作者：毛京丽 石方文 编著
出版社：人民邮电出版社
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数字通信原理(第3版)试读：
前言
21世纪人类已进入高度发达的信息社会，这就要求高质量的信息传输与之相适应，而数字通信是现代信息传输的重要手段。
掌握数字通信基本理论和技术是高等院校通信专业学生和通信工作者所必不可少的。
本书在阐述数字通信基本理论的基础上，侧重于讨论和研究数字通信传输体制和数字信号传输的技术问题。
本书第1版教材2005年被评为北京市高等学校精品教材，第2版教材2006年被列为教育部普通高等教育“十一五”国家级规划教材，第3版教材是在对第2版教材进行修订补充的基础上编写而成的。为了使本教材的系统性、针对性更强，删除了图像数字化的内容；同时为了使本教材更加实用、跟踪新技术，在语音信号压缩编码一章中增加了混合编码、低速率语音压缩编码的应用；在数字信号复接——PDH与SDH一章中增加了SDH的映射、定位和复用的具体过程；在数字信号传输一章中增加了频带传输所用到的数字基本调制方法，SDH传输网在光纤接入网、ATM网及宽带IP网络中的应用等内容。而且相比于第1版、第2版教材，第3版教材各章的结构更加合理，条理清晰，通俗易懂。
全书共有6章。
第1章概述，主要介绍了数字通信的概念、数字通信系统的构成、数字通信的特点及数字通信系统的主要性能指标。
第2章语音信号编码——脉冲编码调制（PCM），首先简单介绍了语音信号编码的基本概念，接着详细分析了PCM通信系统的构成、PCM的A/D变换、D/A变换（包括抽样、量化、编码与解码等）的基本方法，最后对单片集成PCM编解码器进行了说明。
第3章语音信号压缩编码，首先介绍了语音信号压缩编码的基本概念，然后研究了自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）、参量编码和混合编码等压缩编码技术，最后探讨了低速率语音压缩编码在GSM网络、3G及软交换中的应用。
第4章时分多路复用及PCM30/32路系统，详细介绍了时分多路复用的基本概念，并具体论述了 PCM30/32 路系统的帧结构、定时系统、帧同步系统的工作原理及 PCM30/32路的系统构成。
第5章数字信号复接——PDH与SDH，包括两大方面的内容：一是准同步数字体系（PDH），主要介绍了数字复接的基本概念、同步复接与异步复接原理、PCM零次群和PCM高次群、PDH的网络结构及PDH的弱点；二是同步数字系体（SDH），主要介绍了SDH的基本概念、SDH的速率体系、SDH的基本网络单元、SDH的帧结构、SDH的复用映射结构和具体映射、定位、复用方法，并简单分析了SDH光接口和电接口技术标准。
第6章数字信号传输，首先研究数字信号传输的基本理论，然后分析了传输码型、数字信号的基带传输问题；接着讨论了数字调制基本方法及几种数字信号的频带传输系统；最后详细介绍了SDH传输网。
本书第1章、第2章、第5章、第6章由毛京丽编写，第3章、第4章由石方文编写。
在本书的编写过程中，得到了李文海教授的指导，以及董跃武、徐鹏、贺雅璇、黄秋钧、魏东红、齐开诚、夏之斌等的帮助，在此一并表示感谢。
在本书的编写过程中，参考了一些相关的文献，从中受益匪浅，在此对这些文献的著作者表示深深的感谢。
由于编者水平有限，书中难免有不足之处，敬请读者批评指正。编者2011年9月
第1章 概述
为了使读者对数字通信系统有一个比较全面的了解；本章简要介绍了有关数字通信的一些最基本的概念，主要包括数字通信的概念、数字通信的特点、数字通信系统的主要性能指标、数字通信技术的发展概况等。
1.1 数字通信系统的基本概念
1.1.1 信息、信号及分类
1.信息的概念
通信的目的就是传递或交换信息。什么是信息呢？（1）信息的定义
从信息论的观点来看，本体论层次（无条件约束的层次、纯客观角度）信息的定义是事物运动的状态和方式；认识论层次（站在人类主体的立场上来定义信息）信息的定义是某主体所表述的相应事物的运动状态和运动方式。
与通信结合较紧密的信息的定义是美国的一位数学家、信息论的主要奠基人仙农（C.E.Shannon）提出的。他把信息定义为“用来消除不定性的东西”。通信的过程就是传递“用来消除不定性的东西”。（2）信息的基本特征
① 可度量性
信息可采用基本的二进制度量单位（比特）进行度量。一个二进制的“l”或者一个二进制的“0”所含的信息量是一个比特（bit）。
② 可识别性
自然信息（自然界存在的信息：动物、植物等运动的状态和方式）可以采取直观识别、比较识别和间接识别等多种方式来把握，例如听、看、触觉感知等；社会信息（将自然信息用语言、文字、图表和图像等表达出来）可以采取综合识别方式。
③ 可转换性
信息可以从一种形态转换为另一种形态，自然信息可转换为语言、文字、图表和图像等社会信息。
社会信息和自然信息都可转换为由电磁波为载体的电报、电话、电视或数据等信号。
④ 可存储性
信息可以以各种方式进行存储。大脑就是一个天然信息存储器，人脑利用其100亿至150亿个神经元，可存储100万亿至1 000万亿比特的信息。除大脑的自然信息存储外，人类早期一般用文字进行信息存储，而后又发展了录音、录像、缩微以及计算机存储等多种信息存储方式，不但能存储静态信息，而且可存储动态信息。
⑤ 可处理性
信息具有可处理性。人脑就是一个最佳的信息处理器，其他像计算机信息处理等只不过是人脑信息处理功能的一种外化而已。
⑥ 可传递性
信息常用的传递方式有语言、表情、动作、报刊、书籍、广播、电视、电话等。
⑦ 可再生性
信息经过处理后，可以其他形式再生。如自然信息经过人工处理后，可用语言或图形等方式再生成信息；输入计算机的各种数据文字等信息，可用显示、打印、绘图等方式再生成信息。
⑧ 可压缩性
信息可按照一定规则或方法进行压缩，用最少的信息量来描述一个事物。压缩的信息处理后可还原。
⑨ 可利用性
信息的实效性或可利用性只对特定的接收者才能显示出来，如有关农作物生长的信息，只对农民有效，对工人则效用甚微。而且，对于不同的接收者，信息的可利用度也不同。
⑩ 可共享性
信息具有不守恒性，即它具有扩散性。在信息的传递中，对信息的持有者来说，并没有任何损失。这就是信息的一个重要特性——可共享性。
2.信号的概念
信号是携带信息的载体，信息则是这个载体所携带的内容。
对于通信系统（后述）信源发出的信息要经过适当的变换和处理，使之变成适合在信道上传输的信号才可以传输。信号应具有某种可以感知的物理参量——如电压、电流及光波强度、频率、时间等。
3.信号的分类（1）根据信源发出的信息的形式不同分类
根据信源发出的信息的形式不同，信号可分为语音信号、图像信号、数据信号等。（2）根据信号物理参量基本特征的不同分类
信号的时间波形的特征可用两个物理参量（时间、幅度）来表示。根据信号物理参量基本特征的不同，信号可以分为两大类：模拟信号和数字信号。
① 模拟信号
图1-1（a）所示的信号是模拟信号。可见模拟信号波形随着信息的变化而变化，其特点是幅度连续。连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值。从图1-1（a）波形中又可看出此信号波形在时间上也是连续的，将时间上连续的信号叫连续信号。图1-1（b）是图1-1（a）的抽样信号，即对图1-1（a）的信号波形每隔T时间抽样一次，因此其波形在时间上是离散的，但幅度取值仍是连续的，所以图1-1（b）仍然是模拟信号，由于此波形在时间上是离散的，故它又是离散信号。电话、传真、电视信号等都属于模拟信号。图1-1 模拟信号
② 数字信号
图1-2是数字信号的波形，其特点是：幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的，而是离散的。图1-2（a）是二进制码，每一个码元只取两个幅值（0，A）；图1-2（b）是四电平码，其每个码元只取四个幅值（3，1，−1，−3）中的一个。这种幅度离散的信号称为数字信号。电报信号、数据信号等属于数字信号。图1-2 数字信号
从以上分析可知：数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上是否离散而定的。虽然模拟信号与数字信号有明显区别，但二者之间在一定条件下是可以互相转换的。
在此顺便介绍一下占空比的概念。参见图1-3，设“1”码脉冲的宽度为τ，二进制码元允许的时间为t（即二进制码元的间隔），占空B比，可见，图1-3（a）中α=1，图（b）中α=1/2。图1-3 占空比的概念
1.1.2 通信系统的组成
信息传递和交换的过程称为通信。
我们知道信息可以有多种表现形式，如语音、文字、数据、图像等。近代通信系统也是种类繁多、形式各异，但可以把通信系统概括为一个统一的模型。这一模型包括信源、变换器、信道、反变换器、信宿和噪声源6个部分，如图1-4所示。图1-4 通信系统模型
通信系统模型中各部分的功能如下。
1.信源
信源是指发出信息的信息源。在人与人之间通信的情况下，信源是发出信息的人；在机器与机器之间通信的情况下，信源是发出信息的机器，如计算机等。
2.变换器
变换器的功能是把信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。
3.信道
信道是信号的传输通道。
如果按范围分，信道可以分为狭义信道和广义信道。狭义信道是指纯传输媒介；广义信道则是传输媒介加上两边相应的通信设备或变换设备。根据所考虑的变换设备多少，广义信道的范围也有所不同。
如果按传输媒介的类型分，信道可以分为有线信道和无线信道。有线信道主要包括双绞线、同轴电缆、光纤等；无线信道是指传输电磁信号的自由空间。下面简单介绍这几种信道。（1）双绞线电缆
双绞线是由两条相互绝缘的铜导线扭绞起来构成的，一对线作为一条通信线路。其结构如图1-5（a）所示，通常一定数量这样的导线对捆成一个电缆，外边包上硬护套。双绞线可用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号，其通信距离一般为几到几十公里，其传输衰减特性如图1-6所示。由于电磁耦合和集肤效应，线对的传输衰减随着频率的增加而增大，故信道的传输特性呈低通型特性。
由于双绞线成本低廉且性能较好，在数据通信和计算机通信网中都是一种普遍采用的传输媒介。目前，在某些专门系统中，双绞线在短距离传输中的速率已达100～155Mbit/s。（2）同轴电缆
同轴电缆也像双绞线那样由一对导体组成，但它们是按同轴的形式构成线对，其结构如图1-5（b）所示。其中最里层是内导体芯线，外包一层绝缘材料，外面再套一个空心的圆柱形外导体，最外层是起保护作用的塑料外皮。内导体和外导体构成一组线对。应用时，外导体是接地的，故同轴电缆具有很好的抗干扰性，同双绞线相比具有更好的频率特性。同轴电缆与双绞线相比成本较高。图1-5 双绞线电缆和同轴电缆结构图1-6 双绞线电缆、同轴电缆和光纤的传输衰减特性
与双绞线信道特性相同，同轴电缆信道特性也是低通型特性，但它的低通频带要比双绞线的频带宽。（3）光纤
① 光纤的结构
光纤有不同的结构形式，目前通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n，直径为2a；折射1率低的外围部分称为包层，其折射率为n，直径为 2b。光纤的基本2结构如图1-7所示。图1-7 光纤的基本结构
② 光纤的种类
按照折射率分布、传输模式多少、材料成分等的不同，光纤可分为很多种类，下面简单介绍有代表性的几种。（a）按照折射率分布来分类。
光纤按照折射率分布可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种。
阶跃型光纤——如果纤芯折射率n沿半径方向保持一定，包层折1射率n沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈2阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤，它的结构如图1-8（a）所示。图1-8 光纤的折射率剖面分布
渐变型光纤——如果纤芯折射率n随着半径加大而逐渐减小，而1包层中折射率n是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀2光纤，它的结构如图1-8（b）所示。（b）按照传输模式的多少来分类。
所谓模式，实质上是电磁场的一种场型结构分布形式，模式不同，其场型结构不同。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光纤和多模光纤。
单模光纤——光纤中只传输单一模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为4～10μm，通常纤芯中折射率的分布认为是均匀分布的。由于单模光纤只传输基模，完全避免了模式色散，使传输带宽大大增加。因此，它适用于大容量、长距离的光纤通信。单模光纤中的光线轨迹如图1-9（a）所示。图1-9 光纤中的光线轨迹
多模光纤——在一定的工作波长下，可以传输多种模式的介质波导，称为多模光纤。其纤芯可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布，它们的光波传输轨迹如图1-9（b）、1-9（c）所示。多模光纤的纤芯直径约为50μm，由于模色散的存在使多模光纤的带宽变窄，但其制造、耦合、连接都比单模光纤容易。（c）按光纤的材料来分类。
石英系光纤——这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的SiO掺有2适当的杂质制成，光纤的损耗低，强度和可靠性较高，目前应用最广泛。
石英芯、塑料包层光纤——这种光纤的芯子是用石英制成，包层采用硅树脂。
多成分玻璃纤维—— 一般用钠玻璃掺有适当杂质制成。
塑料光纤——这种光纤的芯子和包层都由塑料制成。（4）无线信道
无线通信中信号是以微波的形式传输。微波是一种频率在300MHz～300GHz之间的电磁波。有时我们把这种电磁波简称为电波。电波由天线辐射后向周围空间传播，到达接收地点的能量仅是一小部分。距离越远，这一部分能量越小。
无线通信中主要的电波传播模式有3种：空间波、地表面波和天波，如图1-10所示。图1-10 电波传输模式
空间波是指在大气对流层中进行传播的电波传播模式。在电波的传播过程中，会出现反射、折射和散射等现象。长途微波通信和移动通信中均采用这种视距通信方式。
地表面波是指沿地球表面传播的电波传播模式。长波、中波一般采用这种传播方式。天线直接架设在地面上。
天波是利用电离层的折射、反射和散射作用进行传播的电波传播模式。短波通信采用的正是这种电波传播模式。
对于无线信道，电波空间所产生的自然现象，例如雨、雾、雪及大气湍流等现象都会对电波的传输质量带来影响，并产生衰落。尤其在卫星通信中，由于卫星通信的传播路径遥远，要通过对流层中的云层以及再上面的同温层、中间层、电离层和外层空间，故电波传播受空间影响更大。
4.反变换器
反变换器是变换器的逆变换。反变换器的功能就是把从信道上接收的信号变换成信息接收者可以接收的信息。
5.信宿
信宿是指信息传送的终点，也就是信息接收者。它可以是与信源对应的，构成人——人通信或机——机通信，也可以是与信源不一致的，构成人——机通信。
6.噪声源
噪声是通信系统中存在的对正常信号传输起干扰作用的、不可避免的一种干扰信号。
干扰噪声可能在信源信息初始产生的周围环境中就混入了，也可能从构成变换器的电子设备中引入，还有在传输信道中及接收端的各种设备中都可能引入干扰噪声。模型中的噪声源是以集中形式表示的，即把发送、传输和接收端各部分的干扰噪声集中地由一个噪声源来表示。
噪声按照统计特性分有高斯噪声和白噪声。高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）；白噪声是指它的功率谱密度函数在整个频率域（−∞＜ω＜+∞）内是均匀分布的，即它的功率谱密度函数在整个频率域（−∞＜ω＜+∞）内是常数（白噪声的功率谱密度通常以N来表示，它的量纲单位是瓦/赫（W/Hz））。0
若噪声的概率密度函数服从高斯分布，功率谱密度函数在整个频率域（−∞＜ω＜+∞）内是常数，这类噪声称为高斯白噪声。实际信道中的噪声都是高斯白噪声。
信号在传输过程中不可避免地要受到信道噪声干扰的影响，信噪比就是用来描述信号传输过程所受到噪声干扰程度的量，它是衡量传输系统性能的重要指标之一。信噪比是指某一点上的信号功率与噪声功率之比，可表示为
式中，P是信号平均功率；P是噪声平均功率。信噪比通常以SN分贝（dB）来表示，其公式为
1.1.3 模拟通信与数字通信
根据在信道上传输的信号形式的不同可分为两类通信方式：模拟通信和数字通信。
1.模拟通信
模拟通信是以模拟信号的形式传递消息。模拟通信采用频分复用实现多路通信，即通过调制将各路信号的频谱搬移到线路的不同频谱上，使各路信号在频率上错开以实现多路通信。
2.数字通信（1）数字通信的概念
数字通信是以数字信号的形式传递消息。数字通信采用时分复用实现多路通信，即利用各路信号在信道上占有不同时间间隔来区分开各路信号。（2）数字通信系统的构成
数字通信系统的构成模型如图1-11所示。图1-11 数字通信系统的构成模型
图中发送终端是把原始信息变换成原始电信号。常见的信源有产生模拟信号的电话机、话筒、摄像机和输出数字信号的电子计算机、各种数字终端设备等。
信源编码的功能是把模拟信号变换成数字信号，即完成模/数变换的任务。如果信源产生的已经是数字信号，可省去信源编码部分。
传输过程中由于信道中存在噪声干扰，使得传输的数字信号产生差错——误码。为了在接收端能自动进行检错或纠错，在信源编码后的信息码元中，按一定的规律，附加一些监督码元，形成新的数字信号。接收端可按数字信号的规律性来检查接收信号是否有差错或纠正错码。这种自动检错或纠错功能是由信道编码来完成的。
信道是指传输信号的通道。前面我们已经知道信道的种类，其中双绞线和同轴电缆可以直接传输基带数字信号（未经调制变换的数字信号），而其他各种信道媒介都工作在较高的频段上，因此需将基带数字信号经过调制，将其频带搬移到适合于信道传输的频带上。基带数字信号直接在信道中传输的方式称为基带传输；将基带数字信号经过调制后再送到信道的传输方式称为频带传输。调制器的作用是对数字信号进行频率搬移。
接收端的解调、信道解码、信源解码等模块的功能与发送端对应模块功能正好相反，是一一对应的反变换关系，这里不再赘述。信源解码后的电信号由接收终端所接收。
这里有两个问题说明如下。
① 图1-11中的发送终端其实包括图1-4中信源和变换器的一部分；信源编码、信道编码和调制器相当于图1-4中变换器的另一部分。接收终端包括图1-4中信宿和反变换器的一部分；解调、信道解码、信源解码相当于图1-4中反变换器的另一部分。
② 对于具体的数字通信系统，其方框图并非都与图1-11方框图完全一样。
若信源是数字信息时，则信源编码或信源解码可去掉，这样就构成数据通信系统。
若通信距离不太远，且通信容量不太大时，信道一般采用市话电缆，即采用基带传输方式，这样就不需要调制和解调部分。
传送语音信息时，即使有少量误码，也不影响通信质量，一般不加信道编码、信道解码。
在对保密性能要求比较高的通信系统中，可在信源编码与信道编码之间加入加密器；同时在接收端加入解密器。
1.2 数字通信的特点
1.抗干扰能力强，无噪声积累
在模拟通信中，为了保证接收信号有一定的幅度，需要及时对传输信号进行放大（增音），但与此同时，串扰进来的噪声也被放大，如图1-12（a）所示。由于模拟信号的幅值是连续的，难以把传输信号与干扰噪声分开。随着传输距离的增加，噪声累积越来越大，将使传输质量严重恶化。
对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限的离散值（通常取两个幅值），在传输过程中受到噪声干扰，当信噪比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，采用再生的方法，再生成已消除噪声干扰的原发送信号，如图1-12（b）所示。由于无噪声积累，可实现长距离、高质量的传输。图1-12 两类通信方式抗干扰性能比较
2.便于加密处理
信息传输的安全性和保密性越来越重要。数字通信的加密处理比模拟通信容易得多。以语音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。如图1-13所示。图1-13 加密数字电话方框图
3.利于采用时分复用实现多路通信
时分复用是指各种信号在信道上占有不同的时间间隙，同在一条信道上传输，并且互不干扰。
4.设备便于集成化、微型化
数字通信采用时分多路复用，不需要昂贵的、体积较大的滤波器。由于设备中大部分电路都是数字电路，可以用大规模和超大规模集成电路实现，这样功耗也较低。
5.占用信道频带宽
一路数字电话的频带为64kHz（见第3章），而一路模拟电话所占频带仅为4kHz，前者是后者的16倍。然而随着微波、卫星、光缆信道的大量利用（其信道频带非常宽），以及频带压缩编码器的实现和大量使用，数字通信占用频带宽的矛盾正逐步减小。
1.3 数字通信系统的主要性能指标
衡量数字通信系统性能好坏的指标是有效性和可靠性。
1.3.1 有效性指标
1.信息传输速率（R）
信息传输速率简称传信率，也叫数码率（常用 f表示）。它的定B义是：每秒所传输的信息量。信息量是信息多少的一种度量，信息的不确定性程度越大，则其信息量越大。信息量的度量单位为“比特”（bit）。在满足一定条件下，一个二进制码元（一个“1”或一个“0”）所含的信息量是一个“比特”（条件为：随机的、各个码元独立的二进制序列，且“0”和“1”等概出现），所以信息传输速率的定义也可以说成是：每秒所传输的二进制码元数，其单位为bit/s。根据推导（推导过程见第3章）可以得出数码率的公式为
式中，f为抽样频率；n是复用的路数；l是编码的码位数。s
传信率（或数码率）的物理意义：一是它反映了数字信号的传输速率；二是数码率的数值代表数字信号（二进制时）的带宽，即数字信号的带宽约等于 f。B
2.符号速率（N）
符号速率也叫码元速率，它的定义是：1 秒所传输的码元数目（这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的），其单位为“波特”（Bd）。
一般将二进制码元称为代码，符号（或码元）与代码的关系为：一个符号用logM个代码表示（M为进制数或电平数）。表1-1列出了2四进制符号与二进制码元（代码）的一种对应关系。表1-1 四进制符号与二进制码元的对应关系
综上所述，很容易得出信息传输速率与符号速率的关系为
可见，二进制时，信息传输速率与符号速率相等。
3.频带利用率
比较不同的通信系统时，单看它们的传输速率是不够的，还要看传输这种信息所占的信道频带的宽度。通信系统所占的频带越宽，传输信息的能力越大。所以真正用来衡量数字通信系统传输效率的指标（有效性）应当是频带利用率，即单位频带内的传输速率。具体公式为
或
1.3.2 可靠性指标
反映数字通信系统可靠性的主要指标是误码率和信号抖动。
1.误码率
数字信号在传输过程中，当噪声干扰太大时会导致错误地判决码元，即“1”码误成“0”码或“0”码误成“1”码，误码率是用来衡量误码多少的指标。
误码率的定义为：在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元个数之比。即
这个指标是多次统计结果的平均量，所以这里指的是平均误码率。
误码率的大小由传输系统特性、信道质量及系统噪声等因素决定，如果传输系统特性和信道特性都是高质量的，而且系统噪声较小，则系统的误码率就较低；反之，系统的误码率就较高。这里讲的误码是指在一个再生中继段传输过程中，前一个站的输出与下一个站判决再生输出相比而言的一个中继段的误码，即指的是一个站的误码。在一个传输链路中，经多次再生中继后的总误码率是以一定方式累计的，在传输的终点以累积的结果作为总的误码率。
2.信号抖动
在数字通信系统中，信号抖动是指数字信号码相对于标准位置的随机偏移，如图1-14所示。图1-14 信号抖动示意图
数字信号位置的随机偏移，即信号抖动的定量值的表示，也是统计平均值，它同样与传输系统特性、信道质量及噪声等有关。同样，多中继段链路传输时，信号抖动也具有累积效应。
从可靠性角度而言，误码率和信号抖动都直接反映了通信质量。如对语音信号数字化传输，误码和抖动都会对数/模变换后的语音质量产生直接影响。
以上介绍了数字通信系统的有效性和可靠性指标，这两个指标是矛盾的，需要综合考虑它们的大小，以获得最好的传输效果。
1.4 数字通信技术的发展概况
数字通信终端设备、数字传输技术方面的发展有以下几个趋势。
1.向着小型化、智能化方向发展
随着微电子技术的发展，数字通信设备不断更新换代，每换一代性能就更先进、更全面，经济效益就更好，更能适应现代通信的需要。
例如某公司生产的PCM30/32复用系统，每个30路系统占一个300×120×225（mm）机框，功耗仅2.5W，共5块印刷电路板，其中话路占4块（每块装8路），群路为一块，具备开放4个64kbit/s数据口。一个窄条架可装8个系统，共240路，相当于一个标准宽架可装1 200路。
另外是智能化。微处理器技术已应用到设备中。例如利用微处理器完成信令变换，使得设备能灵活适应长途、市话中各种型式的交换机；在再生中继故障定位中使用微处理器实现不停业务的自动监测告警。
随着小型化、低功耗和故障的自动诊断，系统可靠性大大提高，成本也大大下降。
2.向着数字处理技术的开发应用发展（1）压缩频带和比特率
数字通信每路带宽为64kHz，这是一个缺点。但这是基于对每个样值量化后进行8bit PCM编码得到的。实际上语音信号样值之间有相关性，根据前几个样值可以预测后一样值的幅度，每次对实际样值幅度与预测之差进行修正就可以了，就是说无需传输每个样值本身的幅度，只要对样值与其预测值之差进行量化编码后传输即可。这就是自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）。由于差值幅度动态范围远小于样值本身，每个差值只需用4bit编码，每路速率可压缩为32kbit/s，其质量仍然满足TIU-T的要求，这样在2Mbit/s传输系统上只需要再配置一对30路PCM端机及60路ADPCM编码转换设备就可以传60个话路。（2）数字语音插空
在通话过程中，一方在讲话时，另一方必然在听，也就是说电路总有一个方向是空闲的，况且讲话的一方还有停顿，因此电路中每一方向的平均利用率不到50%。可以利用已经占用的电路在通话过程中的空闲时间来传送其他话路的信号，这叫语音插空技术（DSI）。利用DSI技术可以把120条电路当作240条电路使用。（3）数字电路倍增
ADPCM技术是利用语音信号的相关性压缩信号的冗余度，而DSI技术是利用通话的双向性提高电路利用率。两种技术并不矛盾，可同时采用，这就是数字电路倍增（DCME），它可使电路容量翻两番，即一条2Mbit/s电路，可传120路电话。最新资料表明，DSI技术可做到2.5倍增益，这样一条电路可当做5条电路使用。
3.向着用户数字化发展
数字程控交换与数字传输的结合构成综合数字网（IDN）。对电话用户而言，网络的入口仍然是模拟的。由于每个话路带宽为300～3 400Hz，传输速度不高于9600Bd，这样的入口限制了IDN能力的发挥。解决的方法是打开网络入口，使数字化从交换节点至交换节点扩展到用户——网络接口至用户——网络接口。不同业务的信号都以数字信号形式进网，同一个网可承担多种业务，实现端至端的数字连接。
要将数字化从交换节点延伸到用户所在地的用户——网络接口，必须解决用户线的数字传输问题。另外数字传输一般都是四线制，来去方向分别用一对线，而用户线是二线制，还要解决利用二线实现双向数字传输的问题，目前一般采用乒乓法和回波抵消法。
4.向着高速大容量发展
为了提高长距离干线传输的经济性，近年来，国内外都在开发高速大容量的数字通信系统，国内外的PCM二、三、四次群数字复接设备都经历了换代和进一步小型化的过程。
从低次群到高次群，从原理上讲基本一样，但每升高一次群，速率乘 4，实现上增加许多难度，需要选择适应工作速度高的器件。例如二、三次群可选用 HCT（可与 TTL 兼容的高速CMOS电路），LSTTL等器件；四次群可选用STTL，FTTL，HCT，ECL等器件。
其实数字通信系统向着高速大容量方向发展的关键是传输体制由传统的准同步数字体系PDH过渡到同步数字体系（SDH），即交换局间采用SDH网进行传输。SDH网的最高传输速率可以达到9 953.280Mbit/s。
小结
（1）信息传递和交换的过程称为通信。通信系统的模型包括信源、变换器、信道、反变换器、信宿和噪声源6个部分。（2）信源产生的是原始的信息，信号是携带信息的载体。根据信源发出信息的形式不同，信号可分为语音信号、图像信号、数据信号等。根据信号物理参量基本特征的不同，信号可以分为两大类：模拟信号和数字信号。模拟信号的特点是幅度取值连续；数字信号的特点是幅度取值离散。（3）数字通信是时分制多路通信，以数字信号的形式传递消息。数字通信系统的构成主要包括发端的信源、信源编码、信道编码、调制、信道以及收端的解调、信道解码、信源解码和信宿。（4）数字通信的主要优点是抗干扰性强、无噪声积累，便于加密处理，采用时分复用实现多路通信，设备便于集成化、微型化。但其缺点是数字信号占用频带较宽。（5）衡量数字通信系统性能的指标是有效性和可靠性。其中信息传输速率、符号传输速率和频带利用率属于有效性指标，而误码率和信号抖动则是可靠性指标。（6）数字通信技术目前正向着以下几个方向发展：小型化、智能化，数字处理技术的开发应用，用户数字化和高速大容量等。
习题
1-1 模拟信号和数字信号的特点分别是什么?
1-2 数字通信系统的构成模型中信源编码和信源解码的作用分别是什么?画出语音信号的基带传输系统模型。
1-3 数字通信的特点有哪些?
1-4 为什么说数字通信抗干扰性强，无噪声积累?
1-5 设数字信号码元时间长度为1μs，如采用四电平传输，求信息传输速率及符号速率。
1-6 接上例，若传输过程中2秒误1个比特，求误码率。
1-7 假设数字通信系统的频带宽度为1 024kHz，其传输速率为2 048kbit/s，试问其频带利用率为多少bit/s/Hz?
1-8 数字通信技术的发展趋势是什么？
第2章 语音信号编码——脉冲编码调制（PCM）
由于数字通信是以数字信号的形式来传递消息的，而语音信号是幅度、时间取值均连续的模拟信号，所以数字通信所要解决的首要问题是模拟信号的数字化，即模/数变换（A/D变换）。
模/数变换的方法主要有脉冲编码调制（PCM）、差值脉冲编码调制（DPCM）、自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）、增量调制（DM）等。本章首先简单介绍了语音信号编码的基本概念，接着详细分析了PCM脉冲编码调制（PCM）的相关内容。
2.1 语音信号编码的基本概念
所谓语音信号的编码指的就是模拟语音信号的数字化，即信源编码。
根据语音信号的特点及编码的实现方法，语音信号的编码可分为三大类型。
1.波形编码
波形编码是根据语音信号波形的特点，将其转换为数字信号。常见的波形编码有脉冲编码调制（PCM）、差值脉冲编码调制（DPCM）、自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）、增量调制（DM）等。
2.参量编码
参量编码是提取语音信号的一些特征参量，对其进行编码。它主要是跟踪波形产生的过程，传送反映波形产生的主要变化参量，并用这些参量在接收端根据语音产生过程的机理恢复语音信号。
参量编码的特点是编码速率低，但语音质量要低于波形编码。LPC 等声码器属于参量编码。
3.混合编码
混合编码是介于波形编码和参量编码之间的一种编码，即在参量编码的基础上，引入一定的波形编码的特征。子带编码属于混合编码。
本章重点介绍脉冲编码调制（PCM）的相关内容。
2.2 脉冲编码调制（PCM）通信系统的构成
脉冲编码调制（PCM）是模/数变换（A/D变换）的一种方法，它是对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以将模拟信号转化为数字信号。
若模/数变换的方法采用PCM，由此构成的数字通信系统称为PCM通信系统。采用基带传输的PCM通信系统构成方框图如图2-1所示。图2-1 PCM通信系统的构成方框图（基带传输）
PCM通信系统由3个部分构成。
1.模/数变换
相当于信源编码部分的模/数变换，具体包括抽样、量化、编码三步。
抽样——是把模拟信号在时间上离散化，变为脉冲幅度调制（PAM）信号。
量化——是把PAM信号在幅度上离散化，变为量化值（共有 N个量化值）。
编码——是用二进码来表示N个量化值，每个量化值编l位码，则l有N=2。
2.信道部分
信道部分包括传输线路及再生中继器。由第1章可知再生中继器可消除噪声干扰，所以数字通信系统中每隔一定的距离加一个再生中继器以延长通信距离。
3.数/模变换
接收端首先利用再生中继器消除数字信号中的噪声干扰，然后进行数/模变换。数/模变换包括解码和低通两部分。
解码——是编码的反过程，解码后还原为PAM信号（假设忽略量化误差——量化值与PAM信号样值之差）。
低通——收端低通的作用是恢复或重建原模拟信号。
下面分别详细介绍PCM通信系统中有关抽样、量化、编解码等所涉及的问题。
2.3 抽样
2.3.1 抽样的概念及分类
1.抽样的概念
语音信号不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间上也是连续的。要使语音信号数字化，首先要在时间上对语音信号进行离散化处理，这一处理过程是由抽样来完成的。所谓抽样就是每隔一定的时间间隔T，抽取模拟信号的一个瞬时幅度值（样值）。抽样是由抽样门来完成的，在抽样脉冲S(t)的控制下，抽样门闭合或断开，如图2-2T所示。图2-2 抽样过程
每当有抽样脉冲时，抽样门开关闭合，其输出取出一个模拟信号的样值；当抽样脉冲幅度为零时，抽样门开关断开，其输出为零（假设抽样门等效为一个理想开关）。抽样后得出一串在时间上离散的样值，称为样值序列或样值信号，它是 PAM 信号，由于其幅度取值仍然是连续的，它仍是模拟信号。
2.抽样的分类
抽样可以分为低通型信号的抽样和带通型信号的抽样。什么是低通型信号和带通型信号呢？
设模拟信号m(t)的频率范围为f～f，B=f−f。若 f＜B称为低通0MM00型信号（语音信号等属于低通型信号）；而当 f≥B则称为带通型信号。0下面分别介绍低通型信号的抽样和带通型信号的抽样。
2.3.2 低通型信号的抽样
图2-2所示的抽样即为低通型信号的抽样，而且它为自然抽样。所谓自然抽样是其抽样脉冲有一定的宽度，样值也就有一定的宽度，且样值的顶部随模拟信号的幅度变化。实际采用的是自然抽样。
为了了解在什么条件下，接收端能从解码后的样值序列中恢复出原始模拟信号，有必要分析样值序列的频谱。为了分析方便，要借助于理想抽样分析。采用理想的单位冲激脉冲序列作为抽样脉冲（即用冲激脉冲近似表示有一定宽度的抽样脉冲）时，称为理想抽样。
1.低通型信号的抽样频谱
下面借助于理想抽样来分析低通型信号的抽样频谱。
设抽样脉冲s(t)是单位冲激脉冲序列，抽样值是抽样时刻nT的模T拟信号 f(t)的瞬时值f(nT)，如图2-3（a）所示。图2-3 理想抽样信号及频谱
现分析理想抽样时的样值序列 f(t)的频谱F(ω)与原始模拟语音SS信号 f(t)的频谱F(ω)之间的关系。
单位冲激脉冲序列s(t)可表示为T
由于s(t)是周期函数，因此也可用傅氏级数表示，即T
其中
在积分界限内，s(t)=δ(t)，故T
因此
由于f(t)=f(t)·s(t)ST
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