1.2.3 数字通信系统

数字信号结构简单、再生能力强，故数字通信系统具有模拟通信系统无可比拟的优点，但数字通信带宽利用率低，在带宽资源受限的电缆时代难以成为主要的通信系统。20世纪80年代以来，数字处理技术、数字集成电路等已十分成熟，特别是光纤通信技术的迅猛发展和广泛应用突破了带宽资源的瓶颈，迎来了数字通信的辉煌时代，一定程度宣告了模拟通信时代的结束。

1.数字通信系统构成

数字通信系统基本构成如图1-6所示。除信源编码、信宿解码外，还包括信道编码器、调制器、信道、解调器和信道解码器，以及保证收/发两端设备协调一致、同步工作的数字同步系统等。

① 信源编码。信源通常存在某些冗余信息，为提高传输有效性，可根据香农理论去除这些冗余信息，用更少编码位数表示符合一定接收质量的多源符号。具体来讲，就是针对信源输出符号序列的统计特性寻找某种方法，把信源输出符号序列变换为最短的码字序列，使后者的各码元所载荷信息量最大，同时又能无失真地恢复原来的符号序列。最原始的信源编码是莫尔斯电码，现代通信常见的信源编码分无损编码、有损编码两种。

图1-6 数字通信系统构成

② 信道编码。信道编码作用是提高数字信号传输可靠性。由于传输信道噪声和信道特性不理想造成的码元间干扰极易导致传输差错，而信道线性畸变造成的码间干扰可通过均衡方法基本消除，因此，信道噪声成为传输差错主要原因。减小这种差错的基本方法是在信码组中按一定规则附加若干监控码元（或称冗余码），使原来不相关的数字序列变为有一定相关性的新序列。接收端根据这种相关性来检测或纠正接收码组中的误码，提高可靠性，故信道编码又称差错控制编码。接收端信道解码是信道编码的逆过程。

③ 信道复用。信道复用指多种信息流共享同一信道，提高资源利用率。例如，目前无线通信频段为105～1012Hz，各频段、频点用于相应类型的无线信号传输，可采用FDMA；基于有线信道的基带传输，可采用TDMA；基于无线扩频通信的CDMA；基于空间分离的空分复用（SDMA）等。上述信道复用共同点是复用信号集的各信号间或多址系统各用户地址码间为正交关系。

④ 数字信号调制、解调。调制是信号的变换过程，若调制信号为数字信号，则相应的调制称为数字调制。数字信号的调制、解调过程如图1-7所示。

图1-7 数字信号的调制、解调过程

2.模拟信号数字化

模拟信号数字化是现代通信网络支持各种业务的基础。常用方法有脉冲编码调制（PCM）、差值编码（DPM）、自适应差值编码（ADPM）、增量调制（DM）等。其中，最典型、最基础的数字化方式是英国人A.H.Reeves提出的PCM，其通信系统组成如图1-8所示。输入的模拟信号（语音信号）经抽样、量化、编码后变换成数字信号，经信道再生中继传输到接收端，由解码器还原出抽样值，再经低通滤波还原为模拟信号（语音信号）。通常称量化与编码组合为模/数（A/D）变换，解码与低通滤波组合为数/模（D/A）变换。可以看出，模拟信号数字化需经过采样、量化和编码3个步骤。

图1-8 PCM通信系统组成

① 采样。采样是把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值，变为时间轴离散的采样信号的过程。采样过程所应遵循的规律称采样定理，它说明了采样频率与信号频谱间的关系，是连续信号离散化的基本依据。该定理1928年由美国人H.奈奎斯特（Harry Nyquist）提出，1933年苏联人科捷利尼科夫首次用公式严格地表述这一定理。1948年，信息论创始人C.E.香农（Shannon）正式作为定理引用。其基本表述为：当信号f(t)最高频率分量为fm时，f(t)值可由一系列采样间隔不超过1/(2fm)的采样值来确定，即采样点重复频率f≥2fm，则采样后的样值序列可不失真地还原成初始信号。采样定理是采样误差理论、随机变量采样理论和多变量采样理论的基础。例如，一路电话信号频带为300～3400Hz，fm=3400Hz，则采样频率fs≥2×3400Hz=6 800Hz。如按6 800Hz的采样频率对300～3400Hz的电话信号采样，则采样后的样值序列可不失真地还原成初始的语音信号。实际应用时，语音信号采样频率通常取8 000Hz。采样所得到的时间上离散的样值序列，既可进行TDMA，也可将各个采样值经过量化、编码变换成二进制数字信号。

② 量化。量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把连续幅度的模拟信号变为有限数量的离散值。采样信号（样值序列）虽然时间上离散，但仍为模拟信号，其样值在一定取值范围内可有无限多个值。显然，无限个样值都给出数字码组对应是不可能的。为实现以数字码表示样值，采用“四舍五入”法把样值分级“取整”，使一定取值范围内的样值由无限多个变为有限个。量化后的采样信号与量化前的采样信号相比较有失真，分的级数越多，量化级差或间隔越小，失真也就越小。

③ 编码。采样、量化后的信号还不是数字信号，需转换成数字脉冲，该过程称为编码。最简单的是二进制编码，就是用n比特二进制码来表示已量化样值，每个二进制数对应一个量化值，然后把它们排列，得到由二值脉冲组成的数字信息流。接收端按所收到的信息重新组成原来的样值，再经过低通滤波器恢复原信号。用这样方式组成的脉冲串的频率等于采样频率与量化比特数的积，称为所传输数字信号的数码率。显然，采样频率越高，量化比特数越大，码率就越高，所需传输带宽也越宽。例如，语音PCM的采样频率为8kHz，每个量化样值对应一个8b二进制码，则语音数字编码信号速率为8b×8kHz=64kbps。

图1-9为模拟信号m(t)的数字化过程。其中，图1-9（b）根据抽样定理，m(t)经过抽样后变成时间离散、幅度连续的信号mS(t)。图1-9（c）将mS(t)输入量化器，得到量化输出信号mq(t)，采用“四舍五入”法将每个连续抽样值归结为某一临近的整数值，即量化电平。这里采用了8个量化级，将图1-9（b）中7个准确样值4.2、6.3、6.1、4.2、2.5、1.8、1.9分别变换成4、6、6、4、3、2、2。量化后的离散样值可以用一定位数的代码表示，即编码。因为只有8个量化电平，所以可用3b二进制码表示（23=8）。图1-9（d）是用自然二进制码对量化样值进行编码的结果。

图1-9 模拟信号的数字化过程