1.2 电信传输系统模型

1.2.1 电信及电信传输

所谓“电信”，就是利用电子技术实现传送信息和交流信息的通信方式。通俗解释“电信”是指利用有线、无线的电磁系统或光电系统，对语音、文字、数据、图像以及其他形式信息的电信号进行的传送过程。那么，“电信传输”就是指含有信息的电信号通过具体物理媒质从一处传到另一处的传输过程。

电信传输的基本任务就是要把用户发出的信息，以用户满意的质量传送到对方用户那里。为了达到用户满意的质量传送，就要求研究如何高质量地传输电信号的问题。例如，语言、文字、图像、数据等信息如何变换成为更适应信道传输的电信号？对于传输方式和传输质量有哪些要求？传输线、传输设备或部件的结构与特性之间又有什么样的联系？等等。本书的目的是使读者能够掌握电信传输的一些基本理论、基本应用，为各类通信系统的学习打好基础。

1.2.2 电信传输系统模型

信源是消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称为消息信号或基带信号。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种终端设备就是信源。前者属于模拟信源，输出的是模拟信号；后者是数字信源，输出离散的数字信号。

发信设备的基本功能是将信源变换成与信道相适配的、适合信道中传输的电信号或光信号。

信道是信号传输通道的简称，是指传输信号的物理媒质。通常由自由空间、光缆、全塑市话对称电缆、同轴电缆等提供。其主要功能是尽可能减小电信号或光信号在信道中传输损

电信传输由电信传输系统来实现的，电信传输系统包括了用户之间的许多电气设备和传输媒质（如金属导线、光纤、自由空间等）所构成的总体。一个最简单的传输系统，至少要由一个发送器（也叫做变换器）、一个接收器（也叫做反变换器）和把它们连接起来的传输媒质所组成。所以，连接发送器、接收器二者的传输媒质是构成电信传输系统的基本组成部分。

以分处A、B两地的任意两用户（人与人，机器与机器，人与机器）间的信息传递为例，基于点-点之间的电信传输系统一般模型，可用图1-1来描述。耗，并尽可能减少因畸变和噪声造成的对有用信号的干扰，顺利地把电信号自A点（发信端）迅速且正确无误地输送到B点（收信端）。

噪声不是人为加入的设备，而是电信传输系统中各种设备以及信道中所固有的，噪声会使有用信号发生畸变，使终端设备、传输信道工作在非线性状态。当噪声叠加在有用信号上时，将会降低有用信号的信噪比，进而降低了通信质量。

收信设备位于反变换器B的那一端，基本功能是完成发信设备的反变换，即将从信道收下来的信号进行衰减补偿，并消除或减小畸变和噪声对有用信号的干扰，进行反变换，使其信息重现原始基带信号原貌。

信宿是传输信息的归宿点，是消息接收者，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。

图1-1概括地描述了一个点-点电信传输系统的组成，它反映了传输系统的共性，因此称为电信传输系统的一般模型。根据研究的对象以及所关注的问题不同，图1-1模型中的各小方框的内容和作用将有所不同，因而相应有不同形式的更具体的传输系统模型。

下面通过如图1-2所示的实际电信传输系统例子，进一步了解一个完整的电信传输系统的一般结构。一个完整的电信传输系统除了必须具备传输信道部分外，还需要有用户终端设备、交换机、多路复用设备和传输终端设备（收发信机）等。

图1-2中的话机、移动台等是用户终端设备。它的作用是将话音信号转换成电信号，或者进行反变换。交换设备的作用除了实现局内用户间的信号交换，还能与其他局的用户实现连接或转接。多路复用设备的作用是实现多路信号的汇接（复用）。可采用频分、时分、码分等多种形式的复用，用以提高信道的传输容量。传输终端设备（如地球站、微波终端、有线传输终端设备等）的主要作用是将待传输的信号转换成适合信道传输的信号（或信道编码变换），或进行信道编码反变换等。电缆、光缆、微波、卫星是不同形式的传输媒质或信号载体。

若采用有线传输系统并用电缆作传输媒质时，此时传输终端设备为电缆传输终端设备，相应的传输系统称为电缆传输系统或称为电缆通信系统。若采用光缆作传输媒质时，此时的传输终端设备就称为光端机，相应的传输系统就称为光缆传输系统，或称为光纤通信系统。

若采用无线传输系统并用微波作载体时，微波中继站作信号转接，此时传输终端设备就是微波端站，其传输过程是：微波端站的发信机产生电信号，并由发射天线转换成电磁波，经空间媒质传播，到接收端，微波端站的接收天线接收电磁波后还原成电信号，送收信机还原成原始信号，完成传输。相应的传输系统就称为微波传输系统，或称为微波通信系统。若仍采用微波作载体，用卫星作中继站，此时传输终端设备就是卫星地面站（或地球站），相应的传输系统就称为卫星传输系统或称为卫星通信系统。

由此可见，无论是电缆通信系统、光纤（缆）通信系统，还是微波通信系统、卫星通信系统，它们的基本结构形式都很类似。不同通信系统之间的差异不仅在于电信号载体、传输媒质和传输终端设备不同，还在于无线信号在自由空间的传输过程需要天线完成电信号向电磁波转换并发射或逆过程。通信系统服务范围不同，其天线结构不同，常用天线的实物如图1-3所示。正是由于这些不同，才使得不同的传输系统具有独特的性能。它也正是本课程重点要讨论的问题，在随后的几章中将分别逐一进行介绍。

1.2.3 信号的类型与电磁波波段的划分

1.电信号的类型

电信号按照不同的角度可有不同的分类，若按照信号参量（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）的取值方式不同可把信号分为两类，即模拟信号和数字信号。因而，按照信道中传输的信号不同，可对应的通信也可分为模拟通信和数字通信两大类。

（1）模拟信号

凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号。模拟信号有时也称为连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如图1-4所示。

例如，电话机把说话声音通过送话器变成的电信号就是一种模拟信号，因为送话器输出的电信号的幅度与声压的幅度成正比，而且是随时间连续变化的。通过分析证明，声波是包含着多种不同频率、不同振幅正弦波成分的复杂波形，其频率范围约为20～20 000 Hz。在话音频谱中，女人的声音的高频成分多一些，男人的声音的低频成分多一些，如图1-5所示。

一般的电话机，讲话的声音通过送话器后，送出的电信号的频率范围约为300～4000 Hz。大量的实验证明，如果将电话传送频率范围限制在400～2000 Hz内，基本上已经可以听懂。为保证通话具有较好的清晰度，通常传送300～2700 Hz的频率成分。在高质量的电话系统中，传送的频率范围是300～3400 Hz。

（2）数字信号

除模拟信号外，还有一种数字信号。凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号。数字信号有时也称为离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散，如图1-6所示。像电报信号、计算机输入／输出信号、脉冲编码PCM信号等都是数字信号。数字信号在传输上有很多优点，最主要的是它的抗干扰性强。由于它是以1、0两种状态传输的，在接收端只要正确地判断是“1”或者是“0”，就等于完全消除了干扰。

近代，由于计算机的发展，出现了人与计算机和计算机与计算机之间的通信。这种通信所传输的都是数字信号，人们把这种通信称为数据通信。

2.电磁波波段的划分

一般来说，电信号的变化就是电压或电流的变化，电压或电流的变化就是电场或磁场的变化。电场与磁场的总称就是电磁场。电磁场的传播需要一定的时间过程，其速度每秒可达二三十万千米，这种以很高速度传播的电磁场叫做电磁波。所以，电信号的传输实质上是电磁波的传播。它的传播方式因传输的媒质不同可分为两类；一类是利用天线将电磁波辐射到需要的空间区域传播，这种传播方式叫做无线传输，它采用的方式是发送方用具有一定方向性的天线将能量辐射至接收机所在的自由空间范围，但接收机收到的能量只是天线总辐射功率的一部分，传输效率较低；另一类是电磁波沿某种传输线引导一定方向传播，这种传播方式叫做有线传输，它利用传输线引导电磁波，将发送方的能量传送至接收方，传送效率较高。在信息传输中采用哪种传输媒质，对信息传输更有效、更可靠、高宽带、低损耗与电磁波波段有直接关系。常用的传输媒质与电磁波波段的对应关系，如图1-7所示。

从图1-7可知，无论从长波信息传输还是到微波信息传输甚至光波信息传输，传输媒质既可以是在无线自由空间传播，又可以是在有线传输线中传播，所不同的是取决于多种传输效果因素的考虑，决定采用何种传输方式更佳。通常无线电通信所用波段是在波长为米至亚毫米范围，目前，移动通信、微波通信和卫星通信这三种无线电通信方式都落在微波波段，而除光纤通信以外的有线电通信所用波段是在波长为千米至米范围，目前，市话用户接入、有线电视用户接入和计算数据接入这三种有线电通信方式落在超短波（VHF）左右波段。光纤通信波段的波长为0.8～1.65μm。波段（频段）划分及典型应用如表1-1所示。

1.2.4 电磁波常见传播模式

在通信工程中使用各类的传输方式，运用于不同工作频段，但信息传输的实质仍是电磁波的传播。在研究传输线理论时主要包括以下两方面的内容：

一是研究所传输的电磁波的类型在传输线横截面内电场和磁场的分布规律，即场结构或模式或波型，称为横向问题；

二是研究电磁波沿传输线轴向（或方向Z）的传播特性和场的分布规律，称为纵向问题。

横向问题要通过求解电磁场的边界问题来解决，不同类型或同一类型但结构类型不同的传输线，具有不同的边界条件，应分别加以研究。但是，各类传输线的纵向问题却有很多共同之处，例如，都是沿轴线方向把电磁波的能量从一处传向另一处，都是一种波的传播（波动），而且由于传输线终端所接负载的不同，当沿着传输线的纵向（轴向）观察时，可能是行波、行驻波或纯驻波，因此，尽管传输线类型不同，但都可以用相同的物理量来加以描述。这里首先就“横向问题”中的电磁波场结构或模式或波型作一个了解，有关“横向问题”和“纵向问题”的严格数学分析细节，将在第2、3、4章进行讨论。

在传输线（有界空间中）导行的电磁波的类型（模式或场分布），按其有无纵向场分量Ez和Hz，可分为四类：

一是横电磁波（TEM波），这种波在传播方向Z上既无纵向电场Ez分量又无纵向磁场Hz分量，即Ez=0且Hz=0。电场、磁场分量都在横截面内与传播方向垂直。这种模式只能存在于双导体传输线中。

二是横电波（TE波），这种波的Ez=0，其电场分量与传播方向垂直，但Hz≠0。这种模式存在于金属波导中。

三是横磁波（TM波），这种波的Hz=0，其磁场分量与传播方向垂直，但Ez≠0。这种模式存在于金属波导中。

四是EH波或HE波（混合模），这种波的Ez≠0且Hz≠0。它们是TE波和TM波的线性叠加，纵向电场占优势的模式称做EH波，纵向磁场占优势的模式称做HE波。这类波存在于介质波导中。以上TEM波、TE波、TM波的电场方向及磁场方向与传播方向的关系，如图1-8所示。注意，无论何种波型，其电场与磁场总是相互垂直的。

在不同种类传输线上传输导行电磁波的场分布结构（或模式）是不同的。如有线传输线（有界空间）的对称电缆传输线中就只传输TEM波，金属波导中只传输TEmn波和TMmn波；同轴线对中在低频时传输TEM波，而在高频传输时既有TEM波又有TEmn和TMmn波。另外，还有混合模，记做EH波和HE波，这类波存在于光纤和介质波导中，如在光纤中传输的线性极化LPmn波，LPmn波是由HEm+1，n和EHm-1，n波线性叠加而成的，如LP1n模就是由HE2n、TM0n和TE0n模的线性组合，其中下标m,n的值表明各模式的场型特征，如图1-9～图1-11所示。

在无线传输（无界空间理想介质）中，无线电波是一种能量传输形式，传播过程中的电场与磁场在空间相互垂直，同时这两者又都垂直于传播方向，电磁波的场分布结构只有一种形式，即TEM波，如图1-12所示。

1.2.5 电信传输的主要特点

前面介绍了电信传输的的基本概念，下面介绍电信传输的主要特点。

1.传输信号的多频率

电信传输中的信号是多频率的，含有信息的，无论是模拟通信还是数字通信，它们的信号都包含丰富的频率。因此，对收、发信机和传输信道带宽的要求非常严格。例如普通电话机发出的话音信号频率范围为300～3400 Hz左右；有线电视CATV的传输频带更宽，大致达 750 MHz左右。

2.电信传输的功率

在有线传输方式中，电信传输的功率比较小，它一般只有毫瓦量级。也就是说电信号所含的能量比较小，例如一部普通电话机发出的语音信号功率只有一毫瓦左右，经过传输到对方用户接收时，只要不小于一微瓦就能满意地通话；而在无线传输方式中，电信传输的功率较大，它一般在瓦量级，例如一部移动电话发出的语音信号功率约有24～30 dBm（约1瓦左右，至少也有500毫瓦），经过基站传输到对方用户接收一般为0.001微瓦，显然电信号传输属于弱电传输，易受外来干扰，所以提高抗干扰能力、减小传输损耗是电信传输的重要内容。

3.电信传输的效率

由于电信传输是弱电传输或外界强干扰下传输，其传输效率非常重要。要想把含有信息的能量尽可能多地传送到接收负载上，并且希望负载能获得最大功率，就必须在电信号传输过程中，所有机、线设备接口，传输线或信道都应处在阻抗匹配连接的状态下。这样每个部件既可从前面的部件获取最大功率，又可向后面部件输出最大功率。如果阻抗不匹配，就会发生电磁波反射，造成传输质量降低。显然有线传输的效率要高于无线传输的效率。

4.电信传输与信号变换

电信传输离不开信号的变换。信号的互相变换也是电信传输中的一个重要特点。例如电话传输必须有声变电和电变声的过程。图像传输就有光变电的变换和逆变换过程。又例如在频分复用多路通信中，利用频率的变换措施，可以在同一对线路上传输多路信号而互不干扰。在时分复用多路通信中，应用抽样技术，把多路低速率的数字信号复用成高速率数字信号，从而达到在同一对线上传输多路信号而互不干扰。由于数字信号抗干扰能力强，因此现代通信中一般均利用数字信号进行传输。所以，模—数转换和数—模转换技术在现代通信中获得广泛应用。