第一章通信技术概论通信技术基础.docx
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第一章通信技术概论通信技术基础
第一章通信技术概论
现代社会已进入信息时代，信息的交流成为人们生活的重要内容。
通信技术是各种信息交流手段的综合，它集硬件和软件于一身，包括了信息传递技术、信号处理技术和网络技术等多个方面。
本章将介绍通信技术的基本知识和有关通信协议的基本概念，以帮助读者为学习后面各章建立基础。
1.1信号
在日常生活中，人们通过对话、书信、表演等多种形式进行思想的交流和现象的
描述，这些过程都可以称为消息（message）的传递。
消息中所包含的对接受者有意义
的内容称为信息（information）。
信息的多少用信息量表示。
信号（signal）是信息的表现形式，它可以是声音、图像、电压、电流或光等。
例如，当两个人进行面对面的谈话时，谈话的内容就是消息，其中有一部分对听者来说是有意义的，这部分称为信息，而声音的表现形式是声波，这个声波就是信号；如果这两个人是通过电话交谈，声音以电流的形式被传送到对方，这时信号的形式就是电流。
在各种形式的信号中，电信号由于具有传递速度快（接近于光速），传输距离远，能承载的信息量大，并且处理方便，因此成为通信信号的主要形式。
近年来，随着光纤的大量应用，光信号也越来越多地用于通信中。
这里主要讨论的是电信号，或者是由其它形式转换以后的电信号，如话音信号和图像信号。
电信号以其波形特征可分为两大类，一类是模拟信号，另一类是数字信号。
1.1.1模拟信号
自然界存在的信号大多是模拟信号，其主要的特征有两个，即时间上的连续与状态上的连续。
所谓时间上连续，指的是在任何时刻信号的电量（电压或电流）对信号都是有意义的，而状态上连续则是说明信号的电量可能是某一个有限范围内的任意值，具体反映在模拟信号经过传输后如果与传输前的信号不一致，信号所携带的信息就会部分丢失。
图1-1（a）是一个模拟的话音信号的波形。
如果该波形在ti时刻受到
干扰，如图1-1（b），则会在喇叭上发出异常的“咔嚓”声。
常见的模拟信号有话音信号、电视图像信号以及来自于各种传感器的检测信号等。
1.1.2数字信号
成图（C）的波形，仍然可以恢复成与发端一样的波形。
由于数字信号处理技术的发展，数字信号处理相对于模拟信号的处理具有电路体积小，功能强等许多模拟处理所不能比拟的优点，因此数字信号越来越多地被用于通信中。
模拟信号与数字信号是可以相互转换的。
模拟信号可以通过A/D转换变为数字信
号，而数字信号通过D/A转换又可以变为模拟信号，在通信中常见的A/D转换方式有
脉冲编码调制、增量调制以及在此基础上改进的各种方式。
1・1・3信道
信道（channel）是信号传递的媒介，信号要通过信道才能被传递到目的地。
信道可以分为有线信道和无线信道两大类，常用的有线信道有双绞线、同轴电缆和光导纤
维等信道，无线信道则是由无形的空间构成，信号以电磁波的形式在无线信道中传播。
信号在信道中传输时会受到信道传输特性的影响。
有些信道的传输特性基本上是不随时间变化的，称为恒参信道。
恒参信道对信号传输的影响相当于一个低通或带通滤波器，它会造成信号的衰减、延迟和线性失真。
也有一些信道其传输特性随时间作较快的变化，称为随参信道。
随参信道对信号传输的影响比较复杂，通常传输的质量也比较差。
另外，信号在信道传输过程中无一例外地会受到各种干扰的影响，导致混杂在信号中的噪声增加。
不同的信道对干扰的抵御能力是不同的，一般来说有线信道的干扰会小一些，而无线信道的干扰会大一些。
1双绞线电话信道
图1-3双绞线
所谓双绞线（twistedWire）就是一对绞合在一起的相互绝缘的导线，如图1-
3。
双绞线可以作为计算机主机之间的联接线路，或是用户电话机与端局交换机之间的通信线路，也称作为传输线。
双绞线
的带宽与线径及长度有关，一般几km距离内可达到几百kHz。
在低频传输时，双绞
线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆，但是超过1MHz时，同轴电缆比双绞线明显优
越。
为了线路的敷设方便，生产厂家将6~3600对双绞线封装在一个护套内形成电话线
缆。
相邻对线拧成的螺距不同，用以限制相互之间的串音（Crosstalk）。
2同轴电缆信道
同轴电缆（CoaxialCable）的频带宽度要比双绞线宽得多，其上限频率一般可达到几百MHz以
上，视线径和传输距离而定。
它的衰减与频率的平方根成正比，因此在远距离传输和宽带工作时仍需要用到均衡器。
同轴电缆目前主要用于本地网
（LAN）、有线电视（CATV）和海底电缆通信中。
同轴电缆由芯线、内衬层、屏蔽层和外护套构成，由于同轴电缆的特殊结构（图
1-4），电缆内部的信号不会泄漏到外部，同样外部的干扰也不会进入到线缆内部，因此同轴电缆信道有很好的保密性和抗干扰性。
光导纤维信道
1255。
图
光导纤维（OpticalFiber）是由高纯度的石英玻璃制成的，其直径约为
1-5是一种阶跃折射率型光导纤维的结构示意图。
它有两层，芯层是由较高折射率的材料制成，直径约50」m（多模光纤）或10」m（单模光纤），外包层材料的折射率较低，只要光的入射角足够小，光信号就能沿着芯层传播，并且在两层之间产生全反射。
电信号通过一个激光二极管或发光二极管转换成光信号后沿光纤传输，在接收端由光敏器件转换成电信号，就可以完成电信号的传输。
图1-5光导纤维结构图与光的传播原理
4无线信道
表1-1无线信道的工作频率和传播方式
名称
频率范围
波长范围
主要传播方式
用途
长波
30〜300kHz
1〜10km
地表面波
远距离通信、导航
中波
300〜3000kHz
0.1〜1km
地表面波
调幅广播、船舶通信、飞行通信
短波
3〜30MHz
10~100m
地表面波
电离层反射
调幅广播、
调幅与单边带通信
短
超波
30〜300MHz
1〜10m
直射波对流层散射
调频广播、调频广播与通信雷达与导航、移动通信
微波
300MHz
以上
1m以下
直射波
微波接力通信、卫星通信移动通信
1.2通信系统与通信网络
通信是将信号从一个地方向另一个地方传输的过程。
用于完成信号的传递与处理的系统称为通信系统（communicationsystem）。
现代通信要实现多个用户之间的相互连接，这种由多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网络（communication
network）。
通信网络以转接交换设备为核心，由通信链路将多个用户终端连接起来，在管理机构（包含各种通信与网络协议）的控制下实现网上各个用户之间的相互通信。
1.2.1通信系统的基本组成
图1-7是一个通信系统的基本构成框图。
从总体上看，通信系统包括五个组成部分：
1、信源；2、发送设备；3、接收设备；4、信宿；5、信道。
其中，信源与信宿统称为终端设备（TerminalEquipments），发送设备与接收设备统称为通信设备（CommunicationEquipments）。
信源将原始信号转换成电信号，也即基带信号，常见的信源有话筒、摄像机、计算机等；发送设备将该信号进行适当的处理，比如说进行放大、调制等，使其适合于在信道中传输。
信道是信号传递的通道，在这个通道中信号以电流、电磁波或光波的形式传播到接收端。
接收设备的作用是将收到的高频信号
（或光信号）经过放大、滤波选择和解调后恢复原来的基带信号。
信宿将来自于接收设备的基带信号恢复成原始信号，如果信源是话筒，要传输的信号是话音信号，则信宿就应是扬声器（或耳机），它将话音电信号转换成能为人耳所感觉的声音。
1信源
发送设备—
信道
接收设备
—
信宿
干扰
图1-7基本的通信系统组成
目前广泛使用的信道主要有双绞线（电话线）、同轴电缆、光导纤维和无线信道。
这些信道有各自的传输特性，因此发送设备必须对来自信源的基带信号进行处理，使之适合在信道中传输。
例如，话音信号在本地电话网的双绞线中传输时，可以不经过调制，因为本地电话网的双绞线的传输频率范围在300Hz〜3400Hz，电话信号
可以直接通过，但在传输计算机数据时，则需要对计算机数据进行调制，使已调信号的频率范围限制在300Hz〜3400Hz;在进行无线电通信时，话音信号难以直接变成电磁波向空间辐射，因此发送设备要将话音信号进行高频载波调制，其输出端接高频天线，它能将高频电信号转换成电磁波而有效地向空间辐射。
如果传输信道是光导纤维，则发送设备就必须将基带信号转换成光信号。
一般来说，信源的输出与信宿的输入是相同的，两个终端的设备也是对应的，例如，发端如果是话筒，则收端就是喇叭或耳机；发端是摄像机，则收端是显示器；发端是计算机，则收端也是计算机。
发送设备与信源、接收设备与信宿往往是合二为一。
在双向通信时，终端设备中既有信源又有信宿，如计算机既可以产生信号，又可以接收信号。
通信设备中既有发送设备又有接收设备，如调制解调器，它对要发送的信号进行调制，又对接收的信号进行解调。
更为典型的一个例子是无线电话机（手机），在一个机壳内集成了收发设备和终端设备。
图1-8是一个双向通信系统的组成框图。
通信链路
图1-8双向通信系统组成
从通信网络的角度看，通信设备A、信道和通信设备B构成了连接终端设备A与
终端设备B的通道，这条通道也被称为链路（Link）。
对于数字通信系统来说，它的信源往往包含有信源编码、差错控制编码和信道编码三个主要部分，发送设备一般会有调制、放大、变频等电路①，其中的调制采用的是
FSK、PSK或QAM等数字调制，相应地在接信宿中有信源解码、差错控制解码和信道解码，而接收设备中包含了数字信号检测和数字解调电路（图1-9）。
发射设备接收设备
图1-9数字通信系统基本构成
1.2.2数据通信系统
数据通信是在计算机或其它数据终端之间发生的存储、处理、传输和交换数字化编码信息的通信技术。
数据通信系统有两种类型，一种是模拟数据通信系统，另一种是数字数据通信系统。
“数据”一词表明信息的类型，“数字”一词表明信息传递与处理的方式。
数据信号可以以模拟的方式进行通信，也可以以数字的方式进行通信。
计算机数据用一个调制解调器在电话网中传输是数据信号的模拟传输，而在校园网
中，计算机数据都是以数字方式传输，相应的传输系统称为数字数据通信系统。
一个简单的从A地到B地的数据通信系统的构成如图1-10。
从A点到B点的通
信系统可以分为以下七个部分：
图1-10数据通信系统的构成
CRT、打印机、个人计算机
A点的数据终端设备DTE；
A点的DTE与数据通信设备DCE之间的接口；
A点的DCE；
A点与B点的数据传输通道；
B点的DCE；
B点的DTE与数据通信设备DCE之间的接口；
B点的数据终端设备DTE。
数据终端设备（DTE）是数据通信系统中的终端设备或终端系统，是一个数据
源、数据宿或两者兼而有之，常见的有微型计算机、打印机、传真机等。
DTE通常只
能进行短距离的通信，通信能力很有限，但它有较强的数据功能，包括：
与DCE的连
接以实现数据的收和发、串行与并行的转换、数据线路的控制、与新连接的数据网相
对应的网络功能以及为在两端的DTE之间进行数据连接所必须的其它各功能。
DTE
可以是一台单独的设备，也可以是由两台以上的设备组成。
数据通信设备（DCE）具有将数据以模拟或数字方式在通信网络中传输的功能。
在发送端，DCE接收来自于DTE的串行或并行数据，并将它转换成适合于信道传输特性的信号送入信道；在接收端，DCE接收来自信道的信号并将其转换成串行或并行
的数据流送给DTE。
DCE的主要作用是实现信号的变换与编解码。
它将来自DTE的
信号进行变换使之变成适合信道传输的线路码，并通过编码使之具有抗干扰能力，在有些系统中DCE还要对信号进行调制，使信号能在具有带通特性的信道中传输；信号到达接收端后，接收端的DCE要对收到的信号进行相反的变换与解码。
DCE还有向
DTE传送时钟信号的功能及其它功能。
Modem是一种DCE，常用的调制方式是
FSK、PSK或QAM。
数字基带传输系统例外。
如果连接DTE和DCE的电缆与信号电平与标准要求略有不同，会使连接困难。
EIA制定了RS232C作为DTE和Modem之间的标准接口。
对分组交换数据网来说，DCE在功能上还包括与用户相连的分组交换结点。
在物理结构上，DCE可以是一台单独的设备，也可以与DTE合二为一，如传真机
等。
在计算机网络中，计算机就是一种DTE，而DCE则可能是以网卡的形式安装在
计算机的扩展槽中。
现有的DTE/DCE接口标准有多个，虽然它们的方案有所不同，每个标准都提供
了连接的机械、电气及功能参数。
EIA的有关标准是EIA-232、EIA-442和EIA-449，
ITU-T的相关标准有V系列和X系列。
1・2・3通信网络拓朴结构
基本的通信系统用来解决两点之间的通信。
实际上，许多通信业务发生在多点之间，例如，一个电话用户可以通过拨号与多个用户通话，银行内部的数据通信要求将一个城市内各支行的计算机连接到主计算机上。
可用于多点之间通信的系统称为通信网络。
通信网络以用户终端、网络转接点（称为节点）和基本的通信系统（在网络中称为链路）为基本元素，以一定的拓朴结构和转接方式进行有机连接，实现一个用户可以与网上任一其它用户通信的目的。
目前较为常见的通信网络结构主要有网型网、星型网、总线网和环型网以及它们的复合型网。
1网型网
图1-11网型网拓朴结构
网型网（mesh）也称为完全互连网，各个用户终端之间直接以通信链路连接，如图1-11，通信建立过程中不需要任何形式的转接。
这种结构的最大优点是接续质量高，网路的稳定性好。
但由于需要有很多的通信链路，当用户数量大、通信线路长时网络投资费用很高，如果通信业务量不是很大的话经济性很差。
2星型网
星型网（star）中，各用户终端都通过转接中心进行连接，如图1-12。
N个用户需
要有N个通信链路，与网型网相比节省许多通信链路，但它需要有转接设备，一般是当链路的总费用高于转接设备的费用时才采用这种网路结构。
由于各用户之间的通信
都要通过转接点，通信的质量和可靠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。
图1-12星型网拓朴结构
3环型网
环型（ring）网的拓扑结构为一封闭环形，各结点通过DCE（在这里起到中继器的作
用）连入网内，如图1-13，各DCE间由点到点链路首尾连接，信息单向沿环路逐点
传送，每个终端提取或插入自己的信息。
环型网的特点是传输线路短，初始安装比较容易，故障的诊断比较准确，适于用光纤进行各终端的连接。
但其可靠性较差，当一个单元出现故障时，整个系统就会瘫痪。
环型网的可扩展性和灵活性也较其它网络差。
图1-13环型网拓朴结构
4总线型网
图1-14总线型网拓朴结构
总线型（bus）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直接连
向总线，信号沿介质进行广播式传送，如图1-14。
由于总线结构共享无源总线，通信
处理为分布式控制，每一个用户的入网结点都具有通信处理智能，能执行介质访问控制协议。
总线型网的主要优点是安装容易，可靠性高，新增终端只要就近接入总线即可，但由于采用分布式控制，不易管理，故障诊断和隔离比较困难。
5复合网
6
图1-15复合型网络拓朴结构
常见的复合网的一种是由星型网和网型网复合而成，它是以星型网为基础并在通信量较大的区间构成网型网结构，如图1-15。
这种网路结构兼取了前述两种网路的优点，比较经济合理且有一定的可靠性，因此在一些大型的通信网络中应用较广。
环型网和总线型网在计算机通信网中应用较多，在这种网中一般传输的信息速率较高，它要求各节点或总线终端节点有较强的信息识别和处理能力。
1・2・4通信网络的转接方式
通信网以转接方式划分可以被分为广播网络、交换网络或混合终端网络。
在广播网络中，由一个终端设备发送的信号自动地被所有其它终端设备接收，典型的例子是有线电视网，由电视台发送的节目可以被所有连在网上的用户接收。
在交换网中，信号要通过中间网点（称为交换站）才能到达目的地，公共交换电话网（PSTN）就是
种交换网，网上的一个用户要与另一个用户进行通话时必须通过交换机进行转接。
混
合终端网络由上述两种类型的网络混合构成，在混合终端网络中有时（但不总是这样）信号需要通过交换才能到达它们的目的地。
1.2.5信号交换通信网络上的各个用户之间进行通信时，由网上的交换设备根据用户的要求选择通信对象，这就是信号的交换。
信号交换在通信网中可以分为三种主要类型：
线路交换、报文交换和分组交换。
在电话网络上的通话目前采用的是线路交换，网上的交换设备根据用户的拨号建立一条确定的路径，并且在通信期间保持这条路径，从被呼用户摘机建立通话开始到一方挂机为止，这条线路一直为该用户所占用。
线路交换的很大一个优点是实时性好，虽然从源点（主呼）到目的地（被呼）的呼叫建立需要一定的时间，但一旦线路建立，信号在传递过程中几乎没有延时，因而很适合于实时通信，但这种交换方式线路的利用率比较低，因为通话期间不论有无信号线路不能另作它用。
报文交换和分组交换是一种存储与转发的交换方式，很适合于数据通信。
在报文交换中，报文沿一条路径从一个节点发送到下一个节点，整条报文在每一个节点被接收、存储，然后发向下一个节点。
如果其中的某一段链路没有空闲，则它可以在这段链路的上一个节点中等待。
报文交换不需要呼叫建立过程，它是靠报文中的信息头来进行识别和传送，报文的全部内容被送到一个节点后，该节点根据报头指示的目的地与下一个节点之间建立通道，然后再发送至下一个节点。
分组交换与报文交换的区别是它将报文信息分成一系列有限长的数据包，并且每个数据包都有地址，而且序号相连。
这些组成报文的数据包各自独立地经过可能不同的路径到达它们的目的地，然后按照序号重新排列，恢复报文。
分组交换可以被分成两类基本技术：
虚拟线路和数据报。
虚拟线路类似于传统的线路交换。
首先由源发出一个呼叫请求包到第一个节点A，节点A继续把它传送到第
二个节点B，最后传到目的地。
目的地将呼叫应答包发送回源。
因此，通过这一阶段，在数据传送之前建立起一条虚拟的线路，但这条线路仅仅是一种逻辑上的连接，路径并非只确定给这个连接，其它用户的分组数据也可以通过这个路径传输，而且每一个分组仍要被存储于各个节点。
在数据报交换中，没有呼叫请求包和应答包，也不需要预先在源和目的地之间建立一条路线。
每个分组数据包的报头包含了分组的最终目的地及其在报文中的位置。
与虚拟电路的数据分组包报头不同的是，它不包含路径的信息。
当分组数据包通过网络移动时，每一个节点将做出路由选择。
每一个节点读取数据分组报头的目的地信息，并在那一刻选择可获得的最佳路径，然后将分组发向下一个节点。
在最后一个节点，分组被存储，直到所有构成报文的其它的分组都到达并重新按报头指示的顺序排列起来。
异步转移模式（ATM）是近年来出现的一种新的交换方式，它是电路交换技术与分组交换技术的结合，能最大限度地发挥电路交换与分组交换的优点，使ATM技术
能具备从实时的语音信号到高清晰度电视图象等各种业务的高速综合传输。
ATM的基
本概念是由信元进行统一的信息转移，即ATM是把数字化的语音、数据、图象等信息分解成固定长度的数据块，通常称为信元，在各信元中添上写有地址的信元字头即可送网路传输。
为提高传输效率，在传输过程中还需引入统计复用的链路分配传输方式。
1.3标准与标准化组织
通信网络是为大量不同用户的服务设计的。
这些用户拥有从很多售主处买来的设
备。
为了有效地设计这标准化的网络，有必要建立一个标准（Standard），以便获得
（软件方面的）相互操作性、兼容性以及在成本效果合算的方式下所要求的性能。
在通信网络中，各终端设备之间进行通信时必须进行协调，比如，通信的双方不能同时向对方发送信息、发送信号的码元速度应与接收的速度相同等。
因此在网络内部或网络之间要有一个协议（Protocol）。
当一个通信网络与其它的通信网络互连的时候，由于清楚地定义了网络的接口，保持网络的功能，以及获得用户所希望的服务等方面的需要，因此标准就更具有决定性。
为了获得全世界范围的实时连接，必须实行接口的标准化。
缺少标准的状况和现有接口的快速增长的现象，常常给网络的提供者、设备制造商以及终端用户造成了很大的压力。
因此，标准化的目的就是要达到这种必要性或在设计和操作时所希望达成的一致性，这种一致性使得网络无论对提供者还是对用户都能实现适当的功能。
标准化范围可以是非常大的，它们可以是一个公司内部的，或可以适用于整个国家，一个地区或全世界。
而标准与协议的制定则是由各种标准化组织进行。
1.3.1协议与标准
1协议
协议是管理数据通信所有各方面的一系列规则。
协议的核心内容是语法、语义及定时。
（1）语法
语法（syntax）是指数据的结构或格式，反映数据的顺序。
例如，一个简单的协议
可以表述第一个8bit数据作为发终端的地址，第二个8bit作为接收终端的地址，其余部分数据流则是信息本身。
（2）语义
语义（semantics）是指比特流每一部分的含义。
表述如何去解释一组数据，并且根据这个解释执行功能，例如指示根据地址选择路由或消息的最终目的地。
（3）定时
定时（timing）表达两个特征，数据发送的时间和速度。
例如，一个发终端产生100Mbps的数据但接收终端只能接收1Mbps，传输就会过载且大量的数据会丢失。
2标准
一个生产厂家可以使其所有产品很好地一起工作，但如果一个系统中包含有多家厂家的产品，没有一个标准，这些产品就很难在一起很好地工作。
标准是产生与维护开放与竞争的设备生产市场的基础，标准的制定有利于国际国内数据与电信技术的发展与进步。
它为生产厂家、供应商、政府机构以及其它业务提供商提供了指导。
数据通信标准有两类，一是基于事实，二是基于规则。
基于规则标准是指已被官方认可的各种标准。
虽未被官方承认，但已被普遍采用的称为基于事实标准。
基于事实标准通常有是由为新产品或新技术定义功能的企业制定的。
基于事实的标准又可分为两类，一类是有所有权的，称为授权标准，另一类是没有所有权的，称为无权标准。
授权标准是由原发明的商业组织作为一个自己产品的操作基础而制定的，“有权”意味着发明这个标准的公司完全拥有。
这些标准也被称为封闭标准，因为他们关闭了不同供应商提供的系统之间的联系。
无权标准是由专业组或委员会制定的。
1.3.2标准化组织
开放标准由一些与企业或利益无关的组织制定。
这些组织可以有几种形式，但共同的特点或是由感兴趣的生产厂家合作产生，或是一个政府机构。
用于全球通信的标准通常由全球性的机构制定，有时也可能是借用了已有的有归属权的标准，但这些标准先前没有使用记录。
1国际电信联盟
国际电信联盟（ITU）是联合国负责电信业务的专门机构。
ITU的起源可以追溯到1865年.它的
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