1.2 通信系统及其相关概念

通信系统可以简单地定义为：“为了完成某项通信任务，按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有物体的集合或总和，也可以指完成信息传递所需的一切设备及传输媒介的总和”。广义地讲，通信系统涵盖无线和有线通信系统，如卫星通信系统、移动通信系统和固定电话通信网等。

一个点对点数字通信系统组成如图1-1所示。

图1-1所示的系统是单向通信系统，但在大多数场合通信双方是收发兼备的，即为双向通信。如果双方有各自的传输媒介，则双方都可以独立地进行发送与接收；但若共享一个传输媒介，则必须用频率、时间或空间分割等办法来共享，即所谓的频分复用、时分复用和空分复用等。通信也不只是点对点通信，很多情况下是多点之间的通信，以完成信息的传输与交换，这就涉及多址技术与交换技术，这时整个通信系统就构成了一个通信网。

信息传递的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。对于数字通信系统，有效性可用一定信道条件下的信息速率来衡量，这方面的具体指标有波特率和比特率。波特率是指系统每秒传送的码元个数；比特率是指系统每秒传送信息的比特数，单位为bps。当信道一定时，信息传输速率越高，有效性越高。数字通信系统的可靠性可用错误率来衡量，这方面的具体指标包括误码率和误比特率。可靠性和有效性是可以互换的，它们之间的关系遵从信息论中有名的香农公式。

在通信系统的发展过程中，逐渐涌现出三类分析通信系统性能的方法：借助于公式的解析法、开发硬件样机和通信系统仿真。

1.解析法

解析法又称为近似表达式法。

解析法首先对通信系统进行简化，然后建立数学模型，量化设计参数和系统性能间的关系，从而得到通信系统的性能。解析法一般用数学公式（近似式）定量地表示，如误码率（BER）和信噪比（SNR）之间的关系，或者发送波形的频谱特性。

解析法可以很快给出结果。但是为了获得容易处理的结果，解析法往往要在分析中做出许多近似的假设，导致产生的结果是近似的。对于某些复杂系统，甚至不能使用解析法，其原因就是不可避免的简化往往使得结果不准确。

在通信技术发展初期，通信系统比较简单，当时仿真工具也十分匮乏，因此，解析法起着举足轻重的作用。随着通信技术的不断发展，通信系统越来越复杂，这使得试图单纯使用公式推导出系统性能变得十分困难，甚至根本不可行。

2.开发硬件样机

开发硬件样机的思路恰好与解析法相反，它通过建立实际的电路系统来实现通信系统，通过最实际、最客观的方式来描述系统的性能。在3种性能分析方法当中，开发硬件样机是最可信的。但是，这种方法存在很多缺点：硬件开发周期长、成本高、移植性差，而且硬件样机一旦搭建完毕，即使发现了系统缺陷，试图更改一些参数或者设置也受到很多限制等。

3.通信系统仿真

通信系统仿真是以通信系统为对象建立模型，然后利用计算机对模型进行运算从而达到模拟实际通信系统的目的，通过建立一系列估计器来估计通信系统的性能。随着计算机软、硬件能力的飞速发展，通信系统仿真已经成为分析通信系统性能确实可行的手段。

仿真法特别适合对那些不能使用解析法、原型构造复杂的通信系统进行实验分析。仿真法也适合于系统性能分析模型的检查和验证，或者根据仿真结果建立分析模型。仿真法和解析法可以互相补足，也就是说仿真法也有缺点。

目前，在通信系统仿真中采用最多的是随机模拟法，也即蒙特卡罗（Monte Carlo）法。它是以概率论为基础，以统计实验为手段的一种分析方法。蒙特卡罗法的基本思想：首先建立一个概率模型或随机过程，利用它们的参数求得概率分布或数学期望等问题的解；然后通过对模型或过程的观察、抽样实验来计算所求参数的统计特征，并用算术平均值作为所求解的近似值。对于随机性问题，有时还可以根据实际物理背景的概率法则，用计算机直接进行抽样实验，从而求得问题的解答。

因为通信系统的许多指标具有随机性，如通信系统的误比特率就具有随机变量的数字特征，这是由于电子热运动引起的噪声是随机的。这时，在一定的信噪比下，1bit信息通过通信系统后的正确率为0.5。因此，用蒙特卡罗法分析研究通信系统是有效的。

蒙特卡罗法中要使用成千上万的随机数。仿真的次数也常常要成百上千次。就是说，蒙特卡罗法的计算量是巨大的，这就是蒙特卡罗法的缺点。但是计算机技术的迅速发展，为蒙特卡罗法的广泛应用提供了有力的工具。

在上述3种通信系统评估方法当中，仿真出现的时间最晚，但却是当前应用最为广泛的。

第一，与解析法相比，仿真不需要考虑过于复杂的数学运算，避开了繁冗的公式推导。面对当前通信系统，特别是无线通信系统已经十分复杂的现实，试图单纯依靠数学推导获得精确的系统性能已基本不可能实现，因此，仿真成为了不可缺少的手段。与开发硬件样机相比，仿真开发时间短、成本低、移植性强、灵活性高，可以边仿真边发现问题，解决问题后再继续仿真，直到获得可行、可信的结果为止。

第二，即使解析法可以导出系统性能，也需要通过仿真对公式计算的结果进行验证；即使开发了通信样机，同样也需要通过仿真为样机开发提供数据作为参考对象，以检查样机各个模块是否运行正常。

第三，从当前实际通信系统的设计流程来看，仿真起着承前启后的作用。一方面，它可以为初期的公式推导做验证工作；另一方面，它提供数据以指导后期的硬件开发。仿真已经成了通信系统设计中不可或缺的重要环节。

第四，从未来发展趋势来看，随着人们对通信质量要求的提高，通信系统势必越来越复杂，公式计算将越来越难以实现；与此同时计算机软硬件能力却在不断提高，仿真将越来越易于实现。可以预料，仿真将在未来通信系统设计中扮演越来越重要的角色。