信息通信技术的发展与应用

濮荣强

(芜湖职业技术学院 信息工程学院，安徽 芜湖 241003)

1 信息通信技术的发展过程

1.1 数字通信

人类比较习惯认识模拟信号，但有线电话不能识别模拟信号，与有线电话通信须采用二进制数字信号。为了把模拟信号转为有线电话可以认识的二进制数字信号，通过采样、量化、编码把模拟信号转化为二进制数字信号构成30/32路PCM有线帧传输[5]，其可靠性由Shannon采样定理保证，数字通信过程如图1所示。

图1 数字通信过程

Shannon采样定理原理，瞬时采样速率至少是模拟信号最高频率的2倍，其离散值可以替代原来时间上连续的带限信号，带限信号可用离散样值精确恢复，在信号理论中具有很大价值，意味着连续信号所具有的无限多个点的信号值，能减少为有限多个点的离散信号值序列，使得处理一些孤立的瞬时时间段信号成为可能。

数字信号可采用随时间变化的时域或随频率变化的频域两种不同的形式表示，时间与频率两者互为倒数关系，由非周期信号的Fourier变换相互联系

即时域信号f(t)与频域信号F(jω)组成Fourier变换对。

数字信号里直流成分比较大，基带传输衰减比较快，为实现远距离传输，必须把数字信号调制到高频正弦载波上进行频带传输。常用数字调制技术有ASK、FSK、PSK，按已调信号频谱结构的不同特点，数字调制分为线性和非线性，ASK、FSK、PSK都属非线性调制。线性调制的已调信号，其频谱结构与基带信号的频谱结构相同，仅频率位置改度；非线性调制的已调信号，其频谱结构相对于基带信号已有所不同。

与数字调制相对应的逆过程是数字解调，一般分为相干与非相干两种不同的数字解调方式。相干解调是由接收信号与本地参考载波信号的相关运算来完成的，而非相干解调一般指包络检波。与相干解调相比较，非相干解调中减少了接收机的复杂性，但抗噪声性能将有所下降。因为传输信道存在干扰，为了实现检错与纠错，需采用差错控制编码，即在发送端被传输的信息码序列上附加监督码元，使信息码之间以某种确定的规则相互关联而约束，接收端则按照约定的规则，检验信息码与监督码之间的关系，一旦传输过程中发生差错就可以检测错误并纠正。

数字交换可分为电路交换与分组交换。电路交换的特征是建立先链接、后传输的私网，安全可靠；分组交换的特征是建立边链接、边传输的公网，成本较低。

1.2 移动通信

按通信波长的长短可分为无线电波、微波、光波、射线。移动通信使用无线电波，其波长为米级，属长波通信范围，衍射特征显著，热效应较低。

1.2.1 2G移动通信频段

中国移动GSM系统收、发频段使用905～909 MHz和950～954 MHz；中国联通GSM系统收、发频段使用909～915 MHz和954～960 MHz。2G移动通信采用划分8个时隙的逻辑信道构成TDMA帧，时长约0.577 ms，同信道、不同时隙的传输数据应用在2G移动通信领域[6]，只能实现单媒体通信服务。2G移动通信TDMA帧如图2所示。

图2 2G移动通信TDMA帧

1.2.2 3G移动通信无线电波频段

图3 3G移动通信WCDMA无线帧

中国电信收、发频段使用1920～1935 MHz和2110～2125 MHz； 中国联通收、发频段使用1940～1955 MHz和2130～2145 MHz；中国移动收、发频段使用1880～1900 MHz和2010～2025 MHz。3G移动通信采用划分15个时隙的逻辑信道构成WCDMA无线帧时长约10 ms，如图3所示。同信道、同时隙、相互正交的传输数据应用在3G移动通信领域，在图3中，DPDCH和DPCCH是同信道、同时隙、相互正交的数据信道与控制头信道[6]，采用码分复用传输可实现多媒体通信服务。3G移动通信采用WCDMA将信号扩展到较宽的频带上，在接收端再对扩频信号进行相关处理，即带宽压缩，恢复成窄带信号。对干扰信号而言，由于与伪随机码不相关，因此被扩展到较宽的频带上，使之进入信号通频带内，干扰功率大大降低，同时增加了相关器输出端的信干比，因而具有较强的抗干扰能力。虽然扩频系统占据了很宽的频带，但扩频通信可以实现码分多址，用户可共用一个频段，从而提高了频谱利用率，甚至比单路单信道系统的频谱利用率还高。

在移动通信领域，多径干扰导致信号的衰落和相移，如采用时域均衡、Rake接收机和正交频分复用(OFDM)都能对抗多径干扰。移动用户与基站间的距离是随机变化的，若各移动用户发射功率一样，离基站近信号强，反之则弱。因此，当通信距离迅速改变时，移动台的发射功率需通过内环负反馈调整自动增益控制。

1.2.3 手机SIM卡属电子存储卡(IC)

手机SIM卡属电子存储卡(IC)，是符合开放系统互连标准的“智能”IC卡，其包含与用户有关的无线接口信息，也包括鉴权和加密的信息，存在只读不可写区域(IMSI、密钥、加密算法)与读写区域(可存储短信息、电话号码)。

手机的无线电波辐射特征是接受基站信号越弱，手机自身的辐射反而越大。因为基站覆盖信号出现远近效应时，为保证移动通信正常工作，手机通过内环负反馈调整自身的增益控制，加大天线的辐射功率。在信号差的地方，手机因提高了自身的辐射功率而使电量掉得比较快。

3G-LTE放弃CDMA技术而采用OFDM复用技术，在20 MHz频谱带宽内可以提供下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s的不对称数据峰值无线传输率，改善了边缘用户性能，提高了蜂窝区通信容量，减少了系统延迟时间。

1.3 光纤通信

光纤通信属有线通信，采用载波波长为微米级的光波。强度调制——直接检波式的数字光纤通信系统见图4，包括PCM机、输入接口、光发送机、光发收机、输出接口、光纤线路等。

图4 强度调制——直接检波式的数字光纤通信

光接收机包括光检测器、前置放大、整形放大、定时恢复、判决再生电路器等，这里从光纤线路上检测到的光信号被转换成电信号，一般对应于强度调制，采用直接检测方案，即根据电流的振幅大小来判定收到的信号是“1”还是“0”，判决电路的精确度取决于检测器输出电信号的信噪比(S/N)。接收机的重要参数是接收机的灵敏度，其定义为接收机在满足误码率的情况下所要求的最小接收光功率。光接收机输出的电信号被送入输出接口电路，它的作用与输入接口电路相对应，即进行输入接口电路变换的反变换，并且使光接收机和PCM机之间实现码型、电平和阻抗的匹配。

数字光纤通信系统采用SDH 帧传输，SDH帧有9行、每行有270×N个字节，帧周期为125 μs，按字节从左到右、由上到下逐行发送，STM-1的SDH帧传输速率为155.520 MB/s[7]。光源通常采用发光二极管产生，其PN结具有正向导通、反向截止、击穿特性。在正向电压下，注入的电子和空穴被移动到折射率比两侧限制层P区与N区折射率高的有源层，只需微弱的外激励电流，就可以使电子和空穴复合而产生自发辐射光。因此，产生的辐射光被限制在有源层内，而电/光转换效率较高[8]。

中继接力采用光纤放大器，掺铒光纤放大器(EDFA)由掺铒光纤和泵浦光源组成，其吸收泵浦光源的能量，实现由基态→激发态→亚稳态的粒子数反转分布，然后在入射信号光的激励下产生受激辐射光，完成对信号光的放大，EDFA可以直接放大光信号而无需转换成电信号。掺入Er3+离子的石英光纤在980 nm和1480 nm波长时对泵浦光吸收效率最高，可产生6 dB/mW和10 dB/mW的光增益，如图5所示。

数字光纤通信系统工作在两个低损耗、零色散窗口：1.55 μm波段和1.31 μm波段。EDFA在1.50～1.60 μm 波段处带宽为40 nm，如波长间隔为0.8 nm可同时让50路光波使用，EDFA使得整个光纤通信远距离接力传输变得实用化。

图5 掺杂光纤放大器

1.4 接入网

接入网是指光纤宽带传输网到用户终端之间的连接网，ADSL电话线接入、EPON光纤接入、HFC光纤同轴电缆混合接入、无线接入等都是常见的接入网方式。光纤接入方式按位置分为FTTH、FTTB、FTTC和FTTO，无线接入方式可分为固定无线接入和移动无线接入。

2 信息通信技术的应用

4G手机更轻薄、功耗更小、频段更多、带宽更宽，上网速度进一步提升，理论下行极限速率是150 Mbit/s。4G手机主板的1/3是射频电路，射频芯片将数字信号调制成电磁波，能够支持游戏、影音、视频等各种高速率业务。加之摄像头、高端滤波器等硬件能力的快速提升，4G手机正式开启了新的移动互联网时代。

5G手机SoC芯片(system-on-a-chip)就是手机的主芯片，而基带芯片是主芯片的一部分，5G基带芯片相当于电脑的网卡，它负责数据收和发，决定了手机支持什么样的网络制式(GSM、CDMA、WCDMA、LTE等)。5G芯片可以让手机在最高10 Gbit/s的理论速率下下载数据，可服务于物联网。

3 信息通信技术的讨论

材料科学的进步和量子通信的出现为通信技术的发展开辟了更广阔的空间。电磁超材料技术的迅速发展, 已经可以制造出不同于以往观念的光学集成回路，如负折射介质具有负介电常数与负磁导率,其特征是当光从正折射率介质入射到负折射介质材料界面时，折射光线与入射光线在界面将出现在法线的同侧，负折射介质光波的波矢方向与能量的传播方向相反，而电场、磁场与波矢满足左手规则。负折射介质最引人注目的地方是能放大倏逝波，可将二维像点的傅立叶分量全部聚焦实现完美成像，从而极大地提高成像的分辨率而实现超透镜效应。电磁超材料将在核磁共振成像、光存储和超大规模集成电路的光刻技术等方面得到广泛的应用。

如今电子集成芯片线宽已达亚微米量级，每平方毫米芯片上集成数千万个元件，但是电子波动性有了量子限域效应，使集成电路的传输损耗与信号延迟成为电子信息通信技术发展的瓶颈。

量子通信技术的出现不仅解决了电子通信技术上的量子局限效应，而且相较于经典通信，量子通信在信息处理方面有着巨大的潜力，在信息安全方面有着经典通信无法企及的优势。量子通信基于量子叠加态，处于量子叠加态的1个量子比特(qubit)同时具备2个信息比特，其运动规律只能用量子力学理论来描述。量子计算机可按量子力学规律进行高速处理、存储量子信息。多量子位的叠加态可实现并行计算，但任何一个量子位的测量都让这个量子比特敏感坍缩。量子叠加态的不可克隆性，保证了量子通信过程的信息安全。非定域性量子纠缠鬼魅似的超距作用(spooky action at a distance)特征，能让1个量子比特与其同源相干的量子比特始终保持纠缠状态、同步实现并行计算。

量子计算利用量子比特的叠加性、纠缠性，可以获得远高于经典计算机的计算能力，但量子计算中用到的光子能量约少可见光能量5个数量级，因此需在极低温环境下，采用非常低的精细能级结构才可以保证量子比特的相干性。n个量子比特的容量相当于信息比特容量的2n倍，其计算能力可随量子比特的位数增加呈指数增长，突破了集成芯片规格的经典物理极限，是具有标志性的信息通信技术。