一、數字信號概述

　　數字信號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個數值之內。二進制碼就是一種數字信號，它受噪聲的影響較小，易于數字電路進行處理，所以得到廣泛的應用。

　　數字信號特點：

　　抗干擾能力強、無噪聲積累。在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號傳輸過程中及時對衰減的傳輸信號進行放大，信號在傳輸過程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時放大。隨著傳輸距離的增加，噪聲累積越來越多，以致使傳輸質量嚴重惡化。對于數字通信，由于數字信號的幅值為有限個離散值(通常取兩個幅值)，在傳輸過程中雖然也受到噪聲的干擾，但當信噪比惡化到一定程度時，即在適當的距離采用判決再生的方法，再生成沒有噪聲干擾的和原發送端一樣的數字信號，所以可實現長距離高質量的傳輸。

　　便于加密處理，信息傳輸的安全性和保密性越來越重要，數字通信的加密處理的比模擬通信容易得多，以話音信號為例，經過數字變換后的信號可用簡單的數字邏輯運算進行加密、解密處理。

　　便于存儲、處理和交換，數字通信的信號形式和計算機所用信號一致，都是二進制代碼，因此便于與計算機聯網，也便于用計算機對數字信號進行存儲、處理和交換，可使通信網的管理、維護實現自動化、智能化。

設備便于集成化、微型，數字通信采用時分多路復用，不需要體積較大的濾波器。設備中大部分電路是數字電路，可用大規模和超大規模集成電路實現，因此體積小、功耗低。

　　便于構成綜合數字網和綜合業務數字網，采用數字傳輸方式，可以通過程控數字交換設備進行數字交換，以實現傳輸和交換的綜合。另外，電話業務和各種非話業務都可以實現數字化，構成綜合業務數字網。

　　占用信道頻帶較寬，一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數字電話約占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、數字微波)的大量利用(一對光纜可開通幾千路電話)以及數字信號處理技術的發展(可將一路數字電話的數碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數碼率)，數字電話的帶寬問題已不是主要問題了。

二、數字化

　　信號的數字化需要三個步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化。量化是用有限個幅度值近似原來連續變化的幅度值，把模擬信號的連續幅度變為有限數量的有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規律，把量化后的值用二進制數字表示，然后轉換成二值或多值的數字信號流。這樣得到的數字信號可以通過電纜、微波干線、衛星通道等數字線路傳輸。在接收端則與上述模擬信號數字化過程相反，再經過后置濾波又恢復成原來的模擬信號。上述數字化的過程又稱為脈沖編碼調制。

抽樣

　　話音信號是模擬信號，它不僅在幅度取值上是連續的，而且在時間上也是連續的。要使話音信號數字化并實現時分多路復用，首先要在時間上對話音信號進行離散化處理，這一過程叫抽樣。所謂抽樣就是每隔一定的時間間隔T，抽取話音信號的一個瞬時幅度值(抽樣值)，抽樣后所得出的一系列在時間上離散的抽樣值稱為樣值序列。抽樣后的樣值序列在時間上是離散的，可進行時分多路復用，也可將各個抽樣值經過量化、編碼變換成二進制數字信號。理論和實踐證明，只要抽樣脈沖的間隔T≤1/（2fm）(或f≥2fm)(fm是話音信號的最高頻率)，則抽樣后的樣值序列可不失真地還原成原來的話音信號。

量化

　　抽樣把模擬信號變成了時間上離散的脈沖信號，但脈沖的幅度仍然是模擬的，還必須進行離散化處理，才能最終用數碼來表示。這就要對幅值進行舍零取整的處理，這個過程稱為量化。量化有兩種方式，量化方式中，取整時只舍不入，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，因此產生的量化誤差總是正的，最大量化誤差等于兩個相鄰量化級的間隔Δ。量化方式在取整時有舍有入，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，量化誤差的絕對值最大為Δ/2。因此，采用有舍有入法進行量化，誤差較小。

編碼

　　抽樣、量化后的信號還不是數字信號，需要把它轉換成數字編碼脈沖，這一過程稱為編碼。最簡單的編碼方式是二進制編碼。具體說來，就是用n比特二進制碼來表示已經量化了的樣值，每個二進制數對應一個量化值，然后把它們排列，得到由二值脈沖組成的數字信息流。編碼過程在接收端，可以按所收到的信息重新組成原來的樣值，再經過低通濾波器恢復原信號。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數的積，稱為所傳輸數字信號的數碼率。顯然，抽樣頻率越高，量化比特數越大，數碼率就越高，所需要的傳輸帶寬就越寬。

三、數字通信

信道傳輸速率　　

　　信道的傳輸速率通常是以每秒所傳輸的信息量多少來衡量。信息論中定義信源發生信息量的度量單位是“比特”(bit)。一個二進制碼元所含的信息量是一個“比特”，所以信息傳輸速率的單位是比特/秒(bit/s)。

符號傳輸速率

　　它是指單位時間(秒)內傳輸的碼元數目，其單位為波特。這里的碼元可以是二進制的，也可以是多進制的。

誤碼率

　　信碼在傳輸過程中，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錯誤，這叫誤碼。誤碼的多少用誤碼率來衡量，誤碼率是數字通信系統中單位時間內錯誤碼元數與發送總碼元數之比。誤碼越多，誤碼率越大。

傳輸速率和帶寬

　　數字信號的傳輸要求與模擬信號的要求不同，模擬信號的傳輸要求接收端無波形失真，而數字信號的傳輸是要求接收端無差錯地恢復成原來的二進數碼(可以允許接收波形失真，只要不影響正確恢復信碼即可)。

　　由于數字信號的頻帶非常寬(從直流一直到無限高的頻率)，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的低通信道。當一系列數字脈沖信號通過帶限的電纜信由于高頻成分被濾去，使輸出波形出現了失真。

　　這種波形頂部變圓，底部展寬。一個碼元的波形展寬到其他碼元位置，影響到其他碼元，這種影響稱碼間干擾。由于波形的拖尾很長，碼間干擾將影響到數個碼元。波形的拖尾可以是正的也可能是負的。如果所有的拖尾相加后是正值，而且達到門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　　在某個碼元位置的值是負的，就可能將“1”碼誤判為“0”碼。為了減少碼間干擾，數字信號傳輸的基本理論——奈奎斯特第一準則規定帶限信道的理想低道截止頻率為fH時，最高的無碼間干擾傳輸的極限速度為2fH。例如，信道帶寬為2000Hz時，每秒最多可傳送4000個二進制碼元。一路數字電話速率為64kbit/s，則無碼間干擾的信道帶寬為32kHz。

---