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1、数字通信发展史孟 利 民,内容提要,1 数字通信系统的基本组成部分2 通信信道及其特征3 通信信道的数学建模4 数字通信发展的回顾与展望,1 数字通信系统的基本组成部分,2 通信信道及其特征,通信信道：在发送机和接收机之间提供的连接。有：明线、光纤、水声信道、自由空间、存贮信道等。在信号通过任何信道传输中的一个共同的问题是加性噪声。加性噪声主要是热噪声。其他噪声和干扰源也许是系统外面引起的，例如：来自信道上其他用户的干扰。这样的噪声和干扰与期望的信号占有同频带时，可通过对发送信号和接收机中解调器的适当设计来使它们的影响最小。信号在信道上传输时可能会遇到其他类型损伤，有：信号衰减、幅度和相位失真
2、、多径失真等。功率和带宽的限制：可以通过增加发送信号功率的方法使噪声的影响最小。然而，设备和其他因素限制了发送信号的功率电平。另一个基本的限制是可用的信道带宽。带宽的限制通常是由于媒质以及发送机和接收机中组成器件和部件的物理限制产生的。这两种因素限制了在任何通信信道上能可靠传输的数据量。,2-1 有线信道,双绞线和同轴电缆是基本的导向电磁信道，它能够提供比较适度的带宽。用户中心机房的电话线（几百KHz)，同轴电缆的可用带宽是几兆赫兹(MHz)。特性：幅度和相位都会发生失真，还受到加性噪声的恶化。双绞线信道还易受到来自物理邻近信道的串音干扰，必须采取措施补偿信道的幅度和相位失真。左图为导向有线信
3、道的频率范围,2-2 光纤信道,光纤提供的信道带宽比同轴电缆信道大几个数量级。可提供系列宽带服务。在光纤通信系统中，发送机或调制器是一个光源，或者是发光二极管（LED），或者是激光。光像光波一样通过光纤传播，并沿着传输路径被周期性放大以补偿信号衰减（在数字传输中，光由中继器检测和再生）。在接收机中，光的强度由光电二极管检测，它的输出电信号的变化直接与照射到光电二极管上的光的功率成正比。光纤信道中的噪声源是光电二极管和电子放大器。可以预见，在新的世纪，光纤信道将代替电话网络中几乎所有的有线信道。,2-3 无线电磁信道,在无线通信系统中，电磁能是通过作为辐射器的天线耦合到传输媒质的。天线的物理尺寸
4、和配置主要决定于运行的频率。为了获得有效的电磁能量的辐射，天线必须比波长的1/10更长。自由空间中电磁波传播的模式：地波传播、天波传播、视线传播。在VLF和音频段，其波长超过10Km，地球相当于波导，特点：地波传播，用作导航，带宽较小。左图为无线电磁信道的频率范围（接下一页）,MF（0.3MHz3MHz）：主要用于AM广播，范围150Km，在MF频段，大气噪声、人为噪声和接收机的热噪声是主要干扰。天波传播是电离层对发送信号的反射形成的。电离层由位于地球表面之上的50Km400Km范围中的带电粒子组成。特点：在白昼，太阳使较低大气层加热，引起高度在120Km以下的电离层的形成，这些较低的层，特别
5、是D层，吸收2MHz以下的频率，因此严重地限制了AM无线电广播的天波传播。然而，在夜晚，较低层的电离层中的电子密度急剧下降，而且白天发生的频率吸收现象明显减少。因此，功率强大的AM无线电广播电台能够通过无线层F层电离层传播很远的距离，F层电离层位于地球表面之上140Km400Km范围之内。,2-3 无线电磁信道,在HF频段范围内，电磁波经由天波传播时，经常发生的问题是多径。信号多径将引起数字通信系统中的符号间干扰。而且，经由不同传播路径到达的各信号分量会相互削弱，导致信号衰落的现象。在夜晚，天波是主要的传播模式，HF频段的热噪声是大气噪声和热噪声的组合。在大约30 MHz之上的频率，即HF频段
6、的边缘，就不存在天波电离层传播，然而，在30M60MHz的频段，有可能进行电离层散射传播，这是由较低电离层信号散射引起的。也可利用在40MHz300MHz频率范围内的对流层散射在几百英里的距离通信。对流层散射是由在10英里或更低高度大气层中的粒子引起的信号散射造成的。一般，电离层散射和对流层散射具有大的信号传播损耗，要求发射机功率大和比较大的天线。LOS传播，Km,TV装在300Km高的塔上，覆盖范围为67Km,2-3 无线电磁信道,2-4 水声信道,数据由水下传感器发送到海洋表面。表面深度，以Hz为单位，以m为单位。水声信道可以表征为多径信道，这是由于海洋表面和底部的信号反射的缘故。而且，除
7、极低频率外，电磁波在水下不能长距离传播，在低频段的信号传输的延伸受到限制，因为它需要大的且功率强的发送机。,2-5 存贮信道,磁带、磁盘、光盘等都可以表征为通信信道。在磁带或磁盘或光盘上存贮数据的过程，等效于在电话或在天线信道上发送数据。回读过程以及在存贮系统中恢复所存贮的数据的信号处理等效于在电话和无线通信系统中恢复发送信号。,3 通信信道的数学建模,信道的数学建模可用于发送机中的信道编码器和调制器以及接收机中的解调器和信道译码器的设计。加性噪声信道 线性滤波器信道 线性时变滤波器信道,3-1 加性噪声信道,如果主要由热噪声引起，则可表征为高斯噪声，因此，该信道的数学模型为加性高斯噪声（AW
8、GNAdditive White Gaussian Noise）。接收信号：:衰减因子,3-2 线性滤波器信道,加性噪声信道 带有加性噪声的线性滤波器信道,如有线电话信道，采用滤波器来保证传输信号不超过规定的带宽限制，从而不会引起相互干扰，模型为：是信道的冲击响应,3-3 线性时变滤波器信道,如水声信道和电离层无线信道，为多径传播，这类物理信道在数学上可以表征为时变线性滤波器，表征为时变冲击响应，这里 是信道在 时刻加入冲激而在时刻 的响应。表示“历时，经历时间”变量。这样的信道如电离层和移动蜂窝无线电信道。图：带有加性噪声的时变滤波器信道令 表示 条多径传播路径上可能的时变衰减因子，是相应的
9、时延，则 上述描述的3中数学模型适当地表征了实际中绝大多数物理信道。,4 数字通信发展的回顾与展望-有线通信的历史,1799年 Volta 发明电池；1837年 S.Morse发明电报（变长度信源码）；1844年 华盛顿巴尔的摩电报演示；1858年 第一条横跨大西洋的越洋电报电缆建成；1875年 E.Baudet发明定长信源码；1876年 Bell申请电话专利；1877年 建立Bell电话公司；,1906年 De Forest发明电子三极管放大；1915年 实现横跨美洲大陆的电话；二次大战和经济大萧条推迟了越洋电话业务；1953年 建立第一条横越大西洋电话电缆；1897年 Strowger发明
10、步进制自动交换；1960年 Bell实验室发明数字交换；在过去50年中电话有极大发展，光纤代替铜缆；,4 数字通信发展的回顾与展望无线通信的历史,1820年 Oersted 发现电流产生磁场；1831年 Faraday发现导线作切割磁力线运动产生感应电流；1864年 Maxwell提出电磁场方程，预言电磁波存在；,1894年 O.Lodge发明粉末检波器，在牛津检测到150码远发出的无线信号；,1895年 Marconi 发明的无线电报，传输2公里；1897年 Marconi申请无线电报专利，建立无线电 报公司；1901年12月12日 Marconi在加拿大纽芬兰岛收到 从英国Cornwall
11、发出的无线信号，传输距 离1700mile.1900年 专利调谐电话获得批准，专利号为 No.7777；同年公司改名为Marconi公司；1907年 获诺贝尔物理奖,1904年 Flemin发明电子二极管；1906年 De Forest发明电子三极管放大；1920年 AM广播在美国Pittsburgh开通；,在一次大战中 E.Armstrong发明超外差AM接收机；1933年 E.Armstrong发明FM；1929年 美国人Zworykin发明电视；1933年 英国BBC广播电视开通；近50年来通信的发展 1947年 Brattain,Bardeen,Shockley发明晶体管；,W.SHO
12、CKLEY(1910-1989),J.BARDEEN(1908-1991),W.H.BRATTAIN(1902-1987),1955年 Bell实验室皮尔斯（Pirece）提出卫星通信；1962年 Telstar I卫星发射，转播欧、美之间电视广播；1965年 发射商用通信卫星；1958年 Townes,Schawlow发明激光；1966年 英国学者高昆（）与霍克汗姆（）预言光 纤损耗可以降到20db/km以下，使光纤通信成为可能；1958年 Kilby发明集成电路；,70年代末 Bell实验室提出蜂窝式无线公众移动通信网；目前2G3GB3G；,Clinton总统給R.Frenkiel 授奖,
13、通信系统理论 1924年 奈奎斯特（Nyquist）研究表明带宽为W的信道最多可以支持 每秒2W个符号的无码间干扰传输，现代数字通信的开端。1928年 维纳（Wiener）提出滤波理论和预测理论，奠定了控制论；1943年 诺斯（D.O.North）提出了匹配滤波器理论；1947年 苏联学者卡捷尔尼可夫（Kotelnikov）发展了信号的几何表 示理论，并建立了信号的潜在抗干扰理论；上世纪40年代，赖斯（O.Rice）关于随机噪声的数学研究；1948年 Shannon建立信息论（通信的数学理论）1950年 Hamming提出纠错编码；之后在Shannon理论指导下，各种信道纠错编码，信源压缩编码
14、，调制方式，多用户通信理论，网络理论，扩谱理论，多天线理论，合作通信理论等蓬勃发展起来；,C.Shannon(1916-2001),4 数字通信发展的回顾与展望（1）,1837年 电报最早的数字通信系统 S莫尔斯（Samuel Morse)1875年 电报码E博多，等长码，传号和空号（Emile Baudot)1924年奈奎斯特（Nyquist）在数字通信中起重要作用 指出：最大脉冲速率是2 脉冲/秒，：表示带宽 采样脉冲：1948香农（Shannon)带宽为 的信号可以由它以Nyquist速率 2 样值/秒抽样的样值。通过下列插值公式重构：,1928哈特莱（Hartly)存在一个能在带限信道
15、上可靠通信的最大数据速 率1942维纳（Winer)线性维纳滤波 用来观测估计期望的信号波形 可以得到最好的均方近似哈特莱和Nyquist关于数字信息最大传输速率的研究成果是香农研究工作的先导，是通信中的数学理论，他对信源的信息含量采用了对数的度量。将发送机的功率限制、带宽限制和加性噪声的影响和信道联系起来，用信道容量描述：信道容量的含义如下：如果信源的信息速率R小于C（RC)，那么采用适当的编码达到在信道上可靠（无差错）地传输在理论上是可能的。开创了信息论的纪元。,4 数字通信发展的回顾与展望（2）,4 数字通信发展的回顾与展望（3）,1947科捷利尼科夫（Kotelnikov）用几何的方法去分析数字通信系统1958集成电路的发展使得数字通信系统更加有效，也更加可靠。1966福尼（Forney)级联码 伯尔坎姆-马西(Berlekamp-Massey)算法 BCH码,4 数字通信发展的回顾与展望（4）,
