卫星通信历史与发展

卫星通信历史与发展
科技的脚步从一小步到一大步,然而,科技的发展也从地面到天空,天空到天空到太空,通讯科技也从有线到无线,更进入了太空,科技的进步带来了对生活产生莫大的帮助
1958年12月美国宇航局发射了"斯柯尔"(SCORE)广播试验卫星,进行磁带录音信号的传输
1960年8月发射"回声"(ECHO)无源发射卫星,首次完成有源延迟中继通信
1962年7月美国电话电报公司AT&T发射了"电星一号"(TELESTAR-1)低轨道通信卫星在6GHz/4GHz实现了横跨大西洋的电话,电视,传真和数据的传输,奠定了商用卫星的技术基础
那时,由於火箭推力有限,卫星高度均没有超过1万公里,这些卫星称为低轨道卫星
为了接收来自卫星地信号,地球站的天线要不停地跟踪卫星,而当卫星转到地球的另一侧的时候,地球站只有暂停工作,等再一次转到这一侧的时后继续跟踪,所以地球站与卫星间的通信只能进行几个小时
1963年7月美国宇航局发射"辛康二号"(SYNCOM-II)
其轨道高度升高后,可使卫星在赤道上空绕地球一周的时间与地球自转一周的时间相等,这种卫星和地球站是相对的,故称为静止卫星
至此,经历了二十年的时间,完成了通信卫星的试验,并卫星通信的实用价值得到广泛的承认
卫星通讯的种类
同步卫星
作为空间导航定位的人造地球卫星,综合了传统天文导航定位及地面无线电导航定位的优点,实现了全球全天候,高精确度的导航定位
50年代,美国开始著手卫星导航定位的研究工作
60年代,初建了"子午仪"导航定位系统,为第一代卫星定位系统
80年代,发展了"导航定位星"全球定位系统,也就是现在大名鼎鼎的GPS系统
直播卫星
直播卫星已跟我们生活上息息相关,传统的无线电视台电波常受到干扰,必须加
设中继站,否则电视会收视不良,以日本与印尼来讲,狭长的岛屿国家,设立中继站的经费远超过直播卫星,因此发展专属的直播电视卫星,以改善收视的效果,而日本更以直播卫星发展高解析电视,台湾投资制作节目或租用其他卫星频道已达三十几个,是卫星电视很普遍的国家
直播卫星的出现,让我们想看哪个球赛都有现场直播,提高在电视看球赛的刺激性,也让民众觉得看电视比以前有新鲜感
非同步卫星
非同步卫星在轨道上环绕地球,当他飞越地球某个地区时,只有那个地区能对卫星发射与接受讯息,因此藉多个卫星作接力式转播
卫星通讯事故
1988年5月,出现了无线电通讯最严重的事故,由潘安赛制造的价值2.65亿美元的信斯太空通讯卫星"银河四号"发生故障,结果美国大约有4100万人的无线电呼叫器立即失联,由此可知,通讯卫星一旦发生了事故,对人民的影响是很大的,也显示出人们对於通讯卫星的依赖日渐加重
卫星对环境的污染
根据科学家杂志报导,废弃的卫星永远遗留在轨道上,杂乱的形成一堆废弃物,除非卫星管理者将他们清除,要不然很容易造成卫星的碰撞,任何一个碎片都足以摧毁一个卫星,所以我们必须严格的监控以保护同步卫星轨道,不要让这污染继续扩大
1.1 电话交换机的发展变化
人类社会的一切活动都离不开资讯的传递——通信.它像人的神经系统一样重要 .在目前人类的一切通信方式中,电话通信是应用最广泛的一种.电话通信的目的是达成人们在任意两地之间的通话,因此,必须要解决三个问题:第一是语音信号的发送和接收;第二是语音信号的传输;第三是语音信号的交换.第一个问题由使用者的终端设备——电话机来解决.第二个问题由各种类型的电话传输设备——从最简单的音频传输线到多路载波设备,数位微波,卫星通信线路设备等等来解决.第三个问题则由各种类型的电话交换设备来解决.这三个部分只要有系统地结合起来,就能构成一个完整的电话通信系统.而电话交换设备,是整个电话通信网路中的枢纽,有著相当重要的作用.
自从一百多年前电话发明以来,电话交换技术的发展大体经历了三个阶段:
第一阶段是人工交换阶段
电话一发明,由於要求各地电话机之间灵活地交换连接,於是很快发明了交换机.最早采用的是磁石式电话交换机(Magneto Telephone Exchange),接著出现了共电式电话交换机(Common Battery Telephone Exchange), 这些都是人工交换机,必须由接线生(Operator)来完成使用者电话间的接线和拆线, 其特点是设备简单,容量小,需占用大量人力,话务员工作烦重,速度又慢,因此, 人工交换机逐渐被自动交换机所取代.
第二阶段是机电式自动交换阶段
自动交换机是靠使用者发送号码(被叫使用者的位址编号)进行自动选线的.世界上第一部自动交换机是1898年由美国人A.B.史端乔(Almon B.Strowger)发明的,这是一台步进式IPM电话交换机(Step By Step Telephone Exchange),1892年,世界上第一个步进式IPM自动电话局在美国印第安纳州拉波特设立,因此,自动电话交换机得到迅速发展,在世界各国装用,并相继生产了许多改进的机型.1926年,瑞典研制出了第一台纵横电话交换机(Crossbar Telephone Switching System),并在松兹瓦尔(Sundsvall)设立了第一个纵横实验电话局,拥有 3500个使用者.从三十年代起,美国等国家也开始大力研制和发展纵横式交换机,到五十年代,纵横式交换机已达到成熟阶段.由於纵横式交换机采用了机械动作轻微的纵横接线器并采用了间接控制技术,使它克服了步进式交换机的许多缺点.特别是它能适用於长途自动交换,因此五十年代以后,纵横式交换机在各国得到了大量的推广和应用.
步进制交换机和纵横式交换机的主要元件都采用具有机械动作的电磁元件构成, 因此,它们都属於机电式交换机.
步进式交换机
纵横式交换机
第三阶段是电子式自动交换阶段
随著近代电子技术的飞速发展,人们开始把电子元件应用到交换机中,逐步取代速度慢,体积大的电磁元件.於是出现了准电子电话交换机(Quasi-Electronic Telephone Switching System).电脑,大型积体电路的发展及应用,使自动交换机
的发展产生了重大转变.1960年,美国贝尔系统试用储存程式控制(以下简称程控)交换机(Stored Program Controlled Switching)成功,并於1965年5月世界第一部程控电话交换机开始运作.该机采用电脑作为中央控制设备,由电脑来控制接续工作,该交换机属於程控空间分隔电话交换机(Store-Program Control Space Division Telephone Exchange),它意味著电话自动交换控制技术已从机电式式线控制发展到电子式程式控制.1970年,法国设立了世界上第一部程控数位电话交换机(Store-Program Control Digital Telephone Switching System).随后,美国,加拿大,瑞典,英国等国相继使用程控数位交换机.程控数位交换机,达到了交换机的全电子化,同时也达到了由类比空间分隔交换向数位分时交换转的重大转变.到了八十年代,程控数位电话交换技术日渐完善,开始走向交换技术发展的主导地位.数位交换与数位传输相结合,可以构成整合数位网路(IDN), 还可以开发成整合服务数位网路(ISDN).数位交换系统不仅达到语音交换,还要完成非语音服务的交换,即要求程控数位交换系统具有电话交换(Circuit Switching), 分封交换(Packet Switching)以及宽频交换的能力. 程控数位交换机经过20年的推广应用,其技术已经成熟.具有ISDN功能的数位交换机也纷纷出笼.目前交换技术的发展方向是宽频交换,包括非同步传输模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)交换技术和光交换技术.
ATM交换是80年代后期发展起来的.国际电报电话谘询委员会(CCITT)已经确定, ATM将作为宽频整合服务数位网路(B-ISDN)的资讯传输方式.日本,德国,美国都在大力研制和开发大型的ATM交换机.吞吐量为几百Gbit/s的ATM交换机近年内可望问世 ,可以预见到下个世纪开始,ATM交换设备将逐步取代现有的程控交换机而成为通信网路中的主要交换方式.
光交换和ATM交换一样,是宽频交换的重要成员,只是光交换目前还停留在实验室研究阶段.
1.2 自动交换机的分类
从自动交换机的产生至今已有一百多年的历史了,其发展也经历了好几代产品. 因此,无论从自动交换机的结构和功能方面来看,还是从自动交换机的特点和用途方面来看,各种交换机已是千变万化,各具特色.我们不妨从自动交换机的技术特点等方面出发,对众多的自动交换机进行分类,从而了解各种自动交换机的
共同点及其差异.
如果从自动交换机内部传输资讯的方式来区分,它可为类比(Analog) 方式的电话交换机和数位(Digital)方式的电话交换机.类比方式的电话交换机对使用者的类比信号直接进行交换.如早期的步进制交换机,纵横式交换机,以及空间分隔电子交换机,脉幅调变(PAM)的分时交换机等数位方式的电话交换机对数位信号进行交换(主要是指对用户的类比语音信号已经进行了数位化编码的数位语音信号).现在所使用的各种类型的程控数位交换机都是通过对数位信号进行交换而完成使用者间的接续功能的.
自动交换机如果按其应用的范围划分,可以分为公用交换机和专用自动交换机(PABX). 公用交换机是指用於公众电话交换网路(PSTN)中,用於完成公众电话网路使用者之间 ,使用者与中继电路(Trunk Circuits),中继电路与中继电路之间交换连接的交换机 ,如公众电话交换网路中的市话端局交换机,汇接局(Tandem Office)交换机,长途局(Toll Office)交换机等,专用交换机是指用於某一特定机构(如某医院,旅馆,学校,公司等)并与公众电话网路相连接的交换机,有时亦称"使用者交换机".
专用自动交换机主要用於使用者所在机构的内部通信,往往根据该机构使用者的特殊需要增加一些特别的功能服务.专用交换机适合於使用者比较集中,内部话务量 (Traffic Volume)比较大的场合,它是公众电话交换网路的一种重要补充.如美国约有1000万条以上的使用者交换机的线路,这个数目和8000多万条市话使用者线相比显然是相当小的,但这些使用者交换机所承担的话务量约是所有市话和长途话务量的百分之六十,使用者交换机在公众电话网路中的作用由此可略见一斑.
如果按自动交换机的执行控制方式划分,则可分为布线逻辑控制(Wired Logic Control)交换机和储存程式控制(Stored Program Controlled)交换机.布线逻辑控制(简称布控)交换机采用硬体逻辑电路来控制交换机的各个模组完成使用者呼叫接续功能的.布控交换机的控制部件一旦做好,其控制功能便不易再进行改动.储存程式控制(简称程控)交换机采用电脑(Computer)来控制交换机完成使用者呼叫接续功能.与其他一般电脑相同,程控交换机中的电脑也采用 "储存
程式控制"(SPC)的工作方式.即把交换机所需完成的控制功能及其步骤,方法首先编制成可执行的程式(Program),然后送入电脑的记忆体(Memory)中,由微处理机(Micro-Processor)执行记忆体中的程式,控制各种外围元件动作,从而控制交换机执行,完成各种预定的功能.与布控式的交换机相比,程控交换机引入了电脑控制技术,因此增加了许多优点.例如能够提供许多新的使用者服务,维护管理方便, 可靠性高,灵活性适用性大,便於向整合服务数位网路(ISDN)发展等等.
由於程控数位技术的先进性和设备的经济性,使电话交换跨入一个新的纪元,而且对开发非语音服务,达成整合服务数位交换奠定了基础,因而成为当今交换技术发展的主要方向.随著微处理机技术和专用积体电路的飞速发展,程控数位交换的优越性愈加明显地展现出来.目前所生产的中,大容量程控交换机全部为数位式的.近十年来,世界各国研制与生产出众的各具特色的程控数位交换机
1.3 程控交换机的特点与发展
程控数位交换机是现代通信技术,电脑技术与大型积体(LSI) 电路相结合的产物 .先进的硬体与日臻完善的软体技术综合於一体赋予程控交换机以众多的功能和特点 ,使它与布控交换机相比,有如下优点:
体积小,重量轻,功耗低:程控交换机一般只有纵横式交换体积的1/8至1/4, 大大减小了空间占用面积,节省费用;
能灵活地向使用者提供众多的新服务功能,程控交换机由於采用了储存程式控制的技术,因而可以透过软体很方便地增加或修改交换机的功能,向使用者提供各类新型服务,如缩位拨号,呼叫等待,呼叫转移等等,给使用者带来很大的方便.
工作稳定可靠,维护方便由於程控交换机一般采用大型积体电路或专用积体电路(ASIC),因而具有很高的可靠性.它通常采用冗余技术或故障自动诊断措施, 以进一步提高系统的可靠性.此外,程控交换机利用故障诊断程式对故障自动地进行检测和定位,以及时地发现与排除故障,从而大大地减少了维护工作量.程控交换系统可方便地提供自动计费,话务量统计,服务品质自动监视,超负荷控制,给维护管理带来方便.
便於采用新型的共通道信号方式(Common Channel Signalling;CCS)由於程控数
位交换机与数位传输设备可以直接进行数位连接,提供高速共信号通道,适於采用先进的CCITT No.7信号方式,从而使得信号传送速度快,容量大,效率高,并能适应未来新服务与交换网路控制的特点,为达成整合服务数位网路创造必要的条件.
易於与数位终端机,数位传输系统连接,完成数位终端,传输与交换的整合统一.可以扩大通信容量,改善通信品质,降低通信系统投资,并为发展整合数位网路和整合服务数位网路奠定基础.
目前,程控交换机的种类技术都在不断地更新发展,性能更加优良,技术更加先进的交换机都在进一步地研制和推出.整体来说,其技术发展的方向和趋势可归纳为以下几点:
研制新型专用大型积体电路,提高硬体整合度与模组化水准,以进一步减小体积和降低成本,增强功能及提高可靠性;
提高系统控制的分散程度,灵活程度及可靠性,逐步采用全分散控制方式;
采用CCITT建议的高级语言(如CHILL,SDL,MML),提高软体水准和模组化程度.加强支援系统的开发,建立强大的软体产生系统.
积极推行共通道信号方式.
逐步引入非语音业务,如数据业务,图文传真(FAX),电报(Telex)与电传图文(Teletex),电传视讯(Videotex),图文电视(Teletext)及电子邮件(Electronic Mail), 影像资讯等,开发相应的介面,构成整合资讯交换系统.
增加程控交换系统与其它类型通信网路(如传真网路,分封交换网路或公用数据网路,电脑区域网路(LAN)等的介面,连接与组成网路能力.
为适应高速资讯服务日益增大的需求和光通信(Optical Communication)的发展,开发宽频整合服务数位网路(B-ISDN)环境下交换理论,体制与关键技术的研究.目前研究的重点是非同步传输模式(ATM)
微波通信
* 在微波通信中,电磁波的单位是赫兹(Hz).德国物理学家赫兹关於电磁波的实验,为微波技术的发展开拓了新的道路,构成了现代文明的骨架.
* 微波是一种具有极高频率(通常为300MHz~300GHz),波长很短,通常为1m~1mm 的电磁波.在微波频段,由於频率很高,电波的绕射能力弱,所以信号的传输主要
是利用微波在视线距离内的直线传播,又称视距传播.
* 无线电微波的频率范围在 2GHz～40GHz 间 (1G = 109) .微波传输属於一种有向性 (line-of-sight) 方式,即传送与接收端间不能存有障碍物体阻挡,才能收到良好的声音与影像.通常,微波用於宽频带 (widiband) 及雷达 (radar) 系统,不过,一半以上的电话系统使用微波传输.1931 年,英国的多尔 (Dover) 使用第一个商业化微波系统横跨英国通道.
* 电视也使用微波传输,因为微波提供视讯 (video) 影像所需的传送容量.加拿大拥有一个全世界最广泛的微波系统,此外,美国也有几个微波系统,作为语言及资料通道.
* 微波系统所使用讯号的波性是一种直线波,也就是说,微波并不沿著地球曲面传送,以直线方式直接由传送端送达接收端.因此,两端的距离与彼此天线高度间有重要的关系.
在微波系统中,微波(2～40GHz) 在收发天线间直线式传送.
* 微波传输的衰减必须考虑两端间的气候,风速,雨量以及实际所使用的频带,天线两端的距离也是主因.受到地形,地物及气候状况的影响而引起反射,折射,散射和吸收现象,产生传播衰落和传播失真.
* 微波扩频通信技术是利用伪随机码对输入信息进行扩展频谱编码处理,然后在某个载频进行调制以便传输.属於中程宽带通信方式.微波扩频通信技术来源於军事领域,主要开发目的是对抗电子战干扰.
* 微波扩频通信的特点:
建设无线微波扩频通信系统目前无需申请,带宽较高,建设周期短
一次性投资,建设简便,组网灵活,易于管理,设备可再次利用
相连单位距离不能太远,并且两点直线范围内不能有阻挡物
抗噪声和干扰能力强,具极强的抗窄带瞄准式干扰能力,适应军事电子对抗
能与传统的调制方式共用频段
信息传输可靠性高
保密性强,伪随机噪声使得信号不易被发现而有利於防止窃听
多址复用,可以采用码分复用实现多址通信
设备使用寿命较长.
* 微波的其他用途:
@ 雷达:现代雷达大多数是微波雷达,利用微波可以使用尺寸较小的天线,来获得很窄的波束宽度以获得关于被测目标性质的更多的信息.
@ 无线电辐射计:无线电辐射计是一种无源遥感技术,用它发现有关目标的信息是通过接收黑体辐射的微波粒子(噪声)实现的,该微波粒子直接由周围物体辐射或反射,无线电辐射计是一种灵敏的接收机,专门用以测量这种噪声功率.
@ 微波炉:微波炉是一种相当简单的系统,由高功率源,波导馈线和炉腔所成.很多家庭用它加热食品,工业和医药应用中亦使用微波加热.
发展历史
电话历史主要分为四个部分:
(1)电话装置的进一步历史
(2)电话业务的历史
(3)电话相关技术的历史
(4)电话系统的历史
最重要的开发是真空试管和电晶体的发明;如果说没有这两项发明,不可能建造今天的电话系统.
Bell发明电话后,电话的发展进程很慢.Bell和Watson常常在一起讨论如何扩大电话的使用地域.1876年10月9日,他们打通了第一个长途电话,虽然只有2公里的距离,却足以让他们疯狂地庆祝一晚.1876年末,对於Bell及后来者来说,是艰难的一段时刻.虽然Bell和Watson对电话装置作了许多改进,但并没有使电话由珍品变为实用的设备.开发,研究电话的实用性远比Hubbard, Sanders, Bell 所预期的要艰难.当时还没有配电盘,电话一点都不实用,传输的质量很差.许多人质疑:谁需要这样的电话.在Bell申请电话专利后,有许多人对电话和传输器进行了开发应用.大多数人都认为Bell的专利发明并未产生实用的电话.由於害怕财力不足,1876年秋天Hubbard和 Sanders以$100,000 欲将他们的电话专利权卖给西部联盟,却西部联盟的拒绝.
1877年4月27日Thomas Edison为他所改进的传输器装置申请了专利权, 这项改进使得电话可以实用.Edison最主要的成果是,在专利声明中对两星期前Emile Berliner的传输器发明公告提出异议.这个冲突直到1886年才解
决,Edison决定生产传输器.1877年末,正式投入生产. 不久Bell在他的电话中使用了解Jrancis Blake改进的传输器.Blake 传输器通过膜片改变电流强度. 这与最初的发明和后来的改进大当不同.Bell的第一台电话传输器使用真人发声形成弱电磁场, 再传输到远距离受话器.后来Bell在电话裏装了更好的磁铁,但效果受传达室输的声音的音质的限制.
1877年7月9日 Sanders ,Hubbard, Bell共同成立了第一家贝尔电话公司.面对强大的舆论压力,Hubbard毅然决定开展电话租赁业务.这给电话生产带来很大影响.美元将在超过几个月,几年甚至数十年内流动,却不能产生利润.但租赁业务对电话的质量提出了更高要求,因此这也是使Bell系统能保持百年不衰的一个明智之举. 1877年9月西部联盟开始展开电话业务.他们从其他人手中购买专利或许可证,成立自己的电话公司.值此,已有1730家电话公司,Bell电话一直占据垄断地位.
当Bell专利侵犯提出起诉时,大多数竞争者消声匿迹了.他们对Bell的专利权提出了异议,纷纷成立自己的公司.1877 年 12 月西部联盟的电话公司,由於采用Edison改进的传输器,销售额迅速增长.Bell公司担忧的是到1877年底,他们仅安装了3000台电话,而西部联盟, 有100,000 英里范围内铺设了250,000 英里长的电报线.他们的目标是在全国的范围内提供周到的电话服务.西部联盟成为当时世界上最大的电信公司,占据了电报服务的垄断地位.面对这种情况,次年Bell精明的波士顿律师对他们提出了诉讼.
1878年1月28日, 第一家商业配电盘开始了在New Haven运营.2月17日, 西部联盟在旧金山成立了最大的城市交换网.公共程式控制电话网路诞生.
1879年11月10日,Bell在美国最高法院赢得了对西部联盟的专利侵权案的胜利. 最后的解决办法是,西部联盟放弃了它的电话专利和它控制的56,000 个电话.这一举措,使Bell公司以新的名字,新的实体进入国际领域.
1880年2月20日,美国Bell公司资本超过7百万美元,管理的电话达133,000台.Theodore Vail作为首席运营官,开始创立Bell系统,包括为小公司提供服务,为长途电话公司提供计费服务,为一家军工厂提供设备.1880年Vail开始购买西部电力股票,并在1881年11月成为最大的股东,1882年2月26 日完成接管.西
部电力同意放弃专利权,并专门生产美国Bell产品.1885年Vail组建了长途电话公司,它被称为AT&T.
1881年7月19日Bell为金属性电路申请一项专利,用2 根电线连接每部电话.直此,用一根铁丝电线就可以连结电话用户, 与电报电路相似.因为通话的两端都能提供完整的接地电路,谈话可以在一根电话线上完成.但是使用接地电路产生了大量的静电和噪音.而金属丝组成的电路,使用两根电线连接电路, 完全避免地面噪音,能够提供一个更好的对话环境. 同年10月杰出的 J.J Carty 在波士顿和普罗维登斯之间引入了两条线路服务.45英里长的线路上,极大地降低了噪音,开创了长途服务业务.而Bell直到10年后才将接地电路改为金属性电路. 根据一些地区经济条件,有些私营电话公司数十年都没有引入 2 根电线的线路.阿肯色州有关电话公司杂志有这样一个例子:"在第二次世界大战结束以后, R.E.A 系统引入该地区.这个电气化工程使用电线磁电机系统来消除噪音,当今的电话公司一般都使用这种方法.Henry磁电机系统转换为使用普通电池系统.普通电池中电路需要两根金属电线取代一根电线.
1885年2月28日AT&T创立.仅仅靠$100,000资产,美国贝尔可提供电报,电话长途服务.但地方电话公司只有取得贝尔公司的特许证,才能连接到AT&T长途网路.Vail认为这更加强了贝尔公司的垄断地位.他断言私营者因为没有长途线路,无法具备竞争力.
1887 年9月, Vail 辞职,离开了贝尔公司.他们也失去了一杰出人物.Vail与波士顿银行家和财政家分歧很大.这些人对短期内不能获利的地区总是不屑一顾.J.Edward Hyde 对此的解释是: "纯粹的追求利益使得Vail感到厌烦,因而他於1887年离开了贝尔公司."离别之际,他写道:"我们有义务尽可能的为公众提供最好最广的服务,收益不仅是对投资者投资的回报,也是为了完成即定的目标."
1889年,第一台公用投币电话在Hartford,Connecticut 投入使用.第一个收费电话出现,即有专门的人在电话旁收费.1892年,贝尔控制了240,000个电话.同时善於采用新技术的私营者迅速掘起.第一个自动拨号系统在 La Porte, Indiana 投入使用.Almon B.Strowger发明的SXS交换系统开始代替电话总机接。