第1章 电信传输的基本概念

1.1 通信基本概念及发展史

通信按照传统的理解就是信息的传输，通信就是通过某种媒质从一地向另一地传递和交换信息。在当今高度信息化的社会，信息和通信已成为现代社会的“命脉”。

1.1.1 通信的定义

通信的目的是传递消息中所包含的信息。消息是客观物质运动和主观思维活动的状态的一种反映，在不同时期具有不同的表现形式。例如，话音、文字、符号、音乐、数据、图片或活动图像等都是消息。人们接收消息，关心的是消息中包含的有意义内容，即信息。消息是信息的载体，消息又是以具体信号（如电信号、光信号等）形式表现出来的。通信则是进行信息的时空转移，即通过某种媒质把信息从一方传送到另一方。基于这种认识，“通信”也就是“信息传输”或“消息传输”。

在人类社会活动中，可以广义地认为各种客观事物的状态及其变化都属于信息。信息可有多种表现形式，以电话、电视等方式携带的信息通常是实时传送的信息，而符号、图形、书刊、资料、光盘等媒体记录的信息则更多的是非实时传送的信息。消息必须转换成适合信道传输的物理量，这种物理量称为信号，如电信号、光信号、声信号等，才能在通信系统中传输。信号携带着消息，它是传输消息的运载工具。信号携带信息，但不是信息本身。同样，同一信息可用不同信号来表示。同一信号也可表示不同信息。信息是消息中包含的有意义的或有效的内容。信息、消息和信号是既有区别又有联系的3个不同概念。

人们经常需要把自己的想法、意见、消息、情报与别人进行交流，这种互通信息的方式或过程叫做通信。或从更广义上说，无论采用何种方法，使用何种传输媒质只要将信息从一地传送到另一地，均可称为通信。像两个人的交谈就是一种最简单的通信。再比如在古代人类利用烽火台、击鼓、驿站快马接力、信鸽、旗语等实现信息传递也都属于简单通信。此类简单通信只能在近距离内进行，要受到传送空间距离和时间的一定限制。要实现远距离和任意时间的通信，并达到迅速、有效、准确、可靠，就要借助于电子技术，把要传递的声音、文字、图像等信息转换成电信号，然后通过某种媒质传送到对方，再还原成原来的信息。例如，电报通信是把文字变成电信号传送到远方去的通信方式；电话通信是把语言变成电信号传送到远方去的通信方式；图像通信是把固定的或活动的图像变成电信号传送到远方去的通信方式，等等。

1.1.2 通信发展史

信息（或电信）传输的发展史，始终伴随着通信的发展史。

在我国，通信的起源至少可以追溯到周朝。众所周知，中国历史上周幽王（公元前781一公元前771年）烽火嬉诸侯的故事。这个故事就是古代应用光通信的见证，它证明光通信在中国的应用至少可以追溯到公元前800年，这在世界上也是领先的。

近代电通信技术始于1820年安培发明的电报通信，这是近代数字通信的开始。此后，电报通信技术不断地改进，并得到迅速发展和广泛应用。

在1837年，人类历史上第一次进行电信联系的莫尔斯（MORSE）有线电报诞生了，是英国人在1.5 km的距离上进行了电报表演。随后在1844年5月24日，莫尔斯启用第一条电报线，由华盛顿特区至巴尔的摩，开创了电信号传输的新时代。

在1876年，贝尔发明有线电话，通过一条几百英尺（1英尺＝0.3048米）长的铜线电缆，在一个单方向上用电流传送了声音。之后，贝尔获美国专利局授予的电话专利，并在1877年用硬双铜线架设了电话线路，从此传输线开始了传输比电报信号频率高得多的语音信号。这就是电信传输线路的最早应用。在百余年的时间里，从1851年成功地将第一条4根相互绝缘、直径为1. 65 mm的铜线电缆敷设，完成了英法之间的电报联系，到1955年完成第一条从纽芬兰到苏格兰海底越洋同轴电话电缆的敷设。当时所用传输线的形式都是平行双导线和同轴线，迄今仍有重要的价值。

在1888年，德国人赫兹用火花产生电磁波的装置，证明了人们怀疑与期待已久的电磁波存在。赫兹在实验报告中说明了存在一种电波，以光速在空中运动。这是无线电的最早发现。

在1894年马可尼的设想“这种电磁波可以用来传递信号，能越过很长距离，而无须导线”。1896年马可尼发明的无线电报，传输距离为30米，随后马可尼在陆地和拖船之间实现传输2千米的无线电报。1897年马可尼获无线电报专利，建立无线电报公司。1901年12月12日马可尼在加拿大纽芬兰岛收到从英国Cornwall发出的无线信号，传输距离为1700英里（1英里＝1.6093千米）。

在1906年，德弗雷斯特发明电子三极管，数年后用于长、中、短波的电报和电话，推动了无线电通信和无线电广播的发展。1919年，调幅无线电广播、超外差接收机问世。1936年，商业电视广播开播。

20世纪30～50年代开创无线电信号传输的新时代，是微波大发展的时期，如测量、雷达、微波中继等方面，特别在微波中继方面发展迅速。1948年，美国建设了从纽约到波士顿的微波中继线路，传送480路电话和1路电视信号。微波传输线可以是同轴线、矩形波导或圆波导，主要用于天线馈线，即在机房信号源到天线之间传输导波。

在卫星通信方面，英国空军雷达专家阿瑟·克拉克在1945年提出了卫星通信的设想（直到1957年10月，苏联发射了第一颗人造地球卫星）。1965年美国第一颗地球同步卫星“蓝鸟1号”（第一颗商用卫星）发射成功，开创了卫星通信的新纪元。

在移动通信方面，1946年，美国在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话业务，频率为150～450 MHz。1978年以后，美国、日本、瑞典等国利用这一技术先后开通了大容量小区制的蜂窝移动电话试验系统。

由以上描述可以看出，通信的发展史，离不开传输技术发展。传输技术发展到今天，只用简短的文字已不能描述其品种的繁杂、发展的迅速和理论的深奥了。随着电信容量的日益扩大，人们开始使用亚毫米波或更高的频率进行通信，这时金属传输线在理论和技术上都遇到了难题。为寻找新的信息载体，人们将注意力集中到介质传输线和光波上。光波有比亚毫米波高得多的频率，利用光波作为载体，其潜在的通信容量是传统的电通信手段所无法比拟的。华裔高锟于1966年发表一篇题为《用于光频的介质纤维表面波波导》的文章，文章提出可以从石英中提炼超纯的细丝状纤维，并用于光频成为光波导。于1977年，美国芝加哥建成第一条光纤通信线路，长度为6 km。然而，事情发展得很快，在1988年建成了横跨大西洋的海底光缆系统，采用的是单模光纤，总长达到19 200 km。

光纤也叫做介质光波导，是介质波导理论的研究成果。光纤传输原理采用的是两套分析方法，即射线理论和模式理论。石英光纤的工作波长为850～1650 nm，单根光纤的可用频带几乎达到200 THz，即使在1550 nm附近的低损耗窗口，其带宽也达到了15 THz。光纤通信的诸多好处，使光纤通信成为有线通信的典型代表，它以提高光纤链路传输速率和延长传输距离为目标。

1.1.3 电信传输理论的发展史

回顾电信传输技术的历史，其实就是电信传输的理论发展历程。

1865年，麦克斯韦在题为《电磁场的动力学理论》的论文中奠定了电磁场理论的基础，利用麦克斯韦的成果进行传输线理论研究成为了可能。1876年，亥维塞利用麦克斯韦方程推导出了经典电报方程，并于1903年架设一条线路，连接了利物浦和瓦灵顿两个城市，使亥维塞的理论完全得到了证明。经典电报方程既适用于平行双导线，又适用于同轴线，可用于高频的双导体传输系统。1893年，英国物理学家汤姆逊（电子的发现者）出版了一本论述麦克斯韦电磁理论的书，肯定了圆金属壁管子传输电磁波的可实现性，预言波长可与圆柱直径相比拟，这就是微波传输线即圆波导，直到1936年才得以实现。1897年，英国物理学家瑞利在发表的论文中，讨论了矩形截面和圆形截面“空柱”中的电磁振动，即对应后来的矩形波导和圆波导，并引进了截止波长的概念。瑞利还得到了矩形波导中主模的场方程组，并讨论了圆波导中的主模。到1931年，人们看出了波导技术的实用价值。1936年，贝尔实验室的科学家做出了实验波导线长为 260 m的青铜管，直径为12.5 cm，信号波长为9 cm。后来，人们把1936年当做微波技术的开始年份。

电信传输是现代信息社会进步的最基本条件和要求。传输线路的发展，一直与扩大通信容量、延长通信距离相联系，它的发展是促使技术进步的巨大动力。众所周知，在信息通信高速发展的当今社会，传输无处不在。也就是说“传输技术”的发展高低决定着“整个通信网络”的发展要素。没有传输，就没有真正意义上的通信，要实现国家信息基础设施（NII）的发展目标，必须首先构建以光纤/电缆为主，微波/卫星为辅、覆盖全国和全球、天地一体化的通信传输网络。现如今，只有对传输有足够的理解，才能在相同的物理资源下，获得高效率、高质量的通信。信息的高速传输使人们决策帷幄之中，致胜千里外，已不再是幻想了。