第1節(jié)　通信系統(tǒng)的基本概念

一、通信的概念和通信系統(tǒng)的組成

人們生活在信息的時代，離不開信息的傳遞與交流。信息具有不同的載體形式，如符號、文字、語言、數(shù)據(jù)、圖像等。信息的傳輸是利用通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，通信的目的就是傳輸信息，通信就是信息的傳遞和交換，就是由一個地方向另一個地方傳送消息。通信系統(tǒng)就是用電信號或光信號傳遞信息的系統(tǒng)，也叫電信系統(tǒng)。其基本組成包括信源、變換器、信道、反變換器、信宿及噪聲源6個組成部分。通信系統(tǒng)的模型如圖1-1所示。

1.信源

信源是指發(fā)出信息的信息源，或簡單地說是信息的發(fā)出者，是指產(chǎn)生各種信息（如語音、文字、圖像及數(shù)據(jù)等）的源頭，即原始信息來源。信息源可以是離散的數(shù)字信息源，也可以是連續(xù)的模擬信息源。它的作用是把各種可能的信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。通常見到的信息源可以是人，也可以是機(jī)器（如電話機(jī)、攝像機(jī)、電傳機(jī)、計算機(jī)和各種數(shù)字終端設(shè)備等）。

2.變換器

變換器的功能是把信源發(fā)出的信息變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘枺磳⑿旁串a(chǎn)生的消息信號變換為便于傳送的信號形式，送往傳輸媒介。這是因?yàn)樾旁刺峁┑脑茧娦盘柾贿m宜在信道中直接傳輸。對應(yīng)不同的信源和不同的通信系統(tǒng)，變換器有不同的組成和變換功能。例如，在模擬電話通信系統(tǒng)中，變換器由送話器和載波機(jī)（包括放大器、濾波器和調(diào)制器）等組成，其中送話器將人發(fā)出的語音信號變換為電信號；載波機(jī)的作用是將送話器輸出的電信號（頻率范圍0.3～3.4kHz）經(jīng)過頻率搬移、頻分復(fù)用處理后，變換成適合于在模擬信道上傳輸?shù)男盘枴６鴮τ跀?shù)字電話通信系統(tǒng)，變換器則包括送話器和模/數(shù)變換器等。模/數(shù)變換器的作用是將送話器輸出的模擬語音信號經(jīng)過模/數(shù)變換和時分復(fù)用等處理后，變換成適合于在數(shù)字信道中傳輸?shù)男盘枴?/p>

3.信道

信道是信號傳輸媒介的總稱。信道按傳輸媒介的種類分類可以分為有線信道和無線信道。在有線信道中，電磁信號（或光信號）約束在某種傳輸線（架空明線、電纜、光纜等）上傳輸，在無線信道中電磁信號沿空間（大氣層、對流層、電離層等）傳輸。信道如果按傳輸信號的形式分類又可以分為模擬信道和數(shù)字信道。

4.反變換器

反變換器具有與變換器相反的逆變換功能。反變換器的作用是將從信道上接收的信號變換成信息接收者可以接收的信息。它的任務(wù)是從帶有干擾的信號中正確恢復(fù)出原始電信號來；對于多路復(fù)用信號，還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。

5.信宿

信宿是信息的接收者，是傳輸信息的歸宿點(diǎn)，可以是人或機(jī)器。受信者與信息源對應(yīng)構(gòu)成人與人的通信、機(jī)與機(jī)的通信、人與機(jī)或機(jī)與人的通信。

6.噪聲源

噪聲源并不是一個人為實(shí)現(xiàn)的實(shí)體，但在實(shí)際通信系統(tǒng)中又是客觀存在的。噪聲源是系統(tǒng)內(nèi)各種干擾影響的等效結(jié)果。系統(tǒng)的噪聲來自各個部分，從發(fā)出信息和接收信息的周圍環(huán)境、各種設(shè)備的電子器件，到信道所受到的外部電磁場干擾，都會對信號形成噪聲影響。將系統(tǒng)內(nèi)所存在的干擾均折合到信道中，用噪聲源表示。

二、信息與信號

1.信息

信息同物質(zhì)和能量一樣，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類社會進(jìn)行溝通、交流的紐帶。信息的概念具有廣泛的內(nèi)涵，人們從不同側(cè)面對信息進(jìn)行了定義，通常的定義為：信息是對客觀世界中各種事物的變化和特征的反映，對使用者具有價值或潛在的價值，是客觀事物之間相互作用和聯(lián)系的表征以及經(jīng)過傳遞后的再現(xiàn)。因此，信息不是事物本身，而是事物的存在方式和運(yùn)動狀態(tài)，以及關(guān)于事物存在方式和運(yùn)動狀態(tài)的陳述。

消息、信號、數(shù)據(jù)及資料均是信息的具體表現(xiàn)形式。信息的基本特征包括以下方面：

（1）傳遞性

信息總是處在一定的傳遞過程中，與物質(zhì)流、能量流相融合形成信息流，沒有傳遞就沒有信息。信息的傳遞因現(xiàn)代通信技術(shù)的出現(xiàn)，特別是因特網(wǎng)的大規(guī)模使用，真正實(shí)現(xiàn)了“信息無國界”。

（2）時效性

無論是信息的產(chǎn)生、傳遞還是利用，都有一定的時間期限。信息隨時間的變化而變化，只有掌握了最新信息，并及時有效地加以利用，才能實(shí)現(xiàn)其價值，創(chuàng)造財富。

（3）累積性

信息從不同的側(cè)面反映事物存在與發(fā)展?fàn)顩r，因而隨著時間的延續(xù)，信息在不斷積累和增長。再生性信息在流通使用過程中，可以分析、綜合，亦可進(jìn)行提煉、加工，從而獲得更為廣泛的知識。

（4）共享性

信息不僅可同時為眾多的使用者所共享，而且還會因交流而呈現(xiàn)出內(nèi)容的倍增。信息的共享性使信息資源通過多種渠道和傳輸手段加以擴(kuò)展，從而獲得廣泛的利用。因特網(wǎng)的出現(xiàn)和高速發(fā)展，將最大限度地實(shí)現(xiàn)信息共享。

（5）無限性

物質(zhì)和能量都是有一定儲量的，信息資源卻不是這樣，它會不斷擴(kuò)充，不僅沒有限度，而且永遠(yuǎn)不會耗盡，越來越多，迅速增長。“信息爆炸”、“知識爆炸”與“石油枯竭”、“糧食危機(jī)”、“水資源危機(jī)”呈現(xiàn)出鮮明的對比。

信息除了以上的基本特征外，還具有其他一些特征，如客觀性、目的性、開發(fā)性、普遍性、科學(xué)性、替代性以及可編性等，這些都構(gòu)成了信息的復(fù)雜性。

2.信號

信息是指消息中包含的有意義的內(nèi)容，它是通過信號來表達(dá)的，信號是信息的載體。信號是指隨時間變化的物理量。因?yàn)橄⒉贿m合于在信道中直接傳輸，需將其調(diào)制成適合在信道中傳輸?shù)男盘枴Ｔ谕ㄐ畔到y(tǒng)中傳輸?shù)男盘柺怯赡承╇姷膮⒘浚ㄈ珉妷骸㈦娏鞯任锢韰⒘浚┍硎镜摹Ｔ谕ㄐ畔到y(tǒng)中常見的信號有：語音信號、圖像信號和數(shù)據(jù)信號等。信號根據(jù)物理參量基本特征的不同，可分為模擬信號和數(shù)字信號。

（1）模擬信號

模擬信號是時間和幅度都為連續(xù)值的信號，如圖1-2所示。好像模擬信息變化，其特點(diǎn)是幅度上連續(xù)，因此稱為模擬信號。連續(xù)的含義是在某一取值范圍內(nèi)可以取無限多個數(shù)值。將時間上連續(xù)的和幅度上連續(xù)的信號叫做連續(xù)信號。例如語音信號、攝像機(jī)產(chǎn)生的圖像信號等，它們的電壓（或電流）波形的取值為連續(xù)的時間函數(shù)。以幅度代表信息變化的信號，幅度是連續(xù)的，且在時間上也是連續(xù)的，語音信號、圖像信號及遙測、遙控等信號就是屬于時間連續(xù)的模擬信號，而脈沖幅度調(diào)制（PAM）、脈沖相位調(diào)制（PPM）和脈沖寬度調(diào)制（PWM）等信號則為時間上不連續(xù)的模擬信號。

（2）數(shù)字信號

數(shù)字信號，又稱離散信號，不僅在時間上，而且在幅度上也是離散的，如圖1-3所示。其特點(diǎn)是幅值被限制在有限個數(shù)值之內(nèi)，它不是連續(xù)的，而是離散的。例如，電傳電報機(jī)信號、計算機(jī)信號、數(shù)字電話信號及數(shù)字電視信號等。這種信號的取值為有限個離散值，且不是時間的連續(xù)函數(shù)。一般而言，數(shù)字信號的幅度集合是任意有限集合，最常用的是二進(jìn)制數(shù)字信號。二進(jìn)制就是只有兩種取值的可能性，通常用（0，1）表示。在數(shù)字通信中常用時間間隔相同的符號來表示一位二進(jìn)制數(shù)字。

三、模擬通信與數(shù)字通信

1.模擬通信

信源所發(fā)出的信息經(jīng)變換器變換和處理后，送往信道上傳輸?shù)氖悄M信號的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。發(fā)送端的原始連續(xù)消息要變換成原始電信號，接收端收到的信號要反變換成原始連續(xù)消息。通常還要把經(jīng)過第一次變換后的電信號再進(jìn)行第二次變換，這種第二次變換稱為調(diào)制，調(diào)制即是將原始電信號變換成其頻帶適合信道傳輸?shù)男盘枴Ｒ颜{(diào)信號通過信道傳輸?shù)浇邮斩说慕庹{(diào)器和電/非電變換器，它們起著反變換的功能。解調(diào)即是在接收端將信道中傳輸?shù)男盘栠€原成原始的電信號。經(jīng)過調(diào)制后的信號成為已調(diào)信號，發(fā)送端調(diào)制前和接收端解調(diào)后的信號稱為基帶信號。因此，原始電信號又稱為基帶信號，而已調(diào)信號又稱為頻帶信號。模擬通信在信道中傳輸?shù)男盘栴l譜比較窄，可以通過多路復(fù)用使信道的利用率提高。

模擬通信的缺點(diǎn)是：傳輸?shù)男盘柺沁B續(xù)的，疊加噪聲干擾后不易消除，即抗干擾能力較差；不易保密通信；設(shè)備不易大規(guī)模集成；不適應(yīng)飛速發(fā)展的計算機(jī)通信的要求。

2.數(shù)字通信

與模擬通信相對應(yīng)，信源所發(fā)出的信息經(jīng)變換和處理后，送往信道上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。在數(shù)字通信中，傳送的是數(shù)字信號。概括地說，數(shù)字通信就是把原始模擬信號變換成簡單的數(shù)字形式，再傳送給對方的通信方式。

（1）模擬信號的數(shù)字化

以脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）來說，采用PCM的辦法把模擬信號數(shù)字化，一般要通過下述3個步驟：

第一步：對模擬信號進(jìn)行“抽樣”（Sampling），這是將連續(xù)信號在時間上離散化的過程。

第二步：將已在時間上離散化了的信號進(jìn)行“量化”（Quantization），這是將時間上離散化的信號在幅度上也離散化的過程。

第三步：將時間上和幅度上都已離散化了的信號進(jìn)行“編碼”（Encode），使其成為適合于信道傳輸?shù)臄?shù)字形式，這是完成數(shù)字化的最后過程。完成了編碼過程之后，模擬信號已轉(zhuǎn)換成適合于信道傳輸?shù)牟ㄐ危ㄟ^信道傳輸?shù)綄Ψ剑瑢Ψ绞盏絺鬏數(shù)男盘柡笤龠M(jìn)行反變換，最后通過低通濾波器即可重新得到原來的模擬信號。

（2）數(shù)字通信的特點(diǎn)

a.抗干擾能力強(qiáng)，無噪聲積累

在數(shù)字通信中，由于數(shù)字信號的幅度值為有限個數(shù)的離散值（通常取兩個幅值），在傳輸過程中受到噪聲干擾雖然也要疊加噪聲，但當(dāng)信噪比還沒有惡化到一定程度時，即在適當(dāng)?shù)木嚯x，采用再生的方法即可消除噪聲干擾，將信號再生成原發(fā)送的信號。

數(shù)字信號是取有限個離散幅度值的信號，在信道中傳輸時，則可以在間隔適當(dāng)距離處采用中繼再生的辦法消除噪聲的積累，還原信號，實(shí)現(xiàn)長距離、高質(zhì)量的傳輸。

在模擬通信中，傳輸?shù)氖欠颠B續(xù)變化的模擬信號，受到干擾后，干擾信號就會疊加在信號波形上，并逐漸積累，又經(jīng)逐級放大，使有用信號產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，一般很難完全恢復(fù)原始信號波形。在數(shù)字通信中，即使傳輸中有干擾信號存在，通過再生中繼，也可以有效地消除干擾信號的積累，使接收端能正確識別出所傳輸?shù)男盘枺涣硪环矫妫瑪?shù)字通信系統(tǒng)可通過信道編碼/解碼來實(shí)現(xiàn)檢錯和糾錯，這就使數(shù)字通信系統(tǒng)比模擬通信系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力。

b.設(shè)備便于集成化、小型化

數(shù)字通信采用時分多路復(fù)用，不需要昂貴的、體積較大的濾波器。由于數(shù)字通信系統(tǒng)中大部分電路都是由數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)的，微電子技術(shù)的發(fā)展可使數(shù)字通信便于用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路制成體積小、功耗低且成本低的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

c.便于加密處理

信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄栽絹碓绞艿街匾暎瑪?shù)字通信的加密處理比模擬通信更容易實(shí)現(xiàn)。以語音數(shù)字通信為例，經(jīng)過數(shù)字變換后的信號就可以用簡單的數(shù)字邏輯運(yùn)算進(jìn)行加密處理。

d.利于采用時分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路通信

數(shù)字信號本身可以很容易用離散時間信號表示，在兩個離散時間之間可以插入多路離散時間信號，以實(shí)現(xiàn)時分多路復(fù)用。在數(shù)字通信中，各種消息（電報、電話、圖像和數(shù)據(jù)等）都可以變換為統(tǒng)一的二進(jìn)制信號進(jìn)行傳輸。在通信過程中，可以采用時分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路通信。時分復(fù)用是指各種信號在信道上占有不同的時間間隙，同在一條信道上傳輸，并且互不干擾。數(shù)字信號傳輸技術(shù)可以在綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)（ISDN）中對來自各種不同消息源的信號自動地進(jìn)行變換、綜合、傳輸、處理、儲存和分離，實(shí)現(xiàn)各種綜合的業(yè)務(wù)。

e.便于與數(shù)字電子計算機(jī)連接

由于數(shù)字通信中的二進(jìn)制數(shù)字信號與數(shù)字電子計算機(jī)所采用的數(shù)字信號完全一致，所以數(shù)字通信線路可以很方便地與數(shù)字電子計算機(jī)連接，提高對信號的處理能力，提高通信質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的、遠(yuǎn)距離、大規(guī)模自動控制系統(tǒng)和自動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，有利于實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)的自動化、智能化，提高通信網(wǎng)的效率和可靠性。

f.占用頻帶寬

一路數(shù)字電話頻帶一般為64kHz，而一路模擬電話所占頻帶僅為4kHz，前者是后者的16倍。然而隨著微波、衛(wèi)星和光纜信道的大量利用（其信道頻帶非常寬），以及頻帶壓縮編碼器的實(shí)現(xiàn)和大量使用，數(shù)字通信占用頻帶寬的矛盾正逐步縮小。

四、數(shù)字通信系統(tǒng)模型

數(shù)字通信系統(tǒng)是指利用數(shù)字信號傳遞消息的通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)的基本任務(wù)是把信源產(chǎn)生的信息變換成一定格式的數(shù)字信號，通過信道傳輸，在終端再反變換成適宜受信者接收的信息形式。數(shù)字通信系統(tǒng)的組成形式有多種，但從系統(tǒng)的主要功能和部件看，都可概括為數(shù)字通信系統(tǒng)模型，如圖1-4所示。

1.信息源

信息源是指產(chǎn)生各種信息（如語音、文字、圖像及數(shù)據(jù)等）的信源。

2.編碼器、調(diào)制器、解調(diào)器和譯碼器

編碼器和調(diào)制器組合在一起與模擬通信系統(tǒng)的變換器功能類同；解調(diào)器和譯碼器組合在一起與模擬通信系統(tǒng)的反變換器功能類同，但變換的原理有區(qū)別。

（1）編碼器和譯碼器

編碼器的作用是將信源發(fā)出的模擬或離散的信號，轉(zhuǎn)換成有規(guī)律的、適應(yīng)信道傳輸?shù)臄?shù)字信號。這種數(shù)字信號一般為二進(jìn)制的脈沖序列。譯碼器的功能與編碼器相反，是把數(shù)字信號還原為原始的信息信號。編碼器和譯碼器一般包括兩部分：信源編碼、信道編碼和信道解碼、信源解碼。

信源編碼的主要任務(wù)是將信源送出的模擬信號數(shù)字化，即對連續(xù)信息進(jìn)行模擬/數(shù)字（A/D）變換，用一定的數(shù)字脈沖組合來表示信號的一定幅度。

信道編碼是一種代碼變換，主要解決數(shù)字通信的可靠性問題，故又稱作抗干擾編碼。數(shù)字信號在信道中傳輸，不可避免地會受到噪聲干擾，并有可能導(dǎo)致接收信號的錯誤判斷，產(chǎn)生錯碼（誤碼）。信道編碼就是為了減小這種錯誤判斷出現(xiàn)的概率而引出的編碼方法。具體地講，是將信源編碼輸出的數(shù)字信號，人為地按一定規(guī)律加入一些不代表所傳信息的多余數(shù)字代碼，以達(dá)到在接收端可以發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤的目的。

（2）調(diào)制器和解調(diào)器

調(diào)制器的作用是把二進(jìn)制脈沖變換或調(diào)制成適宜在信道上傳輸?shù)牟ㄐ巍Ｓ捎诰幋a器輸出的二進(jìn)制脈沖序列（也稱為基帶信號）一般不宜在信道中直接傳輸，尤其不宜在長距離信道中傳輸，需要把它調(diào)制在一個確定的高頻振蕩（稱為載波）上，使高頻振蕩的振幅、頻率、相位或它們的組合隨所要傳輸?shù)臄?shù)字脈沖有規(guī)律地變化。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，這個過程稱為數(shù)字調(diào)制。它是信息傳輸過程中的一個重要措施，利用它可減小信道中干擾的影響，可改善信號頻譜以及信道特性匹配，減小傳輸引起的失真，并具有提供多種用戶合用一個信道（多路復(fù)用）的能力，使信號在信道上的傳輸效率大為提高。

解調(diào)是調(diào)制的逆過程，解調(diào)器是把接收到的已調(diào)制信號進(jìn)行反變換，恢復(fù)出原數(shù)字信號，并送解碼器解碼。

3.加密器和解碼器

數(shù)字通信在實(shí)現(xiàn)信息加密和解密方面比模擬通信有較大的優(yōu)越性，一般是在數(shù)字通信系統(tǒng)的信源編碼器后或前設(shè)置加密器，在信源譯碼器前或后設(shè)置解碼器來實(shí)現(xiàn)保密通信。加密器是在需要實(shí)現(xiàn)保密通信時才用的器件。通過加密器可以產(chǎn)生密碼，人為地把被傳輸?shù)臄?shù)字序列攪亂。這種編碼可以采用周期非常長的偽隨機(jī)序列，甚至采用完全無規(guī)律的噪聲碼，這個過程就叫做加密。在接收端利用與發(fā)端完全相同的密碼復(fù)制品，可對接收到的數(shù)字序列進(jìn)行解密，保證信息傳輸有極高的保密性。

4.信道

信道是信號的傳輸媒介。

5.噪聲源

噪聲源是系統(tǒng)內(nèi)各種干擾影響的等效結(jié)果。