1.1 數(shù)字通信系統(tǒng)的基本概念

1.1.1 信息、信號及分類

1．信息的概念

通信的目的就是傳遞或交換信息。什么是信息呢？

（1）信息的定義

從信息論的觀點來看，本體論層次（無條件約束的層次、純客觀角度）信息的定義是事物運動的狀態(tài)和方式；認識論層次（站在人類主體的立場上）信息的定義是某主體所表述的相應事物的運動狀態(tài)和運動方式。

與通信結(jié)合較緊密的信息的定義是美國的一位數(shù)學家、信息論的主要奠基人仙農(nóng)（C.E.Shannnon）提出的。他把信息定義為“用來消除不定性的東西”。通信的過程就是傳遞“用來消除不定性的東西”。

（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進制度量單位（比特）進行度量。一個二進制的“l(fā)”或者一個二進制的“0”所含的信息量是1比特（bit）。

② 可識別性

自然信息（自然界存在的信息：動物、植物等運動的狀態(tài)和方式）可以采取直觀識別、比較識別和間接識別等多種方式來把握，例如聽、看、觸覺感知等；社會信息（將自然信息用語言、文字、圖表和圖像等表達出來）可以采取綜合識別方式。

③ 可轉(zhuǎn)換性

信息可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)，自然信息可轉(zhuǎn)換為語言、文字、圖表和圖像等社會信息。

社會信息和自然信息都可轉(zhuǎn)換為由電磁波為載體的電話、電報、電視或數(shù)據(jù)等信號。

④ 可存儲性

信息可以以各種方式進行存儲。大腦就是一個天然信息存儲器，人腦利用其100億～150億個神經(jīng)元，可存儲100萬億～1000萬億比特的信息。除大腦的自然信息存儲外，人類早期一般用文字進行信息存儲，而后又發(fā)展了錄音、錄像、縮微以及計算機存儲等多種信息存儲方式，不但能存儲靜態(tài)信息，而且可存儲動態(tài)信息。

⑤ 可處理性

信息具有可處理性。人腦就是一個最佳的信息處理器，其他像計算機信息處理等只不過是人腦的信息處理功能的一種外化而已。

⑥ 可傳遞性

信息常用的傳遞方式有語言、表情、動作、報刊、書籍、廣播、電視、電話等。

⑦ 可再生性

信息經(jīng)過處理后，可以其他形式再生。如自然信息經(jīng)過人工處理后，可用語言或圖形等方式再生成信息，輸入計算機的各種數(shù)據(jù)文字等信息，可用顯示、打印、繪圖等方式再生成信息。

⑧ 可壓縮性

信息可按照一定規(guī)則或方法進行壓縮，以用最少的信息量來描述一個事物。壓縮的信息處理后可還原。

⑨ 可利用性

信息具有實效性或可利用性，它只對特定的接收者才能顯示出來，如有關農(nóng)作物生長的信息，只對農(nóng)民有效，對工人則效用甚微。而且，對于不同的接收者，信息的可利用度也不同。

⑩ 可共享性

信息具有不守恒性，它具有擴散性。在信息的傳遞中，對信息的持有者來說，并沒有任何損失。這就導致了信息的一個重要特性——可共享性。

2．信號的概念

信號是攜帶信息的載體，信息則是這個載體所攜帶的內(nèi)容。

對于通信系統(tǒng)（后述）信源發(fā)出的信息要經(jīng)過適當?shù)淖儞Q和處理，使之變成適合在信道上傳輸?shù)男盘柌趴梢詡鬏敗Ｐ盘枒哂心撤N可以感知的物理參量，如電壓、電流及光波強度、頻率、時間等。

3．信號的分類

（1）根據(jù)信源發(fā)出的信息的形式分類

根據(jù)信源發(fā)出的信息的形式不同，信號可分為語音信號、電報信號、電視信號、傳真信號和數(shù)據(jù)信號等。

（2）根據(jù)信號物理參量基本特征分類

信號的時間波形的特征可用兩個物理參量（時間、幅度）來表示。根據(jù)信號物理參量基本特征的不同，信號可以分為兩大類：模擬信號和數(shù)字信號。

① 模擬信號

圖1-1（a）所示的信號是模擬信號。可見模擬信號波形模擬著信息的變化而變化，其特點是幅度連續(xù)。連續(xù)的含義是在某一取值范圍內(nèi)可以取無限多個數(shù)值。從圖1-1（a）波形中又可看出，此信號波形在時間上也是連續(xù)的，我們將時間上連續(xù)的信號叫連續(xù)信號。圖1-1（b）所示的是圖1-1（a）的抽樣信號，即對圖1-1（a）的信號波形每隔TS時間抽樣一次，因此其波形在時間上是離散的，但幅度取值仍是連續(xù)的，所以圖1-1（b）仍然是模擬信號，由于此波形在時間上是離散的，故它又是離散信號。電話信號、傳真信號、電視信號等都屬于模擬信號。

② 數(shù)字信號

圖1-2所示的是數(shù)字信號的波形，其特點是幅值被限制在有限個數(shù)值之內(nèi)，它不是連續(xù)的，而是離散的。圖1-2（a）所示的是二進碼，每一個碼元只取兩個幅值（0,A）；圖1-2 （b）所示的是四電平碼，其每個碼元只取四個幅值（3,1,-1,-3）中的一個。這種幅度離散的信號稱為數(shù)字信號。電報信號、數(shù)據(jù)信號（計算機等數(shù)據(jù)終端輸出的信號稱為數(shù)據(jù)信號）等屬于數(shù)字信號。

從以上分析可知，數(shù)字信號與模擬信號的區(qū)別是根據(jù)幅度取值上是否離散而定的。雖然模擬信號與數(shù)字信號有明顯區(qū)別，但二者之間，在一定條件下是可以互相轉(zhuǎn)換的。

在此順便介紹一下占空比的概念。參見圖1-3，設“1”碼脈沖的寬度為τ，二進制碼元允許的時間為tB（即二進制碼元的間隔），占空比，可見，圖1-3（a）中a=1，圖1-3（b）中a=1/2。

1.1.2 通信系統(tǒng)的組成

信息的傳遞和交換的過程稱為通信。

我們知道信息可以有多種表現(xiàn)形式，如語音、文字、數(shù)據(jù)、圖像等。近代通信系統(tǒng)也是種類繁多、形式各異，但可以把通信系統(tǒng)概括為一個統(tǒng)一的模型。這一模型包括信源、變換器、信道、反變換器、信宿和噪聲源六個部分，如圖1-4所示。

通信系統(tǒng)模型中各部分的功能如下。

1．信源

信源是指發(fā)出信息的信息源。在人與人之間通信的情況下，信源是發(fā)出信息的人；在機器與機器之間通信的情況下，信源是發(fā)出信息的機器，如計算機等。

2．變換器

變換器的功能是把信源發(fā)出的信息變換成適合于在信道上傳輸?shù)男盘枴?/p>

3．信道

信道是信號的傳輸通道。

如果按傳輸媒介的類型分，信道可以分為有線信道和無線信道。有線信道主要包括雙絞線、同軸電纜、光纖等；無線信道是指傳輸電磁信號的自由空間（詳見下述）。

如果按范圍分，信道可以分為狹義信道和廣義信道。狹義信道是指純的傳輸媒介；廣義信道則是傳輸媒介加上兩邊相應的通信設備或變換設備。根據(jù)所考慮的變換設備多少，廣義信道的范圍也有所不同。

如果按信道上傳輸?shù)男盘栃问椒郑诺揽梢苑譃槟M信道與數(shù)字信道。傳輸模擬信號的信道稱為模擬信道；傳輸數(shù)字信號的信道稱為數(shù)字信道。

4．反變換器

反變換器是變換器的逆變換。其功能就是把從信道上接收的信號變換成信息接收者可以接收的信息。

5．信宿

信宿是指信息傳送的終點，也就是信息接收者。它可以是與信源對應的，構(gòu)成人—人通信或機—機通信，也可以是與信源不一致的，構(gòu)成人—機通信。

6．噪聲源

噪聲是通信系統(tǒng)中存在的對正常信號傳輸起干擾作用的、不可避免的一種干擾信號。

干擾噪聲可能在信源信息初始產(chǎn)生的周圍環(huán)境中就混入了，也可能從構(gòu)成變換器的電子設備中引入，還有在傳輸信道中及接收端的各種設備中都可能引入干擾噪聲。模型中的噪聲源是以集中形式表示的，即把發(fā)送、傳輸和接收端各部分的干擾噪聲集中地由一個噪聲源來表示。

噪聲按照統(tǒng)計特性分有高斯噪聲和白噪聲。高斯噪聲是指噪聲的概率密度函數(shù)服從高斯分布（即正態(tài)分布）；白噪聲是指噪聲的功率譜密度函數(shù)在整個頻率域（-∞<ω<+∞）內(nèi)是均勻分布的，即它的功率譜密度函數(shù)在整個頻率域（-∞<ω<+∞）內(nèi)是常數(shù)（白噪聲的功率譜密度通常以N0來表示，它的量綱單位是瓦/赫（W/Hz））。

若噪聲的概率密度函數(shù)服從高斯分布，功率譜密度函數(shù)在整個頻率域（-∞<ω<+∞）內(nèi)是常數(shù)，這類噪聲稱為高斯白噪聲。實際信道中的噪聲都是高斯白噪聲。

1.1.3 傳輸信道

1．信道類型及特性

上已述及，有線信道主要包括雙絞線、同軸電纜、光纖等；無線信道是指傳輸電磁信號的自由空間。下面簡單介紹這幾種信道。

（1）雙絞線

雙絞線是由兩條相互絕緣的銅導線扭絞起來構(gòu)成的，一對線作為一條通信線路。其結(jié)構(gòu)如圖1-5（a）所示，通常一定數(shù)量這樣的導線對捆成一個電纜，外邊包上硬護套。雙絞線可用于傳輸模擬信號，也可用于傳輸數(shù)字信號，其通信距離一般為幾到幾十千米，其傳輸衰減特性如圖1-6所示。由于電磁耦合和集膚效應，線對的傳輸衰減隨著頻率的增加而增大，故信道的傳輸特性呈低通型特性。

由于雙絞線成本低廉且性能較好，在數(shù)據(jù)通信和計算機通信網(wǎng)中都是一種普遍采用的傳輸媒質(zhì)。目前，在某些專門系統(tǒng)中，雙絞線在短距離傳輸中的速率已達100～155Mbit/s。

（2）同軸電纜

同軸電纜也像雙絞線那樣由一對導體組成，但它們是按同軸的形式構(gòu)成線對，其結(jié)構(gòu)如圖1-5（b）所示。其中最里層是內(nèi)導體芯線，外包一層絕緣材料，外面再套一個空心的圓柱形外導體，最外層是起保護作用的塑料外皮。內(nèi)導體和外導體構(gòu)成一組線對。應用時，外導體是接地的，故同軸電纜具有很好的抗干擾性，并且它比雙絞線具有較好的頻率特性。同軸電纜與雙絞線相比成本較高。

與雙絞線信道特性相同，同軸電纜信道特性也是低通型特性，但它的低通頻帶要比雙絞線的頻帶寬。

（3）光纖

① 光纖的結(jié)構(gòu)

光纖有不同的結(jié)構(gòu)形式，目前通信用的光纖絕大多數(shù)是用石英材料做成的橫截面很小的雙層同心玻璃體，外層玻璃的折射率比內(nèi)層稍低。折射率高的中心部分叫作纖芯，其折射率為n1，直徑為2a；折射率低的外圍部分稱為包層，其折射率為n2，直徑為2b。光纖的基本結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。

② 光纖的種類

按照折射率分布、傳輸模式多少、材料成分等的不同，光纖可分為很多種類，下面簡單介紹有代表性的幾種。

a．按照折射率分布分。光纖按照折射率分布可以分為階躍型光纖和漸變型光纖兩種。

● 階躍型光纖。纖芯折射率n1沿半徑方向保持一定，包層折射率n2沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化，這種光纖稱為階躍型光纖，又可稱為均勻光纖，它的結(jié)構(gòu)如圖1-8（a）所示。

● 漸變型光纖。纖芯折射率n1隨著半徑加大而逐漸減小，而包層中折射率n2是均勻的，這種光纖稱為漸變型光纖，又稱為非均勻光纖，它的結(jié)構(gòu)如圖1-7（b）所示。

b．按照傳輸模式的多少來分。所謂模式，實質(zhì)上是電磁場的一種場型結(jié)構(gòu)分布形式，模式不同，其場型結(jié)構(gòu)不同。根據(jù)光纖中傳輸模式的數(shù)量，可分為單模光纖和多模光纖。

● 單模光纖。只傳輸單一模式的光纖，叫作單模光纖。單模光纖的纖芯直徑較小，約為4～10 μm，通常認為纖芯中的折射率是均勻分布的。由于單模光纖只傳輸基模，從而完全避免了模式色散，使傳輸帶寬大大加寬。因此，它適用于大容量、長距離的光纖通信。

● 多模光纖。在一定的工作波長下，可以傳輸多種模式的光纖，稱為多模光纖。多模光纖的纖芯直徑約為50μm，由于模式色散的存在使多模光纖的帶寬變窄，但其制造、耦合、連接都比單模光纖容易。

c．按光纖的材料來分。

● 石英系光纖。這種光纖的纖芯和包層是由高純度的SiO2摻有適當?shù)碾s質(zhì)制成，光纖的損耗低，強度和可靠性較高，目前應用最廣泛。

● 石英芯、塑料包層光纖。這種光纖的纖芯用石英制成，包層采用硅樹脂。

● 多成分玻璃纖維。這種光纖一般用鈉玻璃摻有適當雜質(zhì)制成。

● 塑料光纖。這種光纖的纖芯和包層都由塑料制成。

（4）無線信道

無線通信中信號是以微波的形式傳輸。微波是一種頻率在300MHz～300GHz之間的電磁波，有時我們把這種電磁波簡稱為電波。電波由天線輻射后，便向周圍空間傳播，到達接收地點的能量僅是一小部分。距離越遠，這一部分能量越小。

無線通信中主要的電波傳播模式有3種——空間波、地表面波和天波，如圖1-9所示。

空間波是指在大氣對流層中進行傳播的電波傳播模式。在電波的傳播過程中，會出現(xiàn)反射、折射和散射等現(xiàn)象。長途微波通信和移動通信中均采用這種視距通信方式。

地表面波是指沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姴▊鞑ツＪ健ｉL波、中波一般采用這種傳播方式，天線直接架設在地面。

天波是利用電離層的折射、反射和散射作用進行的電波傳播模式。短波通信采用的正是這種電波傳播模式。

對于無線信道，電波空間所產(chǎn)生的自然現(xiàn)象，例如雨、霧、雪及大氣湍流等都會對電波的傳輸質(zhì)量帶來影響，并產(chǎn)生衰落。尤其在衛(wèi)星通信中，由于衛(wèi)星通信的傳播路徑遙遠，要通過對流層中的云層以及再上面的同溫層、中間層、電離層和外層空間，故電波傳播受空間影響更大。

2．傳輸損耗

信號在傳輸介質(zhì)中傳播時將會有一部分能量轉(zhuǎn)化成熱能或者被傳輸介質(zhì)吸收，從而造成信號強度不斷減弱，這種現(xiàn)象稱為傳輸損耗（或傳輸衰減）。衰減將對信號傳輸產(chǎn)生很大的影響，若不采取有效措施，信號在經(jīng)過遠距離傳輸后其強度甚至會減弱到接收方無法檢測到的地步，如圖1-10所示。

可見傳輸衰減是影響傳輸距離的重要因素之一。傳輸衰減的衡量是網(wǎng)絡的輸入端功率與輸出端功率之差。衰減常用的電平符號是dB（分貝），分貝（dB）是以常用對數(shù)表示兩個功率之比的一種計量單位。

如設0點為發(fā)送源點，其發(fā)送功率為P0，傳輸終點為l點，接收點功率為P1，則0點到l點的傳輸損耗就是

3．信噪比

如前所述，信號在傳輸過程中不可避免地要受到傳輸損耗和信道噪聲干擾的影響，信噪比就是用來描述信號傳輸過程所受到損耗和噪聲干擾程度的量，它是衡量傳輸系統(tǒng)性能的重要指標之一。信噪比是指某一點上的信號功率與噪聲功率之比，可表示為

式中，PS是信號平均功率；PN是噪聲平均功率。信噪比通常是以分貝（dB）來表示的，其公式為

1.1.4 模擬通信與數(shù)字通信的概念

根據(jù)在信道上傳輸?shù)男盘栃问降牟煌煞譃閮深愅ㄐ欧绞剑耗M通信和數(shù)字通信。

1．模擬通信

模擬通信是以模擬信號的形式傳遞消息。模擬通信采用頻分復用實現(xiàn)多路通信，即通過調(diào)制將各路信號的頻譜搬移到線路的不同頻譜上，使各路信號在頻率上錯開以實現(xiàn)多路通信。

2．數(shù)字通信

數(shù)字通信是以數(shù)字信號的形式傳遞消息。數(shù)字通信采用時分復用實現(xiàn)多路通信，即利用各路信號在信道上占有不同的時間間隔的特征來分開各路信號。

1.1.5 數(shù)字通信系統(tǒng)的構(gòu)成模型

數(shù)字通信系統(tǒng)的構(gòu)成模型如圖1-11所示。

發(fā)送終端是把原始信息變換成原始電信號。常見的信源有產(chǎn)生模擬信號的電話機、話筒、攝像機和輸出數(shù)字信號的電子計算機、各種數(shù)字終端設備等。

信源編碼的功能之一是把模擬信號變換成數(shù)字信號，即完成模/數(shù)變換的任務；功能之二是數(shù)據(jù)壓縮。如果信源產(chǎn)生的已經(jīng)是數(shù)字信號，可省去信源編碼部分。

傳輸過程中由于信道中存在噪聲干擾，使得傳輸?shù)臄?shù)字信號產(chǎn)生差錯——誤碼。為了在接收端能自動進行檢錯或糾正差錯，在信源編碼后的信息碼元中，按一定的規(guī)律附加一些監(jiān)督碼元，形成新的數(shù)字信號。接收端可按數(shù)字信號的規(guī)律性來檢查接收信號是否有差錯或糾正錯碼。這種自動檢錯或糾錯功能是由信道編碼來完成的。

信道是指傳輸信號的通道。前面我們已知信道的種類，其中雙絞線和同軸電纜可以直接傳輸基帶數(shù)字信號（未經(jīng)調(diào)制變換的數(shù)字信號），而其他各種信道媒介都工作在較高的頻段上，因此需將基帶數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制，將其頻帶搬移到適合于信道傳輸?shù)念l帶上。基帶數(shù)字信號直接在信道中傳輸?shù)姆绞椒Q為基帶傳輸；將基帶數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制后再送到信道的傳輸方式稱為頻帶傳輸。調(diào)制器的作用是對數(shù)字信號進行頻率搬移。

接收端的解調(diào)、信道解碼、信源解碼等幾個方框的功能與發(fā)送端幾個對應的方框正好相反，是一一對應的反變換關系，這里不再贅述。信源解碼后的電信號，由接收終端所接收。

這里有兩個問題需要說明。

① 圖1-11中的發(fā)送終端其實包括圖1-4中信源和變換器的一部分；信源編碼、信道編碼和調(diào)制相當于圖1-4中變換器的另一部分。接收終端包括圖1-4中信宿和反變換器的一部分；解調(diào)、信道解碼、信源解碼相當于圖1-4中反變換器的另一部分。

② 對于具體的數(shù)字通信系統(tǒng)，其方框圖并非都與圖1-11方框圖完全一樣，例如：

● 若信源是數(shù)字信息時（例如發(fā)送終端發(fā)送的是數(shù)據(jù)信號），則信源編碼和信源解碼可去掉，這樣就構(gòu)成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

● 若通信距離不太遠，且通信容量不太大時，信道一般采用電纜，即采用基帶傳輸方式，這樣就不需要調(diào)制和解調(diào)部分。

● 傳送語音信息時，即使有少量誤碼，也不影響通信質(zhì)量，一般不加信道編碼、解碼。

● 在對保密性能要求比較高的通信系統(tǒng)中，可在信源編碼與信道編碼之間加入加密器，同時在接收端加入解密器。