通信系统的组成要素

消息的传递必然有发送者和接收者,发送者和接收者可以是人也可以是各种机器。换句话说,通信可以在人与人之间,也可以在人与机器或机器与机器之间进行。如今大量的通信最终都是通过各种机器,并在机器间进行的。广播、电视、计算机等之间的通信都属于机器间的通信。

电信系统在传递消息时,首先要把消息变成电的信号,对方接收到信号后再按相同的逆规则将电信号再生为消息。在发送端利用发送设备中的各种元器件,将非电信息变换成初级电信号,或称为原始电信号,然后送到信道中去传输。信道是传输电信号的通道。信道可以是有线的也可以是无线的,可以是模拟的也可以是数字的。在接收端利用接收设备中的各种部件,将从信道中得到的电信号变换成非电信息,这是一个通信的整个过程。从这个过程中可以将通信系统概括为如图1.2.1所示的模型。

图1.2.1　通信系统的一般模型

通信系统由信息源、收信者、发送设备、接收设备和传输媒介几部分组成。

1.信息源

信息源简称信源。不同的信息源输出信号的性质是不一样的,一般将其分为模拟信源和离散信源。

模拟信源输出的信号在时间和幅度上都是连续的,如语音、图像以及模拟传感器输出的信号等。离散信源的输出是离散的或可数的,如符号、文字以及脉冲序列等。离散信源又称为数字信源。

原始的消息经变换后成为电信号或本身就是电信号。模拟信号可以通过抽样和量化编码变为离散信号。换句话说,一切消息理论上都可以变换成离散的信号,这也是数字通信技术得到迅猛发展的一个主要原因。

信息源的另一个重要特点是不同的信源有不同的信息速率。比如,电报信道的信息速率一般为150bit/s;阅读的信息速率一般为400bit/s左右;彩色电视为90Mbit/s等。不同速率的信息源对整个传输系统的要求也各不相同。

2.收信者

收信者是在接收的一方将经过各种变换和传输的信息还原成所需要的消息形式。一般情况下收信者需要的消息应和发信者发出的消息类型一样。对于收信者和发信者来说,不管中间经过什么样的变换和传输,都不应该将二者所传递的消息改变。收到和发出的消息的相同程度越高越好。

3.发送设备

发送设备是发送端的重要部分,它的功能是将信息源和传输媒介连接起来,将信源输出的信号变为适合于传输的信号形式。变换的方式很多,采用什么样的变换则要根据信号类型、传输媒介和质量要求等决定。有时可以将电信号直接送于媒介传送,有时则要进行频谱的搬移。在需要搬移时,调制则是最常用的一种变换方式。

如果通信系统是数字的,对于模拟信号则需要进行抽样、量化和编码。此时发送设备又可以分为信源编码和信道编码两部分。信源编码是把连续的模拟信号变为数字信号,信道编码则是把数字信号与传输媒介匹配起来,以提高传输的有效性或可靠性。

对于其他的一些特殊要求,发送设备应有为满足这些要求所需要的各种处理,最常见的如差错控制编码、多路复用等。

4.接收设备

对接收设备的基本要求就是能够将收到的信号变换成与发送端信源发出的消息完全一样的或基本一样的原始消息。从这一点出发,接收设备显然应该是发送设备的反变换,不仅如此,它还要克服在传输过程中干扰所带来的影响。

5.传输媒介

传输媒介是用来传递发送设备和接收设备之间信号的。传输媒介有很多种,概括起来可分为无线和有线两大类。每一类都有优点和缺点,一般根据通信的具体情况和要求以及信号的类型来决定采用哪一类。在传输的过程中,各种干扰(比如热噪声、衰减等)必然会随之进入系统,因此干扰也是选用媒介的重要因素之一。

按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号,可以把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。

模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。信源发出的原始电信号的频谱一般是从零频附近开始,这种信号具有频率很低的频谱分量,一般不宜直接传输,这就需要把它变换成其频带适合在信道中传输的信号,并可在接收端进行反变换。完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器,经过调制以后的信号称为已调信号。

消息从发送端到接收端的传递过程中,除有连续消息与原始电信号和原始电信号与已调信号之间的两种变换,实际通信系统中还可能有滤波、放大、天线辐射、控制等过程。由于调制与解调两种变换起主要作用,其他过程不会使信号发生质的变化,只是对信号进行放大或改善信号特性,一般被认为是理想的不参与讨论。(www.xing528.com)

模拟通信系统模型如图1.2.2所示,图中的调制器和解调器代表图1.2.1中的发送设备和接收设备。

图1.2.2　模拟通信系统模型

数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统,其模型如图1.2.3所示。数字通信研究的技术问题主要有信源编码/译码、信道编码/译码、数字调制/解调、数字复接、同步以及加密等。

图1.2.3　数字通信系统模型

信源编码的作用大致有两个:其一是当信息源给出的是模拟语音信号时,信源编码器将其转换成数字信号,以实现模拟信号的数字化传输;其二是设法减少码元数目和降低码元速率,也就是数据压缩。码元速率决定传输所占的带宽,而传输带宽反映了通信的有效性。信源译码是信源编码的逆过程。

信道编码是为了克服数字信号在信道传输时,由噪声、衰落以及人为干扰等引起的差错。信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入监督码元,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,提高通信系统抗干扰能力。

为了保密通信,给被传输的数字序列加上密码,即扰乱,这个过程称为加密。在接收端利用相应的逆规则对收到的数字序列进行解密,恢复原来信息。

对于大多数通信系统来说,每一方不仅是收信者也是信源,也就是说,每一方都应具备发送和接收的功能。因此每一方也必须有发送设备和接收设备。

数字调制是把所传输的数字序列的频谱搬移到适合在信道中传输的频带上。基本的数字调制方式有幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、绝对相移键控(PSK)、相对(差分)相移键控(DPSK)。在接收端可以采用相干解调或非相干解调还原数字序列。对高斯噪声下的信号检测,一般用相关接收机或匹配滤波器来实现。

同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的基本条件。同步就是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。同步可分为载波同步、位同步、群同步和网同步等。数字复接则是依据时分复用的基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号,以扩大传输容量和提高传输效率。

图1.2.3是数字通信系统的一般模型,而在实际应用中,数字通信系统不一定包括图中的所有环节,可以只有其中的某些部分。另外,模拟信号经过数字化后可以在数字通信系统中传输。当然,数字信号也可以在模拟通信系统中传输,如计算机数据可以通过模拟电话线路传输,但这时必须使用调制解调器(modem)将数字序列进行正弦调制,以适应模拟信道的传输特性。

模拟通信和数字通信的应用都很广泛,数字通信的发展却非常迅速,已成为现代通信技术的主流。与模拟通信相比,数字通信有以下一些特点:

(1)抗干扰能力强。比如二进制数字信号的取值只有两个,这样接收时只需判别两种状态。信号在传输过程中因噪声造成的波形畸变不会影响两个状态的辨别,只要噪声的大小不足以影响判决的正确,就能正确接收。而模拟通信需要高保真地重现信号波形,如果模拟信号叠加上噪声,则很难消除。对于中继通信,各中继站对数字信号波形进行整形再生从而消除噪声积累。

(2)差错可以控制。采用信道编码技术来降低误码率,提高传输的可靠性。

(3)可以进行大规模集成,容易使通信设备微型化。

(4)能与各种数字终端直接相连。用计算机技术对信号进行处理、加工、变换、存储。

(5)容易实现保密通信。

(6)传输和交换可以有机地结合起来,将各种不同的消息源都变换成同一类的数字信号,为实现综合业务通信网奠定了基础。

(7)容易实现多路复用。

数字通信的上述优点使其得到了广泛应用。但这些优点是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。例如,一路4kHz带宽的模拟信号,用接近同样质量的数字信号传输需要20～60kHz的带宽,可见数字通信的频带利用率很低。另外,由于数字通信对同步要求很高,因而系统设备比较复杂。不过,随着宽带传输技术的采用,窄带调制技术和超大规模集成电路的发展,数字通信的这些缺点是可以克服的。尤其是微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用,数字通信将逐步取代模拟通信而占主导地位。

以上所述是典型的点对点通信系统。在现代社会生活中,人们不可能只进行一点到一点的固定式通信,更多的则要求能够与所有在线的任何一方进行通信。这样就必须有一种设备去完成这种任何一方与任何另一方的选择通信功能,这个设备就是通信网络中的交换系统。显然,交换系统是通信网络中非常重要的部分。