第1节　通信系统的基本概念

一、通信的概念和通信系统的组成

人们生活在信息的时代，离不开信息的传递与交流。信息具有不同的载体形式，如符号、文字、语言、数据、图像等。信息的传输是利用通信系统来实现的，通信的目的就是传输信息，通信就是信息的传递和交换，就是由一个地方向另一个地方传送消息。通信系统就是用电信号或光信号传递信息的系统，也叫电信系统。其基本组成包括信源、变换器、信道、反变换器、信宿及噪声源6个组成部分。通信系统的模型如图1-1所示。

1.信源

信源是指发出信息的信息源，或简单地说是信息的发出者，是指产生各种信息（如语音、文字、图像及数据等）的源头，即原始信息来源。信息源可以是离散的数字信息源，也可以是连续的模拟信息源。它的作用是把各种可能的信息转换成相应的电信号。通常见到的信息源可以是人，也可以是机器（如电话机、摄像机、电传机、计算机和各种数字终端设备等）。

2.变换器

变换器的功能是把信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号，即将信源产生的消息信号变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。这是因为信源提供的原始电信号往往不适宜在信道中直接传输。对应不同的信源和不同的通信系统，变换器有不同的组成和变换功能。例如，在模拟电话通信系统中，变换器由送话器和载波机（包括放大器、滤波器和调制器）等组成，其中送话器将人发出的语音信号变换为电信号；载波机的作用是将送话器输出的电信号（频率范围0.3～3.4kHz）经过频率搬移、频分复用处理后，变换成适合于在模拟信道上传输的信号。而对于数字电话通信系统，变换器则包括送话器和模/数变换器等。模/数变换器的作用是将送话器输出的模拟语音信号经过模/数变换和时分复用等处理后，变换成适合于在数字信道中传输的信号。

3.信道

信道是信号传输媒介的总称。信道按传输媒介的种类分类可以分为有线信道和无线信道。在有线信道中，电磁信号（或光信号）约束在某种传输线（架空明线、电缆、光缆等）上传输，在无线信道中电磁信号沿空间（大气层、对流层、电离层等）传输。信道如果按传输信号的形式分类又可以分为模拟信道和数字信道。

4.反变换器

反变换器具有与变换器相反的逆变换功能。反变换器的作用是将从信道上接收的信号变换成信息接收者可以接收的信息。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始电信号来；对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。

5.信宿

信宿是信息的接收者，是传输信息的归宿点，可以是人或机器。受信者与信息源对应构成人与人的通信、机与机的通信、人与机或机与人的通信。

6.噪声源

噪声源并不是一个人为实现的实体，但在实际通信系统中又是客观存在的。噪声源是系统内各种干扰影响的等效结果。系统的噪声来自各个部分，从发出信息和接收信息的周围环境、各种设备的电子器件，到信道所受到的外部电磁场干扰，都会对信号形成噪声影响。将系统内所存在的干扰均折合到信道中，用噪声源表示。

二、信息与信号

1.信息

信息同物质和能量一样，是人类赖以生存和发展的基础，是人类社会进行沟通、交流的纽带。信息的概念具有广泛的内涵，人们从不同侧面对信息进行了定义，通常的定义为：信息是对客观世界中各种事物的变化和特征的反映，对使用者具有价值或潜在的价值，是客观事物之间相互作用和联系的表征以及经过传递后的再现。因此，信息不是事物本身，而是事物的存在方式和运动状态，以及关于事物存在方式和运动状态的陈述。

消息、信号、数据及资料均是信息的具体表现形式。信息的基本特征包括以下方面：

（1）传递性

信息总是处在一定的传递过程中，与物质流、能量流相融合形成信息流，没有传递就没有信息。信息的传递因现代通信技术的出现，特别是因特网的大规模使用，真正实现了“信息无国界”。

（2）时效性

无论是信息的产生、传递还是利用，都有一定的时间期限。信息随时间的变化而变化，只有掌握了最新信息，并及时有效地加以利用，才能实现其价值，创造财富。

（3）累积性

信息从不同的侧面反映事物存在与发展状况，因而随着时间的延续，信息在不断积累和增长。再生性信息在流通使用过程中，可以分析、综合，亦可进行提炼、加工，从而获得更为广泛的知识。

（4）共享性

信息不仅可同时为众多的使用者所共享，而且还会因交流而呈现出内容的倍增。信息的共享性使信息资源通过多种渠道和传输手段加以扩展，从而获得广泛的利用。因特网的出现和高速发展，将最大限度地实现信息共享。

（5）无限性

物质和能量都是有一定储量的，信息资源却不是这样，它会不断扩充，不仅没有限度，而且永远不会耗尽，越来越多，迅速增长。“信息爆炸”、“知识爆炸”与“石油枯竭”、“粮食危机”、“水资源危机”呈现出鲜明的对比。

信息除了以上的基本特征外，还具有其他一些特征，如客观性、目的性、开发性、普遍性、科学性、替代性以及可编性等，这些都构成了信息的复杂性。

2.信号

信息是指消息中包含的有意义的内容，它是通过信号来表达的，信号是信息的载体。信号是指随时间变化的物理量。因为消息不适合于在信道中直接传输，需将其调制成适合在信道中传输的信号。在通信系统中传输的信号是由某些电的参量（如电压、电流等物理参量）表示的。在通信系统中常见的信号有：语音信号、图像信号和数据信号等。信号根据物理参量基本特征的不同，可分为模拟信号和数字信号。

（1）模拟信号

模拟信号是时间和幅度都为连续值的信号，如图1-2所示。好像模拟信息变化，其特点是幅度上连续，因此称为模拟信号。连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值。将时间上连续的和幅度上连续的信号叫做连续信号。例如语音信号、摄像机产生的图像信号等，它们的电压（或电流）波形的取值为连续的时间函数。以幅度代表信息变化的信号，幅度是连续的，且在时间上也是连续的，语音信号、图像信号及遥测、遥控等信号就是属于时间连续的模拟信号，而脉冲幅度调制（PAM）、脉冲相位调制（PPM）和脉冲宽度调制（PWM）等信号则为时间上不连续的模拟信号。

（2）数字信号

数字信号，又称离散信号，不仅在时间上，而且在幅度上也是离散的，如图1-3所示。其特点是幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的，而是离散的。例如，电传电报机信号、计算机信号、数字电话信号及数字电视信号等。这种信号的取值为有限个离散值，且不是时间的连续函数。一般而言，数字信号的幅度集合是任意有限集合，最常用的是二进制数字信号。二进制就是只有两种取值的可能性，通常用（0，1）表示。在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。

三、模拟通信与数字通信

1.模拟通信

信源所发出的信息经变换器变换和处理后，送往信道上传输的是模拟信号的通信系统称为模拟通信系统。发送端的原始连续消息要变换成原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原始连续消息。通常还要把经过第一次变换后的电信号再进行第二次变换，这种第二次变换称为调制，调制即是将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号。已调信号通过信道传输到接收端的解调器和电/非电变换器，它们起着反变换的功能。解调即是在接收端将信道中传输的信号还原成原始的电信号。经过调制后的信号成为已调信号，发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号。因此，原始电信号又称为基带信号，而已调信号又称为频带信号。模拟通信在信道中传输的信号频谱比较窄，可以通过多路复用使信道的利用率提高。

模拟通信的缺点是：传输的信号是连续的，叠加噪声干扰后不易消除，即抗干扰能力较差；不易保密通信；设备不易大规模集成；不适应飞速发展的计算机通信的要求。

2.数字通信

与模拟通信相对应，信源所发出的信息经变换和处理后，送往信道上传输的是数字信号的通信系统称为数字通信系统。在数字通信中，传送的是数字信号。概括地说，数字通信就是把原始模拟信号变换成简单的数字形式，再传送给对方的通信方式。

（1）模拟信号的数字化

以脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）来说，采用PCM的办法把模拟信号数字化，一般要通过下述3个步骤：

第一步：对模拟信号进行“抽样”（Sampling），这是将连续信号在时间上离散化的过程。

第二步：将已在时间上离散化了的信号进行“量化”（Quantization），这是将时间上离散化的信号在幅度上也离散化的过程。

第三步：将时间上和幅度上都已离散化了的信号进行“编码”（Encode），使其成为适合于信道传输的数字形式，这是完成数字化的最后过程。完成了编码过程之后，模拟信号已转换成适合于信道传输的波形，通过信道传输到对方，对方收到传输的信号后再进行反变换，最后通过低通滤波器即可重新得到原来的模拟信号。

（2）数字通信的特点

a.抗干扰能力强，无噪声积累

在数字通信中，由于数字信号的幅度值为有限个数的离散值（通常取两个幅值），在传输过程中受到噪声干扰虽然也要叠加噪声，但当信噪比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，采用再生的方法即可消除噪声干扰，将信号再生成原发送的信号。

数字信号是取有限个离散幅度值的信号，在信道中传输时，则可以在间隔适当距离处采用中继再生的办法消除噪声的积累，还原信号，实现长距离、高质量的传输。

在模拟通信中，传输的是幅值连续变化的模拟信号，受到干扰后，干扰信号就会叠加在信号波形上，并逐渐积累，又经逐级放大，使有用信号产生严重的畸变，一般很难完全恢复原始信号波形。在数字通信中，即使传输中有干扰信号存在，通过再生中继，也可以有效地消除干扰信号的积累，使接收端能正确识别出所传输的信号；另一方面，数字通信系统可通过信道编码/解码来实现检错和纠错，这就使数字通信系统比模拟通信系统具有更强的抗干扰能力。

b.设备便于集成化、小型化

数字通信采用时分多路复用，不需要昂贵的、体积较大的滤波器。由于数字通信系统中大部分电路都是由数字电路来实现的，微电子技术的发展可使数字通信便于用大规模和超大规模集成电路制成体积小、功耗低且成本低的设备来实现。

c.便于加密处理

信息传输的安全性和保密性越来越受到重视，数字通信的加密处理比模拟通信更容易实现。以语音数字通信为例，经过数字变换后的信号就可以用简单的数字逻辑运算进行加密处理。

d.利于采用时分复用实现多路通信

数字信号本身可以很容易用离散时间信号表示，在两个离散时间之间可以插入多路离散时间信号，以实现时分多路复用。在数字通信中，各种消息（电报、电话、图像和数据等）都可以变换为统一的二进制信号进行传输。在通信过程中，可以采用时分复用实现多路通信。时分复用是指各种信号在信道上占有不同的时间间隙，同在一条信道上传输，并且互不干扰。数字信号传输技术可以在综合业务数字通信网（ISDN）中对来自各种不同消息源的信号自动地进行变换、综合、传输、处理、储存和分离，实现各种综合的业务。

e.便于与数字电子计算机连接

由于数字通信中的二进制数字信号与数字电子计算机所采用的数字信号完全一致，所以数字通信线路可以很方便地与数字电子计算机连接，提高对信号的处理能力，提高通信质量，实现复杂的、远距离、大规模自动控制系统和自动数据处理系统，有利于实现通信网的自动化、智能化，提高通信网的效率和可靠性。

f.占用频带宽

一路数字电话频带一般为64kHz，而一路模拟电话所占频带仅为4kHz，前者是后者的16倍。然而随着微波、卫星和光缆信道的大量利用（其信道频带非常宽），以及频带压缩编码器的实现和大量使用，数字通信占用频带宽的矛盾正逐步缩小。

四、数字通信系统模型

数字通信系统是指利用数字信号传递消息的通信系统。数字通信系统的基本任务是把信源产生的信息变换成一定格式的数字信号，通过信道传输，在终端再反变换成适宜受信者接收的信息形式。数字通信系统的组成形式有多种，但从系统的主要功能和部件看，都可概括为数字通信系统模型，如图1-4所示。

1.信息源

信息源是指产生各种信息（如语音、文字、图像及数据等）的信源。

2.编码器、调制器、解调器和译码器

编码器和调制器组合在一起与模拟通信系统的变换器功能类同；解调器和译码器组合在一起与模拟通信系统的反变换器功能类同，但变换的原理有区别。

（1）编码器和译码器

编码器的作用是将信源发出的模拟或离散的信号，转换成有规律的、适应信道传输的数字信号。这种数字信号一般为二进制的脉冲序列。译码器的功能与编码器相反，是把数字信号还原为原始的信息信号。编码器和译码器一般包括两部分：信源编码、信道编码和信道解码、信源解码。

信源编码的主要任务是将信源送出的模拟信号数字化，即对连续信息进行模拟/数字（A/D）变换，用一定的数字脉冲组合来表示信号的一定幅度。

信道编码是一种代码变换，主要解决数字通信的可靠性问题，故又称作抗干扰编码。数字信号在信道中传输，不可避免地会受到噪声干扰，并有可能导致接收信号的错误判断，产生错码（误码）。信道编码就是为了减小这种错误判断出现的概率而引出的编码方法。具体地讲，是将信源编码输出的数字信号，人为地按一定规律加入一些不代表所传信息的多余数字代码，以达到在接收端可以发现和纠正错误的目的。

（2）调制器和解调器

调制器的作用是把二进制脉冲变换或调制成适宜在信道上传输的波形。由于编码器输出的二进制脉冲序列（也称为基带信号）一般不宜在信道中直接传输，尤其不宜在长距离信道中传输，需要把它调制在一个确定的高频振荡（称为载波）上，使高频振荡的振幅、频率、相位或它们的组合随所要传输的数字脉冲有规律地变化。在数字通信系统中，这个过程称为数字调制。它是信息传输过程中的一个重要措施，利用它可减小信道中干扰的影响，可改善信号频谱以及信道特性匹配，减小传输引起的失真，并具有提供多种用户合用一个信道（多路复用）的能力，使信号在信道上的传输效率大为提高。

解调是调制的逆过程，解调器是把接收到的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号，并送解码器解码。

3.加密器和解码器

数字通信在实现信息加密和解密方面比模拟通信有较大的优越性，一般是在数字通信系统的信源编码器后或前设置加密器，在信源译码器前或后设置解码器来实现保密通信。加密器是在需要实现保密通信时才用的器件。通过加密器可以产生密码，人为地把被传输的数字序列搅乱。这种编码可以采用周期非常长的伪随机序列，甚至采用完全无规律的噪声码，这个过程就叫做加密。在接收端利用与发端完全相同的密码复制品，可对接收到的数字序列进行解密，保证信息传输有极高的保密性。

4.信道

信道是信号的传输媒介。

5.噪声源

噪声源是系统内各种干扰影响的等效结果。