1.1　数字通信系统概述

1.1.1　数字通信的一般处理流程

什么是数字通信？简单来讲，数字通信是指用数字的形式传输消息，或用数字的形式对载波信号进行调制后再传输信息的通信方式。常规的电话和电视都属于模拟通信，因为整个传输过程全部是以模拟信号的形式实现的。电话和电视的模拟信号经数字化后，再进行数字信号的调制和传输，便称为数字电话和数字电视。以计算机为终端机的相互间的数据通信，因信号本身就是数字形式，因此属于数字通信。卫星通信中采用时分或码分复用形式的多路通信也属于数字通信。

在模拟通信中，原始信号（如语音的音频信号、电视的视频信号）直接对载波信号进行调制。在数字通信中，发送端原始信号必须先经过模/数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）转换成数字信号（通常为1和0的形式），再对载波信号进行调制。在接收端，接收到的已调信号经过解调后，得到的仍是数字信号。数字信号还必须经过数/模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）才能恢复成原始的模拟信号。

典型的数字通信系统组成框图如图1-1所示[1]，图中的上半部分表示从信源到发送端的信号传输过程，包括格式化、信源编码、加密、信道编码、多路复用、脉冲调制、带通调制、频率扩展、多址接入；下半部分表示从接收端到信宿的信号传输过程，基本上是框图上部分信号处理的逆过程。调制器和解调器合称为调制解调器（Modem），是数字通信最基本和最核心的部分，相当于整个数字通信系统的“大脑”，也正是本书所要讨论的内容。

在通信系统中，信源可以是模拟信号，如音频或视频信号；也可以是数字信号，如电传机的输出信号。数字信号在时间上是离散的，并且具有有限个输出字符。格式化和信源编码的作用类似，都包含数据的数字化，但信源编码还包括数据压缩功能。格式化是指对本身已是数字信号的信源进行简单的格式化变换，信源编码则包含将模拟信号转换为数字信号的过程。模拟信号的数字化需要经过3个过程：采样、量化和编码。采样过程将时间连续的模拟信号变为时间离散、幅度连续的采样信号；量化过程将采样信号变为时间离散、幅度离散的数字信号；编码过程将量化后的信号编码成为二进制码组输出。加密用于提高通信的保密性，防止没有被授权的用户获得信息或将差错信息加入系统中。

信源编码及加密处理后的数据仍然是二进制的，需要进行信道编码。信道编码的目的是在二进制数据流中以受控的方式引入一些冗余，以便在接收端克服信号在信道中传输时所遭受的噪声和干扰的影响。增加的冗余用来提高接收数据的可靠性，以及改善接收信号的逼真度。

多路复用和多址接入可以对不同特性或不同信源的信号进行合成，以便共享信道资源。扩频（频率扩展）能产生抵御干扰的信号，提高通信系统的保密性，同时它在多址接入方面也是一项有用的技术。在二进制数据流中，由于不同码元之间在时间上都是突变的，因此每个码元的频谱宽度都是无限的。但信道的带宽不可能是无限的，所以在数据通过信道传输之前需要首先将二进制数据流映射成带宽有限的信号波形。脉冲调制用于完成二进制数据流到基带信号的转换。基带（Base Band）是指从直流（或接近直流）延伸到某个有限值的信号频谱，这个值通常是小于几兆赫（MHz）的有限数。脉冲调制通常包含使传输带宽最小化的滤波器，这个滤波器就是数字通信中常用的脉冲成形滤波器。经过脉冲调制后产生的二进制信号称为脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）信号。

在涉及射频传输的应用中，另一个重要步骤是带通调制，也称为频带调制。只要传输信道不支持PCM信号的传输，就必须应用带通调制。带通调制将基带信号的频谱通过一个载波搬移到比基带信号频谱大得多的频点上。

通信信道用来将发送端的信号发送给接收端。在无线传输中，信道既可以是大气（也称为自由空间），也可以是有线线路。无论用什么物理媒质来传输信息，其基本特点都是发送信号会受到各种噪声的影响，如由电子器件产生的加性热噪声、人为噪声和大气噪声。

在数字通信系统的接收端，数字解调器对受到信道恶化的发送信号进行处理，并将该信号还原成一个数字序列，该序列表示发送数据符号的估计值。这个数字序列被送至信道译码器后，根据信道编码器所用的关于码元的信息及接收数据重构初始的信息序列。

解调器和译码器性能好坏的一个判断依据是译码序列中发生差错的概率。更准确地说，译码器输出端的平均比特错误概率是解调器和译码器组合性能的一个度量。一般来说，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信号类型、发送功率、信道特征（包括噪声的大小、干扰的性质等），以及解调和译码方法。

信源译码器从信道译码器接收其输出的数字序列，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的信号只是原始信源输出信号的一个近似。