数字通信概述

1 第一章 数字通信概述

第一节 数字通信的基本知识

一、通信系统的组成

1． 通信：通信是将信息从一个地方传送到另一个地方。

2． 通信系统的组成：

3． 信源：产生和发出信息的人或机器。

4． 变换器：把信源发出的信号进行加工处理，变换成适合在信道上传输的信号。

5． 反变换器：把信道送来的电信号按相反过程变换成原始信息，最后由信宿接收。

6． 信宿：信息最后的归宿，它是最后接收信息的处所，可以是人和各种终端设备。

7． 信道：传递信号的通道，按传输媒介有无线信道和有线信道之分。

8． 噪声源：因信号传递时，不可避免地会受到噪声或干扰的影响，且干扰会始终存在。为了便于分析干扰的影响，所以把始端、终端及传输信道中所在干扰都折合到信道中，等效为一个总的噪声源。

9． 模拟通信系统：若信源的信息是一个幅度和时间连续变化着的模拟信号， 则利用模拟信号进行信息传递的通信方式称为该系统。

10。数字通信系统：若信源的信息是一个幅度限制个数值之内，不是连续的而是离散的数字信号，则利用数字信号进行传递的通信方式称为该系统。

二．数字通信系统的模型。

1．数字通信系统的基本任务：是把信源产生的信息变换成一定格式的数字信号，

通过信道传输，在终端再变成适宜信宿接收的信息形式。

2．数字通信系统的基本模型：

接收器 发送器

3．信源编码的主要任务：（1）将信源送出的模拟信号数字化，即对连续信息进行模拟/数字（A/D）变换，用一定的数字脉冲组合来表示信号的一定幅度。（2）将信源输出的数字信号按实际信息的统计特性进行变换，以提高信号传输的有效性。 信源 变换器 信道 反变换器 信宿噪声源

信

源

信

源

编

码

器 信道编码器 调

制

器 信道

同 步 噪声源 解

调

器 信道译码器 信源

译码器 信宿 2 4．信道编码（抗干扰编码）：是一种代码变换，产要解决数字通信的可靠问题。

5．同步：通信系统的收、发端要有统一的时间标准，使收端和发端步调一致。

6．数字通信系统的基本模型图中，若信源是数字信息时，则信源编码或信源解码可以去掉，构成数据通信系统。若在没有用调制器和解调器，构成的是最单的通信系统称为基带传输系统，该系统实际上是将基带信号直接进行传输的系统。

三．数字通信网的概念

1． 通信网的三个基本要素：终端、传输系统和交换系统。

2． 模拟通信网：终端、传输和交换系统都是模拟方式实现的通信网称模拟通信网。

3． 数字通信网：若终端发送的数字信号，传输和交换的也都是数字信号，由这样的通信系统所构成的通信网叫做数字通信网。

4． 综合数字网（IDN）：数字传输与数字交换的综合，在两个或多个规定点之间提供数字连接，以实现彼此间通信的一组数字节点与数字链路。IDN是指网路的构成方式与可传送的业务无关。

5． 综合业务数字网（ISDN）：它是以IDN为基础发展而成的一种网络形式。它对通信网的建设带来的好处有（a）由于通信网内的技设备可为多种业务共用，因此通信网变得更为经济有效，（b）在规划和介入新业务时，具有很大的灵活性，（c）传输和交换过程中不需要经过信号形式的变化，有利于传输质量的提高，（d）同一的操作程序，使用者便于操作；同一的技术，简化了运营与维护，节省了运营和维护费用，（e）对光纤等传输介质的宽带特性，可以充分利用。

6． ISDN的基本技术环境：数字传输、数字交换、共路信令和网同步，网同步是实现ISDN 的必要条件。

四．数字通信技术的发展趋势

1． 向着小型化、智能化方向发展。

2． 向着高速大容量发展。

3． 向着数字处理技术的开发应用发展：（1）。压缩频带和比特率；（2）。数字话音插空DSI；（3）。数字电路倍增DCM。

4． 向着用户数字和ISDN发展。

5． 要将数字化从交换节点延伸到用户所在地的用户/网路接口，必须解决用户线的数字传输问题。目前的方法采用乒乓法和回波抵消法。

第二节 数字通信的性能指标与特点

一．数字通信中的常用术语

1． 比特（bit）：意为二进制数字。在二进制中，一位二进制数字就叫1比特。

2． 概率：通常是指某一事件发生的相对频数。

3． 消息和信息量

（1）。信息量：对消息中所含信息多少的一种度量。

（2）。消息中所含信息量的大小与消息发生的概率有密切关系。一件事发生的概率越小，此消息所含的信息量就越大；若消息出现P（ai）—>0，其消息的信息量就趋于无穷大。当消息发生概率P（ai）—>1时，则其含的信息量为零。信息量用I表示，公式为：I=㏒21/P=-㏒2P.

二.有效性指标

1. 信息传输速率:单位时间内传送的二进制比特数称作信息传输速率,也称数码率.信息论中定义信源发出信息量的度量单位是“比特”，一个二进制码元所含的信息量是一个“比特”，所以信息传输速率的单位是“比特/秒”。

2. 符号传输速率：也叫信号速率或码元速率，它是指单位时间内所传输的码元数目，其单位为“波特”。符号传输速率与信息传输速率可以转换，公式为：R=N㏒2M。其中M为符号的进制数（如M=2，二进制；M=4四进制）；R为信息传输速率；N为符号传输速率。 3 3. 频带利用率：是衡量数字通信系统传输效率的指标有效性的一个重要指标。它表示在单位时间、单位频带内传输信息量的多少，即单位频带内所能实现的信息传输速率，单位为bit/s*HZ，即：ρ=符号传输速率/频带宽度（BIT/HZ）。对于二进制传输时可以表示为：ρ=信息传输速率/频带宽度（BIT/S*HZ）。在二进制基带系统中，最高频带利用率ρ=2bit/s*Hz.

三．可靠性指标

1． 误码率（错码率）Pe ：通信过程中，系统出现错误码元的数目与所传输码元总数之比值，有时也称作码组差错率，即：Pe=传错码元个数/传输码元总数。这个指标是多次统计结果的平均量，所以这是指平均误码率。

2． 误比特率（误信率）Pb：传错信息的比特数与所传送的总信息比特数之比值，有时也称比特差错率，即：Pb=传错比特数/传输的总比特数。在二进制系统中，Pe=Pb，但在多进制中，它们的转换公式为（在M进制情况下）：Pe= Pb M/2(M-1)≈Pb/2.

四．数字通信的特点

1． 抗干扰能力强，通信质量高；

2． 保密性能好；

3． 占用信道频带宽；

4． 设备便于集成化、微型化、易于计算机联网；

5． 便于构成数字化的综合通信网。

第三节 脉冲编码调制（PCM）

数字化过程一般可用抽样、量化、和编码三个步骤来完成，即连续信号的时间离散化处理，通过取样实现；幅度离散化处理，通过量化实现；最后用一定位数的二进制码来表示这些离散量的大小，这就是编码。脉码调制通信系统方框图如下：

发送端 PCM PCM 接收端

活

信号 模数变换（A/D） 信道 数模变换（D/A） 复原

输入

一．取样

1． 取样也称抽样、采样，它是把连续模拟信号变成时间离散信号的一种过程。

2． 任务：每隔一定时间时隔对模拟连续信号抽取一个瞬时值。

3． 取样后的信号特征：目前话音取样频率定为800Hz，取样后的信号是以TS为周期，以样值脉冲序取

样 量

化 编

码 再生中继 再

生 解

码 滤

波 4 列fS（t）为调幅的（PAM）信号，即脉冲调幅信号。它在时间上是离散的，而在幅度上是连续的。

二．量化

1． 量化的原因：取样后得到的PAM信号，只在时间上实现了离散化，而幅度取值仍是连续的。

2． 量化：将幅度连续变化的无穷多个值用不连续的有限个值来近似表示。

3． 在信号幅值的取值范围内，按一定的规则分为若干层，称作量化级（或量化阶梯），每个量化级都用一个量化值来代表（称作量化电平）。

4． 量化误差：δ=量化值-原样值。

5． 量化级差（量阶）：相邻两个量化值之间的差，用△表示。

6． 常用的量化方法有：（1）四舍五入法：最大量化误差为 δ MaX=△/2；（2）补足法：最大量化误差为△。

7． 量化误差的影响：是在电路中形成噪声，也称作量化噪声，量化误差大小与量化间隔有关。增加量化级数，减小量化级差△，可使量化误差减小。

8． 量化有两种：均匀量化和非均匀量化，为了减小量化噪声对小信号的影响，提高小信号输入时的信噪比，一般采用非均匀量化方式，即在小信号输入时，量化级数取得密，大信号输入时，量化间隔取得大。

三．编码

1． 编码：将离散化的PAM信号转换成对应二进制码组的过程。

2． 常用编码：自然二进制码、折迭二进制码、格雷码。

3． （1）.自然二进制码

A． 自然二进制码与二进制数一一对应，符合二进制数的进位规律。

B． 自然二进制码属权重码，每一位都有确定的大小，由高位到低位依次是2n，2n-1„„4，2，1（n个自然整数）。

C． 可直接进行大小比较，或进行算术运算，便于直接编码和解码。

D． 考虑到二进制数码代表脉冲信号的有无，当从一个电平转换到相邻电平时，有可以出现幅度较大的尖峰脉冲，将会给其它电路造成干扰。

E． 当自然二进制码由多位组成时，如果最高们码发生错码，将会产生较大的误差。

（2）.折迭二进制码

折迭二进制码上沿中心电平上下对称，且适于表示正负对称的双极性信号的一种码型。当采用PCM编码时，它们多采用折迭二进制码，它同自然二进制码的对应关系是：

bn=an

bi=an!⊕ai 1≤i≤n-1

A． 折迭二进制码与自然二进制码的最高位相同，即bn=an。

B． 对于正样值，两者的各码位均相同。

C． 对于负样值，除最高一位相同外，折迭二进制码的其余各位均是自然二进制码的非值，因为此时a3=0,a3!=1,故bi=1⊕ai=ai!。

注：折迭二进制码的最高一位代表信号的极性，称做极性码。

(3).格雷码

A． 格雷码不是权重码，每一位没有确定的大小。

B． 格雷码不能直接进行大小比较和算术运算。

C． 不能直转换成模拟信号，中间需要再经过一次码型交换才能还原成自然二进制码。

D． 在相邻电平码变换时，由于只有一位发生变化，故可减少尖峰脉冲干扰。当产生一位错码时，译码电平仅相差一个阶梯值，使影响最小。

E． 格雷码与自然二进制的对应关系是：