2004-11-10通信基础知识

第一章通信与通信系统概述

通信是人类社会传递信息，交流思想、传播文化知识不可缺少的一种手段，在各种社会活动和经济中都起着重要的作用，随着社会经济、科学技术的不断发展，人类智力活动范围的不断扩大，人类社会正在步入一个新的历史时代，即信息化时代。现代通信系统就是信息时代的生命线。由于人们要进行交换的信息已不再是单一的电话业务，而是集声音、图像、文字为一体的综合性的多种信息服务，因此现代通信网应是一个综合业务数字网。为适应世界性的政治与经济活动的需要，人们已经建立起世界性的全球通信网，现代通信已成为最重要的信息技术服务。

第一节信号与系统

1.信号

（1）信号传递方式

通信的任务是传递信息。人类社会中需要传递的信息可以是声音、文字、图象和数据等。哪么什么是通信呢？通信就是指将带有信息的信号，通过某种系统由发送者给接收者，这种信息的传输过程就是通信。

在现代通信技术中，主要运用的传输方式是电信通信技术，即以电信号的形式来传递信息。在实际通信中以电的形式来传递信息，首先是在发送端采用传感器将一般的信息转换成电信号，然后再在接收端将收到的电信号还原。

随着通信技术的发展，将会出现一种与上述通信方式完全不同的

技术----全光通信。全光通信首先是在发送端将各种信息转换成光信号发送出去，然后再在接收端把光信号还原，即信息的传递是以光传输方式进行的。

1.2 信号的分类

电信号通常分为模拟信号和数字信号两大类。

1.2.1 模拟信号

模拟信号是指电信号的某一参量的取值范围是连续的，因此可有无限多个取值，如话筒电压信号，摄像机所产生的图象电流信号等。

模拟信号通常是时间连续函数，也有时间离散函数的情况，但无论时间是否连续，其取值一定是连续的。最简单的模拟信号如图1.1所示，图1.2为时间离散的模拟信号。

图1.1时间连续的模拟信号

图1.2时间离散的模拟信号

1.2.2 数字信号

数字信号是指电信号的某一参量携带着离散信息，其取值是有限

个数值，如电报信号、数据信号、遥测信令等。如图1.3所示。

图1.3数字信号

2、系统

实现信息转换成信号这一过程的全部技术设备和设施统称为系

统。在通信领域中将实现通信过程的全部技术设备和设施称为通信系

统。

第二节 通信系统的组成及其工作原理

通信是将信息从发送者传递给在另一个时空的收信者。由于完成

这一信息传递的通信系统的种类繁多，因此它们的具体设备和业务功

能可能各不相同，经过抽象概括，通信流程可以用图1.4所示的基本

模型图来表示。整个流程是由信源、发送变换器、信道

（或传输媒质）、

接收变换器和收信者（信宿）等五部分组成。

图1.4 通信系统的基本模型图

1、信源

信源是信息的产生或信息的形成者。根据信源所产生信号的性质不同可分为模拟信源和离散信源。

模拟信源（如电话机和电视摄像机等）输出幅度连续的信号：离散信源（如电传机、计算机等）输出离散的符号序列或文字。模拟信源可通过抽样和量化变换为离散信源。随着计算机和数字通信技术的发展，离散信源的种类和数量会愈来愈多。

这里需要强调指出，随着信源和接收着的不同，信息的速率将在很大的范围内变化。例如，一电传打字机的速率为50BIT/S，（速率的含义及单位将在后面介绍），而彩色电视的速率为270MBIT/S。由于信源产生信息的种类和速率不同，因而对传输系统的要求也各不相同。

2、发送变换器

发送变换器的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的消息信号变换为利于传送的信号形式送往传输媒介。变换形式是多种多样的，在需要频率搬移时，调制是常见的变换方式。发送变换器还包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理和纠错编码处理等。

3、信道

信道是指信号传输的媒介，信号是经过信道传送到接收变换器的。传输媒介既可以是有线，也可以是无线，二者都有多种物理传输媒介。

在信号传输过程中，必然会引入发送变换器、接收变换器和传输媒介的热噪声和各种干扰和衰落，即信号在信道中传输时，会产生信道噪声。

媒介的固有特性和干扰特性会直接影响变换方式的选取，如通过电导体传播的有线信道和通过自由空间传播的无线信道，其信号变换方式是不同的。不同频段的无线电波在空间传播的途径、性能和衰减也是不同的。

4、接收变换器

接收变换器的主要作用是将来自信道的带有干扰的发送信号加以处理，并从中提取原始信息，完成发送变换器过程中的逆变换----解调、译码等。对于多路复用信号，还包括多路去复用，实现正确分路。由于接收的信息信号存在噪声和传输损伤，接收变换器还可能包含趋近理想恢复的某些措施和方法。

应当指出，上述的模型是点对点的单向通信系统。对于双向通信，通信双方都要有发送和接收变换器。对于多个用户之间的双向通信，为了能实现信息的有效传输，必须要进行信息的交换和分发。由传输系统和交换系统组成一个完整的通信系统或通信网络来实现。其中交换系统完成不同地址信息的交换，因此交换系统中的每一台交换机组成了通信网络中的各个节点。

5、通信系统

一个实际的通信系统往往由终端设备、传输链路和交换设备三大部分组成。

5.1 终端设备

终端设备主要功能是把待传送的信息和在信道上传送的信号相互

转换。这就要求有发送传感器来感受信息和接收传感器将信号恢复成能被利用的信息。还应该有处理信号的设备以便能与信道匹配。另外还需要有能产生和识别通信系统内所需的信令信号或规约。对应不同的电信业务有不同的信源和信宿，也就有着不同的变换和反变换设备，因此对应不同的电信业务也就有不同的终端设备，如电话业务的终端设备就是电话机，传真业务就是传真机，数据业务就是数据终端机等。

5.2 传输链路

传输链路是连接源点和终点的媒介和通路，除对应于通信系统模型中信道部分外，还包括一部分变换和反变换设备。

传输链路的实现方式很多，一种是物理传输媒介本身就是传输链路，如实线和电缆；一种是采用传输设备和物理传输媒介一起形成的传输链路，如载波电路和光通信链路；还有一种是传输设备利用大气传播的传输链路，如微波和卫星通信链路。

5.3 交换设备

交换设备是现代通信网的核心，其基本功能是完成接入交换节点链路的汇集、转接和分配。对不同电信业务网络的转接，交换设备的性能要求也不同。例如：对电话业务网的交换设备的性能，其实时性强。因此目前电话业务网主要采用直接接续通话电路的电路交换方式。

对于主要用于计算机通信的数据业务网，由于数据终端或计算机可有各种不同的速率，为了提高链路利用率，可将流入信息流进行分组、存储，然后再转发到所需链路上去，这种方式叫做分组交换方式。

例如分组交换机就是这种方式进行交换，这种方式可以比较高效地利用传输链路。

第三节通信系统的分类

通信系统的分类方法很多，既可以按用途来分，也可以按传输信号的特征来分，还可以按工作方式来分。本节仅对图1.4所示的通信系统模型图所引出的分类方法进行讨论。

1、按信源分类

按照信源发出消息的物理特征不同可分为电话、电报、数据和图象等通信系统。其中电话通信一般采用公共电话系统中的一个话路或从话路中一部分频带进行传送；电视信号或图象信号可使用多个话路合并为一个信道进行传送。

2、按传输媒介分类

通信系统模型中的信道是指传输信息的媒介或信号的通道。按传输媒介分类，通信系统可分为有线（包括光纤）和无线两大类。目前国际和我国长途通信系统中主要采用的是光纤通信系统，而电缆通信系统大都用在本地通信系统中。无线信道按照所使用的频段和通信手段可分为短波通信系统、微波中继通信系统、移动通信系统和卫星通信系统。

3、按传输信号的特征分类

根据传输信号的特征，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统两大类。

3.1 模拟通信系统

在模拟通信系统中传输的是模拟信号。图1.5所示的是模拟通信

系统的基本组成。在图中用调制器取代图1.4中的发送变换器，用解

调器取代图1.4中的接收变换器。这里的调制器和解调器对信号的变

换起着决定性的作用，直接关系着通信质量的优劣。

图1.5 模拟通信系统的基本组成图 3.2 数字通信系统

在数字通信系统中传输的是数字信号。数字通信系统的基本组成

如图1.6所示。数字通信系统除包括调制器和解调器外，还包括信源

编码器、信道编码器、信道译码器、信源译码器和同步系统等。

图

1.6 数字通信系统的基本组成图 3.

2.1 数字通信系统的组成

3.2.1.1 信源编码器

信源编码器的主要作用是提高数字信号传输的有效性。如果信源

是数据处理设备，还要进行并/串变换，以便进行数据传输。通常的

数字加密也可归并到信源编码器中。收端的信源译码是信源编码的逆变换。

3.2.1.2信道编码器

信道编码器主要是为了提高数字信号传输的可靠性。由于传输信道内燥声的存在和信道特性不理想造成的码间干扰，通信系统很容易产生传输差错，而信道的线形畸变所造成的码间干扰可通过均衡办法基本消除，因此信道中的燥声是导致传输差错的主要原因。减少这种差错的基本做法是在信码组中按一定规则附加上若干监视码元（或称冗余度码元），使原来不相关的数字信息序列变为相关的新的序列，然后在接收端根据这种相关的规律性来检测或纠正接收序列码组中的误码，提高可靠性，因此信道编码器又称差错控制编码器。接收端的信道译码器使信道译码器的逆过程。

3.2.1.3同步系统

同步系统用于建立通信系统收、发相对一致的时间关系。只有这样，收端才能确定每位码的起止时间，并确定接收码组的正确对应关系，否则接收端无法恢复发端的信息。因此同步使数字通信系统正常工作的前提，通信系统能否有效地、可靠地工作，很大程度上依赖于同步系统性能的好坏。同步可分为载波同步、位同步、桢同步和网同步四大类。

注：对于模拟通信系统与数字通信系统中的时分多路脉冲调制系统、图象（电视）传输系统和采用相干调制的连续波调制系统也同样存在同步问题。

3.2.2 数字通信系统的特点

模拟通信系统与数字通信系统各有特点，但从总体上看，数字通

信系统与模拟通信系统相比，其具有以下优点：

3.2.2.1 抗干扰力强，数字通信系统可通过再生中继器消除噪声积累；

3.2.2.2 可采用差错控制技术，从而提高数字信号传输的可靠性；

3.2.2.3 便于进行各种数字信号处理，如计算机存储和处理，使数字通信和计算机技术相结合而组成综合、智能化的数字通信网；

3.2.2.4 数字通信系统可使传输与交换相结合，电话、数据和图象传输相结合，有利于实现综合业务数字网。

3.2.2.5数字通信系统的器件和设备易于实现集成化、微型化。

然而数字通信系统也存在占用频带宽的缺点，但近年来卫星通信和光纤通信等宽带通信系统日趋发展成熟，为数字通信提供了足够宽的频带，因而相比之下，此缺点就不显得突出了。

习题：

1.什么是通信？

2.电信号分为哪几类？各有什么特点？

3.画出通信系统的基本模型图，它由哪些设备组成？

4.通信系统的分类？

5..数字通信系统的特点？

第二章光纤通信

在讲述光纤通信之前首先介绍一些关于光纤通信的名词和单位。

（1）分贝(dB)是表示光纤衰减的单位。

（2）dBm是以1mW为基准，表示发射光功率、接收光功率等光功率的相对量的单位。

（3）信息传输速率，信道的传输速率通常是以每秒所传输的信息量多少来衡量。信息论中定义信源发生信息量的度量单位是“比特”（bit）。例如一个数字通信系统，它每秒传输600个二进制码元，它的信息传输速率是600比特/秒（600bit/s）。

（4）毫米（mm）、微米（μm）、纳米（nm）、赫兹（Hz）。

第一节光纤通信的基本概念

1、光波波段的划分

光纤通信与电通信的主要差异有两点：一是传输的是光波信号；二是传输光信号的介质是利用光纤。

光波是人们最熟悉的电磁波，其波长在微米级，频率为10 14～1015Hz数量级。

根据电磁波谱可知，紫外线、可见光、红外线均属于光波的范畴。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，即波长为0.8～1.8μm。可分为短波长波段和长波长波段，短波长波段是指波长为0.85μm，长波长波段是指1.31μm和1.55μm，这是目前光纤通信所采用的三个实用通信窗口。

2、光纤通信系统的基本构成

光纤通信系统是以光波作载波，光纤作传输媒质的通信系统。虽然光纤通信系统可分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统，但它们的基本结构是一致的，都是由光发送端机，光接收端机和光纤光缆组成。若通信距离长，还要加光中继器。现以数字光纤通信系统为例，介绍其各组成部分的作用。

图2.1为长距离单向数字光纤通信系统模型。它包括两个光端机和若干个光中继器（此处只画了一个），以及由光纤构成的光缆线路。

图2.1数字光纤通信系统模型

2.1光发送端机，光发送端机是电/光转换的光端机。它主要由两部分构成：驱动器和光源。它的功能是把电端机来的电信号转换为光信号，然后将光信号耦合到光纤或光缆中传输。

2.2光接收端机，光接收端机是光/电转换的端机。它也主要由两部分构成：光检测器和放大电路。它的功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测转变为电信号，然后现将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送入电端机。

2.3光纤或光缆，光纤或光缆组成光纤传输线。它的功能是传送

光信号，完成信息传输任务。

2.4光中继器，光中继器主要由光检测器、判决再生和光源组成。它兼有收、发光端机两种功能。光信号经过光纤光缆长距离传输后，光能量被衰减，波形也发生畸变。为保证通信质量，光中继器将收到的微弱光信号变换成电信号，经过判决再生处理，又驱动光源产生光信号，耦合到光纤光缆线路中继续传输。因此，光中继器的作用，归纳起来有两个：一是补偿光衰减，二是矫正波形失真。

第二节光纤通信的优点及其应用

1、光纤通信的优点。

光纤通信比传统有线电通信具有许多的优点，正因为如此，它才得以迅速的发展和广泛的应用。现在从性能和工程两方面对它们进行比较。

1.1传输性能

1.1.1光纤传输损耗低，中继距离长。

光纤在0.8～1.8μm波段内的损耗比所有传统的传输线都低，尤其在1.55μm附近，光纤的损耗低到0.2dB/km；而标准的同轴电缆在其工作频带内，损耗高达8~150dB/km.由于光纤传输损耗低，中继距离可以延长，一般要比同轴电缆的中继距离长一至二个数量级，如表1

表1

1.1.2传输频带宽，通信容量大

从一般概念可知，通信容量是与载波频率成正比增大的，由于光纤中传输的光频比传统电通信的频率高几个数量级，加上光纤的空分复用和波分，所以光纤通信容量比任何电通信的容量都大许多倍。表2是以数字通信为例并换算成话路数后，各种传输线路通信容量的比较。

表2 *相当于800Mb/s×48芯×4波

1.1.3频率特性好

在工作频带内，光纤对每一频率的损耗几乎是一样的，不象明线或同轴电缆的每公里损耗是随着频率的升高而增大。所以，光纤通信不需要在中继站和接收站采取幅度均衡措施。

1. 1.4传输质量高

光纤不导电，不受电磁和静电的影响，无串扰，且不易被窃听，所以传输质量高。

1.2工程上的比较

1.2.1光纤体积小，重量轻

现以18芯同缆同轴电缆和同等通信容量的光缆进行比较，如表3：

可见，在同等在同等通信容量下，光缆比同轴电缆小得多，请得多，

因此在工程施工和应用上，光缆比同轴电缆优越得多。比如，在当前市话电缆管道特别紧张而有需扩容的情况下，用体积小的光缆代替电缆，施工特别方便，在飞机、宇宙飞船和人造卫星上，体积和重量受到严格的限制，光纤尤其适用。

1.2.2光纤原料充裕

光前是由90%以上的SiO2二氧化硅等原材料制成的，假设按每年生产100万公里光纤要消耗270吨（每公里27克）二氧化硅材料计算，那么，将我国960万平方公里的国土掘取10cm厚的土层（设土层含二氧化硅50％），足够我们从事光纤生产390亿年。可见，二氧化硅资源十分丰富。而电缆中的主要原材料铜，估计全世界可开采40年左右便枯竭了。

根据上述分析比较，光纤以它通信容量大，传输距离长，不导电，无电磁干扰，以及体积小，重量轻，原材料丰富等特点，代替传统的以铜为主要原材料的传输线路是必然的趋势。

当然光纤通信也存在一些缺点：由于在光纤生产过程中光纤表面存在或产生微裂纹，从而使光纤抗拉强度降低；光纤的连接必须使用专门的工具和仪表；光分路、耦合不方便，光纤弯曲半径不能太小等。光纤通信的这些缺点都可以克服，在实际工作和维护工作中应尽量注意及避免这些问题的发生。

2、光纤通信的应用。

由于光纤独特优点，使它在许多领域得到广泛的应用，主要有：

2.1公用电信网局间光纤传输线。由于光纤损耗低，容量大，直

径小，重量轻，敷设容易，所以特别适宜作市内电话中继线及长途干线线路。这是目前光纤通信的主要用途。

2.2光纤局域网。这是一种把计算机和智能终端通过光纤连接起来，实现工厂、办公室、家庭自动化的局部地区数字信息网。由于采用了光纤传输线，不仅能满足这种局域信息量大的要求，而且能有效的防串音、雷击和各种电磁干扰。

2.3光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线。光纤通信的发展方向，是要把直接通往千家万户，实现公用信息传输网。

2.4危险环境下的通信线。

2.5公路、铁路、矿山的控制通信线。

2.6电视广播中继线。为了扩大电视广播的复盖区域，常采用电视广播中继，把接收到的电视信号经放大后，再从山顶上的发射台转发出去。这种场合特别要避免雷击，为此，采用光纤电视广播中继传输系统最合适。

2.7军事通信系统。军事上应用光纤通信系统的地方很多，如基地内部通信，导弹有线引导系统，飞机，舰艇内的通信，以及雷达系统等。过去雷达系统采用电缆作为传输线，雷达天线目标大，且距离机房几十米至几百米，容易遭到攻击破坏，造成机毁人亡。而改用光缆作传输线以后，天线与机房可以距离几公里以外，范围大，机房不容易遭到破坏。

3、光通信的发展趋势

光纤通信技术的问世和发展在电信史上是一次革命性的突破，现

在光纤通信已成为信息高速公路的传输平台，其发展趋势主要有以下几个方面。

3.1SDH系统的网络化和高速化

SDH(synchronous digital hierarchy,同步数字系列)是一个完整严密的传送网技术体制，目前已成为各国核心网的主要传送技术。我国1995年在干线网上就开始全面转向SDH网络。

在网络传输的高速化方面，目前商用系统的速率已从45Mb/s增加到10Gb/s，不少电信实验室已开发出40Gb/s的系统。另外160Gb/s 速率和640Gb/s速率的传输试验也已获成功。

3.2超大容量、超长距离的波分复用系统

目前，时分复用系统的资源已快耗尽，而99％的带宽资源尚未使用，光纤带宽资源仍有很大的发展空间。我国已试验成功1.6Tb/s(160×10Gb/s)WDM(波分复用)系统。在末来5年左右的时间内，实用化的最大光传输容量有可能达到5 Tb/s的程度，而且随着技术的发展和业务的需要，WDM技术的也必然由长途传输领域向城域网扩展。

第三节光纤的结构与分类

光纤是传输信号的主要介质，因此研究光纤通信首先应对光纤的结构与分类、光纤的传光原理以及光纤的有关特性有所了解。另外，由于在实际的光纤通信线路中，为了保证光纤能在各种敷设条件下和各种环境中常期使用等原因，就必须将光纤构成光缆，这样对常用光

纤的结构也需有一定的了解。以上即是本节将要阐述的主要内容。

1、光纤的结构

目前通信用的光纤是石英玻璃（二氧化硅）制成的横载面很小的双层同心圆柱体，未经涂覆和套塑的光纤称为裸光纤，由纤芯和包层所组成，如图1.1所示。纤芯的折射率用n1表示，n2表示包层的折射率。为使光纤能够进行光传输，则光必须要n1>n2，这样才可利用光在纤芯与包层界面上的全反射，使光在纤芯中进行传播。图中的2a表示纤芯的直径，2b表示包层的直径。

图1.1 裸光纤截面结构示图

为了保护光纤表面，提高抗拉强度及实用，一般需在裸光纤表面涂覆构成光纤芯线，如图1.2所示。光纤芯线是由纤芯、包层、涂覆层及套塑四部分组成，包层的表面涂覆了一层很薄的涂覆层，涂覆材料为硅酮树脂或聚氨基甲酸乙脂，涂覆层的表面套塑（或称二次涂覆），套塑的原材料一般是尼龙、聚乙烯或聚丙烯等塑料。

图1.2 光纤芯线的剖面结构示意图

2、光纤的分类

2.1光纤的分类方法大致有四种，即按套塑类型、光纤传播模式、工作波长和光折射率分布分类。

2.1.1 按光纤的构成材料不同来分：

以二氧化硅为主要成分的石英光纤

多种成分构成的光纤

液体纤芯光纤

以塑料为主要材料的塑料光纤

2.1.2 按光纤折射率分布不同来分：

均匀光纤（阶跃光纤SI）

不均匀光纤（渐变光纤）

W型光纤

2.1.3 按传输总模数不同来分：

多模光纤

单模光纤

2.1.4 按光纤工作波长不同来分：

短波长光纤

长波长光纤

2.2 目前通信光纤常用的分类有两种：一种是按光纤折射率的

分布分类，另一种是按传输总模数来分类。

2.2.1 按光纤折射率的分布分类

通常分为阶跃光纤（也称均匀光纤）和渐变光纤（也称非均匀光纤），如图1.3所示。

图1.3光纤纤芯折射率的剖面分布图

A. 阶跃光纤

纤芯的折射率n1和包层的折射率n2都为常数，且n1 >n2,在纤芯和包层界面折射率发生突变，而在纤芯和包层中分别均匀分布的，故称其为阶跃光纤和突变光纤（或称均匀光纤）用SI表示。

B. 渐变光纤

光纤纤芯的折射率沿着纤芯半径的方向按一定规律减小，到纤芯与包层分界处为包层的折射率n2，纤芯的折射率分布按一定几何形状变化（图1.3所示的是呈抛物线型变化的光纤），这种光纤被称为

渐变型和梯度型（或称为非均匀光纤）可用符号GI表示。

2.2.2 按照传输总模数分类

所谓模式是光纤纤芯中电磁场的一种分布形式。根据光纤所能传输总模式数量，可将光纤分成多模光纤和单模光纤。

2.2.2.1 单模光纤（SM）

当光纤中只有一种电磁场分布形式或只能传输一种模式时，称此光纤为单模光纤。

单模光纤的纤芯直径很小。由于单模光纤只传输主模，故无模式