現(xiàn)代通信系統(tǒng)概論課件 第2章

第二章通信系統(tǒng)基本技術2.1信源信號2.2信號的基帶傳輸2.3信號的頻帶傳輸2.4信號的復用傳輸2.5常用通信系統(tǒng)

2.1信源信號

2.1.1常見信號的獲取1.電信號的獲得將非電信號轉換為電信號的部件稱為傳感器。將不同的物理量轉換成電信號所用的傳感器是不同的。如將聲音轉換成電信號需要采用聲/電傳感器；將光轉換成電信號需要采用光/電傳感器。

傳感器一般由敏感元件、轉換器件、轉換電路三個部分組成，如圖2-1所示。圖2-1傳感器的基本組成結構

敏感元件是指能直接感受（或響應）被測量的部分，即將被測量通過傳感器的敏感元件轉換成與被測量有確定關系的非電量或其他量。

轉換器件則將上述非電量轉換成電參量。

轉換電路的作用是將轉換元件輸入的電參量經(jīng)過處理轉換成電壓、電流或頻率等可測電量，以便進行顯示、記錄、控制和處理的部分。

2.常見信號的獲取

1）聲/電變換——傳聲器

傳聲器是通信行業(yè)最常用的傳感器。傳聲器又叫話筒、拾音器或MIC，是接收聲波并將其轉變成對應電信號的聲/電轉換器件。傳聲器首先把聲能變換成機械能，再把機

械能變換成電能?？梢杂脗髀暺鞯撵`敏度、頻率響應、指向性、信噪比及失真度等指標來衡量傳聲器性能的優(yōu)劣。

因應用場合不同，技術要求也不同，傳聲器的種類繁多。人們最常用的傳聲器有兩種，即MIC和話筒。圖2-2（a）為屬于駐極體式傳聲器的MIC；圖2-2（b）為屬于動圈式傳聲器的話筒。

圖2-2常用的傳聲器

2）光/電轉換

目前常用的光電轉換器多為半導體類型的器件。其原理是利用這類特殊半導體器件的光電效應來實現(xiàn)光/電轉換。如當光照射在半導體器件上時，使其電阻率ρ發(fā)生變化的光

敏電阻就是典型的一種。此外光電二極管和光電三極管的應用也極其普遍。圖2-3所示為常見的光電/轉換半導體器件。

圖2-3常見光/電轉換半導體器件

圖2-4所示為常見的CCD圖像傳感器。圖2-4常用CCD圖像傳感器

3）壓/電轉換

壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應。某些物質沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生變形，同時其內部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時在這種材料的兩個表面產(chǎn)生符

號相反的電荷，當外力去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態(tài)。當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉化為電能的現(xiàn)象稱為“壓電效應”。

圖2-5所示為壓電轉換器用于測距。

圖2-5壓電轉換器在測距方面的應用

2.1.2信號的數(shù)字化過程

1.脈沖編碼調制（PCM）的基本原理

數(shù)字信號是離散信號，其離散包括時間和幅度取值的離散。

對連續(xù)信號采用一定時間間隔的抽樣脈沖進行抽樣來實現(xiàn)在時間上的離散，如圖2-6（a）所示。

將幅度連續(xù)取值量化為離散量，通常可采用量化的辦法來完成。所謂量化，就是“分級”和“分層”的意思，相當于用“四舍五入”的方法，使每一個連續(xù)量歸為某一臨近的“整數(shù)”。圖2-6（b）就是一個量化的示意圖。

通常二進制碼是最常用的數(shù)字信號，因此可以通過編碼方式將量化后的信號變成二進制碼，如圖2-6（c）所示。

圖2-6脈沖編碼調制過程示意圖

經(jīng)抽樣、量化與編碼形成PCM信號之后，它就可被送入通信信道。在接收端可以依據(jù)發(fā)送端的變換過程進行相反變換：首先通過譯碼器把代碼還原成量化的抽樣值，然后對

其進行低通濾波即可恢復出連續(xù)信號，從而完成數(shù)/模變換。

綜上所述，采用PCM方式進行通信的過程可由圖2-7示意。它就是PCM通信系統(tǒng)的一個簡單模型。

圖2-7PCM通信系統(tǒng)模型

2.抽樣——時間上的離散

圖2-8為抽樣模型圖，圖中的開關受抽樣脈沖控制。當高電位時開關閉合，信號輸出，低電位時開關斷開，無信號輸出。可見抽樣器具有相乘的功能，因此在有些書中抽樣器就用乘法器表示。

圖2-8抽樣實現(xiàn)模型

設輸入信號x(t)的頻譜為x(ω)。抽樣信號是周期為Ts的沖擊脈沖信號s(t)。任何一周期函數(shù)均可以用傅里葉級數(shù)展開，即

可見s(t)可以看成是直流a0、基波cosωst及一系列諧波cosnωst的疊加。由于抽樣器就是乘法器，且具有不隨時間變化的線性特性，這種特性滿足疊加原理，因此抽樣器的輸出xn(t)可以表示為

由式（2-2）可以得出，抽樣后輸出信號是輸入信號與每個余弦波分別相乘后的疊加。輸入信號與余弦波相乘就是將輸入信號的頻譜搬移到余弦波頻率的位置，如圖2-9所示

圖2-9頻譜搬移

根據(jù)上述關系可以得出抽樣后輸出信號的頻譜如圖2-10所示。當抽樣符合抽樣定理，即fs≥2fm時，抽樣后輸出信號的頻譜沒有重疊現(xiàn)象，如圖2-10（a）所示。該信號

可以通過一個截止頻率為fm的低通濾波器，得到的信號頻譜與輸入頻譜完全一樣，也即完全還原出了原始信號。然而當抽樣不符合抽樣定理，即fs＜2fm時，抽樣后輸出信號的頻譜將出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，如圖2-10（b）所示。這種信號通過低通濾波器后恢復出的信號將存在失真。

圖2-10抽樣后的頻譜

3.量化——幅度取值上的離散

量化是模擬信號數(shù)字化過程的第二步，就是把抽樣信號的幅度離散化。量化過程會對信號帶來損傷從而產(chǎn)生噪聲（量化噪聲）。

對抽樣后的信號進行量化的方式有兩種：均勻量化和非均勻量化。

1）均勻量化

把輸入信號的取值域按等間隔分割的量化，稱為均勻量化。通常采用量化特性曲線來表示量化器的性能，如圖2-11所示。

圖2-11均勻量化特性

2）非均勻量化

非均勻量化的基本思想就是使量化級的大小隨信號而變，即信號小時量化級就小，信號大時量化級就隨之增大。從而使小信號的信噪比提高，而大信號的信噪比被適量減小，以獲得通信所需的動態(tài)范圍。非均勻量化過程是利用了壓縮擴張的原理。因此非均勻量化過程可以用如圖2-12所示的壓縮擴張的方法來實現(xiàn)。

圖2-12非均勻量化原理圖

由上述過程我們看到，非均勻量化的主要部分是壓縮和擴張。設壓縮器的特性如圖2-13所示。圖2-13壓縮擴張?zhí)匦?/p>

由于壓縮法提高了弱信號的量化信噪比，而可能較少地降低強信號的量化信噪比，因而，這也相當于把信號的動態(tài)范圍展寬了。例如，在同樣劃分256個量化級的情況下，均

勻量化與非均勻量化的信噪比特性曲線如圖2-14所示。圖2-14均勻與非均勻量化性能比較

如果我們將從壓縮器的輸入到擴張器的輸出視作為一個網(wǎng)絡并令該網(wǎng)絡的輸入為x(t)、輸出為y(t)，則可以得到圖2-15所示的非均勻量化特性。圖2-15非均勻量化特性

2.1.3數(shù)字化過程對信號的影響

1.實際抽樣的影響

抽樣定理中要求用于抽樣的脈沖序列是理想沖激脈沖序列，稱為理想抽樣。

1）自然抽樣

采用自然抽樣的模型與理想抽樣的模型一樣，即如圖2-8（a）所示，所不同的只是控制抽樣器的脈沖具有一定的寬度τ。此時的結果可以用圖2-16來說明。（關于自然抽樣的理論證明可參考“通信原理”課程的內容。）

圖2-16自然抽樣

2）平頂抽樣

由于量化、編碼器要求抽樣值的幅度大小在量化、編碼期間盡可能維持不變，而采用自然抽樣后的樣值大小在脈沖期間（τ）內是變化的，顯然不適合于量化、編碼。平頂抽樣就是用于解決這個問題的，即使每個抽樣后脈沖的頂部不隨信號變化（維持一個固定值）。在實際應用中，平頂抽樣的實現(xiàn)方式是先采用較窄的抽樣脈沖進行抽樣，然后由保持電路對窄的抽樣脈沖進行保持來實現(xiàn)的。

為了便于分析，我們將平頂抽樣看成是理想抽樣后再經(jīng)過一個保持電路來形成的，其模型如圖2-17所示。平頂抽樣的結果可以用圖2-18來說明，關于平頂抽樣的理論證明亦可

參考“通信原理”課程的內容。

圖2-17平頂抽樣模型

圖2-18平頂抽樣

2.量化的影響

量化的影響主要是量化所帶來的誤差——量化誤差。量化誤差是落在一個量化級內抽樣值與被量化值之差。根據(jù)量化值的取值方式不同，一般最大量化誤差有兩種情況，即Δ

或±1/2Δ（Δ為量化級）。前者是將抽樣值量化成該量化級起點值時的最大量化誤差結果；后者是將抽樣值量化成該量化級中間值時的最大量化誤差結果，這種情況時的平均量化誤差為最小。Δ就是所謂的分辨率，如滿幅為5V，則編8位碼時的Δ=5/256。顯然編碼位數(shù)越高，量化誤差就越小，但碼的速率將變高。

2.2信號的基帶傳輸

2.2.1基帶傳輸?shù)幕靖拍顚τ谛盘柕幕鶐鬏?，根?jù)兩根用于信號傳輸?shù)膶Ь€對地阻抗的不同可有兩種傳輸方式，即不平衡傳輸方式和平衡傳輸方式。所謂不平衡傳輸，指的是兩根導線中有一根對地阻抗為0，也就是和地相連，如圖2-19（a）所示。所謂平衡傳輸，指的是兩根導線對地阻抗是一樣的，如圖2-19（b）所示。

圖2-19基帶傳輸?shù)幕痉绞?/p>

2.2.2基帶傳輸對碼型的要求

數(shù)字基帶信號是以電脈沖形式來表示的，這種表示可以有許許多多種形式，這種形式就稱為碼型。由于碼型的不同，也即電脈沖形式的不同，因此具有不同的頻譜結構。

1.基帶傳輸?shù)拇a型要求

在有線信道中傳輸?shù)幕鶐盘柎a型又稱為線路傳輸碼型。對于本地的距離較近的設備與設備之間的相互連接又叫做接口碼型。作為線路傳輸碼型在設計選擇時應考慮以下原則：

①對于傳輸頻帶低端受限的信道，一般來講線路傳輸碼型的頻譜中應不含直流分量，且低頻分量要少。

②碼型變換（或叫碼型編譯碼）過程應對任何信源具有透明性，即與信源的統(tǒng)計特性無關。所謂信源的統(tǒng)計特性，是指信源產(chǎn)生各種數(shù)字信息的概率分布，簡單的講就是0碼

和1碼的概率。

③碼型應具有便于從中提取的位定時（時鐘）信息。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，位定時信息是接收端再生原始信息所必需的。

④具有便于實時監(jiān)測傳輸系統(tǒng)信號傳輸質量的能力，即應能檢測出基帶信號碼流中錯誤的信號狀態(tài)。

⑤對于某些基帶傳輸碼型，信道中產(chǎn)生的單個誤碼會擾亂一段譯碼過程，從而導致譯碼輸出信息中出現(xiàn)多個錯誤，這種現(xiàn)象稱為誤碼擴散（或誤碼增殖）。

⑥當采用分組形式的傳遞碼型時（所謂分組碼，就是把輸入的碼流以m比特為一組，編成n比特為一組的輸出碼，其中n>m。），在接收端不但要從基帶信號中提取位定時信息，而且要恢復出分組同步信息，以便將收到的信號正確地劃分成固定長度的碼組。

⑦盡量減少基帶信號頻譜中的高頻分量。

⑧碼型變換的實現(xiàn)電路應盡量簡單。

2.基帶信號常用的碼型

根據(jù)各種數(shù)字基帶信號中每個碼元的幅度取值不同，可以把它們歸納分類為二元碼、三元碼和多元碼等。

1）單極性非歸零碼（見圖2-20（a））

單極性非歸零碼是最常見的一種二元碼，通常數(shù)字電路處理的就是這種信號，用高電平和低電平（常為零電平）分別來表示二進制信息的1和0，在整個碼元期間內電平保持不

變，常記作NRZ。

單極性非歸零碼的功率頻譜如圖2-21所示。

圖2-20幾種常用二元碼

圖2-21常用二元碼的功率頻譜

3）單極性歸零碼（見圖2-20（c））

所謂歸零，是指代表碼元的電平持續(xù)時間只占整個碼元周期的一部分，通常為1/2。單極性歸零碼，其0碼與單極性非歸零碼一樣，為零電平，而1碼時高電平只是整個碼元期間的一部分，而在碼元的其余時間內則返回到零電平，常記作RZ。由于歸零，其功率譜與不歸零有所不同。由圖2-21可見，歸零碼同樣含有豐富的直流和低頻分量，但信號中

的跳變多了一倍，因而該碼型頻譜中含有時鐘分量，因此有利于定時信號的提取。

4）差分碼（見圖2-20（d））

差分碼又稱相對碼。上面的幾種碼型有一個共同特點就是信息0和1使用幅度不同的電位來表示的，這種表示方式就稱為絕對碼。而所謂的相對碼，就是信息的1和0碼分別用電平的跳變和不變來表示。顯然，相對碼的電平幅度與碼1和0之間不存在絕對的對應關系，相對碼是利用電平幅度的相對變化來傳輸信息的。

如采用同步解調方式的頻帶傳輸系統(tǒng)。相對碼與絕對碼之間的邏輯關系為

式中，an為絕對碼，bn為相對碼，an-1、bn-1代表相應的前一位碼。

5）傳號交替反轉碼（AMI）

在數(shù)據(jù)傳輸中，將碼元1稱為傳號，0稱為空號。傳號交替反轉碼的變換規(guī)則是將二進制信息0碼用0電平表示，二進制信息1碼交替地用+1電平和–1電平的脈沖表示，±1為歸零脈沖，且脈沖寬度為碼元周期之半。因此AMI碼為具有三種幅度的三元碼。AMI碼的波形如圖2-22（a）所示，功率頻譜如圖2-23所示。

圖2-22常用三元碼

圖2-23AMI碼和HDB3碼的功率頻譜

雖然AMI碼具有許多滿足作為傳輸碼的特性，但AMI碼還存在著一個主要的缺點，這就是它的性能與信源統(tǒng)計特性有密切關系。它的功率譜形狀隨信息中傳號率（即出現(xiàn)“1”

的概率）而變化，如圖2-24所示。特別是當信息中出現(xiàn)長串連“0”碼時，信號將維持長時間的零電平，因而定時提取遇到困難。通常在PCM傳輸中，連“0”碼一般不得超過15個，否則位定時就要丟失。

圖2-24不同傳號率時的AMI碼功率頻譜

6）HDB3碼

HDB3碼是三階高密度雙極性碼的縮寫，它是在AMI碼的基礎上用特定碼組來取代AMI碼中的4個連0，使HDB3碼中的連0數(shù)被限制為小于或等于3。這種特定碼組稱為取

代節(jié)。為了在接收端識別出取代節(jié)，人為地在取代節(jié)中設置“破壞點”，在這些“破壞點”處，傳號極性交替規(guī)律受到破壞。

圖2-23中給出了HDB3碼的功率譜特性，其特性與AMI碼的基本一樣。

2.2.3基帶傳輸系統(tǒng)模型及面對的問題

在基帶傳輸系統(tǒng)中，數(shù)字信號被變換成相應的發(fā)送基帶波形后，被送入信道中進行傳輸。信號在通過信道傳輸時，一方面要受到信道特性的影響，使信號產(chǎn)生畸變；另一方面

信號被信道中的加性噪聲所疊加，造成信號的隨機畸變。因此，到達接收端的基帶波形信號已發(fā)生了畸變。為此，在接收端通常都安排一個接收濾波器，使噪聲盡量地得到抑制，而使信號順利地通過。然而，在接收濾波器的輸出信號里，總還是存在畸變和混有噪聲的。

因此，為了提高接收系統(tǒng)的可靠性，通常要在接收濾波器的輸出端安排一個識別電路。常用的識別電路由整形器和抽樣判決器組成。整形器把接收信號整理成適合于抽樣判決的波形，即使信號波形在抽樣點處最大，如圖2-25（c）所示。抽樣判決器對整形后的信號波形進行抽樣，然后將抽樣值與判決門限進行比較，若抽樣值大于門限值，則判為“有”基帶波形存在，即“1”碼，否則就判為“無”基帶波形存在，即“0”碼。這樣就獲得一系列新的基帶波形——再生的基帶信號，如圖2-25（d）所示。不難看出，無論是整

形還是抽樣判決，它們都有進一步排除噪聲干擾和提取有用信號的作用。只要信號畸形不大及噪聲影響較小，我們就可以獲得與發(fā)送端幾乎一樣的基帶信號。

圖2-25接收基帶信號的識別

基于上述脈沖傳輸過程，我們可以把一個基帶系統(tǒng)用圖2-26的模型來概括。圖2-26基帶傳輸模型

根據(jù)信號與系統(tǒng)理論，由｛an｝到｛a'n｝的總傳輸特性H(ω)為

圖2-26的模型可簡化為如圖2-27所示。圖2-27基帶傳輸簡化模型

因此，基帶傳輸系統(tǒng)對傳輸信號的影響主要包括兩部分：一是傳輸系統(tǒng)特性H(ω)不理想所帶來的畸變；二是信號被疊加上噪聲n(t)。無論是信號產(chǎn)生畸變還是被疊加上噪聲，

其結果都將可能引起識別出現(xiàn)差錯，從而導致誤碼。

1.畸變的影響與應對

1）基帶脈沖傳輸與碼間干擾

基帶傳輸系統(tǒng)的傳輸特性的不理想將使信號的波形產(chǎn)生畸變，而畸變的結果將會使接收到的序列碼流的波形出現(xiàn)前后碼的波形相互疊加干擾，即碼間干擾。由于碼間干擾的存

在，使得抽樣識別電路抽取的樣值中不僅包含當前碼的幅值，還包含有之前和之后碼的幅值。如果碼間干擾很大及之前和之后碼的幅值很大，就有可能產(chǎn)生識別錯誤，引起誤碼。

關于碼間干擾的形成可以通過圖2-28來簡單說明。圖2-28（a）為基本低通型特性；圖2-28（b）為基本高通型特性。

圖2-28傳輸特性對線性波形的影響

2）無碼間干擾傳輸

H(ω)為一理想低通型特性的基帶傳輸系統(tǒng)。這類特性的系統(tǒng)在現(xiàn)實中是非常普遍的，如圖2-29（a）所示。根據(jù)“信號與系統(tǒng)”的理論分析，當數(shù)字脈沖通過低通后輸出的波形如圖2-29（b）所示。

圖2-29脈沖通過理想低通后的波形

當然像門函數(shù)這樣的理想低通是不可能實現(xiàn)的。由“通信原理”理論證明，只要傳輸系統(tǒng)的特性H(ω)能滿足如圖2-30所示的要求就可以實現(xiàn)無碼間干擾傳輸。

圖2-30無碼間干擾傳輸條件

2.噪聲的影響與應對

1）噪聲對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

前面我們提到，在討論噪聲的影響時忽略傳輸系統(tǒng)特性的影響，即認為傳輸系統(tǒng)特性是理想的。在1.2.6節(jié)中指出加性噪聲有多種，如單頻噪聲、脈沖噪聲、起伏噪聲等。

熱噪聲是由電路中的自由電子熱運動所產(chǎn)生的噪聲。由于自由電子熱運動沒有任何規(guī)律，因此熱噪聲屬于隨機噪聲。熱噪聲具有均勻分布的頻譜，其頻譜覆蓋了目前用于通信的所有頻譜；熱噪聲具有正態(tài)分布的統(tǒng)計特性，其平均電壓為零，有效電壓的平方為n0（參見“通信原理”）。噪聲對通信的影響如圖2-31所示。

圖2-31噪聲對傳輸?shù)挠绊?/p>

2）最佳接收機

圖2-31只是一種概念性的描述，從中產(chǎn)生了一些疑問：一是抽樣的時刻是否在最佳的時刻，如果抽樣的時刻取得合適是否誤碼就可以小一些；再就是信號的傳輸時間為Ts，而

只對這其中的一個點進行抽樣判決，這一個點好像不能反映所有Ts內的信號，如果將Ts內的信號都收齊后再進行判決是否誤碼也可以小一些。也就是說，是否可以建立基于某種抽

樣判別的準則下的接收系統(tǒng)，以獲得在這種準則下的最佳接收效果。符合某種準則的接收機稱為最佳接收機。圖2-32所示為最佳接收機模型圖。

圖2-32最佳接收機模型

利用式（2-6）的關系，我們可以構成如圖2-33所示的最佳接收機結構。圖中的比較器在t=Ts時刻進行比較。

圖2-33最佳接收機的結構圖

比較式（2-7）、式（2-8），則式（2-6）可進行化簡：

根據(jù)式（2-9）構成的最佳接收機結構如圖2-34所示。由于是根據(jù)相關性大小進行判決的，因此這種接收機是基于“最大相關性準則”的最佳接收機。該最佳接收機又被稱為“相關檢測器”。圖中的比較器是在時刻t＝Ts上進行比較的，故可理解為是一個抽樣加判決的電路，因此圖2-34可以用圖2-35來完整表示。

圖2-34相關檢測器

圖2-35實用意義的最佳接收機

2.3信號的頻帶傳輸

2.3.1頻帶傳輸?shù)膶崿F(xiàn)技術1．頻帶傳輸?shù)囊饬x通常基帶信號屬于低通類型的信號，這類信號只適合于在低通型信道中傳輸。一般的有線電纜構成的信道多為低通型信道，顯然兩者是相匹配的，因此基帶信號用電纜是可以實現(xiàn)傳輸?shù)摹?/p>

基帶信號要想利用帶通型信道來傳輸，就必須將其頻帶搬移到與信道相適應的頻譜。頻帶搬移是通過調制技術來實現(xiàn)的，搬移（調制）后的信號稱為頻帶信號。在接收端再將頻帶信號搬移回原基帶信號，這個搬移是由解調技術來完成的。因此調制解調技術是實現(xiàn)基帶信號與頻帶信號間轉換的關鍵。從調制后到解調前的這部分傳輸?shù)氖穷l帶信號，因此將這段傳輸稱為頻帶傳輸。

2.調制解調基本原理

所謂調制，就是用一個信號去控制另一個信號相關參數(shù)的過程。調制過程中的被控信號稱為載波，載波通常為正弦波；控制信號稱為調制信號，也就是基帶信號。以正弦波為

載波，其一般形式可表示為：c(t)=Acos(ωct+φ)。這其中共有三個決定正弦波波形的參數(shù)，即幅度A、頻率ωc和相位φ。調制信號可以去控制這三個參數(shù)中的任何一個。如果用調制

信號去控制載波的幅度A，即載波的幅度A隨調制信號呈正比變化，這種調制稱為幅度調制（AM），簡稱調幅。如果用調制信號去控制載波的頻率ωc或相位φ，稱為頻率調制（FM）或相位調制（PM），簡稱調頻或調相。

1）幅度調制

由式（2-12）可以得出實現(xiàn)幅度調制的一般模型如圖2-36所示。在該模型中，選擇適當?shù)膸V波特性可以實現(xiàn)不同類型的幅度調制方式。如雙邊帶調幅、單邊帶調幅、殘留邊帶調幅等。圖2-36幅度調制一般模型

下面來討論幅度調制是如何實現(xiàn)頻譜搬移的。設調制信號為

則幅度調制信號為

為分析方便，令s(t)和c(t)的幅度為1（歸一化）。由式（2-13）可見，當調制信號為單一正弦波時，調制后的已調信號包含兩個頻率項。其中第一項在載波頻率ωc的右側，稱

為上邊帶；第二項在載波頻率ωc的左側，稱為下邊帶。幅度調制信號的頻譜如圖2-37所示。由幅度調制信號的頻譜圖可以看出，基帶信號頻譜被搬移到了以載波頻率為中心的附近。

圖2-37幅度調制信號的頻譜

由圖2-37還可以看出，搬移后的頻譜形狀與基帶信號的頻譜形狀是一樣的。因此幅度調制實現(xiàn)了頻譜的線性搬移，故這種調制又稱為線性調制。

幅度調制的解調原理非常簡單，只要將接收到的幅度調制信號與載波相乘就可以獲得基帶信號。設幅度調制信號為式（2-13），則與載波相乘為

可見式（2-14）中的第一項為基帶信號，其余為遠遠高于基帶頻率的2倍載波的項（二次諧波項）。因此可以通過低通濾波器將二次諧波項進行濾除，最終得到被傳輸?shù)幕鶐盘枴７日{制的解調器模型如圖2-38所示。

圖2-38幅度調制的解調器模型

2）頻率調制和相位調制

頻率調制和相位調制統(tǒng)稱為角度調制。由于頻率和相位調制后已調信號的頻譜形狀與基帶信號的頻譜形狀不一樣，因此又稱為非線性調制。

由以上說明可見，無論是頻率調制還是相位調制，都將使載波的頻率和相位產(chǎn)生變化。因此這兩種調制在性質上具有相似之處。下面來進一步討論頻率調制。

式中，Δω是由調制信號U決定的頻率偏移，稱作頻偏或頻移。此時頻率調制信號的瞬時相位為頻率調制信號的波形如圖2-39所示。

圖2-39頻率調制波形圖

根據(jù)分析，頻率調制信號（取最高頻率fm時）的頻譜寬度為

可見微分的作用是將等幅的頻率調制信號變換成了幅度與頻率變化成正比的調頻調幅復合信號，即復合信號的包絡就是隨cosω1t變化的調幅信號。只要采用包絡檢波的方式就可以恢復出基帶信號。頻率調制的解調原理框圖及波形如圖2-40所示。這種解調方式又稱為鑒頻器。

圖2-40頻率調制的解調原理框圖及波形

2.3.2數(shù)字信號頻帶傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

在數(shù)字化的今天，大多數(shù)的基帶信號都為數(shù)字信號。對于基帶信號為數(shù)字信號的調制通常稱為數(shù)字調制。

因為數(shù)字信號可以看成是模擬信號的一種特定形式，就調制的目的與原理而言沒有什么不同，因此數(shù)字調制也分為調幅、調頻和調相。然而，應該強調指出，數(shù)字調制卻還有一些模擬調制所沒有的特點。這主要表現(xiàn)在：數(shù)字調制還可以利用數(shù)字信號“有”和“無”的特點去對載波進行控制，從而實現(xiàn)調制。這種調制方式稱為“鍵控”法。

根據(jù)數(shù)字脈沖序列去控制正弦載波參數(shù)（振幅、頻率或相位）的不同，就可獲得所謂的振幅鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）或移相鍵控（PSK）。我們以二進制為例，其ASK、FSK及PSK的實現(xiàn)邏輯圖如圖2-41所示。圖中，s（t）表示矩形的基帶脈沖序列，用它去控制“開關電路”中開關S的倒向來實現(xiàn)對載波的控制，以得到調制信號；f

（t）為輸出信號。

圖2-41二進制數(shù)字調制的實現(xiàn)邏輯

1.數(shù)字振幅調制（ASK）

在實際的應用中，因數(shù)字信號的開關特性可采用數(shù)字開關電路來實現(xiàn)調制。這種實現(xiàn)方法稱作鍵控法，記為ASK。二進制的ASK調制又常叫做通斷鍵控（OOK）。在這種調制方式中，基帶信號由單極性矩形脈沖組成，它便是決定“通斷”的控制信號。當脈沖為高電平，即基帶信號為1碼時，控制開關電路導通，使載波得以輸出；反之，為低電平，即基帶信號為0碼時，使開關電路截止。以數(shù)字電路為主實現(xiàn)OOK調制的原理圖如圖2-42所示。圖中，帶通濾波的作用是濾除高次諧波，使輸出為正弦波。

圖2-42OOK調制實現(xiàn)電路

2.數(shù)字頻率調制（FSK）

數(shù)字頻率調制是數(shù)字通信中使用較早的一種通信方式，目前在大多數(shù)低速數(shù)據(jù)傳輸時仍然采用這種方式。這種方式的實現(xiàn)比較容易，解調時不需要本地載波，也不需要與信號

速度同步，設備簡單，抗噪聲和抗衰落的性能也較強，所以在中、低速數(shù)據(jù)傳輸，尤其在衰落信道中傳輸數(shù)據(jù)的場合有著廣泛應用。

頻率鍵控法的原理如圖2-43所示，它將產(chǎn)生二進制FSK信號。圖2-43FSK的實現(xiàn)方法

FSK信號可以表示為

所謂過零點檢測法，就是通過接收信號波形中過零點的多少來區(qū)分兩個不同的頻率。我們知道，正弦波過零點數(shù)與它的頻率成正比，頻率越高過零點數(shù)就越多。因此只要檢出

信號過零點數(shù)，就可以得到其頻率的差異。過零點檢測法的原理框圖如圖2-44所示。

圖2-44過零點檢測法解調

3.數(shù)字相位調制（PSK）

數(shù)字相位調制是用基帶脈沖信號去控制載波的相位改變。由于基帶信號的幅度是離散的，因此調制后的載波相位也將是離散的。

數(shù)字相位調制在數(shù)字通信中是一種使用相當普遍的調制方式。之所以被廣泛采用是因為數(shù)字調相具有非常獨特的特點。

數(shù)字調相又分絕對調相和相對調相。下面以二進制數(shù)字調相為例來介紹這兩種調制。

絕對調相是指數(shù)字符號與載波的相位成固定的對應關系，就是利用載波的不同相位去直接表示數(shù)字信息0和1，記作2PSK。如數(shù)字信號的1碼與載波相位0°（或180°）相對應；數(shù)字信號的0碼與載波的相位180°（或0°）相對應。絕對調相的波形如圖2-45所示。

圖2-45絕對調相的波形

相對調相又稱為差分調相，記為DPSK。相對調相的相位變化規(guī)則與絕對調相完全不同，其每一個碼對應的載波相位不是固定的，而是以前一個碼的載波相位狀況作為參考，

其相位的具體變化規(guī)則如下：

若s（t）＝1，則該比特載波的相位相對于前一比特的載波相位變化180°（或0°）；

若s（t）＝0，則該比特載波的相位相對于前一比特的載波相位變化0°（或180°），即不發(fā)生變化。

相對調相的波形如圖2-46所示。

圖2-46相對調相的波形

實現(xiàn)絕對調相常用的方法有兩種：相位選擇法和直接調相法。這兩種方法中前者多用于低速數(shù)據(jù)的傳輸，后者主要用于高速數(shù)據(jù)的傳輸。兩種實現(xiàn)方法見圖2-47。

圖2-47數(shù)字調相的實現(xiàn)

圖2-47（a）的實現(xiàn)原理與FSK類同，不同的是0和π相位的載波。

圖2-47（b）為采用直接調相法產(chǎn)生兩相絕對調相信號的實際電路。此電路又稱為環(huán)形調制器，在模擬調幅中普遍采用。圖中數(shù)字信號s（t）為雙極性不歸零碼，即

數(shù)字調相信號的解調多采用同步解調，其解調原理如圖2-48所示。其中，圖（a）為絕對調相的解調；圖（b）為相對調相的解調。圖中，解調用的同步載波是由載波恢復電路從接收到的調相信號中提取出來的。由于同步載波對解調起著至關重要的作用，因此有必要先來討論載波提取的方法。圖2-49給出了一種載波提取的實現(xiàn)原理。

圖2-48數(shù)字調相的解調

圖2-49載波恢復

2.4信號的復用傳輸

“復用”是一種將若干個彼此獨立的信號合并為一個可以在同一信道上傳輸?shù)膹秃闲盘柕姆椒āＶ砸捎脧陀檬且驗榇蠖鄶?shù)的信道可以提供較大的傳輸容量，而單個信號的容量較小，因此就有必要考慮能否在一個信道上同時傳輸多個信號。

2.4.1頻分復用（FDM）

頻分復用（FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing）就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻帶（或稱子信道），每一個子信道傳輸1路信號。頻分復用要求總頻率寬度大于各個子信道頻率之和，同時為了保證各子信道中所傳輸?shù)男盘柣ゲ桓蓴_，應在各子信道之間設立隔離帶，這樣就保證了各路信號互不干擾（條件之一）。頻分復用技術的特點是所有子信道傳輸?shù)男盘栆圆⑿械姆绞焦ぷ?。FDM技術主要用于模擬信號（數(shù)字調制信號也屬于模擬信號）。

頻分復用系統(tǒng)的組成框圖如圖2-50所示。圖2-50頻分復用原理框圖

FDM的復用過程可用圖2-51表示，其解復用的過程如圖2-52所示圖2-51FDM的復用過程

圖2-52FDM解復用過程

2.4.2時分復用（TDM）

時分復用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）就是將提供給整個信道傳輸信息的時間劃分成若干時間片（簡稱時隙），并將這些時隙分配給每一個信號源使用，每一路信號在自己的時隙內獨占信道進行數(shù)據(jù)傳輸。

時分復用的實現(xiàn)原理如圖2-53所示。收發(fā)兩端各用一個相同速率的勻速旋轉電子開關。旋轉開關依次接通各路信號，相當于對各路信號按一定的時間間隙（時隙）進行傳輸。

旋轉一周完成對各路傳輸一次，所用的時間周期稱為一幀。圖中的起始標志又稱為同步標志，作用是保證收發(fā)兩端的起始時間相一致，即做到同步（既同頻又同相）傳輸。時分復用實現(xiàn)過程如圖2-54所示。

圖2-53時分復用原理圖

圖2-54時分復用實現(xiàn)過程

2.4.3碼分復用（CDM）

碼分復用（CDM，CodeDivisionMultiplexing）是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號的一種復用方式，主要和各種多址技術結合產(chǎn)生了各種接入技術，包括無線和有線接入。最常見的應用是在手機通信（移動通信）中，即CDMA（碼分多址）制式的移動通信。

假定X站要接收S站發(fā)送的數(shù)據(jù)，X站就必須知道S站所特有的碼片序列。X站用它得到的碼片向量S與接收到的未知信號進行求內積的運算。X站接收到的信號是各個

站發(fā)送的碼片序列之和。求內積的結果是，所有其他站的信號都被過濾掉（其內積的相關項都是0），而只剩下S站發(fā)送的信號。當S站發(fā)送比特1時，在X站計算內積的結果

是+1，當S站發(fā)送比特0時，在X站計算內積的結果是-1。圖2-55所示為碼分復用的工作原理。

圖2-55碼分復用工作原理

2.4.4波分復用（WDM）

一般認為，信道間距大于1nm且信道總數(shù)低于8以下，稱之為WDM系統(tǒng)。若波道間距小于1nm且信道總數(shù)大于8，則稱之為密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)。圖2-56為波分復

用系統(tǒng)示意圖。

圖2-56波分復用系統(tǒng)示意圖

2.5常用通信系統(tǒng)

2.5.1無線通信系統(tǒng)1.無線電信號的產(chǎn)生與特性無線電屬于電磁波，即無線電在空間是以電磁波的方式進行傳輸?shù)摹?/p>

1）電磁波是由電磁振蕩產(chǎn)生的

大家知道，大小和方向都作周期性變化的電流叫做振蕩電流，能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路稱為振蕩電路。例如由電感線圈和電容器組成的電路，就是一種簡單的振蕩電路，又稱

為LC振蕩電路或LC諧振電路。

在振蕩電路產(chǎn)生振蕩電流的過程中，電容器極板上的電流，也作周期性變化。與此同時，跟電流相聯(lián)系的磁場和跟電荷相聯(lián)系的電場也都周期性地變化。這種電、磁場的變化

現(xiàn)象稱為電磁振蕩。如果在電磁振蕩過程中，沒有任何能量的損失，振蕩應該永遠持續(xù)下去，電路中振蕩電流的振幅應該永遠保持不變。這種振蕩叫做無阻尼振蕩或等幅振蕩。

電磁振蕩完成一次周期性變化需要的時間叫做周期，記作T。一秒鐘內完成周期性變化的次數(shù)稱為頻率，記作f（振蕩電路里發(fā)生無阻尼振蕩的頻率，稱為振蕩電路的自然頻率）。

麥克斯韋的電磁理論指出：任何變化的電場都要在周圍空間產(chǎn)生磁場，振蕩電場會在周圍空間產(chǎn)生同樣頻率的振蕩磁場；任何變化的磁場都要在周圍空間產(chǎn)生電場，振蕩磁場

也會在周圍空間產(chǎn)生同樣頻率的振蕩電場?？梢?，變化的電場和變化的磁場總是相互聯(lián)系著的，形成一個不可分離的統(tǒng)一體，這就是交變電磁場。

顯而易見，如果空間某處產(chǎn)生了振蕩電場，在周圍空間就要產(chǎn)生振蕩磁場，這個振蕩磁場又要在較遠的空間產(chǎn)生新的振蕩電場，接著又要在更遠的空間產(chǎn)生新的振蕩磁場……

這樣，交替產(chǎn)生振蕩的電場和磁場，即電磁場波及的空間越來越大。這就是說，電磁場并不局限于空間某個區(qū)域，而是要由發(fā)生的區(qū)域向周圍空間傳播開去，如圖2-57所示。圖中

分別用虛線和實線表示電場E和磁場H；圖中v的方向是電磁波傳播的方向。這種向空間傳播的交變電磁場，就形成了電磁波。

圖2-57電磁波傳播示意圖

綜上所述，麥克斯韋電磁理論證明只要空間某個區(qū)域有振蕩的電場或磁場，就會產(chǎn)生電磁波。振蕩電路在發(fā)生電磁振蕩時，電容器里的電場和線圈周圍的磁場都在振蕩著，因

此振蕩電路就有可能產(chǎn)生電磁波。

2）電磁波的特性

麥克斯韋的電磁理論不但預見到電磁波的存在，而且還指出，在電磁波中，每一點的電場強度E與磁感應強度H的方向總是互相垂直的，并且還都與那里的電磁波的轉播方向

垂直。這就是說，電磁波傳播的方向跟電場和磁場構成的平面垂直，如圖2-57所示。

麥克斯韋還從理論研究中發(fā)現(xiàn)，在真空中電磁波的傳播速度與實驗測得的光速相等。這個論斷后來得到實驗的證實。因此，任何形式的電磁波在真空（或在空氣）中的傳播速度c都是

電磁波在一個振蕩周期T內傳播的距離叫做波長。記作λ。它等于電磁波轉播速度c乘以電磁振蕩完成一次循環(huán)所需要的時間T（即周期），用公式表示為

3）電磁波的發(fā)射

由普通的電容器和線圈組成的振蕩電路如圖2-58（a）所示，雖然能產(chǎn)生電磁振蕩，但事實上它向外輻射能量的本領是很差的。這是因為這種振蕩電路的電場能量幾乎完全在電容器兩極板之間，磁場能量也大多集中在線圈內。在振蕩過程中，電場能量和磁場能量主要是在電路內互相轉換，輻射出去的能量極少。

為了使振蕩電路有效地向空間輻射能量，即能很好地發(fā)射電磁波，必須盡可能使電場和磁場分散開。如果把電路改成圖2-58（b）那樣，輻射能量的本領會好些，如果再改成圖2-58（c）那樣，輻射能量的能力就更強了。在實際應用時，把線圈下端用導線接地，這條導線叫做地線，把線圈上端接到比較長的導線上，這條導線叫做天線。天線和地線（以及大地）形成了一個敞開的電容器，從而使電場分布在天線周圍的整個空間。

圖2-58發(fā)射電磁波振蕩回路的演變

2.無線電波段的劃分與應用場合

電磁波的范圍很廣，包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、宇宙射線等，如圖2-59所示。

圖2-59電磁波輻射波譜

無線電波各波段的名稱、波長與頻率范圍，相應的頻段名稱以及主要用途等見表2-1。在實際應用中，把表2-1中米波和分米波合稱為超短波，把分米波到毫米波統(tǒng)稱為微波。

3.無線通信系統(tǒng)

1）無線通信系統(tǒng)組成

無線通信，即無線電通信（radiocommunication），是利用無線電波傳輸信息的一種通信技術和通信方式。圖2-60所示的是一種最基本的無線通信系統(tǒng)。它只用來實現(xiàn)從一點到另一點單方向傳輸信息，所以簡稱為點對點單工無線通信系統(tǒng)。

圖2-60點對點單工無線通信系統(tǒng)

如果想要構成一個點對點雙工無線通信系統(tǒng)，只需將兩個點對點單工無線通信系統(tǒng)適當組合即可獲得，如圖2-61所示。

圖2-61點對點雙工無線通信系統(tǒng)

2）無線通信設備的基本組成

無線通信的類型很多。可以根據(jù)傳輸方法、頻率范圍、用途等分類。不同的無線通信系統(tǒng)，其設備組成和復雜度雖然有較大差異，但它們的基本組成不變。圖2-62是無線通信

設備基本組成的方框圖。

圖2-62無線通信設備基本組成方框圖

4.無線通信系統(tǒng)的主要技術性能

無線通信系統(tǒng)的性能指標主要包含以下幾方面。

1）工作頻段及頻譜安排

工作頻段：根據(jù)頻譜規(guī)劃，劃分給該項業(yè)務的工作頻率范圍。

波道配置：根據(jù)頻譜規(guī)劃，在工作頻段內劃分出若干個波道，供用戶選用。

收發(fā)配置：根據(jù)頻譜規(guī)劃，在工作頻段內劃分出發(fā)送和接收子頻段。

2）傳輸距離及傳輸方式

不同的無線通信系統(tǒng)，其傳輸距離將有所不同。地面視距傳播的傳輸距離取決于天線高度、工作頻段和地形，一般在50km以內；地面繞射傳播的傳輸距離一般在20km以內；

對流層傳播的傳輸距離一般為幾百千米；電離層傳播的傳輸距離可達幾千千米；衛(wèi)星通信則以洲際傳播方式進行傳輸。

無線通信系統(tǒng)的傳輸方式可以是單工點對點方式（多為廣播類通信）、雙工點對點方式、中繼（或稱接力）方式、地面點對多點方式、衛(wèi)星點對多點方式、平流層氣球方式等。

3）傳輸容量和信道速率

傳輸容量指對用戶有效的傳輸信息容量。傳輸容量的表示方法有：

①用總的電話路數(shù)來表示，如AM16路、PCM30路等；

②用PDH的群路數(shù)來表示，如1×EI、4×E1等；

③用有效傳輸?shù)谋忍芈蕘肀硎?，?Mb/s、8Mb/s等。

4）傳輸質量和誤碼門限

數(shù)字信號的傳輸質量包括誤碼性能和同步性能兩部分。誤碼性能又包括長時間統(tǒng)計的零星誤碼、短時間統(tǒng)計的誤碼及其超過某個值（如10-3、10-6）的時間百分數(shù)等。同步性能包括時鐘抖動、時鐘丟失等指標。

誤碼門限指為達到一定誤碼率所需要的最小接收電平，是無線傳輸系統(tǒng)的重要性能指標之一。

5）調制解調方式

調制方式的選擇與信道的干擾和帶寬有關。不同的調制方式，其抗干擾的能力不同，例如，調頻具有較好的抗信道選擇性衰落能力。要想在有限的信道帶寬內傳輸更多的信息

就需采用頻譜利用率高的多進制調制，如64QAM（六十四進制正交調幅）等。

解調方式有相干解調和非相干解調兩類。對于相干解調，同步問題極其重要。

6）信道編碼方式

信道編碼的目的是消除由于信道不理想所帶來的誤碼以及在理想信道上取得一定的功率增益。信道編碼考慮原則為：系統(tǒng)對信道編碼的要求和系統(tǒng)能提供多少冗余度。常用的

信道編碼有分組碼、卷積碼、Turbo碼等。

7）發(fā)送頻譜和發(fā)送功率

發(fā)送頻譜框架用于對發(fā)射信號的功率頻譜進行限制，以避免對其他通信產(chǎn)生干擾。

為了保證有一個較好的電磁環(huán)境，無線通信系統(tǒng)的發(fā)送功率有較嚴格的規(guī)定。通常無繩電話的發(fā)送功率在毫瓦級；移動電話的發(fā)送功率在瓦級；微波通信的發(fā)送功率在十瓦級；衛(wèi)星通信的發(fā)送功率在百瓦級。

8）供電方式及耗電量

通信設備的供電方式分交流供電和直流供電。供電的電源方式有AC220V市電、柴油發(fā)電機、太陽能、蓄電池、干電池等。

耗電量也是無線通信系統(tǒng)的重要指標之一。降低耗電量的方法有：減少整個系統(tǒng)的傳輸損耗，以減少發(fā)射功率；采用效率高的功率器件；提高電源變換器的效率等。

9）環(huán)境條件

環(huán)境條件包括溫度條件、濕度條件、沖擊及振動條件、電磁干擾條件、腐蝕條件、特種條件等。其中，溫度條件又分為保證指標的溫度范圍、保證工作的溫度范圍和儲存的溫

度范圍。

10）可靠性

可靠性基本關系有：

①失效率λ：在單位時間內從正常轉為失效的概率。

②平均無故障工作時間T：T=1/λ。

③可靠度P：即無故障工作的概率P=exp（－λt）。

可用率p：p=t工作（/t工作+t中斷）。

無線通信的可靠性包括：設備可靠性和傳播可靠性。

2.5.2光纖通信系統(tǒng)

1.光纖通信的基本組成

1）光纖通信使用波段

光波與無線電波相似，也是一種電磁波，只是它的頻率比無線電波的頻率高得多。紅外線、可見光和紫外線均屬于光波的范疇。圖2-63所示為電磁波波譜圖。

圖2-63電磁波波譜圖

光在真空中的傳播速度約為3×108m/s，根據(jù)波長λ、頻率f和光速c之間的關系式

2）光纖通信的特點

光纖通信與電纜或微波等電通信方式相比的優(yōu)點如下：

①傳輸頻帶極寬，通信容量很大。

②光纖衰減小，無中繼傳輸距離遠。

③泄漏小，保密性好。

④光纖抗電磁干擾強。

⑤光纖尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設。

⑥耐化學腐蝕。

⑦光纖是石英玻璃拉制成形，原材料來源豐富，并節(jié)約了大量有色金屬。

光纖通信同時具有以下缺點：

①光纖彎曲半徑不宜過小。

②光纖的切斷和連接操作技術復雜。

③分路、耦合麻煩。

3）光纖通信系統(tǒng)的基本組成

光纖通信系統(tǒng)就是以光為載體，以光纖作為傳輸介質的通信系統(tǒng)，可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。

圖2-64所示為光纖通信系統(tǒng)的基本組成圖。１

2.光纖及其導光原理

1）光纖的結構

光纖典型結構是多層同軸圓柱體，如圖2-65所示，自內向外為纖芯、包層和涂覆層。核心部分是纖芯和包層，其中纖芯由高度透明的材料制成，是光波的主要傳輸通道；包層的折射率略小于纖芯，使光的傳輸性能相對穩(wěn)定。

圖2-65光纖結構圖

2）光纖的分類

根據(jù)傳輸點模數(shù)的不同，光纖可分為單模光纖和多模光纖。所謂“模”，是從電磁學角度分析光的存在形態(tài)的參數(shù)。對于光纖中的光的模，由光纖的直徑和光源的波長及入射角度等因素決定。

多模光纖可以采用階躍折射率分布，也可以采用漸變折射率分布；單模光纖多采用階躍折射率分布。因此，石英光纖大體可以分為多模階躍折射率光纖、多模漸變折射率光纖

和單模階躍折射率光纖三種。它們的結構、尺寸、折射率分布及光傳輸?shù)氖疽鈭D如圖2-66（a）、（b）、（c）所示。

圖2-66光纖的三種基本類型

3）光纖的傳光原理

光波長很短，相對于光波長光纖的幾何尺寸要大得多，因此從射線光學理論的觀點出發(fā)，研究光纖中的光射線，可以直觀認識光在光纖中的傳播機理和一些必要的概念。

我們來看光在分層介質中的傳播，如圖2-67所示。

圖2-67光的折射與反射

3.光纖的傳輸特性及標準

光信號經(jīng)過光纖傳輸后要產(chǎn)生損耗和畸變（失真），導致輸出信號與輸入信號不同。對于數(shù)字脈沖信號，不僅幅度要減小，而且波形被展寬。產(chǎn)生信號畸變的主要原因是光纖中存在色散。損耗和色散是光纖最主要的傳輸特性。損耗對系統(tǒng)的傳輸距離產(chǎn)生了限制，色散則限制了系統(tǒng)的傳輸容量。

1）光纖的傳輸特性

（1）光纖色散

色散是指在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光其時間延時不同而產(chǎn)生的一種物理效應。色散一般包括模式色散、材料色散和波導色散。單模光纖中只傳輸一種模式，總

色散由材料色散、波導色散組成。這三個色散都與波長有關，所以也稱為波長色散。光纖的波長色散系數(shù)是單位光纖長度的波長色散，通常用D(λ)表示，單位為ps/(nm·km)。

模式色散模式色散是由于不同模式光的時間延時不同而產(chǎn)生的，它取決于光纖的折射率分布，并與光纖材料折射率的波長特性有關。模式色散的形成及對信號的影響如圖

2-68所示。

圖2-68模式色散的形成及對信號的影響

材料色散材料色散是光纖材料的折射率隨頻率（波長）而變，以及模式內部不同波長成分的光（實際光源不是純單色光）的時間延時不同而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。

波導色散波導色散是模式本身的色散，即指光纖中某一種導波模式在不同的頻率下，相位常數(shù)不同，群速度不同而引起的色散。它取決于波導尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。

（2）光纖損耗

光波在光纖中傳輸，隨著距離的增加光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。該損耗直接關系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長短，是光纖最重要的傳輸特性之一。形成光纖損

耗的原因很多，主要有吸收損耗和散射損耗，還有來自光纖結構的不完善造成的損耗。其損耗機理復雜，計算也比較復雜（有些是不能計算的）。降低損耗主要依賴于工藝的提高、

相關材料的研究等。盡管引起光纖損耗的原因有多種，但通常只考慮輸入和輸出光纖的光功率之比——光纖損耗系數(shù)a。

若用Pi表示輸入光纖的功率，Po表示輸出光纖的功率，則在傳輸線中的損耗可定義為

若該損耗在長為L（km）的傳輸線上傳輸，且損耗均勻，則單位長度傳輸線的損耗即損耗系數(shù)aL為

吸收損耗物質的吸收作用將傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，從而造成光功率的損失。吸收損耗有三個原因：一是本征吸收，二是雜質吸收，三是原子缺陷吸收。光纖材料的固有吸收叫做本征吸收，它與電子及分子的諧振有關。

圖2-69給出了某一多模光纖的損耗譜曲線，其上的三個吸收峰就是由于氫氧根離子造成的。圖2-69光纖損耗譜特性

散射損耗由于光纖材料密度的微觀變化以及各成分濃度不均勻，使得光纖中出現(xiàn)折射率分布不均勻的局部區(qū)域，從而引起光的散射，將一部分光功率散射到光纖外部，由此引起的損耗稱為本征散射損耗。本征散射可以認為是光纖損耗的基本限度，又稱瑞利散射。它引起的損耗與λ4成正比，由圖2-69可見，瑞利散射損耗隨波長λ的增加而急劇減小，所以在短波長工作時，瑞利散射影響比較大。

2）光纖標準和應用

制定光纖標準的國際組織主要有ITU-T和IEC（國際電工委員會）。有關光纖的國際標準及應用如下：

①G.651漸變多模光纖。

②G.652標準單模光纖。

③G.653色散位移光纖。

④G.654衰減最小光纖。

⑤G.655非零色散位移光纖。

⑥色散補償光纖。

4.光端機

1）光源

光源、光檢測器是光發(fā)射機、光接收機和光中繼器的關鍵器件，與光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。光源的功能是把電信號轉換為光信號。目前光纖通信廣泛使用的

光源主要有半導體激光二極管（或稱激光器（LD））和發(fā)光二極管（或稱發(fā)光管（LED））。

（1）半導體激光器工作原理

半導體激光器產(chǎn)生激光的基本原理是向半導體PN結注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。

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