现代通信原理9.1：数字系统通用模型

  数字通信系统模型如图1所示。我们按照信号流向，对其中的各个模块逐一进行解释。

图1 数字通信系统模型

• 信源

【百度百科】所谓信源就是信息的来源，可以是人、机器、自然界的物体等等。信源发出信息的时候，一般以某种讯息的方式表现出来，可以是符号，如文字、语言等，也可以是信号，如图像、声响等等。

  图1中的第一个模块是信源，信源输出的波形或者数据流会进入第二个模块，信源编码。一般来说，信源可能是模拟的，也可能是数字的。如果信源是模拟的，则认为它会输出一定的信号波形，例如麦克风产生模拟语音信号，或者模拟录像机产生模拟视频信号，意味着信源产生的波形集中波形的个数是无限多的。如果信源是数字的，一般认为其输出“0”、“1”数据流。

• 信源编码

【百度百科】信源编码是一种以提高通信有效性为目的而对信源符号进行的变换，或者说为了减少或消除信源冗余度而进行的信源符号变换。

  一般来说，信源编码有两种不同类型。如果信源为数字的，那么信源编码的主要作用是通过减少冗余来进行压缩，这样的信源编码称为数字信源编码，它将输入的数据流编码后输出新的比特流。我们仅用下面例子做简单说明，更多内容大家将在《信息论与编码》课程中学习。

  举例来说，对于一幅人脸静态图像，对于背景、人脸、头发等处的亮度、颜色等，都是平缓变化的。相邻的像素和色度信号值比较接近，具有强相关性。如果直接保存每个像素的亮度和色度信息，数据中存在较多的空间冗余。如果先去除冗余数据再编码，表示每个像素所需要的比特数就会下降，这就是通常说的图像的帧内编码，就可以通过减少空间冗余进行数据压缩。
  再例如，视频是时间轴方向的帧图像序列，相邻帧图像的相关性也很强，通常用降低帧间的方法来减少时间冗余。例如草地上的一只鸟，如果这只鸟有几秒钟不动，那么可能几十上百帧的图像都是不变的，显然没有必要把每一帧图像的每个像素都进行保存传输。因此，可以进行帧间压缩，重建时通过运动估计和运动补偿的技术来满足解码质量要求。

  如果信源为模拟的，那么信源编码的主要作用是将模拟信源产生的模拟信号变换成数字信号，这样才能够在数字系统上进行传输，这样的信源编码称为模拟信源编码。它将输入的模拟波形编码后输出为数据流。在第14、15讲里，我们将学习模拟语音编码，即如何把语音信号变为数据流。

• 信道编码

【百度百科】由于移动通信存在干扰和衰落，在信号传输过程中将出现差错，故对数字信号必须采用纠、检错技术，即纠、检错编码技术，以增强数据在信道中传输时抵御各种干扰的能力，提高系统的可靠性。对要在信道中传送的数字信号进行的纠、检错编码就是信道编码。信道编码之所以能够检出和校正接收比特流中的差错，是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特。

  显然，信道编码与信源编码的作用正好相反。信源编码是尽量减少冗余，而信道编码是增加冗余。同样，这里我们仅举例简单说明，更多内容大家将在《信息论与编码》课程中学习。

第一个例子是大家在微机原理、单片机等课程里遇到过的奇偶校验。事实上奇偶校验是一种最简单的检错码。我们将准备传送的若干个二进制数据bit组成一个帧，并为每帧增加一个冗余bit，即奇偶校验位。如果整个帧中一共有偶数个“1”，我们就把奇偶检验为置为"0"；如果有奇数个“1”，则置为"1"。显然，如果该帧在传输过程中，发生了奇数个错，就可以通过奇偶校验位检测出来。（想想看，为什么只有奇数个错误才能够检测出来呢？）
奇偶校验只能够检测传输中的部分错误，并不能纠正错误。我们再举一个简单的纠错码的例子，重复码。例如，我们准备发送二进制数据流"10010"，如果用重复码，每个bit重复发送三次，即发送二进制数据"111000000111000"。显然，这里我们引入了冗余bit。在接收端，如果因为噪声影响，第1个bit对应的三位编码输出"111"错成了"101"，利用投票原则，我们三个里面去两个一样的，还是可以得到正确的输出"1"。

  从上面例子来看，所谓检错码，是引入冗余bit，例如奇偶校验位，来检测错误。而纠错码，是引入冗余bit，例如重复码中的重复发送位，来纠正错误。当然能够检测或者纠正的错误的个数是与码的增加的冗余个数有关的。一般来说，引入的冗余越多，纠错能力也就越强。
  显然，信道编码器的输出仍然为比特序列，我们用 { b n } \{b_n\} { bn​}来表示。下面就要进入我们在第9讲里面要讨论的内容，脉冲调制。

• 脉冲调制
    所谓脉冲调制，有时候我们也称为基带调制，就是对比特序列 { b n } \{b_n\} { bn​}的波形表达，更具体来说，在这个部分，是基带波形表达。通俗点说，就是要把一个一个的bit，表示成为具体的波形，才好发送到信道上去。
    比如，对于比特序列“11101001”，我们可以下图中左边图中的波形来表示，即“1”用持续时间为$T_s$的$+A$电平来表示【图中$g_1(t)$】，"0"用持续时间为$T_s$的-A电平来表示【图中$g_2(t)$】，这样就可以得到比特序列“11101001”的波形了。事实上，我们可以选取任意的两个波形表示"0"和“1”，比如用下图右边图中的两个波形，其中$g_1(t)$为在$T_s$时间间隔内的某种波形，$g_2(t)$为持续时间为$T_s$的一段零电平，也可以得到比特序列“11101001”的波形。

  甚至于，我们还可以用四种波形，来表示比特序列“11101001”。如下图所示，我们用四个基带波形来分别表示四种两位二进制bit组合，即
$$"00"\to g_1(t),"01"\to g_2(t),"10"\to g_3(t),"11"\to g_4(t).$$其中，左边图中我们用了四种幅度不同的基带矩形脉冲信号作为波形，右边图中我们用了四种频率不同的单音信号作为波形（当然如果单音信号频率很高的时候，就不再是基带信号了。我们把这个例子放在这里，还是想说明，波形的选取可以是任意的）。

  把上面例子推而广之，我们可以看出，事实上我们可以选取任意的波形来表示想要发送的二进制比特序列。那么该如何选择波形呢？或者说，什么样的波形能够带来更好的通信性能呢。这就是我们下面要学习的重点内容。我们看有些什么约束限制了波形的设计，什么样的波形设计能够带来什么样的更好性能？这都是我们会讨论的问题。在这里，我们首先需要了解的，就是脉冲调制是用合适的基带信号波形来表示想要发送的比特流。当然到接收端，就需要从接收到的波形里面，再把比特流提取出来，这就是“检测”这个模块实现的功能。

• 带通调制
    如图中所标出的那样，这里的带通调制是把基带波形变成频带波形，类似于我们在模拟调制部分讨论的，是一个上变频的过程。我们在频带数字传输部分会详细讨论。注意，如果为数字基带传输，系统中是不包括这个模块的。
• 信道
    尽管实际信道会很复杂，特别在无线通信中，我们这门课程只讨论AWGN信道，即在进入接收机之前，有用信号与加性高斯白噪声叠加。我们会讨论两种AWGN信道，一种是频带无限的，第二种是频带有限的。
• 带通解调
    作用正好与带通调制相反，进行下变频。因此，其输入信号为带通波形，输出为基带波形。同样，如果为数字基带传输，系统中是没有这个模块的。
• 检测
    作用正好与脉冲调制相反，把波形中的比特序列提取出来。由于噪声干扰的影响，其输出 { b ^ n } \{\hat b_n\} { b^n​}往往与原始发送的 { b n } \{ b_n\} { bn​}不完全一样，即出现传输错误。
• 信道译码
     信道译码是将冗余比特去掉，实现检错或者纠错功能。
• 信源译码
     如果发送端为数字信源编码，这里的信源译码恢复原始信息；如果为模拟信源编码，则恢复模拟信号。