一、數字信號概述

　　數字信號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個(gè)數值之內。二進(jìn)制碼就是一種數字信號，它受噪聲的影響較小，易于數字電路進(jìn)行處理，所以得到廣泛的應用。

　　數字信號特點(diǎn)：

　　抗干擾能力強、無(wú)噪聲積累。在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號傳輸過(guò)程中及時(shí)對衰減的傳輸信號進(jìn)行放大，信號在傳輸過(guò)程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時(shí)放大。隨著(zhù)傳輸距離的增加，噪聲累積越來(lái)越多，以致使傳輸質(zhì)量嚴重惡化。對于數字通信，由于數字信號的幅值為有限個(gè)離散值(通常取兩個(gè)幅值)，在傳輸過(guò)程中雖然也受到噪聲的干擾，但當信噪比惡化到一定程度時(shí)，即在適當的距離采用判決再生的方法，再生成沒(méi)有噪聲干擾的和原發(fā)送端一樣的數字信號，所以可實(shí)現長(cháng)距離高質(zhì)量的傳輸。

　　便于加密處理，信息傳輸的安全性和保密性越來(lái)越重要，數字通信的加密處理的比模擬通信容易得多，以話(huà)音信號為例，經(jīng)過(guò)數字變換后的信號可用簡(jiǎn)單的數字邏輯運算進(jìn)行加密、解密處理。

　　便于存儲、處理和交換，數字通信的信號形式和計算機所用信號一致，都是二進(jìn)制代碼，因此便于與計算機聯(lián)網(wǎng)，也便于用計算機對數字信號進(jìn)行存儲、處理和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護實(shí)現自動(dòng)化、智能化。

設備便于集成化、微型，數字通信采用時(shí)分多路復用，不需要體積較大的濾波器。設備中大部分電路是數字電路，可用大規模和超大規模集成電路實(shí)現，因此體積小、功耗低。

　　便于構成綜合數字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數字網(wǎng)，采用數字傳輸方式，可以通過(guò)程控數字交換設備進(jìn)行數字交換，以實(shí)現傳輸和交換的綜合。另外，電話(huà)業(yè)務(wù)和各種非話(huà)業(yè)務(wù)都可以實(shí)現數字化，構成綜合業(yè)務(wù)數字網(wǎng)。

　　占用信道頻帶較寬，一路模擬電話(huà)的頻帶為4kHz帶寬，一路數字電話(huà)約占64kHz，這是模擬通信目前仍有生命力的主要原因。隨著(zhù)寬頻帶信道(光纜、數字微波)的大量利用(一對光纜可開(kāi)通幾千路電話(huà))以及數字信號處理技術(shù)的發(fā)展(可將一路數字電話(huà)的數碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數碼率)，數字電話(huà)的帶寬問(wèn)題已不是主要問(wèn)題了。

二、數字化

　　信號的數字化需要三個(gè)步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣是指用每隔一定時(shí)間的信號樣值序列來(lái)代替原來(lái)在時(shí)間上連續的信號，也就是在時(shí)間上將模擬信號離散化。量化是用有限個(gè)幅度值近似原來(lái)連續變化的幅度值，把模擬信號的連續幅度變?yōu)橛邢迶盗康挠幸欢ㄩg隔的離散值。編碼則是按照一定的規律，把量化后的值用二進(jìn)制數字表示，然后轉換成二值或多值的數字信號流。這樣得到的數字信號可以通過(guò)電纜、微波干線(xiàn)、衛星通道等數字線(xiàn)路傳輸。在接收端則與上述模擬信號數字化過(guò)程相反，再經(jīng)過(guò)后置濾波又恢復成原來(lái)的模擬信號。上述數字化的過(guò)程又稱(chēng)為脈沖編碼調制。

抽樣

　　話(huà)音信號是模擬信號，它不僅在幅度取值上是連續的，而且在時(shí)間上也是連續的。要使話(huà)音信號數字化并實(shí)現時(shí)分多路復用，首先要在時(shí)間上對話(huà)音信號進(jìn)行離散化處理，這一過(guò)程叫抽樣。所謂抽樣就是每隔一定的時(shí)間間隔T，抽取話(huà)音信號的一個(gè)瞬時(shí)幅度值(抽樣值)，抽樣后所得出的一系列在時(shí)間上離散的抽樣值稱(chēng)為樣值序列。抽樣后的樣值序列在時(shí)間上是離散的，可進(jìn)行時(shí)分多路復用，也可將各個(gè)抽樣值經(jīng)過(guò)量化、編碼變換成二進(jìn)制數字信號。理論和實(shí)踐證明，只要抽樣脈沖的間隔T≤1/（2fm）(或f≥2fm)(fm是話(huà)音信號的最高頻率)，則抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來(lái)的話(huà)音信號。

量化

　　抽樣把模擬信號變成了時(shí)間上離散的脈沖信號，但脈沖的幅度仍然是模擬的，還必須進(jìn)行離散化處理，才能最終用數碼來(lái)表示。這就要對幅值進(jìn)行舍零取整的處理，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為量化。量化有兩種方式，量化方式中，取整時(shí)只舍不入，即0～1伏間的所有輸入電壓都輸出0伏，1～2伏間所有輸入電壓都輸出1伏等。采用這種量化方式，輸入電壓總是大于輸出電壓，因此產(chǎn)生的量化誤差總是正的，最大量化誤差等于兩個(gè)相鄰量化級的間隔Δ。量化方式在取整時(shí)有舍有入，即0～0.5伏間的輸入電壓都輸出0伏，0.5～1?5伏間的輸出電壓都輸出1伏等等。采用這種量化方式量化誤差有正有負，量化誤差的絕對值最大為Δ/2。因此，采用有舍有入法進(jìn)行量化，誤差較小。

編碼

　　抽樣、量化后的信號還不是數字信號，需要把它轉換成數字編碼脈沖，這一過(guò)程稱(chēng)為編碼。最簡(jiǎn)單的編碼方式是二進(jìn)制編碼。具體說(shuō)來(lái)，就是用n比特二進(jìn)制碼來(lái)表示已經(jīng)量化了的樣值，每個(gè)二進(jìn)制數對應一個(gè)量化值，然后把它們排列，得到由二值脈沖組成的數字信息流。編碼過(guò)程在接收端，可以按所收到的信息重新組成原來(lái)的樣值，再經(jīng)過(guò)低通濾波器恢復原信號。用這樣方式組成的脈沖串的頻率等于抽樣頻率與量化比特數的積，稱(chēng)為所傳輸數字信號的數碼率。顯然，抽樣頻率越高，量化比特數越大，數碼率就越高，所需要的傳輸帶寬就越寬。

三、數字通信

信道傳輸速率　　

　　信道的傳輸速率通常是以每秒所傳輸的信息量多少來(lái)衡量。信息論中定義信源發(fā)生信息量的度量單位是“比特”(bit)。一個(gè)二進(jìn)制碼元所含的信息量是一個(gè)“比特”，所以信息傳輸速率的單位是比特/秒(bit/s)。

符號傳輸速率

　　它是指單位時(shí)間(秒)內傳輸的碼元數目，其單位為波特。這里的碼元可以是二進(jìn)制的，也可以是多進(jìn)制的。

誤碼率

　　信碼在傳輸過(guò)程中，由于信道不理想以及噪聲的干擾，以致在接收端判決再生后的碼元可能出現錯誤，這叫誤碼。誤碼的多少用誤碼率來(lái)衡量，誤碼率是數字通信系統中單位時(shí)間內錯誤碼元數與發(fā)送總碼元數之比。誤碼越多，誤碼率越大。

傳輸速率和帶寬

　　數字信號的傳輸要求與模擬信號的要求不同，模擬信號的傳輸要求接收端無(wú)波形失真，而數字信號的傳輸是要求接收端無(wú)差錯地恢復成原來(lái)的二進(jìn)數碼(可以允許接收波形失真，只要不影響正確恢復信碼即可)。

　　由于數字信號的頻帶非常寬(從直流一直到無(wú)限高的頻率)，但其主要能量則集中在低頻段，而電纜傳輸信道是只允許比較低的頻率成分通過(guò)的低通信道。當一系列數字脈沖信號通過(guò)帶限的電纜信由于高頻成分被濾去，使輸出波形出現了失真。

　　這種波形頂部變圓，底部展寬。一個(gè)碼元的波形展寬到其他碼元位置，影響到其他碼元，這種影響稱(chēng)碼間干擾。由于波形的拖尾很長(cháng)，碼間干擾將影響到數個(gè)碼元。波形的拖尾可以是正的也可能是負的。如果所有的拖尾相加后是正值，而且達到門(mén)限判決電平就可能將“0”誤判為“1”碼；反之，如果所有的拖尾相加后　　在某個(gè)碼元位置的值是負的，就可能將“1”碼誤判為“0”碼。為了減少碼間干擾，數字信號傳輸的基本理論——奈奎斯特第一準則規定帶限信道的理想低道截止頻率為fH時(shí)，最高的無(wú)碼間干擾傳輸的極限速度為2fH。例如，信道帶寬為2000Hz時(shí)，每秒最多可傳送4000個(gè)二進(jìn)制碼元。一路數字電話(huà)速率為64kbit/s，則無(wú)碼間干擾的信道帶寬為32kHz。

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