數(shù)字通信發(fā)展史

數(shù)字通信發(fā)展史

孟利民

第一頁，共二十九頁。內(nèi)容提要1數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成部分2通信信道及其特征3通信信道的數(shù)學建模4數(shù)字通信發(fā)展的回顧與展望/view/07ae51ef5ef7ba0d4a733b38.html/view/41f04867f5335a8102d220e5.html第二頁，共二十九頁。1數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成部分第三頁，共二十九頁。2通信信道及其特征通信信道：在發(fā)送機和接收機之間提供的連接。有：明線、光纖、水聲信道、自由空間、存貯信道等。在信號通過任何信道傳輸中的一個共同的問題是加性噪聲。加性噪聲主要是熱噪聲。其他噪聲和干擾源也許是系統(tǒng)外面引起的，例如：來自信道上其他用戶的干擾。這樣的噪聲和干擾與期望的信號占有同頻帶時，可通過對發(fā)送信號和接收機中解調(diào)器的適當設(shè)計來使它們的影響最小。信號在信道上傳輸時可能會遇到其他類型損傷，有：信號衰減、幅度和相位失真、多徑失真等。功率和帶寬的限制：可以通過增加發(fā)送信號功率的方法使噪聲的影響最小。然而，設(shè)備和其他因素限制了發(fā)送信號的功率電平。另一個基本的限制是可用的信道帶寬。帶寬的限制通常是由于媒質(zhì)以及發(fā)送機和接收機中組成器件和部件的物理限制產(chǎn)生的。這兩種因素限制了在任何通信信道上能可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。第四頁，共二十九頁。2-1有線信道雙絞線和同軸電纜是基本的導(dǎo)向電磁信道，它能夠提供比較適度的帶寬。用戶—中心機房的電話線（幾百KHz)，同軸電纜的可用帶寬是幾兆赫茲(MHz)。特性：幅度和相位都會發(fā)生失真，還受到加性噪聲的惡化。雙絞線信道還易受到來自物理鄰近信道的串音干擾，必須采取措施補償信道的幅度和相位失真。左圖為導(dǎo)向有線信道的頻率范圍第五頁，共二十九頁。2-2光纖信道光纖提供的信道帶寬比同軸電纜信道大幾個數(shù)量級?？商峁┫盗袑拵Х?wù)。在光纖通信系統(tǒng)中，發(fā)送機或調(diào)制器是一個光源，或者是發(fā)光二極管（LED），或者是激光。光像光波一樣通過光纖傳播，并沿著傳輸路徑被周期性放大以補償信號衰減（在數(shù)字傳輸中，光由中繼器檢測和再生）。在接收機中，光的強度由光電二極管檢測，它的輸出電信號的變化直接與照射到光電二極管上的光的功率成正比。光纖信道中的噪聲源是光電二極管和電子放大器?？梢灶A(yù)見，在新的世紀，光纖信道將代替電話網(wǎng)絡(luò)中幾乎所有的有線信道。第六頁，共二十九頁。2-3無線電磁信道在無線通信系統(tǒng)中，電磁能是通過作為輻射器的天線耦合到傳輸媒質(zhì)的。天線的物理尺寸和配置主要決定于運行的頻率。為了獲得有效的電磁能量的輻射，天線必須比波長的1/10更長。

自由空間中電磁波傳播的模式：地波傳播、天波傳播、視線傳播。在VLF和音頻段，其波長超過10Km，地球相當于波導(dǎo)，特點：地波傳播，用作導(dǎo)航，帶寬較小。左圖為無線電磁信道的頻率范圍（接下一頁）

第七頁，共二十九頁。MF（0.3MHz~3MHz）：主要用于AM廣播，范圍150Km，在MF頻段，大氣噪聲、人為噪聲和接收機的熱噪聲是主要干擾。天波傳播是電離層對發(fā)送信號的反射形成的。電離層由位于地球表面之上的50Km~400Km范圍中的帶電粒子組成。特點：在白晝，太陽使較低大氣層加熱，引起高度在120Km以下的電離層的形成，這些較低的層，特別是D層，吸收2MHz以下的頻率，因此嚴重地限制了AM無線電廣播的天波傳播。然而，在夜晚，較低層的電離層中的電子密度急劇下降，而且白天發(fā)生的頻率吸收現(xiàn)象明顯減少。因此，功率強大的AM無線電廣播電臺能夠通過無線層F層電離層傳播很遠的距離，F(xiàn)層電離層位于地球表面之上140Km~400Km范圍之內(nèi)。2-3無線電磁信道第八頁，共二十九頁。在HF頻段范圍內(nèi)，電磁波經(jīng)由天波傳播時，經(jīng)常發(fā)生的問題是多徑。信號多徑將引起數(shù)字通信系統(tǒng)中的符號間干擾。而且，經(jīng)由不同傳播路徑到達的各信號分量會相互削弱，導(dǎo)致信號衰落的現(xiàn)象。在夜晚，天波是主要的傳播模式，HF頻段的熱噪聲是大氣噪聲和熱噪聲的組合。在大約30

MHz之上的頻率，即HF頻段的邊緣，就不存在天波電離層傳播，然而，在30M~60MHz的頻段，有可能進行電離層散射傳播，這是由較低電離層信號散射引起的。也可利用在40MHz~300MHz頻率范圍內(nèi)的對流層散射在幾百英里的距離通信。對流層散射是由在10英里或更低高度大氣層中的粒子引起的信號散射造成的。一般，電離層散射和對流層散射具有大的信號傳播損耗，要求發(fā)射機功率大和比較大的天線。LOS傳播，

Km,TV裝在300Km高的塔上，覆蓋范圍為67Km2-3無線電磁信道第九頁，共二十九頁。

2-4水聲信道數(shù)據(jù)由水下傳感器發(fā)送到海洋表面。表面深度，以Hz為單位，

以m為單位。水聲信道可以表征為多徑信道，這是由于海洋表面和底部的信號反射的緣故。而且，除極低頻率外，電磁波在水下不能長距離傳播，在低頻段的信號傳輸?shù)难由焓艿较拗?，因為它需要大的且功率強的發(fā)送機。第十頁，共二十九頁。2-5存貯信道磁帶、磁盤、光盤等都可以表征為通信信道。在磁帶或磁盤或光盤上存貯數(shù)據(jù)的過程，等效于在電話或在天線信道上發(fā)送數(shù)據(jù)?；刈x過程以及在存貯系統(tǒng)中恢復(fù)所存貯的數(shù)據(jù)的信號處理等效于在電話和無線通信系統(tǒng)中恢復(fù)發(fā)送信號。第十一頁，共二十九頁。3通信信道的數(shù)學建模

信道的數(shù)學建?？捎糜诎l(fā)送機中的信道編碼器和調(diào)制器以及接收機中的解調(diào)器和信道譯碼器的設(shè)計。

加性噪聲信道

線性濾波器信道

線性時變?yōu)V波器信道第十二頁，共二十九頁。3-1加性噪聲信道如果主要由熱噪聲引起，則可表征為高斯噪聲，因此，該信道的數(shù)學模型為加性高斯噪聲（AWGN——AdditiveWhiteGaussianNoise）。接收信號：

:衰減因子第十三頁，共二十九頁。3-2線性濾波器信道

加性噪聲信道

帶有加性噪聲的線性濾波器信道如有線電話信道，采用濾波器來保證傳輸信號不超過規(guī)定的帶寬限制，從而不會引起相互干擾，模型為：

是信道的沖擊響應(yīng)第十四頁，共二十九頁。3-3線性時變?yōu)V波器信道如水聲信道和電離層無線信道，為多徑傳播，這類物理信道在數(shù)學上可以表征為時變線性濾波器，表征為時變沖擊響應(yīng)，這里是信道在時刻加入沖激而在時刻的響應(yīng)。表示“歷時，經(jīng)歷時間”變量。

這樣的信道如電離層和移動蜂窩無線電信道。

圖：帶有加性噪聲的時變?yōu)V波器信道令表示條多徑傳播路徑上可能的時變衰減因子，是相應(yīng)的時延，則

上述描述的3中數(shù)學模型適當?shù)乇碚髁藢嶋H中絕大多數(shù)物理信道。第十五頁，共二十九頁。4數(shù)字通信發(fā)展的回顧與展望--有線通信的歷史1799年Volta發(fā)明電池；1837年S.Morse發(fā)明電報（變長度信源碼）；1844年華盛頓——巴爾的摩電報演示；1858年第一條橫跨大西洋的越洋電報電纜建成；1875年E.Baudet發(fā)明定長信源碼；1876年Bell申請電話專利；1877年建立Bell電話公司；第十六頁，共二十九頁。1906年DeForest發(fā)明電子三極管放大；1915年實現(xiàn)橫跨美洲大陸的電話；二次大戰(zhàn)和經(jīng)濟大蕭條推遲了越洋電話業(yè)務(wù)；

1953年建立第一條橫越大西洋電話電纜；1897年Strowger發(fā)明步進制自動交換；1960年Bell實驗室發(fā)明數(shù)字交換；在過去50年中電話有極大發(fā)展，光纖代替銅纜；

第十七頁，共二十九頁。4數(shù)字通信發(fā)展的回顧與展望—無線通信的歷史1820年Oersted

發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生磁場；1831年Faraday發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線作切割磁力線運動產(chǎn)生感應(yīng)電流；1864年Maxwell提出電磁場方程，預(yù)言電磁波存在；1894年O.Lodge發(fā)明粉末檢波器，在牛津檢測到150碼遠發(fā)出的無線信號；

第十八頁，共二十九頁。1895年Marconi發(fā)明的無線電報，傳輸2公里；1897年Marconi申請無線電報專利，建立無線電報公司；1901年12月12日Marconi在加拿大紐芬蘭島收到從英國Cornwall發(fā)出的無線信號，傳輸距離1700mile.1900年專利《調(diào)諧電話》獲得批準，專利號為

No.7777；同年公司改名為Marconi公司；1907年獲諾貝爾物理獎1904年Flemin發(fā)明電子二極管；1906年DeForest發(fā)明電子三極管放大；1920年AM廣播在美國Pittsburgh開通；第十九頁，共二十九頁。在一次大戰(zhàn)中E.Armstrong發(fā)明超外差A(yù)M接收機；1933年E.Armstrong發(fā)明FM；1929年美國人Zworykin發(fā)明電視；1933年英國BBC廣播電視開通；近50年來通信的發(fā)展

1947年Brattain,Bardeen,Shockley發(fā)明晶體管；

W.SHOCKLEY(1910-1989)J.BARDEEN(1908-1991)W.H.BRATTAIN(1902-1987)第二十頁，共二十九頁。1955年Bell實驗室皮爾斯（Pirece）提出衛(wèi)星通信；1962年TelstarI衛(wèi)星發(fā)射，轉(zhuǎn)播歐、美之間電視廣播；1965年發(fā)射商用通信衛(wèi)星；1958年Townes,Schawlow發(fā)明激光；1966年英國學者高昆（K.C.Kao）與霍克汗姆（G.A.Hockham）預(yù)言光纖損耗可以降到20db/km以下，使光纖通信成為可能；1958年Kilby發(fā)明集成電路；第二十一頁，共二十九頁。70年代末Bell實驗室提出蜂窩式無線公眾移動通信網(wǎng)；目前2G→3G→B3G；Clinton總統(tǒng)給R.Frenkiel

授獎第二十二頁，共二十九頁。通信系統(tǒng)理論

1924年奈奎斯特（Nyquist）研究表明帶寬為W的信道最多可以支持每秒2W個符號的無碼間干擾傳輸，現(xiàn)代數(shù)字通信的開端。1928年維納（Wiener）提出濾波理論和預(yù)測理論，奠定了控制論；1943年諾斯（D.O.North）提出了匹配濾波器理論；1947年蘇聯(lián)學者卡捷爾尼可夫（Kotelnikov）發(fā)展了信號的幾何表示理論，并建立了信號的潛在抗干擾理論；上世紀40年代，賴斯（O.Rice）關(guān)于隨機噪聲的數(shù)學研究；1948年Shannon建立信息論（通信的數(shù)學理論）1950年Hamming提出糾錯編碼；之后在Shannon理論指導(dǎo)下，各種信道糾錯編碼，信源壓縮編碼，調(diào)制方式，多用戶通信理論，網(wǎng)絡(luò)理論，擴譜理論，多天線理論，合作通信理論等蓬勃發(fā)展起來；

第二十三頁，共二十九頁。C.Shannon(1916-2001)第二十四頁，共二十九頁。4數(shù)字通信發(fā)展的回顧與展望（1）1837年電報——最早的數(shù)字通信系統(tǒng)S·莫爾斯（SamuelMorse)1875年電報碼——E·博多，等長碼，傳號和空號（EmileBaudot)1924年——奈奎斯特（Nyquist）在數(shù)字通信中起重要作用指出：最大脈沖速率是2

脈沖/秒，：表示帶寬

采樣脈沖：1948——香農(nóng)（Shannon)帶寬為的信號可以由它以Nyquist速率2

樣值/秒抽樣的樣值。通過下列插值公式重構(gòu)：

第二十五頁，共二十九頁。1928——哈特萊（Hartly)存在一個能在帶限信道上可靠通信的最大數(shù)據(jù)速率1942——維納（Winer)線性維納濾波用來觀測估計期望的信號波形可以得到最好的均方近似哈特萊和Nyquist關(guān)于數(shù)字信息最大傳輸速率的研究成果是香農(nóng)研究工作的先導(dǎo)，是通信中的數(shù)學理論，他對信源的信息含量采用了對數(shù)的度量。將發(fā)送機的功率限制、帶寬限制