通信工程

<image>

通信工程學（也作資訊工程、電信工程，舊稱遠距離通信工程、弱電工程）是一門以電氣和電腦工程為中心的工程學科，其關注的是通信過程中的資訊傳輸和信號處理的原理和應用，旨在支持和加強電信系統。通信工程的基礎建立於應用數學中的數理方程。其理論起點是物質與波在傅立葉熱擴散和麥克斯韋電動力條件下觀察到的傳播現象。

通信工程研究的是，以電磁波、聲波或光波的形式把資訊通過電脈衝，從發送端（信源）傳輸到一個或多個接受（信宿）。接受端能否正確辨認資訊，取決於傳輸中的損耗高低。信號處理是通信工程中一個重要環節，其包括過濾，編碼和解碼等。工作範圍從基本的電路設計到戰略性質的大規模設備研究與部署。

通信工程所關注的頻段涉及甚廣。低頻段，亦即低赫茲，關心的是技術聲學或低頻技術。高頻段中關注的範圍從微波或雷達系統到可見光的雷射或鐳射系統。微波到可見光中間的頻段幾乎都是通信工程的研究對象。除此之外，通信過程中所應用的媒介和技術，包括通信系統在陸上、水下、空中和宇宙空間中的應用，也是相當豐富的。

通信工程是與電子，土木和系統工程等多學科相關的工程領域。這些學科為通信工程前期基礎設施設備地建設提供幫助。最終，由電信工程師負責提供高速數據傳輸服務。他們使用各種設備和傳輸介質來設計電信網絡基礎架構；當今，有線電信使用的最常見的介質是雙絞線、同軸電纜和光纖。電信工程師還提供圍繞無線通信和資訊傳輸模式的解決方案，例如無線電話服務，無線電和衛星通信以及網際網路和寬頻技術。

## 歷史

電信系統通常是由電信工程師設計的，其源於19世紀末電報行業和20世紀初無線電和電話行業的技術進步。如今，電信已廣泛普及，在該過程中誕生的設備（例如電視，廣播和電話）在世界許多地方都很普遍。同時可以通過許多網路連接這些設備，包括電腦網絡、公用電話交換網 （PSTN）、無線電網路和電視網路。通過網際網路連接的電腦通信是電信的典型示例之一。電信在世界經濟中發揮著重要作用，並且電信行業的收入占世界生產總值的3％左右。

### 電報和電話

<image>

塞繆爾·莫爾斯（Samuel Morse）獨立開發了電子電報的一種版本，但他在1837年9月2日未能成功演示。寄存器發明者阿爾弗雷德·韋爾 （Alfred Vail）加入他後不久，新一種電報終端被發明出來，並且集成了用於將消息記錄到紙帶上的記錄設備。1838年1月6日，這套設備成功地實現了超過三英里（五公里）距離的通信，最終於1844年5月24日在華盛頓特區和巴爾的摩之間實現了超過四十英里（六十四公里）的通信。這項專利發明被證明是有利可圖的，到1851年，美國的電報線路總長度超過20,000英里（32,000公里）。

第一條成功的跨大西洋電報電纜於1866年7月27日建成，首次實現了跨大西洋通信。而此前於1857年和1858年安裝的跨大西洋電纜在失效前僅運行了幾天或幾周。電報在國際範圍地使用有時被稱為「維多利亞時代的網際網路」。

第一家商業電話服務於1878年和1879年在大西洋兩岸的紐哈芬和倫敦建立。亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（Alexander Graham Bell）擁有兩國在此類服務中所需的電話主專利。從那時起，該技術迅速發展，到1880年代中期，美國的每個主要城市都建立了城際線路，並建立了電話交換機。儘管如此，直到1927年1月7日使用無線電建立連接之前，客戶仍無法進行跨大西洋語音通信。但是，直到1956年9月25日TAT-1啟用時，才提供36條電話線路的電纜連接。

1880年，貝爾和共同發明人查爾斯·薩姆納泰恩特通過光電話機投射的調製光束進行了世界上第一個無線電話呼叫。當它們首次被部署在軍事和光纖通信中時，這項科學技術已經沉寂了幾十年。

### 無線電和電視

<image>

從1894年開始的幾年內，義大利發明家Guglielmo Marconi建立了第一個完整的，商業上成功的，基於機載電磁波（無線電傳輸）的無線電報系統。1901年12月，他繼續建立英國與紐芬蘭之間的無線通信設施，並於1909年獲得了諾貝爾物理學獎 （與卡爾·布勞恩分享）。1900年，雷金納德·費森登 （Reginald Fessenden）成功通過無線設備傳輸了人類的聲音。1925年3月25日，蘇格蘭發明家約翰·洛吉·貝爾德（John Logie Baird）在倫敦百貨商店Selfridges首次公開展示了運動剪影照片的傳輸。1925年10月，貝爾德（Baird）成功地獲得了具有半色調陰影的動態圖像，這被大多數人認為是第一幅真正的電視圖像。1926年1月26日他再次在Selfridges公開展示這一改進後的成果。貝爾德的第一批設備依賴於Nipkow磁碟，因此被稱為機械電視。它構成了1929年9月30日開始由英國廣播公司進行的半實驗性廣播的基礎。

### 衛星

美國第一顆中繼通信的衛星誕生於1958年的SCORE項目，該項目使用磁帶錄音機存儲和轉發語音消息。它被用來向美國總統德懷特·艾森豪 （Dwight D. Eisenhower）致以聖誕節的問候。1960年，美國宇航局發射了回聲衛星；100英尺（30 m）高的鍍鋁PET薄膜氣球被用作無線電通信的被動反射器。由Philco製造的Courier 1B也於1960年發射升空，它是世界上第一顆有源直放站衛星。如今，衛星已用於許多應用，例如GPS，電視，網際網路和電話用途。

NASA於1962年7月10日從卡納維拉爾角發射的Telstar是第一顆主動式直接中繼的商業通信衛星，這是首次私人贊助的太空發射。這顆衛星屬於AT＆T、貝爾電話實驗室、NASA、英國郵政總局和法國國家PTT （郵局）之間的多國協議的一部分，用以開發衛星通信。中繼1號於1962年12月13日發射升空，並於1963年11月22日成為在太平洋上廣播的第一顆衛星。

通信衛星的第一個也是歷史上最重要的應用是洲際長途電話。固定的公用電話交換網將電話呼叫從地面線路電話中繼到地球站，然後通過在地球靜止軌道上運行的通信衛星向衛星接收天線發送信號。然而，海底通信電纜由於光纖技術的改進，導致衛星在固定電話中的使用率有所下降，但在20世紀後期，它們仍專門為諸如阿森松島，聖海倫娜，迭戈加西亞和復活節島服務，因為那裡沒有海底電纜。也有一些大洲和國家的某些地區不存在陸上通訊，例如南極洲，以及澳大利亞、南美、非洲、加拿大北部、中國、俄羅斯和格陵蘭的大部分地區。

在通過通信衛星建立了商業長途電話服務之後，從1979年開始，許多其他商業電信也提供了相應的衛星服務，包括移動衛星電話，衛星廣播，衛星電視和衛星網際網路接入。大多數此類服務的最早興起於1990年代，因為此時商業衛星轉發器頻道的價格持續大幅下降。

### 電腦網絡和網際網路

<image>

1940年9月11日，喬治·斯蒂伯茲（George Stibitz）使用電傳印表機能夠將問題傳輸到他在紐約的「複數計算器」，然後將計算結果返回新罕布夏州的達特茅斯學院。帶有遠程「啞終端」的集中式計算機或大型機——這種形式在整個1950年代和1960年代一直很流行。直到1960年代，研究人員才開始研究數據包交換。這項技術允許數據塊在不同電腦之間發送，而無需先通過集中式大型機。四個節點的網路於1969年12月5日出現。該網路很快成為ARPANET，到1981年，該網路已由213個節點組成。

ARPANET的開發以「徵求意見」流程為中心，並於1969年4月7日發布了RFC 1。此流程影響甚遠，ARPANET最終將與其他網路合併形成了Internet，並且Internet今天所依賴的許多通信協議都是通過這樣的流程指定的。1981年9月， RFC 791引入了Internet協議版本4（IPv4），RFC 793引入了傳輸控制協議 （TCP），從而創建了當今許多Internet所依賴的TCP/IP協議。

### 光纖

<image>

光纖可以用作電信和電腦網絡的介質，因為它很靈活並且可以捆綁成電纜。這對於長距離通信特別有利，因為與電纜相比，光通過光纖傳播時衰減很小。這樣就可以用很少的中繼器來跨越長距離。

1966年，高錕（Charles K. Kao）和George Hockham在英國哈洛的 STC實驗室（STL）提出了光纖理論，當時他們發現現有玻璃中1000dB/km的損耗（作為對比，同軸電纜中的的損耗為5-10dB/km）是由於污染物而引起的，而這是可以消除的。

康寧玻璃廠於1970年成功開發了光纖，其衰減低至足以用於通信目的（約20dB/km），同時開發了緊湊的GaAs（砷化鎵）半導體雷射器，因此光可以通過光纖電纜進行長距離傳輸。

從1975年開始經過一段時間的研究，第一個商用光纖通信系統被開發出來，該系統使用GaAs半導體雷射器在約0.8µm的波長下運行。該第一代系統運行速率達到45Mbps，且中繼器間距最大為10公里。1977年4月22日，通用電子電話公司在加利福尼亞州長灘通過光纖以6 Mbit/s的吞吐量實現了第一條實時電話業務。

世界上第一個廣域網光纖電纜系統似乎是1978年由Rediffusion在英國東薩塞克斯郡的黑斯廷斯安裝建成的。光纜遍布整個城鎮，有1000多位使用者。當時它們被用於傳輸電視頻道，但由於本地接收問題而無法使用。

第一條跨大西洋的光纜是TAT-8，它基於Desurvire優化的雷射放大技術，於1988年投入運營。

在1990年代後期至2000年，行業推動者以及諸如KMI和RHK之類的研究公司預測，由於Internet使用的增加以及各種帶寬密集型消費者服務（例如影片點播）的商業化，通信帶寬的需求將大大增加。Internet協議數據流量正以指數級增長，其速度比摩爾定律所描述的積體電路複雜度的增長還要快。

## 概念

<image>

### 電信系統組成元素

#### 發射機

發送機 （資訊源）接收資訊並將其轉換為信號以進行傳輸。在電子和電信中，發射機或無線電發射機是一種電子設備，藉助天線產生無線電波。除了在廣播中使用外，發射機還存在於許多通過無線電進行通信的電子設備中。（例如手機，無線路由器等）

<image>

#### 傳輸介質

傳輸介質是信號傳輸的載體。例如，聲音的傳輸介質通常是空氣，但是固體和液體也可以充當聲音的傳輸介質。許多傳輸介質被用作通信通道。網際網路中最常用的物理介質之一是銅線。銅線僅使用相對較低的功率便可將信號傳送到較遠距離。物理介質的另一個典型例子是光纖，它已成為長距離通信中最常用的傳輸介質。光纖是一束細玻璃，可沿其長度方向引導光。

真空中即便不存在材料介質，但也可能構成電磁波（例如光和無線電波）的傳輸介質。

#### 接收機

接收器（資訊接收器），用於接收信號並將其轉換回所需的資訊。在無線電通信中，無線電接收器是一種接收無線電波並將其攜帶的資訊轉換為可用形式的電子設備。它與天線一起使用。接收器產生的資訊可以是聲音（音訊信號）、圖像（影片信號）或其他數字形式。

<image>

### 有線通信

有線通信有各種不同類型，常見的有：地下通信電纜（較少使用架空線路）、在指定點插入連接電纜的電子信號放大器（中繼器）和各種類型的終端設備。

### 無線通信

無線通信涉及遠距離的資訊傳輸，而無需電線，電纜或任何其他形式的電導體。無線形式可以實現有線服務無法實現或不便實現的服務，例如遠程通信。該術語在電信業中常用來指使用某種形式的能量（如無線電波、聲能等）在不使用電線的情況下傳輸資訊的電信系統（如無線電發射機和接收機、遙控器等）。資訊通過無線的方式在短距離和長距離上傳輸。

## 職務

### 電信設備工程師

電信設備工程師通也稱電子工程師，負責設計和監督安裝電信設備和設施，例如複雜的電子交換系統以及其他普通的老式電話服務設施、光纖電纜、IP網路和微波傳輸系統。

### 網路工程師

網路工程師是負責設計，部署和維護電腦網絡的電腦工程師。此外，他們從網路運營中心監督網路運營，設計骨幹基礎架構或監督數據中心內的互連。

### 中央辦公室工程師

<image>

中央辦公室工程師負責設計和監督中心局（簡稱CO）中電信設備，也稱為有線中心或電話交換中心 CO工程師負責將新技術集成到現有網路中，分配設備在有線中心的位置，並為新設備提供電源、時鐘（數字設備）和報警監控設施。如果當前沒有足夠的資源來支持正在安裝的新設備，則CO工程師還負責提供更多的電源，時鐘和警報監視功能。最後，CO工程師負責設計如何將大量電纜分配到整個中心的各種設備和配線架，並監督所有新設備的安裝和啟動。

#### 子角色

作為結構工程師，CO工程師負責設計和放置待安裝的設備以及待安裝設備的機架及其結構。

作為電氣工程師，CO工程師負責所有新設施的電阻，電容和電感（RCL）設計，以確保電話服務清晰明了，數據服務乾淨可靠。同時為了確定提供所需服務所需的電纜長度和尺寸，需要進行強度衰減或逐漸損耗和環路損耗計算。此外，必須計算並提供電源要求，以便為放置在中心的電子設備供電。

總體而言，CO工程師需要洞察行業的新挑戰。隨著數據中心、網際網路協議（IP）設施，蜂窩無線站點以及電信網絡內其他新興技術設備環境的出現，CO工程師的重要任務是要實施一套既定的慣例或要求。

安裝供應商或其分包商應提供其產品、功能或服務的要求。這些服務可能與安裝新設備或擴建設備以及拆除現有設備有關。

必須考慮其他幾個因素，例如：

- 安裝規定與安全
- 清除有害物質
- 進行設備安裝和拆卸常用設備

### 外派工程師

<image>

外派 （OSP）工程師通常也被稱為現場工程師，因為他們經常在現場花費大量時間來記錄有關空中，地上和地下的土木環境。OSP工程師負責將工廠（銅，纖維等）從交換中心直接到配電點或目的地。

#### 子角色

<image>

作為結構工程師，OSP工程師負責蜂窩式塔架和電話線杆的結構設計和布置，並計算現有電話線杆或將要添加新設備的電線桿的容量。在交通繁忙的區域（如公路）下鑽孔或連接到其他結構（如橋梁）時，進行結構計算。

作為電氣工程師，OSP工程師負責所有新設施的電阻，電容和電感（RCL）設計，以確保電話服務清晰明了，數據服務乾淨可靠。同時為了確定提供所需服務所需的電纜長度和尺寸，需要進行強度衰減或逐漸損耗和環路損耗計算。此外，必須計算並提供電源要求，以便為放置在中心的電子設備供電。在現場放置設備、設施和設備時，必須考慮到接地電位，以考慮雷擊、不正確接地或損壞的電力公司設施導致的高壓截獲以及各種電磁干擾源。

作為土木工程師，OSP工程師負責手工或使用電腦輔助設計 （CAD）軟體起草計劃，以安排電信工廠設施的放置方式。通常，當與市政當局合作時，需要獲得挖溝或鑽孔許可證，並且必須為這些許可證繪製圖紙。通常，這些圖紙包括鋪設設施所需的大約70%的詳細資訊。在高速公路等交通繁忙的地區或與橋梁等其他建築物連接時，需要進行結構計算。作為土木工程師，電信工程師為分布在當今文明中的所有通信技術提供了基礎骨幹。

## 外部連結

- Communication engineering