数字通讯系统

数字通讯系统

摘要：本文主要阐述了数字通讯系统的基本原理，及其基本原理，介绍了数字通讯系统的优缺点以及在应用

关键字：数字通讯系统; 数据传输; 通信;

0 引言

信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。数字通信的主要特点目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代通信的主流。与模拟通信相比，数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求。

1数字传输通讯系统

1.1数字频带传输通信系统

数字通信的基本特征是，它的消息或信号具有“离散”或“数字”的特性，从而使数字通信具有许多特殊的问题。例如前边提到的第二种变换，在模拟通信中强调变换的线性特性，即强调已调参量与代表消息的基带信号之间的比例特性；而在数字通信中，则强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。

另外，数字通信中还存在以下突出问题：第一，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的。这是通过所谓的差错控制编码来实现的。于是，就需要在发送端增加一个编码器，而在接收端相应需要一个解码器。第二，当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行人为“扰乱”（加密），此时在收端就必须进行解密。第三，由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须有一个与发端相同的节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。另外，为了表述消息内容，基带信号都是按消息特征进行编组的，于是，在收发之间一组组的编码的规律也必须一致，否则接收时消息的真正内容将无法恢复。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“帧同步”，故数字通信中还必须有“同步”这个重要问题。综上所述，点对点的数字通信系统模型

1.2 数字基带传输通信系统

与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，基带信号形成器可能包括编码器、加密器以及波形变换等，接收滤波器亦可能包括译码器、解密器等。

1.3模拟信号数字化传输通信系统

上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号，实际上，在日常生活中大部分信号（如语音信号）为连续变化的模拟信号。那么要实现模拟信号在数字系统中的

传输，则必须在发端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；在接收端需进行相反的转换，即D/A转换。实现模拟信号数字化传输的系统。

1.4数字通信的主要优点

（1）抗干扰能力强

由于在数字通信中，传输的信号幅度是离散的，以二进制为例，信号的取值只有两个，这样接收端只需判别两种状态。信号在传输过程中受到噪声的干扰，必然会使波形失真，接收端对其进行抽样判决，以辨别是两种状态中的哪一个。只要噪声的大小不足以影响判决的正确性，就能正确接收（再生）。而在模拟通信中，传输的信号幅度是连续变化的，一旦叠加上噪声，即使噪声很小，也很难消除它。

（2）差错可控

数字信号在传输过程中出现的错误（差错），可通过纠错编码技术来控制，以提高传输的可靠性。

（3）易加密

数字信号与模拟信号相比，它容易加密和解密。因此，数字通信保密性好。

（4）易于与现代技术相结合

由于计算机技术、数字存贮技术、数字交换技术以及数字处理技术等现代技术飞速发展，许多设备、终端接口均是数字信号，因此极易与数字通信系统相连接。

1.5数字通信的缺点

相对于模拟通信来说，数字通信主要有以下两个缺点：

（1）频带利用率不高

数字通信中，数字信号占用的频带宽，以电话为例，一路模拟电话通常只占据4kHz 带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话可能要占据20～60kHz 的带宽。因此，如果系统传输带宽一定的话，模拟电话的频带利用率要高出数字电话的5～15倍。

（2）系统设备比较复杂

数字通信中，要准确地恢复信号，接收端需要严格的同步系统，以保持收端和发端严格的节拍一致、编组一致。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。

不过，随着新的宽带传输信道（如光导纤维）的采用、窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用，数字通信在今后的通信方式中必将逐步取代模拟通信而占主导地位。

2基本原理

2．1 基本组成

所有的通信系统都包括一个发射器(TX)、一个接收器(RX)和传输介质(图1) 。TX 和RX 使兼容于传输介质的信息信号得以传输，其中可能涉及到调制。一些系统采用某种形式的编码来提高可靠性。将本文中讨论的信息视为不归零(NRZ)二进制数据。而传输介质可能是诸如非屏蔽双绞线(UTP)或同轴电缆那样的铜电缆，光缆，或者是用于无线通信的无障空间。在所有情况下，信号都将被介质极大地削弱并叠加上噪声。噪声(而非衰减) 通常决定着一种通讯介质是否可靠。

图1

图1：编码在一个通信系统的简化模式中是可选的，但一些系统要求调制。噪声在很大程度上决定了传输范围和可靠性。

2.2 通讯分类

通信可分为两大类：基带或宽带。所谓基带传输是数据直接通过介质本身传输，如通过RS-485或I2C 链路传送串行数字数据。最初的10Mbps 以太网就是基带通信。宽带传输意味着采用调制(在某些情况下是复用) 技术。有线电视和DSL 也许是最好的宽带通信例子，蜂窝数据也属于宽带。

通信还有同步或异步两种模式。同步数据(如SONET 光纤通信中的数据) 被计时，而异步方式使用启动和停止位，RS-232及其它一些技术中采用的就是异步方式。

2.3数据速率与带宽

数字通信串行发送各数据位，即一位接着一位。但是，你经常会见到使用多条串行路径的情况，例如四对UTPCAT5e/6电缆或并行光缆。多输入多输出(MIMO)无线技术也采用两或多个并行位流。在任何情况下，基本数据传输速率(图2) 或容量C 是位时间(t)的倒数：

图2

C=1/t

C 为信道容量或数据速率(以每秒内可传输的位数表示) ，t 为一个位间隔时间。代表速率的字符R 也常被用来指代数据速率。

为解释这点，让我们考虑多级传输方案。可通过一个基带传输路径传输多个电压级，其中每个电压级代表两个或多个位。假设我们要传输一个串行的8位字节(图3a) ，并假定一个1μs 的位周期对应一个1Mbps 的时钟。所需的最窄带宽是：

图3

当采用四个电压级时，每个电压级可以传送两位(图3b) 。每一级被称为一个符号。在这个例子中，四个电压级(0、1、2和3V) 传输同一个字节11001001。该技术被称为脉幅调制(PAM)。每一级或符号的时长为1μs ，求得的符号率(也称为波特率) 为1Msymbol/s。因此，波特率为1Mbaud ，但实际位速率是其两倍，即2Mbps 。请注意它只需一半的时间就可以传输相同的数据量。

3调制

几乎所有的调制方案都可用来传输数字数据。但在当今更复杂的关键应用中，使用得最广泛的方法是相移键控(PSK)和QAM 的若干形式。在无线领域，扩频和正交频分复用(OFDM)等专用模式尤其被广为采用。

图4

通过开启和关闭载波或在两个载波电平间进行切换来实现通断键控(OOK)和幅移键控(ASK)。这两种方式都被用于实现简单且不太重要的应用。由于它们容易受到噪声的影响，因此为获得可接受的误码率，传输范围必须短，信号强度必须高。

在嘈杂应用中表现极佳的频移键控(FSK)有几个广泛使用的变种。例如，最小移键控(MSK)和高斯滤波FSK 是GSM 蜂窝电话系统的基础。这些方法滤除二进制脉冲以限制其带宽，

从而缩小了边带范围。他们还采用没有过零干扰的相干载波(载波是连续的) 。此外，多频FSK 系统提供了多个符号来提升给定带宽的数据速率。在大多数应用中，PSK 使用得最广泛。 二进制相移键控(BPSK)是另一种流行的方法。普通老式BPSK 备受青睐，其中，位数据0和1将载波相位旋转180°。星座图(图4a) 是对BPSK 的最好说明。其中，轴的每个相量代表载波振幅，而方向代表了载波相位。

四进制(4-ary)或正交PSK(QPSK)采用正弦和余弦波的四种组合生成分别相移90°的四个不同符号(图4b) 。它使给定带宽的数据速率倍增，但对噪声有很强的免疫力。

除QPSK 外，还有被称为M-aryPSK 或M-PSK 的技术。它使用诸如8PSK 和16PSK 那样的多个相位来生成载波的8或16个不同相移，从而允许在窄带宽中实现非常高的数据速率(图4c) 。例如，8PSK 允许每相符号传输3个位，理论上使给定带宽的数据速率增加了三倍。 最终的多级方案是QAM ，它采用不同的幅值和相移组合来定义多达64至1024个或更多的不同符号。因此，QAM 是在窄带宽内获取高数据速率技术的翘楚。

例如，当使用16QAM 时，每个4位数组可以用一个特定振幅和相位角的相量来表示(图

5) 。由于有16种可能的符号，每波特或符号周期可以传送四位。因此，对给定的带宽来说，它实际上使数据速率达到原来的4倍。

图5

4数字通讯系统的应用

目前，大部分数字调制和解调都采用数字信号处理(DSP)技术。数据首先进行编码再发送到数字信号处理器，处理器中的软件生成正确的位流。然后采用混频器对该位流进行I/Q或同相以及正交格式的编码(图6) 。

图6

图6为在发射器中广泛使用的I/Q调制方法源于数字信号处理器。

随后，数模转换器(DAC)将I/Q数据转换成模拟信号并发送到混频器，在那里与载波或一些IF 正弦和余弦波混合。对获得的信号进行归总以生成模拟RF 输出。可能需要进一步的频率转换。只要你拥有正确的DSP 代码，事实上可以用这种方式实现任何调制方式。(PSK和QAM 调制方式是最常见的。)

在接收器端，将来自天线的信号放大、下变频并送至I/Q解调器(图7) 。该信号与正弦和余弦波进行混频，然后对其进行滤波以生成I 和Q 信号。用模数转换器(ADC)将这些信号数字化并送至数字信号处理器进行最终解调。

图7

图7为I/Q接收器恢复数据并在数字信号处理器中解调。大多数无线电架构都使用这种I/Q方案和DSP 。它通常被称为软件定义无线电(SDR)。DSP 软件管理调制、解调及包括一些过滤在内的其它信号处理。

如前所述，扩频和OFDM 是两种特别重要的调制方式。这些宽带的宽频带宽方案同样采用复用或多路访问的形式。很多手机中采用了扩频技术，允许多个用户共享一个公用带宽。这被称为码分多址(CDMA)。OFDM 也采用了宽频带宽技术以使多个用户接入同一个宽信道。 所有新型手机和无线宽带系统都采用OFDM 的原因是，它具有高速性能和可靠的通信品质。宽带DSL 基于OFDM 技术，许多电力线技术也是如此。但实现OFDM 并非易事，DSP 在此大显身手。

如前所述，调制方法随其在给定带宽内可传输的数据量以及可承受的噪声强度而异。每个给定Eb/N0比的误码率是它的一个度量指标(图10) 。对于低Eb/N0来说，诸如BPSK 和QPSK 等简单调制方案可提供更低的误码率，这使得它们在关键的应用中更可靠。不过，虽然给定的误码率要求更高的Eb/N0值，但不同级别的QAM 可在相同带宽内产生更高的数据速率。此外，需权衡的是在给定带宽条件下如何取舍误码率和数据速率。

5 结束语

数字通信技术的发展趋势曩蕾南京寿藏电广瘩萍自1962年美尉的(脉码调制) 数字传捻基群设备同世以来, 发展速度相当怏, 目前巳由基群发展副五, 六次群, 由市电话电缆应用发最到了数千公里的长话由陆地应用扩展到海底应用. 编码方式从群编码发展到单路缩码传

输媒介从市话电缆发展到同轴电缆和光缆. 数字通信设备发展进程为三个时期, 即一, 二次群时期, 高次群时飙和综台业务网时期, 第一时期是1972年以前主要集中于基群技术的研究和开发应用. 第二时期是随着集成电路的发展, 特别是数字通信的高速器件的研制成功, 促进了数字传输的不所发展. 第三时期是综合业务应用时期, 集成电路的成熟和稳步发展辣字通信的犀展打下了基础, 它开始取代摸拟传输方式, 在扩大设备功能基础上同时把电缆, 微波, 光纤和各类交撒机组成一个共同网络, 进行电话, 图象, 数据等综台业务传输, 随着通信网建设的需要袒大趣模集成电路的开发数字通信设备的发展趋努力, 一, 向着小曼化, 鲁健他凌晨随着徽电子技术的发展, 数字遥信设备在不断更新摸代第一, 二代基群主要从功能上改进而第三, 四代基群除了功能外, 大量改挨了电路器件, 电路结构, 提高器件组装密度, 从而使电路特性, 整机可靠性有较大提高, 功耗和线路串音有明显降低, 更能适应珊代网和使用需要.

[参考文献]

[1]《电子线路设计•实验•测试》，第三版，谢自美 主编，华中科技大学

出版社

[2]《高频电子线路实验与课程设计》，杨翠娥主编，哈尔滨工程大学出版社

[3]《高频电路设计与制作》，何中庸译，科学出版社

[4]《通信电子线路》，第三版，高如云 主编，西安电子科技大学出版社

[5]《模拟电子技术》。胡宴如 主编，高等教育出版社

[6]《电子技术基础实验与课程设计指导》，第二版，高吉祥，主编，电子工业出版社