信息工程概论课件 第十二讲 通信系统

第12讲通信系统12.1通信系统最直观的通信行为是发信者与收信者之间的直接通信，称为点对点通信。支持点对点通信的技术系统称为通信系统。人类对通信技术的基本要求是：信息传递速度快，效率高，质量好，安全。为了实现高速传输，现代通信利用以光速传播的电磁波（包括电波和光波）来载荷信息（因此称为电气通信和光通信）。下图表示了通信系统的模型。2信息科学导论(1)信源信源是信息的生成源，是通信系统的始端。根据输出信息形式的不同，可把信息源划分为模拟信源和离散信源。模拟信源输出时间连续的幅度信号，如话音、黑白或彩色图像信号等。离散信源输出时间离散的符号序列，如数据、电报等。模拟信号可以通过抽样和量化过程转换为离散信号（常常成为“码”）。信源种类不同，它所产生的信号速率也不相同。例如，电传打字机总共产生32种离散符号，因此需要有5位二进制数字（5比特或5b）来表示。假设电传打字机产生符号的速率为10个符号/秒，则作为一个离散信源来说，它每秒能输出的二进制信息速率为50b/s（比特/秒）。12.1通信系统3信息科学导论（2）

编码器编码器介于信源与信道之间，它的功能是将信源输出转换成适合于信道传输的信号。编码器包括：信源编码器、信道编码器、安全编码器。有时，人们把调制器也看作是一种编码器。一般在模拟通信系统中的编码器仅包含调制器。当然，也可以把调制器（还有均衡器）看作是信道的一部分。12.1通信系统4信息科学导论(2)编码器信源编码器的功能是按照一定的规律将信源输出符号转换成编码输出符号，以提高通信系统的传输有效性。信道编码器的作用是按照一定的规律给信源编码符号增加保护符号，以增加信号抵抗干扰的能力。调制器的功能主要有：①将信道编码输出信号转换为便于传送的形式。如无线传输时必须将消息加载在高频上（频谱迁移）才能在自由空间发射出去。又如在数字电话中将连续信号变换为脉冲编码调制信号，以便于在数字信道中传输。②选择适当的调制方式，提高抗干扰能力。③选择适当的调制方式，有效利用频带资源。12.1通信系统5信息科学导论(3)信道信道是信号的传输媒介，它把调制器输出信号传送到接收端。传输媒介可以是有线，也可以是无线。传输设备内部总是存在热噪声，设备外部也总会存在各种干扰和衰落，它们统称为信道噪声。信道噪声在性质上主要有两种情形：与信号形成相加关系的加性噪声（如热噪声）；与信号形成相乘关系得噪声（如衰落）。为了获得最好的传输效果，应当针对不同的信道噪声选取不同的传输信号形式。(4)译码器译码器的作用是从信道编码信号中恢复消息，实现与编码器相反的功能。不过，由于存在干扰的作用，译码器与编码器的具体实现并非简单的互逆关系，而是变得更为复杂。12.1通信系统6信息科学导论5．信宿信宿是通信信息的归宿，其功能是接收信息。信源和信宿在工程技术上也称为通信终端，如电电话通信的电话机、移动通信的手机，电视传输的电视机、数据通信的数据设备、计算机通信的计算机等。在大多数场合下，通信的双方需要随时进行信息的交流，因而需要双向通信。以电话为例，通信双方都要同时具有发送设备和接收设备，双向都可独立进行发送和接收。为了使双向通信共享一条传输线路（称为双工），可采用频率或时间分割的方法来区分收发两个方向的信号，分别称频分双工（FrequencyDivisionDeplexing，FDD）和时分双工（TimeDivisionDeplexing，TDD）。12.1通信系统7信息科学导论按照不同分类准则，通信系统可以有不同的分类结果：1.按消息的物理特征分类有电报系统、电话系统、数据通信系统、图像通信系统等。2.按调制方式分类可将通信系统分为基带传输系统和调制传输系统。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话、数字信号基带传输等。调制传输是对各种信号进行调制以后再传输的总称。3.按传输信号的特征分类可分为模拟通信系统和数字通信系统。12.2通信系统分类8信息科学导论在点对点通信的场合，不需要交换系统。许多点对点通信系统（连同它们的终端设备）两两连接构成的通信网络称为全连接网。在这里，两用户之间双向传输需要两个通信系统，因此N个用户的全连接网需要N(N-1)个通信系统，在双向共享传输线路的情况时，需要铺设N(N-1)/2条线路。显然这很不经济。为了避免上述缺点，可以在通信节点之间设置转接设备（交换机）。这样形成的一种通信网如图所示。星型接入网12.3交换系统9信息科学导论现在普遍使用的交换技术有电路交换(CS：CircuitSwitching，)和分组交换（PS：PacketSwitching）两种。电路交换主要用在电话网中,电路交换在用户发起通信请求时，就在它们之间立即建立起一条专用传输通路，并在通信过程中一直保持着。分组交换技术广泛用于数据通信网中，在这里，所传信息被分割成数据块（称为分组，也叫包），信息以包为单位由信源送往信宿。数据在分组交换网中的传送采用存储转发方式。12.3交换系统10信息科学导论12.4通信网络将众多的通信系统按一定拓扑结构组合在一起，实现某一区域范围内任意两个终端用户的相互连通，就构成了通信网络。通信网络是通信系统的系统，由各种终端设备、交换设备、传输设备（包括复用器、连接器以及各种设备之间的传输线路）组成。除了这些硬件设备之外，还必须有控制和管理网络运行的软件（如标准、信令、协议）。为了使通信网络既能灵活地支持当前的业务，又能适应未来业务发展的需要，必须建立一种恰当的网络体系结构或规则。11信息科学导论12.4通信网络目前具有一定规模的三大通信网络是公众电话网（PSTN，也称市话网）、有线电视网（CATV）、计算机网：公众电话网虽可高质量地支持话音业务，但网络的效率不高，不能很好地支持高速数据和多媒体业务，难以满足快速发展的市场需求。有线电视网虽然实时性和宽带能力较好，但是不支持双向通信，无统一的技术标准和网络管理体系。目前基于IP网络来传输电视（IPTV）成为电信运营商和广播电视部门普遍看好的新业务。计算机网络能很好地支持数据业务，符合通信技术数字化的要求，但目前在支持话音和图象等通信业务方面，还需要进一步解决实时性、业务质量，安全性和高效管理等问题。从长远发展的角度看，各种网络在服务层次上融合形成智能信息网络是未来的发展方向。12信息科学导论12.4通信网络通信网分类（1）按业务分类可以将通信网划分为电话网、电报网、数据网、传真网、计算机网、广播电视网、蜂窝移动电话网、互联网（Internet）等。（2）

按传输手段分类可以分为电缆网、光纤网、短波通信网、微波中继网、卫星通信网和移动通信网等。（3）

按照传输信号的形式分类可分为模拟通信网、数字通信网和模拟/数字混合通信网。（4）

按使用范围分类按照网络覆盖的物理范围来划分，通信网络可以分为本地网、国内网和国际网。（5）

按运营模式分类通信网按运营方式不同可划分为公用网和专用网。（6）

按网络功能分类通信网的功能层次由几部分完成：传送网（包括骨干传送网和接入网）、业务网、支撑网（包括信令网、同步网和网络管理网）等。13信息科学导论（一）世界移动通信技术发展的五个阶段模拟蜂窝移动通信阶段改进完善阶段初级发展阶段早期发展阶段数字蜂窝移动通信阶段

12.4移动通信网14信息科学导论早期发展阶段时期：20世纪20年代至40年代。特点：专用系统，工作频率较低，数量少。初级发展阶段时期：40年代中期至60年代初期。特点：开始向公用移动通信网过渡，人工接续，网络容量较小。12.4移动通信网改进完善阶段时期：60年代中期至70年代中期。特点：大区制、中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。15信息科学导论模拟蜂窝阶段时期：70年代中期至80年代中期。特点：蜂窝网、小区制的蜂窝概念的新体制，实现了频率再利用，有效地解决了公用移动通信系统要求大容量与频率资源有限的矛盾，大大提高了系统容量。12.4移动通信网数字蜂窝阶段

GSM:时期：GSM系统1991年7月开始投入商用。代表:欧洲推出的泛欧数字移动通信网(GSM)体制特点：频谱利用率高，可大大提高系统容量。CDMA:时期：IS-95CDMA系统1995年投入运营。代表:美国高通公司设计特点：频谱利用率更高，系统容量更大。16信息科学导论（二）未来移动通信技术的发展手机成为综合信息平台更加普及技术融合与网络融合三、

移动通信与移动通信网

2010年全球用户达40亿。智能移动电话将是发展方向，移动电话不只是语音通信工具，将成为移动信息收集和处理平台。移动互联网将成为重要应用，固定电话网和移动网络将融合。12.4移动通信网17信息科学导论2008年6月国务院决定：中国电信运营商由六家（中国电信、中国移动、中国联通、中国网通、中国铁通和中国卫通）合并为三家。中国电信集团公司(ChinaUnitedTelecommunicationsCorp.，简称：中国电信集团)，业务范围：CDMA移动通信网+固定电话网+CDMA20003G网。中国联合网络通信集团公司（联通与原中国网通合并）(ChinaUnitedNetworkCommunicationsCorp.,简称：中国新联通集团)，业务范围：GSM移动通信网+固定电话网+WCDMA3G网。中国移动通信有限公司(ChinaMobileCommunicationsCorp.,简称：中国移动通信)（与原中国铁通合并），业务范围：GSM移动通信网+固定电话网+TD-SCDMA3G网。（注：中国卫星通信集团公司并入航天产业集团，退出电信运营行业。）（三）中国新三大移动通信网络运营商12.4移动通信网18信息科学导论（四）我国移动通信的技术进步2000年５月，我国提出的TD-SCDMA移动通信体制被国际电联确认为第三代移动通信三大国际标准之一。2002年启动后3G（B3G）技术开发（或称4G），重点攻关无线宽带、高速率、省电的移动通信新体制，争取在下一代移动通信技术方面能走在世界前列。12.4移动通信网19信息科学导论800MHz、900MHz频段：已分别分配给GSM和CDMA移动通信系统。

GSM系统：下行:（基站发、移动台收）935～960MHz上行:（移动台发、基站收）890～915MHzCDMA系统：下行：（基站发、移动台收）869～894MHz上行：（移动台发、基站收）824～849MHz1800MHz频段：

1710～1785MHz/1805～1880MHz和1865～1800MHz/1945～1960MHz2000MHz频段：第三代移动通信使用频段。下行：2110～2170MHz，2300~2400MHz上行：1900～1980MHz卫星移动通信业务段:1525～1530MHz，1610～1626.5MHz，1980～2010MHz，2170～2200MHz，2483.5～2500MHz，2500～2520MHz，2670～2690MHz1、移动通信系统的工作频段

（五）蜂窝移动通信系统12.4移动通信网20信息科学导论2.移动通信蜂窝结构至其他交换机服务区域交换机PSTN至其他PSTN移动通信系统（五）蜂窝移动通信系统基地台移动台移动交接中心12.4移动通信网21信息科学导论2.为什么要划分成“蜂窝”呢？

一个蜂窝内放置一个基站，即放置一台收、发信机，工作在某一频道。以当前的技术条件，一个频道内最多可容纳约30个用户。如果采用图（a）所示的大蜂窝，则在这一地区可以有30个用户接入。如果这一地区的人口密度特大，处在车站、机场等人流中心，那么就只有把蜂窝面积划小。每一个小蜂窝内都可以有30个人打电话，10个小蜂窝就可以增加至300人接入容量了，因而就将网络设计成图（b）所示的无线覆盖网络结构了。人口越密，蜂窝越小，微微蜂窝的直径只有几十米。（五）蜂窝移动通信系统12.4移动通信网22信息科学导论3.移动通信系统网络结构与功能

GSM数字蜂窝移动通信系统网络结构（五）蜂窝移动通信系统12.4移动通信网23信息科学导论基站收发信台BTS基站控制器BSC网络子系统NSS基站子系统BSS归属位置寄存器HLR鉴权中心AUC设备号识别寄存器EIR移动交换中心MSC访问位置寄存器VLR操作维护子系统OMS移动通信系统组成手机12.4移动通信网24信息科学导论移动通信要完成用户间的通信比固定通信要复杂得多。主要不同是它必须有两个数据库：访问位置寄存器（VLR）和归属位置寄存器（HLR）。所有处在交换机连接的各小区之内的手机用户，只要接通了电源，都将定时发信号和网络联系，并会将用户参数记录在所在区域的VLR中；网络也会不断发信号告之手机：现在处在何小区、何服务区，及有关参数等。用户识别和鉴权是负责审查用户合法性的功能模块。HLR是属于某一地区的数据库，记录本地区所有开户的手机用户数据，例如在武汉开户的手机用户数据都记录在武汉地区的HLR中。HLR与各地交换机之间通过七号信令网不间断联系、交换数据，各移动台的即时位置均须报告HLR并记录在案。3.移动通信系统网络结构与功能网络功能：12.4移动通信网25信息科学导论通信过程实例：

假设武汉某用户A漫游在北京奥运村，北京一移动用户B在飞机场呼叫A，其呼叫过程是如何建立呢?B拨出A的手机号码，号码由飞机场移动通信网络基站接收经基站控制器送机场交换机MSC1;MSC1经号码分析确认该号码为武汉用户之后，经七号信令网查询武汉的HLR;HLR告之A在北京的位置（假设属北京MSC2服务区中的Q蜂窝小区），之后，MSC1经信令网通知MSC2，由MSC2经BSC向正在Q小区中的A发起呼叫;A摘机，B、A便建立了一条数据链路，实现通话。

12.4移动通信网26信息科学导论1.集群移动通信

集群移动通信为大区制移动通信。由调度台、基站、移动台、控制中心组成。特点:

只有一个基站，天线高度为几十米至百余米，覆盖半径为30千米，发射机功率可高达200瓦。用户数约为几十至几百，最多可达数万。可以是车载台，也可是以手持台。它们可以与基站通信，也可通过基站与其它移动台及市话用户通信，基站与市站有线网连接。（六）移动通信的其他类型12.4移动通信网27信息科学导论2.卫星移动通信

卫星移动通信有多种体制，可采用赤道固定卫星，也可以采用中低轨道的多颗星座卫星转接。卫星移动通信的代表是铱星系统。铱星系统：是美国摩托罗拉公司提出的完全依靠卫星提供联络的全球个人通信方式，它能突破现有基于地面的蜂窝无线通信的局限，通过太空向任何地区、任何人提供语音、数据、传真及寻呼信息。铱星系统是由66颗由无线链路相连的卫星（外加6颗备用卫星）组成的一个空间网络。设计时原定发射77颗卫星，因铱原子外围有77个电子，故取名为铱卫星通信系统。（六）移动通信的其它类型12.4移动通信网28信息科学导论铱星系统在技术上获得了非凡的成功，但在市场上它竞争不过地面GSM、CDMA系统。铱星系统投入商业运行不到一年，1999年8月13日铱星公司向纽约联邦法院提出了破产保护。半年后的2000年3月18日，铱星公司正式破产。铱星手机铱星成了世界科技史上最了不起的、也是最可惜的科技项目之一!铱星后话：66颗卫星在天上自己飞了几年，于2001年被一家私募基金公司（PrivateEquity）以两千五百万美元的低价买下，不到铱星整个投资六十亿美元的1%。作为一个与摩托罗拉无关的私营公司，铱星居然起死回生，据报导2007年已实现近三亿美元的营业额和五千万的利润。12.4移动通信网29信息科学导论3.无绳电话

无绳电话是对于室内外慢速移动的手持终端的通信，特点是小功率、通信距离近、轻便。它们可以点到点通信，或者与市话用户进行单向或双方向的通信。（六）移动通信的其它类型12.4移动通信网30信息科学导论（一）GPS系统组成（由美国军方经营）

GPS系统由三大部分组成:GPS卫星星座、地面控制部分、用户部分——GPS信号接收机。GPS系统组成地面控制部分Text卫星星座TextTextGPS信号接收机Text12.5GPS系统31信息科学导论

1.GPS卫星星座在用GPS信号导航定位解算时，地面站为了计算三维坐标，必须观测4颗以上的GPS卫星，以获得定位星座。

GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内(每个轨道面4颗)，此外,还有4颗有源备份卫星在轨运行。

卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何座标图形，这就提供了在时间上连续的全球导航能力（一）GPS系统组成

12.5GPS系统32信息科学导论2.地面控制部分

地面控制部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站设在范登堡空军基地。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。

（一）GPS系统组成

12.5GPS系统33信息科学导论3.GPS信号接收机

主要功能:接收机跟踪、捕获卫星信号后，测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

（一）GPS系统组成

美国士兵使用的

GPS定位仪12.5GPS系统34信息科学导论（二）GPS系统的特点与应用

GPS系统的特点1定位精度高

功能多2观测时间短

3可提供三维坐标

4操作简便

5全天候

作业

12.5GPS系统35信息科学导论GPS系统的应用：

GPS系统的应用授时校频GPS时间系统Text导航

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