數字通信

用數字形式傳輸消息或用數字形式對載波信號進行調製後再傳輸的通信方式。常規的電話和電視都屬於模擬通信。電話和電視模擬信號經數字化後，再進行數字信號的調製和傳輸，便稱為數字電話和數字電視。以計算機為終端機的相互間的數據通信，因信號本身就是數字形式，而屬於數字通信。衞星通信中採用時分或碼分的多路通信也屬於數字通信。

數字通信系統的模型如圖1所示，圖1中信源輸出的是模擬信號，經過數字終端的信源編碼器成為數字信號，終端輸出的數字信號，經過信道編碼器後變成適合於信道傳輸的數字信號，然後由調製器把數字信號調製到系統所使用的數字信道上，再傳輸到接收端，經過相反的轉換後最終送到信宿 ^[1]  。

1、信源:把原始信息變換成原始電信號。

2、信源編碼：

①實現模擬信號的數字化傳輸即完成A/D變化。

②提高信號傳輸的有效性。即在保證一定傳輸質量的情況下，用盡可能少的數字脈衝來表示信源產生的信息。信源編碼也稱作頻帶壓縮編碼或數據壓縮編碼。

3、信道編碼：

①信道編碼的目的： 信道編碼主要解決數字通信的可靠性問題。

②信道編碼的原理：對傳輸的信息碼元按一定的規則加入一些冗餘碼（監督碼），形成新的碼字，接收端按照約定好的規律進行檢錯甚至糾錯。

③信道編碼又稱為差錯控制編碼、抗干擾編碼、糾錯編碼 。

4、數字調製

①數字調製技術的概念：把數字基帶信號的頻譜搬移到高頻處，形成適合在信道中傳輸的頻帶信號。

②數字調製的主要作用：提高信號在信道上傳輸的效率，達到信號遠距離傳輸的目的。

③基本的數字調製方式：振幅鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK。

5、同步

①同步的概念：指通信系統的收、發雙方具有統一的時間標準，使它們的工作“步調一致”。

②同步的作用：對於數字通信時是至關重要的。如果同步存在誤差或失去同步，通信過程中就會出現大量的誤碼，導致整個通信系統失效。

6、信道：

信道是信號傳輸媒介的總稱，傳輸信道的類型有有線信道（如電纜、光纖）和無線信道（如自由空間）兩種。

7、噪聲源：

通信系統中各種設備以及信道中所固有的，為了分析方便，把噪聲源視為各處噪聲的集中表現而抽象加入到信道 ^[2]  。

數字通信的早期歷史是與電報的發展聯繫在一起的。

1937年，英國人A．H．裏夫斯提出脈碼調製（PCM），從而推動了模擬信號數字化的進程。

1946年，法國人E．M．德洛雷因發明增量調製。

1950年C．C．卡特勒提出差值編碼。1947年，美國貝爾實驗室研製出供實驗用的24路電子管脈碼調製裝置，證實了實現PCM的可行性。

1953年發明了不用編碼管的反饋比較型編碼器，擴大了輸入信號的動態範圍。

1962年，美國研製出晶體管24路1．544兆比/秒脈碼調製設備，並在市話網局間使用。

數字通信與模擬通信相比具有明顯的優點。它抗干擾能力強，通信質量不受距離的影響，能適應各種通信業務的要求，便於採用大規模集成電路，便於實現保密通信和計算機管理。不足之處是佔用的信道頻帶較寬。

20世紀90年代，數字通信向超高速大容量長距離方向發展，高效編碼技術日益成熟，語聲編碼已走向實用化，新的數字化智能終端將進一步發展。

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1. 抗干擾能力強

由於在數字通信中，傳輸的信號幅度是離散的，以二進制為例，信號的取值只有兩個，這樣接收端只需判別兩種狀態。信號在傳輸過程中受到噪聲的干擾，必然會使波形失真，接收端對其進行抽樣判決，以辨別是兩種狀態中的哪一個。只要噪聲的大小不足以影響判決的正確性，就能正確接收（再生）。而在模擬通信中，傳輸的信號幅度是連續變化的，一旦疊加上噪聲，即使噪聲很小，也很難消除它。

數字通信抗噪聲性能好，還表現在微波中繼通信時，它可以消除噪聲積累。這是因為數字信號在每次再生後，只要不發生錯碼，它仍然像信源中發出的信號一樣，沒有噪聲疊加在上面。因此中繼站再多，數字通信仍具有良好的通信質量。而模擬通信中繼時，只能增加信號能量（對信號放大），而不能消除噪聲。

2. 差錯可控

數字信號在傳輸過程中出現的錯誤（差錯），可通過糾錯編碼技術來控制，以提高傳輸的可靠性。

3. 易加密

數字信號與模擬信號相比，它容易加密和解密。因此，數字通信保密性好。

4. 易於與現代技術相結合

由於計算機技術、數字存貯技術、數字交換技術以及數字處理技術等現代技術飛速發展，許多設備、終端接口均是數字信號，因此極易與數字通信系統相連接 ^[1]  。

1. 頻帶利用率不高

系統的頻帶利用率，可用系統允許最大傳輸帶寬（信道的帶寬）與每路信號的有效帶寬之比來數字通信中，數字信號佔用的頻帶寬，以電話為例，一路模擬電話通常只佔據 4kHz 帶寬，但一路接近同樣話音質量的數字電話可能要佔據 20 ～ 60kHz 的帶寬。因此，如果系統傳輸帶寬一定的話，模擬電話的頻帶利用率要高出數字電話的 5 ～ 15 倍。

2. 系統設備比較複雜

數字通信中，要準確地恢復信號，接收端需要嚴格的同步系統，以保持收端和發端嚴格的節拍一致、編組一致。因此，數字通信系統及設備一般都比較複雜，體積較大。

不過，隨着新的寬帶傳輸信道（如光導纖維）的採用、窄帶調製技術和超大規模集成電路的發展，數字通信的這些缺點已經弱化。隨着微電子技術和計算機技術的迅猛發展和廣泛應用，數字通信在今後的通信方式中必將逐步取代模擬通信而占主導地位。

數字通信系統可進一步細分為數字頻帶傳輸通信系統、數字基帶傳輸通信系統、模擬信號數字化傳輸通信系統。

數字通信的基本特徵是，它的消息或信號 具有“離散”或“數字”的 特性，從而使數字通信具有許多特殊的問題。例如前邊提到的第二種變換，在模擬通信中強調變換的線性特性，即強調已調參量與代表消息的基帶信號之間的比例特性；而在數字通信中，則強調已調參量與代表消息的數字信號之間的一一對應關係。

另外，數字通信中還存在以下突出問題：第一，數字信號傳輸時，信道噪聲或干擾所造成的差錯，原則上是可以控制的。這是通過所謂的差錯控制編碼來實現的。於是，就需要在發送端增加一個編碼器，而在接收端相應需要一個解碼器。第二，當需要實現保密通信時，可對數字基帶信號進行 人為 “擾亂”（ 加密），此時在收端就必須進行解密。第三，由於數字通信傳輸的是一個接一個按一定節拍傳送的數字信號，因而接收端必須有一個與發端相同的節拍，否則，就會因收發步調不一致而造成混亂。另外，為了表述消息內容，基帶信號都是按消息特徵進行編組的，於是，在收發之間一組組的編碼的規律也必須一致，否則接收時消息的真正內容將無法恢復。在數字通信中，稱節拍一致 為 “位同步”或“碼元同步”，而稱編組一致為“羣同步”或“幀同步”，故數字通信中還必須有“同步”這個 重要問題。

綜上所述，點對點的數字通信系統模型一般可用圖2所示。

需要説明的是，圖2中調製器 / 解調器、加密器 / 解密器、編碼器 / 譯碼器等環節，在具體通信系統中是否全部採用，這要取決於具體設計條件和要求。但在一個系統中，如果發端有調製 / 加密 / 編碼，則收端必須有解調 / 解密 / 譯碼。通常把有調製器 / 解調器的數字通信系統稱為數字頻帶傳輸通信系統。

與頻帶傳輸系統相對應，我們把沒有調製器 / 解調器的數字通信系統稱為數字基帶傳輸通信系統，如圖3所示。

圖3中基帶信號形成器可能包括編碼器、加密器以及波形變換等，接收濾波器亦可能包括譯碼器、解密器等。

上面論述的數字通信系統中，信源輸出的信號均為數字基帶信號，實際上，在日常生活中大部分信號（如語音信號）為連續變化的模擬信號。那麼要實現模擬信號在數字系統中的傳輸，則必須在發端將模擬信號數字化，即進行 A/D 轉換；在接收端需進行相反的轉換，即 D/A 轉換。實現模擬信號數字化傳輸的系統如圖4所示 ^[3]  。