1.2 通信系統

1.2.1 信道

信道（Channel）是信號傳遞的通道，由兩地之間有形或無形的介質構成。信道按傳輸介質可以分為兩大類，一類是有線信道，如在兩地之間鋪設的有形的傳輸介質，常見的有雙絞線、同軸電纜和光導纖維；另一類是無線信道，兩地之間沒有任何介質，只是利用電磁波在空間傳播的特性進行信號的傳輸。

信道對信號傳輸的影響由信道傳輸特性所決定。信號在信道中傳輸時會出現能量的衰減，衰減的大小有的與頻率有關，有的與時間有關，也有的既與時間有關也與頻率有關，這些關系構成了信道的傳輸特性。無一例外的是，信號在信道中的衰減都與傳輸距離有關，距離越長，衰減越大。

不同介質的信道具有不同的傳輸特性。例如，雙絞線信道中傳輸的信號頻率超過100kHz時其衰減量就很大，光導纖維只能傳送一些特定波長的光波，而無線信道對不同頻率的電磁波呈現出不同的傳播模式，如中波地表面傳播、短波電離層反射傳播、超短波直線傳播等，因此傳輸特性的差異也很大。

無線信道的傳輸特性比有線信道復雜，一方面衰減量大，另一方面有多徑傳播的問題，而且也往往會隨時間變化。特別是用于移動通信的信道，因為通信終端（如手機）處于移動狀態，各種傳輸的參數也處于不斷變化過程中，使得信號的傳輸較為復雜。

1.2.2 通信系統的基本組成

信息并不能自發地通過信道由一地傳向另一地，它需要有一個通信系統來支持這種傳輸。通信系統一般由信源、發送設備、信道、接收設備和信宿5部分組成，如圖1-4所示。

信源是指產生信息的源頭，在這里是指產生電信號的源頭，它將各種形式的信息（如聲音、光、熱等）通過轉換器（如話筒、攝像機、熱敏電阻等）變換成原始電信號。在大多數情況下，這個原始電信號是基帶信號。

發送設備將信源產生的信號變換為適于信道傳輸的信號。變換方式有很多種，要依據信道的特性進行選擇，常見的變換方式有信道編碼、放大和正弦調制等。經正弦調制后的信號就是頻帶信號。

信號進入信道后，除了會受到信道的衰減外，還不可避免地會受到各種干擾。在分析時往往把所有的干擾（包括內部噪聲）折合到信道上統一用一個等效噪聲源來表示。

接收設備的任務是將接收到的信號準確地恢復成原基帶信號。接收設備在功能上有很多方面與發送設備有對應的關系。如果發送設備將信號進行了調制，則接收設備就必須對接收到的信號解調；如果發送設備對信號進行了信道編碼處理，則接收設備就要對信號進行解碼處理。

信宿的作用是將基帶信號恢復成原始信號，信宿與信源也有對應的關系，如果信源是話筒，則信宿就是喇叭；如果信源是攝像機，則信宿通常是視頻播放設備。

在通信系統中，信源與信宿統稱為終端設備（Terminal Equipments），發送設備與接收設備統稱為通信設備（Communication Equipments）。

圖1-4所示的通信系統模型是對各種通信系統的概括，它反映了通信系統的共性。根據所研究的對象不同，會出現形式不同的具體的通信模型。例如，圖1-5是一個對講機通信系統的組成框圖。

圖1-5中，信源是一個話筒，它可將人的聲音轉換成電流，在發送設備中進行濾波、高頻調制和功率放大后通過發送天線以電磁波的形式進入空中（信道），經過一段距離的電磁波傳播后在接收天線中感應出高頻小電流，通過接收設備的高頻放大、解調、濾波最后加到喇叭（信宿）上，產生與話筒輸入基本一樣的聲音。

1.2.3 數字通信系統

利用模擬信號作為載體而傳遞信息的通信方式稱為模擬通信。模擬通信系統以追求信號波形的不失真傳輸為主要目標，在信號傳輸過程中未進行過數字化處理。在模擬通信系統中，不論信號的取值是連續的還是離散的，其值的大小都被認為是有意義的，因此都必須被正確地反映到系統的輸出端。模擬通信系統主要用于傳輸模擬信號，但也可以用于低速的數字信號的傳輸。例如，一對對講機既可以傳送語音信號（模擬信號），也可以傳送電報（數字信號）。電話系統原用于人的語音交流，是模擬通信系統，但如果在發送與接收終端加入調制解調器，則計算機數據就可以利用這個系統進行傳輸。

利用數字信號作為載體而傳遞信息的通信方式稱為數字通信。數字通信系統以追求信號誤碼率最小為主要目標，利用數字信號的取值離散特點，在信號傳輸過程中進行了數字化處理。數字通信系統只能傳送數字信號，如電報、計算機數據等。與模擬通信系統相比，數字通信系統并不過多地關心信號傳輸過程中波形有多大的失真，而是更多地關心數字信號的基本單元（碼元）是否會出錯，因此采取多種數字技術來解決信號傳輸過程中出現的問題，如狀態的判決、編碼、數字計算等。

一般的數字通信系統的模型如圖1-6所示。

數字通信系統在傳輸數字信號的過程中，還采用了多種數字技術。在數字通信系統中，信號是以碼元為單位進行傳輸的，每個碼元的電參數（如幅度、相位等）只有有限個狀態，因此數字通信系統中有一個很重要的功能模塊，這就是再生器。因為受信道傳輸特性、外部噪聲等各種因素的影響，信號的波形在傳輸過程中難免會出現失真，但再生器內的判決電路可以對信號的狀態進行判決，只要失真不嚴重，信號仍然可以完全恢復。

除此之外，數字通信系統還可以通過編碼對信號進行差錯控制、加密等處理。實際上，任何信息既可用模擬方式傳輸，也可用數字方式傳輸，如圖1-7所示。當數字通信系統要被用于傳送模擬信號時，必須對模擬信號進行數字化，即A/D轉換。當模擬通信系統用于傳送數字信號時，則必須對數字信號的頻譜進行改變，以適應模擬通信系統的信道特性。

1.2.4 數字數據通信系統

數據通信專指在計算機或其他數據終端之間發生的存儲、處理、傳輸和交換數字化編碼信息的通信。作為一種通信業務，數據通信為實現廣義的遠程信息處理提供服務。其典型應用有文件傳輸、電子信箱、語音信箱、可視圖文、目錄查詢、信息檢索、智能用戶電報以及遙測、遙控等。

數據通信系統有兩種類型，一種是模擬數據通信系統，另一種是數字數據通信系統。“數據”一詞表明信息的類型，“數字”一詞表明信息傳遞與處理的方式。數據信號可以用模擬的方式進行通信，也可以用數字的方式進行通信。計算機數據通過調制解調器的調制和解調在電話網中傳輸是數據信號的模擬傳輸，而在校園網中，計算機數據都是以數字方式傳輸的，相應的傳輸系統稱為數字數據通信系統。

一個簡單的從A地到B地的數據通信系統的構成如圖1-8所示。從A點到B點的通信系統可以分為以下7個部分：

（1）A點的數據終端設備DTE（DataTermind Equipment）；

（2）A點的DTE與數據通信設備DCE（Data Communication Equipment）之間的接口；

（3）A點的DCE；

（4）A點與B點的數據傳輸通道；

（5）B點的DCE；

（6）B點的DTE與數據通信設備DCE之間的接口；

（7）B點的數據終端設備DTE。

數據終端設備（DTE）是數據通信系統中的終端設備或終端系統，它是一個數據源、數據宿或兩者兼而有之，常見的有微型計算機、打印機、傳真機等。DTE本身只具有短距離的數據傳輸能力，但它有較強的數據功能，包括與DCE的連接以實現數據的收和發、串行與并行的轉換、數據線路的控制、與新連接的數據網相對應的網絡功能以及為在兩端的DTE之間進行數據連接所必需的其他各功能。DTE可以是一臺單獨的設備，也可以由兩臺以上的設備組成。

數據通信設備（DCE）具有將數據以模擬或數字方式在通信網絡中傳輸的功能。在發送端，DCE接收來自于DTE的串行或并行數據，并將它轉換成適合于信道傳輸特性的信號送入信道；在接收端，DCE接收來自信道的信號并將其轉換成串行或并行的數據流送給DTE。DCE的主要作用是實現信號的變換與編解碼。它將來自DTE的信號進行變換使之變成適合信道傳輸的線路碼，并通過編碼使之具有抗干擾能力，在有些系統中DCE還要對信號進行調制，使信號能在具有帶通特性的信道中傳輸；信號到達接收端后，接收端的DCE要對收到的信號進行相反的變換與解碼。DCE還有向DTE傳送時鐘信號的功能及其他功能。調制解調器（Modem）是一種DCE，常用的調制方式是FSK（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）、PSK（Phase Shift Keying，相移鍵控）或QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調制）。

在物理結構上，DCE可以是一臺單獨的設備，也可以與DTE合二為一，如傳真機等。在計算機網絡中，計算機就是一種DTE，而DCE則可能是以網卡的形式安裝在計算機的擴展槽中。

如果連接DTE和DCE的電纜及所使用的信號電平與標準的要求不同，就會使兩者之間的連接出現困難。現有的DTE/DCE接口標準有多個，雖然它們的方案有所不同，但每個標準都提供了連接的機械、電氣及功能參數。EIA（Electronic Industries Association，電子工業協會）的有關標準是EIA—232、EIA—442和EIA—449，ITU—T（ITU，International Telecommunication Union，國際電信聯盟）的相關標準有V系列和X系列。例如，調制解調器與DTE的接口標準采用的是RS232 C。

1.2.5 通信系統的主要性能指標

衡量一個系統性能優劣的主要指標是有效性和可靠性。通信系統用于傳輸信息，其有效性是指信息的傳輸速度，而可靠性是指信息傳輸的質量。模擬通信系統的有效性可用有效傳輸頻帶來度量，傳送同樣的信息占用信道的頻帶寬度越小，則說明系統的有效性越好。可靠性用系統輸出的信號噪聲功率比（簡稱信噪比）來度量，在相同的條件下，某一系統輸出信噪比越高，則該系統通信質量越好。通常情況下，電話要求信噪比為20～40dB，電視則要求40dB以上。

衡量數字通信系統的主要性能指標為信息傳輸速率和信息傳輸差錯率。

（1）碼元與比特

碼元（Symbol）：攜帶信息的數字信號單元稱做碼元。它指的是數字信號的一個波形符號，可能是二進制的，也可能是多進制的。

比特（Bit）：信息的度量單位。一位二進制碼元所攜帶的信息量即為1比特。例如，二進制數10010110，八位二進制碼元，其所攜帶的信息量為8比特。一個M進制的碼元所攜帶的信息量是log2 M比特。

（2）傳輸速率

傳輸速率是指在單位時間內通過信道的平均信息量，一般有兩種表示方法。

比特速率：又稱傳信率、比特率、信息速率，指傳輸系統每秒傳送的比特數。單位是比特/秒、bit/s，簡記為b/s、bps，用fb表示。

碼元速率：又稱傳信率、傳碼率、數碼率、波形速率，指傳輸系統每秒傳送的碼元數，用fB表示。碼元速率的單位是波特（Baud），常用大寫英文符號B表示。碼元速率并沒有限定是何種進制的碼元，所以給出碼元速率時，必須說明這個碼元的進制。

對于M進制碼元，其碼元速率和比特速率的關系式為：fb=fB·log2 M。顯然，對二進制碼元，fb=fB。

傳信率（傳碼率）指標不能真正體現出信道的傳輸效率，因為傳輸速率越高，所占用的信道頻帶越寬，因此通常采用單位頻帶的傳信率η來衡量信道的傳輸效率，即η=信息速率/頻帶寬度，其單位為bit/（s·Hz）。

（3）傳輸差錯率

衡量數字通信系統可靠性的主要指標是誤碼率和誤比特率。

誤碼率（碼元差錯率）：在傳輸的碼元總數中錯誤接收的碼元數所占的比例，用 Pe表示。

Pe=發生誤碼個數n/傳輸總碼數N

誤比特率：又稱誤信率、比特差錯率，指在傳輸的信息量總數中錯誤接收的比特數所占的比例，用Peb表示。

Peb=發生錯誤（丟失）的比特個數n/總傳輸比特數N

通信系統的有效性指標和可靠性指標是可以互補的，對于一個特定的通信系統，有時可以通過犧牲有效性指標來換取可靠性指標，反之亦然。