第2章通信子網(wǎng)的基本技術(shù)（第一講）2.1物理傳輸媒體2.1.1雙絞線

有線媒體：雙絞線、同軸電纜和光纖

無(wú)線媒體：衛(wèi)星、無(wú)線電通信、紅外通信、激光通信以及微波通信

雙絞線：因由兩根絕緣的銅線互絞在一起構(gòu)成而得名，如下圖所示。

雙絞線有非屏蔽的和屏蔽的兩種。2.1.2同軸電纜同軸電纜（coaxialcable）：也像雙絞線那樣由一對(duì)導(dǎo)體組成，但它們是按“同軸”的形式構(gòu)成線對(duì)，其結(jié)構(gòu)如下圖中所示。

同軸電纜又分為基帶（baseband）同軸電纜（阻抗50Ω）和寬帶（broadband）同軸電纜（阻抗為75Ω〕。

同軸電纜還有粗和細(xì)的之分。

2.1.3光纖光纖：是一根很細(xì)的可傳導(dǎo)光線的纖維媒體，其半徑僅幾微米至一、二百微米。制造光纖的材料可以是超純硅、合成玻璃或塑料。

用光纖傳輸電信號(hào)時(shí)，在發(fā)送端先要將其轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，而在接收端又要由光檢測(cè)器還原成電信號(hào)，如下圖所示。蜂窩式無(wú)線電話網(wǎng)

微波（microwave）通信通常是指利用在1GHz范圍內(nèi)的電波來(lái)進(jìn)行通信。高頻的微波和低頻的無(wú)線電波不同的一個(gè)重要特性是沿著直線傳播，而不是向各個(gè)方向擴(kuò)散的。紅外（infrared）通信是利用紅外線進(jìn)行的通信，已廣泛應(yīng)用于短距離的通信。

利用激光（laser）能不通過(guò)有形的光導(dǎo)體直接在空中傳輸，并能在很長(zhǎng)的距離內(nèi)保持聚焦，即定向，的特點(diǎn)，也可用作為物理傳輸媒體。

衛(wèi)星（satellite）通信可以看成是一種特殊的微波通信，和一般地面微波通信的不同在于它使用地球同步衛(wèi)星作為中繼站來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)微波信號(hào)，如下圖所示。

衛(wèi)星通信

衛(wèi)星主要有三個(gè)波段：C波段、Ku波段和Ka波段。

衛(wèi)星通信的新發(fā)展是低成本的微型地面站的出現(xiàn)，這種系統(tǒng)有時(shí)被稱為甚小口徑終端VSAT（VerySmallApertureTerminal）系統(tǒng)。

VSAT系統(tǒng)中利用了下述操作方式：在衛(wèi)星通信中，只要地面發(fā)送方或接收方中任一方有大的天線和大功率的放大器，另一方可用只有一米天線的微型終端，即VSAT。在該系統(tǒng)中，通常兩個(gè)VAST終端之間無(wú)法通過(guò)衛(wèi)星直接通信，還必須再經(jīng)過(guò)一個(gè)帶有大天線和大功率放大器的中心站來(lái)轉(zhuǎn)接，如下圖所示。

使用中心站的VSAT

電磁波的頻譜及在通信中作用

2.2傳輸技術(shù)

2.2.1數(shù)據(jù)通信中的若干技術(shù)參數(shù)

一般點(diǎn)到點(diǎn)的通信系統(tǒng)都可由下圖加以概括：通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)可分為連續(xù)變化和離散變化兩大類。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)

按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可以相應(yīng)地把信道分為兩類：模擬信道和數(shù)字信道。

數(shù)據(jù)通信，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是數(shù)字計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字終端裝置之間的通信。

通過(guò)模擬信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信

因?yàn)槿魏螌?shí)際的模擬信道所能通過(guò)的信號(hào)的頻率都有一定的范圍，稱之為該信道通頻帶的寬度或稱為帶寬（bandwidth）。信道的帶寬是由傳輸媒體和有關(guān)的附加設(shè)備與電路的頻率特性綜合決定的。

我們將介紹模擬信道的帶寬和它所傳送的數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)速率之間的關(guān)系，奈奎斯特公式和香農(nóng)公式。

奈奎斯特公式給出了無(wú)熱噪聲（熱噪聲是指由于信道中分子熱運(yùn)動(dòng)引起的噪聲，這里假定沒(méi)有熱噪聲）時(shí)信道帶寬對(duì)最大數(shù)據(jù)速率的限制，具體為：這里，H是信道的帶寬（以Hz為單位），而L表示某給定時(shí)刻數(shù)字信號(hào)可能取的離散值的個(gè)數(shù)。

香農(nóng)則進(jìn)一步研究了受噪聲（服從高斯分布）干擾的信道的情況，給出了香農(nóng)公式：

這里，S表示信號(hào)功率，N為噪聲功率，S/N則為信噪比。

碼元速率指的是每秒信號(hào)狀態(tài)變化的次數(shù)，以波特（Baud）作為單位。由于某給定時(shí)刻信號(hào)可能取的離散值的個(gè)數(shù)（奈奎斯特公式中的L）對(duì)各個(gè)系統(tǒng)可以不一樣，碼元速率B和數(shù)據(jù)速率C在數(shù)值上是不一定相等的。但是，它們間有如下關(guān)系：下面我們來(lái)說(shuō)明兩種不同的傳輸方式：模擬傳輸與數(shù)字傳輸。模擬傳輸是一種不考慮其內(nèi)容的模擬信號(hào)傳輸方式。數(shù)字傳輸則不一樣，關(guān)心的是信號(hào)的內(nèi)容。在長(zhǎng)距離傳輸中數(shù)字傳輸技術(shù)已逐步取代早先的模擬傳輸技術(shù)。2.2.2數(shù)字調(diào)制技術(shù)由信源產(chǎn)生的原始電信號(hào)通常稱為基帶信號(hào)，在調(diào)制過(guò)程中，基帶信號(hào)又稱為調(diào)制信號(hào)（實(shí)際上是被調(diào)制的信號(hào)）。調(diào)制的過(guò)程就是按調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)的過(guò)程。

調(diào)制的方法大體上分為兩大類：用正弦型高頻信號(hào)作為載波的正弦波調(diào)制和用脈沖串作為載波的脈沖調(diào)制。正弦波調(diào)制又分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。所謂模擬調(diào)制，就是調(diào)制信號(hào)為連續(xù)型的正弦波調(diào)制，而數(shù)字調(diào)制則是調(diào)制信號(hào)為數(shù)字型的正弦波調(diào)制。正弦振蕩的載波可用Asin(2nft+Φ)來(lái)表示，使其幅度A、頻率f或相位Φ隨基帶信號(hào)變化而變化，就可在載波上進(jìn)行調(diào)制了。這三者分別成為幅度調(diào)制(AmplitudeModulation)、頻率調(diào)制(FrequencyModulation)或相位調(diào)制(PhaseModulation)，亦可分別簡(jiǎn)稱為調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM)。所謂全雙工，就是指數(shù)據(jù)可以同時(shí)在兩個(gè)方向傳輸。下圖介紹的是貝爾公司的108系列調(diào)頻方式的調(diào)制解調(diào)器的規(guī)范。

話頻線路上的全雙工FM傳輸

在數(shù)字調(diào)制中，可以利用數(shù)字信號(hào)離散取值的特點(diǎn)，由數(shù)字電路的開(kāi)關(guān)，象撥鍵一樣來(lái)控制振幅、頻率或相位的變化。因而在數(shù)據(jù)通信中調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相常相應(yīng)地稱為幅移鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying)、頻移鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)和相移鍵控PSK(PhaseShiftKeying)。下圖給出了用數(shù)字電路開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制的原理圖。

FSK調(diào)制原理圖

2.2.3脈碼調(diào)制在發(fā)送端將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的裝置稱為編碼器（Coder），而在接收端將收到的數(shù)字信號(hào)復(fù)原成模擬信號(hào)的裝置則稱為解碼器(Decoder)。通常進(jìn)行的是雙向通信，使用既能編碼又能解碼的裝置，即編碼解碼器（Codec）。模擬信號(hào)通過(guò)編碼解碼器進(jìn)行數(shù)字傳輸?shù)墓ぷ鬟^(guò)程示意如下圖：將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的常用方法是脈碼調(diào)制PCM(PulseCodeModulation)。脈碼調(diào)制的過(guò)程由取樣、量化和編碼三步構(gòu)成。1、取樣：就是按照一定的時(shí)間間隔采樣測(cè)量模擬信號(hào)幅值。2、量化：就是將取樣點(diǎn)處測(cè)得的信號(hào)幅值分級(jí)取整的過(guò)程。3、編碼：就是將量化后的整數(shù)值用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。脈碼調(diào)制中，分級(jí)取整量化時(shí)引進(jìn)了誤差。顯然分級(jí)越細(xì)，誤差越小。但分級(jí)越細(xì)，每個(gè)樣本點(diǎn)編碼所需的比特?cái)?shù)就越多。下圖給出了脈碼調(diào)制的示意圖。脈碼調(diào)制

2.2.4多路復(fù)用

多路復(fù)用：技術(shù)就是把許多信號(hào)在單一的傳輸線路和用單一的傳輸設(shè)備來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。

兩種常用的多路復(fù)用技術(shù)：頻分多路復(fù)用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）和時(shí)分多路復(fù)用TDM（TimeDivisionMultiplexing）。

下圖中給出的話頻線路上全雙工FM傳輸?shù)睦樱篢1信道的TDM

波分多路復(fù)用WDM（WavelengthDivis