数字通信系统的模型之欧阳体创编.docx

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数字通信系统的模型之欧阳体创编

数字通信系统的模型

时间：

2021.02.03

创作：

欧阳体

数字通信系统的分类

∙　　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。

　　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一般可用图1-3所示。

　　需要说明的是，图中调制器

/解调器

、加密器/解密器、编码器/译码器等环节，在具体通信系统中是否全部采用，这要取决于具体设计条件和要求。

但在一个系统中，如果发端有调制/加密/编码，则收端必须有解调/解密/译码。

通常把有调制器/解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统。

　　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，如图1-4所示。

　　图中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。

　　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如图1-5所示。

数字通信系统的优缺点

∙　　一、数字通信系统的优点

　　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。

　　数字通信抗噪声性能好，还表现在微波中继通信时，它可以消除噪声积累。

这是因为数字信号在每次再生后，只要不发生错码，它仍然像信源中发出的信号一样，没有噪声叠加在上面。

因此中继站再多，数字通信仍具有良好的通信质量。

而模拟通信中继时，只能增加信号能量（对信号放大），而不能消除噪声。

　　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。

　　二、数字通信系统的缺点

　　1、频带利用率不高

　　系统的频带利用率，可用系统允许最大传输带宽（信道的带宽）与每路信号的有效带宽之比来数字通信中，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。

数字通信系统的各部分作用

∙　　1、信源:

把原始信息变换成原始电信号。

　　2、信源编码：

①实现模拟信号的数字化传输即完成A/D变化。

②提高信号传输的有效性。

即在保证一定传输质量的情况下，用竟可能少的数字脉冲来表示信源产生的信息。

信源编码也称作频带压缩编码或数据压缩编码。

　　3、信道编码：

①信源编码的目的：

信道编码主要解决数字通信的可靠性问题。

②信道编码的原理：

对传输的信息码元按一定的规则加入一些冗余码（监督码），形成新的码字，接收端按照约定好的规律进行检错甚至纠错。

③信道编码又称为差错控制编码、抗干扰编码、纠错编码。

　　4、数字调制

①数字调制技术的概念：

把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。

②数字调制的主要作用：

提高信号在信道上传输的效率，达到信号远距离传输的目的。

③基本的数字调制方式：

振幅键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。

　　5、同步

①同步的概念：

指通信系统的收、发双方具有统一的时间标准，使它们的工作“步调一致”。

②同步的作用：

对于数字通信时是至关重要的。

如果同步存在误差或失去同步，通信过程中就会出现大量的误码，导致整个通信系统失效。

　　6、信道：

　　信道是信号传输媒介的总称，传输信道的类型有无线信道（如电缆、光纤）和有线信道（如自由空间）两种。

　　7、噪声源：

　　通信系统中各种设备以及信道中所固有的，为了分析方便，把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道。

首先对模拟信号进行采样（NYQUIST定理，抽样频率大于等于模拟信号最高频率2倍），然后根据采样到的信号的幅度（比如单位V）对应一个二进制值（比如0V对应00，1V对应01，2V对应10，只是理论，实际按工程需要或者相关协议），这个过程即为量化，然后输出这样的2进制BIT流，即数字信号。

（1）频分多路复用：

用户在同样的时间占用不同的频率带宽

（2）时分多路复用：

所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度，分为时分复用和统计时分复用两种。

（3）波分复用：

光的频分复用，用于光纤通信

（4）码分复用：

CDMA码分多址。

多路复用是指两个或多个用户共享公用信道的一种机制。

通过多路复用技术，多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源的目的，多路复用有频分多路复用（FDMA），时分多路复用（TDMA），码分多路复用（CDMA）几种。

频分多路复用（FDMA）

频分制是将传输频带分成N部分，每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。

如图所示。

这样在一对传输线路上可有N对话路信息传送，而每一对话路所占用的只是其中的一个频段。

频分制通信又称载波通信，它是模拟通信的主要手段。

时分多路复用（TDMA）

时分制是把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息，如图所示。

把N个话路设备接到一条公共的通道上，按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使用通道的时间。

当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，执行操作。

与此同时，其它设备与通道的联系均被切断。

待指定的使用时间间隔一到，则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要连接的设备上去。

时分制通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法，因而PCM通信常称为时分多路通信。

码分多路复用（CDMA）

CDMA技术不是一项新技术，作为一种多址方案它已经成功地应用于卫星通信和蜂窝电话领域，并且显示出许多优于其他技术的特点。

但是，由于卫星通信和移动通信中带宽的限制，所以CDMA技术尚未充分发挥优点。

光纤通信具有丰富的带宽，能够很好地弥补这个缺陷。

近年来，OCDMA已经成为一项备受瞩目的热点技术。

OCDMA技术在原理上与电码分复用技术相似。

OCDMA通信系统给每个用户分配一个唯一的光正交码的码字作为该用户的地址码。

在发送端，对要传输的数据该地址码进行光正交编码，然后实现信道复用；在接收端，用与发端相同的地址码进行光正交解码。

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microwavecommunication

定义：

使用波长为1～0.1m（频率为0.3～3GHz）的电磁波进行的通信。

包括地面微波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信及工作于微波频段的移动通信。

微波通信（MicrowaveCommunication），是使用波长在0.1毫米至1米之间的电磁波——微波进行的通信。

微波通信不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。

利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离，因此是国家通信网的一种重要通信手段，也普遍适用于各种专用通信网。

采用中继方式的直接原因:

　　对于地面上的远距离微波通信，采用中继方式的直接原因有两个：

首先是因为微波波长短，接近于光波，是直线传播具有视距传播特性，而地球表面是个曲面，因此若在通信两地直接通信，当通信距离超过一定数值时，电磁波传播将受到地面的阻挡，为了延长通信距离，需要在通信两地之间设立若干中继站，进行电磁波转接。

其次是因为微波传播有损耗，随着通信距离的增加信号衰减，有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段,延长通信距离。

人造卫星绕地球的周期和地球的自转同步称为同步卫星（GeostationarySatellite），它的优点是使用者只要对准人造卫星就可进行沟通而不必再追踪卫星的轨迹。

地球同步卫星是人为发射的一种卫星，它相对于地球静止于赤道上空．从地面上看，卫星保持不动，故也称静止卫星；从地球之外看，卫星与地球共同转动，角速度与地球自转角速度相同，故称地球同步卫星．运转周期24小时地球同步卫星距赤道的高度约为36000千米，线速度的大小约为3.1公里每秒．

卫星通信的特点是：

通信范围大；只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；不易受陆地灾害的影响（可靠性高）；只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）；电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间（多址联接）。

是利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式。

由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光-光纤通信。

光纤通信的原理是：

在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

单工通信

  数据信息在通信线上始终向一个方向传输。

数据信息永远从发送端传输到接收端。

列如，广播电视就是单工传输方式，收音机电视机只能分别接受来自电台电视台的信号，不能进行相反方向的信息传输。

2）半双工通信

   数据信息可以双向传输，但必须交替进行，同一时刻一个信道只允许单向传送。

半双工通信要求AB端都有发送装置和接受装置，若想改变信息的传输方向，有开关K1K2进行切换，再任意时刻保证A端发送装置与B端接受装置A端接受装置与B端发送装置介入信道。

半双工通信由于通信中要濒反的调换信道的方向，所以效率交底。

如对讲机通信就是典型的半双工通信方式，在一方讲话的时候另一方不能讲话，但通过开切换可以切换可以改变童话方式。

全双工通信同时进行二个方向的通信，既二个信道，可同时进行双向的数据传输。

它相当于把二个相反方向的单工通信方式组合起来。

全双工通信效率高，控制容易，士与计算机间的通信，普通电话是一种典型的全双工通信。

定义：

分布在不同地点的多个用户通信设备、传输设备、交换设备用通信线路互相连接，在相应通信软件支持下所构成的传递信息的系统。

通信网是一种使用交换设备，传输设备，将地理上分散用户终端设备互连起来实现通信和信息交换的系统。

通信最基本的形式是在点与点之间建立通信系统，但这不能称为通信网，只有将许多的通信系统（传输系统）通过交换系统按一定拓扑结构组合在一起才能称之为通信。

也就是说，有了交换系统才能使某一地区内任意两个终端用户相互接续，才能组成通信网。

通信网由用户终端设备，交换设备和传输设备组成。

交换设备间的传输设备称为中继线路（简称中继线），用户终端设备至交换设备的传输设备称为用户路线（简称用户线）。

通信网：

在分处异地的用户之间传递信息的系统。

属于电磁系统的也称电信网。

它

通信网

是由相互依存、相互制约的许多要素所组成的一个有机整体，以完成规定的功能。

通信网的功能就是要适应用户呼叫的需要，以用户满意的程度沟通网中任意两个或多个用户之间的信息。

离散信源:

指发出在时间和幅度上都是离散分布的离散消息的信源，如文字、数字、数据等符号都是离散消息。

连续信源指发出在时间和幅度上都是连续分布的连续消息（模拟消息）的信源。

离散信号可分两类:

1抽样信号2数字信号

抽样信号的特点是时间离散...幅值连续

数字信号的特点是时间..幅值均离散

抽样信号等于离散信号吗？

不能笼统的这么说,因为抽样信号是离散信号中的一种

什么样的离散信号才算抽样信号?

符合抽样信号特点的离散信号

数字信号和离散信号有什么区别呢？

数字信号是离散信号中的一种

模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。

或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。

模拟信号与数字信号之间的相互转换

模拟信号和数字信号之间可以相互转换：

模拟信号一般通过PCM脉码调制（PulseCodeModulation）方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相（PhaseShift）的方法转换为模拟信号。

计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。

但是更具应用发展前景的是数字信号。

光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。

前香港中文大学校长高锟和GeorgeA.Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖一种传输光能的波导介质，一般由纤芯和包层组成。

光缆（opticalfibercable）主要是由光导纤维（细如头发的玻璃丝）和塑料保护套管及塑料外皮构成，光缆内没有金、银、铜铝等金属，一般无回收价值。

光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路。

即:

由光纤（光传输载体）经过一定的工艺而形成的线缆.

定义1：

以光纤为传输元件的缆（有时含有若干电线），一般都含有加强元件及必要的护套。

应用学科：

电力（一级学科）；输电线路（二级学科）

定义2：

一种由单根光纤、多根光纤或光纤束加上外护套制成，满足光学特性、机械特性和环境性能指标要求的缆结构实体。

应用学科：

通信科技（一级学科）；光纤传输与接入（二级学科）

信系统是用以完成信息传输过程的技术系统的总称。

现代通信系统主要借助电磁波在自由空间的传播或在导引媒体中的传输机理来实现，前者称为无线通信系统，后者称为有线通信系统。

通信网是一种使用交换设备，传输设备，将地理上分散用户终端设备互连起来实现通信和信息交换的系统。

通信最基本的形式是在点与点之间建立通信系统，但这不能称为通信网，只有将许多的通信系统（传输系统）通过交换系统按一定拓扑结构组合在一起才能称之为通信。

也就是说，有了交换系统才能使某一地区内任意两个终端用户相互接续，才能组成通信网。

通信网由用户终端设备，交换设备和传输设备组成。

交换设备间的传输设备称为中继线路（简称中继线），用户终端设备至交换设备的传输设备称为用户路线（简称用户线）。

时间：

2021.02.03

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