1.1 通信的基本概念

人类是通过嘴巴、耳朵、眼睛等与对方进行信息交换的。但是当人们在相隔较远的地方时，如何进行信息交换呢？这就需要通信来实现。通信的基本任务是解决两地之间消息的传递和交换。例如，将地点A的信息传输到地点B，或者将地点A和地点B的信息双向传输。

实现通信的方式很多。例如，古代人们曾利用信物、烽火、金鼓、旗语等作为通信工具传递信息，现代人们利用电话、传真、电视、国际互联网等进行信息传递和交换。现代的通信是电通信方式，即利用电信号携带所要传递的信息，然后经过各种信道进行传输，达到通信的目的。由于电通信几乎能在任意的通信距离上实现迅速而又准确的信息传递，因而获得了飞速的发展和广泛的应用。

1.1.1 信号

信息要用某种物理方式表达出来，通常可以用声音、图像、文字、符号等来表达。由于它们一般不便于高效率、高可靠的远距离传输，因而往往需要将它们转换成更便于传输和处理的信号。因此，可以说信号是信息的载体，是信息的表现形式。一般讲的信号是指电信号，它的表达形式可以是电压、电流或电场等。对信号的描述可以有两种方法，即时域法和频域法。

时域法研究的是信号的电量（电压或电流等）随时间变化的情况，可以用观察波形的方法进行。例如，声音信号与时间t的关系可用一维函数f（t）来描述，如图1.1（a）所示。频域法研究的是信号的电量在频域中的分布情况，可用频谱分析仪观察信号的频谱，语音信号的频率范围大约为20～20000 Hz，如图1.1（b）所示，图中F（f）为f（t）的频谱函数。在语音中频谱越高能量就越小，所以在电话中只传送听清对方说话声的300～3400 Hz的部分。

电信号可以有多种分类方法。若以频率划分，可分为基带信号和频带信号；若以信号参数的状态划分，则可以分为模拟信号和数字信号。

1. 基带信号与频带信号

基带信号是指含有低频成分甚至直流成分的信号，通常原始信号都是基带信号。基带信号所占据的频带宽度相对于它的中心频率而言很宽，不适合于长距离传输，更不能进行无线电发送。如语音信号是一种典型的基带信号，它是由人的声音经过话筒转换而成的。

频带信号的中心频率较高，而带宽相对中心频率很窄，因此适合于在信道中传输。基带信号经过各种不同调制方法可以转换成频带信号。如调频广播电台的FM××MHz就是一个频带信号，它是将语音信号调制到××MHz的中心频率上，然后进行发射。如果接收机的频率与电台的频率相同，就能够接收到所发射的信号。

2. 模拟信号与数字信号

模拟信号是指电信号参量的取值随时间连续变化的信号。因此，模拟信号也叫连续信号，如图1.2所示。模拟信号电量可以有无限多个取值，如在1.1～1.2V之间的取值范围内，可以取1.1 V、1.11 V、1.111 V等无限多个数值。常见的模拟信号有语音信号、图像信号以及来自各种传感器的检测信号等。

数字信号与模拟信号相反，是指电信号参量的取值是离散的且只有有限个状态的信号。因此，数字信号也叫离散信号。如图1.3（a）所示是二进制数字信号，它只有两种取值，分别用0和1表示。当然也可以有多进制数字信号，如四进制、八进制等，如图1.3（b）所示就是四进制数字信号，分别用0、1、2、3表示四种取值。常见的数字信号有电报、传真、计算机数据等信号。

1.1.2 信道

信道是信号的传输媒质，它可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括明线、双绞线、同轴电缆和光纤等，而无线信道是由无形的空间构成，利用电波进行通信。

1. 有线信道

目前广泛使用的有线信道主要有双绞线、同轴电缆和光纤，它们的构造、特征及主要用途如表1.1所示。

双绞线构造简单且价格便宜，但传输损耗大，且随着频率升高双绞线间产生漏话现象。另外，不能对电磁波产生屏蔽，容易混入外部杂音。双绞线主要使用于100 kHz以下或数字信号10 Mb/s以下的信息传输，被广泛应用于电话端局和用户之间的连线，或低速局域网计算机之间连线。

一般高频率信号的传输和长距离的传输都使用同轴电缆。同轴电缆的频带要比双绞线宽得多，它的外部金属能屏蔽中心导体的电磁波，因而不容易混入杂音。由于这些特点，它被广泛用于数百兆赫兹的模拟信号传输，也可用于1 Gb/s的数字传输。因为电视的频段在91.25～900 MHz范围，所以有线电视（CATV）的分配电缆都采用同轴电缆。

光纤与双绞线、同轴电缆相比较，具有无可比拟的低损耗、传输频带宽、无电磁感应、不漏话且质轻、径细等极优良的性能。国际间、国内城市间长距离大容量的传输线路使用的同轴电缆很快被光纤替代了。伴随着制造光纤技术的日益提高，成本不断下降，甚至原来以双绞线、同轴电缆为主要传输线路的高层大楼、办公室等内部通信也开始使用光纤了。

2. 无线信道

无线信道是利用电波传输信号。电波是一种在空间传播的物质，是全世界共同拥有的资源和财产。电波是指频率在3000 GHz以下的电磁波，电磁波包括电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和g射线等，它们都是以光速3 ×108 m/s传播的，人们根据电波的波长对它进行命名，如图1.4所示。

电波是从天线发射出来的，不同的频率其天线的形状、尺寸也各不相同，并且电波传播方式也多种多样，主要传播方式有地表面波、直射波和电离层反射波。表1.2列出了电波的工作频段、传播方式及主要用途。

如图1.5所示是电波的各种传播路径。地球的表面是一个球面，绕地球表面进行传播的电波称地表面波，中波以下频段的电波主要以地表面波形式传播。电波发送端与接收端在视距范围内直接传播的方式称为直射波，超短波以上波段的电波主要以直射波为主。受地表面曲率的影响，直射波的传播范围一般不超过50 km。电离层反射波是指电波经过电离层反射到地面的电波，短波频段电波的电离层反射波最为明显。

1.1.3 信息的传输方式

信息的传输方式可以有以下几种分类：按照通过传输线路信息的形式不同可以将传输方式分为模拟传输和数字传输；按照传输方法可分为串行传输和并行传输；按照信号的流向可分为单工、半双工和全双工三种通信方式。

1.1.3.1 模拟传输和数字传输

根据信道中传送的是模拟信号还是数字信号，将通信传输方式分成模拟传输方式和数字传输方式。应当指出，模拟传输方式和数字传输方式是以信道传输信号的差异为标准的，而不是根据原始输出的信号来划分。若将原始输出的模拟信号经过模/数变换，成为数字信号，就可以用数字传输方式传送，在接收端再进行相反的数/模变换，即可还原出原始的模拟信号。

1.1.3.2 串行传输和并行传输

将多位二进制码的各位码在时间轴上排列成一行，在一条传输线路上一位一位地传输的方式称为串行传输方式。用数量等于二进制码的位数的多条传输线路同时传送多位码的传输方式称为并行传输方式。如图1.6所示是两种传输方式的示意图。

串行传输的通信成本低但速度慢，而并行传输的传输速度快但成本高。因此，在通信线路长即远距离传输时使用串行传输方式，而在短距离的计算机之间或计算机与外部设备（如打印机、显示器等）之间使用并行传输方式。

1.1.3.3 单工、半双工和全双工通信

1. 单工通信单

单工通信是指信息的流动方向始终固定为一个方向的通信方式。虽然能够逆向传输应答监视信号，但不能在反方向传输信息，如图1.7（a）所示。

例如，电视机、收音机只能接收信号，而不能反方向传送信号，它是一种类似于单行道路的通信方式。

2. 半双工通信

这是一种信息流动方向可以随时改变的通信方式，信息的流动方向有时是从A流向B，有时是从B流向A。但任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据，如图1.7（b）所示。由于传输方向不断交换，所以传输效率会有所下降。

例如，无线电收、发两用机和银行的联机系统都属于这种方式。它是一种类似于单向交互通行道路的通信方式。

3. 全双工通信

全双工通信是指可以同时向两个方向传输信息的通信方式，如图1.7（c）所示。这种通信方式可以相互交换大量的信息。虽然是同时双向传输信息，但不一定非要在两个方向上分别敷设传输线路，如将发送、接收的信号频率分离，引入频分复用技术就可实现双向通信。

例如，电话通信、宽带上网等都是属于这种通信方式。它是一种类似于双向通行道路的通信方式。

1.1.4 通信系统

1.1.4.1 通信系统的基本组成

信号的传递与处理由通信系统完成。通信系统的一般模型如图1.8所示，它包括信源、发送设备、信道、噪声源、接收设备和信宿六个部分。

模型中各个部分的功能如下。

1. 信源

信源即为信息的来源，它的作用是将原始信息转换为相应的电信号，即基带信号。常用的信源有电话机的话筒、摄像机等。

2. 发送设备

发送设备的功能是对基带信号进行各种变换和处理，比如放大、调制等，使其适合于在信道中传输。

3. 信道

信道即为发送设备和接收设备之间用于传输信号的媒介。

4. 接收设备

接收设备的功能与发送设备的相反，其作用是对接收信号进行必要的处理和变换，以便恢复出相应的基带信号。

5. 信宿

信宿指信息的接收者，它是与信源相对应的，其作用是将恢复出来的基带信号转换成相应的原始信息。常用的信宿有电话机的听筒、耳机、显示器等。

6. 噪声源

噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表现。

如果通信距离较远，还必须加上中继器，对被衰减的信号进行放大或再生，然后再传送。

1.1.4.2 模拟通信和数字通信

根据信道传输信号的差异，通信系统的分类如图1.9所示。

利用模拟基带信号传递信息的系统称模拟基带传输系统，如麦克风和放大器之间的信息传输。利用模拟频带信号传递信息的系统称模拟调制传输系统，如电视、广播等系统。利用数字基带信号传递信息的系统称数字基带传输系统，如计算机和周边设备（打印机等）之间的信息传输。利用数字频带信号传递信息的系统称数字调制传输系统，如高清晰度数字电视、GSM移动通信系统等。

信道中传输的是模拟基带信号或模拟频带信号的通信系统称为模拟通信系统。信道中传输的是数字基带信号或数字频带信号的通信系统称为数字通信系统。模拟通信系统仅使用模拟传输方式，而由于数字频带信号是模拟信号，因此数字通信系统既可以使用模拟传输方式又可使用数字传输方式。

目前无论是模拟通信还是数字通信都已获得广泛的应用，但近年来数字通信无论是在理论上还是技术上都有了突飞猛进的发展。与模拟通信相比，数字通信更能适应现代社会通信技术越来越高的要求。这是由于它本身具有一系列模拟通信无法比拟的特点。其主要优点如下：

（1）抗干扰能力强。在远距离通信中，中继器可以对数字信号波形进行整形、再生而消除噪声和失真的积累，但对模拟信号来说，中继器对传输信号放大的同时，对叠加在信号上的噪声和失真也进行了放大，如图1.10所示。此外还可以采用各种差错控制编码方法进一步改善传输质量。

（2）便于加密处理。在数字通信中易于采用复杂、非线性长周期的码序列对信号进行加密，从而使通信具有高强度的保密性。

（3）易于实现集成化，使通信设备体积小，功耗低。由于数字通信中大部分电路都是由数字电路来实现的，微电子技术的发展可使数字通信便于用大规模和超大规模集成电路来实现。

（4）利于采用时分复用实现多路通信。数字信号本身可以很容易用离散时间信号表示，在两个离散时间之间可以插入多路离散时间信号实现时分多路复用。

当然，数字通信系统的许多优点是用比模拟信号占用更宽的频带而换得的。以电话为例，一路模拟电话仅占用约4 kHz带宽，而一路数字电话却要占用20～64 kHz的带宽。不过，随着信道带宽很宽的数字微波、卫星和光纤通信等系统的利用以及数字频带压缩技术的发展，数字通信占用频带宽的问题将可以逐步获得解决。

1.1.4.3 通信系统的性能指标

衡量通信系统性能的优劣，最重要的是看它的有效性和可靠性。有效性指的是传输信息的效率，可靠性指的是接收信息的准确度。

有效性和可靠性这两个要求通常是矛盾的。提高有效性会降低可靠性，反之亦然。因此，在实际设计一个系统时，必须根据具体情况寻求适当的折中解决办法。

模拟通信系统和数字通信系统对这两个指标要求的具体内容有很大差别，因此分别予以介绍。

1. 模拟通信系统的质量指标

模拟通信系统的有效性用有效传输频带来度量。信道的传输频带越宽，则能够容纳的信息量就越大。例如，一路模拟电话占据4 kHz带宽，采用频分复用技术后，一对架空明线最多只能容纳12路模拟电话，而一对双绞线可以容纳120路，同轴电缆的通信量最大可达到10000路。显然同轴电缆的有效性指标比架空明线、双绞线好得多。

模拟通信的可靠性用接收端输出的信噪比来度量。信噪比指输出信号的平均功率 和输出噪声的平均功率之比，并用分贝值作为衡量的单位，即10 lgS/N（dB）。信噪比越大，通信质量越好。如普通电话要求信噪比在20 dB以上，电视图像则要求信噪比在40 dB以上。

2. 数字通信系统的质量指标

数字通信系统的有效性用信息速率来度量。它是指单位时间内传输的信息量（即二进制数字信号码元数），单位用b/s来表示。例如，无线短波最大信息速率只有几百到几千b/s，而光纤、卫星通信系统速率可达几百兆到几千兆b/s，甚至更高。因此可以说只有光纤、卫星等才能为信息高速公路建立传输平台。

数字通信系统的可靠性用误码率来度量。它是指接收错误的码元数与传输的总码元数之比，即

在有线或卫星传输信道中误码率可以达到10-7，而在无线短波信道内只能达到10 -3。

1.1.5 通信网

1.1.5.1 通信网的基本结构

多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网。一般通信网是按业务种类来分的，如通常所说的电话网、数据网及有线电视网等。实现业务通信网的基本网络结构主要有如图1.11所示的四种形式以及它们的组合。图中的小圆圈代表网络转接中心，小圆点代表用户终端（在网络中称为结点），连接线代表通信链路。

1. 网型网

见图1.11（a）所示。网型网最具代表性的是完全互连网，各结点之间直接以通信链路连接，通信建立过程中不需要任何形式的转换。这种结构的最大优点是接续质量高，网络的稳定性好。但当用户数量较大时，通信链路数将很大，因而网络投资费用很高。如果通信业务量不是很大的话，经济性会很差。

2. 星型网

见图1.11（b）所示。星型网中，各结点都通过转接中心进行连接，N个用户需要N条通信链路。与网型网相比节省许多通信链路，但它需要有转接设备。由于各用户之间的通信都要通过转接点，通信的接续质量和稳定性会受到一定的影响，尤其当转接设备发生故障时，可能会造成整个网内的通信瘫痪。

实用的星型网可以是多层次的，这种结构有时也称为树型结构，长途电话系统就采用这种结构。

3. 环型网

见图1.11（c）所示。环型网的拓扑结构为一封闭环形，各结点通过中继器接入网内，各中继器由点到点链路首尾连接，信号单向沿环路逐点传送。环型网的主要优点是通信链路短，初始安装比较容易，故障的诊断比较准确，十分适用于光纤传输介质。但其可靠性差，可扩充性和灵活性也较其他网络差。

4. 总线型网

见图1.11（d）所示。总线型网采用公共总线作为传输介质，各结点都通过相应的硬件接口连接到总线上，信号沿总线进行广播式传送。总线型网的主要优点是通信链路短，安装容易，可靠性高并易于扩充。但故障诊断和隔离困难，并且终端必须是智能的。

环型网和总线型网在计算机通信中应用较多，在这两种网中，一般传输的信息速率较高。它要求各结点或总线终端结点由较强的信息识别和处理能力。

1.1.5.2 通信网的基本构成

从通信网的基本结构可以看出，通信网主要由终端设备、通信链路和转接交换设备三部分构成。终端设备是通信网中的源点和终点，它除对应于一般通信系统模型中的信源和信宿外，还包括部分发送设备和接收设备。通信链路是网络结点的传输媒介，是信息的传输通道，它除对应于通信系统模型中的信道外，也还包括部分发送设备和接收设备。转接交换设备是现代通信网的核心，它的基本功能是完成接入交换结点链路的汇集、转接、接续和分配。目前广泛使用的转接交换设备有电话网中的电路交换和计算机网中的分组交换等。