一、數(shù)字信號(hào)概述

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

　　數(shù)字信號(hào)特點(diǎn)：

　　抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)噪聲積累。在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號(hào)傳輸過(guò)程中及時(shí)對(duì)衰減的傳輸信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)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(yán)重惡化。對(duì)于數(shù)字通信，由于數(shù)字信號(hào)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(dāng)信噪比惡化到一定程度時(shí)，即在適當(dāng)?shù)木嚯x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(shù)字信號(hào)，所以可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高質(zhì)量的傳輸。

　　便于加密處理，信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄栽絹?lái)越重要，數(shù)字通信的加密處理的比模擬通信容易得多，以話(huà)音信號(hào)為例，經(jīng)過(guò)數(shù)字變換后的信號(hào)可用簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯運(yùn)算進(jìn)行加密、解密處理。

　　便于存儲(chǔ)、處理和交換，數(shù)字通信的信號(hào)形式和計(jì)算機(jī)所用信號(hào)一致，都是二進(jìn)制代碼，因此便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也便于用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。

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

　　便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，采用數(shù)字傳輸方式，可以通過(guò)程控?cái)?shù)字交換設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交換，以實(shí)現(xiàn)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(xiàn)數(shù)字化，構(gòu)成綜合業(yè)務(wù)數(shù)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(shù)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。隨著寬頻帶信道(光纜、數(shù)字微波)的大量利用(一對(duì)光纜可開(kāi)通幾千路電話(huà))以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展(可將一路數(shù)字電話(huà)的數(shù)碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數(shù)碼率)，數(shù)字電話(huà)的帶寬問(wèn)題已不是主要問(wèn)題了。

二、數(shù)字化

　　信號(hào)的數(shù)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(hào)樣值序列來(lái)代替原來(lái)在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)，也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化。量化是用有限個(gè)幅度值近似原來(lái)連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號(hào)的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進(jìn)制數(shù)字表示，然后轉(zhuǎn)換成二值或多值的數(shù)字信號(hào)流。這樣得到的數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)電纜、微波干線(xiàn)、衛(wèi)星通道等數(shù)字線(xiàn)路傳輸。在接收端則與上述模擬信號(hào)數(shù)字化過(guò)程相反，再經(jīng)過(guò)后置濾波又恢復(fù)成原來(lái)的模擬信號(hào)。上述數(shù)字化的過(guò)程又稱(chēng)為脈沖編碼調(diào)制。

抽樣

　　話(huà)音信號(hào)是模擬信號(hào)，它不僅在幅度取值上是連續(xù)的，而且在時(shí)間上也是連續(xù)的。要使話(huà)音信號(hào)數(shù)字化并實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路復(fù)用，首先要在時(shí)間上對(duì)話(huà)音信號(hào)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(hào)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(fù)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(shù)字信號(hào)。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(hào)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(hào)。

量化

　　抽樣把模擬信號(hào)變成了時(shí)間上離散的脈沖信號(hào)，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(shù)碼來(lái)表示。這就要對(duì)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(jí)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(fù)，量化誤差的絕對(duì)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(hào)還不是數(shù)字信號(hào)，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)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(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)量化值，然后把它們排列，得到由二值脈沖組成的數(shù)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(fù)原信號(hào)。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?cái)?shù)的積，稱(chēng)為所傳輸數(shù)字信號(hào)的數(shù)碼率。顯然，抽樣頻率越高，量化比特?cái)?shù)越大，數(shù)碼率就越高，所需要的傳輸帶寬就越寬。

三、數(shù)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?shù)男畔⒘慷嗌賮?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(hào)傳輸速率

　　它是指單位時(shí)間(秒)內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)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(xiàn)錯(cuò)誤，這叫誤碼。誤碼的多少用誤碼率來(lái)衡量，誤碼率是數(shù)字通信系統(tǒng)中單位時(shí)間內(nèi)錯(cuò)誤碼元數(shù)與發(fā)送總碼元數(shù)之比。誤碼越多，誤碼率越大。

傳輸速率和帶寬

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

　　由于數(shù)字信號(hào)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(dāng)一系列數(shù)字脈沖信號(hào)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(xiàn)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(zhǎng)，碼間干擾將影響到數(shù)個(gè)碼元。波形的拖尾可以是正的也可能是負(fù)的。如果所有的拖尾相加后是正值，而且達(dá)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(fù)的，就可能將“1”碼誤判為“0”碼。為了減少碼間干擾，數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)幕纠碚摗慰固氐谝粶?zhǔn)則規(guī)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?shù)臉O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(shù)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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