2.1 数字通信概述

2.1.1 数字通信系统的组成

数字通信系统传送的是数字信号。与模拟通信系统相比，数字通信系统的发送和接收设备应具有适应数字信号传输的能力，在技术上实现起来也较为复杂。数字通信系统的组成框图如图2-1所示。从图2-1可见，信源消息需要经过信源编码、数字复接、信道编码、调制等多道处理过程后才能经信道进行传输，接收端则需要做出与发送端对应的反变换。

当信源消息是模拟信号时，首先需要进行模拟/数字（Analog/Digital，A/D）转换，把模拟信号变换为数字信号，这一过程称为信源编码。其反变换过程数字/模拟（Digital/An-alog，D/A）转换称为信源解码。为了提高信道利用率，还要把多个信源编码后的数字码流进行拼接，合并在同一个信道传输，这一过程称为数字复接。数字信号在传输过程中往往由于噪声干扰等原因产生误码，为此还需要增加信道编码这一环节，即在信源消息数字码流中加插一些校验码元，使系统具有一定的检错和纠错能力。经过信道编码后形成一个频带变宽的宽带数字码流，称为数字基带信号。把数字基带信号经适当码型变换后直接送入信道传输，称为基带传输。但往往信号码流频带与信道不匹配，还需要利用调制器对数字基带信号进行调制后再进行传输，称为频带传输。无论是基带还是频带传输，经过一定距离的传输后，信号都会有所衰减，此时，利用再生中继器可以完整地恢复衰减变形的信号，从而延长传输距离。

上述发送端信号的变换过程，在接收端都相应地有一个反变换过程。

基带传输和频带传输的区别是有没有“调制”和“解调”过程。因此，图2-1中把调制器和解调器以虚线框表示，以表明基带数字传输系统不包括调制和解调过程。

1．信源与信宿

从信源发出的消息可能是数字信号，也可能是模拟信号。例如，通过计算机各种接口直接发送出来的信源消息是数字信号，而从普通电话机发出的就是模拟语音信号。信宿接收到的信号性质通常与信源信号是一致的。

需要指出的是，数字通信系统与数据通信系统是有区别的。一般来讲，数据通信系统中从信源到信宿都是数字信号，而数字通信系统的信源和信宿是模拟信号，需要进行模拟/数字转换之后才能进行数字传输。

2．信源编码与解码

当信源消息是模拟信号时，通过信源编码实现模拟信号数字化。接收端则通过信源解码实现数字信号模拟化来恢复原始信号。最常用的模拟信号数字化方法称为脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）。

3．数字复接与分接

数字复接的目的是提高信道利用率。在发送端将若干个分支的低速数字信号合并成一个复合信号，然后送入同一个信道进行传输。在接收端则使用数字分接技术把它们分开。此时，信道带宽要能够容纳多路数字复接后的信号带宽。数字复接技术的难点在于复接过程中各分支信号的码速同步问题。

4．信道编码与解码

信道编码又称为抗干扰编码，其目的是提高传输的可靠性，所采用的方法是在消息码元中加入一些监督码元，让本来不带规律性的消息码元序列产生规律性。在接收端，则根据这一规律性对码元序列进行检验，称为信道解码。一旦出现违反规律的情况，就认定出现了传输错误，并做出进一步处理。常用的信道编码包括奇偶校验编码和循环冗余校验编码等。

只具备错误码元检出能力的信道编码称为检错编码，而同时具备自我纠错能力的编码称为纠错编码。

5．调制与解调

根据传输媒介的不同，数字基带信号可以调制到光波频率、微波频率或者短波频率上，以适应不同的信道环境。例如，用数字基带信号直接控制发光二极管的发光强度，使之产生随0、1数字信号变化的光信号，就可以实现光纤通信。通过频移键控或者相移键控控制某个微波载波频率的信号，就可以实现数字微波通信。

6．再生中继

把经过一定距离传输后产生幅度下降和变形的数字信号，进行放大整形恢复后继续传送的过程，称为再生中继。例如，数字微波中继站、卫星上的转发器、光通信中的光中继器都可实现数字信号的再生中继。数字信号不受距离的影响，能够完全再生是数字通信系统所特有的能力，这意味着对原始信号的完整复原。而模拟信号不能实现完全再生。

7．信道噪声

信道噪声会导致数字传输产生误码。信道固有的热噪声或自激噪声、相邻信道之间的串杂信号干扰、自然界的雷电、高压电火花等外界因素都是噪声的来源。相对来说，无线通信比有线通信易受到干扰，电信号比光信号易受到干扰。不同的传输介质适用的频率范围不同，因而会受不同频率噪声信号的干扰。

2.1.2 数字通信系统的特点

与模拟通信系统相比，数字通信系统有下列一些特点。

1．抗干扰能力强，无噪声累积

在模拟通信系统中，消息的内容往往隐含在信号的波形中，而噪声的叠加干扰对信号的波形影响难以去除，会随同信号一起传输、放大。距离越长，噪声累积就越大。

在数字通信系统中，消息的内容是由不同信号电平的数字编码来表示的。通常传输的是二值信号，只要干扰噪声电平绝对值不超过判决门限值就不会造成实质性的影响，所以有较高的抗干扰能力。同时，再生整形后的数字信号与原始数字信号能够做到完全一样，这样噪声累积被限制在一个中继段内，通信质量不受传输距离的影响。

2．数据形式统一，便于计算处理

来自声音、视频和其他数据源的各类信号都可统一为数字信号的形式，通过数字通信系统传输。数字信号便于利用强大的计算机功能进行计算处理，实现通信网的综合化业务和智能化管理。

3．易于集成化，小型化

数字化的设备容易通过超大规模集成电路来实现，因而数字通信系统的设备体积小、功耗低、性价比高。

4．易于加密处理

信息的保密日益受到重视。数字通信系统既可以在信源编码之后通过增加硬件设备来加密，也可以通过适当地增加扰码进行软加密。而数字信号的加密处理比模拟信号要容易得多。

5．占用较大的传输带宽

在相同传输效率的情况下，数字通信需要占用较大的信道传输频带。

6．技术上较复杂

数字通信的实现包括诸如模/数转换、数/模转换、数字复接等相对复杂的技术。通常利用大规模集成电路对系统做模块化设计，实现起来也较为复杂。

综上所述，数字通信系统虽然需要占用较宽的频带，技术上也较为复杂，但与其所具有的巨大优势相比，这些不构成问题的主要方面。因此，数字化通信已经成为当代通信领域中的主要技术手段。