1.2 通信系统

1.2.1 信道

信道（Channel）是信号传递的通道，由两地之间有形或无形的介质构成。信道按传输介质可以分为两大类，一类是有线信道，如在两地之间铺设的有形的传输介质，常见的有双绞线、同轴电缆和光导纤维；另一类是无线信道，两地之间没有任何介质，只是利用电磁波在空间传播的特性进行信号的传输。

信道对信号传输的影响由信道传输特性所决定。信号在信道中传输时会出现能量的衰减，衰减的大小有的与频率有关，有的与时间有关，也有的既与时间有关也与频率有关，这些关系构成了信道的传输特性。无一例外的是，信号在信道中的衰减都与传输距离有关，距离越长，衰减越大。

不同介质的信道具有不同的传输特性。例如，双绞线信道中传输的信号频率超过100kHz时其衰减量就很大，光导纤维只能传送一些特定波长的光波，而无线信道对不同频率的电磁波呈现出不同的传播模式，如中波地表面传播、短波电离层反射传播、超短波直线传播等，因此传输特性的差异也很大。

无线信道的传输特性比有线信道复杂，一方面衰减量大，另一方面有多径传播的问题，而且也往往会随时间变化。特别是用于移动通信的信道，因为通信终端（如手机）处于移动状态，各种传输的参数也处于不断变化过程中，使得信号的传输较为复杂。

1.2.2 通信系统的基本组成

信息并不能自发地通过信道由一地传向另一地，它需要有一个通信系统来支持这种传输。通信系统一般由信源、发送设备、信道、接收设备和信宿5部分组成，如图1-4所示。

信源是指产生信息的源头，在这里是指产生电信号的源头，它将各种形式的信息（如声音、光、热等）通过转换器（如话筒、摄像机、热敏电阻等）变换成原始电信号。在大多数情况下，这个原始电信号是基带信号。

发送设备将信源产生的信号变换为适于信道传输的信号。变换方式有很多种，要依据信道的特性进行选择，常见的变换方式有信道编码、放大和正弦调制等。经正弦调制后的信号就是频带信号。

信号进入信道后，除了会受到信道的衰减外，还不可避免地会受到各种干扰。在分析时往往把所有的干扰（包括内部噪声）折合到信道上统一用一个等效噪声源来表示。

接收设备的任务是将接收到的信号准确地恢复成原基带信号。接收设备在功能上有很多方面与发送设备有对应的关系。如果发送设备将信号进行了调制，则接收设备就必须对接收到的信号解调；如果发送设备对信号进行了信道编码处理，则接收设备就要对信号进行解码处理。

信宿的作用是将基带信号恢复成原始信号，信宿与信源也有对应的关系，如果信源是话筒，则信宿就是喇叭；如果信源是摄像机，则信宿通常是视频播放设备。

在通信系统中，信源与信宿统称为终端设备（Terminal Equipments），发送设备与接收设备统称为通信设备（Communication Equipments）。

图1-4所示的通信系统模型是对各种通信系统的概括，它反映了通信系统的共性。根据所研究的对象不同，会出现形式不同的具体的通信模型。例如，图1-5是一个对讲机通信系统的组成框图。

图1-5中，信源是一个话筒，它可将人的声音转换成电流，在发送设备中进行滤波、高频调制和功率放大后通过发送天线以电磁波的形式进入空中（信道），经过一段距离的电磁波传播后在接收天线中感应出高频小电流，通过接收设备的高频放大、解调、滤波最后加到喇叭（信宿）上，产生与话筒输入基本一样的声音。

1.2.3 数字通信系统

利用模拟信号作为载体而传递信息的通信方式称为模拟通信。模拟通信系统以追求信号波形的不失真传输为主要目标，在信号传输过程中未进行过数字化处理。在模拟通信系统中，不论信号的取值是连续的还是离散的，其值的大小都被认为是有意义的，因此都必须被正确地反映到系统的输出端。模拟通信系统主要用于传输模拟信号，但也可以用于低速的数字信号的传输。例如，一对对讲机既可以传送语音信号（模拟信号），也可以传送电报（数字信号）。电话系统原用于人的语音交流，是模拟通信系统，但如果在发送与接收终端加入调制解调器，则计算机数据就可以利用这个系统进行传输。

利用数字信号作为载体而传递信息的通信方式称为数字通信。数字通信系统以追求信号误码率最小为主要目标，利用数字信号的取值离散特点，在信号传输过程中进行了数字化处理。数字通信系统只能传送数字信号，如电报、计算机数据等。与模拟通信系统相比，数字通信系统并不过多地关心信号传输过程中波形有多大的失真，而是更多地关心数字信号的基本单元（码元）是否会出错，因此采取多种数字技术来解决信号传输过程中出现的问题，如状态的判决、编码、数字计算等。

一般的数字通信系统的模型如图1-6所示。

数字通信系统在传输数字信号的过程中，还采用了多种数字技术。在数字通信系统中，信号是以码元为单位进行传输的，每个码元的电参数（如幅度、相位等）只有有限个状态，因此数字通信系统中有一个很重要的功能模块，这就是再生器。因为受信道传输特性、外部噪声等各种因素的影响，信号的波形在传输过程中难免会出现失真，但再生器内的判决电路可以对信号的状态进行判决，只要失真不严重，信号仍然可以完全恢复。

除此之外，数字通信系统还可以通过编码对信号进行差错控制、加密等处理。实际上，任何信息既可用模拟方式传输，也可用数字方式传输，如图1-7所示。当数字通信系统要被用于传送模拟信号时，必须对模拟信号进行数字化，即A/D转换。当模拟通信系统用于传送数字信号时，则必须对数字信号的频谱进行改变，以适应模拟通信系统的信道特性。

1.2.4 数字数据通信系统

数据通信专指在计算机或其他数据终端之间发生的存储、处理、传输和交换数字化编码信息的通信。作为一种通信业务，数据通信为实现广义的远程信息处理提供服务。其典型应用有文件传输、电子信箱、语音信箱、可视图文、目录查询、信息检索、智能用户电报以及遥测、遥控等。

数据通信系统有两种类型，一种是模拟数据通信系统，另一种是数字数据通信系统。“数据”一词表明信息的类型，“数字”一词表明信息传递与处理的方式。数据信号可以用模拟的方式进行通信，也可以用数字的方式进行通信。计算机数据通过调制解调器的调制和解调在电话网中传输是数据信号的模拟传输，而在校园网中，计算机数据都是以数字方式传输的，相应的传输系统称为数字数据通信系统。

一个简单的从A地到B地的数据通信系统的构成如图1-8所示。从A点到B点的通信系统可以分为以下7个部分：

（1）A点的数据终端设备DTE（DataTermind Equipment）；

（2）A点的DTE与数据通信设备DCE（Data Communication Equipment）之间的接口；

（3）A点的DCE；

（4）A点与B点的数据传输通道；

（5）B点的DCE；

（6）B点的DTE与数据通信设备DCE之间的接口；

（7）B点的数据终端设备DTE。

数据终端设备（DTE）是数据通信系统中的终端设备或终端系统，它是一个数据源、数据宿或两者兼而有之，常见的有微型计算机、打印机、传真机等。DTE本身只具有短距离的数据传输能力，但它有较强的数据功能，包括与DCE的连接以实现数据的收和发、串行与并行的转换、数据线路的控制、与新连接的数据网相对应的网络功能以及为在两端的DTE之间进行数据连接所必需的其他各功能。DTE可以是一台单独的设备，也可以由两台以上的设备组成。

数据通信设备（DCE）具有将数据以模拟或数字方式在通信网络中传输的功能。在发送端，DCE接收来自于DTE的串行或并行数据，并将它转换成适合于信道传输特性的信号送入信道；在接收端，DCE接收来自信道的信号并将其转换成串行或并行的数据流送给DTE。DCE的主要作用是实现信号的变换与编解码。它将来自DTE的信号进行变换使之变成适合信道传输的线路码，并通过编码使之具有抗干扰能力，在有些系统中DCE还要对信号进行调制，使信号能在具有带通特性的信道中传输；信号到达接收端后，接收端的DCE要对收到的信号进行相反的变换与解码。DCE还有向DTE传送时钟信号的功能及其他功能。调制解调器（Modem）是一种DCE，常用的调制方式是FSK（Frequency Shift Keying，频移键控）、PSK（Phase Shift Keying，相移键控）或QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制）。

在物理结构上，DCE可以是一台单独的设备，也可以与DTE合二为一，如传真机等。在计算机网络中，计算机就是一种DTE，而DCE则可能是以网卡的形式安装在计算机的扩展槽中。

如果连接DTE和DCE的电缆及所使用的信号电平与标准的要求不同，就会使两者之间的连接出现困难。现有的DTE/DCE接口标准有多个，虽然它们的方案有所不同，但每个标准都提供了连接的机械、电气及功能参数。EIA（Electronic Industries Association，电子工业协会）的有关标准是EIA—232、EIA—442和EIA—449，ITU—T（ITU，International Telecommunication Union，国际电信联盟）的相关标准有V系列和X系列。例如，调制解调器与DTE的接口标准采用的是RS232 C。

1.2.5 通信系统的主要性能指标

衡量一个系统性能优劣的主要指标是有效性和可靠性。通信系统用于传输信息，其有效性是指信息的传输速度，而可靠性是指信息传输的质量。模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，传送同样的信息占用信道的频带宽度越小，则说明系统的有效性越好。可靠性用系统输出的信号噪声功率比（简称信噪比）来度量，在相同的条件下，某一系统输出信噪比越高，则该系统通信质量越好。通常情况下，电话要求信噪比为20～40dB，电视则要求40dB以上。

衡量数字通信系统的主要性能指标为信息传输速率和信息传输差错率。

（1）码元与比特

码元（Symbol）：携带信息的数字信号单元称做码元。它指的是数字信号的一个波形符号，可能是二进制的，也可能是多进制的。

比特（Bit）：信息的度量单位。一位二进制码元所携带的信息量即为1比特。例如，二进制数10010110，八位二进制码元，其所携带的信息量为8比特。一个M进制的码元所携带的信息量是log2 M比特。

（2）传输速率

传输速率是指在单位时间内通过信道的平均信息量，一般有两种表示方法。

比特速率：又称传信率、比特率、信息速率，指传输系统每秒传送的比特数。单位是比特/秒、bit/s，简记为b/s、bps，用fb表示。

码元速率：又称传信率、传码率、数码率、波形速率，指传输系统每秒传送的码元数，用fB表示。码元速率的单位是波特（Baud），常用大写英文符号B表示。码元速率并没有限定是何种进制的码元，所以给出码元速率时，必须说明这个码元的进制。

对于M进制码元，其码元速率和比特速率的关系式为：fb=fB·log2 M。显然，对二进制码元，fb=fB。

传信率（传码率）指标不能真正体现出信道的传输效率，因为传输速率越高，所占用的信道频带越宽，因此通常采用单位频带的传信率η来衡量信道的传输效率，即η=信息速率/频带宽度，其单位为bit/（s·Hz）。

（3）传输差错率

衡量数字通信系统可靠性的主要指标是误码率和误比特率。

误码率（码元差错率）：在传输的码元总数中错误接收的码元数所占的比例，用 Pe表示。

Pe=发生误码个数n/传输总码数N

误比特率：又称误信率、比特差错率，指在传输的信息量总数中错误接收的比特数所占的比例，用Peb表示。

Peb=发生错误（丢失）的比特个数n/总传输比特数N

通信系统的有效性指标和可靠性指标是可以互补的，对于一个特定的通信系统，有时可以通过牺牲有效性指标来换取可靠性指标，反之亦然。