通信系统
系统包含3个基本特点:
- 系统是由若干个元素组成的。
- 这些元素是相互联系、相互作用的。
- 由这些元素组成的整体具有某种特定的功能。
通俗地说,系统是由一些元素为某一目标而组成的一个整体。在通信中,传输信息所需的一系列的设备和媒质统称为通信系统。
一个简单的通信系统是由发送和接收两部分组成的。从硬件上看,通信系统主要由信源、信宿、传输介质、接收和发送 5 部分组成。
- 信源:将消息转换为电信号的设备,例如电话机、扫描仪等。
- 发送设备:其作用是将信源产生的信号转换为适合在信道中传输的信号。在通信中,信道具有特定的频率范围,超过这个范围的信号将无法传输。最典型的信号转换就是调制。调制的作用是将信源发出信号的频率调到信道允许的频率范围之内,这样才可以被信道所传输。
- 信道:传输媒质。概括起来由有线和无线两种。哪种信道都有一定的频率要求。
噪声是通信系统中有害但又不可避免的信号,它来自系统设备和传输媒介等。 - 接收设备:完成发送设备的反变换,将调制信号解调为信息信号。
- 信宿:将信息信号还原成消息。
通信的实质只是两点之间的通信。香农在《通信的数学理论》(即《信息论》) 中说过:“通信中的基本问题就是在一点精确或近似地再生另一点的信息。”
试着把这个系统分割开来,一段一段地看,这个大系统其实是由若干个小的通信系统组成的。
系统这个概念还具有等级的涵义,一个系统可以作为小元素的整体,也可以作为更大系统里的组成元素之一。
学习任何一种通信技术或通信系统,都可以进行逐段地分解研究,重点关注每一对端使用的是什么接口、什么技术,这样一个复杂的系统就可以清晰地跃然于纸面了。
模拟通信系统
- 模拟通信:信源发出的和信宿接收的、信道传输的都是模拟信号的通信过程或方式。
- 数字通信:信源发出和信宿接收的都是模拟信号,信道传输的是数字信号。
模拟信号的波形图是连续的,数字信号的波形图是离散的,常见的如脉冲波形。模拟信号通过抽样、量化、编码可以转换为数字信号。调制和解调是信号变换的关键,也是确保通信质量的关键,因此在模拟通信系统中,通常将发送设备简化为调制器,将接收设备简化为解调器。
模拟通信最大的缺点是抗干扰能力和保密性差,不能适应计算机通信的需求,因而正被数字通信系统取代。
数字通信系统
- 脉冲编码调制等信源编码技术将模拟信号转换为数字信号。
信源编码除了有将模拟信号转换为数字信号的作用外,还有降低数字信号的码元速率以压缩频带、提高数字信号传输的有效性的作用。 - 信道编码是为了使数字信号在信道中传输得更可靠。通常在信道中传输的是二进制数字 0 和 1,一般用两种电平来表示。信道编码的目的是为了降低错误的发生概率。
现在常用的信道编码技术有分组码、卷积码、Turbo码和扰码等。 - 调制的作用是将编码信号搬到适合信道传输的频率范围内,以便信道传输。
- 解调和解码是调制和编码的反过程。
数字通信的优点是抗干扰能力强,通信质量不受距离的影响,能适应各种通信业务的要求,便于采用大规模集成电路,方便实现保密通信和通过计算机存储管理。
系统指标
衡量一个通信系统的好坏,主要是看它的有效性和可靠性。
实际上有效性和可靠性是一对矛盾的指标,两者需要一定的折中。有效性指的是信息传输的速率,信息传输的速率越快,有效性越好。但信息传输快了,出错的概率也就越高,信息的传输质量就不能保证,也就是可靠性降低了。
模拟通信系统的有效性是用系统的带宽来衡量的,可靠性是用信噪比来衡量的。
- 如果一路电话占用的带宽是一定的,那么系统的总带宽越大,就意味着能容纳更多路电话。
- 当系统的带宽一定时,要想增加系统的容量,则可以通过降低单路电话占用带宽来实现,因此单路信号所需的带宽越窄,说明有效性越好。
- 但降低单路信号的占用带宽后,由于两路信号之间的频带隔离变窄,势必会增加相互间的干扰,即增加噪声,使信号功率于噪声功率的比值降低,从而降低了系统的可靠性。
数字通信系统的有效性是通过信息传输速率来表示的,可靠性则是通过误码率或误信率来体现的。
- 误码率是指接收端收到的错误码元数与传输的码元总数的比值,即表示在传输中出现错误码元的概率。
- 误信率是指接收到的错误比特数与传输比特总数的比值,即传输中出现错误信息量的概率。
- 数字信号在信道中传输时,为了保证传输的可靠性,往往要添加纠错码,纠错码是要占用传输速率的。这些为了提高可靠性而增加的编码,也被称为传输开销。
在通信系统中,频率是任何信号都与生具有的特征,包括数字信号,传输它们是要占用一定的频率资源的。
带宽和数字信号的传输速率成正比关系,理想情况下,传输速率除以 2 就是以这个速率传输的数字信号所占用的频带宽度。
所以越高速率所占的频带也会越宽,故高速通信往往也可以叫“宽带通信”。
信息传输速率的单位是比特每秒 (bit/s) 或波特率 (Baud),带宽的单位是赫兹 (Hz)。