北郵牛凱教授-信息工程導(dǎo)論課件-信息傳輸技術(shù)

信息(xìnxī)傳輸北京郵電大學(xué)信息與通信(tōngxìn)工程學(xué)院牛凱niukai@十一月24共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@2提綱(tígāng)一、通信發(fā)展簡史和展望二、通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)三、通信系統(tǒng)與信息論四、有線通信技術(shù)五、無線通信技術(shù)六、相關(guān)課程體系共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@3一、通信(tōngxìn)發(fā)展簡史和展望

農(nóng)業(yè)社會(物質(zhì)資源)

工業(yè)社會(能量資源)信息社會(信息資源)沒有物質(zhì)什麼都不存在，沒有能量什麼都不發(fā)生，沒有信息什麼都沒意義信息的重要特點信息可以無限次復(fù)制信息的共享和重復(fù)使用，不受時間和空間的限制通信——空間上傳輸信息共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@4一、通信(tōngxìn)發(fā)展簡史和展望1837年 莫爾斯發(fā)明有線電報1864年 馬科斯韋爾提出電磁場理論1875年 貝爾發(fā)明電話1887年 赫茲證明電磁波存在1918年 調(diào)幅無線電廣播、超外差接收機1936年 調(diào)頻無線電廣播開播1937年 發(fā)明脈沖編碼調(diào)制原理 1938年 電視廣播開播共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@51948年 發(fā)明晶體管；香農(nóng)提出了信息論1950年 時分多路通信應(yīng)用于電話1957年 發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星1958年 發(fā)射第一顆通信衛(wèi)星1960年 發(fā)明激光1961年 發(fā)明集成電路1962年 發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星； 脈沖編碼(biānmǎ)調(diào)制進入實用階段共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@61960－1970年 彩色電視問世；阿波羅宇宙飛船登月； 出現(xiàn)高速數(shù)字電子計算機1970－1980年 大規(guī)模集成電路(jíchéng-diànlù)、商用衛(wèi)星通信、 程控數(shù)字交換機、光纖通信系統(tǒng)、 微處理機等迅速發(fā)展1971年 投入使用阿帕網(wǎng)（APPANET）1980年～ 超大規(guī)模集成電路、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)1990年～ 因特網(wǎng)飛速發(fā)展；移動通信2000年～3G移動通信技術(shù)商用共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@7

通信發(fā)展的特點數(shù)字—模擬—數(shù)字限制—無限制

個人通信(5W)任何(rènhé)人在任何(rènhé)時間、任何(rènhé)地點，與任何(rènhé)對象互通任何(rènhé)信息5W：Whoever、Whenever、Wherever、Whomever、Whatever共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@8二、通信(tōngxìn)系統(tǒng)和通信(tōngxìn)網(wǎng)

通信系統(tǒng)指點對點通信所需的全部設(shè)施

通信網(wǎng)由許多通信系統(tǒng)組成的多點之間能互相通信的全部設(shè)施共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@9二、通信(tōngxìn)系統(tǒng)和通信(tōngxìn)網(wǎng)信息源信道發(fā)送設(shè)備受信者接收設(shè)備噪聲源發(fā)送端接收端通信系統(tǒng)模型共四十六頁二、通信(tōngxìn)系統(tǒng)和通信(tōngxìn)網(wǎng)2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@10發(fā)射機接收機單工通信雙工通信半雙工通信接收機發(fā)射機發(fā)射機接收機發(fā)射機接收機發(fā)射機接收機通信系統(tǒng)的工作模式共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@11通信網(wǎng)的構(gòu)成(gòuchéng)

通信網(wǎng)模型共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@12通信網(wǎng)的構(gòu)成(gòuchéng)

通信系統(tǒng)終端設(shè)備(編碼、譯碼)傳輸設(shè)備(信道)交換設(shè)備

－電路交換，如公眾電話網(wǎng)

優(yōu)點：實時、QoS高，缺點：信道利用率低

－分組交換，如Internet網(wǎng)

優(yōu)點：信道利用率高，缺點：實時和QoS不易保證

(QoS：QualityofService)共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@13通信網(wǎng)的構(gòu)成(gòuchéng)

信令和協(xié)議通信協(xié)議—通信標(biāo)準：

通信系統(tǒng)（網(wǎng)）中，各部分必須遵守的相關(guān)規(guī)定的文本形式

如：TCP/IP協(xié)議、GSM系統(tǒng)協(xié)議等（通信）信令

通信系統(tǒng)（網(wǎng)）中，各部分對相關(guān)協(xié)議的具體實現(xiàn)

如：隨路信令、公路信令（No.7信令)等共四十六頁2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@14三、通信(tōngxìn)系統(tǒng)與信息論信道信源譯碼器編碼器信宿噪聲信號信號加噪聲消息消息仙農(nóng)提出的通信系統(tǒng)模型共四十六頁三、通信(tōngxìn)系統(tǒng)與信息論數(shù)字通信的三項基本技術(shù)：數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)糾錯數(shù)據(jù)加密(jiāmì)信息論是關(guān)于通信系統(tǒng)優(yōu)化的理論。通信系統(tǒng)優(yōu)化的三項原則：有效性可靠性安全性2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@15Claud.E.Shannon(1916-2001)共四十六頁三、通信(tōngxìn)系統(tǒng)與信息論信息傳輸?shù)挠行?、可靠性和安全性；有效性用頻譜利用率來衡量。提高有效性的措施(cuòshī)是，采用信源編碼以壓縮碼率，采用頻譜利用率高的調(diào)制減小傳輸帶寬；可靠性用傳輸錯誤率來衡量。提高可靠性的措施是，采用信道編碼以降低錯誤率；安全性可通過信息的加密強度來衡量。提高安全性的措施是，采用強度高的加密和偽裝技術(shù)。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@16共四十六頁三、通信(tōngxìn)系統(tǒng)與信息論信息論是在概率論、隨機過程和通信技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的科學(xué)，可分為狹義信息論和廣義信息論；狹義信息論即仙農(nóng)信息論或經(jīng)典信息論。所研究的基本問題是：信源、信道及編碼問題，核心是三個編碼定理(dìnglǐ)；廣義信息論包括經(jīng)典信息論、信源編碼、信道編碼、近代信息論、統(tǒng)計通信理論、通信網(wǎng)理論、信號與信息處理、保密通信等。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@17共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.1ModemModulator/Demodulator調(diào)制解調(diào)器是在電話線帶寬(300~4000Hz)上，對數(shù)字信號進行調(diào)制解調(diào)的設(shè)備。從60年代～90年代，通信界花費了30多年的時間，在信息論的指導(dǎo)下，從簡單的FSK調(diào)制，到復(fù)雜的TCM編碼調(diào)制，終于在電話線信道上實現(xiàn)了逼近仙農(nóng)信道容量的信息(xìnxī)傳輸。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@18共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.1Modem右圖所示，是1962年Bell實驗室發(fā)明(fāmíng)的V.20/21Modem，波特率300/600Bd/s，比特率為600/1200bit/s。采用了簡單的2FSK/BPSK調(diào)制2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@19共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.1Modem右圖所示，是80年代發(fā)明的FaxModem，數(shù)據(jù)速率達到了14.4kbps。采用了智能撥號的方式，不用人工撥號，由Modem發(fā)送撥號信令，簡化(jiǎnhuà)了Modem的操作，并且集成了Fax功能。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@20共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.1Modem1982年，IBM蘇黎世研究院的學(xué)者Ungerboeck提出(tíchū)，將編碼調(diào)制進行聯(lián)合優(yōu)化，采用TCM方案，可以達到33.6kbit/s的數(shù)據(jù)速率，接近于仙農(nóng)信道容量。這是Modem技術(shù)的里程碑2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@21V.34ModemUngerboeckModem之父電話線信道容量：B=3.7KHz，SNR=1000(30dB)共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.2DSL(DigitalSubscriberLine)電話線Modem只能利用300～3400Hz的帶寬，數(shù)據(jù)速率難以進一步提高。為了進一步提高數(shù)據(jù)速率，DSLModem利用了電話線3.4KHz以上的頻段，可以從4KHz~4MHz。這樣，DSL的數(shù)據(jù)速率可以提高到256Kbps~40Mbps。DSL包括SDSL與ADSL，常見的設(shè)備采用(cǎiyòng)ADSL模式，即上下行不對稱方式，局端到用戶端速率高，反向速率低。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@22共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.2DSL(DigitalSubscriberLine)2024/11/17北京郵電大學(xué)信息(xìnxī)與通信工程學(xué)院niukai@23DSL連接示例共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.2DSL(DigitalSubscriberLine)DSL系統(tǒng)由Modem、DSLAM(DSLAccessMultiplexer)構(gòu)成。DSLModem完成(wánchéng)用戶端數(shù)字信號的調(diào)制/解調(diào)功能；DSLAM完成局端數(shù)字信號的復(fù)用/解復(fù)用功能。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@24ModemDSLAM共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.3以太網(wǎng)(Ethernet)以太網(wǎng)(802.3)常用雙絞線或同軸電纜進行信息傳輸。以太網(wǎng)技術(shù)最早由施樂(Xerox)公司于1973-1975年開發(fā)(kāifā)，只能達到2.94Mb/s的數(shù)據(jù)速率。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@25共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.3以太網(wǎng)(Ethernet)雙絞線與同軸電纜(tónɡzhóudiànlǎn)2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@26同軸電纜(Coaxialcable)雙絞線(CAT5)RJ45接頭(水晶頭)共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.3以太網(wǎng)(Ethernet)(1)早期(zǎoqī)實現(xiàn)10BASE，80年代標(biāo)準化，速率10Mbps；(2)快速以太網(wǎng)100BASE-T，90年代標(biāo)準化，速率100Mbps；(3)千兆以太網(wǎng)1000BASE-T，2000年標(biāo)準化，速率1Gbps；(4)萬兆以太網(wǎng)10GBASE-T，速率10Gbps；(5)100G以太網(wǎng)40/100GBASE，速率達到40/100Gbps。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@27共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.4光纖通信各種電信號對光波進行調(diào)制后，通過光纖進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，稱光纖通信。光纖通信不同于有線電通信，后者是利用金屬媒體傳輸信號，光纖通信則是利用透明的光纖傳輸光波。雖然光和電都是電磁波，但頻率范圍相差很大。一般通信電纜最高使用頻率約9-24兆赫(10^6Hz)，光纖工作頻率在10^14-10^15Hz之間。光纖通信最主要(zhǔyào)的優(yōu)點是：(1)容量大。(2)衰減小。(3)體積小，重量輕。(4)防干擾性能好。(5)節(jié)約有色金屬。(6)成本低。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@28共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.4光纖通信直至二十世紀中葉，光通信一直只是(zhǐshì)概念，缺乏相干光源（coherentlightsource），也沒有作為傳遞光信號的介質(zhì)。直到1960年代，激光（laser）的發(fā)明才解決了第一項難題。1970年代康寧公司（CorningGlassWorks）發(fā)展出高品質(zhì)低衰減的光纖則是解決了第二項問題，此時信號在光纖中傳遞的衰減量第一次低于光纖通信之父高錕所提出的每公里衰減20分貝（20dB/km）關(guān)卡，證明了光纖作為通信介質(zhì)的可能性。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@29高錕，光纖之父，2009年Nobel物理獎得主共四十六頁四、有線通信(tōngxìn)技術(shù)4.4光纖通信第一個商用光纖通信系統(tǒng)(xìtǒng)在1980年問世，傳輸速率45Mb/s，每10公里需要一個中繼器增強信號。第二代商用光纖通信系統(tǒng)，傳輸速率1.7Gb/s，間隔50公里才需要一個中繼器增強信號。第三代的光纖通信系統(tǒng)傳輸速率達到2.5Gb/s，中繼器間隔可達100公里。第四代光纖通信系統(tǒng)引進了光放大器與WDM技術(shù)，傳輸速率可達10~14Tb/s，每隔160公里才需要一個中繼器。第五代光纖通信系統(tǒng)擴展WDM波長范圍，引進光孤子（opticalsoliton）的概念。現(xiàn)在的發(fā)展前沿就是全光網(wǎng)絡(luò)了，使光通信完全代替電信號通訊系統(tǒng)。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@30共四十六頁五、無線通信技術(shù)(jìshù)5.1移動通信(tōngxìn)技術(shù)移動通信技術(shù)發(fā)端于60年代，最早由Bell實驗室發(fā)明，80年代，第一代移動通信技術(shù)商用，90年代，第二代移動通信體制大規(guī)模商用，2000年以來，第三代移動通信技術(shù)全球應(yīng)用，2008年以來，第四代移動通信系統(tǒng)啟動商用化。目前正在進行第五代移動通信技術(shù)的研究與標(biāo)準化。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@31共四十六頁2024/11/1732五、無線通信技術(shù)(jìshù)資源：無線頻率、政策法規(guī)(行業(yè)標(biāo)準)業(yè)務(wù)：能提供的服務(wù)、所需要(xūyào)的服務(wù)技術(shù)：傳輸能力、接入手段、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)不同時期、不同系統(tǒng)、不同應(yīng)用重點要面對的問題和受到的驅(qū)動力是不同的。移動通信發(fā)展的驅(qū)動力5.1移動通信技術(shù)共四十六頁五、無線通信技術(shù)(jìshù)無線摩爾定律：無線數(shù)據(jù)傳輸速率指數(shù)(zhǐshù)增長，傳輸速率增長1倍/12個月2024/11/1733共四十六頁2024/11/1734五、無線通信技術(shù)(jìshù)第一代移動通信(AMPS,TACS)希望在移動中通話，在通話中移動——業(yè)務(wù)驅(qū)動技術(shù)(jìshù)特點：蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)，解決了無線資源不夠和區(qū)域覆蓋問題位置管理，解決了用戶移動下的主叫和被叫問題漫游和越區(qū)切換，解決了在移動中通話的問題20世紀60年代—70年代—80年代共四十六頁2024/11/1735五、無線通信技術(shù)(jìshù)第二代移動通信(tōngxìn)技術(shù)(GSM,IS-95)數(shù)字信號處理技術(shù)的有效應(yīng)用和發(fā)展——技術(shù)驅(qū)動標(biāo)準化初期到應(yīng)用，主要是通話，業(yè)務(wù)沒明顯改變。技術(shù)特點：數(shù)字化：信號數(shù)字處理、業(yè)務(wù)數(shù)字處理、信令數(shù)字處理高效調(diào)制，信道均衡，多信道并行小型化：手機，從1kg→500g→200g→

基站，從墻式→柜式→掛壁式→多用戶：宏區(qū)、小區(qū)、微區(qū)、微小區(qū)覆蓋、時分、碼分。(效率提高)20世紀80年代—90年代—21世紀前10年共四十六頁2024/11/1736五、無線通信技術(shù)(jìshù)第三代移動通信技術(shù)(WCDMA/cdma2000/TD-SCDMA)IP網(wǎng)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展和應(yīng)用——業(yè)務(wù)驅(qū)動數(shù)字業(yè)務(wù)、IP業(yè)務(wù)、音視頻業(yè)務(wù)會逐步成為主流業(yè)務(wù)技術(shù)特點：自適應(yīng)技術(shù)：調(diào)制自適應(yīng)，編碼自適應(yīng)，接入自適應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：分組連接，多網(wǎng)連接。業(yè)務(wù)技術(shù)：業(yè)務(wù)分類(fēnlèi)，編碼組幀，數(shù)據(jù)壓縮。共四十六頁2024/11/1737五、無線通信技術(shù)(jìshù)移動(yídòng)通信技術(shù)演進共四十六頁2024/11/1738五、無線通信技術(shù)(jìshù)第四代移動通信技術(shù)(LTE-Advanced/802.16m)高速、高效(ɡāoxiào)、高信息量的新型移動通信——技術(shù)驅(qū)動高效傳輸，提高頻譜效率高效覆蓋，提高功率效率高效接入，提高網(wǎng)絡(luò)效率高速：100Mbps~1Gbps，高效：10~20bit/Hz/s高信息量：音視頻同時提供。共四十六頁2024/11/1739五、無線通信技術(shù)(jìshù)移動(yídòng)通信技術(shù)的發(fā)展路線NarrowbandPointfrequencyVehicularVideoIntegratedAnalogWidebandBroadbandDigitalSmart4GVoice1GData3G2GIPmediaPervasive/UniversalMobileCommunication5GCloudRAN/CognitiveRadioSmartService/BigDATA/MobileSocialNetwork共四十六頁五、無線通信技術(shù)(jìshù)5.2微波通信微波通信(MicrowaveCommunication)，是使用波長在0.1毫米至1米之間的電磁波——微波進行的通信。微波通信不需要固體介質(zhì)，當(dāng)兩點間直線距離內(nèi)無障礙時就可以使用微波傳送。微波通信是國家通信網(wǎng)的一種重要手段，也普遍適用于各種(ɡèzhǒnɡ)專用通信網(wǎng)。2024/11/17北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院niukai@40微波通信塔架及天線共四十六頁五、無線通信技術(shù)(jìshù)5.3衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信是地球上(包括地面和低層大氣中)的無線電通信站間利用衛(wèi)星作為中繼而進行的通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星和地球站兩部分組成。衛(wèi)星通信的特點是：(1)通信范圍大；(2)靈活實現(xiàn)廣播、多