第一章通信技术概论

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1、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。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。例女如当

2、 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

3、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ti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。U(t)u(t)（a）话咅信号坷亠话片信乃的波呼（b）受干轨的话音信号1.1.2

4、 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 “发生了1一”些和变“化，0”接表收示，如果传输过程中信号的电平“ i ”电平分界电平“ 0”电平端可 能通过比较判断将所有电平 归为两个状态（如大于 0V所有电平判别为高电平，将 所有小于dv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怙发端一样的矩形波；如果接收端只在帚一 t2,，tn时刻（即-“特定时刻”一* * * - h 士 -丿

5、（b）图 1-2 二进制数字信号进行判别，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。113 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

6、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

7、的干扰 会小一些，而无线 信道的干扰会大一些。1 双绞线电话信道图 1-3 双绞线所谓双绞线(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 63600 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

8、电缆信道屏蔽层閤 1-4 同轴电缆的结梅同轴电缆(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。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

9、直径约为1255。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50m （多模光纤）或10m （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 由光敏器 件转换成电信号，就可以完成电信号的传输。图 1-5 光导纤维结构图与光的传播原理4 无线信道无线信道包含了从发送端到接收端之间的无 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

10、式的不同又可以分 为很多种信道。表11列出了各种无线信道的工作频率和它们的传播方式。接收天线无线信道-H 发送1_天线名称频率范围波长范围主要传播方式用途长波30 300kHz1 10km地表面波远距离通信、导航中波300 3000kHz0.1 1km地表面波调幅广播、船舶通信、飞行通信短波3 30MHz10 100m地表面波电离层反射调幅广播、调幅与单边带通信-V- 超波30 300MHz1 10m直射波对流层散射调频广播、调频广播与通信雷达与导航、移动通信微波300MHz以上/亠t_ d /_1m以下直射波微波接力通信、卫星通信移动通信图 1-6 信号的无线传输表 1-1 无线信道的工作频

11、率和传播方式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（communicationnetwork）。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

12、。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

13、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。1信源发送设备一信道干扰接收设备一信宿图1 -7基本的通信系统组成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 3400H z,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

14、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

15、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 备和终端设备。图 1-8是一个双向通 信系统的组成框图。通信链路图 1-8 双向通信系统组成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，其中的调制米用的是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，而发射设备接收设备图 1-9 数字通信系统基本构成接收设备中包含了数字信号检测和数字解调电路（图1-9 ）。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”