云顶娱乐:通信技术,通讯新气象

日期:2019-08-30编辑作者:现代文学

  磁带录音

有线通信与无线通信
  1. 传输介质
    按传输连接方式:

有线通信系统,需使用物理介质进行信号传输
使用的传输介质有金属导体和光导纤维 金属导体(双绞线、同轴电缆),利用电流传输信息
光导纤维(简称光纤),通过光波传输信息
无线通信,在自由空间进行信号传输,使用电磁波传
输信息。如微波、卫星、移动等。

  波尔森于1899年发明了磁带录音机。1900年,他的录音电话在巴黎博览会上进行了成功的演示。这种装置是在一个活动的可磁化的钢带上记录信息。它是我们现在熟悉的磁带录音机的前身,但是,要待电子放大器问世之后才能有实用意义。

双绞线和同轴电缆
  • 原理:利用电流(电压)传输信息

双绞线分类
3类线(10 Mb/s);5类线(100Mb/s); 6类线(200Mb/s)  无屏蔽双绞线 (UTP);屏蔽双绞线 (STP)

  • 常见应用:电话系统(模拟信号),局域网(数字信 号)

  波尔森原来设想的录音电话机,是一个记录装置,跟电话机结合起来用。除了使用钢带外,他还想使用以柔软材料做成的线和带子,上面涂一层可以磁化的粉末,这样,便成了我们现代录音磁带的前身;现代的录音磁带,是用柔软的塑料带,上面涂一层可以磁化的棕色氧化铁做成的。

光导纤维(光线的入射角足够大时,就会出现全反射,重复 此过程,光就沿着光纤传播下去)。
  • 光纤的优点
  • 优点: 1. 传输频带非常宽,通信容量大
    抗雷电和电磁干扰、抗辐射能力强,适应能力强
  1. 传输损耗小,中继距离长
  2. 无串音干扰,保密性强,不易被窃听或截取数据
  3. 体积小、重量轻、便于施工维护
  • 缺点: 精确连接两根光纤比较困难

  今天,磁带录音机几乎象留声机一样普及,它革新了电影、广播和留声机工业的录音。现在的电视节目通常是用这种方法录制后再播放的。音乐家和其他的人们,不必再呆在录音室里一连四五分钟地紧张地灌唱片;灌唱片时只要一出错就非常糟糕。今天,任何录音都可以校正和拼接在录音带上。

无线通信
  • 原理:模拟信号或数字信号使用电磁波调制 后进行传输
    中波:沿地面传播,绕射能力强,适用于广播和海上通信;
    短波:具有较强的电离层发射能力,适用于环球通信;
    超短波、微波,沿地面传播能力差,容易被洗掉, 容易透过电离层,进入宇宙空间,不宜在电离层发 射传播,但频率极高,波长很短,可直线传播,也可从物体上反射。适用于地面微波接力通信、卫星通信及对流层散射通信。
  • 微波通信
    微波: 频率(300MHz~300GHz) 波长为1米至1毫米
    微波具有类似光波的特性,主要是直线传播 地面会很快吸收微波,微波会穿透电离层

特点

  • 直线传播,不能沿地球表面传播(无绕射性),需要每隔几十公里设立一个中继站
  • 容量大、可靠性高
  • 建设费用低
  • 抗灾能力强
    应用:长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视(HDTV )等
    微波通信方式
    (1)地面微波接力通信
  • 利用人造地球卫星作为中继站 转发无线电信号,实现两或多个 地球站之间的通信。 是微波接力通信技术与空间技 术相结合的产物。

(2)卫星通信

  • 卫星通信: 中继站在人造地球卫星上的一 种微波通信
    优点:通信距离远、频带宽、容量大、 抗干扰强、通信稳定
    缺点:造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅180颗
  • 卫星通信的重要应用——GPS

  新式检波器

传输介质的类型与特点

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  1899年深秋,国际快艇比赛在美国举行。来自各国的快艇好手云集美国,这在体育界也是一件喜事。马可尼接受邀请远涉重洋来到美国,并用他的无线电装置报道比赛情况。无线电及时、迅速、准确地完成了报导任务,不仅使参赛运动员大开眼界,得到鼓舞,并使广大美国人也惊叹不止。

移动通信
  • 个人移动通信
    处于移动状态的对象相互间的通信,如手机、无绳电话、寻呼系统等。
    优点:克服通信终端位置对用户的限制,快速和及时地传递信息。 蜂窝移动通信系统一般由移动台、基站和移动电话交换中心三部分组成。
  • 蜂窝移动通信原理
    每10km~20km的区域称为单元(形似 蜂窝),单元的中央建有一个基站,该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号
    所有单元既相互分割,又彼此有所交叠 ,连成整个移动通信服务网 所有基站都通过微波或电缆、光缆与移动交换中心通信
    手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下,通话时使用两个频率(一个上行频率,一个下行频率),同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率进行通信,相互不影响
    每个蜂窝单元中有200 多个信道(GSM)。

相邻单元不允许使用相同的频率,不相邻单元的频率允许重用

  为了宣传无线电,也为了感谢热情的美国人民,马可尼进行了一次无线电通信表演。表演的这一天,人山人海,其中有研究无线电技术的科学工作者,也有关心无线电发展的广大青少年。

个人移动通信(手机)的发展
  • 第一代:模拟技术,使用频段800/900MHz,称为蜂窝模 拟移动通信系统
  • 第二代:采用GSM、CDMA技术传输数字信号,使用频段900MHz/1800MHz
  1. GSM (全球移动通讯系统)技术指标:每个移动站点使用一个全双工信道,每个蜂窝有200多个全双工信道,有124 个下行频率信道和124个上行频率信道,每个信道采用时分复用技术支持8个独立连接。GSM采用时分多址技术。
    GSM系统有几项重要特点:防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低、机卡分离。
  2. CDMA (码分多址技术) CDMA技术的原理是基于扩频技术,即将需传送 的具有一定信号带宽信息数据,用一个带宽远大于信 号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的带宽信号作相关处理, 把带宽信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实 现信息通信。
  • CDMA特点:抗干扰能力强、系统容量大、具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、 电磁辐射小、覆盖广等特点,可以大量减少投资和降低运营成本。
  • GPRS
    GPRS是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称 。它是GSM移动电话用户 可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延 续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)式来传输,因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算,并非使用其整个频道,理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。
  • 第三代移动通信系统(3G)
    第2代移动通信的不足: (1)数据传输速率过低(9.6kb/s或57kb/s),仅可传输语音和文字
    (2)容量有限,不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。 (3)不能实现覆盖全球的无缝连接
    3G的目标: (1)提供高质量的语音通信、数据通信和高分辨率图像通信
    (2)提供足够的系统容量,具有高保密性和优质的服务
    (3)地面移动通信与卫星移动通信相结合,实现全球漫游
    使用的频谱:1885 MHz 2025MHz,2110MHz2200MHz
    传输速率:室内:2Mb/s,步行:384kb/s,快速移动:114kb/s
  • 第三代(3G):使用频段2GHz
    3G技术标准: TD-SCDMA(中国移动采用) (时分-同步码分多址接入) ,自主知识产权
    ** CDMA2000(中国电信采用)**
    **WCDMA(中国联通采用) **
  • 3G目标:
    全球漫游: 适应多种环境:与卫星移动通信系统结合
    提供高质量的多媒体业务:语音、数据、图像等
    提供足够的系统容量,具有高保密性和优质的服务。
  • 4G
    第四代移动电话行动通信标准,指的是第四代移动通信技术,外语缩写:4G。该技术包括TD-LTE和 FDD-LTE两种制式
    4G能够以100Mbps以上的速度下载。可以在DSL 和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署,然后再扩展到整个地区。很明显,4G有着不可比拟的优越性。
    优点: 通信速度快、网络频谱宽、通信灵活

  表演过程,人群中有一个青年好不容易一步一步挤到了收发报机跟前。他专注而惊奇地看着这架神奇的机器。表演结束了,他还恋恋不舍,不肯回去。马可尼的助手肯普见他这种神态,友好地打开发报机让他看个满意。这个青年聚精会神地察看着,显然他对无线电不仅爱好而且还有一定研究哩!

  他的目光停留在装着银灰色粉末的小玻璃管上,问肯普:“这是不是检波器?”肯普点点头。

  谁知这个青年的提问被正在与一位船长交谈的马可尼听到了,他回过头来带着欣喜的神情看看这个懂得检波器的青年。这个青年很机灵地向马可尼进行了自我介绍:“我是一个无线电业余爱好者。”马可尼也很幽默地说:

  “我也是一个业余爱好者。”

  马可尼看到这个青年这样关心和爱好无线电,心里很高兴,话也多了。谈话中马可尼告诉他,无线电诞生了,它的作用已越来越被大家重视。但是无线电还要不断改进,就拿眼前的这个接收机来说就有不少不完善的地方,而接收机的改进,关键在于改进检波器。

  青年人不仅看到了无线电实物,还有幸受到了他所崇拜的发明家接待,而马可尼的短短一席话,点燃了一颗发明的火种,改变了这个青年的人生之路。

  这个青年就是德福雷斯特,后来成了无线电的心脏——电子管的发明人。

  在人们的日常生活中,虽能感知可见光和声音,但人眼可见到的光和可听到的声音,一般传播距离不超过几千米。但是,频率在几万赫兹至上百万赫兹的无线电波却能长距离地传播。因此,要远距离通信就得利用无线电波。而人本身对无线电波却没有直接的感知,所以要把声音、图像等人能感知的信号经过一定规律的调整,变成为无线电信号传播出去,这称为调制。然后,在远方另一处再按相同的规律把无线电信号再变回到声音、图像等信号,这称为解调,这样便实现了人所能感受的远距离通讯,而用作解调的无线电器件就称为检波器。同时由于信号调整及无线电信号的传播会引入“杂质”信号,因此有必要在解调时把这些杂质过滤掉,检波器的另一个作用正是把这些杂质尽可能多地去除以使声音、图像等变得清晰,而能为人们所听清。

  无线电通信在初始阶段还不够完善,接收无线电信号的接收装置使用的是矿石检波器,这种检波器灵敏度不高。特别是接收到的信号比较微弱,也不够稳定,影响了信号的检测。无线电通信的迅猛发展以及各行各业对无线电的殷切期望,人们迫切地等待着灵敏的检波器和放大器的问世。

  德福雷斯特在大学里学的是机械工程,毕业后在芝加哥西方电器公司研究所工作,是一名电气工程师。但是,他与马可尼的萍水相逢和马可尼对他的激励与指点,使他决心从事检波器的研究。他毅然辞去了研究所的工作,在纽约泰晤土街租了一间小屋,没日没夜地研究起新式检波器来。

  德福雷斯特在这间简陋杂乱的小屋里,平时节衣缩食,靠给富家子弟补习功课,到饭馆去洗盘子、打零工所得的微薄收入,购置了一些便宜的器材,满怀希望地做着各种试验。在此期间,他发明了一种气体检波器,在船舶的无线电通信中获得了一定的成功。遗憾的是,这种检波器的效率不够高,用起来也麻烦,最后不得不放弃了。

  两年过去了,他的努力终于有了一点眉目。他萌发了一个想法:利用灯泡进行改装来制作一个新式检波器。他为自己有了新的设想而高兴。正在他准备按照这种设想进行试验时,英国科学家弗莱明顺着与他同样的思路发明了二极管。弗莱明在真空灯泡中用圆桶形金属片把灯丝包围起来,形成一个板极。这种元件能让电流向一个方向流动,使交流电变成直流电。用它来检波、整流,灵敏度大大提高。

  德福雷斯特并不沮丧。他想:弗莱明为电子器件研制打开了一个突破口,我要闯进去扩大战果。想到这里,他重又振作精神,鼓起了信心。

  他请人帮助,抓紧时间,制作了一些真空二极管。用它代替金属检波器。试验一下,果然效果很好。但仅仅摹仿弗莱明是没有出息的,重要的是推陈出新,要有所创造。

  他小心地尝试着对二极管的改进。他在二极管的屏极和阴极之间,用锡箔装上第三个电极。也许他想到试屏极距阴极远近会对检波效果有什么影响;也许他想过小时候踢足球,只要在劲射足球时轻轻一下球的某一部位,它的最后着地点就会在距离和方向上产生明显的改变。他可没有想到,这个小小的第三极却使他取得了决定性的成功,且由此改变了整个无线电技术领域的面貌!

  他惊异地发现,倘若在第三极上加上一个不大的的电压,就会改变屏极的电流强度,而且这个附加电压的微小变化,会使屏极电流产生明显的相应的变化。哇!这不正是许多同行朝思暮想、梦寐以求的放大作用吗?它能使无线电波传播更远!

  他抑制不住内心的激动,简直不敢相信眼前发生的事。他欣喜万分地一遍又一遍地重复做着试验,证实了这个物理效应是实实在在的,一点也没有欺骗他。

  在今天,我们将这种放大作用,用“跨导”这个物理量来表示。为了提高放大作用,他继续努力着。

  他再接再励,用白金线网代替金属筒,它不仅能够整流,而且还能检波,特别是有着较大的调幅作用。这就是说,一个真空管能够放大信号十倍,连接第二个的时候,信号将是一百倍,再连接第三个的时候,其信号将是一千倍了。这是多么了不起的突破啊!

  这时已是1907年,距离1891年德福雷斯特与马可尼相会已过去了8年。这是多么难忘的8年啊,贫困时时威协着他,但苍天没有辜负有心人,他毕竟取得了成功。

  他把第三极称为栅极,它的作用就像一道闸门,可以控制屏极电流。人们在栅极上加上一个微小的的信号,在屏极上就变成依同样规律变化的放大了的信号。巨大的成功使他预感到这项发明将得到世界的承认和赞许。

  在德福雷斯特即将取得成功的时候还有一个令人啼笑皆非的插曲。

  德福雷斯特制作的电子管问世后,他已经是两手空空,身无分文了。为了进一步改进发明,他只得到几家公司游说。他告诉人们这种小小的灯泡在无线电中有神奇作用,希望得到资助。但是,谁相信眼前这个衣衫破烂、穷困不堪的青年会作出什么发明?谁相会这样的人手中拿的这个小灯泡会有多大的用处?他到处碰壁,真是狼狈不堪。有几家公司还把他赶出大门,其中竟有一家公司认为他是骗子,把他送到了警察局。

  1906年存大,纽约地方法院以诈骗罪对他进行公开审判。开庭那天,法庭来了不少人,其中有关心他的人,也有看热闹的人,许多记者也赶来采访。

  开庭后,德福雷斯特镇静地地走上审判台。他利用法庭机灵地宣传了自己的发明。他勇敢地向人们宣称:“我的发明可以接收大西洋彼岸传来的微弱信号,”“历史必将证明,我夺取了空中帝国的王冠。”

  法庭成了他宣传科学的讲台,他义正辞严的发言博得了人们的赞扬,法庭宣布无罪释放他。更重要的是他的发言引起科学界和社会的重视,许多人意识到了他发明的重要意义。

  他昂着头步出了法庭,那些诽谤过他并想陷害他的庸人们受到了人们的嘲笑。不久,他获得了三极管的专利权,无线电的心脏终于诞生了。

  电子管很快被应用于信号发射器、电台、雷达、收音机,成了无线电通信和电子领域中最重要的元件。后来,它又被用什第一代电子计算机的主要元件。电子管是一项划时代的发明,它不仅将电学革命引向深入,而且成为未来的信息革命的开端。

  神奇的微波通信

  随着社会生产和生活的需要,世界上的无线电台越来越多,整个世界的空间充满了各种不同频率的电磁波。

  30年代人们开拓出了超短波,实现了电视广播;40年代,人们又发现了波长更短的微波并不断地对它进行研究和开发。

  微波是电磁波大家族中最小的一个成员。它跑得又快又远,“脾气”与光波差不多。别看她身高 (波长)通常只有几厘米或几毫米,但其本领比长波、短波要大得多。

  微波有着自己独特的传播方式,她既有别于长波,也与短波不同。长波

  “脚踏实地”,是沿地球表面传播的,因而被称为地波。如果要在地面上赛跑,她跑的距离最远,可以得冠军;如果要跨越地面的障碍物,她只要迈开

  “长腿”,就能轻而易举地翻过高山峻岭,而其她姐妹就只好甘拜下风了。短波是凌空飞行的,因而被称为天波,借助于高空中电离层的反射,她可以传播更远的距离。微波就不同了,她是沿直线在空间传播的,因此被称为空间波(又称直射波)。她跑得又快又远,而且十分灵活,可是如果把它射向电离层,她不是像短波那样被电离层反射,而是能穿越电离层而去;她也没有长波那样的统射本领,高山大物就可阻挡住她前进的道路。即使没有什么大障碍物,由于地球的表面是球面,所以当微波在空间传播的距离较远时,也往往被地面所形成的圆弧所阻隔,就如同被一座拱形大桥挡着一般。鉴于上述这些原因,微波在地球上传播的距离,就一般收发天线的高度来说,只能保证50千米左右。要让微波跑得更远些,自然可以用加高天线的办法,但这毕竟要受到一定的限制。尽管世界上最高的电视发射天线已高达 600多米,而其传播距离也只有150多千米。

  微波有着其姐妹们无法比拟的优点,可又碰到了不少麻烦,有没有办法克服这些弱点呢?

  科学家们开动了脑筋,首先加强微波的功率。为了达到这一目的,科学家进行了一系列探索。他们从平时使用的手电筒上得到启示。手电筒的小灯泡光本来向四面八方散射的,但由于采用了“铜碗”这个抛物面反射镜反射,它就变成了沿一定方向前进的平行射线,而且由于集中了光束,功率加强,射程就远了。科学家们用此法进行微波传送果然效果好了,但是如何绕过障碍物呢?科学家从运动会上的接力赛跑中受到启发。在50年代,创造出了一种微波接力通信,即微波中继通信的方式,就是每隔50千米左右,建立一个微波接力站,即中继站,让它自动地把前一站发来的微波信号接收下来并加以放大,再转发到下一站去,就好像接力赛跑一样,一站接一站地把信号转送到远方。

  在一条微波通信干线上,除了中间要设立许多接力站外,两端还必须设立终端站。终端站除像接力站那样具备收发微波信号的设备外,还设有各种转换和控制设备,以把电视台、电信局送来的电报、电话、电视、传真等各种信号变换为微波信号发送出去,或是把收到的微波信号变换为电报、电话、电视、传真等信号,送到电视台、电信局,再转发到各个用户,从而达到通信的目的。

  但是,在微波通信方面一次真正的突破是在1957年。为什么这样说呢?前面讲过,微波通信的中继站和终端站,就像接力赛跑中的接力站。每一个中继站自动地把前一站发来的信号接收下来,加以放大,然后再转发到下一站去,如果通信线路很长很长,就要建造许许多多的中继站,要化费多大的人力物力啊。此外,微波是直射的,凡是处以地平线以下或是中间障碍物较大的地方,还是无法进行通信。上述两个微波通信中的难题,困绕着科学家。到了1957年,前苏联成功地发射了第一颗人造卫星,才完全解决了微波通信中的这两大难题,从而打开了电信事业的新天地。

  卫星上设置了自动微波接收装置。上面装有微波收发机,既可接收地面发去的信号,又可把这些信号放大处理后,再转发到另一个地面站,以实现两地间的通信。请注意,一颗卫星如果使相距一万多千米的两个地方实现通信,改为架设地面中继站的话,至少需要200个中继站。不仅如此,在这个卫星所覆盖的地区之内,任何两点,不管是远隔重洋,还是横阻着高山大川,或是深藏于地平线下,都可以通过卫星实现通信。这样一来过去的难题都迎刃而解了。又因为微波在穿透地球大气层时不会受到大气的影响,所以利用卫星进行微波通信是不会失真的。再一个突出优点是通信容量大,一个通信卫星可提供成千上万路电话和许多路电视。卫星的出现,不能不说是微波通信上的一个重大突破。

  模拟信号与数字信号

  如果你向平静的池塘中投一块小石子,水面上便会激起一圈一圈的水波,延绵起伏,向外传播。这就是我们常见的波动现象。声音也是一种波,我们能听得到,但是看不见。如果要把它表示出来,也是一条延绵起伏的波动线。不同的声音有不同的波动线。在信息技术中,一般是把声音信号转换成电信号来传播的。用话筒这类声电转换设备转换成的电信号,表示出来也是一条波动线,而且是同声音信号彼动线几乎“一模一样”的波动线。这样的电信号被接受力收到后,再由扬声器转回成声音。这种转换方式称作模拟方式,转换成的电信号称为模拟信号。

  近百年来,儿论是有线相连的电话,还是无线发送的广播电视,都是用模拟方式来传递信号的。照说模拟信号同原来的信号在波形上几乎“一模一样”,似乎应该达到很好的播效果。然而,事实恰恰相反,我们打电话时常常遇到听不清、杂音大的现象;广播电台播出的交响乐,听起来同去现场听乐队演奏相比总有欠缺;电视图像上也时有杂色点闪烁。这是什么原因呢?

  原来,信号在传输过程中要经过许多设备的处理和转送,这些设备难免要产生一些噪声和干扰。此外,如果是有线传输,线路附近的电气设备也要产生电磁干扰;如果是无线播送,则更加“开放”,空中的各种干扰根本无法抗拒。这些干扰很容易引起信号失真,也会带来一些噪声。这些失真和附加的噪声,还会随着传送距离的增加而积累起来,严重影响通信质量。

  对此,人们想了许多办法。一种办法是采取各种措施来抗干扰,如提高信息处理设备的质量,尽量减少它产生的噪声;又如给传输线加上屏蔽;再如采用调频载波来代替调幅载波等。但是,这些办法都不能从根本上解决干扰的问题。另一种办法是设法去除信号中的噪声,把失真的信号恢复过来。但是,对于模拟信号来说,由于无法从已失真的信号较准确地推知出原来不失真的信号,因此这种办法不很有效,有时甚至越弄越糟。

  此外,模拟信号在传输过程中保密性差,信息在传送过程中很容易被人窃取。

  于是,一种新的信号形式出现了,这就是数字信号。

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