数字通信系统
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2023年3月17日发(作者：开标记录表)批准人：年月日
通信原理概论教案
作业提要
课目：数字通信原理概述
目的：通过本节课让同志们了解数字通信的基本原理及
概念，为下一步训练打下良好的基础。
内容：一、数字通信的概念
二、数字通信系统的模型及主要特点
三、数字通信系统的主要性能指标
四、数字通信网的概念
实施方法：理论讲解、多媒体演示
教学对象：集训队学员
时间：20时钟
地点：教室
要求：1、认真听课，做好笔记；
2、严格遵守课堂纪律不做与上课无关的事项；
3、大家在上课的过程中要积极思考，积极提问。
教学保障：计算机、投影仪各一台
作业进程
作业准备……………………………………………………3分钟
1.准备器材，清点人数；
2.宣布作业提要；
3.提示科目理论。
作业实施……………………………………………………42分钟
同志们这节课我们一起来学习数字通信的基本原理。
现代通信技术的发展趋势为五化：数字化、综合化、宽带化、
智能化和个人化；而数字化是其它四化的基础。这不仅因为数字
化信息具有很高的传输质量，便于加密、纠错、交换和计算机进
行处理。而且采用数字技术可使图像、数据、话音等各种连续的
和离散日消息都能转换为0和1形式的数字信号，从而综合在一
个网内传送和处理，实现不同业务终端之间的互通，为通信业务
的多样化和多媒体通信开辟了道路。还使数字传输与数字交换得
以综合而实现网络技术一体化；等等。随着学习的深入，同志们
就会逐步体会到“电信技术的革命关键在于数字化”这句话的道
理。
模拟通信必将被数字通信所取代已成为世界各国的共识，面
临这一变革。我们本节课的目的在于使同志们对数字通信建立初
步的概念，主要介绍以下几个问题：
1、数字通信的概念
2、数字通信系统的模型及主要特点
3、数字通信系统的主要性能指标
4、数字通信网的概念
一、数字通信的概念
现代电子通信，就它的基本技术体制来说，可以氛围两种类
型，即模拟通信与数字通信。在讲述什么是模拟通信和数字通信
之前，我们需要先对模拟信号与数字信号加以说明。
（一）模拟信号与数字信号
1、模拟信号
大家知道，在通信时，消息是携带在信号的某个参量或某几
个参量上的（如连续波的振幅、频率、相位，脉冲波的振幅、宽
度、位臵等）。如信号的某个参量可以取无限多个数值并且与消息
一一对应则该信号，称为模拟信号。如语声激励话筒而产生的语
音信号，电视摄象机输出的亮度信号等。
2、数字信号
凡某一参量只能取有限个数值的信号，我们称之为数字信号。
如早期的电报信号、电传机送出的脉冲信号等。图b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。
需要说明的是，模拟信号有时也称为连续信号，因为模拟信
号的某一参量可以连续变化（可以取无限多个值）。数字信号有时
也称为离散信号，因为数字信号某一参量的去取值是离散的。
（二）模拟通信与数字通信
通信的目的是为了传递和交换携带信息的信号。根据信道上
传输的信号是模拟信号还是数字信号，通信技术体制分为模拟通
信和数字通信两类。
1、模拟通信通常以模拟信号的形式来传递消息的通信方
式称为模拟通信。所以模拟通信系统将按模拟信号传输特点来设
计。
2、数字通信通常将以数字信号的形式来传递消息的方式
称为数字通信。同理，数字通信系统将按数字信号传输的特点来
设计。
需要强调的是，模拟信号并非一定要在模拟通信系统中才能
传输，任何模拟信号都可经模/数转换边为数字信号后，在数字信
道中传输。数字电话通信就是以数字方式传输语音模拟信号的例
子。同样，数字信号也并非一定要在数字通信系统中才能传输，
只要加上相应的数字终端设备，数字信号也可在模拟通信系统中
传输。任何一种信息，即可以用模拟方式传输，也可以用数字方
式传输，而且不论是模拟通信还是数字通信，在整个通信系统中
有较大一部分是共用的。这对了解数模兼容的通信技术是十分重
要的。
二、数字通信系统模型及主要特点
（一）数字通信系统模型及各部分功能
信源：其功能是把原始消息变换成原始电信号。常见的信源
产生模拟信号的电话机、话筒、摄象机和输出数字信号的电子计
算机、电传机、纸带读出机等各种数字终端设备。
信源编（译）码：信源编码的功能有二，当信源送来的是模
拟信号时，发端的信源编码器要将模拟信号转换为数字信号。信
源编码的第二个作用是进行降低信号冗余度的编码，其目的是减
少码元数目和降低码元速率，提高传输有效性。这方面的内容我
们后面会讲到。
信源译码的作用与信源编码相反。例如，信源编码为模数转
换器时，信源译码就是数模转换器。
信道编（译）码：信道编码又称抗干扰编码或纠错编码。它
是将信源编码器输出的数字基带信号人为地按照一定的规律加入
多余码元，以便在接收端译码器中发现或纠正码元在传输中的错
误，这样可以降低码元传输的概率。初看起来，信道编码增加多
余度的作用与信源编码降低多余度的作用互相抵消了。其实不然，
因为信源编码中降低的是数字信号中的自然冗余度，它是随机的，
因此自然冗余度不能起纠正错误的作用。而信道编码中加入的多
余码元是为使数码形成一定规律，从而使接收端能识别并纠正错
误。
信道译码的作用与信道编码相反。
加（解）密器：其作用是对信码进行加（解）密。
数字调制（解调）器：将工作在较低频段上的数子基带信号
经过调制，将数字基带信号的频带搬移到相应的信道频带上。
说明：
1、一个实际的数字系统，并非都具备以上所有环节。
2、由于数字通信传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号，
所以接收端必须有一个与发送端相同的节拍；不然，会因为收发
步调不一制而造成混乱，故数字通信系统必须有一个同步问题
（二）数字通信的主要特点
通过刚才对数字通信系统模型和各部份作用的学习，接下来
我们简要介绍一下数字通信的特点。
1、抗干扰能力强，无噪声积累
在模拟通信中，为了提高信噪比，需要及时对传输信号进行
放大（增音），但在放大的同时噪声也被放大，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，随着传输距离增
加，噪声积累也随之增大，从而使传输质量恶化。
在数字通信中，由于数字信号的幅度取值只有有限个（通常
取0和1两个值），在传输过程中受到噪声干扰时，只要信噪比没
有恶化到一定程度（噪声不使判决发生错误），可通过经一段距离
再生一次的方法，再生出已消除噪声的原发送信号。由于无噪声
积累可实现长距离高质量传输。
2、便于加密
3、可采用信道编码技术使错误率降低；
4、设备便于集成化、微型化；
由于设备中大部分电路都是数字电路，而数字电路比模拟电
路更容易集成化，可采用大规模和超大规模集成电路，制成体积
小、功耗低、成本低、可靠性高、速度快的设备。
5、更有利于传输和交换的综合
在计算机和程控数字交换技术迅速发展和广泛应用的背景下，
数字通信能使传输和程控交换都以数字信号形式进行。这不仅可
省去许多设备，而且大大改善男端对端的话音质量。数字交换和
数字传输的结合形成了综合数字网（IDN），这将使通信网的建设
大为便利和节约，并便于利用计算机对数字信息进行各种处理。
6、可兼容数字、电话、电报、数据和图像及各种信息的传输，
组成综合业务数字网；
数字通信中所有的信号（语音、电报、音乐、数据等）都可
以转换为统一形式的二进制数字脉冲，进入IDN进行传输和交换，
实现端对端的数字连接，
成为综合业务数字网（ISDN）。ISDN可为多种业务共用，因
此通信网变得更为灵活和经济高效。在实际应用中还可带来极大
的便利。
7、占用信道频道宽（缺点）；如：模拟通信一路话占4KHZ，
数字电话一路话占十几至几十KHZ；
以上列举了数字通信的主要优点，但数字通信也有它的缺点，
最主要的一个缺点是占用的信道频带比较宽。我们只举一个例子
给出大致的数量概念，以通电话为例，模拟通信中一路话音信号
占用的频带为4kHz，而数字电话一般需要十几~~几十kHz的带宽；
此外数字通信的设备一般也比模拟通信复杂一些。
三、数字通信系统的主要性能指标
在设计及评价一个通信系统时，必然涉及通信系统的性能指
标问题。通信系统的性能指标包括信息传输的有效性、可靠性、
适应性、经济性、标准性、及维护使用方法等等。因为通信的任
务是传递信息，从信息传输角度讲，在各项实际要求中起主导的、
决定作用的，主要是通信系统传输信息的有效性和可靠性。
（一）有效性指标
指给定信道和时间内的传输信息的多少，是系统信息数量上
的表征；它通常用码元速率RB、信息速率Rb和频带利用率衡量。
1、码元速率（RB）
码元速率RB也称为传码率，符号传输速率等。
定义：码元速率RB是指每秒钟传输码元的数目。
单位：为波特（baud）简记为B。
2、信息速率（Rb）
也称为传信率、比特率。
定义：每秒钟传输的信息量。
单位：比特/秒，简记为（b/s）
3、频带利用率（η）
单位频带内的传输速率。
（二）可靠性指标
是指信道系统传输信息质量上的表征，指的是接收信息的准
确程度。衡量数字通信系统可靠性的主要指标是错误率，具体的
有误码率Pe和误信率（误比特率）Pb两种表示方法。
1、误码率（Pe）
在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元数的比值，
用Pe表示；
2、误信率（Pb）
系统在传输中发生差错的比特数与传输总比特数的比值，用
Pb表示。
错误率的大小由通路的系统特性和信道质量决定。最后需指
出的是：可靠性和有效性指标是互相矛盾的和可以互换的，即可
通过降低有效性的方法来提高系统的可靠性，或反之。
四、数字通信网的概念
（一）通信网的概念及发展方向
通信的最基本的形式是在点与点之间建立通信系统，但尽管
有许多这样的通信系统，还是不能称为通信网，只有将众多的通
信系统按一定拓扑模式组合在一起才称为通信网。即多个点对点
的通信系统相互连接构成的通信体系称为通信网。通信网硬件的
三要素为：终端节点（对应图中的用户）、交换节点（对应图中的
端局，汇接局）及传输链路。对传统的模拟通信方式而言，终端
节点发出的和接收的信号都是模拟信号，链路中传输和交换节点
交换的信号及是模拟信号，这样的通信网叫模拟通信网。
随着经济的高速发展，要求通信网提供的业务种类越来越多，
传递信息的形式已从传统的电话通信向数据通信、图像通信乃至
多媒体通信等多样化方向发展。且通过通信网传输、交换、处理
的信息量不断增大，质量要求也越来越高，这就要进一步提高传
输效能及设备效率等等。现代通信网根据这种形势，正加速采用
现代通信技术，以计算机为基础的各种智能终端技术和数据库技
术积极使通信网向数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化方
向发展。世界各国在发展过程中第一步通常是建设本国的综合数
字网（IDN），第二步是在IDN的基础上组建综合业务数字网（ISDN）
和宽带综合业务数字网（B-ISDN）下面我们就对IDN和ISDN作一
简要介绍。
（二）综合数字网（IDN）
由于微电子技术和计算机技术的发展，目前国际上较发达国
家长途传输的数字化已接近百分之百，市内电话局中交换设备也
基本数字化。采用数字传输与数字交换综合而成的电话网称为综
合数字网（IDN）。这里的综合是指传输和交换处理都是以数字方
式进行的，但在IDN中，终端节点所发送的信号仍然是模拟信号。
由于终端节点发送的信号是模拟信号，所以，这样的网络不
能进行业务的综合，即对不同的通信业务需要不同的专用IDN。
为电话通信所建立的IDN就叫电话IDN。
综合数字网除了具有1)、抗干扰性强；2)、失真不积累；3)、
终端设备简单；4)、便于加密；5)、网络成本低；6)、传输性能
好等数字通信技术所具有的优点外，还由于广泛采用数字设备后，
数字网在连接点上不再需要模/数交换和数/模变换，因此可以节
省许多费用，降低了网络成本，并能提高传输性能，经济的实现
高质量通信，具有较好的经济效益。随着各种电信新业务的日益
增多，综合数字网为将来过渡到综合业务数字网（ISDN）创造了
必要的条件。
（三）综合业务数字网（ISDN）
1、ISDN的基本定义和特点
ITUT在1984年提出的关于ISDN的一系列建议中指出ISDN
是以电话IDN为基础发展而成的网络。它提供对端的数字连接性，
用来提供包括话音和非话音业务在内的多种业务；用户能够通过
一组标准多用途的用户/网路接口接到这个网络。
ISDN的基本概念和特点可归纳为以下几点：
1）ISDN是可以提供多种业务的电信网络；
2）ISDN在电话IDN的基础上发展而成的，发展初期还是以
电话为主；
3）ISDN主要特点是在网内可实现端到端的数字连接；
4）用户通过一组标准多用途的用户/网路接口接入网络，可
以适应不同业务的终端；
5）ISDN的用户终端设备中网路组成可以分别开发，网路可
用不同方式向用户提供多种业务；
6）为利于网路维护和管理，ISDN应具有包括信息处理在内
的综合网路功能。
由上述特点可知，采用ISDN给通信网建设带来的好处为：
1）由于通信网内的技术设备可谓多种业务共用，因此通信网
变得更为经济有效。
2）在规划和介入新任务时具有很大灵活性。
3）传输和交换过程中不需要经过信号形式的变化，有利于传
输质量的提高。
4）同一的操作程序，使用者便于操作；同一的技术，简化了
运营与维护，节省费用。
5）对光纤等传输介质的宽带特性可充分利用。
一个通信网只要它能够提供数字连接，不论网路如何组成，
从用户的观点看，它就是ISDN；只要遵循业务标准，网路能力标
准，接口标准，每个国家都可以按照各自的国情以不同方式实现
ISDN。
作业讲评
本节课我们利用了约45分钟时间对数字通信原理概述进行
了学习，今天的学习过程中，同志们认真听讲、积极思考，对数
字通信原理概述知识有了一定的了解。好的同志有XXX，他们学
习兴趣浓厚，在课堂中积极发言，希望在以后的学习中大家向他
们学习。下节课我们将对数字光纤通信原理进行学习，希望同志
们利用课余时间进行预习。今天的就讲到这里。
思考题
1、模拟信号与数字信号之间的区别是什么？举例说明。
2、试述数字通信的主要特点有哪些？为什么？
3、数字通信系统中，其可靠性和有效性指是什么？
教员：杨博
2011年12月15日