3.2 模拟传输系统

模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号，以适应各类不同传输介质的传送。图3-2的4种数据转换方式的特点如下：

（1）模拟数据→模拟信号。它是早期的电话传输系统。

（2）模拟数据→数字信号。它可以使用数字传输和数字交换设备。

（3）数字数据→模拟信号：它是为适应有些传输媒体只适合于模拟信号传输，或为了提高数字数据的传输速率。

（4）数字数据→数字信号。它的调制设备可简单些，而且可容纳更多的信道复用。

3.2.1 频分复用技术

频分复用技术（Frequency Division Multiplexing，FDM）是模拟传输系统为解决在一条传输线路上能够同时传送多路信号而采用的技术处理方法，常用于电话、广播和有线电视信号的传输。

FDM采用频谱搬移的方法，把需传送的各种信号（模拟的或数字的）对不同频率的高频模拟载波（正弦波）进行调制，调制后的各频道的信号频谱在频率轴上将会按规定的频道间距相互隔开而不会相互重叠。接收端解调时只要使用相对应的带通滤波器把各频道的信号分别过滤出来就可以了。

频分复用技术最初用来把许多路电话信号合并在一个通道上传输。每一路电话需要300～3000Hz的频谱带宽，双绞线缆的可用带宽是100kHz，因此在同一根双绞线缆上采用频分复用技术后，可同时传输多达24路电话。图3-4是频分复用技术（FDM）在电话通信中的应用。

图3-4中的第一个滤波器为0～4kHz低通滤波器，它只能让0～4kHz的话音频谱通过，阻止4kHz以上的频率进入系统。第二个滤波器是经载频调制后采用的带通滤波器，它的作用是只能让该通道调制后的有用频谱通过，阻止有用频谱之外的其他频率成分通过。多路复用器是把各路不同载波频率的调制频谱合成在一起，作为一路信号加载于一条传输线路上同时传送。

图3-4 频分复用技术（FDM）在电话通信中的应用

如果传输媒体是无线系统，为适应无线电波发送的需要，在多路复用器之后还需对合成信号进行频率更高的射频（RF）调制。为便于区别前后两种调制，前面那个调制称为副载频调制，在复用器之后对更高载波频率的调制称为射频（载频）调制，如图3-4所示。

频分复用技术（FDM）可容纳的最大复用信道数量N与传输媒体（传输线路）的带宽和每路信号的频谱宽度的关系如下：

N=（传输媒体的带宽B-信道间的隔离频带宽度△B）÷每路信号的频谱宽度（3-3）

FDM频分复用技术，在一条光缆通信线路上最多可同时传送1800路以上的电话信号或图像信号、计算机信号。

频分复用技术（FDM）系统结构简单，在长途干线通信中采用放大器（中继器）可补偿信号的传播衰减。此系统在广播电视（包括卫星电视）、CATV电缆电视和数字数据传输中获得较多应用。

3.2.2 波分复用技术

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）就是用光波传输的频分复用。频分复用系统要求模拟传输系统的带宽应大于（或至少等于）频分复用系统的全部信号频率范围。例如，每路话音通道的带宽为4kHz（传送音乐节目信号，至少需用10kHz以上的带宽），如果同时要复用传输1000路电话，那么频率复用系统占有的总带宽为4kHz×1000路=4MHz。如果需要双向传送，总带宽还要加倍，变为8MHz。三类双绞线传输系统的最高可用带宽为100kHz，无法胜任。单模光缆传输系统的可用带宽可达10GHz以上（1GHz=1000MHz=1000000kHz）。

由于光载波的频率很高，习惯上用波长而不用频率表示光载波，这样就形成了（光）波复用技术。最初，人们在一根光缆上只能复用两路光载波信号，并称为波分复用（WDM）。随着技术的发展，在一根光缆上复用的路数越来越多。现在能做到在一根光缆上复用80路或更多路数的高频光载波信号，每路高频光载波还可复用800路以上话音信道，可见容量之大。此外，还可使用密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）。图3-5是波分复用的概念。

图3-5 波分复用

发送端的复用器实际上是一个合波器，将工作在不同波长上的光发射机发射的光载波信号合在一起，再通过同一根光缆传送到接收端的分用器。接收端分用器（或称分波器）将不同波长的光载波信号分开，然后分别将它们送到相应波长的光接收机，光接收机对各自收到的光信号做进一步处理。光信号传播一定距离后会衰减。现在已有了性能很好的光纤放大器（Erbium Doped Fi-ber Amplifier，EDFA），不需进行光电转换而直接对光信号进行放大，在1550nm波长附近有42GHz的频带宽度，最高可达40～50dB的增益。两个光缆放大器之间的线路长度可达120km。

复用器（合波器）、分用器（分波器）、双向光缆通信的光耦合器和光纤放大器等是波分复用通信系统的关键产品部件。

3.2.3 调制解调器

计算机数据信号（统称基带信号）通过模拟传输系统传输时，在接收端收到的基带信号与发送端的信号波形会产生畸变，如图3-6所示。其原因是：

图3-6 基带信号（数据信号）经电话线路传输后产生的误码

（1）电话线路的通带宽度一般仅为300～3400Hz，而基带信号的频谱范围要比线路的通带大很多，因此基带信号中很多频率成分无法通过，造成波形失真。

（2）在电话线路能通过的各频率成分中，各频率的传输衰减和传输延时也会有些差异，造成波形失真。

（3）线路中的各种噪声和外界电磁干扰，使信号产生失真。

当然这些因素在传送模拟信号（话音）时也是存在的。但是，由于模拟话音信号的频谱仅为300～3400Hz，话音信号包含的频率成分全部都能通过；各频率的传输延时和衰减的不一致性很小（因为包含的频率范围不大），因此通信质量还是能保证的。

在数据通信中，接收端一般是在每个发送比特（bit）的中间位置产生一个取样时刻，并在此取样时刻对收到的信号进行0或1的判决。当失真或干扰严重时，就会出现差错，即产生误码。传送速率越高，判决的出错概率越大。解决的方法是采用差错检测和纠错技术。

解决上述第（1）、（2）项因素产生的失真，是把数据信号用模拟信号进行调制，把受数据信号调制的模拟信号的带宽限制在300～3400Hz范围内，执行此任务的装置称为调制解调器（Modula-tor-Demodulator，Modem），中文俗称为“猫”。

调制的作用是波形变换，更确切地说，是进行频谱变换。变换后的模拟信号仍然携带原来数据信号（基带信号）的全部信息。只是经过变换后成为适合于模拟信道传输的频谱。最基本的二进制数字信号调制方法有图3-7所示的3种：

（1）振幅键控（ASK），即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0对应的是无载波输出；而1对应的是有载波输出。

（2）频移键控（FSK），即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应的频率是f₁，而1对应的频率是f₂。

（3）相移键控（PSK），即载波的初始相位随基带数字信号而改变。例如，0对应于相位0°，而1对应于相位180°。

图3-7 基带数据信号的几种调制方法

a）振幅键控法 b）频移键控法 c）相移键控法

上述数据信号对载频的调幅、调频和调相，分别称为振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。移相键控还可再分为绝对移相键控（HPSK）和相对移相键控（DPSK），即0对应的相位变化，而1对应于相位不变化。DPSK具有更高的抗干扰性能。

如果把振幅调制（ASK）和相位调制（PSK）或频率调制FSK混合在一起，就形成一个正交调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）。正交调制传送1个码元（0或1）可以传送4bit的信息量，因此，由FSK或PSK组成的QAM正交调制可增加4倍的信息传输率。

解调器的作用是把变换成的模拟信号，恢复成原来的数据信号。解调器如果识别不正确，则会产生误码。所以在调制解调器中还要有差错检测和误码纠正的技术措施，防止信号传输中的噪声和电磁干扰产生的误码。

由于计算机之间的通信都是双向通信，所以一个调制解调器包括了发送用的调制器和接收用的解调器，通常都把调制器和解调器合在一起，构成调制解调器，简称Modem/猫。

近20年来，调制解调器的传输速率获得迅速提高。从20世纪80年代的300bit/s的低速率调制解调器，发展到几年前的33.6kbit/s（符合ITU-TV.34通信标准）和56kbit/s（符合ITU-T V.90通信标准）的水平。对于3.1kHz标准带宽的电话通信来说，56kbit/s调制解调器的信息传输速率已达到香农信息容量的理论极限值了。进一步提高信息传输速率的途径是提高信道的信号噪声比。