數字通信系統

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數字通信系統(Digital Communication System)

目錄

什麼是數字通信系統[1]

  數字通信系統是利用數字信號傳輸信息的系統,是構成現代通信網的基礎。

數字通信系統的基本組成[2]

  通信的基本功能是傳遞信息,即由信源產生的信息,通過一定的媒介(即通道)傳輸,最後被信宿(收信暫)接收。一個數字通信系統的基本任務就是把信源產生的信息變換成一定格式的數字信號,邇過通道傳輸,到達接收端後,再變換為適宜於信宿接受的信息形式送至信宿。圖1是實現這個過程的數字通信系統的基本框圖。
Image:数字通信系统的基本框图.jpg

  一、基本組成

  1.信源/信宿

  信源產生信息,信宿最後接受信息。他們可能是人直接使用的設備,如電話端機、電傳打字機、鍵盤顯示器等;或者其他機器,如檢測器、存儲器、電視攝像機、其他輸入輸出設備等。信源和信宿可以是分開的設備,也可能是裝在一起的,便於像電話那樣進行雙向通信的複合裝置。根據通信對象和任務的不同,信源產生的信息的形式也不同,總的說來可分為連續的和離散的兩種,與此對應地分別有連續信源和離散信源。前者產生幅度隨時間連續變化的信號(如話筒產生的話音信號);後者產生各種離散的符號或數據。

  2.信源編碼/解碼器

  各種信源產生的信息要在數字通信系統中傳輸,必須變換成統一格式的數字信號,這個過程稱為信源編碼。對連續信息要進行模/數(A/D)變換,用一定的數字脈衝組合來表示信號的一定幅度;對離散信息則用數字脈衝組合來表示符號、字母等。用一組數字脈衝信號來表示信息的過程稱為編碼,這組數字脈衝就稱為代碼、碼組或碼字,其中每個數字脈衝就稱為碼元。

  信源編碼往往還有一個重要的作用,就是提高數字信號的有效性,即在保證一定傳輸質量的情況下,用儘可能少的數字脈衝來表示信源產生的信息。這種編碼稱為頻帶壓縮或數據壓縮編碼。

  在接收端的信源解碼是髮端信源編碼的逆過程,把數字信號還原為信宿可接受的信息形式。

  3.通道與干擾

  信源與信宿總是隔開的,而且往往距離很遠,其間必須有某種媒介進行電的連接以傳輸信號,這種媒介就是通道。用於模擬通信的各種有線和無線通道都可用做數字通信。目前在大容量幹線通信中,有線用的主要是同軸電纜;無線用的主要是微波視距中繼;數字衛星通信和光纖通信的進展也很快。各種通道由於物理上的原因,具有種種不完善的特性,會使在其中傳輸的數字信號產生衰減和畸變。另外,信號還受到各種不需要的和無法預知的其他信號的干擾。因此,在數字通信系統中就要設置各種設備,採取專門措施來剋服這些不利因素。通信系統設計的主要目標之一就是儘可能地抑制干擾的破壞作用,保證數字信號可靠而有效的傳輸。

  干擾可以是信號在傳輸過程中造成信號畸變的所有因素。總的來說,干擾可分為加性干擾和乘性干擾兩個部分。加性干擾是疊加到有用信號上去的其他種種來源產生的不需要的電磁信號,主要包括隨機雜訊、脈衝干擾和正弦干擾三種。隨機雜訊主要有熱雜訊,宇宙雜訊和電子器件內部雜訊等;脈衝干擾主要有大氣干擾和工業干擾等;正眩干擾主要有鄰台干擾、鄰通道串擾和人為電子干擾等。乘性干擾是由於通道特性的種種不完善所引起的信號畸變,這些畸變不能簡單看做疊加到信號上,而是相當於使信號乘上某些畸變因數。引起乘性干擾的主要因素是通道引起的衰變、幅度和相位的畸變、頻率漂移和相位的抖動及非線性失真等。所有這些干擾在通道中是散佈在各個環節的。

  4.調製/解調器

  各種通道都有一定的頻帶限制,二進位脈衝序列往往不能直接在通道上傳輸。調製器的作用就是把二進位脈衝變換成適宜於在通信通道上傳輸的波形。數字調製過程就是使一定頻率的高頻正弦振蕩(稱為載波)的振幅、頻率、相位或它們的組合隨著所要傳輸的數字脈衝而有規律地改變。

  調製是信息傳輸過程中一個重要的措施,它還用來減小通道中下擾的作用,改變通道的頻譜使與通道特性匹配以減小傳輸引起的畸變,提供很多用戶合用一個通道(多路復用)的能力等。解調是調製的逆過程。但對一種已調波形進行解調以恢複原數字信號的方法可以有好幾種,具體選用哪一種取決於所要求的解調精度和所允許的設備複雜性。

  在數字通信系統中,調製器和解調器常裝在一起,稱數據機(MODEM)。

  5.通道編碼/解碼器

  選擇好的調製解凋方法可以有效地消除干擾的影響,但這也有一定的局限性。有時候經仔細設計了數據機後,系統尚不能充分抑制干擾的影響,達不到傳輸的可靠性指標。為此,在數字通信中可採用通道編碼/解碼的辦法來進一步提高可靠性。

  在數字通信中,通道干擾的有害影響表現為產生錯碼。通道編碼/解碼的作用,就是減少錯碼,以達到指標的要求。

  通道編碼是一種代碼變換,其方法是在信源編碼後的脈衝序列中有規律地插入一些附加的脈衝,成為監督碼元,這些碼元不代表所傳輸的信息,但它們插入的位置和值與信息脈衝(碼元)之間有固定的關係,稱為監督關係,用監督方程表示。這個監督關係接收端是知道的,如果傳輸中出了差錯,就破壞了這個監督關係,接收端就可通過驗證監督方程來檢查到錯誤。有的編碼還可糾正某些錯誤。接受端檢測或者糾正錯誤的過程就是通道解碼。

  6.發射/接收機

  信號在媒介中傳播會被衰減,所以在發、收兩端進行適當的放大是必不可少的。其次,還要進行濾波,限制頻帶寬度;還需要有耦合裝置。將能量發送到媒介中去或從其中接受下來等。這種設備(例如發射機和接收機)並不對信號進行改變特性的處理,僅起提供通路的作用,故常視做通道的一部分。

  一個實際的數字通信系統除圖1所示的基本功能單元外,還可能包含其他重要的單元:

  定時同步系統:數字信號是一個個碼元依次按拍節傳輸的,因此必須有定時電路來保證正確的寸序關係,必須由同步電路來保證接收端的工作與發送端步調一致。定時同步系統控制著數字信號的可靠傳輸。定時同步系統失效,輕則錯誤增多,重則通信中斷。

  均衡器:均衡器是用來補償不理想的通道特性,使信號能正確無誤地接收。

  再生中繼器:我們知道在長途電話傳輸過程中,為彌補線路的損耗,沿途要設置若幹增音器。在數字通信中與此相應的是再生中繼器,用來修正脈衝波形,消除干擾和畸變。

  加密/解密設備:在軍事、國家機密以及其他機要通信中,保密是非常重要的。數字信號的特點是它比模擬信號易於加密並獲得極好的性能。加密器放在信源編碼後,解密器則放在信源解碼器之前。

  數字交換設備:如圖1所示是點一點通信系統的基本框圖。在要為很多分散的用戶服務的數字通信網中,必須有數字交換設備進行通路的轉接,它起接線員的作用。

  數字復接設備:在通信網中,很多用戶或不同速率級別的數字信號流需要合用一條信號通路,或幾個低一級速率的數字信號流要合併成高一級速率的數字信號流,這時需要用數字復接設備。

  二、模擬通信網上傳輸數據

  從世界各國發展通信的歷史來看,模擬通信系統發展在先,數據通信發展在後,模擬傳輸系統主要是為傳輸模擬信號,尤其是話音信號而設計的,其特征是具有線性的傳輸特性。線上路距離較長時,線路中間設置若幹個必要的線性增音機。所謂“線性”,是指經過處理之後不產生新的頻率,也不減少原來信號所含的頻率成分而言。模擬傳輸系統傳輸多路信號時,一般採用頻分復用(FDM)的原則。頻分復用是若幹話路的頻帶合成寬頻帶,以寬頻帶的信號在通道上傳輸。儘管傳送信號路數增多,它的設備中所包含的器件和部件也增多,但在電性能上,它在較寬的頻率範圍內,仍應該能實現線性傳輸。所以,模擬傳輸系統的容量,除了以多少路數表示外,也可以用最高使用頻率來表示。

  數字傳輸系統主要是為了傳輸數字信號而設計的,其特征是信號傳輸一定距離後能夠藉助於再生作用,繼續傳輸,而不要求其有嚴格的線性。因此,在較長距離的線路上,要線上路中間設置若幹必需的再生中繼機。數字傳輸系統傳輸多路信號時,一般採用時分復用的原則。數字傳輸系統的容量,通常由傳輸數位(或符號)信息的速率來表示。時分復用是把若幹低速率數據序列合成高速率的數據序列,同時在通道中傳輸。隨著傳輸速率和容量的提高與增大,數字傳輸系統中所包含的設備與器件應該相應地有較快的開關速率,能夠更快地傳輸數字脈衝。未來數據通信的進展,在很大程度上要取決於其設備和元件的開關速率。

  由於模擬通信系統發展較久,過去和現在實際使用的國內和國際通信系統,均以模擬通信系統居多。有些國家,目前使用的主要還是模擬通信系統,例如在我國,目前部分市內電話中繼電纜上以及部分微波中繼通道上,已經設置和正在改為時分多路的數字通信系統,在少數同軸電纜及光纖電纜上,也已經設置了數字通信系統。但所有明線和電纜載波通信系統,大量的微波接力通信系統、衛星通信系統、短波和散射通信系統等等,目前都屬於模擬通信系統。改造後,是把數字信號當做模擬信號在模擬通道上傳輸。但通道仍然是模擬的,自然還不算數字通信系統。

數字通信系統的特點[3]

  1.數字通信系統的優點

  1)數字通信的抗干擾能力強,可靠性高

  因為模擬信號在傳輸過程中雜訊干擾是疊加在模擬信號上,接收端難以把信號和雜訊分開,所以模擬通信的抗干擾能力較差。而數字通信系統傳遞的是數字信號,數字信號的取值是有限可數的,通常是把這些取值用二進位數值表示,這樣,在有干擾的條件下容易檢測。而且還可以進行碼再生,從而能夠避免傳輸過程中的雜訊積累。比如,數字信號在傳輸過程中混入的雜音,可以利用電子電路構成的門限電壓(稱為閾值)去衡量輸入的信號電壓,只有達到某一電壓幅度,電路才會有輸出值,並自動生成一整齊的脈衝(稱為整形或再生)。由於較小雜音電壓到達時,由於它低於閾值而被過濾掉,不會引起電路動作,因此再生的信號與原信號完全相同,除非干擾信號大於原信號才會產生誤碼。為了防止誤碼,在電路中可以通過設置檢驗錯誤和糾正錯誤的方法,即在出現誤碼時,利用後向信號使對方重發。因而數字傳輸適用於較遠距離的傳輸,也適用於性能較差的線路。

  2)數字信號易於加密且保密性強

  數字信號可以採用各種複雜的加密演算法進行加密,而且只需要用簡單的邏輯電路就能實現加密,從而使通信具有高度的保密性。

  3)通用性、靈活性好

  在數字通信中各種電報、電話、圖像和數據等都可變成統一的二進位數字信號,既便於電腦對其進行處理,又便於介面和復接,因而可將數字傳輸技術和數字交換技術結合起來,這樣能夠方便地實現各種業務的處理和交換,從而形成綜合業務數字網(1SDN)。

  4)可採用再生中繼實現遠距離高質量的通信

  遠距離模擬通信系統中的雜訊是積累的,因而隨著通信距離的增加,傳輸質量也隨著傳輸距離的增加急劇下降。而數字通信傳送的是二元數字信號,採用再生中繼的方法能夠將在傳輸過程中信號受到的雜訊干擾加以消除,從而再生出原始信號波形。遠距離的數字通信,可以經過多次再生中繼實現高質量的傳輸。

  5)設備可集成化、微型化

  數字電路比模擬電路更容易實現集成化,隨著近年來大規模集成電路技術的迅速發展,更進一步促進數字通信電路做到微型化,這對數字通信系統產生極大的影響。

  6)能適應各種通信業務

  各種信息,都可以變換為統一的二元數字信號進行傳輸。把數字信號傳輸技術與數字交換技術結合,還可組成統一的綜合業務數字網(1SDN)。對來自各種不同信源的信號自動進行變換、綜合、傳輸、處理、儲存和分離,實現各種綜合的業務入網。

  2.數字化通信的缺點

  1)占用頻帶較寬

  事物總是一分為二的,數字通信的許多優點都是用比模擬通信占用更寬的系統頻帶換得的。以電話為例,一路模擬電話通常僅占用4kHz帶寬,但一路數字電話(PCM終端機輸出的一路話音)占用帶寬就為64kHz,即一路PCM信號占了幾個模擬話路。對某一話路而言,它的利用率降低了,換句話講是對線路的要求提高了。因此,與模擬通信系統相比,數字通信的頻帶利用率不高。在系統的傳輸帶寬一定的情況下,模擬電話的頻帶利用率要比數字電話高出5—15倍。在系統頻帶緊張的場合,數字通信占帶寬的缺點顯得十分突出。然而,隨著社會生產力的不斷發展,有待傳輸的信息量急劇增加,對通信的可靠性和保密性要求也越來越高。尤其是電腦的發展和通信技術的結合對社會的發展產生著深刻的影響。如電腦網,綜合業務數字網(1SDN)的形成使數字通信幾乎成了通信發展的必然趨勢。因而,實際中往往寧可犧牲系統帶寬來換取可靠性的提高而採用數字通信。當然,近年來已採用了一些壓縮編碼及有效的調製方法使數字話音及數字圖像的占用頻帶降低了很多,另外,在新建的微波及光纖通信系統中,系統頻帶富裕,占帶寬已不再是突出的問題了,所以在這些系統中數字通信已經成為通信系統的首選。

  2)技術要求複雜,尤其是同步技術要求精度很高

  接收方要能正確地理解發送方的意思,就必須正確地把每個碼元區分開來,並且找到每個信息組的開始,這就需要收發雙方嚴格實現同步,如果組成一個數字網的話,同步問題的解決將更加困難。

  3)進行模/數轉換時會帶來量化誤差

  隨著大規模集成電路的使用以及光纖等寬頻帶傳輸介質的普及,對信息的存儲和傳輸,越來越多使用的是數字信號的方式,因此必須對模擬信號進行模/數轉換,在轉換中不可避免地會產生量化誤差。

數字通信系統模型[4]

  圖2是數字通信系統的一般化模型,實際的數字通信系統不一定包括圖2中的所有環節,如對保密性要求不高的系統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:作用與模擬通信系統中信息源和受信者基本相同。

  編碼器和解碼器:包含信源編碼和信源解碼、通道編碼與通道解碼。

  (1)信源編碼和信源解碼

  信源編碼有兩個作用,其一,進行模/數轉換;其二,數據壓縮,即設法降低數字信號的數位率,提高數字信號傳輸的有效性。信源解碼的作用是進行數/模轉換。

  (2)通道編碼與通道解碼

  數字信號在通道中傳輸時,由於雜訊影響,會引起差錯,通道編碼就是要降低傳輸的差錯率,對傳輸的信息碼元按一定的規則加入保護成分(監督元),組成所謂“抗干擾編碼”。接收端的通道解碼器按一定規則進行解碼,從解碼過程中發現錯誤或糾正錯誤,從而提高通信系統抗干擾能力,提高傳輸可靠性。

  (3)加密器和解密器

  在需要實現保密通信的場合,為了保證所傳信息的安全,人為將被傳輸的數字序列擾亂,即加上密碼,這種處理過程叫加密。在接收端利用與發送端相同的密碼複製品對收到的數字序列恢複原來信息,這個過程叫做解密。

  (4)調製器和解調器

  數字調製的任務是把各種數字基帶信號轉換成適應於通道傳輸的數字頻帶信號。

數字通信系統的性能指標[5]

  數據在通道中是以電信號的形式傳送的。如上所述,電信號分為模擬信號和數字信號兩種,模擬信號是連續變化的電壓或電流波形,而數字信號是一系列表示數字“0”和“1”的電脈衝。各種通信系統有各自的技術性能指標,但衡量任何通信系統的優劣都是以有效性和可靠性為基礎的。下麵以數字通信系統為例,說明它的性能指標。

  1.有效性指標

  (1)信息傳輸速率

  通道的傳輸速率是以每秒所傳輸的信息量來衡量的。信息量是消息多少的一種度量。消息的不確定性程度愈大,則其信息量愈大。

  資訊理論中已定義信源發出信息量的度量單位是“比特”。對於隨機二進位序列,當“1”碼和“0”碼出現的概率相等,並前後相對獨立,這時的一個二進位碼元(一個“1”或者一個“0”)所含的信息量就是一個“比特”。所以,信息傳輸速率的單位是比特/秒,或寫成bit/s。

  (2)信號傳輸速率

  信號傳輸速率也叫碼元速率。它是指單位時間內所傳輸碼元的數目,其單位是“波特”(Baud)。信號傳輸速率和信息傳輸速率是可以換算的。

  (3)頻帶利用率

  頻帶利用率是指單位頻帶內的傳輸速率。在比較不同通信系統的傳輸效率時,單看它們的傳輸速率是不夠的,還應看在這樣的傳輸速率下所占的頻帶寬度。通信系統占用的頻帶愈寬,傳輸信息的能力應該愈大。所以,用來衡量數字通信系統傳輸效率(有效性)的指標應該是單位頻帶內的傳輸速率。

  2.可靠性指標

  (1)誤碼率

  誤碼率是在傳輸過程中發生誤碼的碼元個數與傳輸的總碼元數之比。它是衡量數據通信系統在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標。

  誤碼率的大小由傳輸系統特性、通道質量及系統雜訊等因素決定。如果傳輸系統特性、通道質量都很好,並且雜訊較小,則系統誤碼率就較低:反之,系統的誤碼率就較高。

  (2)信號抖動

  在數字通信技術中,信號抖動是指數字信號碼相對於標準位置的隨機偏移。數字信號位置的隨機偏移,同樣與傳輸系統特性、通道質量與雜訊等有關。

  從可靠性角度而言,誤碼率和信號抖動都直接反映了通信質量。

參考文獻

  1. 嚴曉華編著.現代通信技術基礎.清華大學出版社,2006年07月第1版.
  2. 呂輝 賀正洪 李續武主編 防空指揮自動化系統.西北工業大學出版社,2006年01月第1版.
  3. 高小玲 吳剛 劉作學編著.數字通信技術.科學出版社,2006年02月第1版.
  4. 文元美 張樹群 林家薇 黃愛華編著.現代通信原理.科學出版社,2005年08月第1版.
  5. 胡志軍主編.電子政務原理與實務.中國鐵道出版社,2006年7月.
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