现代通信技术.docx
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现代通信技术
现代通信技术
主要表现
现代通信技术的进步，主要表现在数字程控交换技术、光纤通信、卫星通信、智能终端等方面，而覆盖全球的个人通信则是通信技术的发展方向。
数字程控交换技术
交换机
两部电话机用一对导线连接起来，就能实现两个用户间的通话。
若3个用户，要实现任意两个用户间的通话，就需要3对导线；5个用户时，需要10对导线；10个用户时，需要45对导线；N个用户时，需要N（N-1）／2对导线。
这种连线方式很不经济。
经济的接线方式是每个用户的电话机用一对导线连接到各用户共同使用的一个交换设备上。
该交换设备位于各用户的中心，这个设备就叫交换机。
最初的交换机也叫人工交换机，是由话务员来完成用户之间的连接的。
以后又出现过“步进制交换机”、“纵横制交换机”，它们都属于机电制自动交换机，但是由于是靠物理接触的方式传递信号，设备容易磨损。
目前，世界上仍有一些国家和地区在使用纵横制交换机。
程控交换机
计算机产生以后，人们将交换机的各项功能编成程序，并存放在计算机的存储器中。
这种用存储程序方式构成控制系统的交换机，就称为存储程序控制交换机，简称程控交换机。
程控交换机实质上就是计算机控制的交换机。
世界上第一台程控交换机是1965年由美国贝尔电话公司制造的。
程控交换机最突出的优点是：
改变系统的操作时，无需改动交换设备，只要改变程序的指令就可以了，这使交换系统具有很大的灵活性，便于开发新的通信业务，为用户提供多种服务项目，如电话网中传输数据等。
在通信网中传输或交换的信号有两类：
模拟信号和数字信号。
相应的传输或交换方式分别称为模拟信号方式和数字信号方式。
模拟信号
模拟信号是连续的。
例如，电话用户说话的声音引起电话机送话器中振动膜片的振动，振动膜片的振动导致了大小正负变化电流的产生。
电流的这种变化，模拟了声波的振幅和频率。
这种装载着声音信息的电流就是模拟信号，它在用户与交换机之间以及交换机内部未经任何加工地交换或传输下去，这就是模拟信号方式。
模拟信号方式简单易行，但是模拟化的声音信号经过长距离的传输以后，会受各种干扰的影响，声音的质量较差，甚至发生失真等。
数字信号
数字信号是不连续的。
如果打电话的人说话的模拟信号传到交换机以后，交换机并不急于交换到被叫者，而是先将这个模拟信号通过编码器转变成一系列的“0”和“1”，这种由“0”和“1”组成的信号称之为数字信号。
这样，人的声音由我们平时能听到的模拟信号转变成为一种人听不懂，只有计算机才能听懂的声音了。
交换机在完成取样编码后，再将数字信号传输出去，最后数字信号经解码器再转变为模拟信号，被受话人接受。
数字信号优点
信号数字化的最大优点是抗干扰能力强。
我们做两个假设：
第一，信号“0”和“1”用电压的高低来表示，即5V的电压代表“1”，0V的电压代表“0”；第二，接收信号的设备收到一个电压在3～5V之间的信号，则认为收到一个“1”；收到电压在0～2V之间的信号，则认为收到一个“0”。
我们现在要传输0110这4个数字的一串信号，在传输过程中由于干扰，代表“1”的5V电压变成了只有3．7V，接收设备收到电压为3．7V的信号后，计算机仍认为它代表对方传过来一个“1”，而不会认为是“0”。
这样，即使传输过程有干扰，只要干扰在一定范围内，这一串数字信号还是被正确地接收下来了。
数字程控交换机优点
数字程控交换机与机电制交换机相比还有许多优点：
接续速度快；容量大，阻塞概率低；节省建筑投资；减少维护人员；为用户提供新的业务，除提供电话外还可提供数据、传真、可视电话、可视数据等；具有新的服务性能，如缩位拨号、叫醒服务、呼叫转移等。
目前的电话通信网中，交换机内部以及交换机之间信号的交换和传输都是采用数字信号方式；而用户到交换机之间，即用户线上，由于成本问题仍采用模拟信号方式。
数字网
目前的数字网有ISDN（综合业务数字网）、ADSL等。
ISDN即一线通。
ADSL是英文“AsymmetricalDigitalSubscriberLine”的缩写，中文翻译为：
非对称数字用户线，它是数字用户线（DSL）技术的一种，可在普通铜线电话用户线上传送电话业务的同时，向用户提供1.5～8Mb/s速率的数字业务，在上行、下行方向的传输速率不对称。
ADSL的全称是不对称数字用户线，从字面上可以了解到，ADSL是一种数字编码的接入线路技术，而且其上行带宽和下行带宽是不对称的。
现有ADSL系统的组网形式一般可以分为宽带接入服务器（BRAS）、ATM网和ADSL传送系统三部分。
其中ADSL传送子系统由局端设备（DSLAM）和用户端设备（CPE）组成，负责铜线段的ADSL线路编解码和传送，ATM网负责将来自DSLAM设备的用户数据以ATMPVC方式汇集到宽带接入服务器，宽带接入服务器对ATM信元和用户的PPP呼叫进行处理，完成与IP网之间的转换，将用户接入到Internet。
ADSL的局端设备和用户端设备之间通过普通的电话铜线连接，无须对入户线缆进行改造就可以为现有的大量电话用户提供ADSL宽带接入。
根据实际测试数据和使用情况，在目前大量采用的0.4mm线径双续电话线上，速率为3.6Mbit/s下行和512kbit/s上行的ADSL传输距离可以达到2～3公里。
光纤通信
简介
光纤是光导纤维的简称，它是一种传播光波的线路。
利用光纤中传播的光波作载波传递信息的通信方式就叫光纤通信。
优点
通信容量大是光纤通信最大的优点。
根据通信原理，通信容量与电磁波的频率成正比。
微波的频率在1010Hz左右，光波的频率（1014Hz）比微波的频率大1000～10000倍，相应的光通信容量要比微波通信的容量大1万倍。
英国华裔科学家高锟在1966年从理论上论证了光导纤维作为光通信介质的可能性，被尊称为“现代光通信之父”。
光纤比头发丝还要细，一般由两层不同的玻璃组成（见图3—1），里面一层叫纤芯或内芯，直径约为5～10μm；外面一层叫包层，外径约为100～300μm。
为了保护光纤，包层外面往往覆盖一层塑料。
在光通信工程中应用的是光缆，它是由许多根光纤组合在一起并经加固处理而成的。
低损耗是光纤通信的又一优点。
因为纤芯和包层的折射率不同，前者略大于后者。
光通信的光源是激光。
当纤芯内的光线入射到包层界面时，只要其入射角大于某个临界值，光就会在纤芯内发生全反射，并且不断地全反射传播下去，不会有光漏射到包层中。
用光纤通信的中继距离比用同轴电缆等其他通信方式长许多倍。
现在已建成了欧亚大陆、亚欧海底、亚美海底的光缆系统。
若要用光传送声音，首先应像普通电话那样，把声音信号变为电信号，再将载有声音信息的电信号通过发光器件（如发光二极管LED和半导体激光二极管LD）变换成光信号，最后使用光纤将这个光信号传送到远方。
在光纤传输的接受端，把这个光信号通过光电检测器件（如PIN光电二极管等）先转变成电信号，然后再将电信号还原成声音信号，这样就实现了通话。
光缆与铜电缆相比，具有体积小、重量轻、柔韧性强、容量大、不怕干扰、不会泄密、安装维护容易、费用低廉等优点。
在军事上也得到了广泛的应用。
美国贝尔实验室已实现1根光纤同步传输50部电影，即400G数据（1G=1000M，1M=1024千个字节）。
按现在开发光纤容量的速度，专家预测，在10年内1根光纤可同步传输5亿部电影，将能为用户提供接近无限的带宽。
因此，光纤被称为信息传输的“超高速公路”。
我国在1999年建成了8纵8横覆盖全国的光缆工程。
以后将在全国完成8000km两个管道内共铺设96芯G655光纤的基础设施，同时分装4个空管，为新光纤的使用作准备。
卫星通信
简介
卫星通信以微波为载波。
微波是指波长为1m～1mm或频率为300MHz～300GHz范围内的电磁波。
它是直线传播的。
微波传输的优点是不需要敷设或架设线路，但是如果想要在地球上进行长距离的微波通信，由于地球是球形的，必须每隔50km就修建一座微波站，用于接力传输通信信号。
从北京到广州，若用微波进行通信，则必须在北京和广州之间修建50座微波中继站。
如此多的传输环节，不仅严重影响通信的质量，而且投资巨大。
建立卫星通信系统，就可以解决微波通信中的众多中继站。
一个卫星通信系统由通信卫星和地球站（或称卫星地面站）组成。
卫星通信就是利用卫星作为中继站来转发微波，实现两个或多个地球站之间的通信。
同步通信卫星和同步卫星通信
同步通信卫星在地球赤道上空约3．6×104km的圆形轨道上绕地球运行，它的运行轨道平面与赤道平面的夹角保持为零度，其运行一周的时间与地球自转一周的时间同为24h。
这样，它与地球处于相对静止状态，因此称为同步卫星或静止卫星，其运行轨道称为同步轨道或静止轨道。
将一颗通信卫星送入距地面3．6×104km高的同步轨道是一项十分复杂的技术，既需要有先进的火箭技术，又需要有精确的遥测遥控技术。
对于每一颗同步通信卫星来说，它可以俯瞰地球表面约40％的面积，要想实现全球通信，就需要3颗相隔120°的同步通信卫星。
例如，A地球站要与另一地区的B地球站通信时，A站将微波信号发射给卫星，卫星将收到的信号进行放大、频率变换等处理后再转发给B站，于是A，B两个地球站就实现了通信联系（见图3—2）。
同步卫星通信有许多优点：
第一，通信距离远。
因为卫星距地面高达3．6×104km，经卫星直接传输，地面最远的通信距离可达1．3×104km。
第二，通信不受地理条件（如山河海洋阻隔）的限制，也不受自然灾害或人为事件的影响。
第三，通信质量高。
第四，通信容量大。
第八代国际通信卫星有44个转发器，可同时提供几万路电话线路或转发几十路电视。
第五，可提供各种服务业务。
同步卫星通信的缺点：
第一，传输时延大。
信号由地球站到卫星再到地球站，传输距离大，发话方听到对方的回话至少在半秒钟之后。
第二，由于同步轨道平面与赤道平面为同一平面，高纬度地区难以实现卫星通信，即地球两极附近，存在卫星通信的“盲区”。
同步卫星通信自60年代中期开始发展，至今全世界已有200个国家总共建立了上百万个地球站。
世界上全部电视转播业务和2／3的跨洋电信业务由卫星通信系统承担。
通信卫星还用于传送卫星云图，监测森林或草原的火情及洪涝灾害，测算受灾地区的面积等。
高倾斜度大椭圆轨道卫星通信
由于同步卫星通信在高纬度地区有通信“盲区”，而前苏联大部分领土处于北纬50°以上的地区，所以前苏联于1965年发射了名为“闪电”的高倾斜度大椭圆轨道通信卫星，其运行轨道离地球最远处约4×104km，最近处约500km，在同一轨道上运行3颗且相距120°的卫星，构成对北半球高纬度地区的全时覆盖。
高倾斜度大椭圆轨道卫星通信，弥补了同步卫星通信在高纬度地区有“盲点”的不足。
但这种卫星寿命较短，只有3～4年，约是同步通信卫星的1／3，而且系统中的地球站要长年跟踪卫星，设备磨损较大。
甚小天线地球站（VSAT）
近年来，通信卫星的服务业务得到迅速的发展，这与20世纪80年代中期出现的甚小天线地球站（VerySmallApertureTerminal）密切相关。
VSAT是一种具有收发功能的小型卫星通信地球站。
VSAT
系统的通信天线口径小，一般在0．3～2．4m之间，它设备紧凑、架设方便、功耗小、价格低。
VSAT系统中的用户小站对环境要求不高，可以直接安装在用户屋顶。
用户只要坐在装有VSAT系统的屋内，就能直接通过卫星线路与世界各地进行数据、语音、图文传真等的高速传输。
目前，我国除了邮电部门提供的公用VSAT系统外，一些部委或企业都有自己的VSAT系统，构成本系统内的专用通信网。
例如，中国人民银行采用VSAT系统建成了覆盖全国的金融信息卫星通信专用网，形成全国性的资金清算及汇划系统，这个系统简称“电子联行”（EIS）。
移动通信
简介
移动体之间或移动体与固定体之间的通信称为移动通信。
移动体可以是人、汽车、船只、飞机和卫星。
移动通信种类繁多，可分为陆地移动通信、海上移动通信、航空移动通信等。
移动通信使人们能够在移动过程中进行通信，以适应现代社会中快节奏、人员流动性强的需要。
蜂窝移动电话
蜂窝移动电话，简称大哥大或手机，是20世纪80年代发展起来的一种移动电话。
蜂窝移动电话的服务区域（如一个城市），被划分成若干个相邻的正六边形小区。
小区的边长几百米至十几公里，每个小区设有一个无线基站。
基站负责将本小区内移动电话的呼叫传送到移动电话业务交换中心（即移动电话局），并在移动电话局的控制下实现移动电话用户间的通话转接，以及移动电话用户与市话用户通话的转接。
由于多个六边形小区组合起来的形状酷似蜂窝（见图3—3），因此将这种移动电话系统称为蜂窝移动电话系统，所用的电话称为蜂窝移动电话。
为了避免相邻小区发生通信干扰，每个小区与相邻小区之间载波频率都不相同。
蜂窝形设计使小区间的中心间隔最大，另外，无线基站的功率相对较小，这样，相隔一定距离的小区，使用相同的频率也不会相互干扰，即蜂窝移动电话有频率复用的特点。
例如，我国引进的泛欧GSM系统，基站发射900MHz频段（935～960MHz），移动台发射800MHz频段（890～915MHz），每个频段宽25MHz。
频段中又按200kHz分成若干个频道，又称信道，这样就可分成124对频道。
一对频道允许一对用户通话，124对频道允许124对用户同时通话。
要解决众多用户的需求，假如我们的服务区划分成49个小区，我们将124对频道分成7份，每份可有15～20个频道不等（见图3—4）。
我们可将这7份频道，安排7次，只要相同的频道相隔一定距离，相互就不会干扰。
这样，整个服务区内最多允许868对用户同时通话，从而大大增加了通信的容量。
如果一位手机使用者乘汽车时通话，汽车从一个小区跨越另一个小区时，由于收到的原小区基站的信号变弱，基站则请求移动电话局进行切换。
移动电话局就会将频道切换到新的小区的频道上，整个切换过程是自动完成的，所需时间不到1s，通话不会中断，用户也不会察觉。
第一代（1G）移动通信系统是模拟式语音移动通信，其手机体积大如砖头。
由于该系统易受外界电波干扰，语音品质欠佳等原因，便逐渐被第二代（2G）数字语音通信系统所取代。
2G数字语音通信系统具有不易被盗用的优点，语音品质令人满意。
目前绝大多数移动通信系统皆为2G或2．5G，以全球移动通信系统（GSM），俗称“全球通”最为普遍。
GSM是英文GlobalSystemforMobileCommunication的缩写，它由欧洲16国研发。
全球GSM用户数约占全球移动电话用户数的55％。
码分多址系统（CDMA：
CodeDivisionMultipleAccess）由美国研发，其数据传输速度比GSM快。
2G系统除了可提供各类电话服务外，还可提供短信息等服务。
第二代移动通信系统在数据传输速度上远低于一般计算机的速度。
第三代（3G）移动通信系统是发展方向。
2000年5月国际电信联盟认可3个3G标准：
日本和欧洲共同推出的W-CDMA系统；美国推出的Cdma2000系统；中国推出的TD—SCDMA（时分双工同步码分多址：
TimeDivision-SynchronizeCDMA）系统。
3G移动通信系统是覆盖全球的多媒体移动通信系统。
我国的移动电话用户数增长很快。
1987年11月在广州开通了第一个移动电话系统，1997年用户数达1000万，2000年用户数达6000万，2002年2月用户数达1．56亿，成为世界上移动电话用户最多的国家。
无线寻呼接收机
无线寻呼接收机常称为"BP”机、“BB”机、“Call"机。
它是无线寻呼系统的终端设备。
无线寻呼系统是一种单向（只叫不发）移动通信系统。
如果要寻找某一个带了寻呼机外出的人，只要利用市内电话将被寻找者的寻呼编号、简短的信息内容以及本人的电话号码告诉话务员，话务员就会记录下这些信息，并用特殊的信号，经过无线电发射机发出，这时被寻呼者身上的接收机就会响起“嘀—嘀—”声或发出振动，同时在屏幕上显示出简短的信息。
被寻呼者欲与寻呼者联系，还需借助于电话。
北京地区使用的寻呼机有数字式与汉字显示两种。
前者显示屏上只能显示英文字母和阿拉伯数字；后者可显示汉字，使用起来更为方便。
无线寻呼通信在我国自1984年问世以来，短短十几年内发展很快，一些新业务如天气预报、股票信息等都进入了服务范围。
到2000年，已有1000多个城市开办丁无线寻呼业务，用户超过8000万。
第二代无绳电话（CT—2）
无绳电话是指手机（送话器和受话器）与主机（电话机的基座）之间不用物理连线的一种电话机。
手机与主机之间的连线被各自配备的小功率无线电发射机所取代。
而主机仍是通过电话线与电话网的交换机相连。
使用无绳电话时，用户既可以在主机上拨号，也可以在手机上拨号。
当有电话呼入时，手机和主机都会振铃，手机和连在机座上的电话也都可以进行通话。
这样，手机如同大哥大一样可以随身携带，随时使用。
但是手机与主机的距离不能太远，一般是200m至几千米之间。
一般在家庭内使用。
第二代无绳电话系统，简称CT—2系统。
它采用的是数字技术，通话质量和保密性均比一般无绳电话有很大的提高。
CT—2系统不仅适用于家庭电话业务，同时还适用于公用网和专用网业务。
经营公用网的机构可以在酒店、车站、商场、机杨和地铁等处设立无线基站（又称电信点），基站外接一条或几条市话线，它的作用相当于有线通信的公用电话亭。
携有CT—2电话的用户只要与基站的距离不超过200m，便可以使用手机。
其呼叫与一般移动电话相同，所以有人又称CT—2为二哥大。
CT—2一个主机可以登记多个用户使用，同时还可以限制某些手机的服务项目。
这样，在一个家庭中，申请1个CT—2号码，每个成员都可以有一个手机，还可以限制某些成员（如小孩）打国际或国内长途电话。
在办公室场合，由于人员较多，通话量也大，所以CT—2系统还需要一个无绳管理器，它类似于一个小交换机的功能。
CT—2系统价格低廉，投资也较小，因此引起一些国家（如泰国、马来西亚、新加坡等）的兴趣。
它的使用、收费极便宜，因此受到广大用户的欢迎。
我国香港、深圳等地开通了CT—2系统。
瑞典爱立信公司现已开发CT—3系统，该系统适用于办公大楼使用的数字无绳电话系统。
移动卫星通信
利用通信卫星作为中继站，可以实现固定通信，也可以实现移动通信。
移动卫星系统按应用领域可分为：
海事移动卫星系统（MMSS）、航空移动卫星系统（AMSS）和陆地移动卫星系统（LMSS）。
在此，重点介绍MMSS。
移动卫星系统按技术手段分为：
静止轨道（GEO）系统和低轨道（LEO）系统。
GEO系统采用静止轨道卫星，其组成基本上与静止卫星固定通信系统相同。
海事移动卫星通信系统就属此类。
LEO系统则采用多颗低轨道卫星组成星座，与GEO系统有较大的不同。
（1）海事移动卫星系统。
其宗旨是改善海上救援工作，提高船舶使用效率和管理水平，增强海上通信业务和无线电定位能力。
1979年7月16日，国际海事卫星组织（INMARSAT）宣告成立。
现为国际移动卫星组织。
INMARSAT系统由船站、岸站、网路协调站和12颗静止卫星组成（见图3—5）。
卫星是分布在大西洋东西洋区、印度洋和太平洋上空覆盖了极地地区以外的整个地球，并使四大洋地区的任何一点都能最佳地接入卫星。
岸站就是设在海岸附近的地球站，它既是卫星系统和地面系统的接口，又是一个控制和接入中心。
岸站的功能有：
对从船舶或陆上来的呼叫分配和建立频道；对遇难信息进行监收；对船站识别码进行核对；登记呼号，产生计费信息；对船舶终端进行基本测试等。
船站就是设在船上的地球站，船站天线必须跟踪卫星。
网路协调站是整个系统的一个重要组成部分。
负责整个系统运行的管理中心设在伦敦总部。
国际移动卫星
组织规定，船站选用L频段，岸站是双频段工作方式，C频段用于话音，L频段用于用户电报、数据和分配频道。
海事卫星通信最重要的用途是确保海上船舶的安全。
它可提供全球定位系统（GPS）的监测业务，提供增强型船群呼叫业务，通过大容量、高可靠的卫星广播信道向一群船只或某特定区域发送海事安全信息，如天气预报、暴风警报、险情报告等。
（2）低轨道移动卫星通信系统。
同步卫星距地面高度达3．6×104km，对它在空间的位置又有精确的要求，因此发射同步卫星的投资费用高达数亿美元，技术要求也很高。
1988年，美国摩托罗拉公司的几位工程师在聊天时提出了用多颗低轨道卫星来覆盖全球，提供移动通信的想法。
这一想法很快得到公司总部的支持，并组织人员研究方案。
最初设计为77颗小型卫星，因卫星数与铱原子的核外电子数目相同，故取名为“铱”系统，后来改为66颗卫星围绕地球运行。
“铱”系统由3个主要部分组成：
卫星、关口站和用户单元。
其卫星是一种小型相对简单的卫星，由于轨道高度在地球765km上空，比静止卫星低了许多，就必须用多颗卫星来覆盖地球。
每颗卫星在与地面用户终端及关口站进行通信的同时，还与星座中其他卫星相互通信。
星座的管理由系统控制中心执行。
关口站是提供“铱”系统和公众电话系统之间接口的地球站，它可使“铱”系统用户单元与公众电话网中任何类型的电话、传真或数据终端进行通信。
关口站还有为注册用户收集和保存通话记录、计费信息、用户定位等功能。
用户单元是为直接与上空卫星进行通信而设计的一系列产品，包括寻呼机、便携式手机、移动式电话、传真机等。
“铱”系统可提供从南极到北极全球范围内的电话、传真、寻呼、数据传输、地球定位和全球呼叫等通信业务。
开发“铱”系统的目的不是取代或替换现有的容量大、费率低的电话系统或蜂窝电话系统，而是作为已有移动通信系统的补充或备用。
其市场主要是那些业务需求量不大，不足以建立地面通信设施的人口稀少地区，或难以用其他手段解决移动通信业务的地方。
“铱”系统可以向海上、陆地和航空的运输业、钻井平台救援，以及向其他紧急通信提供服务。
1991年成立“铱”系统财团。
1994年，“铱”系统财团发射头7颗卫星，系统控制中心投入运行，4个关口站投入使用，1996年提供早期的“铱”系统业务，完成卫星星座的部署，1997年“铱”系统全面投入运行，2000年3月，因为成本、价格和市场等问题，“铱”系统财团宣告公司破产。
尽管“铱”计划宣告失败，但由它首次提出并实施的低轨道移动卫星通信系统的思路，推动了移动卫星通信技术的发展。
现已运行着多种中、低轨道非同步卫星移动通信系统。
例如，ICO系统现有10颗中地轨道卫星运行。
Orbcomm系统现运行36颗卫星已能覆盖全球。
未来通信技术的发展
全程数字化
全程数字化是指在通信网中任何一部分（即交换、传输、终端）所有信号都是数字信号。
所有信息，不论是声音、文字还是图像都全部变成数字化信息以后再入网通信，网络中不再存在模拟信号。
全程数字化是实现综合业务数字网的基础。
以现在的电话通信网为例，它不是全程数字化的，用户线路上传输的是模拟信号。
若要实现全程数字化，就要将模拟数字转换器从交换机—侧搬到电话机中，这是在经济上和技术上都有待解决的问题。
宽带化
信息的单位是比特（bit），在数字化信息中，1bit就代表1个“0”或1个“1”。
通信速率单位为bit／s，表示每秒钟所传输的信息数。
不同的通信业务需要不同的通信速率（见图3—6）。
例如，用数字式电话的通信速率为64kbit／s；可视电话终端的通信速率至少要128kbit／s才能产生连续的活动图像；高清晰度电视的通信速率达135Mbit／s。
在电话网的交换机实行数字化之后，对每个用户来说，最高的通信速率为64kbit／s。
在电话网之后陆续建立起来的数字通信网，经过一
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