数字通信系统

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数字通信系统(Digital Communication System)

目录

什么是数字通信系统[1]

  数字通信系统是利用数字信号传输信息的系统,是构成现代通信网的基础。

数字通信系统的基本组成[2]

  通信的基本功能是传递信息,即由信源产生的信息,通过一定的媒介(即信道)传输,最后被信宿(收信暂)接收。一个数字通信系统的基本任务就是把信源产生的信息变换成一定格式的数字信号,迩过信道传输,到达接收端后,再变换为适宜于信宿接受的信息形式送至信宿。图1是实现这个过程的数字通信系统的基本框图。
Image:数字通信系统的基本框图.jpg

  一、基本组成

  1.信源/信宿

  信源产生信息,信宿最后接受信息。他们可能是人直接使用的设备,如电话端机、电传打字机、键盘显示器等;或者其他机器,如检测器、存储器、电视摄像机、其他输入输出设备等。信源和信宿可以是分开的设备,也可能是装在一起的,便于像电话那样进行双向通信的复合装置。根据通信对象和任务的不同,信源产生的信息的形式也不同,总的说来可分为连续的和离散的两种,与此对应地分别有连续信源和离散信源。前者产生幅度随时间连续变化的信号(如话筒产生的话音信号);后者产生各种离散的符号或数据。

  2.信源编码/解码器

  各种信源产生的信息要在数字通信系统中传输,必须变换成统一格式的数字信号,这个过程称为信源编码。对连续信息要进行模/数(A/D)变换,用一定的数字脉冲组合来表示信号的一定幅度;对离散信息则用数字脉冲组合来表示符号、字母等。用一组数字脉冲信号来表示信息的过程称为编码,这组数字脉冲就称为代码、码组或码字,其中每个数字脉冲就称为码元。

  信源编码往往还有一个重要的作用,就是提高数字信号的有效性,即在保证一定传输质量的情况下,用尽可能少的数字脉冲来表示信源产生的信息。这种编码称为频带压缩或数据压缩编码。

  在接收端的信源解码是发端信源编码的逆过程,把数字信号还原为信宿可接受的信息形式。

  3.信道与干扰

  信源与信宿总是隔开的,而且往往距离很远,其间必须有某种媒介进行电的连接以传输信号,这种媒介就是信道。用于模拟通信的各种有线和无线信道都可用做数字通信。目前在大容量干线通信中,有线用的主要是同轴电缆;无线用的主要是微波视距中继;数字卫星通信和光纤通信的进展也很快。各种信道由于物理上的原因,具有种种不完善的特性,会使在其中传输的数字信号产生衰减和畸变。另外,信号还受到各种不需要的和无法预知的其他信号的干扰。因此,在数字通信系统中就要设置各种设备,采取专门措施来克服这些不利因素。通信系统设计的主要目标之一就是尽可能地抑制干扰的破坏作用,保证数字信号可靠而有效的传输。

  干扰可以是信号在传输过程中造成信号畸变的所有因素。总的来说,干扰可分为加性干扰和乘性干扰两个部分。加性干扰是叠加到有用信号上去的其他种种来源产生的不需要的电磁信号,主要包括随机噪声、脉冲干扰和正弦干扰三种。随机噪声主要有热噪声,宇宙噪声和电子器件内部噪声等;脉冲干扰主要有大气干扰和工业干扰等;正眩干扰主要有邻台干扰、邻信道串扰和人为电子干扰等。乘性干扰是由于信道特性的种种不完善所引起的信号畸变,这些畸变不能简单看做叠加到信号上,而是相当于使信号乘上某些畸变因子。引起乘性干扰的主要因素是信道引起的衰变、幅度和相位的畸变、频率漂移和相位的抖动及非线性失真等。所有这些干扰在信道中是散布在各个环节的。

  4.调制/解调器

  各种信道都有一定的频带限制,二进制脉冲序列往往不能直接在信道上传输。调制器的作用就是把二进制脉冲变换成适宜于在通信信道上传输的波形。数字调制过程就是使一定频率的高频正弦振荡(称为载波)的振幅、频率、相位或它们的组合随着所要传输的数字脉冲而有规律地改变。

  调制是信息传输过程中一个重要的措施,它还用来减小信道中下扰的作用,改变信道的频谱使与信道特性匹配以减小传输引起的畸变,提供很多用户合用一个信道(多路复用)的能力等。解调是调制的逆过程。但对一种已调波形进行解调以恢复原数字信号的方法可以有好几种,具体选用哪一种取决于所要求的解调精度和所允许的设备复杂性。

  在数字通信系统中,调制器和解调器常装在一起,称调制解调器(MODEM)。

  5.信道编码/解码器

  选择好的调制解凋方法可以有效地消除干扰的影响,但这也有一定的局限性。有时候经仔细设计了调制解调器后,系统尚不能充分抑制干扰的影响,达不到传输的可靠性指标。为此,在数字通信中可采用信道编码/解码的办法来进一步提高可靠性。

  在数字通信中,信道干扰的有害影响表现为产生错码。信道编码/解码的作用,就是减少错码,以达到指标的要求。

  信道编码是一种代码变换,其方法是在信源编码后的脉冲序列中有规律地插入一些附加的脉冲,成为监督码元,这些码元不代表所传输的信息,但它们插入的位置和值与信息脉冲(码元)之间有固定的关系,称为监督关系,用监督方程表示。这个监督关系接收端是知道的,如果传输中出了差错,就破坏了这个监督关系,接收端就可通过验证监督方程来检查到错误。有的编码还可纠正某些错误。接受端检测或者纠正错误的过程就是信道解码。

  6.发射/接收机

  信号在媒介中传播会被衰减,所以在发、收两端进行适当的放大是必不可少的。其次,还要进行滤波,限制频带宽度;还需要有耦合装置。将能量发送到媒介中去或从其中接受下来等。这种设备(例如发射机和接收机)并不对信号进行改变特性的处理,仅起提供通路的作用,故常视做信道的一部分。

  一个实际的数字通信系统除图1所示的基本功能单元外,还可能包含其他重要的单元:

  定时同步系统:数字信号是一个个码元依次按拍节传输的,因此必须有定时电路来保证正确的寸序关系,必须由同步电路来保证接收端的工作与发送端步调一致。定时同步系统控制着数字信号的可靠传输。定时同步系统失效,轻则错误增多,重则通信中断。

  均衡器:均衡器是用来补偿不理想的信道特性,使信号能正确无误地接收。

  再生中继器:我们知道在长途电话传输过程中,为弥补线路的损耗,沿途要设置若干增音器。在数字通信中与此相应的是再生中继器,用来修正脉冲波形,消除干扰和畸变。

  加密/解密设备:在军事、国家机密以及其他机要通信中,保密是非常重要的。数字信号的特点是它比模拟信号易于加密并获得极好的性能。加密器放在信源编码后,解密器则放在信源解码器之前。

  数字交换设备:如图1所示是点一点通信系统的基本框图。在要为很多分散的用户服务的数字通信网中,必须有数字交换设备进行通路的转接,它起接线员的作用。

  数字复接设备:在通信网中,很多用户或不同速率级别的数字信号流需要合用一条信号通路,或几个低一级速率的数字信号流要合并成高一级速率的数字信号流,这时需要用数字复接设备。

  二、模拟通信网上传输数据

  从世界各国发展通信的历史来看,模拟通信系统发展在先,数据通信发展在后,模拟传输系统主要是为传输模拟信号,尤其是话音信号而设计的,其特征是具有线性的传输特性。在线路距离较长时,线路中间设置若干个必要的线性增音机。所谓“线性”,是指经过处理之后不产生新的频率,也不减少原来信号所含的频率成分而言。模拟传输系统传输多路信号时,一般采用频分复用(FDM)的原则。频分复用是若干话路的频带合成宽频带,以宽频带的信号在信道上传输。尽管传送信号路数增多,它的设备中所包含的器件和部件也增多,但在电性能上,它在较宽的频率范围内,仍应该能实现线性传输。所以,模拟传输系统的容量,除了以多少路数表示外,也可以用最高使用频率来表示。

  数字传输系统主要是为了传输数字信号而设计的,其特征是信号传输一定距离后能够借助于再生作用,继续传输,而不要求其有严格的线性。因此,在较长距离的线路上,要在线路中间设置若干必需的再生中继机。数字传输系统传输多路信号时,一般采用时分复用的原则。数字传输系统的容量,通常由传输数码(或符号)信息的速率来表示。时分复用是把若干低速率数据序列合成高速率的数据序列,同时在信道中传输。随着传输速率和容量的提高与增大,数字传输系统中所包含的设备与器件应该相应地有较快的开关速率,能够更快地传输数字脉冲。未来数据通信的进展,在很大程度上要取决于其设备和元件的开关速率。

  由于模拟通信系统发展较久,过去和现在实际使用的国内和国际通信系统,均以模拟通信系统居多。有些国家,目前使用的主要还是模拟通信系统,例如在我国,目前部分市内电话中继电缆上以及部分微波中继信道上,已经设置和正在改为时分多路的数字通信系统,在少数同轴电缆及光纤电缆上,也已经设置了数字通信系统。但所有明线和电缆载波通信系统,大量的微波接力通信系统、卫星通信系统、短波和散射通信系统等等,目前都属于模拟通信系统。改造后,是把数字信号当做模拟信号在模拟信道上传输。但信道仍然是模拟的,自然还不算数字通信系统。

数字通信系统的特点[3]

  1.数字通信系统的优点

  1)数字通信的抗干扰能力强,可靠性高

  因为模拟信号在传输过程中噪声干扰是叠加在模拟信号上,接收端难以把信号和噪声分开,所以模拟通信的抗干扰能力较差。而数字通信系统传递的是数字信号,数字信号的取值是有限可数的,通常是把这些取值用二进制数值表示,这样,在有干扰的条件下容易检测。而且还可以进行码再生,从而能够避免传输过程中的噪声积累。比如,数字信号在传输过程中混入的杂音,可以利用电子电路构成的门限电压(称为阈值)去衡量输入的信号电压,只有达到某一电压幅度,电路才会有输出值,并自动生成一整齐的脉冲(称为整形或再生)。由于较小杂音电压到达时,由于它低于阈值而被过滤掉,不会引起电路动作,因此再生的信号与原信号完全相同,除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码,在电路中可以通过设置检验错误和纠正错误的方法,即在出现误码时,利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输,也适用于性能较差的线路。

  2)数字信号易于加密且保密性强

  数字信号可以采用各种复杂的加密算法进行加密,而且只需要用简单的逻辑电路就能实现加密,从而使通信具有高度的保密性。

  3)通用性、灵活性好

  在数字通信中各种电报、电话、图像和数据等都可变成统一的二进制数字信号,既便于计算机对其进行处理,又便于接口和复接,因而可将数字传输技术和数字交换技术结合起来,这样能够方便地实现各种业务的处理和交换,从而形成综合业务数字网(1SDN)。

  4)可采用再生中继实现远距离高质量的通信

  远距离模拟通信系统中的噪声是积累的,因而随着通信距离的增加,传输质量也随着传输距离的增加急剧下降。而数字通信传送的是二元数字信号,采用再生中继的方法能够将在传输过程中信号受到的噪声干扰加以消除,从而再生出原始信号波形。远距离的数字通信,可以经过多次再生中继实现高质量的传输。

  5)设备可集成化、微型化

  数字电路比模拟电路更容易实现集成化,随着近年来大规模集成电路技术的迅速发展,更进一步促进数字通信电路做到微型化,这对数字通信系统产生极大的影响。

  6)能适应各种通信业务

  各种信息,都可以变换为统一的二元数字信号进行传输。把数字信号传输技术与数字交换技术结合,还可组成统一的综合业务数字网(1SDN)。对来自各种不同信源的信号自动进行变换、综合、传输、处理、储存和分离,实现各种综合的业务入网。

  2.数字化通信的缺点

  1)占用频带较宽

  事物总是一分为二的,数字通信的许多优点都是用比模拟通信占用更宽的系统频带换得的。以电话为例,一路模拟电话通常仅占用4kHz带宽,但一路数字电话(PCM终端机输出的一路话音)占用带宽就为64kHz,即一路PCM信号占了几个模拟话路。对某一话路而言,它的利用率降低了,换句话讲是对线路的要求提高了。因此,与模拟通信系统相比,数字通信的频带利用率不高。在系统的传输带宽一定的情况下,模拟电话的频带利用率要比数字电话高出5—15倍。在系统频带紧张的场合,数字通信占带宽的缺点显得十分突出。然而,随着社会生产力的不断发展,有待传输的信息量急剧增加,对通信的可靠性和保密性要求也越来越高。尤其是计算机的发展和通信技术的结合对社会的发展产生着深刻的影响。如计算机网,综合业务数字网(1SDN)的形成使数字通信几乎成了通信发展的必然趋势。因而,实际中往往宁可牺牲系统带宽来换取可靠性的提高而采用数字通信。当然,近年来已采用了一些压缩编码及有效的调制方法使数字话音及数字图像的占用频带降低了很多,另外,在新建的微波及光纤通信系统中,系统频带富裕,占带宽已不再是突出的问题了,所以在这些系统中数字通信已经成为通信系统的首选。

  2)技术要求复杂,尤其是同步技术要求精度很高

  接收方要能正确地理解发送方的意思,就必须正确地把每个码元区分开来,并且找到每个信息组的开始,这就需要收发双方严格实现同步,如果组成一个数字网的话,同步问题的解决将更加困难。

  3)进行模/数转换时会带来量化误差

  随着大规模集成电路的使用以及光纤等宽频带传输介质的普及,对信息的存储和传输,越来越多使用的是数字信号的方式,因此必须对模拟信号进行模/数转换,在转换中不可避免地会产生量化误差。

数字通信系统模型[4]

  图2是数字通信系统的一般化模型,实际的数字通信系统不一定包括图2中的所有环节,如对保密性要求不高的系统可以不包含加密器和解密器。
Image:数字通信系统一般化模型.jpg

  信息源和受信者:作用与模拟通信系统中信息源和受信者基本相同。

  编码器和解码器:包含信源编码和信源解码、信道编码与信道解码。

  (1)信源编码和信源解码

  信源编码有两个作用,其一,进行模/数转换;其二,数据压缩,即设法降低数字信号的数码率,提高数字信号传输的有效性。信源解码的作用是进行数/模转换。

  (2)信道编码与信道解码

  数字信号在信道中传输时,由于噪声影响,会引起差错,信道编码就是要降低传输的差错率,对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分(监督元),组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道解码器按一定规则进行解码,从解码过程中发现错误或纠正错误,从而提高通信系统抗干扰能力,提高传输可靠性。

  (3)加密器和解密器

  在需要实现保密通信的场合,为了保证所传信息的安全,人为将被传输的数字序列扰乱,即加上密码,这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列恢复原来信息,这个过程叫做解密。

  (4)调制器和解调器

  数字调制的任务是把各种数字基带信号转换成适应于信道传输的数字频带信号。

数字通信系统的性能指标[5]

  数据在信道中是以电信号的形式传送的。如上所述,电信号分为模拟信号和数字信号两种,模拟信号是连续变化的电压或电流波形,而数字信号是一系列表示数字“0”和“1”的电脉冲。各种通信系统有各自的技术性能指标,但衡量任何通信系统的优劣都是以有效性和可靠性为基础的。下面以数字通信系统为例,说明它的性能指标。

  1.有效性指标

  (1)信息传输速率

  信道的传输速率是以每秒所传输的信息量来衡量的。信息量是消息多少的一种度量。消息的不确定性程度愈大,则其信息量愈大。

  信息论中已定义信源发出信息量的度量单位是“比特”。对于随机二进制序列,当“1”码和“0”码出现的概率相等,并前后相对独立,这时的一个二进制码元(一个“1”或者一个“0”)所含的信息量就是一个“比特”。所以,信息传输速率的单位是比特/秒,或写成bit/s。

  (2)信号传输速率

  信号传输速率也叫码元速率。它是指单位时间内所传输码元的数目,其单位是“波特”(Baud)。信号传输速率和信息传输速率是可以换算的。

  (3)频带利用率

  频带利用率是指单位频带内的传输速率。在比较不同通信系统的传输效率时,单看它们的传输速率是不够的,还应看在这样的传输速率下所占的频带宽度。通信系统占用的频带愈宽,传输信息的能力应该愈大。所以,用来衡量数字通信系统传输效率(有效性)的指标应该是单位频带内的传输速率。

  2.可靠性指标

  (1)误码率

  误码率是在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元数之比。它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。

  误码率的大小由传输系统特性、信道质量及系统噪声等因素决定。如果传输系统特性、信道质量都很好,并且噪声较小,则系统误码率就较低:反之,系统的误码率就较高。

  (2)信号抖动

  在数字通信技术中,信号抖动是指数字信号码相对于标准位置的随机偏移。数字信号位置的随机偏移,同样与传输系统特性、信道质量与噪声等有关。

  从可靠性角度而言,误码率和信号抖动都直接反映了通信质量。

参考文献

  1. 严晓华编著.现代通信技术基础.清华大学出版社,2006年07月第1版.
  2. 吕辉 贺正洪 李续武主编 防空指挥自动化系统.西北工业大学出版社,2006年01月第1版.
  3. 高小玲 吴刚 刘作学编著.数字通信技术.科学出版社,2006年02月第1版.
  4. 文元美 张树群 林家薇 黄爱华编著.现代通信原理.科学出版社,2005年08月第1版.
  5. 胡志军主编.电子政务原理与实务.中国铁道出版社,2006年7月.
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