通信系统模型优化：从理论到实践

通信是将消息从发信者传输给收信者，这种传输是利用通信系统实现的。通信的最终目的是有效和可靠地获取、传递和交换信息。信息可以有多种表现形式，如语音、文字、数据、图像等。传递或交换信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。通信系统的一般模型如图8.1所示。

图8.1　通信系统模型

信源是发出信息的源头，信宿是传输信息的归宿点，信源可以是离散的数字信源，也可以是连续的或离散的模拟信源。

发送设备的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的消息信号变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。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；发送设备还需满足某些特殊要求，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。

信道是指传输信号的通道，从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介。信源与信宿在物理上往往是分开的，信道提供了信源与信宿之间在电气上的联系，可以是无线的，也可以是有线的，有线和无线均有多种传输媒介。信道既给信号以通路，也要对信号产生各种干扰和噪声，传输媒介的固有特性和干扰直接关系到通信的质量。

接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始消息，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。

上述是单向通信系统，但在多数场合下，信源兼为信宿，通信双方需要随时交流信息，因而要求双向通信，这时，通信双方都要有发送设备和接收设备，如果两个方向有各自的传输媒介，则双方都可独立进行发送和接收。但若共用一个传输媒介，则用频率或时间分割办法来共享。此外，通信系统除完成信息传递之外，还必须进行信息交换。传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统，乃至通信网络。

通信的分类方法很多，按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分成两类，即模拟通信系统和数字通信系统。利用模拟信号作为载体而传递信息的方式称为模拟通信；利用数字信号作为载体而传递信息的方式称为数字通信。任何信息既可以用模拟方式进行传输，也可以用数字方式传输。

8.2.1.1　数字通信系统模型

数字通信系统是利用数字信号传递信息的通信系统。图8.2给出了数字通信系统原理结构模型，它是将通信模型中的发送设备和接收设备细化为数字通信涉及的关键技术步骤，主要包括：信源编码、加密、信道编码、调制、信道、多路复用、数字信息交换、同步技术等。

图8.2　数字通信系统模型

信号数字化是数字通信技术基础，如果信源为模拟信号，则首先要对信号进行量化，将模拟信号转化为数字信号，即通常所说的模/数转换。信源编码是为提高信号有效性，以及尽量减少原信息的多余度（数据压缩）；信源解码是信源编码的逆过程。编码比特数在通信中直接影响传输所占带宽，而传输所占带宽又直接反应通信的经济性。

信号加密和解密是为保证数字信号与所传信息的安全。数字信号比模拟信号易于加密，且效果也好。在要求保密通信的系统中，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。加密器可以产生密码，人为地将输入明文数字序列进行扰乱。

信道编码的目的是提高通信抗干扰能力，尽可能地控制差错，实现可靠通信。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。信道编码的一类基本方法是波形编码，或称为信号设计，它把原来的波形变换成新的较好波形，以改善其检测性能；另一类基本方法可获得与波形编码相似的差错概率，但所需带宽较小，为尽量把差错纠正过来，根据信道特性，对传输的原始信息按一定编码规则进行编码，达到对数字信息的保护作用，从而提高数字通信可靠性。在接收端按一定规则进行解码，看其编码规则是否遭到破坏，从解码过程中发现错误或纠正错误，这种技术称为“差错控制编码技术”。(www.xing528.com)

调制器的任务是把各种数字信息脉冲转换成适于信道传输的调制信号波形。这些波形要根据信道特点来选择；解调器的任务是将收到的信号转换成原始数字信息脉冲。数字调制技术可分为幅度键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）、相移键控（Phase Shift Keying，PSK），以及它们的各种组合。对这些调制信号，在接收端可以进行相干解调或非相干解调，前者需要知道载波的相位才能检测，后者则不需要。对高斯噪声下信号的检测，一般用相关接收机或抽样匹配滤波器。各种不同的调制方式具有不同的检测性能。表示各种调制方式性能的指标为比特差错概率bP，它是比特能量Eb与噪声功率谱密度N0之比（Eb/N0）的函数。

在一个多用户系统中，为充分利用通信资源和增加总的数据通信量，可以采用多路技术，满足多用户要求固定分配或慢变化地分享通信资源，采用多址技术以满足远程或动态变化地共享通信资源。基本的方法有频分、时分、码分、空分和极化波分，其共同点在于各用户信号间互不干扰，在接收端易于区分，它们都是利用信号间互不重叠，在频域、时域、空域中的正交性或准正交性等特征。其中频分复用（PDM）、频分多址（FDMA）、时分复用（TDM）、时分多址（TDMA）是经典的，码分多址（CDMA）则是利用在时域、频域及其二者的组合编码的准正交性，空分和极化波分别是在不同空域中频率的重用和在同一空域中不同极化波的重用。

同步系统是数字通信系统的重要组成部分，也是区别于模拟通信系统的特点之一。同步是数字通信系统中收、发双方严格共同的时间标准，如果收、发之间失去同步的话，整个系统就不能正常工作，必须把同步捕捉回来，才能正常工作。

8.2.1.2　数字通信的主要特点

数字通信相对模拟通信具有如下优点：

（1）抗干扰能力强，无噪声积累，保证较高的通信质量

数字信号是取有限几个离散幅度值的信号，在信道中传输时，可以在间隔适当的距离处采用中继再生的办法消除噪声的积累，还原信号，使得数字传输质量几乎与传输距离和网络布局无关，在多跨距线路中多段连接，信号再生和信号处理不会降低数字通信的质量。然而模拟信号在传输过程中的噪声则不易消除，噪声是积累的。此外，数字信号传输中的差错可以设法通过差错控制编码技术加以控制，从而进一步改善传输质量，提高通信可靠性。

（2）便于加密处理，且保密强度高

为保证数字信号与所传信息的安全，一般应采取加密措施。数字信号比模拟信号易于加密，且效果也好，这是数字通信突出的优点之一。模拟加密技术由于多方面条件限制很难做到高保密强度，相应数字信号加密算法允许设计复杂一些，保密强度受通信环境制约小，易于实现高保密强度。

（3）数字信号便于计算机直接处理，形成智能网

用现代计算机技术对数字信息进行处理，使得复杂技术问题能以极低代价实现，形成智能网；采用开放式结构和标准接口，增加和改变业务时，只需在相应的计算机和数据库中改变输入和相关参数即可。

（4）高度的灵活性和通用性

数字传输线路对各种各样的信息都具有很好的透明性，从而使数字通信系统变得灵活通用。由于可将各种信息以数字脉冲的同一形式来处理，容易实现设备共享，在单一通信网上可提供多种服务项目。根据某种规定，使设备容易识别和处理所有的信号和信息，而且可在时间轴上实现时分复用，在某个瞬间处理特定的通信信息。

（5）设备便于集成化、微型化

数字通信设备中大部分电路为数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，这样功耗较低，设备容易微型化。

由于数字通信的一系列优点，人们熟悉的短波通信、微波通信，以及迅速发展的移动通信、卫星通信、光纤通信等都向数字化方向发展，并随着微电子技术和计算机技术迅速发展和广泛应用，数字通信将在今后通信方式中取代模拟通信而占统治地位。