1第1章 电信传输的基本概念2内容提要 通信基本概念及发展史 电信传输系统模型 电信传输信道及传输介质 传输特性和传输单位1.1通信基本概念及发展史 通信的定义通信的目的是传递消息中所包含的信息。消息是客观 物质运动和主观思维活动的状态的一种反映，在不同 时期具有不同的表现形式。例如，话音、文字、符号 、音乐、数据、图片或活动图像等都是消息。人们接 收消息，关心的是消息中包含的有效内容，即信息。 通信则是进行信息的时空转移，即把信息从一方传送 到另一方。基于这种认识，“通信”也就是“信息传输” 或“消息传输”。341.1通信基本概念及发展史通信发展史： 在1837年，人类历史上第一次用电报、电话进行电信联系，英 国人在1.5km的距离上作了电报表演。 1876年，贝尔获美国专利局授予的电话专利，并在1877年用硬 双铜线架设了电话线路，从此传输线开始了传输比电报信号频 率高得多的语音信号。 1948年美国建设了从纽约到波士顿的微波中继线路，传送480 路电话和1路电视信号。 1955年，完成从纽芬兰到苏格兰海底越洋同轴电话电缆。 1966年，英籍华人提出可以从石英中提炼超纯的细丝状纤维， 并用于光频成为光波导。 51.1 电信传输发展及广泛应用 1977年，美国芝加哥建成第一条光纤通信线路，长度 为6km。 1988年建成了横跨大西洋的海底光缆系统，采用的是单模光纤，总长达到19200km。 在移动通信方面，1946年美国在圣路易斯城建立了世 界上第一个公用汽车电话业务，频率从150450 MHz 。 在卫星通信方面，1957年10月，苏联发射了第一颗人 造地球卫星，1965年4月美国发射了第一颗商用卫星 。 1.1 电信传输发展及广泛应用1.1电信传输理论的发展史 1865年，麦克斯韦在题为电磁场的动力学理论的论文中 奠定了电磁场理论的基础，利用麦克斯韦的成果进行传输线理 论研究成为了可能。 1876年，亥维塞利用麦克斯韦方程推导出了经典电报方程。 1893年，英国物理学家汤姆逊（电子的发现者）出版了一本 论述麦克斯韦电磁理论的书，肯定了圆金属壁管子传输电磁波 的可实现性。 1897年，英国物理学家瑞利在发表的论文中，讨论了矩形截 面和圆形截面“空柱”中的电磁振动，即对应后来的矩形波导和 圆波导，并引进了截止波长的概念 1936年，贝尔实验室的科学家做出了实验波导线长为 260 m 的青铜管，直径为12.5 cm，信号波长为9 cm。671.2 电信传输系统模型 电信及电信传输 电信传输系统模型 信号的类型与电磁波波段的划分 电磁波常见传播模式 电信传输的主要特点81.2.1 电信及电信传输 所谓“电信”，就是利用电子技术实现传送信息和交流 信息的通信方式。通俗解释“电信”是指利用有线、无 线的电磁系统或光电系统，对语音、文字、数据、图 像以及其他形式信息的电信号进行的传送过程。那么 ，“电信传输”就是指含有信息的电信号通过具体物理 媒质从一处传到另一处的传输过程。91.2.2 电信传输系统模型 电信传输由电信传输系统实现，电信传输系统 包括了用户之间的许多电气设备和传输媒质（ 如金属导线、光纤、自由空间等）所构成的总 体。一个最简单的传输系统，至少要由一个发 送器（也叫做变换器）、一个接收器（也叫做 反变换器）和把它们连接起来的传输媒质所组 成。所以，连接发送器、接收器二者的传输媒 质是构成电信传输系统的基本组成部分。101.2.2 电信传输系统模型信宿 信源 图1-1 电信传输系统模型示意图 发信 设备收信 设备变换器A反变换器B111.2.2 电信传输系统模型 图1-1中发信终端置于变换器A的这一端，其功能为： 把消息变换成与信道相适配的电信号或光信号，并让 信号进入该信道。收信终端位于反变换器B的那一端 ，其功能为将从信道收下来信号进行衰减补偿，并消 除或减小畸变和噪声对有用信号的干扰，进行反变换 ，使其消息重现原貌。121.2.2 电信传输系统模型图1-2 电信传输系统一般结构 131.2.2 电信传输系统模型 在电信传输系统的一般结构图中： 1）话机、移动台作用：是将话音信号转换成电信号， 或者进行反变换。 2）交换设备的作用：实现局内用户间的信号交换，还 能同其它局的用户实现连接或转接。 3）多路复用设备的作用：实现多路信号的汇接(复用) ，用以提高信道的传输容量。 4）传输终端设备的作用：将待传输的信号转换成适合 信道传输的信号，或进行反变换等。 141.2.2 电信传输系统模型电缆、光缆、微波、卫星是不同形式的传输介质或信 号载体。 当电信传输系统采用电缆作传输介质时，此时传输终 端设备为电缆传输终端设备，相应的传输系统称为电 缆传输系统或称为电缆通信系统。 若采用光缆作传输介质，此时的传输终端设备为光端 机，相应的传输系统就称为光缆传输系统，或称为光 纤通信系统。 若采用微波作载体，用微波中继站作信号转接，此时 传输终端设备就是微波端站，相应的传输系统就称为微波传输系统，或称微波通信系统。151.2.2 电信传输系统模型电缆、光缆、微波、卫星是不同形式的传输介质或信 号载体。 若仍采用微波作载体，用卫星作中继站，此时传输终 端设备就是卫星地面站（或地球站），相应的传输系 统就称为卫星传输系统或称为卫星通信系统。 由此可见，无论是电缆通信系统、光纤通信系统，还 是微波通信系统、卫星通信系统，它们的基本结构形 式都很类似，其之间的差异仅在于电信号载体（或传 输媒质）和传输终端设备不同。161.2.3信号的类型与电磁波波段的划分 按照电信号传载信息的形式不同，可分为： （1）模拟信号：是指模拟、仿照原有消息变化的电信 号。这种信号的幅度变化是时间的连续函数。如图1- 4所示。 模拟通信普通电话、传真、电视。 （2）数字信号：时间上和幅度上的取值都是离散的。 数字信号在传输上最主要的是它的抗干扰性强。如图 1-6所示。 数据通信通信传输的都是数字信号，如人与计算 机和计算机与计算机之间的通信。171.2.3 信号的种类和电磁波波段的划分图1-4 模拟信号波形图1-6 数字信号波形 181.2.3 信号的种类和电磁波波段的划分图1-7 电磁波段划分图191.2.3 信号的种类和电磁波波段的划分通信所采用的传输方式是由电磁波的频率所决定 的。电通信的容量几乎与使用的频率范围成正比，对 通信容量的要求越高，使用频率范围就越高。由图1- 7所示，通常无线电通信所用波段是在波长为米至亚 毫米范围，目前，移动通信、微波通信和卫星通信这 三种无线电通信方式都落在微波波段，而除光纤通信 以外的有线电通信所用波段是在波长为千米至米范围 ；有线电视用户接入和计算机局数据接入这2种通信 方式则落在超短波（VHF）左右。光纤通信在0.8 1.65微米红外波段。表1-1 波段（频段）划分及典型应用 310-5频 率 范 围波 长符 号传输媒质用 途3Hz30 kHz104108 m甚低频VLF有线线对 或长波 无线电音频、电话、数据终端长距离导 航、时标30300 kHz103104 m低频LF有线线对 或长波 无线电导航、信标、电力线通信300 kHz3 MHz102103 m中频MF同轴电缆 或短波 无线电调幅广播、移动陆地通信、业余 无线电330 MHz10102 m高频HF同轴电缆 或短波 无线电移动天线电话 、短波广播定点军 用通信、业余无线电30300 MHz110 m甚高频VHF同轴电缆 或米波 无线电电视、调频广播、空中管制、车 辆、通信、导航300 MHz3 GHz10100 cm特高频UHF波导或分米波无 线电微波接力、卫星和空间通信、雷达330 GHz110 cm超高频SHF波导或厘米波无 线电微波接力、卫星和空间通信、雷达 、无线宽带 接入30300 GHz110 cm极高频EHF波导或毫米波无 线电雷达、微波接力、射电天文学107108 GHz310-4 cm紫外、可见光 、 红外光纤或激光空间 传播光通信1.2.4 电磁波常见传播模式 在研究传输线理论时主要包括以下两方面的内容： 一是研究所传输波类型的电磁波在传输线横截面内电场和磁场 的分布规律（场结构或模式或波型），称为横向问题； 二是研究电磁波沿传输线轴向的传播特性和场的分布规律，称 为纵向问题。 在传输线（有界空间中）导行的电磁波的类型（也称为模式或 场结构或场分布），按其有无纵向场分量Ez和Hz，可分为四类 ： 一是横电磁波（TEM波），这种波在传播方向Z上既无纵向电 场Ez分量又无纵向磁场Hz分量，即Ez=0且Hz=0。电场、磁场 分量都在横截面上与传播方向垂直。这种模式只能存在于双导 体传输线和无线传输（无界空间理想介质）中。 。211.2.4 电磁波常见传播模式 二是横电波（TE波），这种波的Ez=0，其电场分量与传播方 向垂直，但Hz0。这种模式存在于金属波导中。 三是横磁波（TM波），这种波的Hz=0，其磁场分量与传播方 向垂直，但Ez0。这种模式存在于金属波导中。 四是EH波或HE波（混合模），这种波的Ez0且Hz0。它们是 TE波和TM波的线性叠加，纵向电场占优势的模式称做EH波 ，纵向磁场占优势的模式称做HE波。这类波存在于介质波导 中。以上TEM波、TE波、TM波的电场方向及磁场方向与传播 方向的关系，如图1-8所示。注意，无论何种波型，其电场与 磁场总是相互垂直的。22图1-8 TEM波、TE波、TM波电场 及磁场与传播方向关 系图1-9 同轴电缆中TEM波的场结构图1-10 波导中TE10波电磁场分布模型图1-11 波导中几种TMmn波电磁场分布模型 图1-12 无界空间 TEM波的电磁场分 布模型251.2.4 电信传输的主要特点电信传输的主要特点： 1）传输信号的多频率。无论是模拟通信还是数字通信 ，电信传输中的信号都包含着丰富的频率。如普通 电话机发出的话音信号频率大约在300HZ到3400HZ左 右；有线电视CATV的传输频带达750MHZ左右。 2）有线传输的功率比较小，它一般只有毫瓦量级；在 无线传输方式中，电信传输的功率较大，它一般在 瓦量级。 3）电信传输的效率较高，由于电信传输是弱电传输， 其传输效率非常重要。有线传输效率高于无线传输 的效率。 4）电信传输离不开信号的变换。例如,模-数转换和数-模转换技术的广泛应用。1.3电信传输信道及传输介质 电信传输信道是电信传输系统必不可少的组成 部分； 任何一个电信传输系统均可视为由发送设备、 信道与接收设备三大部分组成。 传输信道通常是指以传输介质为基础的信号通 道，而传输介质的多种类型对应着不同用途的 通信系统。 因而，对信道和传输介质（或媒质）的研究是 研究通信的传输问题的基础。26271.3.1 信道的概念及分类 信道是指以传输介质为基础的信号通道。具体来说， 信道是指由有线或无线线路提供的信号通路；抽象来 说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又 给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。 信道可大体分为两类：狭义信道和广义信道。根据信 道的定义，如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信 道称为狭义信道；如果信道不仅是传输媒质，而且包 括传输系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信 道。1.3.1 信道的概念及分类 按照狭义信道具体传输媒质的不同类型可分为有线信 道和无线信道两类。有线信道需利用人造的传输媒质 来传输信号，它包括明线、对称电缆、同轴电缆及光 纤等一类能够看得见的媒质。无线信道利用电磁波在 自由空间中的传播来传输信号，它包括地波传播、短 波电离层反射、超短波或微波视距中继、卫