数字通信入门
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通信原理与交换技术
一、数字通信简介
1．通信的三要素
各种信息的传递均可称为通信，但现代通信指的是使用电波或光波传递信息的技术，通
常称为电信，如电报、电话、传真等。通信的基本任务是传递信息，因而至少需由3个要素
组成，即信息的发送者（称为信源）、信息的接收者（称为信宿）及信息的传输通道（称为
信道），如图6-1所示。
图6-1 通信三要素
2．通信技术的分类
（1）按传输介质划分
有线通信：传输介质为架空明线、电缆、光缆等形式的通信。有线通信的特点是受干扰
较小，可靠性，保密性强，但建设费用高。
无线通信：传输消息的介质采用的是无线电波的一种通信形式。目前无线通信主要有
3种技术：微波、红外线、激光。无线通信已被广泛用于电话领域构成蜂窝式无线电话网。
无线通信基于物理学的电磁波理论，即电磁波是发射天线感应电流而产生的电磁振荡辐
射，电磁波在自由空间传播，被接收天线感应，从而达到信息传输的目的。微波是波长1mm～
1m（相应的频率为300MHz～300GHz）的电磁波，其工作频率很高，可同时传送大量信息。
例如，一个带宽2MHz的频段可容纳500条语音线路，用来传输数字信号，可达若干Mb/s。
微波有两个重要特性：①微波是直线传播的；②大气条件和障碍物妨碍微波的传播。由
于地球表面是曲面的，微波在地面的传播距离有限，为了使微波通信传输更远的距离，需要
建立若干中继站。中继站配备信号放大器和安装双向天线，这些双向天线以点到点方式聚集
其他点发出的电磁波或无线电波能量。
卫星传输是微波传输的一种，需通过在地球上空的同步地球卫星做中继站转发微波信号，
才可以克服地面微波传输距离的限制。
另外，两种无线通信技术也像微波通信一样，有很强的方向性，沿直线传播。所不同的
是，红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号，直接在空间
传播。
移动通信也是微波通信的一种，如手机、无绳电话、寻呼系统等。最有代表性的移动通
信是手机——个人移动通信系统，由移动台（手机）、基站、移动电话交换中心组成。
第一代移动通信采用的是模拟传输技术。第二代移动通信系统的频段扩至900～
1800MHz，多年来，我国广泛使用的GSM和CDMA属于第二代移动通信系统。GSM提供
了分组交换和分组传输方式的新的数据业务（称为GRPS），它可以在移动网内部或者GRPS
网与Internet之间进行数据传送，提供如浏览网页、收发电子邮件等服务。
第三代移动通信为3G，具有在2GHz左右的高效频谱利用率的优点，且能最大限度地
利用有限带宽。现今我国首批商用4G牌照指明数据终端支持TD-LTE制式，分为上网卡、
上网宝、无线网关3种类型，移动通信已进入第四代。第五代移动通信（5G）目前正处于研
发阶段，相信不久的将来，5G网络也会遍布世界的各个角落。
（2）按所传输的信号特征划分
模拟通信：直接用连续信号来传输信息或者通过连续信号对载波进行调制来传输信息的
技术。模拟通信的优点是结构比较简单，成本低，但是传输质量不稳定。
数字通信：直接用数字信号来传输信息或者通过数字信号对载波进行调制来传输信息的
技术。数字通信的优点是抗干扰能力强，差错可控制，可靠性好，可以方便地对信号加密，
可以直接由计算机进行存储、管理和处理。由于对数字信号的加密比对模拟信号加密容易得
多，因此通信的安全性更容易得到保证。
通信传输介质的类型、特点和应用如表6-2所示。
表6-2 通信传输介质的类型、特点和应用 分类 介质类型 特点 应用
有线通信 双绞线 成本低，易受外部高频电磁波干扰，误码率较高；传输距离有限 固定电话本地回路、计算机局域网
同轴电缆 传输特性和屏蔽特性良好，可作为传输干线长距离传输载波信号，但成本较高 固定电话中继线路、有线电视接入
光缆 传输损耗小，通信距离长，容量大，屏蔽特性好，不易被窃听，质量轻，便于敷设；缺点是强度稍差，精确连接两根光纤比较困难 电话、电视等通信系统的远程干线，计算机网络的干线
无线通信 自由空间 使用微波、红外线、激光等，建设费用低，抗灾能力强，容量大，无线接入使得通信更加方便，但易被窃听，易受干扰 广播、电视、移动通信系统，计算机无线局域网
3．数字通信采用的技术
1）调制与解调技术。在信息传输时，利用信源信号调整载波（正弦波）的某个参数（幅
度、频率或相位），这个过程称为调制，所使用的设备称为调制器。经过调制后的载波携带
着被传输的信号在信道中进行长距离传输，到达目的地时，接收方把载波所携带的信号检测
出来恢复为原始信号的形式，这个过程称为解调，所使用的设备称为解调器。通信一般是双
向进行的，收发双方都需要调制器与解调器，它们通常连在一起，称为调制解调器。例如，
利用电话线上网，就要用到调制解调器，实现模拟信号和数字信号的相互转化。
2）多路复用技术。多路复用技术是指使多路信号同时共用一条传输线路进行传输。
时分多路复用（time division multiplexing，TDM）：各终端设备以事先规定的顺序轮流
使用同一条传输线路进行数据传输。
频分多路复用（frequency division multiplexing，FDM）：将每个数据终端发送的信号调
制在不同频率的载波上，通过频分多路复用器将它们复合成一个信号，然后在同一个传输线
路上进行传输。到达接收端后，借助分路器把不同频率的信号送到不同的接收设备，从而实
现了传输线路的复用。
波分多路复用技术（wavelength division multiplexing，WDM）：同一根光纤同时传输两
个或众多不同波长光信号的技术。
3）交换技术。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输
线路，常用的交换方式为电路交换和分组交换。
4．通信信道的速度和容量
通信信道的速度表示数据速率（data rate），即数据从一个结点到达另一个结点的速率。
通信信道的容量表示通信信道所能承载的数据总量。下面就来讨论关于信道的速度和容量的
概念。
1）带宽和数据速率。在模拟通信中，带宽（bandwidth）指通信信道的总容量。它是在
信道上能够承载的最高频率和最低频率的差值。带宽越大，在给定频率范围内能够承载的信
号就越多。
在数字通信中，带宽指数据速率，表示给定的时期内在通信媒体上可以传输的数据总量。数据速率以比特每秒（b/s）为单位，不同类型信道的数据速率变化很大。例如，局域网的数
据速率范围为4～1000Mb/s；使用广域网的带宽范围为1.5～622Mb/s，甚至更高。
2）吞吐量。吞吐量（throughput）是一个容易与带宽相混淆的概念。带宽代表以比特每
秒表示的通信信道的理论容量，而吞吐量是指通信信道实际的数据传输速率。通信信道在实
际传输时，其数据传输总量会受到许多外部因素的影响，如结点的处理能力、输入/输出处
理器的速度、操作系统的开销、通信软件的开销、给定时间网络上的业务量等。
