第一章通信系统与通信网络系统概述

第一章通信系统与通信网络系统概述1.1通信系统的发展简史人类建立和使用通信早在古代就开始了，古代的烽火台、邮路驿站、狼烟设施、旌旗等。唐代大诗人杜甫诗中的“烽火连三月，家书抵万金”，就是古人收到远方家信时，欣喜若狂的真实写照；又如唐代诗人王维诗句中的“大漠孤烟直，长河落日圆”的诗句更是直接反映了古代的“数字化”通信系统——烽火台的通信效果。近代的灯光信号、旗语等，特别是到了19世纪，英国人莫尔斯于1837年发明了无线电电报装置；美国人贝尔于1876年发明了电话系统，这标志着“电讯时代”的开始——将信息转换成某种电磁波信号并进行远距离传送。现代的电报、电话、传真、电视、计算机等用户终端连接起现代通信网，在20世纪初期，德国西门子公司的电磁式自动交换机的诞生，则标志着“通信自动化”时代的开始；20世纪末期，光纤数字通信技术、计算机通信技术和卫星移动数字通信系统的使用，将通信技术推向了一个高速发展的水平；而在21世纪初，随着宽带互联网业务与IP技术的快速前进，新一代移动通信（即第三代移动通信系统3G）和网络电视（IPTV）技术的崛起，以及全球电信行业向“综合信息业务服务商”方向的全面转型，3G技术的使用和发展，使移动通信从窄带、低速、单一的业务推向了宽带、高速、多业务的发展，目前，全球3G市场已进入了快速的发展阶段。由于3G移动通信网络在网络带宽、安全性与可靠性等方面的突破，3G业务应用将摆脱2G时代简单的纯文本内容，能提供低成本、大容量、更丰富、个性化与更多样化的移动多媒体业务，真正实现“随时、随地、无拘无束通信与信息交互”。故3G市场开始由发达国家和地区逐步向发展中国家和地区发展，当前以亚洲、东欧表现最为活跃，具有广阔的市场。根据信息产业部的统计和预测数据，我国3G终端的市场是非常巨大的。未来的3G终端市场，将会有更多的厂商加入，有更多的款式可供用户挑选，目前，3G正处于蓬勃发展的时期。1.2通信系统的定义与特点在人类的活动过程中需要相互之间传递各种信息，也就是说将带有传递的各种信息的信号通过某种方式由发送者传递给接收者，这种信息的传递过程就是我们所说的通信。因此，所谓通信，就是由一个地方向另一个地方传递和交换信息的过程。在如今的自然科学中，“通信”几乎是“电通信”的同义词，故教学内容中所讲的通信就是指电通信。所谓通信系统，就是用电信号（或光信号）传递和交换信息过程的系统，也叫电信系统。人类社会活动所有不同的消息都可以把它们归结成两类：一类称为连续消息，另一类称为离散消息。连续消息是指消息的状态是连续的，如强弱连续变化的语音，亮度连续变化的图像等，连续消息又称作模拟消息，信息中随时间变化而连续取值的信号叫连续信号或模拟信号，如普通电话机输出的信号就是模拟信号，传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统；离散消息是指消息的状态是离散可数的，它们不是时间的连续函数，他的取值仅为有限可数的离散值，我们把这样的消息叫做离散消息，或叫数字消息，信息中随时间和状态都是离散的信号称作离散信号或数字信号，如电报、数字、数据、监控指令等，传递数字信号的通信系统称为数字通信系统。数字通信与模拟通信相比，他更能适应人类对通信的更高要求，它具有如下特点（优缺点）：（1）数字信号便于处理、存储，如VCD、DVD光盘等；（2）数字通信的抗干扰能力大大增强，因数字信号取值用二进制数码表示，有干扰时容易检测；（3）数字信号便于传输与交换，因数字信号易变为光脉冲信号，易于传输；（4）数字信号容易加密而且有良好的保密性；（5）可靠性高，传输与交换产生的差错便于控制；（6）灵活性与通用性良好，因数字通信中各类消息可变成统一二进制数码，便于计算机处理，可以形成综合业务数字网（ISDN）。数字通信虽具有诸多优点，被人们广泛利用，但也有数字通信频带利用率较低的缺陷。1.3通信系统的构成及其作用在人类社会活动中，交换与传递信息所需的一切技术设备的总体我们也俗称之为通信系统（实际是通信系统的一部分）。通信系统的种类是很多的，对于构成通信系统基本的模型（即最简单的点对点通信）来说，一般都可以用图1.1所示来表示，它一般由以下几个部分组成：图1.1通信系统的基本模型图1.1所示通信系统的基本模型是单向的通信系统，如广播、无线寻呼系统等。通常点对点通信系统都应该是双向的，即通信的双方都拥有收/发信设备和终端设备，传输媒介也信息源发送器信道接收器备收信者噪声源发送端接收端是能双向传输的，比如电话通信系统。下面介绍通信系统构成及其每个组成部分的作用：1、信息源：各类信息所发出的地方。可以是人说话的声音，也可以是计算机（PC机）发出的某条指令等。根据信息源输出信号性质的不同可以分为连续性信息源与离散性信息源，连续性信息源（如电话机、摄像机等）输出连续幅度信号；离散性信息源（如电传机、计算机等）输出离散的符号序列或文字。信息源的另一个作用就是把需要传送的信息（如语言、报文、数据和图像等）转变为原始电信号（或光信号）。2、发送器：即发送设备，也称为变换器，它的主要作用是将信息源发生的信息（原始电信号或光信号）变换成适合在信息交换与传输通道中传送的信号。其中最主要的一种变换器就是调制设备（即编码器）。3、信道：交换与传输原始电信号或光信号的畅通路径称为信道。简而言之就是信号传输的通路，它是信号的传输媒介。一方面它为信号提供传输的道路，另一方面它又对信号造成损害（如使信号产生畸变）。信道按传输介质的种类不同可以分为有线信道和无线信道。在有线信道中电信号（或光信号）被约束在某种传输线（架空明线、电缆、光缆等）上传输；在无线信道中电信号沿空间（大气层、对流层、电离层等）传输。4、接收器：即接收设备，也称为反变换器，它的工作过程是发送设备的逆过程，也就是还原的过程。它的基本功能是完成和发送设备相反的变换，如解调、译码等。其任务是从传输媒质输出的带有噪声和干扰的信号（包括有用信号）中恢复出原始信号，也就是解码的过程。其中最主要的一种反变换器就是解码器。5、收信者：即信宿，也就是信息传送的终点。它是将复原的原始电信号转换为相应的消息（如耳机、扬声器恢复出的原始电信号变换为语音）。它可以与信息源相对应构成人—人通信或机—机通信；也可以与信息源不一致，构成人—机通信或机—人通信。6、噪声源：它是通信系统内各种噪声和干扰影响的等效结果。通信系统内的噪声来自系统内的各个部分，从发送和接收信息的周围环境，各种设备的电子器件到信道所受到的外部电磁场干扰，都会对信号形成噪声影响。为便于分析，将系统内所存在的噪声与干扰均折合到信道上，在通信系统中，信号通过媒介一般要经过长距离的传输，极易受到噪声的干扰，传输损耗将使进入接收设备的信号十分微弱。故在系统内相关的环节要有抑制噪声与干扰的设备，以防有用信息的失真降低到最低限度，大大提高通信的质量。1.4通信系统的分类通信系统的分类方法较多，通常采用按消息的物理特征、传输媒质和系统组成特点、传输信号的特征、调制方式与复用方式来分类。下面简要对每种分类进行叙述。1、按消息的物理特征来分类根据消息的物理特征的不同，可分类电话通信、电报通信、数据通信和图像通信等。这些系统可以是专用的，但通常是兼容的或并存的。例如，伴随计算机发展而迅猛发展的数据通信，近距离大多用专线传送数据信息，而远距离则经常借助电话通信线路来传送数据信息；又如电报通信常常是从电话电路中分出一部分频带传送电报信息，或者是用一个话路传送多路电报信息。2、按传输媒质来分类按传输媒质的不同可分为无线通信与有线通信。无线通信传输媒质通常是借助于电磁波在自由空间进行传播；而有线通信的传输媒质可以是架空明线、电缆和光缆等。无线通信传输媒质电磁波根据其波长的不同又可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信和光纤通信等类型，下面根据上述几个波段通信的频段和波段名称、频率范围和波长范围、传输媒质和主要用途分别对其进行列表叙述：频段和波段名称频率范围和波长范围传输媒质主要用途极低频ELF极长波30~3000HZ10~0.1km有线线对极长波无线电对潜艇通信、矿井通信甚低频TLF超长波3~30kHz100~10km有线线对超长波无线电对潜艇通信、远程无线电通信、远程导航低频LF长波30~300kHz10~1km有线线对长波无线电中远距离通信、地下通信、矿井无线电导航中频MF中波300~3000kHz1000~100m同轴电缆中波无线电调幅广播、导航、业余无线电高频HF短波3~30MHz100~10m同轴电缆短波无线电调幅广播、移动通信、军事通信、远距离短波通信甚高频THF超短波30~300MHz10~1m同轴电缆超短波无线电调幅广播、电视、移动通信、电离层散射通信微波特高频UHF分米波0.3~3GHz100~10cm波导分米波无线电微波接力、移动通信、空间遥测雷达、电视超高频SHF厘米波30~30GHz10~1cm波导厘米波无线电雷达、微波接力、卫星和空间通信极高频EHF毫米波30~300GHz10~1mm波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文紫外线、可见光、红外线105~107GHz3×10-1~3×10-6cm光纤、激光空间传播光通信表1-1电磁波波段划分、常用传输煤质与主要用途3、按系统组成的特点来分类（1）短波通信系统。该系统工作在2-30MHz的短波波段，传输带宽窄，系统容量小。主要用于特殊的业务和军事通信中。（2）微波中继通信系统。采用微波波段2-12GHz进行通信，传输带宽宽，系统容量大，主要用于长距离通信。（3）卫星通信系统。是在地面微波中继通信和空间技术基础上发展起来的，是微波中继通信系统的一种特殊形式，它覆盖区域大、通信距离远，利用三颗人造同步卫星可实现全球通信的宏伟目标。（4）光纤通信系统。以光波为载波，以光纤为传输媒介，光纤极其宽阔的频域范围和极小的损耗，使光纤通信已成为通信领域中最为活跃的通信技术。（5）移动通信系统。采用超短波或微波进行通信，是以移动体对固定地点之间或移动体之间的通信，他的目标是任何人、任何地点、任何时间都可以进行的通信，是各种通信的集合体现。（6）计算机通信系统。主要指通信机房内计算机路由器、汇聚交换机等，以及配套光电传输通信系统。（7）电视通信系统。主要指市内各种有线电视通信设备与线缆系统。4、按传输信号的特征来分类不管信息源发出的信息是连续信息还是离散信息，均能变换为相应的电信号（基带信号），若发出的是连续信息则称作模拟信号，另一类称作数字信号。传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统，而传输数字信号的通信系统则称作数字通信系统。模拟通信系统可以传输电话、电报、数据和图像等信息。与数字通信相比，模拟通信设备简单，占用频带窄，但抗干扰能力差。图1.2为模拟通信系统模型，各部分的作用、功能与图1.1类似，可由读者自行完成。图1.2模拟通信系统模型图1.3为数字通信系统模型，数字通信抗干扰能力强，有较好的保密性和可靠性，易于集成化，缺点是占用频带较宽，且需较复杂的同步系统。它的各部分作用、功能与图1.1类似，可由读者自行完成。信源调制器备信道解调器备收信者噪声源发送端接收端图1.3数字通信系统模型5、按调制方式来分类根据是否采用调制方式，可将通信系统分为基带传输和调制传输（又叫频带传输）两大类。基带传输是将未经调制的原始电信号（或光信号）直接在线路上进行的一种传输，如音频市内电话和数字信号的基带传输等；调制传输是先对原始电信号（或光信号）进行调制后再在信道上进行的一种传输。6、按复用方式分类在通信系统中，信道能提供比原始电信号（或光信号，又称基带信号）宽得多的频带宽度，假若在信道中只传输一路信号，那么信道的利用率就较低，对于整个通信系统来说就是一种浪费。为了解决这一难题，采取的方法是多路信号同时传送，这就是我们所说的复用技术，它可分为基带复用、时分复用、频分复用与码分复用系统四种复用方式。（1）基带复用：指在短距离内（6km）直接在传输介质上传输模拟基带（300~3400Hz）信号的系统，优点是线路设备简单，缺点是传输介质的带宽利用率较低，不适于在长途线路上用，目前在传统双绞线电话