1.2 通信系统和通信信道

1.2.1 通信系统的基本结构

通信系统的基本结构如图1-1 所示，其发送端包括信源、信源编码、信道编码、调制等单元，其接收端包括解调、信道译码、信源译码和信宿等单元；发送信号从发送端经过信道传输到接收端，这三部分一起构成通信系统。

通信系统各部分一般需要完成以下五个方面的信息和信号处理：

(1) 输入/输出信息的转换

发送端将信息进行数字化和适当地编排成为数据流，接收端进行相反的操作，恢复原来的信息形态；这个过程常常伴随着人机交互，因此实现这些功能的部件一般称为用户终端设备。

(2) 信源编码/译码

信源编码将待传输数据流进行压缩编码，例如图像、语音或视频等信息的压缩编码，去除其中的冗余信息，以便提高传输效率；接收端信源译码是与发送端信源编码相对应的逆过程，最终将收到的信源符号还原成与发送端输入数据流尽可能相同的数据流。

(3) 信道编码/译码

信道编码的目的是提高信源符号序列通过信道传输的可靠性，它是通过按某种规则加入一些冗余信息来实现这个目标的。真正需要通过信道传输的信源符号(码元)序列是在完成信道编码后形成的。由于它所含数据的速率比输入信息的速率有所提高，因此在接收端可以利用信息的冗余性来纠正或检测传输过程中引入的一些错误，降低误码率，提高通信的可靠性。基带传输码型的变换也应属于信道编码范畴，尽管它不一定具有利用冗余信息进行纠错的能力；它是为了使信号波形具有较好的时频特性，以便通过信道传输后在接收端能获得良好的接收检测性能。例如信号波形中不含直流成分、频率较高和频率很低的成分的相对强度也都较弱，以及波形中隐含有便于提取的符号同步信息等，这常常需要在发送端将数据流转换为信号波形之前进行码型转换，以便使信号波形具有上述特性。

(4) 数字调制/解调

发送端把数据流变成适于信道传输的连续波形信号进行传输；接收端进行解调，将信号波形恢复为数据流。当传输信道是带通型信道时，数字调制过程还应包括将连续波基带信号转换为带通信号的环节，即载波调制环节。因此，数字调制一般包括基带调制和载波调制；相应地，接收端的数字解调也包括载波解调和基带解调两个环节。

(5) 对抗信道失真的信号处理

当信道特性因存在失真而不是理想的加性高斯白噪声信道时，信道传输信息的性能将变坏，甚至完全失效。如果信道失真的特性是已知的，可以采用某种数学模型描述，那么常常可以找到相应的信号处理办法使其传输性能显著改善。最近几十年来通信信号处理研究领域在这方面进行了大量的卓有成效的研究，一直在通信发展中起重要作用。

1.2.2 通信信道

1.通信信道的基本特性

(1) 存在噪声干扰。信道中所引入的噪声干扰常常可以假定为加性的，即与信号是相加的关系；最常见的是加性高斯白噪声(AWGN)。

(2) 存在传输衰减。信号在信道中传输会出现强度衰减，当无线通信系统的收发端之间或中间反射体相对于收发端存在相对运动时，还会引入多普勒频移；但是当传输衰减因子和多普勒频移因子为常数时，其负面影响一般是容易被消除的。

(3) 可能引起信号失真。信号在经过信道传输后可能出现失真，包括信号波形、频谱形状的失真和非线性失真；信号失真对数字通信的直接影响是引起码间干扰和误码率上升。无线通信中常常存在多径衰落现象；信号经衰落(Fading)信道传输后，信号传输衰减因子有可能是复数随机变量，接收信号有可能是多个不同延迟信号分量的加权线性组合，其中的权值也是复数随机变量。

(4) 信道的带宽有限。信道的频带总是有限宽的，被传输的信号的频谱宽度必须小于或等于信道带宽。在无线通信方面频率资源十分宝贵，如何合理分配、充分利用频率资源是一个十分重要的课题。

(5) 传输的功率有限。因为发射功率有限，因此经信道传输后接收信号的信噪比总是有限的。从经济效益出发，人们常常希望数字通信系统能够在尽可能低的信噪比条件下可靠地工作。

2.通信信道的种类及其特性

(1) 有线信道

常见的有线信道有双绞线、同轴电缆和波导，它们的带宽可分别达到1MHz、2GHz、100GHz的数量级。双绞线虽然频谱平坦部分的带宽很窄，在较高的频率下衰减很大，但如果采用多载波调制技术充分利用这些带宽，在几百米以下的短距离传输中的信息速率也可达到十几Mbps。

(2) 光纤和空间光信道

光纤信道可达到Tbps级(1012 bps)的信息速率，其传输衰减比电缆小得多，而且可靠性更高。空间光通信也可以达到很高的信息速率，但是在大气中衰减较大，在太空中传输有很大优势，但是需要高精度的方向对准，技术难度较高。

(3) 无线电磁信道

电磁波的传播需要借助发送、接收天线，天线的尺寸通常必须大于波长的1/10，否则效率很低。不同波长的电磁波信道特性不同，因此划分为许多波段。长波(100～200kHz) 主要靠地面波传播，它沿地面或海面传播具有一定的绕射能力。中波(200kHz～2MHz)主要用于无线电广播。短波(3～30MHz)，近处靠地面波传输，远处靠天波传输，即电离层的反射传播。超短波(30MHz～2GHz)一般为视距传输，也可利用电离层的散射作用进行超视距通信。微波(2～60GHz)主要靠视距传输，其频率资源很丰富，因此又划分为许多波段，分配给各种不同的应用。不同波长电磁波传播性能存在较大差别，例如：频率在5GHz以下的无线电磁波，具有穿透丛林、建筑物等障碍物进行传输的能力；3～30MHz的短波容易被电离层反射而能实现非视距远距离通信；100～200kHz的长波可以传播到海水水平面以下几百米而适于对潜通信；音频频率范围的电磁波可以深入到地下几十米中传输而适于地下通信；而几百兆赫兹以上频率的电磁波可以穿透大气层和电离层传播，而适于卫星通信；几十吉赫兹的电磁波具有穿透等离子体层传输的能力，而适于邻地空间轨道飞行器的通信。地面无线电磁信道常常存在多径衰落现象，特别是宽带移动通信中，抗多径传输技术是最重要的研究课题。

(4) 水声信道电磁波在水中衰减很快，在海水中一般只能达到 的深度，例如10kHz时深度为2.5m；声波可以在水下传播很远距离，衰减较小，但是存在严重的多径衰落现象，因为海水中声波传播速度为1500m/s，波长为厘米级，因此在传播路径上存在水面和海底之间的多次反射。

(5) 地下信道

超低频电磁波可以深入到地面以下近百米的土壤层中传播，但是需要很长的发射天线和很大的发射功率。地下岩层为半导体媒质，无线电磁波衰减很快，不能远距离传输。但是采用低频电流场方式进行传播，其传输距离也可达1000m以上；发送端和接收端都采用类似于偶极子那样的一对电极钉在岩层上，传输3～30kHz带宽的电信号，其强度衰减正比于距离的4次方。

(6) 存储信道

磁介质、光盘或半导体存储器，其数据存/取过程类似于数字通信系统的信道传输。存储过程相当于发送过程，读取相当于接收过程，其中也会产生信号失真和噪声干扰，其存取过程需要借助信道编码、数字调制技术。存储转发有时也是一种非常重要的通信方式，例如：基于低轨道卫星的存储转发，可以在跨半个地球距离的地面上两点之间实现数字通信。