第1章 通信系统基本知识

通信的目的是传输信息。通信系统的作用是将信息从信源发送到一个或多个目的地。对于电通信而言，首先要把消息变成电信号，然后经过发送设备，将信号送入信道，在接收端利用接收设备对接收信号作相应处理后，送给信宿再转换为原来的消息。这一过程可用图1-1所示的通信系统一般模型来概括。

信息源发送设备(发送端)噪声源信道接收设备(接收端)受信者

图1-1

通信系统一般模型

图1-1中各部分功能简述如下。 1. 信息源

信息源（简称信源）的作用是把各种消息转换成原始电信号。根据消息的种类不同，信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源输出连续的模拟信号，如话筒（声音→音频信号）、摄像机（图像→视频信号）；数字信源输出离散数字信号，如电传机（键盘字符→数字信号）、计算机等各种数字终端。并且，模拟信源送出的信号经数字化处理后也可以送出数字信号。

2. 发送设备

发送设备的作用是产生适合于在信道中传输的信号，即使发送信号的特性和信道特性相匹配，具有抗信道干扰的能力，并且具有足够的功率以满足远距离传输的需要。因此，发送设备涵盖的内容很多，可能包含变换、放大、滤波、编码、调制等过程。对于多路传输系统，设备中还应包括多路复用器。

3. 信道

信道是一种物理媒质，用来将来自发送设备的信号传送到接收端。在无线信道中，信道可以是自由空间；在有线信道中，可以是明线、电缆和光纤。有线信道和无线信道均有多种物理媒质。信道既给信号以通路，也会对信号产生各种干扰和噪声。信道的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量。

4. 接收设备

接收设备的功能是将信号放大和反变换（如译码、解调等），其目的是从受到减损的接收信号中正确恢复出原始信号。对于多路复用信号，接收设备中还包括解除多路复用，实现正确分路的功能。此外，它还要尽可能减小在传输过程中噪声与干扰带来的影响。

5. 受信者

第1页

受信者（简称信宿）是传送消息的目的地，其功能与信源相反，即把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。

按照信道中传输的电信号是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。

（一） 模拟通信系统模型

模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统，其模型如图1-2所示，其中包含两种重要变换。第一种变换是，在发送端把连续消息变换成原始电信号，在接收端进行相反的变换，这种变换由信源和信宿来完成。这里所说的原始电信号通常称为基带信号，基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始，如语音信号的频率范围为300Hz~3400Hz，图像信号的频率范围为0~6MHz。由于这些基带信号无法通过无线电直接传输，因此，模拟通信系统中常常需要进行第二种变换：把基带信号调制到适合在信道中传输的信号，并在接收端进行解调还原基带信号。在实际系统中可能还有滤波、放大、天线辐射等过程。

模拟信源(发送端)噪声源调制器信道解调器(接收端)受信者

图1-2

模拟通信系统模型

（二） 数字通信系统模型

数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，如图1-3所示。数字通信涉及的技术问题主要有信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调、同步以及加密与解密等。

信息源信源编码信道编码数字调制数字解调信道译码信源译码受信者加密信道解密噪声源

图1-3

数字通信系统模型

1） 信源编码与译码

信源编码有两个基本功能：一是提高信息传输的有效性，即通过某种数据压缩技术设法减少码元数目和降低码元速率，从而降低传输带宽，提高通信的有效性；二是完成模/数（A/D）转换，将信源模拟信号转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信源译码是信源编码的逆过程。

2） 信道编码与译码

第2页

信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力。数字信号在信道传输时受到噪声等影响后将会引起差错。为了减小差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，提高通信系统的可靠性。

3） 加密与解密

在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为地将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息。

4） 数字调制与解调

数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成合适在信道中传输的带通信号。基本的数字调制方式有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、绝对相移键控（PSK）、相对（差分）相移键控（DPSK）。在接收端采用相干解调或非相干解调还原数字基带信号。详见1.1。

5） 同步

同步是使收发端的信号在时间上保持步调一致，是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的前提条件。按照功能不同，分为载波同步、位同步、帧同步和网同步。这些问题将在1.5中讨论。

1.1 调制与解调原理

调制就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制（也称载波调制）。在无线通信和其他大多数场合，调制均指载波调制。载波调制，就是用调制信号去控制载波的参数的过程，使载波的某一个或某几个参数按照调制信号的规律而变化。

调制信号是指来自信源的消息信号（基带信号），可以是模拟的，也可以是数字的。未受调制的周期性振荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波。载波调制后称为已调信号，它含有调制信号的全部特征。解调（也称检波）是调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来。

根据调制信号是模拟信号还是数字信号，载波是连续波还是脉冲序列，相应的调制方式有模拟连续波调制（简称模拟调制）、数字连续波调制（简称数字调制）、模拟脉冲调制和数字脉冲调制等。其中模拟脉冲调制和数字脉冲调制属于中间调制方式，多用来将需要传输的消息信号转换成能通过数字调制方式传输的基带信号。本书仅讨论模拟调制和数字调制以及相对应的解调。

1.1.1

模拟调制与解调

第3页

模拟调制包含线性调制（幅度调制）与非线性调制（角度调制），其中幅度调制又可分为调幅（AM）、双边带（DSB）、单边带（SSB）和残留边带（VSB）等方式；角度调制可分为调频、调相两种。以下以最常用的调幅、调频、调相为例分别进行说明。

① 调幅

幅度调制（Amplitude Modulation，AM）是由调制信号去控制载波的幅度，使之随调制信号作线性变化的过程。设正弦载波为

c(t)?Acos(?ct??0)

(1.1-1)

其中，A为载波幅度；ωc为载波角频率；?0为载波初始相位（假设?0=0）。根据调制定义，调幅信号（已调信号）可表示为

sAM(t)?[A0?m(t)]cos?ct?A0cos?ct?m(t)cos?ct (1.1-2)

其中，m(t)为基带调制信号，A0为外加直流分量。设m(t)的频谱为M(ω)，则由式（1.1-2）可得到已调信号sAM(t)的频谱SAM(ω)

SAM(?)??A0[?(???c)??(???c)]?12[M(???c)?M(???c)]

(1.1-3)

由上式可见，在波形上调幅信号的幅度随基带信号的规律而呈正比地变化；在频谱结构上，它的频谱是基带信号频谱在频域内的线性搬移，如图1-4所示。

m(t)0M(ω)tA0+m(t)0t载波0sAM(t)-ωH0ωHωSAM(ω)t-ωC0ωCω0t

图1-4

AM信号的波形和频谱

由波形可以看出，当满足条件：

m(t)max?A0

(1.1-4)

第4页