通信系统的一般模型

1.1.1通信系统的一般模型通信是从一地向另一地传递和交换信息。

实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。基于点与点之间的通信系统的模型可用图1- 1来描述。信源是消息的产生地，
其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为消息信号或基带信号。电话机、电视摄像机和电传机、计算机等各种数字终端设备就是信源。前者属于模拟信源，输出的是模拟信号；后者是数字信源，输出离散的数字信号。信息源发送设备信息
接收设备受信者发送端接收端噪声源图1-1通信系统的一般模型
发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统来说，
发送设备常常又可分为信源编码与信道编码。

信道是指传输信号的物理媒质。在无线信道中，信道可以是大气（自由空间），在有线信道中，信道可以是明线、电缆或光纤。有线和无线信道均有多种物理媒质。

媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。根据研究对象的不同，需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型，
以反映传输媒质对信号的影响。这一点将在第3章中讨论。

噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且
是人们所不希望的。噪声的来源是多样的，它可分为内部噪声和外部噪声，而且外部噪声往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现
概括地描述了一个通信系统的组成，
它反映了通信系统的共性，因此称之为通信系统的一般模型。根据研究的对象以及
所关注的问题不同，图1 - 1
模型中的各小方框的内容和作用将有所不同，因而相应有不同形式的更具体的通信
模型。今后的讨论就是围绕着通信系统的模型而展开的。

1.1.2模拟通信模型和数字通信模型图 1 - 1中，信源发出的消息虽然有多种形式，但可分为两大类：
一类称为连续消息；另一类称为离散消息。连续消息是指消息的状态连续变化或是不可数的，如语音、活动图片等。离散消息则是指消息的状态是可数的或离散的，如符号、数据等。消息的传递是通过它的物质载体——
电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；
脉冲波的幅度、宽度或位置）。按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类，即模拟信号和数字信号。

凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称

为模拟信号，如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如图1- 2b所示的抽样信号。

凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散，如图1- 3b所示的2PSK信号。ftO t a f nT PAM 信号Ot b 图1–2模拟信号波形fnT 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1O t a 数字信00 1 1 1 0 0 1 息PSK波形b图1-3数字信号波形a连续信号；b抽样信号a二进制波形；b2PSK波形
因此，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，
可相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。1.模拟通信系统模型模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。我们知道，信源发出的原始电信号是基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号为3003400Hz，图像信号为06MHz。由于这种信号具有频率很低的频谱分量，
一般不宜直接传输，这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器。

经过调制以后的信号称为已调信号。已调信号有三个基本特征：
一是携带有信息，二是适合在信道中传输，三是信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。
为是理想的而不予讨论。模拟通信系统模型可由图 1 - 1 略加演变而成，如图1 -4 所示。图中的调制器和解调器就代表图1 - 1 中的发送设备和接收设备。信息源
调制器信道解调器受信者噪声源图1-4 模拟通信系统模型2．数字通信系统模型
数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，如图1 - 5
所示。数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码/译码、信道编码/译码、
数字调制/解调、数字复接、同步以及加密等。下面对这些技术作简要介绍。1
信源编码与译码
信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩
。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。作用之二是，当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。第6章中将讨论模拟信号数字化传输的两种方式：脉冲
编码调制PCM和增量调制ΔM。信源译码是信源编码的逆过程。2）信道编码与译码
数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少
差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所
谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错

误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。3）加密与解密在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，
人为将被传输的数字序列扰乱，
即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。4）数字调制与解调
数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，
形成适合在信道中传输的频带信号。基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测，一般用相关器接收机或匹配滤波器实现。数字调制是本教材的重点内容之一，将在第7章中讨论。

此外，第9章还将介绍一些现代调制技术。5）同步与数字复接
同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。按照同步的功用不同，可分为载波同步、位同步、群同步和网同步，这些问题将集中在第11章中讨论。

数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。复用与复接概念将在第10章中介绍。

需要说明的是，图 1 - 5
是数字通信系统的一般化模型，实际的数字通信系统不一定包括图1 - 1中的所有环节。

节，详见第5章。统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。信信数数信信信源道字信字道
源受息编编调解译译信源码码制道调码码者器器器器器器噪声源图1 – 5数字通信系统模型
当然，数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟电话线
路传输，但这时必须使用调制解调器（Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适
应模拟信道的传输特性。可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信
号种类。3.数字通信的主要特点
目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比，数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求，其特点是：（1）
抗干扰能力强。以二进制为例，信号的取值只有两个，这样接收端只需判别两种状态。信号在传输过程中受到噪声的干扰，必然会发生波形畸变，接收端对其进行抽样判决，以辨别是两个状态中的哪一个。只要噪声的大小不足以影响判决的正确，就能正
确接收。而模拟通信系统中传输的是连续变化的模拟信号，它要求接收机能够高度
保真地重现信号波形，如果模拟信号叠加上噪声后，即使噪声很小，也很难消除它。

此外，在远距离传输，如微波中继通信时，各中继站可利用数字通信特有的判决再生接收方式，对数字信号波形进行整形再生而消除噪声积累。2）差错可控。

可以采用信道编码技术使误码率降低，提高传输的可靠性。（3）
易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。（4）易于集成化，从而使通信设备微型化。（5）易于加密处理，且保密强度高。