1.2 什么是通信系统
实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质被统称为通信系统。电话通信系统就是指实现声音传递的通信系统，如图1-8所示。
图1-8 电话通信系统
我们在日常生活中接触到的通信系统都比较复杂，但这些复杂的通信系统并不是一蹴而就的，它经历了由简单到复杂、由有线到无线、由模拟到数字的发展历程。
为了更好地理解通信原理，下面回顾一下通信系统的演变历史。
一、有线模拟通信系统
1875年，贝尔发现电流的强弱可以模拟声音大小的变化，由此想到了利用电流来传送声音，发明了电话。最简单的有线电话通信系统如图1-9所示，主要由话筒、听筒及二者之间的电话线组成。
图1-9 有线模拟电话通信系统
1．话筒
话筒又被称为麦克风、送话器，负责将声音的变化转换为电流的变化。
曾经在电话通信系统中广泛应用的碳粒式麦克风如图1-10所示。
图1-10 碳粒式麦克风
其工作原理如图1-11所示：当声波作用于震动膜片，碳粒被挤压变得紧密，电阻随之减小，电流增大；当声音变小时，碳粒变得疏松，电阻随之增大，电流减小。
图1-11 碳粒式麦克风工作原理
2．听筒
听筒又被称为扬声器、喇叭、受话器，负责将电流的变化转换为声音的变化。如图1-12所示的就是一种很常见的扬声器，被称为动圈式扬声器。
其工作原理如图1-13所示：扬声器里有一个线圈，镶嵌在环形磁体的空隙里，当有音频电流通过时，就产生一个随电流规律变化的磁场，在环形磁铁的共同作用下，线圈带动纸盆振动，发出声音。
图1-12 动圈式扬声器
图1-13 动圈式扬声器工作原理
二、无线模拟通信系统
有线电话通信需要架设很长的电话线路，部署起来很不方便。1887年赫兹通过试验证实了电磁波的存在。马可尼受赫兹的电磁波试验的启发，1894年开始进行无线电通信试验，并于1896年发明了无线电报，1899年首次完成了英国与法国之间国际性的无线电通话。
无线电话通信系统如图1-14所示，主要由话筒、调制器、发射天线、接收天线、解调器和听筒组成。
图1-14 无线电话通信系统
最初的通信系统是用模拟电路实现的，其中传输的信号都是模拟信号，因此被称为模拟通信系统。
模拟信号存在一个缺点，那就是抗干扰能力差，很容易在传输的过程中受到干扰影响而产生失真。假定从话筒输出一个音频信号，其波形如图1-15所示。
图1-15 话筒送出的音频信号波形
信号经过传输到达听筒，波形很容易发生失真，如图1-16所示。
图1-16 到达听筒的音频信号波形
三、有线数字通信系统
相对于模拟信号，数字信号有很多优点。
1．数字信号抗干扰能力强
数字信号的抗干扰能力很强。以最常见的二进制数字信号为例，其使用高电平和低电平两种电平分别代表二进制数字0和1。接收端只需关注采样时刻的电平值，能够区分出高电平和低电平就可以了，并不需要对接收信号的波形太关心，因此信号波形失真对数字信号的影响很小。
假定发送端发出一串二进制数字010101…，其波形如图1-17所示。
图1-17 发送端发出的二进制数字信号波形
经过传输到达接收端的信号很容易发生失真，波形如图1-18所示。
图1-18 到达接收端的二进制数字信号波形
只要传输线路比较短，信号衰减程度比较小，信号波形失真不是太严重，二进制数字010101…很容易在接收端被正确恢复出来。但如果传输线路很长，信号衰减程度很大，信号到达接收端时波形失真很严重，二进制数字很难被正确恢复出来。有没有什么解决办法呢？
只要在信号衰减到一定程度、波形失真还不是太严重时插入数字中继器，对数字信号进行放大，恢复理想脉冲波形，再转发出去即可，这就是数字信号的再生，如图1-19所示。
图1-19 数字信号的再生
由此可见，数字信号通过再生很容易实现远距离传输。
有人会说：模拟信号也可以采用类似的方法来实现远距离传输啊，只要在中途对模拟信号进行放大即可，如图1-20所示。
图1-20 模拟信号的远距离传输
表面上看似可行，实际上存在一个问题：对模拟信号进行放大的同时，叠加在上面的噪声也会被放大，而且累积的噪声会随着传输距离的增加而越来越多，信号质量会越来越差。而数字信号则不同，通过中继器放大时，可以恢复出理想脉冲波形，叠加在脉冲信号上的噪声不会被累积。
2．数字信号便于复用传输
数字信号还便于实现多路信号的复用传输。
以4路信号的并行传输为例，如图1-21所示，4路信号只要按时间错开、轮流占用传输线路，即可实现4路信号的复用传输。
图1-21 数字信号的4路复用传输
3．数字信号便于交换
数字信号很容易利用时隙交换实现用户间的数据交换。
假定甲用户的数据在A线路的1#时隙中传输，乙用户的数据在H线路的3#时隙中传输。通过时隙交换，很容易将A线路1#时隙中的内容交换到H线路3#时隙中，如图1-22所示。
图1-22 数字信号的时隙交换
4．数字信号便于加密
数字信号还便于进行加密和解密。
对称加密是一种很常见的加密算法，其工作原理如图1-23所示。
图1-23 对称加密原理
加密：发送方将明文和加密密钥一起经过特殊加密算法处理后，使其变成复杂的加密密文发送出去。
解密：接收方收到密文后，使用相同的密钥及相同算法的逆算法对密文进行解密，将明文恢复出来。
下面看一个例子：明文为101101011011，密钥为011010101001，对二者进行异或运算，得到密文110111110010，这就完成了加密；只要用相同的密钥与密文进行异或运算，就可以得到明文，完成解密，如图1-24所示。
图1-24 对称加密的例子
5．数字信号便于存储
数字信号可以很方便地保存在如图1-25所示的VCD/DVD光盘、U盘、硬盘或者网盘中。一个小小的U盘就可以轻松存储几百首歌。
图1-25 光盘、U盘和硬盘
相对来讲，模拟信号的存储就没有那么方便了。图1-26所示就是过去常见的录音带和录像带，一盘录音带或录像带一般只能存储个把小时的模拟声音信号或模拟视频信号。
图1-26 录音带和录像带
6．数字电路的优点多
处理模拟信号的电路被称为模拟电路；处理数字信号的电路被称为数字电路。数字电路相对于模拟电路有很多优点，如表1-1所示。
表1-1 数字电路和模拟电路对照表
正是由于数字信号具有上述诸多优点，数字信号开始在通信系统中得到应用，模拟通信系统逐渐演变为数字通信系统。
采用了数字通信技术的电话通信系统如图1-27所示。
图1-27 有线数字电话通信系统
相对于有线模拟电话通信系统：在发送端增加了模／数转换器用于将模拟语音信号转换成数字信号；在接收端增加了数／模转换器，用于将数字信号转换回模拟语音信号。
四、无线数字通信系统
数字通信技术引入无线通信系统后，无线通信系统也由模拟通信系统演变为数字通信系统，如图1-28所示。
图1-28 无线数字电话通信系统
相对于无线模拟电话通信系统：在发送端增加模／数转换器用于将模拟语音信号转换成数字信号，同时将模拟调制器更改为数字调制器；在接收端将模拟解调器更改为数字解调器，同时增加数／模转换器，用于将数字信号转换回模拟语音信号。