通信系统模型的智能建筑设备自动化系统

图2-10所示为通信系统的模型，通常由信源、信道和宿源三部分组成。

图2-10 通信系统模型

信源是指发送信息的一端，其作用是通过变换、编码和调制将信息转换为适合在信道中传输的信号。宿源是信息的接收者，其作用是通过解调、解码将信号还原为信息。虽然信源和宿源的作用相反，但通常都是由终端设备、通信设备和接口构成。信源和宿源之间的通信线路称为信道，它是以传输介质为基础，传输介质的特性往往决定信道的特性。具体地说，信道是由有线或无线电路提供的信号通路；抽象地说，信道是在指定的一段频带内，允许信号通过，又给信号以限制与损害。通常，将信号的传输介质称为狭义信道，而把传输介质和传输设备（如发送接收设备、馈线与天线、调制解调器和转发器等）构成的信道称为广义信道。

下面详细介绍一下图2-10所示的通信系统模型涉及到的几个基本概念。

1.信号

信号是通信系统传输和处理的具体对象，是数据的电磁或电子编码，在数据进入信道之前要变成适合传输的电磁信号，这些信号也可以是模拟的或数字的。

（1）模拟信号和数字信号 模拟信号是电磁波。这种电磁波可以按照不同频率在各种介质上传输。例如，语音经过声电转换器变成一个模拟电信号。数字信号是一系列的电脉冲。例如，用恒定的正电压来表示二进制1，用恒定的负电压来表示二进制0。模拟信号的取值是随时间连续变化的，而数字信号则是离散值，如图2-11所示。

图2-11 模拟信号和数字信号

（2）信号强度 信号强度是传输信号的一个重要参数，通常用分贝数来表示，单位为dB，即

式中 P_i——电平功率值，i=1，2。

2.数据

数据通信就是发送或接收数据信号，但是不同形式的数据，以不同的传输方式，在不同的传输介质上传输，它所能达到的最大传输速率、传输距离是有明显区别的。

（1）模拟数据和数字数据 数据可以分为模拟数据和数字数据两种形式。模拟数据是连续的值，大多数是采用传感器收集的数据，如温度和压力等。数字数据是离散的值，不仅在时间上离散，而且在幅度上也是离散的，例如开关状态等。

模拟数据和数字数据的表示形式可以互相转换。例如，利用调制解调器，数字数据也可以用模拟信号来表示。调制解调器通过一个载波信号把一串二进制电压脉冲转换为模拟信号，所产生的信号占有以此种载波频率为中心的某一频谱，并且能在适合于此种载波的介质上传播，大多数通用的调制解调器都用音频频谱来表示数字数据，因此能使数字数据在普通的音频电话线上传播，在线路上的另一端，调制解调器把载波信号解调为原来的数字数据。与调制解调器完成的操作相类似，模拟数据也可以用数字数据来表示。对于声音数据来说，完成这种功能的是编码解码器。编码解码器接收一个直接表示声音数据的模拟信号，然后用二进制位流近似地表示这个信号，在线路的另一端，二进制位流被重新构造成模拟数据。

模拟数据可以用模拟信号来表示，如温度、压力等模拟数据经过传感器可转换成温度、压力等模拟信号。数字数据可以用数字信号表示，如二进制码的序列可以用高/低电平的数字信号来表示。

对于远程通信，数字信号的传输不像模拟信号的传输那样用途广泛和实用。例如数字信号传输不可能用卫星系统和微波系统，然而无论在价格方面还是在质量方面，数字传输都比模拟传输优越，因此远程通信系统正在把声音数据和数字数据逐步转变为数字传输。在局域网中，不一定采用像远程通信那样的解决办法，由于数字电路价格的下降，采用数字技术越来越便宜。

（2）数据传输速率 数据传输速率表示单位时间内传送的数据量，通常指每秒能传输的代码位数，单位为（位/秒，bit/s），其计算公式为

S=（1/T）log₂n （2-2）

式中 T──脉冲宽度或脉冲间隔；

n──一个脉冲所表示的有效状态，即调制电平数（为2的整数倍）。

此外，还可以引出另一个信号传输速率的度量单位——波特，也称为调制速率或波特率。它就是信号经调制后的传输速率。所谓调制速率，是指信号调制过程中，调制状态的每秒转换次数。例如，在二进制中，调制转换的有效瞬间间隔为T秒，则单位时间内线路状态的变化数为

它正好是调制转换时间的倒数。

在某些调幅或调频方式的调制器中，一个调制转换时间与一个代码相对应，所以数据传输速率和调制速率相等。但在调相的四相信号方式中，一个调制转换时间与两位代码位相对应，所以调制速率只是传输速率的一半，将式（2-3）代入式（2-2）中，可得到调制速率和传输速率关系为

S=Blog₂n （2-4）

以上数据传输速率的三个定义，在实际应用中既有连续又有侧重。例如，在讨论信道特性，特别是传输频带宽度时，通常使用波特率；在研究传输数据的速率时，采用数据传输速率；而在涉及系统实际传输能力时，则使用比特率。

3.信道

（1）分类(www.xing528.com)

1）按用途分类，信道可分为用于电话的电话信道，用于电报的电报信道，用于电视的电视信道等。

2）按传输介质分类，信道可分为有线信道和无线信道。有线信道包括双绞线、同轴电缆和光纤；无线信道包括无线微波、红外线、卫星中继通信系统等。

3）按允许通过的信号分类，信道可分为模拟信道和数字信道。模拟信道允许通过取值连续的模拟信号，目前大部分的信道均属此类。数字信道只允许通过取值离散的数字信号。需要指出的是，传输介质的性质是模拟的，加上某些设备才构成数字信道，数字信道的输入和输出均为比特流，因此数字信道更便于传输数据，只要解决数据终端与数字信道的接口即可。利用模拟信道也可以传输数字数据，但要用调制解调器，以便原始的数据信号与信道相匹配。

4）按传输信号的频谱分类，信道可分为基带传输信道和载波信道。基带信道用于近距离的传输，是由有线信道组成的。用于长途的数据、话务、报务传输的信道均属载波信道，它包括有线和无线信道。

5）按使用的方法分类，信道可分为专用（租用）信道和公共（交换）信道。专用信道是指两点或多点之间的固定线路，尽管它可能是从电信局租用的，但与公共交换网不发生关系。公共信道是通过交换机转接为大量用户服务的信道。

（2）带宽 带宽是指通信系统的频带宽度，是信道所能够通过信号的最高频率与最低频率之差，单位为Hz。如某一信道能通过的最高频率为5000Hz，最低频率为500Hz，则信道带宽为4500Hz。

信道带宽也称为信道的通带，在其他条件一定时，频带越宽，传送数据的速度就越快，即意味着在短时间内传送更多的数据。虽然通信系统设计者希望带宽尽可能地宽，但最大的可能带宽取决于传输介质的通信特征和连接各种信道的设备。

（3）信道容量 通信的目的在于可靠而有效地传输信息，然而通信的可靠性和有效性之间存在着矛盾，也就是说，在一定的物理条件下，提高了通信效率，通信的可靠性往往会下降。所以，对于通信工作者来说，如何在给定信道条件下尽可能提高信息传输量并减小传输的差错率，是值得探讨的课题，这实际上是信道容量的问题。

在给定信道的条件下，如果要求误码率任意地小（即趋近于零），单位时间内可以传输的信息量，或把信道能够传送信息的最大速率称为信道容量。信道容量是一个理想的极限值，香农的信息论证明了这个极限的存在，并给出计算公式。对于连续信道，若B为信道带宽，在加性高斯白噪声干扰下，根据香农信息论，其信道容量C为

C=Blog₂（1+S/N） （2-5）

式中 N──噪声的平均功率；

S──信号的平均功率；

S/N──信噪比。

可见，对于给定的C，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传递信息。若增大带宽，则可用较小的信号发送功率，即减小信噪比S/N，从而也说明了宽带系统具有较好的抗干扰性，因此，当信噪比太小而不能保证通信质量时，可采用宽带系统，以改善通信质量，这就是带宽换功率的措施。反之，若减小带宽，则必须增大信噪比。在实际系统中，调制和编码的过程就是实现带宽和信噪比互换的手段。

由于信息速率C=I/T，将其代入式（2-5）中，则可得到

I=TBlog₂（1+S/N） （2-6）

式中 I──信息量；

T──传输时间。可见，当信噪比S/N一定时，给定的信息量可以通过不同的带宽和时间的组合来传输。

4.传输损耗

信号在信道的传输过程中，由于受到传输介质、传输环境等因素的影响，不可避免地存在各种损失，其中最重要的是衰减、延迟畸变和噪声。

（1）衰减 在任何传输介质中，信号的强度都会随距离的增加而降低，例如有线信道（硬传输介质）中，信号强度的减小一般是对数式的；无线信道（软传输介质）中，衰减是距离和大气组成的一个更为复杂的函数。当超过一定距离时，衰减大到不可接受时，就要使用转发器或放大器以提升信号。对于模拟信号来说，衰减频率的增函数，常用的解决方法是采用均衡技术。例如，对于音频电话线，通常是使用改变线路的电学特性的加感线圈，结果是使衰减效应平滑些。另外，还可以使用对高频的放大量大于对低频的放大量的放大器。

衰减对于数字信号来说算是小得多的问题，例如对矩形脉冲数字信号，其频谱的大部分集中在靠近信号的基频处，因此高频的衰减对数字信号影响不大。

（2）延迟畸变 延迟畸变是有线信道特有的畸变，是由于信号通过硬传输介质时，其传播速度随频率变化而引起的。对于限带信号，在中心频率附近，传播速度可能增高，而在频带边缘，传播速度可能下降，因此一个信号的不同频率成分在不同的时间到达接收端。

延迟畸变对于数字信号的传输影响明显。假设正在传输一个比特序列，由于延迟畸变，某个比特位置上的信号成分的一部分可能分散到别的比特位置上，从而产生码间干扰，这是最大比特率（信道容量）的一个主要限制。常用的减小延迟畸变的方法是采用均衡补偿技术。

（3）噪声 噪声是制约通信系统性能的主要因素，主要有热噪声、交调噪声、串音和脉冲噪声四类。

热噪声常称为“白噪声”，来自导体电子的热扰动，普遍存在于电子装置及传输介质中。热噪声是温度的函数，均匀分布于频谱，不可能被排除，因此它为通信系统性能设置了一个上限。

当不同频率的信号共用传输介质（多路复用）时，结果可能有交调噪声。交调噪声的效应是产生频率为两个原来频率之和或者之差以及这些频率的倍数的信号。当发送和接收装置以及其他传输设备存在某些非线性时，就会产生交调噪声。正常情况下，这些部件是作为线性系统设计的，即输出与输入满足线性叠加关系。而在非线性系统中，输出是输入的复杂函数。这种非线性可能是由于元器件故障或用了过大的信号强度所造成的。

当你打电话时，有时会听到另外的对话，这就是串音噪声，它是信号路径之间的有害耦合。例如，可以由邻近的双绞线之间发生电耦合而造成，然而由于同轴电缆具有电磁屏蔽性，因此在同轴电缆上很少有串音噪声。另外，串音噪声也可能在无线信道中发生，例如由于使用的频带密集，通过某个频道滤波器的信号可能混杂其他信号。通常，串音噪声具有与热噪声相同或较小的数量级。

以上讨论的三种噪声，都在一定程度上具有恒定和可预计的量值，因此在设计传输系统时，可以设法使噪声对信号影响最小。脉冲噪声则与这些噪声不同。脉冲噪声由一些不规则的脉冲或持续时间很短、幅度相当高的噪声尖峰信号构成，是不连续的。脉冲噪声由多种原因产生，例如雷电、外界电磁干扰以及通信系统的故障和缺陷等。一般来说，脉冲噪声对模拟数据影响不大，例如语音传输可以被短暂的喀喀声破坏，但不损失可辨别性。然而，脉冲噪声是数字数据通信的主要差错根源。例如，0.01s的尖峰信号能量不会毁坏任何语音数据，但会冲掉正在以4800bit/s传输的数据信号中的大约50bit。

决定传输系统性能的一个重要参数是信号对噪声之比即所谓的信噪比，它是现有的信号功率与噪声功率的比值，通常这个比值在接收端测量。