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。