2004-11-10通信基础知识

上海缆信网络技术有限公司--1--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上海缆信网络技术有限公司--2--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u0T/2Ttu0T/2Tt上海缆信网络技术有限公司--3--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。信源发送变换器信道接收变换器信宿燥声T10001111010A0上海缆信网络技术有限公司--4--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。上海缆信网络技术有限公司--5--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上海缆信网络技术有限公司--6--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。上海缆信网络技术有限公司--7--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。上海缆信网络技术有限公司--8--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。通常的发信源调制器信道解调器收信者燥声发信源信源编码器信道编码器调制器信道信道译码器信源译码器收信者解调器燥声上海缆信网络技术有限公司--9--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，数字通上海缆信网络技术有限公司--10--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？上海缆信网络技术有限公司--11--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