十一数字通信之脉冲

十一、数字通信——用脉码组作为载体携带信息在信道上传输

所谓数字通信就是把携带信息的原始话音信号（它是一个模拟信号）变换为数字信号，在线路上传送数字信号的通信。通常，把模拟信号变换为数字信号要经过抽样、量化和编码三道程序，其组成原理方框图如图3-18所示。图中a、b、c、d各点的信号波形如图3-19所示。

图3-19　模拟信号数字化波形图

如图3-19（a）所示为话音原始电信号波形，它在时间上和幅度上都是连续的，故称为模拟信号。如图3-19（b）所示为抽样器输出的样值脉冲序列（抽样频率应符合抽样定理的要求），序列中各个脉冲的幅度为抽样期间话音信号的对应值，即抽样脉冲序列的幅度随话音信号的幅度成正比地变化，即用脉冲幅度携带信息，故称为调幅脉冲序列。此调幅脉冲序列虽在时间上是离散的（称为离散信号），但脉冲的幅度仍是连续取值的（在抽样期间，脉冲的幅度可以连续地取2.1~5.1V之间的任何值，即连续地取值），故它仍然是一个模拟信号。如图3-19（d）所示为数字信号，它是调幅脉冲序列经过量化和编码处理后，输出的脉码信号。通常，量化和编码的功能用同一个电路就可以完成，其思路是：根据十进制数与二进制数之间的转换关系，先把按十进制记数的抽样脉冲幅度值用二进制数来表示，然后再规定二进制数的“0”用无脉冲表示，“1”用一个矩形脉冲表示，就可以把抽样脉冲变换为脉码组（即数字信号）了，如表3-3所示。

表3-3

如表3-3所示是一位十进制数、三位二进制数、脉码组三者间的关系。脉码组中每个码位上脉冲的“有”或“无”是按二进制记数来编排的，即用每个码位上脉冲的“有”或“无”两个参量来携带抽样脉冲的幅度值，由于脉码组中脉冲幅度的取值只有两种，是离散取值的，故称其为数字信号。

从表3-3中还可以看到，数字信号是用脉码组作为载体来携带信息的，所运载的“货物”是携带信息的调幅脉冲幅度值。而调幅脉冲幅度值“载入”到脉码组上的思路是：把调幅脉冲幅度值，按二进制记数规则分配在每个码位脉冲的“有”或“无”上。脉码组中个位上“有”脉冲代表2⁰=1值，二位上“有”脉冲代表2¹=2值，四位上“有”脉冲代表2²=4值，各码位上“无”脉冲均代表0值，三个码位上代表的数值之和，就是脉码组所运载的抽样脉冲幅度值。

表3-3中只有三个码位的脉码组，即三位二进制数，只能记2³=8个整数值。然而如图3-19（b）所示抽样脉冲的幅度却不是整数值，我们只好采用“四舍五入”的量化办法把它取为整数后，再按二进制记数规则来编排码组，其编排关系如表3-4所示。表中第二列为抽样脉冲经过量化后的脉冲幅度值，第三列为相应的脉码组，它们的波形分别如图3-19（c）、（d）所示。

如图3-20所示是单路数字通信系统的基本组成方框图。在发信端，在模拟信号（即携带信息的原始话音信号）经过抽样、量化和编码后，把信息携带在数字信号（即脉码组）脉冲的“有”或“无”的编排上，也就是把模拟信号的幅度按二进制记数编排而调制在各码位脉冲的“有”或“无”之上，故通信中把抽样、量化和编码过程称为脉冲编码调制（PCM），简称为脉码调制。在收信端，数字信号经过“译码”（按二进制数与十进制数间关系）进行编码的反变换，把脉码组反变换为量化信号（如表3-4中第二列所示），量化信号经过低通滤波器平滑后即可恢复原模拟信号了。

表3-4

图3-20　单路数字通信（脉冲编码调制）的基本组成

应当注意，由于收信端收到的脉码组携带的只是如图3-19（c）所示的量化信号，由它还原的模拟信号与发信端原模拟信号之间略有差异。由于此差异是因“量化”而产生，故把它称为信号的量化失真。理论和工程实践已经证明，只要脉码组的位数（即二进制数的位数）足够多，即量化阶梯足够密，于是“四舍五入”所引起的量化误差会越小，就可以把量化失真减少到可允许的范围。