1.1 通信的基本概念
1.1.1 通信
1．通信的定义
通信按传统理解就是信息的传输与交换，信息可以是语音、文字、符号、音乐、图像等等。任何一个通信系统，都是从一个称为信息源的时空点向另一个称为信宿的目的点传送信息。以各种通信技术，如以长途和本地的有线电话网（包括光缆、同轴电缆网）、无线电话网（包括卫星通信、微波中继通信网）、有线电视网和计算机数据网为基础组成的现代通信网，通过多媒体技术，可为家庭、办公室、医院、学校等提供文化、娱乐、教育、卫生、金融等广泛的信息服务。可见，通信网络已成为支撑现代社会的最重要的基础结构之一。
(1) 通信的定义：通信是传递信息的手段，即将信息从发送器传送到接收器
(2) 相关概念：
① 信息：可被理解为消息中包含的有意义的内容。
信息一词在概念上与消息的意义相似，但它的含义却更普通化，抽象化。
② 消息：消息是信息的表现形式，消息具有不同的形式，例如符号、文字、话音、音乐、数据、图片、活动图像等。
也就是说：一条信息可以用多种形式的消息来表示，不同形式的消息可以包含相同的信息。例如：分别用文字（访问特定网站）和话音（拨打121特服号）发送的天气预报，所含信息内容相同。
③ 信号：信号是消息的载体，消息是靠信号来传递的。信号一般为某种形式的电磁能（电信号、无线电、光）。
(3) 通信的目的：通信的目的是为了完成信息的传输和交换。
2．消息、信息与信号
（1）消息、信息与信息量
一般将语言、文字、图像或数据称为消息，将消息给予受信者的新知识称为信息。
因此，消息与信息不完全是一回事，有的消息包含较多的信息，有的消息根本不包含任何信息，为了更合理地评价一个通信系统传递信息的能力，需要对信息进行量化——即用“信息量”这一概念表示信息的多少。
如何评价一个消息中所含信息量为多少呢？既可以从发送者角度来考虑，也可以从接收者角度来考虑。一般我们从接收者角度来考虑，当人们得到消息之前，对它的内容有一种“不确定性”或者说是“猜测”。当受信者得到消息后，若事前猜测消息中所描述的事件发生了，就会感觉没多少信息量，即已经被猜中；若事前的猜测没发生，发生了其它的事，受信者会感到很有信息量，事件若越是出乎意料，那么信息量就越大。
事件出现的不确定性，可以用其出现的概率来描述。因此，消息中信息量I的大小与消息出现的概率P密切相关，如果一个消息所表示的事件是必然事件，即该事件出现的概率为100％，则该消息所包含的信息量为0，如果一个消息表示的是不可能事件，即该事件的出现的概率为0，则这一消息的信息量为无穷大。
为了对信息进行度量，科学家哈莱特提出采用消息出现概率倒数的对数作为信息量的度量单位。
定义：若一个消息出现的概率为P，则这一消息所含信息量I为：
当 a=2，信息量单位为比特（bit）；
a=e，信息量单位为奈特（nit）；
a=10，信息量单位为哈莱特；
目前应用最广泛的是比特，即a=2。以下举例说明信息量的含义：
不可能事件P＝0，I= 
；
小概率事件P＝0.125，I=3；
大概率事件P＝0.5，I=1；
必然事件P＝0，I=0；
可见，信息量I是事件发生概率P的单调递减函数。
图1-1讨论对于等概率出现的离散消息的度量。
图1-1 二进制和四进制码元系列
对于双极性二进制码元系列，只有两个计数符号（0和1）的进制码系列，如果0、1出现的概率相等，即 ，那么任何一个0或1码元的信息量为：
对于四进制码元系列，共有四种不同状态：0、1、2、3，每种状态必须用两位二进制码元表示，即00、01、10、11。如果每一种码元出现的概率相等，即 ，那么任何一种0、1、2、3码元的信息量为：
由以上分析可知：多进制码元包含的信息量大，所以采用多进制信息编码时，信息传输效率高。当采用二进制时，噪声电压大于E/2，才会引起误码；而当采用四进制时，只要噪声电压大于E/4，就会引起误码，因此，进制数越大，抗干扰能力也就越差。
（2）信号的时域分析
时域：信号的表示形式是时间的函数。
其中，三个重要参数是：幅度（振幅）、频率和相位。
——正弦波的幅度，表示正弦波的最大值；
——正弦波的角频率， ；
——正弦波的频率，表示正弦在单位时间内重复变化的次数，单位：Hz；
——正弦波的初相位，
时
，即
值决定
的大小。
时域信号的波形如图1-2所示。
图1-2 正弦信号时域波形图
（3 ）信号的频域分析
在通信领域中，信号的频域观点比时域观点更为重要。如果不考虑相位，正弦波的时域表达式为：
根据傅立叶变换，其频域表达式为：
频域波形为图1-3所示。
图1-3 正弦信号频域波形图
我们以一个例子说明信号的时域分析与频域分析之间的变换关系。一个时域信号由两个正弦波信号叠加构成，其一：幅度为3V，频率为1hz；其二：幅度为1V，频率为3hz。信号的时域波形如图1-4所示。
图1-4 叠加信号时域波形图
信号的频谱图如图1-5所示。
图1-5 叠加信号频域波形图
其中，两条谱线的长度分别代表两个正弦波的幅度，谱线在频率轴的位置分别代表两个正弦波的频率。
利用傅里叶变换，任何信号都可以被表示为各种频率的正弦波的组合。信号在时域缩减，叫做频域展宽；信号在时域展宽，叫做频域缩减。也就是说，信号的时间周期越长，则频率越低；反之，信号的时间周期越短，则频率越高。
1.1.2通信系统
通信系统是以实现通信为目标的硬件，软件以及人的集合。
1． 通信系统的模型
图1-6是一个基本的点到点通信系统的一般模型：
图1-6 通信系统的一般模型
其中，各部分的功能如下：
① 信息源：把各种可能消息转换成原始电信号；
② 发送设备：为了使原始电信号适合在信道中传输，对原始电信号变换成与传输信道相匹配的传输信号；
③ 信道：信号传输的通道；
④ 接收设备：从接收信号中恢复出原始电信号；
⑤ 收信者：将复原的原始电信号转换成相应的消息；
要传送的信息（消息）是m（t），其表达形式可以是语言、文字、图像、数据……，经输入设备处理，将其变换成输入数据g（t），并传输到发送设备（发送机）。通常g（t）并不是适合传输的形式（波形和带宽），在发送机中，它被变换成与传输媒质特性，相匹配的传输信号S（t）经传输媒质一方面为信号传输提供通路，另一方面衰减信号并引入噪声n（t），r（t）是受到噪声干扰的S（t），是接收机恢复输入信号的依据，r（t）的质量决定了通信系统的性能，r（t）经接收设备转换成适合于输出的形式g’（t），它是输入数据g（t）的近似或估值。最后，输出设备将由g’（t）传出的信息m’（t）提交给终点的经办者，完成一次通信。事实上，噪声只对输出造成影响，可以将整个系统产生的噪声等同成一个噪声源。
根据所要研究的对象和所关心的问题的重点的不同，又可以使用形式不同的具体模型。
2．模拟通信系统与数字通信系统
通信系统中的消息可以分为：
① 连续消息（模拟消息）——消息状态连续变化。如：语音、图像；
② 离散消息（数字消息）——消息状态可数或离散。如：符号、文字、数据。
信号是消息的表现形式，消息被承载在电信号的某一参量上。因此信号同样可以分为：
① 模拟信号——电信号的该参量连续取值。如：普通电话机收发的语音信号；
② 数字信号——电信号的该参量离散取值。如：计算机内PCI/ISA总线的信号。
模拟信号和数字信号可以互相转换。因此，任何一个消息既可以用模拟信号表示，也可以用数字信号表示。
相应的，通信系统也可以分为模拟通信系统与数字通信系统两大类。
① 模拟通信系统：模拟通信系统在信道中传输的是模拟信号，模型如图1-7所示。
图1-7 模拟通信系统模型
其中：
基带信号——由消息转化而来的原始模拟信号，一般含有直流和低频成分，不宜直接传输；
已调信号——由基带信号转化来的、频域特性适合信道传输的信号。又称频带信号。
对模拟通信系统进行研究的主要内容就是研究不同信道条件下不同的调制解调方法。
② 数字通信系统：数字通信系统在信道中传输的是数字信号，模型如图1-8所示。
图1-8 数字通信系统模型
其中：
信源编/译码器——实现模拟信号与数字信号之间的转换；
加/解密器——实现数字信号的保密传输；
信道编/译码器——实现差错控制功能，用以对抗由于信道条件造成的误码；
调制/解调器——实现数字信号的传输与复用。
以上各个部分的功能可根据具体的通信需要进行设置，对数字通信系统进行研究的主要内容就是研究这些功能的具体实现方法。
数字通信具有以下显著的特点：
数字电路易于集成化，因此数字通信设备功耗低、易于小型化；
再生中继无噪声累积，抗干扰能力强；
信号易于进行加密处理，保密性强；
可以通过信道编码和信源编码进行差错控制，改善传输质量；
支持各种消息的传递；
数字信号占用信道频带较宽，因此频带利用率较低。
3．通信系统的分类
通信系统有不同的分类方法。
① 按消息分：电报系统、电话系统、数据系统、图像系统
② 按调制方式分：基带传输、频带传输（调幅、调频、调相、脉幅、脉宽、脉位）
③ 媒质上的信号分：模拟系统、数字系统
④ 传输媒质（信道）分：有线系统（架空明线、对称电缆、同轴电缆、光纤、波导）、无线系统（长波、中波、短波、微波、卫星）
⑤ 按复用方式分：频分复用、时分复用、码分复用
⑥ 按消息传送的方向和时间分：单工、半双工、全双工
⑦ 按数字信号的排列顺序分：串序、并序
⑧ 按连接形式分：专线直通（点对点）、交换网络（多点对多点）
1.1.3 通信网络
众多的用户要想完成互相之间的通信过程，就靠由传输媒质组成的网络来完成信息的传输和交换，这样就构成了通信网络。
1． 通信网络的组成：
通信网络从功能上可以划分为接入设备、交换设备、传输设备。
① 接入设备：包括电话机、传真机等各类用户终端，以及集团电话、用户小交换机、集群设备、接入网等；
② 交换设备：包括各类交换机和交叉连接设备；
③ 传输设备：包括用户线路、中继线路和信号转换设备，如：双绞线、电缆、光缆、无线基站收发设备、光电转换器、卫星、微波收发设备等。
此外，通信网络正常运作需要相应的支撑网络的存在。支撑网络主要包括数字同步网、信令网、电信管理网三种类型。
① 数字同步网：保证网络中的各节点同步工作；
② 信令网：可以看作是通信网的神经系统，利用各种信令完成保证通信网络正常运做所需的控制功能；
③ 电信管理网：完成电信网和电信业务的性能管理、配置管理、故障管理、计费管理、安全管理。
2． 通信网络的分类：
① 按照信源的内容可以分为：电话网、数据网、电视节目网和综合业务数字网（ISDN）等。其中，数据网又包括电报网、电传网、计算机网等；
② 按通信网络所覆盖的地域范围可以分为：局域网、城域网、广域网等；
③ 按通信网络所使用的传输信道可以分为：有线（包括光纤）网、短波网、微波网、卫星网等。
