通信系统模型设计

Shannon创立信息论是从研究通信系统开始的，并建立了通信系统模型。由于技术发展水平的限制，以及为了简化问题、突出通信的本质，该模型限制在点对点通信。所以，这种通信系统模型是指“从一个地方向另一个地方传输信息的系统”，例如，电报、电话、广播电视、无线通信、光通信、遥测、遥控、雷达、声呐和导航等。而存储系统在某种意义上也可以视为“现在向将来传输信息”的通信系统，例如，磁盘或光盘驱动器、磁带记录器、视频播放器、U盘存储器等。可以说，一般的通信系统是从空间的一点到另一点传输信息，而存储系统是从时间的一点到另一点传输信息。

随着通信与信息网（包括电信网、互联网、移动通信网、广播电视网、光通信网等）的飞速发展，需要将传统的通信系统模型进行扩展，以适应新的研究需求。实际上，多个点对点的通信系统通过一个公用信道，就构成了多点对多点的通信系统模型。所以，关于传统的点对点通信模型的知识是最重要的。

为了便于研究信息传输和处理的共同规律，将各种通信系统中具有共同特性的部分抽取出来，概括成统一的点对点通信系统模型，如图1.2所示。这个通信系统模型也适用于其他的信息流通系统，如生物有机体的遗传系统、神经系统、视觉系统等，甚至人类社会的管理系统都可以概括成这个模型。所以，图1.2的理论模型又可以称为信息传输系统模型。

图1.2 通信系统模型

通信系统模型主要分成下列五个部分。

（1）信息源（简称信源）

信源就是信息的来源，其功能是直接产生可能包含信息的消息。信源按输出符号的取值分为离散信源和连续信源两大类。在离散时间发出取值离散符号的信源为离散信源，例如，字符序列，包括文件、信件、书报、杂志、电报、电传等都是离散信源。而连续信源又分为两种，一种是在离散时间发出取值连续符号的信源，是一种离散时间连续信源；另一种是输出为连续时间波形（连续时间，符号取值连续）的信源，这是一种波形信源或模拟信源。无线广播信号、电视信号、语声信号、图像信号，以及多媒体信号等都是模拟信源，而模拟信源在时间域、频率域的抽样或通过其他变换方式得到的等价的离散时间序列都是离散时间连续信源。

离散信源和离散时间连续信源也有共性，它们的输出都是序列，只不过符号的取值范围不同，前者取自可数符号集，后者取自实数集。

信源研究的核心问题是信源消息所包含信息的度量。

（2）编码器

编码器的功能是将消息变成适合于信道传输的信号。编码器在通信系统中称为发信机，在存储系统中称为记录器或写入器。编码器包括信源编码器、信道编码器和调制器，如图1.3所示。应该指出，在实际系统中不一定每个编码器都含有这三个部分，有的只有其中的两个部分或一个部分。例如，在模拟通信系统中编码器通常仅包含调制器。编码器中主要部分的功能介绍如下。

信源编码器的功能是将信源消息变成符号，目的是提高传输的有效性，也就是压缩每个信源符号传输时所需代码的长度。信源编码也称为信源压缩编码。

信道编码器给信源编码符号增加部分冗余符号，目的是提高传输的可靠性。由于实际的通信信道一定有干扰，信源编码符号直接传送，就不能保证传输的可靠性。利用信道编码对信源编码符号增加一些冗余符号，并让这些符号满足一定的数学关系，就可以使传输数据具有纠错或检测能力。因为出现传输错误就会破坏这种数学规律，在收信端就会发现错误，甚至可以纠正错误。

调制器的功能是将编码器输出的符号变成适合信道传输的信号，目的是提高传输效率（使远距离传输成为可能）。常用的模拟调制技术有调幅技术（如中波和短波广播）、调频技术（如调频广播、模拟电视的伴音调制）等；常用的数字调制技术有ASK、FSK、PSK、QAM和CDMA等，这些技术已经在各种数字通信系统中得到了广泛应用。

（3）信道(www.xing528.com)

信道是信号从编码器传输到译码器的中间媒介。信道可以分为狭义信道和广义信道。狭义信道是某种物理通信信道，也可以是物理存储介质。例如，有线、无线、波导、光纤、磁盘、光盘等。广义信道是一种逻辑信道，它与信息所通过的介质无关，只反映信源与信宿的连接关系。信息论中主要研究广义信道。

信道还分为无噪声信道和有噪声信道。为了分析方便起见，系统中其他部分的噪声和干扰都等效成信道干扰，看成是由一个噪声源产生，作用于所传输的信号上。通信系统中主要有加性噪声和乘性噪声两种。一般地讲，背景噪声是加性噪声，衰落是乘性噪声。信息论中主要研究加性噪声。

由于干扰或噪声往往具有随机性，所以信道的特性也可以用概率空间来描述。而噪声源的统计特性又是划分信道的依据。

（4）译码器

译码器实现与编码器相反的功能，即从收到的信号中恢复消息。译码器在通信系统中称为接收机，而在存储系统中称为回放系统或读出器。译码器包括解调器、信道译码器和信源译码器，如图1.4所示。解调器的功能是将信道输出信号恢复成符号；信道译码器的功能是去掉解调器输出符号中的冗余符号；信源译码器的功能是将信道译码器输出符号变成消息。

图1.3 编码器的组成

（5）信宿

信宿的功能是接收信息，包括人或设备。当前人们对信宿的研究已经取得很多成果。例如，利用人的视觉暂留效应可以对图像采用不连续传输的方式以达到连续的视觉效果，从而进一步压缩码率；利用人耳听觉的掩蔽效应可以压缩在大幅度频率分量附近的信号，而不影响听觉效果。总之，对信宿的研究和压缩编码结合可以在不影响视听效果的条件下显著压缩码率。

近30年来，以计算机为核心的大规模信息网络，尤其是互联网的建立和发展，对信息传输的质量要求更高了。不但要求有效可靠地传输信息，而且还要求信息传输过程中保证信息的安全，不被伪造和篡改。这就需要在编码器中加入密码编码技术，其方法是在信源编码器和信道编码器之间增加一个密码编码器，相应地在信道译码器和信源译码器之间增加一个密码译码器。

研究这样一个概括性很强的通信系统，其目的就是要找到信息传输过程的共同规律，以提高信息传输的可靠性、有效性、保密性和认证性，使信息传输达到最优化。

可靠性高就是要使信源发出的消息经过信道传输后，尽可能准确地、不失真地再现在收信端。有效性高就是经济效果好，即用尽可能短的时间和尽可能少的设备来传送一定数量的信息。但是，提高可靠性和提高有效性常常会发生矛盾，这就需要统筹兼顾。例如，为了兼顾有效性（考虑经济效果），有时就不一定要求绝对准确地在收信端再现原来的消息，而是允许一定的误差或一定的失真，或者说允许近似地再现原来的消息。

保密性就是隐蔽和保护通信系统中传送的消息，使它只能被授权收信者获取，而不能被未授权者接收和理解。

认证性是指收信者能正确判断所接收的消息的正确性，验证消息的完整性，而不是伪造的和被篡改的。

有效性、可靠性、保密性和认证性四者体现了现代通信系统对信息传输的全面要求。