數(shù)字通信發(fā)展史

數(shù)字通信發(fā)展史

孟利民

第一頁(yè)，共二十九頁(yè)。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(xué)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(yè)，共二十九頁(yè)。1數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成部分第三頁(yè)，共二十九頁(yè)。2通信信道及其特征通信信道：在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)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(hào)通過任何信道傳輸中的一個(gè)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(hào)占有同頻帶時(shí)，可通過對(duì)發(fā)送信號(hào)和接收機(jī)中解調(diào)器的適當(dāng)設(shè)計(jì)來使它們的影響最小。信號(hào)在信道上傳輸時(shí)可能會(huì)遇到其他類型損傷，有：信號(hào)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(hào)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(hào)的功率電平。另一個(gè)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(jī)和接收機(jī)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(yè)，共二十九頁(yè)。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(jī)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(huì)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(bǔ)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(yè)，共二十九頁(yè)。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(gè)數(shù)量級(jí)?？商峁┫盗袑拵Х?wù)。在光纖通信系統(tǒng)中，發(fā)送機(jī)或調(diào)制器是一個(gè)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(bǔ)償信號(hào)衰減（在數(shù)字傳輸中，光由中繼器檢測(cè)和再生）。在接收機(jī)中，光的強(qiáng)度由光電二極管檢測(cè)，它的輸出電信號(hào)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(jì)，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(yè)，共二十九頁(yè)。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(yùn)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(zhǎng)的1/10更長(zhǎng)。

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(zhǎng)超過10Km，地球相當(dāng)于波導(dǎo)，特點(diǎn)：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(yè)）

第七頁(yè)，共二十九頁(yè)。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(jī)的熱噪聲是主要干擾。天波傳播是電離層對(duì)發(fā)送信號(hào)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(diǎn)：在白晝，太陽(yáng)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(yán)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(qiáng)大的AM無線電廣播電臺(tái)能夠通過無線層F層電離層傳播很遠(yuǎn)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(yè)，共二十九頁(yè)。在HF頻段范圍內(nèi)，電磁波經(jīng)由天波傳播時(shí)，經(jīng)常發(fā)生的問題是多徑。信號(hào)多徑將引起數(shù)字通信系統(tǒng)中的符號(hào)間干擾。而且，經(jīng)由不同傳播路徑到達(dá)的各信號(hào)分量會(huì)相互削弱，導(dǎo)致信號(hào)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(jìn)行電離層散射傳播，這是由較低電離層信號(hào)散射引起的。也可利用在40MHz~300MHz頻率范圍內(nèi)的對(duì)流層散射在幾百英里的距離通信。對(duì)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(hào)散射造成的。一般，電離層散射和對(duì)流層散射具有大的信號(hào)傳播損耗，要求發(fā)射機(jī)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(yè)，共二十九頁(yè)。

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(hào)反射的緣故。而且，除極低頻率外，電磁波在水下不能長(zhǎng)距離傳播，在低頻段的信號(hào)傳輸?shù)难由焓艿较拗疲驗(yàn)樗枰蟮那夜β蕪?qiáng)的發(fā)送機(jī)。第十頁(yè)，共二十九頁(yè)。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(hào)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(hào)。第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)。3通信信道的數(shù)學(xué)建模

信道的數(shù)學(xué)建模可用于發(fā)送機(jī)中的信道編碼器和調(diào)制器以及接收機(jī)中的解調(diào)器和信道譯碼器的設(shè)計(jì)。

加性噪聲信道

線性濾波器信道

線性時(shí)變?yōu)V波器信道第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)。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(xué)模型為加性高斯噪聲（AWGN——AdditiveWhiteGaussianNoise）。接收信號(hào)：

:衰減因子第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)。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(hào)不超過規(guī)定的帶寬限制，從而不會(huì)引起相互干擾，模型為：

是信道的沖擊響應(yīng)第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)。3-3線性時(shí)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(xué)上可以表征為時(shí)變線性濾波器，表征為時(shí)變沖擊響應(yīng)，這里是信道在時(shí)刻加入沖激而在時(shí)刻的響應(yīng)。表示“歷時(shí)，經(jīng)歷時(shí)間”變量。

這樣的信道如電離層和移動(dòng)蜂窩無線電信道。

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

上述描述的3中數(shù)學(xué)模型適當(dāng)?shù)乇碚髁藢?shí)際中絕大多數(shù)物理信道。第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)。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(bào)（變長(zhǎng)度信源碼）；1844年華盛頓——巴爾的摩電報(bào)演示；1858年第一條橫跨大西洋的越洋電報(bào)電纜建成；1875年E.Baudet發(fā)明定長(zhǎng)信源碼；1876年Bell申請(qǐng)電話專利；1877年建立Bell電話公司；第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)。1906年DeForest發(fā)明電子三極管放大；1915年實(shí)現(xiàn)橫跨美洲大陸的電話；二次大戰(zhàn)和經(jīng)濟(jì)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(jìn)制自動(dòng)交換；1960年Bell實(shí)驗(yàn)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(yè)，共二十九頁(yè)。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(chǎng)；1831年Faraday發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線作切割磁力線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流；1864年Maxwell提出電磁場(chǎng)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(cè)到150碼遠(yuǎn)發(fā)出的無線信號(hào)；

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

No.7777；同年公司改名為Marconi公司；1907年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)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(guó)Pittsburgh開通；第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)。在一次大戰(zhàn)中E.Armstrong發(fā)明超外差A(yù)M接收機(jī)；1933年E.Armstrong發(fā)明FM；1929年美國(guó)人Zworykin發(fā)明電視；1933年英國(guó)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(yè)，共二十九頁(yè)。1955年Bell實(shí)驗(yàn)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(guó)學(xué)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(yè)，共二十九頁(yè)。70年代末Bell實(shí)驗(yàn)室提出蜂窩式無線公眾移動(dòng)通信網(wǎng)；目前2G→3G→B3G；Clinton總統(tǒng)給R.Frenkiel

授獎(jiǎng)第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)。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(gè)符號(hào)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(cè)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(xué)者卡捷爾尼可夫（Kotelnikov）發(fā)展了信號(hào)的幾何表示理論，并建立了信號(hào)的潛在抗干擾理論；上世紀(jì)40年代，賴斯（O.Rice）關(guān)于隨機(jī)噪聲的數(shù)學(xué)研究；1948年Shannon建立信息論（通信的數(shù)學(xué)理論）1950年Hamming提出糾錯(cuò)編碼；之后在Shannon理論指導(dǎo)下，各種信道糾錯(cuò)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(kuò)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(yè)，共二十九頁(yè)。C.Shannon(1916-2001)第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)。4數(shù)字通信發(fā)展的回顧與展望（1）1837年電報(bào)——最早的數(shù)字通信系統(tǒng)S·莫爾斯（SamuelMorse)1875年電報(bào)碼——E·博多，等長(zhǎng)碼，傳號(hào)和空號(hào)（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(hào)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(yè)，共二十九頁(yè)。1928——哈特萊（Hartly)存在一個(gè)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(cè)估計(jì)期望的信號(hào)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(xué)理論，他對(duì)信源的信息含量采用了對(duì)數(shù)的度量。將發(fā)送機(jī)的功率限制、帶寬限制