第1章 电信传输的基本概念

第1章 电信传输的基本概念
胡庆 教授
1
内容提要 • • • • 通信基本概念及发展史 电信传输系统模型 电信传输信道及传输介质 传输特性和传输单位
2
1.1通信基本概念及发展史
• 通信的定义
通信的目的是传递消息中所包含的信息。消息是客观 物质运动和主观思维活动的状态的一种反映，在不同 时期具有不同的表现形式。例如，话音、文字、符号、 音乐、数据、图片或活动图像等都是消息。人们接收 消息，关心的是消息中包含的有效内容，即信息。通 信则是进行信息的时空转移，即把信息从一方传送到 另一方。基于这种认识，“通信”也就是“信息传输” 或“消息传输”。
4
1.1 电信传输发展及广泛应用
• 1977年，美国芝加哥建成第一条光纤通信线路，长度 为6km。 • 1988年建成了横跨大西洋的海底光缆系统，采用 的是单模光纤，总长达到19200km。 • 在移动通信方面，1946年美国在圣路易斯城建立了世 界上第一个公用汽车电话业务，频率从150~450 MHz。
8
1.2.2
电信传输系统模型
• 电信传输由电信传输系统实现，电信传输系统 包括了用户之间的许多电气设备和传输媒质 （如金属导线、光纤、自由空间等）所构成的 总体。一个最简单的传输系统，至少要由一个 发送器（也叫做变换器）、一个接收器（也叫 做反变换器）和把它们连接起来的传输媒质所 组成。所以，连接发送器、接收器二者的传输 媒质是构成电信传输系统的基本组成部分。
3
1.1通信基本概念及发展史
通信发展史：
• 在1837年，人类历史上第一次用电报、电话进行电信联系，英 国人在1.5km的距离上作了电报表演。 • 1876年，贝尔获美国专利局授予的电话专利，并在1877年用硬 双铜线架设了电话线路，从此传输线开始了传输比电报信号频 率高得多的语音信号。 • 1948年美国建设了从纽约到波士顿的微波中继线路，传送480 路电话和1路电视信号。 • 1955年，完成从纽芬兰到苏格兰海底越洋同轴电话电缆。 • 1966年，英籍华人提出可以从石英中提炼超纯的细丝状纤维， 并用于光频成为光波导。
同轴电缆或米波无 线电 波导或分米波无线 电 波导或厘米波无线 电 波导或毫米波无线 电
移动天线电话、短波广播定点军用 通信、业余无线电
30～300 MHz 300 MHz～3 GHz 3～30 GHz 30～300 GHz
电视、调频广播、空中管制、车辆、 通信、导航 微波接力、卫星和空间通信、雷达
27
1.3.1 信道的概念及分类
• 按照狭义信道具体传输媒质的不同类型可分为有线信 道和无线信道两类。有线信道需利用人造的传输媒质 来传输信号，它包括明线、对称电缆、同轴电缆及光 纤等一类能够看得见的媒质。无线信道利用电磁波在 自由空间中的传播来传输信号，它包括地波传播、短 波电离层反射、超短波或微波视距中继、卫星中继、 散射及移动无线电信道等。 • 按照广义信道的功能，通常也可以分为调制信道和编 码信道等，如图1-13所示。调制信道还可分为恒参信 道和随参信道两类。编码信道也可细分为无记忆信道 和有记忆信道。有记忆编码信道是指信道中码元发生 差错的事件不是独立的，即码元发生错误前后是有联 系的。
14
1.2.2
电信传输系统模型
电缆、光缆、微波、卫星是不同形式的传输介质或信 号载体。 • 若仍采用微波作载体，用卫星作中继站，此时传输终 端设备就是卫星地面站（或地球站），相应的传输系 统就称为卫星传输系统或称为卫星通信系统。 • 由此可见，无论是电缆通信系统、光纤通信系统，还 是微波通信系统、卫星通信系统，它们的基本结构形 式都很类似，其之间的差异仅在于电信号载体（或传 输媒质）和传输终端设备不同。
19
表1-1 波段（频段）划分及典型应用
频率范围
3×10-5～
波 长 104～108 m 103～104 m 102～103 m 10～102 m 1～10 m 10～100 cm 1～10 cm 1～10 cm
符 号
传输媒质 有线线对或长波无 线电 有线线对或长波无 线电 同轴电缆或短波无 线电
16
1.2.3 信号的种类和电磁波波段的划分
图1-4 模拟信号波形
图1-6 数字信号波形
17
1.2.3 信号的种类和电磁波波段的划分
图1-7 电磁波段划分图
18
1.2.3 信号的种类和电磁波波段的划分
通信所采用的传输方式是由电磁波的频率所决定 的。电通信的容量几乎与使用的频率成正比，对通信 容量的要求越高，使用频率就越高。由图1-7所示， 通常无线电通信所用波段是在波长为米至亚毫米范围， 目前，移动通信、微波通信和卫星通信这三种无线电 通信方式都落在微波波段，而除光纤通信以外的有线 电通信所用波段是在波长为千米至米范围；有线电视 用户接入和计算机局数据接入这2种通信方式则落在 超短波（VHF）左右。光纤通信在0.8～ 1.65微米红 外波段。
• 。
21
1.2.4 电磁波常见传播模式
• 二是横电波（TE波），这种波的Ez=0，其电场分量与传播方 向垂直，但Hz≠0。这种模式存在于金属波导中。 • 三是横磁波（TM波），这种波的Hz=0，其磁场分量与传播方 向垂直，但Ez≠0。这种模式存在于金属波导中。 • 四是EH波或HE波（混合模），这种波的Ez≠0且Hz≠0。它们是 TE波和TM波的线性叠加，纵向电场占优势的模式称做EH波， 纵向磁场占优势的模式称做HE波。这类波存在于介质波导中。 以上TEM波、TE波、TM波的电场方向及磁场方向与传播方向 的关系，如图1-8所示。注意，无论何种波型，其电场与磁场 总是相互垂直的。
图1-8 TEM波、TE波、TM波电场及磁场与传播方向关系
22
图1-9 同轴电缆中TEM波的场结构
图1-10 波导中TE10波电磁场分布模型
图1-11 波导中几种TMmn波电磁场分布模型
图1-12 无界空间 TEM波的电磁场分 布模型
1.2.4
电信传输的主要特点
• 电信传输的主要特点： 1）传输信号的多频率。无论是模拟通信还是数字通信， 电信传输中的信号都包含着丰富的频率。如普通电 话机发出的话音信号频率大约在300HZ到3400HZ左右； 有线电视CATV的传输频带达750MHZ左右。 2）有线传输的功率比较小，它一般只有毫瓦量级；在 无线传输方式中，电信传输的功率较大，它一般在 瓦量级。 3）电信传输的效率较高，由于电信传输是弱电传输， 其传输效率非常重要。有线传输效率高于无线传输 的效率。 4）电信传输离不开信号的变换。例如,模--数转换 和数--模转换技术的广泛应用。
26
1.3.1 信道的概念及分类
• 信道是指以传输介质为基础的信号通道。具体来说， 信道是指由有线或无线线路提供的信号通路；抽象来 说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又 给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。 • 信道可大体分为两类：狭义信道和广义信道。根据信 道的定义，如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信 道称为狭义信道；如果信道不仅是传输媒质，而且包 括传输系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信 道。
25
1.3电信传输信道及传输介质
• 电信传输信道是电信传输系统必不可少的组成 部分； • 任何一个电信传输系统均可视为由发送设备、 信道与接收设备三大部分组成。 • 传输信道通常是指以传输介质为基础的信号通 道，而传输介质的多种类型对应着不同用途的 通信系统。 • 因而，对信道和传输介质（或媒质）的研究是类型与电磁波波段的划分
• 按照电信号传载信息的形式不同，可分为： （1 ）模拟信号：是指模拟、仿照原有消息变化的电信 号。这种信号的幅度变化是时间的连续函数。如图14所示。 模拟通信——普通电话、传真、电视。 （ 2 ）数字信号：时间上和幅度上的取值都是离散的。 数字信号在传输上最主要的是它的抗干扰性强。如图 1-6所示。 数据通信——通信传输的都是数字信号，如人与计算 机和计算机与计算机之间的通信。
13
1.2.2
电信传输系统模型
电缆、光缆、微波、卫星是不同形式的传输介质或信 号载体。 • 当电信传输系统采用电缆作传输介质时，此时传输终 端设备为电缆传输终端设备，相应的传输系统称为电 缆传输系统或称为电缆通信系统。 • 若采用光缆作传输介质，此时的传输终端设备为光端 机，相应的传输系统就称为光缆传输系统，或称为光 纤通信系统。 • 若采用微波作载体，用微波中继站作信号转接，此时 传输终端设备就是微波端站，相应的传输系统 就称为微波传输系统，或称微波通信系统。
6
1.2 • • • • •
电信传输系统模型
电信及电信传输 电信传输系统模型 信号的类型与电磁波波段的划分 电磁波常见传播模式 电信传输的主要特点
7
1.2.1 电信及电信传输
• 所谓“电信”，就是利用电子技术实现传送信息和交 流信息的通信方式。通俗解释“电信”是指利用有线、 无线的电磁系统或光电系统，对语音、文字、数据、 图像以及其他形式信息的电信号进行的传送过程。那 么，“电信传输”就是指含有信息的电信号通过具体 物理媒质从一处传到另一处的传输过程。
用 途
3Hz～30 kHz
30～300 kHz 300 kHz～3 MHz 3～30 MHz
甚低频VLF
低频LF 中频MF 高频HF 甚高频VHF 特高频UHF 超高频SHF 极高频EHF
音频、电话、数据终端长距离导航、 时标 导航、信标、电力线通信 调幅广播、移动陆地通信、业余无 线电
同轴电缆或短波无 线电
9
1.2.2
电信传输系统模型
信源
发信 设备
收信 设备
信宿
变换器A 图1-1 电信传输系统模型示意图
反变换器B
10
1.2.2
电信传输系统模型
• 图1-1中发信终端置于变换器A的这一端，其功能为： 把消息变换成与信道相适配的电信号或光信号，并让 信号进入该信道。收信终端位于反变换器B的那一端， 其功能为将从信道收下来信号进行衰减补偿，并消除 或减小畸变和噪声对有用信号的干扰，进行反变换， 使其消息重现原貌。