1.3 通信技术入门

1.3.1 概述

通信就是指信息的传递。例如，人之间的对话是通信，用手势表达情绪是通信，用烽火台传递战事情况是通信，快马与驿站传送文件也是通信。

现代通信指的是使用电波或光波传递信息的技术，通常称为电信（Telecommunication），国际上称为远程通信。只有当电波能被用做信息载体时，人类才真正进入高速通信时代。1837年，莫尔斯发明电报机，并设计莫尔斯电报码，从此人类进入现代通信时代。如果在地球上两个最远的端点进行电报联络，两万公里之间，用“电”传“报”，只需十五分之一秒。1876年，贝尔发明电话机。这样，利用电磁波不仅可以传输文字，还可以传输语音，由此大大拓展了通信的内涵，加快了通信技术的发展进程。1895年，马可尼发明无线电设备，从而开创了无线电通信发展的道路。随着社会需求、生产力的发展和科学技术的进步，尤其是电子管、晶体管和集成电路等电子器件的发明，大大促进了通信技术和通信方式的飞速发展。

现代通信技术主要有数字通信技术、程控交换技术、信息传输技术、通信网络技术、数据通信与数据网、ISDN与ATM技术、宽带IP技术、接入网与接入技术。

现代通信技术的一个重要特点是通信技术与计算机技术的紧密结合。由于大量采用计算机技术，不仅大大加快了通信的发展速度，而且也使现代通信可以为广大用户提供种类更多和质量更高的服务。计算机技术及其他高科技的介入，使现代通信技术形成了许多分支，如卫星通信、光纤通信、图文电视广播、移动通信、种类繁多的电话通信等。总之，当今世界上各种通信网络已经覆盖全球。

从总体上看，现代通信技术实际上就是构建通信系统和通信网络的技术。通信系统目前主要是电信网（Telecommunication Network）系统，它连接着大量的用户，由终端设备、传输设备、交换设备等组成。

电信网有多种类型，按业务种类分为电话网、电报网、数据通信网、传真通信网、图像通信网等；按服务范围分为本地电信网、农村电信网、长途电信网、移动通信网、国际电信网等；按传输媒介分为电缆通信网、光缆通信网、卫星通信网、用户光纤网、低轨道卫星移动通信网等；按信号形式分为模拟通信网、数字通信网、模拟数字混合网等。

对于通信网络，主要分为电话网、支撑网、智能网和因特网系统。电话网是用于交互型语音通信、开放电话业务的电信网。一个完整的电信网除了有以传递信息为主的业务网外，还需要有若干个用以保障业务网正常运行，增强网络功能，提高网络服务质量的支撑网。支撑网主要包括No.7信令网、数字同步网和电信管理网。而智能网是在原有的网络基础上，为快速、方便、经济、灵活地生成和实现各种电信新业务而建立的附加网络结构。

1.3.2 通信系统的基本原理

1.通信系统的简单模型

实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒介的总和称为通信系统。以基本的点对点通信为例，通信系统的组成（也称为简单模型）如图1-4所示。

信源（信息源，也称发送终端）的作用是把待传输的信息转换成原始电信号，如电话机、传真机、计算机等都可作为信源。信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调制的原始电信号，基带信号有数字基带信号和模拟基带信号。相应地，信源也有数字信源和模拟信源。例如，电话机、传真机属于模拟信源，输出的是模拟信号；计算机则是数字信源，输出的是离散数字信号。

发送设备的基本功能是将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，正弦调制是最常见的变换方式，经正弦调制后的信号称为频带信号。

信道是指信息传输的通道，是由传输介质和相关的中间通信设备组成的。它可以是有线的，也可以是无线的。例如，在有线信道中，信道可以是双绞线、同轴电缆或光纤；在无线传输中，大气层及外太空是信道。信号在通信系统中传输时，不可避免地会受到系统外部和内部噪声的干扰。在分析时往往把信道中的所有噪声及分散在通信系统中其他各处的噪声折合到信道上统一用一个等效噪声源来表示，如图1-4所示。

根据信号在信道上的传输方向，信道的传输模式可分为单工、半双工和全双工。单工是指数据的单向传输，无线电广播就是单工通信的一个实例；半双工是指数据可以双向传输，通信的双方都具有发送器和接收器，但不能在同一时刻双向传输（即在同一时刻信道只能在一个方向传输），如对讲机信息的传送；全双工是指数据可以同时双向传输，如电话机通话时的信息传送。

接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从接收信号（如频带信号）中消除干扰并准确地恢复出相应的原基带信号。

信宿（也称接收终端）是将基带信号恢复成原始信号。例如，电话机将对方传来的电信号还原成了声音。

通信的基本任务是传递信息，实现通信至少应由三个要素组成，即信源、信宿和信道。在信息传递的过程中，它要将有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要对无用信息和有害信息进行抑制并有效剔除。为了提高信道的传输效率，减少传输中差错，在信息送到信道上去传输之前，必须对它按某种方式进行编码，到达目的地后，还必须进行相应的解码。而当今的通信技术不仅要实现有效的传递信息，并且还具有信息存储、检索、识别、转换、处理和显示等多种功能。

2.模拟通信系统模型

通信中信息的传递是通过信号来实现的，信号是信息的载体。如果信号的幅度值是连续的，则这样的信号被称为模拟信号，如语音信号、电视图像信号等。如果信号的幅度值被限定在有限个数值之内，是离散的，则这样的信号被称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号等。实际上，一个信号既可用模拟信号来表示，又可用数字信号来表示。因此，模拟信号和数字信号在一定条件可进行相互转换。

图1-4给出的是通信系统的简单模型，按照信道中所传信号的形式不同，可进一步具体化为模拟通信系统或数字通信系统。

人们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的组成可由一般通信系统模型略加改变而成，就是将图1-4所示的一般通信系统模型中的发送设备和接收设备分别用调制器、解调器所代替，如图1-5所示。

对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换：把连续信息变换成电信号（发送端信源完成）和把电信号恢复成最初的连续信息（接收端信宿完成）。由于从信源输出的电信号（基带信号）具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号送到信道中去。因此，模拟通信系统中常有第二种变换，即将基带信号转换成其适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成；在接收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有信息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。因而已调信号又常称为频带信号。

必须指出，信息从发送端到接收端的传递过程中，并非仅有以上两种变换，通常在一个通信系统里可能还有滤波、放大、天线辐射与接收、控制等过程。对信号传输而言，由于上面两种变换对信号形式的变化起着决定性作用，因此它们是通信过程中的重要方面。而其他过程对信号变化来说，没有发生质的作用，只不过是对信号进行了放大和改善特性等。

3.数字通信系统模型

信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。

（1）数字频带传输通信系统

数字通信的基本特征是，它的信息或信号具有“离散”或“可用数字表达”的特性。

数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的。这是通过所谓的差错控制编码来实现的。于是，就首先需要在发送端增加一个编码器，而在接收端需要一个解码器。其次，当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行人为“扰乱”（加密），此时在接收端就必须进行解密。再次，由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须保持与发送端相同的节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。另外，为了表述信息内容，基带信号都是按消息特征进行编组的，于是，在收发之间一组组编码的规律也必须一致，否则接收时消息的真正内容将无法恢复。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“帧同步”，综上所述，点对点的数字频带通信系统模型一般如图1-6所示。

需要说明的是，图1-6中调制器/解调器、加密器/解密器、编码器/译码器等环节，在具体通信系统中是否全部采用，这要取决于具体设计条件和要求。但在一个系统中，如果发送端有调制/加密/编码，则接收端必须有解调/解密/译码。通常把有调制器/解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统。

（2）数字基带传输通信系统

与频带传输系统相对应，把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，如图1-7所示。

图1-7中基带信号形成器可能包括编码器、加密器及波形变换等，接收滤波器也可能包括译码器、解密器等。

（3）模拟信号数字化传输通信系统

上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号，实际上，在日常生活中大部分信号（如语音信号）为连续变化的模拟信号。那么要实现模拟信号在数字通信系统中的传输，则必须在发送端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；在接收端则需进行相反的转换，即D/A转换。实现模拟信号数字化传输的系统如图1-8所示。

4.数字通信系统的性能指标

（1）信道的数据传输速率

信道的数据传输速率是指实际进行数据传输时单位时间内所传输的二进位数目，通常用比特/秒（b/s）、千比特/秒（kb/s）、兆比特/秒（Mb/s）、吉比特/秒（Gb/s）和太比特/秒（Tb/s）作为计量单位。例如一个数字通信系统，它每秒传输5000个二进位数目，它的数据传输速率是5000比特/秒（5000b/s）。

（2）信道带宽

在模拟通信系统中，带宽是指保证模拟信号不失真地进行传输的最大频率变化范围。在数字通信系统中，带宽则是指一个信道允许的最大数据传输速率，也称做信道容量。信道带宽与通信系统采用的传输介质、信号调制方法等因素有关，是评价通信系统性能的重要指标之一。

（3）误码率

误码率是指数据传输中规定时间内出错数据与被传输数据总数之比。误码率越小，信道传输质量越高。

（4）端-端延迟

端-端延迟指数据从信源传送到信宿所花费的时间。

5.模拟通信技术与数字通信技术的比较

模拟通信的主要优点是直观且容易实现，结构比较简单，成本低；但抗干扰能力弱，传输质量不够稳定且保密性差（信号在传输过程中不可避免地会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多），尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。

模拟通信的历史已经很久了，但目前模拟通信已经越来越多地被数字通信所取代。因为数字通信与模拟通信相比具有明显的优点：首先是抗干扰能力强，因为数字通信是采用再生中继方式，能够消除噪声，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去，这样通信质量便不受距离的影响，可高质量地进行远距离通信。此外，它还具有适应各种通信业务的要求（如电话、图像、数据等），便于实现统一的综合业务数字网，便于采用大规模集成电路，便于实现加密处理，更便于实现通信网的计算机智能化管理等优点。

数字通信的缺点是占用频带较宽，技术要求相对模拟通信复杂，尤其是同步技术要求精度很高。此外，进行模数转换时会带来量化误差。

6.调制与解调

（1）调制（Modulation）

调制的作用是将信源产生的信号变换成适合在信道中传输的信号。对于数字通信系统来说，就是将基带数字信号的波形变换为适合于模拟信道传输的模拟信号波形（将数字信号转换成模拟信号）。例如，计算机所传输的数据实际上是一连串的“0”或“1”、“0”和“1”在计算机中分别是用高、低电平来表示的。在近距离传输数据时，可以将发送方的电信号通过电缆直接传送给接收设备。然而当需要长距离传输数据时，如果也直接传送代表二进位信息的电平信号，那么导线的电阻会使电信号逐渐减弱，以至于最终接收方无法收到或者识别信号。

人们发现，正弦波之类的持续振荡信号能够在长距离通信中比其他信号传送得更远，因此可以把这种正弦波信号作为携带信息的“载波”。在传送数据时，发送方根据“0”和“1”的区别调整正弦载波的幅度、频率或相位，这个过程称为“调制”（见图1-9），经过正弦调制后，就可以进行长距离传输了。

所谓调制实际上就是进行波形转换，最基本的调制方法有下列三种：

◆调幅（AM）指载波的振幅随基带数字信号变化而变化。

◆调频（FM）指载波的频率随基带数字信号变化而变化。

◆调相（PM）指载波的初始相位随基带数字信号变化而变化。

针对以上三种基本调制方法，可以得到对数字信号进行模拟调制的三种基本形式：

◆幅移键控法ASK（Amplitude Shift Keying）。

◆频移键控法FSK（Frequency Shift Keying）。

◆相移键控法PSK（Phase Shift Keying）。

为了达到更高的传输速率，还可以采用更为复杂的混合调制方法，如将ASK和PSK组合成振幅、相位混合的调制方法，从而进一步提高传输速率。

（2）解调（Demodulation）

解调是调制的反变换，它的作用是从带有干扰的接收信号（如频带信号）中准确地恢复出相应的原基带信号。对于数字通信系统来说，就是将远距离传输过来的正弦波信号携带的信息检测出来，并转换成适合计算机接收的高、低电平形式。这个过程称为“解调”。

由于计算机网络中的数据通信一般都是双向进行的，所以调制与解调总是成对使用，调制解调器（MODEM）就是用来实现信号调制和解调功能的一种专用设备，如图1-10所示。

7.多路复用技术

电信线路是构成电信网的基础设施之一，在整个电信网的投资中占有很大的比例。为了降低成本，充分有效地利用通信线路，采用多路复用技术（Multiplexing），就可以实现在同一条通信线路上传送多路信号，如图1-11所示。

多路复用技术可以提高电信传输系统的传输能力，扩大线路容量，降低通信系统建设成本。因而无论是在有线传输系统还是无线传输系统，都已经得到广泛的应用。

在有线电信方面，早期的传输线路一对线只能传送一路电话，后来发明了载波电话，使上述情况有了突破。单路载波电话在一对线上可以通两路电话，使线路的利用率提高了一倍。后来陆续开发出3路、12路、60路载波电话等，使电信线路的传输能力提高了几倍、几十倍。同轴电缆载波系统更使通信的容量从几百路提高到几千路、上万路。20世纪70年代后期，开始大量使用光纤通信。一条光纤就可以传输成百上千路电话。到20世纪90年代中期，一根光纤可以开通几万路电话。此后人们又研究开发了新的多路复用技术，称做“波分多路复用（WDM）”。因为可见光的不同频率对应着不同的波长（即不同的颜色），多种不同颜色的光波同时在一根光纤中传输时相互不会干扰，在接收端使用一块玻璃棱镜即可把不同波长（颜色）的光波分开，从而达到多路数据传输共享同一根光纤的目的。现在一根光纤已能开通几十万路电话，而且还在继续迅速提高。

在无线通信方面，多路复用技术也得到广泛的应用。早在20世纪30年代初期，在无线电通信中就使用了多路复用技术。20世纪40年代以后，微波通信中更是广泛地应用了多路复用技术。20世纪到80年代，模拟调频微波通信的容量已经高达1800～2700路。20世纪80年代末发展起来的数字微波通信，多路复用的容量更高。自1964年8月19日美国成功发射第一颗地球同步卫星辛康（syncom）3号以后，世界开始了新的卫星通信时代。到20世纪90年代，新的卫星通信系统应用多路复用技术，可以承载约35000路电话和多路电视节目的传输。

多路复用技术的基本原理：各路信号在进入同一个有线的或无线的传输媒质之前，先采用调制技术把它们调制为互相不会混淆的已调制信号，然后进入传输媒质传送到对方，对方接收后再用解调技术对这些信号加以区分，并使它们恢复成原来的信号，从而达到多路复用的目的。频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing）和时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）是两种最常用的多路复用技术。

频分多路复用是指使用不同的频率来复用多路信号的方法。其基本原理是每一个发送设备使用一个给定频率的载波来传输数据，每一个接收设备被设置成为只接收给定频率的载波。所有不同频率的载波可在同一时间通过同一导线而不会互相干扰。

时分多路复用是指各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信的方法。例如，把N 个话路设备接到一条公共的通道上，按一定的次序轮流地给各个设备分配一段使用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，执行操作。与此同时，其他设备与通道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到，则通过时分多路转换开关把通道连接到下一个要连接的设备上去。时分多路复用通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法。

时分多路复用可分为同步多路复用和异步多路复用。前者是指不论终端设备有无数据传送要求，多路复用器都要为每个终端分配一个时间片；后者是指当被扫描的终端无数据发送，则多路复用器不给该终端分配时间片，而是立即去扫描下一个终端。只有当被扫描的终端有数据发送时，才给该终端分配一个时间片。采用异步多路复用时必须为传输的数据加上发送地址和目的地址，以便能正确识别发送者和接收者。

此外，还有码分多路复用和波分多路复用。码分多路复用是指多路信号同时传输时采用不同的编码原理加以区分，它被用于无线移动通信。波分多路复用是指在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，使得数据传输速度和容量获得倍增。

8.数据交换技术

通常通信双方并不是在两点之间采用固定的连接方式来实现通信的，而是在任意两个要进行通信的终端之间建立一个临时的通信链路，通信结束后再撤销链路，这就是数据交换技术。

（1）电路交换

电路交换又称线路交换，现在的PSTN（简单电话网络）在连接两部电话时，多采用电路交换方式。当拨打方拨出一个电话号码，交换机进行查找地址，找到后就将主叫方电话线路与被叫方电话线路进行连接，两方形成一个通路，此时其他人均不能使用这条通路（因此会产生占线现象），直到一方要求拆除（这里指挂断）线路。这种交换方式比较简单，缺点是线路利用率低，通信成本高。

（2）分组交换

分组交换也称包交换，它是将用户的数据分割成若干个一定长度的数据包。这些数据包就称为分组，在每个分组前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何处及误码校验等，然后交换机（在分组通信中称为结点机）核对接收分组无误码且认为不会发生拥塞后向信源端回送一个确认信息，信源端可接着发送下一批分组。交换机根据每个分组头里的地址标志，将它们沿着最佳的路由发往目的地。如果到达同一路由的分组数太多，交换机将对这些分组存储或选择别的路由迂回转发。到达目的地后，再按照数据包的编号，将它们重新组装成原来形式的数据，这一过程就称为分组交换，它很类似于邮寄信件。进行分组交换的通信网称为分组交换网。

分组交换技术具有一些明显的优点：一是每次传送的数据长度较短，出错率低；二是便于动态地选择传输路径，从而提高传输的效率。

1.3.3 传输介质

传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，是信号传输的媒介，是通信系统中最基本也是最底层的组成部分。通信系统中采用的传输介质可分为有线介质和无线介质两大类。不同的传输介质具有不同的特性，对数据通信质量有很大影响。

利用有线传输介质可以使数据在其中传输时不仅可获得较高的传输效率，且易于保证传输的正确性、可靠性；利用无线传输介质通过自由空间去传输信息，省去了线路的架设，但存在传输效率低、易被窃听、易受干扰等缺点。

有线载波通信所用的传输介质，主要有双绞线、同轴电缆和光缆。

1.双绞钱

双绞线是现在最常用的传输介质，它由两条相互绝缘的铜线组成，典型直径为1mm。两根线绞结在一起是为了防止其电磁感应对邻近双绞线产生干扰。多根这样的双绞线捆在一起，外面加上护套，就构成了双绞线电缆。现流行的双绞线电缆中一般包含4个双绞线对，如图1-12（a）所示。双绞线接头为具有国际标准的RJ-45插头和插座。双绞线分为屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）和无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）两种。无屏蔽双绞线适用于网络流量不大的场合中。屏蔽双绞线是在双绞线外面加上了用金属丝编织成的屏蔽层，具有较强的抗电磁干扰能力，适用于网络流量较大的高速网络协议应用。双绞线根据性能又可分为5类、6类和7类，现在常用的5类非屏蔽双绞线，其频率带宽为100MHz，能够可靠地运行4Mb/s、10Mb/s和16Mb/s的网络系统。当运行100Mb/s以太网时，可使用屏蔽双绞线以提高网络在高速传输时的抗干扰。双绞线价格便宜且安装方便。

2.同轴电缆

同轴电缆主要由内导体、绝缘层、外屏蔽层和外部保护层构成，如图1-12（b）所示。它的横截面是一组同心圆，最外圈是外绝缘层，紧贴着的是一圈起屏蔽作用的金属编织层，再往里面是绝缘体，用来分隔编织的外导体和内导体，内导体可以用单股芯线（铜导线）或多股绞合线。同轴电缆具有良好的传输特性和屏蔽特性，可以构成大容量的载波通信系统。

目前广泛使用的同轴电缆有两种：一种是阻抗为50Ω的基带同轴电缆，用于传输数字信号，主要应用于计算机局域网中；另一种是阻抗为75Ω的宽带同轴电缆，用于传输宽带模拟信号，主要应用于有线电视中。

3.光缆

光缆是目前容量最大的通信传输介质。光纤通信是利用光导纤维（简称光纤）传导光信号进行通信的一种技术。光纤是由直径大约0.1mm细石英玻璃丝构成，透明、纤细，具有把光封闭在其中并沿轴向传播的导波结构。光缆由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护光纤，包层外还覆盖一层塑料加以保护，如图1-13（a）所示。

光波在纤芯中的传输原理：当光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去。即使纤芯形状发生弯曲，光线也能很好地在其中传播，如图1-13（b）所示。

有关无线通信中的传输介质如无线电波、微波、红外线和激光等，请参见1.3.5节无线通信系统。

1.3.4 有线通信系统

对通信系统的分类有多种方法，按传输介质可分为有线和无线；按信息的信号形式可分为模拟通信网、数字通信网、数字模拟混合网等；按业务种类可分为电话网、数据通信网等；按服务范围可分为本地电信网、长途电信网、国际电信网、移动通信网等。

有线通信可进一步再分类，如有线载波通信、光纤通信等。

1.有线载波通信

载波就是起“运载信息”作用的电波或光波，通常是高频正弦波或是周期性的脉冲。在有线通信系统中，人们利用载波技术把信息的信号加到载波上，实现远距离传输。以传统的载波电话为例来说明，人的语音信号频率是在300～3000Hz的范围之内。对于这个频率范围的信号，要用无线电波把语音的声波直接传播出去，需要用功率很大的发射机，而且还必须要用巨型发射天线，如果用导线来传送，由于衰减太大，同样难以实现。因此，要实现远距离传输信息，无论是无线方式还是有线方式，都需要利用高频的载波，即把低频的信息信号叠加到载波上，然后再传送出去。

此外，利用载波技术还可以实现“频分复用”。即在同一条线路上，利用各种不同频率的高频载波来“载送”多路电话，使它们在同一条线路上同时传送而互不干扰，信号传到对方后再进行还原和各路分离。

有线载波通信主要用来传输电话、电报、传真和数据，也可传输广播、可视电话和电视节目。

2.光纤通信

光纤通信系统如图1-14所示。信息在发送端被转换和处理成便于传输的电信号，由电信号控制一光源（利用发光二极管（LED）发出某一波长的荧光或由半导体激光器（LD）发出某一波长的激光），使发出的光信号具备所传输信号的特点。然后通过光缆传送到接收端，经光接收器的检测、放大并转换成电信号，最后得到与原发送端相同的语音、图像、数据等信息。为了补偿光缆的线路损耗，消除信号的失真和噪声干扰，每隔一定距离需要接入光中继器。

由于光纤通信具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、中继距离长、抗电磁干扰能力强、线径细、重量轻、耐腐蚀、耐高温等一系列特殊的优点，因而在各种通信系统和计算机网络中得到了广泛的应用。

光纤通信的瓶颈之一是光信号的传输距离不够长。普通光纤网络中的信息在传输时每隔200～500km间需加设电放大器，将光信号还原成电信号进行放大，然后再转换成光信号继续传输。这不仅增加成本，还使带宽的进一步提高变得越来越困难，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光电和电光转换所抵消。为了解决这一问题，现在人们提出了全光网AON（All Optical Network）的概念。所谓全光网是指光信息流在通信网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，不需要经过光电、电光转换。全光网技术是光纤通信领域的前沿技术，是21世纪真正的信息高速公路。

1.3.5 无线通信系统

所谓无线通信，是指用于传输信息的媒介为看不见、摸不着的介质。无线通信常见的形式有微波通信、移动通信、卫星通信、短波通信、散射通信和激光通信等。

无线通信原理是利用电磁波可以在空间自由传播的特性，通过调节电磁波的振幅、频率或相位来实现远距离信息传输。

1.微波通信

微波传输是无线通信的一种形式，微波通信源于20世纪50年代。所谓微波是一种具有极高频率的电磁波，通常为300MHz～300GHz，波长很短，通常为1mm～1m。微波具有类似光波的特性，在空间主要是直线传播，也可以从物体上得到反射。它不能像无线电的中波那样沿地球表面传播，因为地面会很快把它吸收掉。它也不能像短波那样，可以经电离层反射传播到地面上很远的地方，因为它会穿透电离层，进入宇宙空间，而不再返回地面。利用微波进行远距离通信的方式主要有以下三种，如图1-15所示。

（1）地面微波接力通信。由于微波信号直线传播，而地球的弧形表面限制了其在地面的远距离传播。为克服地形的阻挡，需每隔50km左右设置一个微波中继站（中继站之间的距离大致与塔高平方成正比），通过中继站进行“接力”传播。如图1-15所示，终端站A，通过地面中继站C、D、E、F、…，与另一终端站B进行通信。

（2）卫星通信。地球站G经通信卫星（空中微波中继站）与另一地球站H进行通信。它是微波接力通信向太空的延伸。

（3）对流层散射通信。终端站X发出的微波信号经对流层散射传到另一终端站Y进行通信。

地面微波接力通信具有容量大、建设费用低、抗灾能力强、可靠性高等优点，因而早已成为长距离、大容量地面无线通信的主要手段。当用于传输模拟信号时称为模拟微波，通常采用调频方法，可传几千路电话，还可以同时传输高质量的彩色电视。当用于传输数字信号时称为数字微波，采用多相的相移键控（PSK）或多电平的正交振幅调制（QAM），以压缩频带提高传输效率。因此，采用数字微波传输技术之后，其容量更大、可靠性更高，对现今的移动通信、全数字高清晰电视（HDTV）传输等起到了重要的作用。

2.卫星通信

在无线通信中，卫星通信是另一种重要的通信方式。人造地球卫星相当于一座设置于地球空间的中继站，它通常起转发器作用，将某一地球站发来的无线电信号转发到另一地球站，实现两个或多个地球站之间的通信。它是微波接力通信技术与空间技术相结合的产物。通信卫星工作的基本原理如图1-16（a）所示。从地面站1发出的无线电信号，被卫星通信天线接收后，首先在通信转发器中进行信号放大、变频和功率放大，然后由卫星的通信天线把放大后的信号再发向地面站2，从而实现两个地面站或多个地面站的远距离通信。

通信卫星的运行轨道有两种：一种是赤道上方高度约为35800km的同步定点轨道，卫星（地球同步卫星）的运行周期与地球自转一圈的周期相同，因此在地面上看这种卫星好似“静止”不动的。三颗同步定点轨道卫星几乎就可以覆盖地球的全部面积，可以进行24小时的全天候通信，如图1-16（b）所示。另一种是中轨道或低轨道，卫星运行周期小于地球自转一圈的周期，因此相对于地面是运动的，卫星天线覆盖的区域小，地面天线必须随时跟踪卫星。它的优点是高度仅是同步轨道的1/80～1/20，路径损耗低，传播时延时大大缩短，对于手执通信终端和语音通信非常有利。例如，摩托罗拉公司的一项计划：发射66颗低轨道卫星（高度750km）覆盖整个地球，利用直接与卫星通信的手持设备实现世界范围内的电信服务。

卫星通信其主要优点：通信距离远，且投资费用和通信距离无关；工作频带宽，通信容量大，适用于多种业务的传输；通信线路稳定可靠；通信质量高。但它的造价高（卫星本身，发射卫星的火箭）、技术复杂。此外，同步轨道卫星数目有限（天空中最多只能有180颗地球同步通信卫星），由于它距地球非常遥远，需要有较大口径的通信天线，同时，信号经远距离的传输会产生较大的延时效应。

目前，国际卫星通信系统绝大多数采用同步卫星通信。随着移动通信的快速发展，以实现全球个人通信为目标的低轨道小型卫星群技术和低轨移动通信系统应运而生。

1.3.6 移动通信系统

早期的通信形式多属于固定点之间的通信，随着人类社会的不断发展，信息传递日益频繁，移动通信正是因为具有信息交流方便、灵活和经济效益明显等优势，得到了迅速的发展。所谓移动通信，就是处于移动状态的对象之间的通信，包括寻呼系统、蜂窝移动电话、集群调度、无绳电话和卫星系统。

移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1897年，马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里。

现代移动通信技术的发展始于20世纪20年代，大致经历了五个发展阶段。

第一阶段从20世纪20年代至40年代，为现代移动通信的起步阶段。在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为2MHz，到20世纪40年代提高到30～40MHz。这一阶段的特点是专用系统开发，工作频率较低。

第二阶段从20世纪40年代中期至60年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会（FCC）的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时使用三个频道，间隔为120kHz，通信方式为单工（是指信息只能单方向传输），随后，德国、法国、英国等国相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式由人工完成，网的容量较小。

第三阶段从20世纪60年代中期至70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统，使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技术水平的B网。可以说，这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。

第四阶段从20世纪70年代中期至80年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1978年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网。所谓蜂窝状结构，即将整个网络服务区域划分为若干小区，每个小区分别设有一个（或多个）基站，用以负责本小区移动通信的联络和控制等功能。因此移动网络的覆盖区可以看成是由若干正六边形的无线小区相互邻接而构成的面状服务区。由于这种服务区的形状很像蜂窝，人们便将这种系统称为蜂窝式移动通信系统，与之相对应的网络称为蜂窝式网络。由于实现了频率再用，大大提高了系统容量，真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。1983年，首次在芝加哥投入商用。同年12月，在华盛顿也开始启用。之后，服务区域在美国逐渐扩大。到1985年3月已扩展到47个地区，约10万移动用户。其他工业化国家日本、德国、英国、法国、加拿大和瑞典等也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。而后随着集成电路和微处理器的快速发展，使移动通信系统开始大量地进入个人领域。

第五阶段从20世纪80年代中期开始。这是数字移动通信系统的发展和成熟时期。

以AMPS和TACS（全地址通信系统）为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统，使用频段为800/900MHz。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动设备复杂，终端机个头较大（俗称砖头块、大哥大），费用较贵，业务种类受限制及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务。实际上，早在20世纪70年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就已着手数字蜂窝移动通信系统的研究。随着数字传输、时分多址（TDMA）或码分多址等技术的采用，很快进入了第二代移动通信阶段，使用的频段也扩至1800MHz。目前我国和欧洲正在广泛使用的数字蜂窝移动通信系统（GSM）、码分多址蜂窝移动通信系统（CDMA），日本的JDC系统及美国的IS-95系统等都是第二代移动通信系统。

蜂窝移动通信系统主要由移动台、基站、移动电话交换中心三部分组成，如图1-17（a）所示。

◆移动台：是移动通信的终端，它是接收无线信号的接收机，包括手机、呼机、无绳电话等。

◆基站：是与移动台联系的一个固定收发机，它接收移动台的无线信号，每个基站负责与一个特定区域（10～20km的区域）的所有的移动台进行通信，每个基站的有效区域既相互分割，又彼此有所交叠，状如蜂窝，如图1-17（b）所示。

◆移动电话交换中心：与基站之间通过无线微波、电缆或光缆交换信息，移动电话交换中心再与公共电话网进行连接。

第三代移动通信技术（简称3G），其规范称为IMT-2000，是由国际电信联盟（ITU）提出的，是指在2000年左右开始商用并工作在2000MHz频段上的国际移动通信系统。它所要实现的目标如下。

（1）全球漫游：以低成本的多种模式的手机来实现。

（2）适应多种环境：将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起。

（3）提供高质量的多媒体业务：包括高质量的语音通信、数据通信和高分辨率的图像通信等。

（4）提供足够的信息容量，具有高保密性和优质的服务。

总之，未来移动通信系统将提供全球性优质服务，真正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务这一移动通信的最高目标。