1.1 通信的基本概念

从远古时代到人类文明高度发达的现代，人类的各种活动都与通信密切相关。特别是进入信息时代以来，通信技术、计算机技术和控制技术不断发展与相互融合，极大地扩展了通信的功能，使得人们可以随时随地的通过各种信息手段获取和交换各种各样的信息。通信进入社会生产和生活的各个领域，已经成为现代文明的标志之一，对人们日常生活和社会活动的影响越来越大。

1.1.1 通信的含义

一般来说，通信（communication）就是人们在日常生活中相互之间传递信息的过程。我国古代的烽火示警、飞鸽传书、击鼓作战、驿站传信、符号等信息传递方式，都是早期人类利用光和声音等媒介进行通信的实例。在如今的信息社会人们用各种电子产品和网络来传递信息，都属于通信的范畴。当然，古代通信方式在传输距离的远近以及速度的快慢等方面都不能和今天相提并论。各种各样的通信方式中，利用电磁波或光波来传递各种信息的通信方式就是人们通常所说的电信。由于具有信息传递迅速、准确、可靠且几乎不受时间和空间距离限制等特点，电信技术得到了飞速发展和广泛应用。如今，在自然科学领域，“通信”通常都是指“电信”。本书所涉及的通信也均指电信。通信是信息科学技术的一个重要组成部分。

1. 消息、信息与信号

在学习通信的过程中，经常遇到的是“消息”“信息”“信号”这几个术语。

消息（message）是人或事物的相关情况，是通信系统传输的对象，它来自信源且有多种表现形式，如数据、文本、声音、图像、符号、温度等，各种形态可以相互转化，例如，声音被手机接收，就转为数据，在网络中进行传输。

信息（information）无所不在，它存在于自然界和人类社会任何事物的运动和变化中，可以被认知主体（生物或机器）获取和利用。

信息的定义有多种。具有普遍性的定义是，信息是消息中有意义的内容，或者说是收信者原来不知而待知的内容。通俗地讲，信息量就是对消息中这种不确定性的度量，一个消息的可能性越小，其信息越多；而消息的可能性越大，则信息越少。事件发生的概率小，不确定性越大，信息量就大，反之则少。

在当今信息社会中，信息已成为最宝贵的资源之一，如何有效而可靠地获取、传输和利用信息是一项研究重点。

信号（signal）是运载消息的工具，是信息的物理载体。从广义上讲，它包含光信号、声信号和电信号。例如，古代人利用烽火台产生的狼烟向远方军队传递军情，这属于光信号；当大家上课交流时，声波传递到同学们的耳朵中，这属于声信号；日常生活中，各种无线电波、通信电话网中的电流等，都可以用来传递各种消息，这属于电信号。在通信网络中，信号以电（或光）的形式进行处理和传输，电信号常用的形式是电流、电压与电磁波等。

2. 信号类型与特征

消息可以分为两大类：连续消息（如连续变化的文本和图像）和离散消息（如消息状态可数的符号和数据），所以信号也相应分为两大类，见表1-1。

模拟信号（analog signal）和数字信号（digital signal）示例如图1-1所示。横轴代表时间，纵轴代表信号的取值。可见，模拟信号是连续的，有无穷多个取值；而数字信号是离散、有限的。二进制信号就是典型的数字信号（只有0和1两种取值）。

综上所述，消息、信息和信号这三者之间既有联系又有不同。

●消息是信息的外在形式。

●信息则是消息的内涵。

●信号是消息（或信息）的传输载体。

1.1.2 通信系统模型

1. 通信系统基本模型

通信系统（communication system）是通信需要的一切技术设备和传输介质的总体，其功能是对原始信号进行转换、处理和传输。图1-2所示为通信系统的基本模型，从总体上看，通信系统包括发送端（信源、发送设备）、信道和接收端（接收设备、信宿）。

信源（information source）即信息源，是消息（或信息）的发源地，其核心器件是输入传感器。根据发出信息的不同，信源可以是电话机、摄像机、传真机、计算机等数字设备。

发送设备（transiter）将信源产生的信号进行处理和变换，成为适合在信道中传输的信号。通常包括放大、滤波、编码、调制等过程。

信道（channel）是指用于传输信号的各种物理介质。按传输媒介的不同分为无线信道（电磁波）和有线信道（电缆和光纤）；按传输信号形式的不同可分为模拟信道和数字信道。

接收设备（receiver）与发送设备功能相反，即把收到的信号进行反变换（如译码、解调等），其目的是从受到减损的接收信号中恢复出原始的消息信号。

信宿（destination）是信息传输的目的地。其功能与信源相反，即把电信号还原成原始信号。

噪声源（noise source）是客观存在的，是信道中的噪声以及通信系统其他各处噪声的集中表示。

2. 模拟通信系统模型

将信源发出的信息用调制器变换处理后，形成模拟信号送往信道上传输的通信系统就称为模拟通信系统。在接收端解调器进行反变换，并送达信宿。图1-3所示为模拟通信系统模型。

应该指出，除正、反变换外，实际通信系统中一般还有滤波、放大、天线辐射等信号处理过程。但是上述两种变换起主要作用，而其他处理只是对信号进行波形或性能上的改善，不会使信号发生质的变化。

3. 数字通信系统模型

信源发出的信息经变换处理后形成数字信号送往信道上传输的通信系统就是数字通信系统。数字通信系统传输离散、有限状态的数字信号，在接收端通过取样、判决来恢复原始信号，还可以通过纠错编码来进一步提高抗干扰能力。图1-4所示为数字通信系统模型。

对照图1-2所示模型可知，这里的发送设备包括信源编码、信道编码和调制器，接收设备的位置与发送设备相对应，功能相反。各单元的主要功能如下。

信源编码有两个基本功能：一是进行模/数（A/D）转换，即将模拟信号编码成数字信号；二是去除冗余（多余）信息，以提高传输的有效性。解码（译码）是编码的逆过程。

信道编码的作用是进行差错控制。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（监督码元），组成所谓的“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按相应的规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，提高通信系统的可靠性。

对于调制的本质及原理，数字通信系统和模拟通信系统相似，都是把基带信号（这里是数字基带信号）加载到高频载波上。解调是调制的逆过程。

1.1.3 通信系统的性能指标

通信的任务是快速、准确地传递信息，因此评价一个通信系统的主要性能指标是系统的有效性和可靠性。

有效性指的是传输一定信息量时所占用的信道资源（频段宽度或时间），或者说是传输的“速度”问题；而可靠性指的是接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾又相对统一，并可进行互换。

1. 模拟通信系统的性能指标

（1）有效性

模拟通信系统的有效性可以用有效传输频带来度量。同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带带宽，如单边带信号占用的带宽仅为4kHz，双边带信号则需要8kHz，因此在一定的信道带宽内，采用单边带方式进行复用的信号路数要比双边带方式多出一倍，说明单边带方式的有效性好。可以看出，信号占用的传输带宽越小，通信系统的有效性就越好。

（2）可靠性

模拟通信系统的可靠性常用接收端最终输出的信噪比来度量。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。如调频系统的可靠性通常比调幅系统的好，但调频信号占用的带宽比调幅信号要宽。所以可靠性与有效性总是一对矛盾体。

2. 数字通信系统的性能指标

数字通信系统的有效性可用传输速率（码元速率和信息速率）和频带利用率来衡量。可靠性可用差错率来衡量，常用误信率和误码率表示。

（1）有效性

1）码元速率R_B简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），所以也称波特率。设码元宽度为T_s，则码元速率可表示为

数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元宽度有关。

2）信息速率R_b简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒（bit/s）。

一个二进制码元携带1比特的信息量（等概率传输），一个M进制码元携带log₂M比特的信息量（等概率传输），所以码元速率和信息速率存在以下确定关系，即

或

例如，每秒传送1200个码元，则码元速率为1200Baud；若采用二进制（M=2），则信息速率为1200bit/s；若采用八进制（M=8），则信息速率为3600bit/s。可见，二进制的码元速率和信息速率在数量上相等，又简称它们为数码率。

3）频带利用率是指单位频带内的码元速率，可表示为

数字信号的传输带宽B取决于码元速率R_B，而码元速率和信息速率R_b有着确定的关系。在二进制系统中，为了比较不同系统的传输效率，又可定义频带利用率为

（2）可靠性

1）误码率（码元差错率）P_e是指发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例，即码元在传输过程中被传错的概率。P_e越小，说明传输的可靠性越高。可表示为

2）误信率（信息差错率）P_b是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，即错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例。可表示为

显然，对于二进制系统，有P_e=P_b。