第一章通信技术概论_通信技术基础

第一章通信技术概论现代社会已进入信息时代，信息的交流成为人们生活的重要内容。

通信技术是各种信息交流手段的综合，它集硬件和软件于一身，包括了信息传递技术、信号处理技术和网络技术等多个方面。

本章将介绍通信技术的基本知识和有关通信协议的基本概念，以帮助读者为学习后面各章建立基础。

1.1 信号在日常生活中，人们通过对话、书信、表演等多种形式进行思想的交流和现象的描述，这些过程都可以称为消息（message）的传递。

消息中所包含的对接受者有意义的内容称为信息(information)。

信息的多少用信息量表示。

信号(signal)是信息的表现形式，它可以是声音、图像、电压、电流或光等。

例如，当两个人进行面对面的谈话时，谈话的内容就是消息，其中有一部分对听者来说是有意义的，这部分称为信息，而声音的表现形式是声波，这个声波就是信号；如果这两个人是通过电话交谈，声音以电流的形式被传送到对方，这时信号的形式就是电流。

在各种形式的信号中，电信号由于具有传递速度快（接近于光速），传输距离远，能承载的信息量大，并且处理方便，因此成为通信信号的主要形式。

近年来，随着光纤的大量应用，光信号也越来越多地用于通信中。

这里主要讨论的是电信号，或者是由其它形式转换以后的电信号，如话音信号和图像信号。

电信号以其波形特征可分为两大类，一类是模拟信号，另一类是数字信号。

1.1.1模拟信号自然界存在的信号大多是模拟信号，其主要的特征有两个，即时间上的连续与状态上的连续。

所谓时间上连续，指的是在任何时刻信号的电量（电压或电流）对信号都是有意义的，而状态上连续则是说明信号的电量可能是某一个有限范围内的任意值，具体反映在模拟信号经过传输后如果与传输前的信号不一致，信号所携带的信息就会部分丢失。

图1-1 （a）是一个模拟的话音信号的波形。

如果该波形在t1时刻受到干扰，如图 1-1（b），则会在喇叭上发出异常的“咔嚓”声。

常见的模拟信号有话音信号、电视图像信号以及来自于各种传感器的检测信号等。

1.1.2数字信号数字信号是用特定时刻的有限个状态来表示信息的。

图1-2(a)是一个二进制信号的波形，它的状态只有两个，分别用“1”和“0”表示，如果传输过程中信号的电平发生了一些变化，接收端可归为两个状态（如大于0V的所有电平判别为高电平，将所有小于0V的电平判别为低电平），因此，数字信号在传输过程中如果电平发生了变化，只要变化量不是足够大，不影响接收端的正确判断，信息就不会丢失，例如当接收端收到图(b)的波形可以恢复成与发端一样的矩形波；如果接收端只在t1，t2，…，t n时刻（即“特定时刻”）进行判别，则在其它时刻信号发生一些变化，如变成图（c）的波形，仍然可以恢复成与发端一样的波形。

由于数字信号处理技术的发展，数字信号处理相对于模拟信号的处理具有电路体积小，功能强等许多模拟处理所不能比拟的优点，因此数字信号越来越多地被用于通信中。

模拟信号与数字信号是可以相互转换的。

模拟信号可以通过A/D转换变为数字信号，而数字信号通过D/A转换又可以变为模拟信号，在通信中常见的A/D转换方式有脉冲编码调制、增量调制以及在此基础上改进的各种方式。

1.1.3信道信道（channel）是信号传递的媒介，信号要通过信道才能被传递到目的地。

信道可以分为有线信道和无线信道两大类，常用的有线信道有双绞线、同轴电缆和光导纤维等信道，无线信道则是由无形的空间构成，信号以电磁波的形式在无线信道中传播。

信号在信道中传输时会受到信道传输特性的影响。

有些信道的传输特性基本上是不随时间变化的，称为恒参信道。

恒参信道对信号传输的影响相当于一个低通或带通滤波器，它会造成信号的衰减、延迟和线性失真。

也有一些信道其传输特性随时间作较快的变化，称为随参信道。

随参信道对信号传输的影响比较复杂，通常传输的质量也比较差。

另外，信号在信道传输过程中无一例外地会受到各种干扰的影响，导致混杂在信号中的噪声增加。

不同的信道对干扰的抵御能力是不同的，一般来说有线信道的干扰会小一些，而无线信道的干扰会大一些。

1 双绞线电话信道所谓双绞线（twisted Wire ）就是一对绞合在一起的相互绝缘的导线，如图1-3。

双绞线可以作为计算机主机之间的联接线路，或是用户电话机与端局交换机之间的通信线路，也称作为传输线。

双绞线的带宽与线径及长度有关，一般几km 距离内可达到几百kHz 。

在低频传输时，双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆，但是超过1MHz 时，同轴电缆比双绞线明显优越。

为了线路的敷设方便，生产厂家将6~3600对双绞线封装在一个护套内形成电话线缆。

相邻对线拧成的螺距不同，用以限制相互之间的串音（Crosstalk ）。

2 同轴电缆信道同轴电缆（Coaxial Cable ）的频带宽度要比双绞线宽得多，其上限频率一般可达到几百MHz 以上，视线径和传输距离而定。

它的衰减与频率的平方根成正比，因此在远距离传输和宽带工作时仍需要用到均衡器。

同轴电缆目前主要用于本地网（LAN ）、有线电视（CATV ）和海底电缆通信中。

同轴电缆由芯线、内衬层、屏蔽层和外护套构成，由于同轴电缆的特殊结构（图1-4），电缆内部的信号不会泄漏到外部，同样外部的干扰也不会进入到线缆内部，因此同轴电缆信道有很好的保密性和抗干扰性。

3 光导纤维信道光导纤维（Optical Fiber）是由高纯度的石英玻璃制成的，其直径约为125μm。

图1-5是一种阶跃折射率型光导纤维的结构示意图。

它有两层，芯层是由较高折射率的材料制成，直径约50μm（多模光纤）或10μm（单模光纤），外包层材料的折射率较低，只要光的入射角足够小，光信号就能沿着芯层传播，并且在两层之间产生全反射。

电信号通过一个激光二极管或发光二极管转换成光信号后沿光纤传输，在接收端4 无线信道线空间，以天线作为信道的接口设备，如图1-6。

无线信道的频率范围很宽，从极低频一直到微波波段，其中根据频率的不同和传播方式的不同又可以分为很多种信道。

表1.1列出了各种无线信道的工作频率和它们的传播方式。

1.2 通信系统与通信网络通信是将信号从一个地方向另一个地方传输的过程。

用于完成信号的传递与处理的系统称为通信系统(communication system)。

现代通信要实现多个用户之间的相互连接，这种由多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网络(communication network)。

通信网络以转接交换设备为核心，由通信链路将多个用户终端连接起来，在管理机构（包含各种通信与网络协议）的控制下实现网上各个用户之间的相互通信。

1.2.1通信系统的基本组成图1-7是一个通信系统的基本构成框图。

从总体上看，通信系统包括五个组成部分：1、信源；2、发送设备；3、接收设备；4、信宿；5、信道。

其中，信源与信宿统称为终端设备（Terminal Equipments），发送设备与接收设备统称为通信设备(Communication Equipments)。

信源将原始信号转换成电信号，也即基带信号，常见的信源有话筒、摄像机、计算机等；发送设备将该信号进行适当的处理，比如说进行放大、调制等，使其适合于在信道中传输。

信道是信号传递的通道，在这个通道中信号以电流、电磁波或光波的形式传播到接收端。

接收设备的作用是将收到的高频信号（或光信号）经过放大、滤波选择和解调后恢复原来的基带信号。

信宿将来自于接收设备的基带信号恢复成原始信号，如果信源是话筒，要传输的信号是话音信号，则信宿就应是扬声器（或耳机），它将话音电信号转换成能为人耳所感觉的声音。

目前广泛使用的信道主要有双绞线（电话线）、同轴电缆、光导纤维和无线信道。

这些信道有各自的传输特性，因此发送设备必须对来自信源的基带信号进行处理，使之适合在信道中传输。

例如，话音信号在本地电话网的双绞线中传输时，可以不经过调制，因为本地电话网的双绞线的传输频率范围在300Hz～3400Hz，电话信号可以直接通过，但在传输计算机数据时，则需要对计算机数据进行调制，使已调信号的频率范围限制在300Hz～3400Hz；在进行无线电通信时，话音信号难以直接变成电磁波向空间辐射，因此发送设备要将话音信号进行高频载波调制，其输出端接高频天线，它能将高频电信号转换成电磁波而有效地向空间辐射。

如果传输信道是光导纤维，则发送设备就必须将基带信号转换成光信号。

一般来说，信源的输出与信宿的输入是相同的，两个终端的设备也是对应的，例如，发端如果是话筒，则收端就是喇叭或耳机；发端是摄像机，则收端是显示器；发端是计算机，则收端也是计算机。

发送设备与信源、接收设备与信宿往往是合二为一。

在双向通信时，终端设备中既有信源又有信宿，如计算机既可以产生信号，又可以接收信号。

通信设备中既有发送设备又有接收设备，如调制解调器，它对要发送的信号进行调制，又对接收的信号进行解调。

更为典型的一个例子是无线电话机（手机），在一个机壳内集成了收发设从通信网络的角度看，通信设备A 、信道和通信设备B 构成了连接终端设备A 与终端设备B 的通道，这条通道也被称为链路（Link ）。

对于数字通信系统来说，它的信源往往包含有信源编码、差错控制编码和信道编码三个主要部分，发送设备一般会有调制、放大、变频等电路①，其中的调制采用的是FSK 、PSK 或QAM 等数字调制，相应地在接信宿中有信源解码、差错控制解码和信道解码，而接收设备中包含了数字信号检测和数字解调电路（图1-9 ）。

图1-9 数字通信系统基本构成1.2.2 数据通信系统 数据通信是在计算机或其它数据终端之间发生的存储、处理、传输和交换数字化编码信息的通信技术。

数据通信系统有两种类型，一种是模拟数据通信系统，另一种是数字数据通信系统。

“数据”一词表明信息的类型，“数字”一词表明信息传递与处理的方式。

数据信号可以以模拟的方式进行通信，也可以以数字的方式进行通信。

计算机数据用一个调制解调器在电话网中传输是数据信号的模拟传输，而在校园网中，计算机数据都是以数字方式传输，相应的传输系统称为数字数据通信系统。

一个简单的从A地到B地的数据通信系统的构成如图1-10。

从A点到B点的通信系统可以分为以下七个部分：•A点的数据终端设备DTE；•A点的DTE与数据通信设备DCE之间的接口；•A点的DCE；•A点与B点的数据传输通道；•B点的DCE；•B点的DTE与数据通信设备DCE之间的接口；•B点的数据终端设备DTE。

数据终端设备（DTE）是数据通信系统中的终端设备或终端系统，是一个数据源、数据宿或两者兼而有之，常见的有微型计算机、打印机、传真机等。

DTE通常只能进行短距离的通信，通信能力很有限，但它有较强的数据功能，包括：与DCE的连接以实现数据的收和发、串行与并行的转换、数据线路的控制、与新连接的数据网相对应的网络功能以及为在两端的DTE之间进行数据连接所必须的其它各功能。