1.2 通信系统的概念

1.2.1 通信信号及分类

消息由信源产生，它具有与信源相应的特征及属性，常见的有语音、文字、数据和图像消息等。不同的信源要求有不同的通信系统与之对应，从而形成了多种多样的通信系统，如电话通信系统、图像通信系统等。信息是抽象的消息，一般是用数据来表示的。表示信息的数据通常都要经过适当的变换和处理，变成适合在信道上传输的信号（电信号或光信号）才可以传输。可以说，信号是信息的一种电磁表示方法，它利用某种可以被感知的物理参量，如电压、电流、光波或频率等来携带信息，即信号是信息的载体。

信号一般都以时间为自变量，以表示信息的某个参量（如电信号的振幅、频率或相位等）为因变量。根据信号的因变量的取值是否连续，信号可以分为模拟信号和数字信号。模拟信号就是因变量完全连续地随信息的变化而变化的信号，其自变量可以是连续的，也可以是离散的，但因变量一定是连续的。电视图像信号、语音信号、温度压力传感器的输出信号，以及许多遥感遥测信号等都是模拟信号；脉冲幅度调制信号（PAM）、脉冲相位调制信号（PPM）以及脉冲宽度调制信号（PWM）等也属于模拟信号，这两类信号的差异只是在于它们的自变量取值连续与否。

模拟信号的特点是信号的强度（如电压或电流）取值随时间而发生连续的变化，如图1-6（a）所示。正是因为这个原因，模拟信号通常也被称作为连续信号。这个连续的含义是指在某一取值范围内，信号的强度可以有无限多个取值。如图1-6中所示的信号电压，在1～1.2V之间就可以取1.1V，1.11V，1.111V…无限多个数量值。

数字信号是指信号的因变量和自变量取值都是离散的信号。由于因变量离散取值，其状态数量即强度的取值个数必然有限，故通常又把数字信号称作离散信号，如图1-6中的图（b）、图（c）所示。其中，图（b）所示为二进制数字信号，即该信号只有0、1两种可能的取值，图（c）所示为四进制数字信号，即该信号共有0、1、2、3四种可能取值。计算机以及数字电话等系统中传输和处理的都是数字信号。

由于模拟信号与数字信号物理特性不同，它们对信号传输通路的要求及其各自的信号传输处理过程也各不相同，但二者之间并非不可逾越，在一定条件下它们也可以相互转化。模拟信号可以通过抽样、编码等处理过程变成数字信号，而数字信号也可以通过解码、平滑作为模拟信号输出。

1.2.2 通信系统构成

1.2.2.1 通信系统模型

尽管通信系统种类繁多、形式各异，但其实质都是完成从一地到另一地的信息传递或交换。因此，可以把通信系统概括为一个统一的模型，包括信源、发送设备、信道、接收设备、信宿和噪声源6个部分，如图1-7所示。

1.信源和信宿

信源是信息的出发点，即发出信息的一端；信宿则是接收信息的终点，也就是信息接收者。若有两个人正在进行通信，则信源指的就是发信息的人，信宿则是收信息的人。当某人收听广播时，对收听者而言，收音机是信源，听收音机的人是信宿；但收音机发出的声音信号实际上源于广播电台，所以对收音机和广播电台来说，收音机是信宿，而电台则是信源。

双工通信中，信源同时也是信宿；而半双工通信中，信源也是信宿，但通信中的同一方是不同时地充当信源和信宿的。

2.发送设备

由于语音、图像等信号无法以电磁波的形式传送，所以需要首先通过变换器将其变换成电信号，再对这种电信号进一步转换，使其适于在信道中传输后再输送到信道中。

电话通信系统中，送话器就是最简单的变换器，它把语音信号变换成电信号传送出去。很多通信系统中为了更有效、可靠地传递信息，其变换处理装置更复杂但功能更完善。

3.信道

信道是传输信号的通道，～是所有信号传输媒介的总称，通常分为有线信道和无线信道两种。有线信道和无线信道均有多种传输媒质，如双绞线、电缆、同轴电缆和光纤等就属于有线信道，而传输电磁信号的自由空间则属于无线信道。信道既给信号以通路，也在信号的传输过程中产生各种干扰，对通信的质量产生直接影响。

4.接收设备

接收设备从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始信号，它对接收信号的处理过程与发送端相反（也被称为反变换），包括信号的解调、译码、解码等。对于多路复用信号，接收设备还具有解除多路复用和实现正确分路的功能。

5.噪声源

噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。噪声源并非实体，但它在实际通信系统中客观存在。虽然噪声可以由消息的初始产生环境、构成变换器的电子设备、传输信道以及各种接收设备等信号传输所经过环节中的一个或几个中产生，为分析方便起见，在模型中把噪声集中由一个噪声源表示，从信道中以叠加的方式引入。

既然信号可以分为模拟信号和数字信号，相应的通信系统也可分为模拟通信系统和数字通信系统。

1.2.2.2 模拟通信系统

信源发出的消息经变换器变换处理后，送往信道上传输的是模拟信号的通信系统就称为模拟通信系统，或者说，模拟通信系统传送和处理的都是模拟信号。

图1-8所示是根据早期模拟电话通信系统结构画出的模拟通信系统模型。图中的送话器和受话器相当于变换器和反变换器，分别完成语音/电信号和电信号/语音的转换，使通话双方的话音信号得以用电信号的形式传送，不再受到距离的约束和限制。

由于模拟信号频谱较窄，模拟通信系统可通过多路复用获得较高的信道利用率，但因为连续信号中叠加了噪声以后很难清除，使解调输出的信号产生波形失真，系统抗干扰能力差。此外，模拟通信系统不易实现保密，设备器件很难被大规模集成化，不能满足飞速发展的计算机通信的要求。

1.2.2.3 数字通信系统

信源发出的信息经变换处理后，送往信道上传输的是数字信号的通信系统就是数字通信系统，即传送和处理数字信号的系统就是数字通信系统。

图1-9所示就是根据数字电话传输系统的结构画出的数字通信系统模型。在发送端，声/电变换设备将语音变换为模拟电信号，再由模/数变换设备将该模拟电信号转换成二进制数字信号，经编码、加密后送至信道传输。在接收端，该数字信号经解码、解密及数/模变换和电/声变换，最后还原成声音信号送给听话者。

和模拟通信系统相比，数字通信系统主要具有如下优点：

（1）抗干扰能力强，数字信号可以通过中继再生消除噪声积累，理论上其传输距离可以无限远。

（2）可以通过差错控制编码，在接收端发现甚至纠正错误，提高了通信的可靠性。

（3）数字信号传输一般采用二进制，故可以使用计算机进行信号处理，实现以计算机为中心的远距离、大规模、复杂、自动控制和自动数据处理系统，如由雷达、数字通信设备、计算机、导弹系统组成的自动化空防系统。

（4）由于数字信号易于加密处理，所以数字通信保密性强。

（5）在数字通信中，各种消息（模拟的和离散的）都可变成统一的数字信号进行传输。在系统中对数字信号传输情况的监视信号、控制信号及业务信号都可采用数字信号。数字传输和数字交换技术结合起来组成的ISDN对于来自不同信源的信号自动地进行变换、综合、传输、处理、存储和分离，实现各种综合业务。

（6）数字通信系统易于集成化，体积小、重量轻、可靠性高。

但是，数字通信最突出的缺点就是占用频带宽，如一路模拟电话信号占用4kHz带宽，而一路数字电话信号却要占用20～64kHz的带宽。当然，随着毫米波、光纤等高频率、短波长通信技术的不断发展和完善，带宽问题已基本上得到缓解和解决。

1.2.3 通信系统的主要性能指标

通信系统的性能指标是衡量一个通信系统好坏与否的标准。没有这些指标，就无法评价一个系统，也无法设计一个系统。因此，了解通信系统的性能指标是很重要的。

通信系统的性能指标是一个十分复杂的问题，它涉及系统的各个方面，诸如有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性以及维护使用等。鉴于通信的目的是为了迅速准确地传输信息，通信系统的指标主要应从信息传输的有效性和可靠性两方面来考虑。

1.2.3.1 有效性

有效性是指信息传输的效率问题，即衡量一个系统传输信息的多少和快慢。可靠性则是指系统接收信息的准确度。两个指标对系统的要求常常相互矛盾，通常只能依据实际要求取得相对统一。例如，在满足一定的可靠性指标下，尽量提高消息的传输速度，或者在维持一定的有效性条件下，使消息传输质量尽可能地提高。

在模拟通信系统中，有效性一般用系统的有效传输频带来表示。采用不同的调制方式传输同样的信息，所需要的频带宽度和系统的性能都是不一样的。调频（FM）信号的频带宽度高于调幅（AM）信号，但它的抗噪声性能却优于AM信号。采用多路复用技术可以提高系统的有效性，显然，信道复用程度越高，则信号传输所用的频带越窄，系统的有效性就越好。

在数字通信系统中，一般用信息传输速率来衡量有效性。传输速率有码元速率和信息速率之分。码元速率（RB）又称传码率，是指系统每秒传送的码元个数，而不管码元是何进制，单位为“波特”（Baud），简写为“B”。信息速率Rb又称比特率，指系统每秒传送的信息量，单位为比特/秒，常用符号bit/s～表示。

注意，虽然码元速率和信息速率都表示系统传输信息的速度，但二者的概念是不同的，使用时不可混淆。不过，它们之间在数值上可以换算。设信息速率为Rb，N进制码的码元速率为RBN，则二者之间的关系为

Rb=RBNlog2N（bit/s） （1-1）

或者 RBN=Rb/log2N（B） （1-2）

若四进制码的码元速率为1200B，则它的信息速率为2400bit/s。

在二进制码的传输过程中，如果信源发送0、1的概率相等，则其码元速率和信息速率在数值上也相等，只是单位不同。

Rb=RB2 （1-3）

即表示每个二进制码元含1bit的信息量。（详见第2章）

比较两个通信系统的有效性时，有的情况下单看传输速率是不够的，因为两个传输速率相同的系统可能具有不同的频带宽度，这时，带宽窄的系统有效性显然应该更高一些。所以，衡量有效性更全面的指标应是系统的频带利用率η，即系统在单位时间、单位频带上传输的信息量，它的单位是比特/秒/赫兹[bit/s/Hz，即bit/（s·Hz～）]。二进制基带系统中，最大的频带利用率为η=2bit/（s·Hz），多进制基带系统中的最大频带利用率大于2bit/（s·Hz）。

频带调制系统中，不同调制方式的频带利用率可能不同。二进制调幅系统的频带利用率仅为0.5bit/（s·Hz），而多进制调幅或调相系统的频带利用率却可以达到6bit/（s·Hz）。总而言之，单位频带利用率越高，则系统的有效性就越好。

1.2.3.2 可靠性

可靠性是关于消息传输质量的指标，它衡量收、发信息之间的相似程度，取决于系统的抗干扰能力。

模拟通信中，可靠性通常用系统的输出信噪比来衡量。通常，接收端恢复的信号与发送端发送的原始信号是有差别的，这种差别受两个方面的影响：

（1）信号传输时叠加的噪声，即加性干扰；

（2）信道传输特性不理想导致的影响，即乘性干扰。

加性干扰无论信号的有无始终存在，而乘性干扰却只有当信号存在时才存在。由于加性干扰不可克服，一般在噪声分析过程中，主要考虑加性干扰的影响。这种影响造成的误差可以用输出信噪比来衡量，输出信噪比越高，通信的质量就越好。输出信噪比除了与信号功率和噪声功率的大小有关以外，还与信号的调制方式有关，所以改变调制方式，也可以改善系统的可靠性。

数字通信系统的可靠性用差错率，即误比特率和误码率来衡量。误码率（Pe）是指错误接收的码元个数在传输的码元总数中所占的比例。更确切地说，误码率是指码元在传输过程中被错误接收的概率，即

误比特率（Pb）是指错误接收信息的比特数在传输信息的总比特数中所占的比例，它表示传输每1比特信息被错误接收的概率，即

有效性和可靠性是相互矛盾的，提高有效性就会降低可靠性，反之亦然。因此，在设计、调试一个系统时，必须要两者兼顾、合理解决，根据实际情况，在首先满足其中一项指标的前提下，尽量提高另一项指标。