电子信息科学技术导论黄载禄二版电子教案第四章 信息与通信工程

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1、第四章 信息与通信工程“十二五” 普通高等教育本科国家级规划教材 电子信息科学与技术导论第二版 “信息与通信工程”是我国“工学”研究生培养设置的一级 学科，以该学科为背景设置的大学（工科）本科专业有： 通信工程、电子信息工程、信息工程、网络工程、电磁场 与无线技术、广播电视工程和数字媒体技术等。本科专业通常涉及多个学科领域，因而相关本科专业 的教学计划也往往是建立在多个一级学科理论基础之上。“信息与通信工程”是电子信息科学技术中渗透面很广的 学科，而通信又是该学科中理论技术密集，发展迅速，应 用普及，对社会影响较大的科学领域。本章主要从通信技术、工程和通信网的角度来介绍“信 息与通信工程”学科

2、的发展、基本概念及主要内容，涉及固 定电话、移动电话、通信网、QQ和微信、卫星通信和 GPS全球导航定位系统等。前 言第四章 信息与通信工程4.1 电话的发明 4.2 电话与电话网 4.3 移动通信 4.4 即时通信 4.5 卫星通信 4.6 全球卫星导航定位系统 4.7 新型通信机量子通信小结4.1 电话的发明1753年，摩尔逊利用静电感应的原理，用代表26个英文字母的26根导线 通电后进行电报传输。导线太多，设备庞杂，并且静电传送的距离有限，因 此这项发明没有得到推广应用。远程传送信息一直是人类的梦想。1834年莫尔斯发明电报，开创了利用”电“通信的新时代。 1865年法 、德、俄、意、奥

3、等20个欧洲国家签订了国际电报公约，开始了电 报的大规模商用。莫尔斯电报机贝尔电话构思模型最早期打电话情形，图中为贝尔最早使用的听筒1876贝尔发明电话注：电话发明日的两种说法：一、美国波士顿法院路109号铜牌 上面镌刻有:“1875年6月2日电话诞生在此”；二、1876年3月10日 。前者只是制作出了一个可产生声音的装置，无法传连续语音。 商用电话的诞生时间是后者。一、电话的普及与应用 1882年出现了共电式电话机 （没有手摇发电机和干电池，通话所用电源由交换机供给）1877年爱迪生发明碳精式送话器+手柄+呼叫设备（电铃）+手摇发电机+干电池 （磁石式电话机） 1896年美国人爱立克森发明了

4、旋转式电话拨号盘4.2 电话与电话网 1920年美国人坎贝尔发明了消侧音电路（自动电话机-拨号盘电话机）60年代电子学飞速发展、70年代大规模集成电路出现(电子电话机-按键式电话机)80年代随着N-ISDN的应用出现了数字电话机(a)1878年手持电话 (b)1880年贝尔电话 (c)1885年木支架电话 (d)1892年磁力电话 （e）1901年磁力电话 (f)1914磁力发电机电话 (g)1920号码盘电话 (h)1930年号码盘电话 “磁石共电自动”电话机 1889年 纽约曼哈顿街上 的电话线1892年纽约至芝加哥的 电话线路开通，贝尔在 开通现场。电话迅速普及我国电话的发展史1882年

5、6月，皮晓浦以“上海电话互助协会”名义开办了第二个电话局，用户30余家。 1882年2月，丹麦大北电报公司在上海外滩扬于天路开办第一个电话局，用户25家。 1881年，英籍电气技师皮晓浦在上海十六铺沿街架起一对露天电话，付36文制钱可通 话一次。(中国土地上的第一部电话) 1882年6月， 英商“东洋德律风”公司兼并上述两电话局经营，用户仅300多家。 1889 ，安徽省安庆州候补知州彭名保，自行设计、制造了五六十种大小零件，造出 了中国的第一部电话机。 “华为”、“中兴”为代表的具有国际竞争力的大型综合性通信企业，带动我国通信技术 快速发展。从第三代移动通信之后，我国通信技术已走在世界前列。

6、为什么要交换机?N N x (x (N-1) / 2N-1) / 2用户数 电缆数51010 451004950100050万二、电话交换机的演进为什么要交换机?N NText交换机人工交换阶段：磁石式电话机共电式电话机早期的人工交换电子式自动交换阶段：（传送模拟语音）半电子交换机：接线采用机械接点，控制采用电子器件。全电子交换机：接线和控制均由电子器件实现（通过开关电路实现）。机电式自动交换阶段：（传送模拟语音）步进制交换机 ：由用户拨号，直接控制步进继电器接线（跳线）。纵横制交换机：由用户拨号，控制接线器纵横行走。噪声小。程控交换机阶段：（传送数字语音，由计算机控制语音数据交换）模拟程控交

7、换机：1965年5月美国开通了第一个程控交换机。数字程控交换机：1970年法国开通了第一个数字程控交换机。 IP交换：（传送数据包）IP（Internet Protocol）交换机：采用“包”交换体制，通过互联网传送 信息。IP交换：效率高，可以将电话、视频都以数据“包”的形式在同一数据通 道中传送，以实现三网融合。 三、数字程控交换机1.数字程控交换机的硬件组成数字程控交换机硬件组成方块图两大部分：话路系统，中央控制系统 。 话路系统：由用户电路 、中继电路、交换网络 、收发码器、信号音部 件、端口扫描器、网络 驱动器等电路功能块组 成。中央控制系统：由中央 处理计算机、程序/数据 存储器、

8、输入/输出设备 等组成。交换网络：完成数据交换的功能，在通信双方用户入线与出线之间 建立连接，从而实现不同线路端口上的话音交换。 交换网络有不同类型，它们只是一块数字集成电路。用户电路: 完成各用户的模拟语音信号的编码与解码。各用户编码 、解码独立进行。用户交换机的机架中安装的绝大部分是用户电路 板，通常1000至2000用户电路装一个机架。 局用交换机则没有用户电路或者只配置少量用户电路。交换机基本工作过程：主叫用户摘机：送出摘机信号，扫描器收到用户摘机信号之后，立即通 知中央处理器，由中央处理器驱动信号音与用户连接，同时驱动收发码器 准备收号（用户将拨号码）； 拨号：用户听到信号音，拨号；

9、拨号（脉冲或双音频）数码送入收号器 ，中央处理器同时分析号码，送被叫交换机； 振铃：若被叫空闲，则主叫预占一条通话通路，同时给被叫振铃； 被叫用户摘机：处理机将预占的话路与被叫接通，主、被叫进入通话。 拆线：主叫或者被叫任何一方挂机，处理机将话路释放，通信终断。 2. 程控交换机的软件组成扫描监视程序：负责检测和 识别用户线的状态变化，检 测和识别用户线上的摘机 / 挂机信号和用户拨号。该软 件模块总是运行优先，以保 证通话建立时间尽可能短。 号码分析是在收到用户所拨 号码后进行分析处理。收/发 码器可以从用户线上直接接 收号码，也可以从中继线上 接收它局传送来的号码。号 码分析的目的是确定呼

10、叫类 型、被叫用户及地域（市话 、长话、国际长途？）以及 准备执行的下一步任务。交换机控制软件调度关系软交换功能结构图 软交换是当前交换技术发展的主要方向！软交换技术的优点:将业务/控制与传送/接入分离，便于三网融合 。 3.软交换软交换=通用计算机平台（含接口）+软件 （完成交换机功能 ）四、固定电话网1电话网的构成固定电话网的构成图2我国固定电话网的三级结构本地网设一级，长途网分为两级 （又称两个平面），因而称之为 三级结构。本地网中圆圈表示电话交换机 ，不同形式的圆圈表示交换机的 功能有不同（如端局、汇接局） 。我国的电话网结构本地网交换机无长途电话功 能，用户打长途须通过上一级长 途交

11、换中心DC2转接。DC1可以 直接和各省的长话局互连，DC2 则不能。一般并不把长途干线包括在 电话网中，而是将其划入传输网 。国际电话局：国际上有多种电话数据制式标准，我国的固定电话采用和欧洲相同的标准，日本采用和美国相同的标准；因而和欧洲通长途电话无需制式转换，和美国通电 话则要将美国的来话转换成我国标准，我国的去话在美国的入口局转为美国标准。 目前中国有三个国际电话局，分设在北京、上海、广州。程控交换机是通信技术发展的一个里程碑 ，它将语音数字化传输，使通信与计算机技 术相结合，将通信技术推向了一个前所未有 的高度。由于移动通信比固定电话方便，可以随时 随地进行通信。我国自2014年始，

12、移动通信 已进入4G时代，目前手机用户已大大超过固 定电话用户，但作为固定电话中的程控交换 机，预计还将使用一个相当长的时期。五、IP交换与路由1ATM传输模式图4-2-10 ATM数据示意图程控电话（语音）、视频信号（图像）-采用同步传输（Synchronous） 。综合数字业务网（ISDN）要求同时传送语音、图像和数据，必然采用异 步传输模式ATM（ Asynchronous Transfer Mode）。-将不同信息都编制成由53个比特组成的单元进行传送图4-2-12 路由器工作示意图图4-2-11 无线路由器2IP交换与路由路由-由网络ID号操作、实现。交换-由用户ID号通过设备 的M

13、AC地址来识别设备，完 成数据交换。图4-2-13 IP交换机简图IP交换机工作流程简图3，IP电话网VoIP是利用Internet 技术或网络进行语音通信的新业务，是一项革 命性的产品，它可以透过网际网络做实时的传输及双向的通话。电子信息处理技术互联网技术IP电话是通信和互联网相结合的语音通信体制 。IP电话工作流程：IP电话系统架构 用户终端： 个人电脑 IP电话机 手机 固定电话机网络设备包括： IP电话网关、IP 网、路由器和调 制解调器（ADSL ）等。注：IP电话网仅共用话机 至电话局之间的电话线， 其它独立。IP电话的网络结构A市B市软交换计算机平台IP电话网设备配置图v 优点：

14、 节省带宽。固定电话的带宽为64Kkbps。而IP电话只需68Kkbps （甚至低于2.4Kkbps），在固定电话带宽内电话用户数可增加几 十倍，从而节省了带宽，降低了成本。 通话费用低，尤其是长途电话更经济。 功能丰富，便于开通综合业务、智能网业务。IP电话网方便与计 算机网的智能模块结合，可以灵活地控制信令和连接，有利于各 种增值业务的开发。 开放的体系结构。IP电话的协议体系是开放式的，有利于各个厂 商产品的标准化和互相连通。 多媒体业务的集成。IP电话网络同时支持语音、数据、图像的传 输，为将来全面提供多媒体业务打下了基础v IP电话缺点:(目前)通话质量较差和通话时延较长。IP电话的

15、优缺点 六、信令网信令: “信令”就是操作交换机的指令。用户利用电话网完成通话，交 换机必须执行各种动作（硬件的、软件的）才能完成对系统的操作。信令类型：按信令的工作区域分：用户线信令和局间信令。按信令的传递途径分：随路信令和公共信道信令。 用户线信令：用户和交换机间的联络信号,在用户线上传送。包括： 摘机信号、挂机信 号，直流脉冲或双音多频信号， 供电信号，拨号音、忙音、回铃音、振 铃信号等。局间信令：电话局之间传送的信号,在局间中继线上传送。局间信令的传送已完全与话路独立，而构成了 一个独立的专用的信令网。调制解调器PC 机数据传输网调制解调器数字比特流数字比特流调制信号调制信号 输入 字

16、符显示 字符PC 机数据通信系统1，基本模型2，调制解调器背面电话机电话线计算机接口实现光纤到户之前，用户数据接入互联网的唯一选择是利用电话线 。3，调制解调器中数据和模拟话音信号复用作用：将话音、数据、视频等信号复用后通过同一条电话线传输。复用原理：将电话线的频带划分出话音通道和数据通道。电话线复用方式020KHz 25KHz1.104MHz传送3003400Hz频率的模拟语音信号上行信道：可传768Kb/s数据下行信道：可传68Mb/s数据调制：将数据变为高频 己调信号；解调：从高 频信号中还原出数据。话音通道数据通道注：媒质不同，复用方式可能不同。电话线是最常用的传输媒质 。4，调制解调器的多种产品类型调制解调/路由器计算内置调制解调器调制解调器无线调制解调器 USB无线调制解调器七、 网络中心设备图4-2- 16 路由器图 4-2-17 互联网中心交换机图 4-2-18 数据中心交换机房图4-2-19 机