1、 1 1 数字通信 1 引 言 在本书中 ,我们将介绍作为数字通信系统分析和设计基础的基本原理。数字通信的研究主题包括数字形式的信息从产生该信息的信源到一个或多个目的地的传输问题。在通信系统的分析和设计中，特别重要的是信息传输所通过的物理信道的特征。信道的特征-般会影响通信系统基本组成部分的设计。下面阐述一个通信系统的基本组成部分及其功能。 1.1 数字通信系统的基本组成部分 图 1.1 显示了一个数字通信系统的功能性框图和基本组成部分。输出的可以是模拟信号，如音频或视频信号 ；也可以是数字信号，如电传机的输出，该信号在时间 上是离散的，并且只有有限个输出字符。在数字通信系统中，由信源产生的消
2、息变换成二进制数字序列。理论上，应当用尽可能少的二进制数字表示信源输出（消息）。换句话说 .我们要寻求一种信源输出的有效的表示方法 ,使其很少产生或不产生冗余。将模拟或数宇信源的输出有效地变换成二进制数字序列的处理过程称为信源编码或数据压缩。 由信源编码器输出的二进制数字序列称为信息序列，它被传送到信道编码器。信道编码器的目的是在二进制信息序列中以受控的方式引人一些冗余，以便于在接收机中用来克服信号在信道中传输时所遭受的噪声和干扰的影响。因此， 所增加的冗余是用来提高接收数据的可靠性以及改善接收信号的逼真度的。实际上，信息序列中的冗余有助于接收机译出期望的信息序列。例如 ,二进制信息序列的一种
3、 (平凡的）形式的编码就是将每个二进制数字简单重复 m 次 .这里 m 为一个正整数。更复杂的（不平凡的）编码涉及到一次取 k 个信息比特 ,并将毎个 k 比特序列映射成惟一的 n 比特序列，该序列称为码字。以这种方式对数据编码所引人的冗余度的大小是由比率 n/k 作来度擞的。该比率的倒数，即 k/n，称为码的速率或简称码率。信道编码器输出的二进制序列送至数宇调制器，它是通信信道的接口。因为在 实际中遇到的几乎所有的通信信道都能够传输电信号（波形） ,所以数字调制的主要目的是将二进制信息序列映射成信号波形。为了详细说明这一点，假定已编码的信息序列以均匀速率 R（ b/s） 次一个比特传输 ,数
4、字调制器可以简单地将二进制数字 “0”映射成波形 s0(t)而二进制数字 “1”映射成波形 s1(t)。在这种方式中，信 2 2 道编码器输出的毎一比特是分别传输的。我们把它称为二进制调制。另一种方式，调制器目一次传输 b个已编码的信息比特，其方法是采用 M = 2s个不同的波形 ST(t)i=1,2， ，M,每一个波形用来传输 2s 个可能的 b 比特序列中的一个序列。我们称这种方式为 M 元调制（ M 2）。注意，每 b/R 秒就有一个新的 b 比特序列进入调制器。因此，当信道比特率 R 固定 ,与一个 b 比特序列相应的似个波形之一的传输时间量是二进制调制系统时间周期的 b 倍。 图 1
5、.1 数字通信系统的基本模型 通信信道是用来将发送机的信号发送给接收机的物理媒质。在无线传输中，信道可以是大气（自由空间）另一方面，电话信道通常使用各种各样的物理媒质，包括有线线路、光缆和无线 (微波 )等。无论用什么物理媒质来传输信息，其基本特点是发送信号随机地受到各种可能机理的恶 化，例如由电子器件产生的加性热噪声、人为噪声（如汽车点火噪声）及大气噪声（如在雷赛雨时的闪电）。 在数字逋信系统的接收端 ,数字解调器对受到信道恶化的发送波形进行处理，并将该波形还原成一个数的序列，该序列表示发送数据符号的估计值二进制或 M 元。这个数的序列披送至信道译码器，它根据信进编码器所用的关于码的知识及接
6、收数据所含的冗余度重构初始的信息序列。 解调器和译码器工作性能好坏的 个度量是译码序列中发生差错的频度。更准确地说，在译码器输出端的平均比特错误概率是解调器 -译码器組合性能的一个度量。一般地，错误概率 是下列各种因素的函数 :码特征、用来在信道上传输信息的波形的类型、发 3 3 送功率信道的特征（即噪声的大小、干扰的性质等 )以及解调和译码的方法。在后续各章中将详细讨论这些因素及其对性能的影晌。 作为最后一步，当需要模拟输出时，信源译码器从信道译码器接收其输出序列并根据所采用的信源编码方法的有关知识重构由信源发出的原始信号。由于信道译码的差错以及信源编码器可能引入的失真 ,在信源译码器输出端
7、的信号只是原始信源输出的 个近似。在原始信号与重构信号之间的信号差或信号差的函数是数字通信系统引入失真的一种度量。 2 通信信道及 其特征 正如前面指出的，通信信道在发送机与接收机之间提供了连接。物理信道也许是携带电信号的一对明线；或是在已调光波束上携带信息的光纤；或是水下海洋信道其中信息以声波形式传输；或是自由空间，携带信息的信号通过天线在空间辐射传输。可被表征为通信信道的其他媒质是数据存储媒质如磁带、磁盘和光盘。 在信号通过任何信道传输中的一个共同的问题是加性噪声。一般地，加性噪声是由通信系统内部组成元器件所引起的，例如电阻和固态器件。有时将这种噪声称为热噪声。其他噪声和干扰源也许是系统外
8、面引起的，例如来自信道上其他用户的干扰。当这 样的噪声和干扰与期望信号占有同频带时，可通过对发送信号和接收机中解调器的适当设计来使它们的影响最小。信号在信道上传输时可能会遇到的其他类型损伤有信号衰减、幅度和相位失真、多径失真等。 可以通过增加发送信号功率的方法使噪声的影响最小。然而，设备和其他实际因素限制了发送信号的功率电平，另一个基本的限制是可用的信道带宽。带宽的限制通常是由于媒质以及发送机和接牧机中组成器件和部件的物理限制产生的。这两种限制因素限制了在任何通信信道上能可靠传输的数据量 ,我们将在以后各章中讨论这种情况。下面描述几种通信信道的重要特征。 2.1 有线信道 电话网络扩大了有线线路的应用，如话音信号传输以及数据和视频传输。双绞线和同轴电缆是基本的导向电磁信道，它能提供比较适度的带宽。通常用来连接用户和中心机房的电话线的带宽为几百千赫 (khz)另一方面同轴电缆的可用宽带是几兆赫（ Mhz）。
