1.1 数字通信系统的基本概念

1.1.1 信息、信号及分类

1．信息的概念

通信的目的就是传递或交换信息。什么是信息呢？

（1）信息的定义

从信息论的观点来看，本体论层次（无条件约束的层次、纯客观角度）信息的定义是事物运动的状态和方式；认识论层次（站在人类主体的立场上）信息的定义是某主体所表述的相应事物的运动状态和运动方式。

与通信结合较紧密的信息的定义是美国的一位数学家、信息论的主要奠基人仙农（C.E.Shannnon）提出的。他把信息定义为“用来消除不定性的东西”。通信的过程就是传递“用来消除不定性的东西”。

（2）信息的基本特征

信息具有以下基本特征。

① 可度量性

信息可采用基本的二进制度量单位（比特）进行度量。一个二进制的“l”或者一个二进制的“0”所含的信息量是1比特（bit）。

② 可识别性

自然信息（自然界存在的信息：动物、植物等运动的状态和方式）可以采取直观识别、比较识别和间接识别等多种方式来把握，例如听、看、触觉感知等；社会信息（将自然信息用语言、文字、图表和图像等表达出来）可以采取综合识别方式。

③ 可转换性

信息可以从一种形态转换为另一种形态，自然信息可转换为语言、文字、图表和图像等社会信息。

社会信息和自然信息都可转换为由电磁波为载体的电话、电报、电视或数据等信号。

④ 可存储性

信息可以以各种方式进行存储。大脑就是一个天然信息存储器，人脑利用其100亿～150亿个神经元，可存储100万亿～1000万亿比特的信息。除大脑的自然信息存储外，人类早期一般用文字进行信息存储，而后又发展了录音、录像、缩微以及计算机存储等多种信息存储方式，不但能存储静态信息，而且可存储动态信息。

⑤ 可处理性

信息具有可处理性。人脑就是一个最佳的信息处理器，其他像计算机信息处理等只不过是人脑的信息处理功能的一种外化而已。

⑥ 可传递性

信息常用的传递方式有语言、表情、动作、报刊、书籍、广播、电视、电话等。

⑦ 可再生性

信息经过处理后，可以其他形式再生。如自然信息经过人工处理后，可用语言或图形等方式再生成信息，输入计算机的各种数据文字等信息，可用显示、打印、绘图等方式再生成信息。

⑧ 可压缩性

信息可按照一定规则或方法进行压缩，以用最少的信息量来描述一个事物。压缩的信息处理后可还原。

⑨ 可利用性

信息具有实效性或可利用性，它只对特定的接收者才能显示出来，如有关农作物生长的信息，只对农民有效，对工人则效用甚微。而且，对于不同的接收者，信息的可利用度也不同。

⑩ 可共享性

信息具有不守恒性，它具有扩散性。在信息的传递中，对信息的持有者来说，并没有任何损失。这就导致了信息的一个重要特性——可共享性。

2．信号的概念

信号是携带信息的载体，信息则是这个载体所携带的内容。

对于通信系统（后述）信源发出的信息要经过适当的变换和处理，使之变成适合在信道上传输的信号才可以传输。信号应具有某种可以感知的物理参量，如电压、电流及光波强度、频率、时间等。

3．信号的分类

（1）根据信源发出的信息的形式分类

根据信源发出的信息的形式不同，信号可分为语音信号、电报信号、电视信号、传真信号和数据信号等。

（2）根据信号物理参量基本特征分类

信号的时间波形的特征可用两个物理参量（时间、幅度）来表示。根据信号物理参量基本特征的不同，信号可以分为两大类：模拟信号和数字信号。

① 模拟信号

图1-1（a）所示的信号是模拟信号。可见模拟信号波形模拟着信息的变化而变化，其特点是幅度连续。连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值。从图1-1（a）波形中又可看出，此信号波形在时间上也是连续的，我们将时间上连续的信号叫连续信号。图1-1（b）所示的是图1-1（a）的抽样信号，即对图1-1（a）的信号波形每隔TS时间抽样一次，因此其波形在时间上是离散的，但幅度取值仍是连续的，所以图1-1（b）仍然是模拟信号，由于此波形在时间上是离散的，故它又是离散信号。电话信号、传真信号、电视信号等都属于模拟信号。

② 数字信号

图1-2所示的是数字信号的波形，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。图1-2（a）所示的是二进码，每一个码元只取两个幅值（0,A）；图1-2 （b）所示的是四电平码，其每个码元只取四个幅值（3,1,-1,-3）中的一个。这种幅度离散的信号称为数字信号。电报信号、数据信号（计算机等数据终端输出的信号称为数据信号）等属于数字信号。

从以上分析可知，数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上是否离散而定的。虽然模拟信号与数字信号有明显区别，但二者之间，在一定条件下是可以互相转换的。

在此顺便介绍一下占空比的概念。参见图1-3，设“1”码脉冲的宽度为τ，二进制码元允许的时间为tB（即二进制码元的间隔），占空比，可见，图1-3（a）中a=1，图1-3（b）中a=1/2。

1.1.2 通信系统的组成

信息的传递和交换的过程称为通信。

我们知道信息可以有多种表现形式，如语音、文字、数据、图像等。近代通信系统也是种类繁多、形式各异，但可以把通信系统概括为一个统一的模型。这一模型包括信源、变换器、信道、反变换器、信宿和噪声源六个部分，如图1-4所示。

通信系统模型中各部分的功能如下。

1．信源

信源是指发出信息的信息源。在人与人之间通信的情况下，信源是发出信息的人；在机器与机器之间通信的情况下，信源是发出信息的机器，如计算机等。

2．变换器

变换器的功能是把信源发出的信息变换成适合于在信道上传输的信号。

3．信道

信道是信号的传输通道。

如果按传输媒介的类型分，信道可以分为有线信道和无线信道。有线信道主要包括双绞线、同轴电缆、光纤等；无线信道是指传输电磁信号的自由空间（详见下述）。

如果按范围分，信道可以分为狭义信道和广义信道。狭义信道是指纯的传输媒介；广义信道则是传输媒介加上两边相应的通信设备或变换设备。根据所考虑的变换设备多少，广义信道的范围也有所不同。

如果按信道上传输的信号形式分，信道可以分为模拟信道与数字信道。传输模拟信号的信道称为模拟信道；传输数字信号的信道称为数字信道。

4．反变换器

反变换器是变换器的逆变换。其功能就是把从信道上接收的信号变换成信息接收者可以接收的信息。

5．信宿

信宿是指信息传送的终点，也就是信息接收者。它可以是与信源对应的，构成人—人通信或机—机通信，也可以是与信源不一致的，构成人—机通信。

6．噪声源

噪声是通信系统中存在的对正常信号传输起干扰作用的、不可避免的一种干扰信号。

干扰噪声可能在信源信息初始产生的周围环境中就混入了，也可能从构成变换器的电子设备中引入，还有在传输信道中及接收端的各种设备中都可能引入干扰噪声。模型中的噪声源是以集中形式表示的，即把发送、传输和接收端各部分的干扰噪声集中地由一个噪声源来表示。

噪声按照统计特性分有高斯噪声和白噪声。高斯噪声是指噪声的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）；白噪声是指噪声的功率谱密度函数在整个频率域（-∞<ω<+∞）内是均匀分布的，即它的功率谱密度函数在整个频率域（-∞<ω<+∞）内是常数（白噪声的功率谱密度通常以N0来表示，它的量纲单位是瓦/赫（W/Hz））。

若噪声的概率密度函数服从高斯分布，功率谱密度函数在整个频率域（-∞<ω<+∞）内是常数，这类噪声称为高斯白噪声。实际信道中的噪声都是高斯白噪声。

1.1.3 传输信道

1．信道类型及特性

上已述及，有线信道主要包括双绞线、同轴电缆、光纤等；无线信道是指传输电磁信号的自由空间。下面简单介绍这几种信道。

（1）双绞线

双绞线是由两条相互绝缘的铜导线扭绞起来构成的，一对线作为一条通信线路。其结构如图1-5（a）所示，通常一定数量这样的导线对捆成一个电缆，外边包上硬护套。双绞线可用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号，其通信距离一般为几到几十千米，其传输衰减特性如图1-6所示。由于电磁耦合和集肤效应，线对的传输衰减随着频率的增加而增大，故信道的传输特性呈低通型特性。

由于双绞线成本低廉且性能较好，在数据通信和计算机通信网中都是一种普遍采用的传输媒质。目前，在某些专门系统中，双绞线在短距离传输中的速率已达100～155Mbit/s。

（2）同轴电缆

同轴电缆也像双绞线那样由一对导体组成，但它们是按同轴的形式构成线对，其结构如图1-5（b）所示。其中最里层是内导体芯线，外包一层绝缘材料，外面再套一个空心的圆柱形外导体，最外层是起保护作用的塑料外皮。内导体和外导体构成一组线对。应用时，外导体是接地的，故同轴电缆具有很好的抗干扰性，并且它比双绞线具有较好的频率特性。同轴电缆与双绞线相比成本较高。

与双绞线信道特性相同，同轴电缆信道特性也是低通型特性，但它的低通频带要比双绞线的频带宽。

（3）光纤

① 光纤的结构

光纤有不同的结构形式，目前通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫作纤芯，其折射率为n1，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。光纤的基本结构如图1-7所示。

② 光纤的种类

按照折射率分布、传输模式多少、材料成分等的不同，光纤可分为很多种类，下面简单介绍有代表性的几种。

a．按照折射率分布分。光纤按照折射率分布可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种。

● 阶跃型光纤。纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化，这种光纤称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤，它的结构如图1-8（a）所示。

● 渐变型光纤。纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤，它的结构如图1-7（b）所示。

b．按照传输模式的多少来分。所谓模式，实质上是电磁场的一种场型结构分布形式，模式不同，其场型结构不同。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光纤和多模光纤。

● 单模光纤。只传输单一模式的光纤，叫作单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为4～10 μm，通常认为纤芯中的折射率是均匀分布的。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，使传输带宽大大加宽。因此，它适用于大容量、长距离的光纤通信。

● 多模光纤。在一定的工作波长下，可以传输多种模式的光纤，称为多模光纤。多模光纤的纤芯直径约为50μm，由于模式色散的存在使多模光纤的带宽变窄，但其制造、耦合、连接都比单模光纤容易。

c．按光纤的材料来分。

● 石英系光纤。这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的SiO2掺有适当的杂质制成，光纤的损耗低，强度和可靠性较高，目前应用最广泛。

● 石英芯、塑料包层光纤。这种光纤的纤芯用石英制成，包层采用硅树脂。

● 多成分玻璃纤维。这种光纤一般用钠玻璃掺有适当杂质制成。

● 塑料光纤。这种光纤的纤芯和包层都由塑料制成。

（4）无线信道

无线通信中信号是以微波的形式传输。微波是一种频率在300MHz～300GHz之间的电磁波，有时我们把这种电磁波简称为电波。电波由天线辐射后，便向周围空间传播，到达接收地点的能量仅是一小部分。距离越远，这一部分能量越小。

无线通信中主要的电波传播模式有3种——空间波、地表面波和天波，如图1-9所示。

空间波是指在大气对流层中进行传播的电波传播模式。在电波的传播过程中，会出现反射、折射和散射等现象。长途微波通信和移动通信中均采用这种视距通信方式。

地表面波是指沿地球表面传播的电波传播模式。长波、中波一般采用这种传播方式，天线直接架设在地面。

天波是利用电离层的折射、反射和散射作用进行的电波传播模式。短波通信采用的正是这种电波传播模式。

对于无线信道，电波空间所产生的自然现象，例如雨、雾、雪及大气湍流等都会对电波的传输质量带来影响，并产生衰落。尤其在卫星通信中，由于卫星通信的传播路径遥远，要通过对流层中的云层以及再上面的同温层、中间层、电离层和外层空间，故电波传播受空间影响更大。

2．传输损耗

信号在传输介质中传播时将会有一部分能量转化成热能或者被传输介质吸收，从而造成信号强度不断减弱，这种现象称为传输损耗（或传输衰减）。衰减将对信号传输产生很大的影响，若不采取有效措施，信号在经过远距离传输后其强度甚至会减弱到接收方无法检测到的地步，如图1-10所示。

可见传输衰减是影响传输距离的重要因素之一。传输衰减的衡量是网络的输入端功率与输出端功率之差。衰减常用的电平符号是dB（分贝），分贝（dB）是以常用对数表示两个功率之比的一种计量单位。

如设0点为发送源点，其发送功率为P0，传输终点为l点，接收点功率为P1，则0点到l点的传输损耗就是

3．信噪比

如前所述，信号在传输过程中不可避免地要受到传输损耗和信道噪声干扰的影响，信噪比就是用来描述信号传输过程所受到损耗和噪声干扰程度的量，它是衡量传输系统性能的重要指标之一。信噪比是指某一点上的信号功率与噪声功率之比，可表示为

式中，PS是信号平均功率；PN是噪声平均功率。信噪比通常是以分贝（dB）来表示的，其公式为

1.1.4 模拟通信与数字通信的概念

根据在信道上传输的信号形式的不同，可分为两类通信方式：模拟通信和数字通信。

1．模拟通信

模拟通信是以模拟信号的形式传递消息。模拟通信采用频分复用实现多路通信，即通过调制将各路信号的频谱搬移到线路的不同频谱上，使各路信号在频率上错开以实现多路通信。

2．数字通信

数字通信是以数字信号的形式传递消息。数字通信采用时分复用实现多路通信，即利用各路信号在信道上占有不同的时间间隔的特征来分开各路信号。

1.1.5 数字通信系统的构成模型

数字通信系统的构成模型如图1-11所示。

发送终端是把原始信息变换成原始电信号。常见的信源有产生模拟信号的电话机、话筒、摄像机和输出数字信号的电子计算机、各种数字终端设备等。

信源编码的功能之一是把模拟信号变换成数字信号，即完成模/数变换的任务；功能之二是数据压缩。如果信源产生的已经是数字信号，可省去信源编码部分。

传输过程中由于信道中存在噪声干扰，使得传输的数字信号产生差错——误码。为了在接收端能自动进行检错或纠正差错，在信源编码后的信息码元中，按一定的规律附加一些监督码元，形成新的数字信号。接收端可按数字信号的规律性来检查接收信号是否有差错或纠正错码。这种自动检错或纠错功能是由信道编码来完成的。

信道是指传输信号的通道。前面我们已知信道的种类，其中双绞线和同轴电缆可以直接传输基带数字信号（未经调制变换的数字信号），而其他各种信道媒介都工作在较高的频段上，因此需将基带数字信号经过调制，将其频带搬移到适合于信道传输的频带上。基带数字信号直接在信道中传输的方式称为基带传输；将基带数字信号经过调制后再送到信道的传输方式称为频带传输。调制器的作用是对数字信号进行频率搬移。

接收端的解调、信道解码、信源解码等几个方框的功能与发送端几个对应的方框正好相反，是一一对应的反变换关系，这里不再赘述。信源解码后的电信号，由接收终端所接收。

这里有两个问题需要说明。

① 图1-11中的发送终端其实包括图1-4中信源和变换器的一部分；信源编码、信道编码和调制相当于图1-4中变换器的另一部分。接收终端包括图1-4中信宿和反变换器的一部分；解调、信道解码、信源解码相当于图1-4中反变换器的另一部分。

② 对于具体的数字通信系统，其方框图并非都与图1-11方框图完全一样，例如：

● 若信源是数字信息时（例如发送终端发送的是数据信号），则信源编码和信源解码可去掉，这样就构成数据通信系统。

● 若通信距离不太远，且通信容量不太大时，信道一般采用电缆，即采用基带传输方式，这样就不需要调制和解调部分。

● 传送语音信息时，即使有少量误码，也不影响通信质量，一般不加信道编码、解码。

● 在对保密性能要求比较高的通信系统中，可在信源编码与信道编码之间加入加密器，同时在接收端加入解密器。