系统分类通信系统分类可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。v 有线通信是用导线（如架空明线、同轴电缆、 光导纤维、波导等）作为传输媒质完成通信的，如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。v 无线通信是依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的的，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。 4、 按传输媒质分类按传输媒质分类五五. .通信系统分类通信系统分类v 按通信设备的工作频率不同可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信、远红外线通信等。表 1-2 列出了通信使用的频段、常用的传输媒质及主要用途。v 工作波长和频率的换算公式为； =为工作波长， f为工作频率， c为光速)()

28、/(1038Hzfsmfc5、按工作波段分类、按工作波段分类五五. .通信系统分类通信系统分类表表 1 2 1 2 通信波段与常用传输媒质通信波段与常用传输媒质频率范围频率范围 波长波长 符号符号 传输媒质传输媒质 用途用途3 Hz30 kHz 104108 m 甚低频甚低频VLF 有线线对有线线对长波无线电长波无线电 音频、电话、数据音频、电话、数据终端、长距离导航、终端、长距离导航、时标时标 30300 kHz 103104 m 低频低频LF 有线线对有线线对长波无线电长波无线电 导航、导航、 信标、信标、 电电力线通信力线通信 300 kHz3 MHz 102103 m 中频中频MF 同

29、轴电缆同轴电缆短波无线电短波无线电 调幅广播、移动陆调幅广播、移动陆地通信、业余无线地通信、业余无线电电 330 MHz 10102 m 高频高频HF 同轴电缆同轴电缆短波无线电短波无线电 移动无线电话、移动无线电话、 短波广播定点军用短波广播定点军用通信、通信、 业余无线业余无线电电 30300 MHz 110 m 甚高频甚高频VHF 同轴电缆同轴电缆米波无线电米波无线电 电视、电视、 调频广播、调频广播、 空中管制、空中管制、 车辆、车辆、 通信、通信、 导航导航 续表（续表（2）频率范围频率范围 波长波长 符号符号 传输媒质传输媒质 用途用途300 MHz3 GHz 10100 cm 特

30、高频特高频UHF 波导波导分米波无线电分米波无线电 微波接力、微波接力、 卫星卫星和空间通信、和空间通信、 雷雷达达 330 GHz 110 cm 超高频超高频SHF 波导波导厘米波无线电厘米波无线电 微波接力、微波接力、 卫星卫星和空间通信、和空间通信、 雷雷达达 30300 GHz 110 mm 极高频极高频EHF 波导波导毫米波无线电毫米波无线电 雷达、雷达、 微波接力、微波接力、 射电天射电天文学文学 107108 GHz 310-5 310-4 cm 紫外可见光紫外可见光红外红外 光纤光纤激光空间传播激光空间传播 光通信光通信 六六. .通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标通

31、信的任务是快速、准确地传递信息。评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。有效性是指传输一定信息量时所占用的信道资源，或在给定信道带宽情况下,单位时间内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”问题；可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。1、模拟通信系统、模拟通信系统有效性指标：实际常用传输每路信号的有效带宽B有效来表示, B有效越小有效性越好.与调制方式有关.例如语音信号SSB 调制B有效=4KHz,WBFM调制为48KHz.可靠性指标：用接收端最终输出信噪比来度量，信噪比越大，可靠性越好。 接接 收收 端端 输输 出出 的的 信信 号号 功功 率率信信

32、 噪噪 比比噪噪 声声 平平 均均 功功 率率六六. .通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标数字通信系统的有效性用传输速率来衡量；可靠性用差错率来衡量。 2、 数字通信系统数字通信系统六六.通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标（1）传码率）传码率RB码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率。它表示单位时间内传输码元(注意没有限定是何种进制）的数目，单位是波特（Baud），记为B。 例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲六六. .通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一位数字，这个间隔被称为码元长度BBBB11TR1.51RT 或或（）数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度TB有关(2) 码元长度码元长度TB六六.通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。（3）传信率）传信率RbRb=RBH(b/s) (1