1、 1 数字通信技术和对电缆电性能要求简介 通信的基本任务就是克服时域、时空障碍，迅速及时地传递信息。人类社会要进行信息交流就离不开通讯。通信是推动社会文明、进步及发展的巨大推动力。现代的人类社会已经进入信息时代。现代通信系统就是信息时代的生命线。 电线电缆（含光纤光缆）作为通信和通信系统传输信息的一种主要传输媒介，它的品种规格、电缆的结构和性能，它的生产制造工艺、新型材料的使用和发展，都和通信及通信系统的发展息息相关。因此电线电缆工作者，有必要对通信和通信系统有所认识和了解。 1 通信 通信即信息的传 送过程，就是把信息从一个地方传送到另一个地方。 信息可以是声音、图像、数据、以及它们的各种组
2、合。 现代通信是集声音、图像、文字为一体的综合性的多种信息服务体系。因此现代通信网已是一个综合业务数字网。为适应世界性的经济和政治活动的需要，人们已经建立起了世界性的全球通信网，现代通信已成为当今世界最重要的信息技术服务。 现代通信技术可分为：电通信和光通信两类。电通信又可分为有线通信（从架空通信明线到对称通信电缆、同轴电缆、光纤光缆）和无线通信（广播电视、微波接力、卫星等）。 2 2 信息 知识来源于信息，信息 是事物运动状态及变化的反映。当今世界已步入信息时代，信息已成为经济发展的战略资源和独特的生产要素。以远程通信网络计算机、视频等多媒体终端相结合建立起来的现代信息传输系统和完备的信息服
3、务体系，已成为一个国家或地区经济发达程度的重要标志。 人类社会需要交流、沟通、传递的信息有声音、文字、符号、音乐、图像和数据以及它们的各种组合。如电视是声音和图像的组合，此时电视信息通常是被频率为几兆赫（ MHz）到几百兆赫（ THz）的电磁波所携带。 3，信号 现代通信的任务是传递信息、语音、图像和数据等，信息本身并不能直接快 速地、远距离地传送。为此需要通过物理变化将语音、图像、数据转换成相应的电信号，这些电信号再经过处理（调制）后乘载在高频载波上，已调制的载波以电磁波的形式在信道（有线或无线）中传输。在接受端再将电信号，还原（解调）成原有的语音、图像、数据等信息。 现在普遍采用的是用电信
4、号进行的电通信；目前的光通信网通信采用的已然是采用光 电 光（ OEO）技术，即将电信号转化成光信号，然后在光纤光缆中传输，在系统的接受端再将光信号转换成电信号。在高速数据传输时，采用这种光电子转换方法的价格相当高。在 40Gb/s 下的电信号的 交换已经相当困难。 3 随着光通信技术的发展，今后将会实现全光通信。全光通信，它是在发送端将各种信息转换成光信号发送出去，然后在接收端把光信号还原，实现信息的传递是以光传输方式进行的，网络的交换功能直接在光层中完成，这样的网络称为全光网（ ON），它将使信息传输进入一个全新的时代。 4 通信系统 实现信息转换成信号这一过程的全部技术设备和设施统称为系
5、统。在通信领域中将实现通信过程的全部技术设备和设施通称为通信系统。 一个实际的通信系统主要有终端设备、传输链路（信道）和交换设备三大部分组成。 以有线电话传输为例，两 地的电话机就是终端设备，电话电缆就是传输链路（传输媒介），电话局就是交换设备。 以一个典型的移动无线通信网为例，它至少包含有：移动站 (MS)，它实际就是你的手机，是终端设备；移动通信基站（ BS），它包含有基站控制器 (BSC)和一个或多个基站收发系统 (BTS)和外部自由空间构成了无线传输链路，转发信息到交换设备（电信局），从而完成通信。 根据传输信号的特征，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统两大类。早期的通信是模拟通
6、信，当今的通信发展方向是数字通信。 4 5 模拟信号和数字信号 在现代通信系统中，信号可用 两种形式之一的电（或光）信号传输：模拟信号或数字信号。 模拟通信技术支配了通信和通信系统长达 100 年之久。 模拟信号是电信号通过连续变化电流的模拟通信。模拟信号是随时间连续变化的，如图 1 所示。例如由麦克风或摄像机等将声音或图像转换成连续变化的音频或视频信号。 图 1 模拟信号 数字信号仅取一些离散值，对二进制只可能取 1 和 0 两个值，如图 2 所示。例如对电流或光的通和断，这分别称为比特 1 和比特 0。 模拟信号1t1 1T B1图 2 数字信号 每个比特持续一定时间 Tb ， Tb 称为
7、比特周期或比特时隙。比特率定5 义为每秒传输的比特数目，因而 B=1/Tb 。 模拟信号和数字信号之间是可以互相转换的 。根据抽样定理，模拟信号可以等间隔地抽样转换为数字形式，只要抽样频率 Fs 满足奈奎斯特（ Nyquist）定理： fs 2 f 则一个带宽（ f ）有限度模拟信号就可以不丢失任何信息地由离散样本表示，如图 3 所示。 输入信号取样量化编码解码滤波输出信号图 3 模拟信号转换成数字信号 6，信号的传输 信号在信道（媒介中）传输，不论是在有线或无线中传输都会出现幅度的衰减和波形的畸变，传输的距离越长，衰减和畸变的程度就会越来越严重。无论是模拟信号还是数字信号，都符合这一基本规律
8、。 6 信号的衰减起因于信道的吸收、散射、反射等等因素；信号的畸变起因于信道中的噪声和干扰。信号的衰耗和畸变程度取决于信道的质量和长度，它还与传输信号本身的强弱和频谱结构有关 。 数字信号和模拟信号传输的本质区别是：模拟信号一旦发生畸变，就没有办法使其复原，畸变就意味失真，此时最终容许传输距离取决于接受端（用户）对失真的认可程度。比如听电话者能否分出男女、分出张三还是李四；电视机能否看清图像、听清声音；信号接收机能否有效工作等等。数字信号本身只表示“传输号码”和“不传输号码”即“传号“和“空号”两种逻辑状态，其波形的细节并不重要，只要接收机能够正确识别数字信号原来表示的是那种逻辑状态，就可以通
9、过再生机制将已经畸变的数字信号复原。 7，信道 信道是信息传输的通道，是信 号的传输媒介。在通信网中信道称为传输线路，它是电磁波传输的路径。传输媒介可以是有线，也可以是无线。有线和无线二者可以有多种物理传输媒介形式， 若电磁波的传播是导行传播，即采用有形的解质，如电缆、波导、光缆等来作传播信息的信道，则为有线传输，它是利用有线信道的传输系统。 有线通信传输系统的发展是脉冲编码调制（ PCM）数字通信（时分制），替代以往使用的模拟通信（频分制）。 若电磁波的传播是采用无界面传播信道，如微波、广播电视等通过大气层或电离层来传输的，就是无线传输，它是利用无线信道的传输系统。 7 8，信道容量 任何模
10、拟通信系统和数字通信系统的信道容量，都和它所传输的频率和传输媒介有关。 这里主要介绍数字通信系统的信道容量。数字通信系统的信道容量，除与它所传输的频率和传输媒介有关外，还依赖于编码技术种类和系统的信噪比要求的限制。这种限制香农（ Shannon）在【信息论】中用信道容量的概念说明， 业已证明， 在存在高斯噪声时，一个二进制数字信号无误码传输时存在一个最大的容许比特率。这个最大的容许比特率称为信道容量C。 C=B 2 （ 1 SNR ） f 2（ 1 SNR ） 式中： C-传输速率， bps 或 bit/s； B-信道带宽， f 带宽是指能够以适当保真度传输信号的频率范围（ Hz）； SNR-
11、信噪比。 对于噪声信道，根据 Claude Shannon（香农）定理，它把最大数据传输速率 C 和频率 f（信道带宽 B）和信噪比联系在一起。这表明 信道的最大容量取决于信息占用的频带带宽和信道的信噪比 SNR。 由公式表明信道的带宽和信躁比越大，可传输的比特率就可越高。提高信道的带宽 和改善信躁比都可以提高信道传输速率。 在无噪声系统，根据奈奎斯特（ Nyquist）定理： Rb B 2 N 8 式中： Rb-信息传输速率 bps 或 bit/s； B-码元传输速率，它表明了每秒传送码元的数目，单位为波特（ Baud）； N-编码的进制数字。 9，带宽 模拟信号和数字信号都可以用它们的带宽
12、来表示它们的特性。 带宽是信道频谱含量 的一个度量 ,信号带宽代表信号傅立叶变换所含的频率范围 .例如 ,一个普通音频模拟电话占用 4KHz 的带宽 ,就足够了。因为一般人的声音范围是 300 3400Hz 它的带宽为 3100Hz（ 3.1KHz）；一路模拟电视所需的频谱范围约为 3 4MHz 的带宽。由此可见同样传输 10 路电视和电话所需传输媒介 (信道 )的带宽是不一样的，传输电视所需的带宽是电话的十倍。 一种传输媒介的带宽，受限于它的衰耗 (衰减 )，抗干扰能力 (噪声 )和接受信号设备或系统对这些性能指标的接受和认可要求。 早期使用的对称电缆，它的使用频率就是受到电缆的衰耗 在高频
13、时损耗过大、串音严重，从而只能传输几十路电话，限制使用在 KHz的频率范围，不能使用在更高的 MHz 频率范围，在更高的传输频率范围其衰减和串音的严重程度，使得信号接受设备或系统达到无法接受和认可，从而限制了它的使用和发展。 人们为了提高传输带宽，为此发展了同轴电缆。基于同轴电缆具有损耗比较低，抗干扰性能好的优点，从而可以传输更高的频率，也就是有更宽的带宽。光纤光缆可以传输更高的频率，具有更低的衰耗，9 抗干扰性能更好，因而更适合传输带宽要求高的数字通信传输。 现在发展的数据用对称电缆除借助数字技术的发展外，对 称电缆在所使用材料、结构、制造工艺等等方面得到很大改进和提高，从而降低了电缆的损耗
14、和串音，使得它从原来只能传输几百千赫兹 (KHz)的最高使用频率，提高到现在的可传输几百兆赫兹 ( Hz)的使用频率，它的带宽变宽了，从而可以传输更多的信息和信号。 10，调制和解调 将信号频谱由一个频率位置搬移到另一个更高的频率位置上，用基带信号控制载波 (连续波或脉冲波 )的几个参数中的一个，使这个参数按基带信号的规律变化，这就是调制。调制前的载波形式可表达为： E（ t） Acos（ 0 ） 式中： E（ t）电场； A 载波波形的振幅； 0 载波频率； 载波波形的相位； 信号至所以要进行调制，这是基于：一是，一般信号都具有较低的频谱分量，不适合在信道中直接传输；二是为了实现信道复用，提
15、高信道的利用率和通信系统的抗干扰能力，有效地传输信号，进而对信号进行处理，把它变成某种格式的波形传输，这个过程就是调制。反过来，将信号恢复成原来形式的信号的过程，就称为解调。 根据 传输信号与载波形式和调制器不同，可以有不同的调制方式。10 对于模拟信号的调制，可分为：调制振幅 A 的调幅调制（） ;调制频率的调制方式称为调频调制（ FM） ;调制相位的调制方式称为调相调制（）； 对于数字信号调制，可根据光载波的振幅、频率、相位是否在一个二进制信号的二种状态间变化进行调制，分别称为幅度键控（ ASK）、频移键控（ FSK）和相移键控（ PSK）。 11，传输速度和速率 电磁波在自由空间传输时，
16、它是以光速 3 108 m/s 的速度向各个方向辐射传播。当电磁波沿电缆线路传输时，电缆线路给出了 电磁波的传输方向，由于有导线和绝缘介质，就使电磁波不再在各个方向扩散，而仅仅沿着电缆导线传输。 电磁波沿电缆线路传输时，电磁能的携带者是电缆的绝缘介质。当电磁波在绝缘介质中传输时，由于受到介质的影响，电磁波的传输速度将小于光速。 电磁波传输速度减小程度和绝缘介质的介电常数值大小成正比，介电常数值越小，电磁波传输速度减小越少，也就是越接近电磁波在自由空间的传输速度：光速。 电磁波的传输速度 V 是电磁波在一秒钟内所经过的路程。 V f 电磁波的波长是一个振荡周期内（ 1Hz），电 磁波所经过的路程。在这个周期内电磁波的相位改变了 2 度。 电磁波的传输频率 f ，表明电磁波在一秒钟内的振荡周期数，也就是每完成一个振荡周期 2度所需要的时间是 1/f 秒。由上公式可见：在一定传输速度时，所传输电磁波的频率越高，则所传输的电磁
