數字通信[通訊方式]

數字通信（digital telecommunications）是用數位訊號作為載體來傳輸訊息，或用數位訊號對載波進行數字調製後再傳輸的通信方式。它可傳輸電報、數字數據等數位訊號，也可傳輸經過數位化處理的語聲和圖像等模擬信號。

基本信息

• 中文名：數字通信
• 英文名：digitaltelecommunications

• 學科：通信
• 特點：抗干擾能力強，可再生
• 取值：離散

定義

用數字形式傳輸訊息或用數字形式對載波信號進行調製後再傳輸的通信方式。常規的電話和電視都屬於模擬通信。電話和電視模擬信號經數位化後，再進行數位訊號的調製和傳輸，便稱為數字電話和數位電視。以計算機為終端機的相互間的數據通信，因信號本身就是數字形式，而屬於數字通信。衛星通信中採用時分或碼分的多路通信也屬於數字通信。

原理

數字通信

在模擬通信中,原始信號(如話音的音頻信號、電視的視頻信號)直接用來對載波信號進行調製。在數字通信中，發信端原始信號必須先經過模擬－數字轉換器(簡稱數位化器),轉換成數位訊號(通常以“1”和“0”形式)序列後代替原始信號,再對載波信號進行調製。在收信端，對接收到的載波信號經解調後，得到的仍是數位訊號序列。但數位訊號序列還必須經過數字－模擬轉換器才能恢復原始模擬信號。對模擬信號進行數位化有多種方法，最基本的方法是脈碼調製，還有各種類型的增量調製，後者在電路實現上更為簡單。為了減少傳輸話音所必需的脈碼率，聲碼器正逐步得到推廣套用。聲碼器也是最可靠的數字電話保密終端。聲碼技術中較有發展前途的是線性預測編碼。如何以更高的精度、更低的脈碼率使信號數位化，仍然是數字通信技術的主要研究課題。用數位訊號代替模擬信號後，模擬通信中的載頻供給系統亦應相應改變，將被時鐘所代替。為了正確判別收發兩端數字碼元，收發時鐘之間必須同步，這要靠碼元同步和幀同步技術達到；如果數字通信設備連成通信網，還必須用網同步技術（見同步技術）。數字通信還有一系列特有的技術。為使各種傳輸信道適應數位訊號的傳輸，避免各種頻率成分的振幅和時延特性上的不均勻性，避免碼間干擾，需要採用均衡技術。為了便於在收信端提取同步信號，通常採用雙極性碼、高密度雙極性碼（HDB3碼）、四比三進碼（4B3T碼）和部分回響碼等。為了發現和自動糾正傳輸中出現的誤碼，需要採用差錯控制技術。差錯控制已發展成為一種獨立的技術。

特點

優點

1.抗干擾能力強

由於在數字通信中，傳輸的信號幅度是離散的，以二進制為例，信號的取值只有兩個，這樣接收端只需判別兩種狀態。信號在傳輸過程中受到噪聲的干擾，必然會使波形失真，接收端對其進行抽樣判決，以辨別是兩種狀態中的哪一個。只要噪聲的大小不足以影響判決的正確性，就能正確接收（再生）。而在模擬通信中，傳輸的信號幅度是連續變化的，一旦疊加上噪聲，即使噪聲很小，也很難消除它。

數字通信抗噪聲性能好，還表現在微波中繼通信時，它可以消除噪聲積累。這是因為數位訊號在每次再生後，只要不發生錯碼，它仍然像信源中發出的信號一樣，沒有噪聲疊加在上面。因此中繼站再多，數字通信仍具有良好的通信質量。而模擬通信中繼時，只能增加信號能量（對信號放大），而不能消除噪聲。

2.差錯可控

數位訊號在傳輸過程中出現的錯誤（差錯），可通過糾錯編碼技術來控制，以提高傳輸的可靠性。

3.易加密

數位訊號與模擬信號相比，它容易加密和解密。因此，數字通信保密性好。

4.易於與現代技術相結合

由於計算機技術、數字存貯技術、數字交換技術以及數字處理技術等現代技術飛速發展，許多設備、終端接口均是數位訊號，因此極易與數字通信系統相連線。

缺點

1.頻帶利用率不高

系統的頻帶利用率，可用系統允許最大傳輸頻寬（信道的頻寬）與每路信號的有效頻寬之比來數字通信中，數位訊號占用的頻頻寬，以電話為例，一路模擬電話通常只占據4kHz頻寬，但一路接近同樣話音質量的數字電話可能要占據20～60kHz的頻寬。因此，如果系統傳輸頻寬一定的話，模擬電話的頻帶利用率要高出數字電話的5～15倍。

2.系統設備比較複雜

數字通信中，要準確地恢覆信號，接收端需要嚴格的同步系統，以保持收端和發端嚴格的節拍一致、編組一致。因此，數字通信系統及設備一般都比較複雜，體積較大。

不過，隨著新的寬頻傳輸信道（如光導纖維）的採用、窄帶調製技術和超大規模積體電路的發展，數字通信的這些缺點已經弱化。隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發展和廣泛套用，數字通信在今後的通信方式中必將逐步取代模擬通信而占主導地位。

發展歷史

數字通信的早期歷史是與電報的發展聯繫在一起的。

1937年，英國人A．H．里夫斯提出脈碼調製（PCM），從而推動了模擬信號數位化的進程。

1946年，法國人E．M．德洛雷因發明增量調製。

1950年C．C．卡特勒提出差值編碼。1947年，美國貝爾實驗室研製出供實驗用的24路電子管脈碼調製裝置，證實了實現PCM的可行性。

1953年發明了不用編碼管的反饋比較型編碼器，擴大了輸入信號的動態範圍。

1962年，美國研製出電晶體24路1．544兆比/秒脈碼調製設備，並在市話網局間使用。

數字通信與模擬通信相比具有明顯的優點。它抗干擾能力強，通信質量不受距離的影響，能適應各種通信業務的要求，便於採用大規模積體電路，便於實現保密通信和計算機管理。不足之處是占用的信道頻帶較寬。

20世紀90年代，數字通信向超高速大容量長距離方向發展，高效編碼技術日益成熟，語聲編碼已走向實用化，新的數位化智慧型終端將進一步發展。

分類

數字通信系統可進一步細分為數字頻帶傳輸通信系統、數字基帶傳輸通信系統、模擬信號數位化傳輸通信系統。

數字頻帶傳輸通信系統

數字通信的基本特徵是，它的訊息或信號具有“離散”或“數字”的特性，從而使數字通信具有許多特殊的問題。例如前邊提到的第二種變換，在模擬通信中強調變換的線性特性，即強調已調參量與代表訊息的基帶信號之間的比例特性；而在數字通信中，則強調已調參量與代表訊息的數位訊號之間的一一對應關係。

另外，數字通信中還存在以下突出問題：第一，數位訊號傳輸時，信道噪聲或干擾所造成的差錯，原則上是可以控制的。這是通過所謂的差錯控制編碼來實現的。於是，就需要在傳送端增加一個編碼器，而在接收端相應需要一個解碼器。第二，當需要實現保密通信時，可對數字基帶信號進行人為“擾亂”（加密），此時在收端就必須進行解密。第三，由於數字通信傳輸的是一個接一個按一定節拍傳送的數位訊號，因而接收端必須有一個與發端相同的節拍，否則，就會因收發步調不一致而造成混亂。另外，為了表述訊息內容，基帶信號都是按訊息特徵進行編組的，於是，在收發之間一組組的編碼的規律也必須一致，否則接收時訊息的真正內容將無法恢復。在數字通信中，稱節拍一致為“位同步”或“碼元同步”，而稱編組一致為“群同步”或“幀同步”，故數字通信中還必須有“同步”這個重要問題。

需要說明的是，圖中調製器/解調器、加密器/解密器、編碼器/解碼器等環節，在具體通信系統中是否全部採用，這要取決於具體設計條件和要求。但在一個系統中，如果發端有調製/加密/編碼，則收端必須有解調/解密/解碼。通常把有調製器/解調器的數字通信系統稱為數字頻帶傳輸通信系統。

數字基帶傳輸通信系統

與頻帶傳輸系統相對應，我們把沒有調製器/解調器的數字通信系統稱為數字基帶傳輸通信系統，如圖3所示。

圖中基帶信號形成器可能包括編碼器、加密器以及波形變換等，接收濾波器亦可能包括解碼器、解密器等。

模擬信號數位化傳輸通信系統

上面論述的數字通信系統中，信源輸出的信號均為數字基帶信號，實際上，在日常生活中大部分信號（如語音信號）為連續變化的模擬信號。那么要實現模擬信號在數字系統中的傳輸，則必須在發端將模擬信號數位化，即進行A/D轉換；在接收端需進行相反的轉換，即D/A轉換。