1.3.2 数字通信系统
数字通信系统利用数字信号传输信息，系统的组成如图1.4所示，其基本原理建立在信息论基础之上，系统结构较为复杂，涉及的技术较多。信道两端的发射机和接收机中的功能模块呈对应关系，按照从远端到近端的方向，它们分别是信源编码/解码器、加密/解密器、信道编码/解码器，以及数字调制/解调器等模块。另外，为保证数字通信系统准确、有序和可靠地运行，接收机和发射机两端的信号还需要保证时间上的同步。下面分别对数字通信系统中的各组成部分进行详细介绍。
图1.4 数字通信系统的组成
1. 信源编码/解码器
信源编码/解码器是指可以对信源进行编码/解码的器件。信源编码的目标是提高信息传输的有效性。它有两个作用，一是将信源的模拟信号转化成数字信号，二是进行数据压缩。如果信源产生的信号是模拟信号，那么首先要将模拟信号数字化，一般包括抽样、量化、编码3个过程，详细内容在第4章进行介绍。数据压缩的目的是去除消息信号中的冗余信息，以有效利用信道，提高信息传输的有效性。信源解码是信源编码的逆过程。
2. 加密/解密器
加密/解密器是指可以对数据进行加密/解密的器件。加密的目的是保证信息传输的安全性。数据加密的基本过程就是对原始数据（也称“明文”）按某种算法进行处理，将明文信息隐匿起来，成为编码信息，即“密文”。该过程的逆过程为解密，即将该编码信息转化为原来的“明文”形式。
3. 信道编码/解码器
信道编码也称为纠错编码或差错控制编码，由于信道中存在噪声和干扰，信息传输过程中的差错不可避免。为减少误码率，信道编码器按照一定的规律在待发送的信息码元中加入一些冗余码元（监督码元或校验码元），信道解码器可以利用校验码元与信息码元的关系发现和纠正错误，提高通信系统的可靠性。一般而言，校验码元的个数越多，能发现和纠正的错误个数就越多。因此，信道编码牺牲了部分有效性，以换取可靠性的提高。信道编码/解码是本书的重点内容之一，本书将在第11章进行详细讲解。
4. 数字调制/解调器
数字调制/解调器是指可以对信号进行调制/解调的器件。数字调制是指对数字基带信号进行调制，形成适合在信道中传输的数字带通信号。基本的数字调制方式有幅移键控、频移键控、相移键控、差分相移键控和正交幅度调制等，如5G的256QAM、在Wi-Fi 6中甚至用到1024QAM等高阶调制。数字解调器可采用相干解调或非相干解调对信号进行恢复。除了上述单载波调制技术以外，现代通信技术也用到了多载波调制技术，如正交频分复用，其目的是进一步提高频带利用率。数字调制/解调也是本书的重点内容之一，本书将在第7章进行详细讲解。
5. 同步
同步指接收机和发射机在时间上“步调一致”，故又称为定时。同步技术是数字通信系统中非常重要的技术，是保证数字信息正常收发的关键。通信系统中的同步又可分为载波同步、码元同步、帧同步和网同步几大类。通常，一个数字通信系统中就需要采用多种同步技术，相关内容将在第12章进行详细讲解。
实际的数字通信系统与图1.4所示的可能略有不同。如果信源是数字信号且对有效性要求不高时，则无须进行信源编码，如计算机数据；如果通信距离不远，且容量不大，信道一般采用电缆，即采用基带传输方式，这样就不需要数字调制器和数字解调器，如计算机和打印机之间数据的传输；如果对抗干扰性能要求不高，数字通信系统同样可以不需要信道编码器和解码器。
与模拟通信系统相比，数字通信系统具有以下优点。
• 抗干扰能力强，可通过中继传输消除噪声累积。
• 传输差错可控，可通过信道编码技术进行检错或纠错，提高传输的可靠性。
• 易于进行信号处理、变换及存储，可将来自不同信源的信号进行综合处理。
• 易于加密，可以采用各种复杂的加密算法进行加密，使通信具有高度的保密性。
• 易于集成，使通信设备微型化、智能化。
• 易与其他系统的设备、终端接口相结合，满足不同系统的业务需要。
数字通信系统也有自身的一些缺点，如占用频带宽等，数字通信的许多优点就是用比模拟通信占用更宽的系统频带换取的。与模拟通信系统相比，数字通信系统的频带利用率不高。以语音信号为例，一般基带模拟语音信号的带宽为4kHz，而基带数字语音信号，如脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）信号的带宽是64kHz，即1路PCM信号占了16路模拟语音信号。其次，数字通信系统的复杂度较高，尤其是对同步精度要求很高。不过，随着宽带传输信道（如光纤）和高阶调制技术的采用，以及超大规模集成电路的发展，这些缺点已经弱化。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用，数字通信系统在现代通信方式中已经占据主导地位。
从前面的描述可以看出，模拟通信系统的设计在概念上比较简单，但实际建立有一些困难，因为它对线性度和系统调试的要求比较苛刻。例如，语音信号的非线性失真至少比所需要的消息信号低40dB。另外，模拟调制技术只对原始消息信号进行了相对简单的变换，系统设计没有考虑对信号的波形进行调整，使其与信道特性相匹配，以减小信道噪声的影响；在信号处理方面，模拟通信系统的解调性能取决于所采用的连续波解调类型。
数字通信系统的设计虽然在概念上相当复杂，但实际系统的建立并不困难。此外，数字通信系统能够尽可能找到一组与信道特性相匹配的信号波形，以建立信道的可靠传输，一旦确定了传输波形，信源信号就能被编码为信道波形，从而实现从信源到信宿的有效传输。总之，采用数字通信系统可以保证信息有效、可靠传输。
虽然当前的主导是采用数字通信系统，但是基于以下两个原因，我们还需要学习模拟通信系统。
• 模拟广播和电视依然存在，需要了解这些通信系统是如何工作的。此外，模拟调制技术是数字调制技术的基础。
• 模拟器件和电路能在很高的速率下运行，并且与数字器件和电路相比，它们的功耗非常低，因而，以高速和低功耗为原则的通信系统大多选用模拟方式。