1 Digital Communication System
章节目录
- 章节目录
- 1-1 通信系统 Communication System
- 1-2 数字通信 Digital Communication
- 1-3 数字通信系统结构 Digital Communication System Architecture
- 1-4 设计目标 Design Goals
1-1 通信系统 Communication System
1-1-1 角色与指标 Roles and Metrics
通信系统 Communication System
通信系统 Communication System 通过物理信道 Physical Channel，将信息从 信源 Source 传输到 信宿 Destination。
系统性能由一组相互约束的指标共同描述：
- 可靠性 Reliability；
- 数据速率 Data Rate；
- 延迟 Latency；
- 覆盖范围 Coverage；
- 频谱效率 Spectral Efficiency；
- 能量效率 Energy Efficiency。
上述指标通常无法同时取到最优。实际设计是在频谱、功率与复杂度等约束下，求可靠且高效的传输方案。
1-1-2 基本结构 Basic Structure
通信系统的基本框图如下：
图中包含五个元素：
- 信源 Source：模拟或数字信号；
- 发射机 Transmitter：放大器、调制器、振荡器、天线等；
- 信道 Channel：光纤、电缆或自由空间；
- 接收机 Receiver：天线、放大器、解调器、振荡器等；
- 信宿 Recipient：人、扬声器、计算机等。
收发信号的差异主要来自信道，常见损伤包括：
- 衰减 Attenuation；
- 噪声 Noise；
- 干扰 Interference；
- 失真 Distortion；
- 衰落 Fading；
- 定时与同步误差 Timing and Synchronisation Error。
IMPORTANT
接收机必须从受损观测中恢复原始信息。数字通信研究如何在不完美信道下设计可恢复的信号与接收机。
1-2 数字通信 Digital Communication
1-2-1 信息的数字表示 Digital Representation
信源产生的信号可能是：
- 模拟信号：语音、图像、传感器测量等；
- 数字信号：计算机数据、文本和控制信号等。
模拟信号转换为数字比特的步骤为：
最终比特仍须经调制，变成能够在信道上传播的物理波形。
1-2-2 性能指标 Performance Metrics
| 指标 | 符号 / 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| 比特率 Bit Rate | 信息比特的传输速率 | |
| 符号速率 / 波特率 Symbol Rate | 符号的传输速率 | |
| 误码率 Bit Error Rate, BER | — | 错误检测比特所占的比例或概率 |
| 信噪比 Signal-to-Noise Ratio, SNR | — | 接收信号功率与噪声功率之比 |
| 频谱效率 Spectral Efficiency | 每赫兹每秒传输的比特数 | |
| 延迟 Latency | 信息通过系统所需的时间 | |
| 能量效率 Energy Efficiency | — | 单位能量成功传输的信息量 |
1-2-3 优势 Advantages
- 可对失真信号再生 Regenerated Distorted Signal；
- 可实现数据压缩、检错与纠错 Data Compression, Error Detection and Correction；
- 硬件选择灵活 Flexible Hardware；
- 成本较低 Low Cost；
- 信号复用更直接 Efficient Multiplexing；
- 便于组合不同类型的信号 Combine Different Signal Types；
- 存储容量更大 Larger Storage Capacity；
- 可用加密保护隐私与安全 Encryption；
- 整体性能更易按指标折中设计。
1-2-4 劣势 Disadvantages
- 通常需要更大带宽；
- 对同步的可靠性要求更高；
- 多级处理带来更高功耗；
- 电路结构更复杂。
1-3 数字通信系统结构 Digital Communication System Architecture
1-3-1 框图 Block Diagram
数字通信系统按编码—调制—信道—解调—译码展开：
发射端依次完成：
信息源 Information Source
接收端依次完成：
数字解调器 Digital Demodulator
发射机的目标是把信息转换成适于可靠传输的波形。接收机的目标是从带噪声、失真的观测中推断所发信息。
1-3-2 信源编码 Source Encoding
信源编码 Source Encoding
信源编码 Source Encoding 把模拟或数字信源的输出高效转换成二进制数字序列，用于降低冗余、提高带宽利用并实现数据压缩。
信源产生的消息被转换成比特序列。对连续时间信号需 采样 Sampling，对连续取值信号需 量化 Quantisation，再对所得符号做 压缩 Compression。
信源编码改变的是信息的表示效率，不主动加入用于抗噪声的受控冗余。
1-3-3 信道编码 Channel Coding
信道编码 Channel Coding
信道编码 Channel Coding 向比特序列加入受控冗余 Controlled Redundancy，使信道噪声引起的差错可被发现或纠正，从而提高接收数据的可靠性。
语言本身带有冗余。例如发送
经信道后可能变成
部分字母出错后，仍可依据单词结构与上下文恢复原句。信道编码用同样思路：事先约定码结构，使接收端能利用冗余从受损序列中重构原比特。
1-3-4 数字调制器 Digital Modulator
数字调制器 Digital Modulator
数字调制器 Digital Modulator 完成数模转换 Digital-to-Analog Conversion，把二进制信息序列映射为可在信道上发送的连续时间波形。
低频数字信号被搬移到适合传输的高频模拟波形。调制器输出送至天线或有线接口。调制的作用是把抽象比特变成物理可传播的信号。
1-3-5 比特率与符号速率 Bit Rate and Symbol Rate
若每个传输符号携带
个比特，则比特率与符号速率满足
其中：
：比特率，单位 ； ：符号速率，单位 baud； ：可能的符号个数； ：每符号比特数。
PROBLEM L1-E1
某 16-QAM 系统的符号速率为
SOLUTION
代入
1-3-6 通信信道 Communication Channel
通信信道 Communication Channel
通信信道 Communication Channel 是发送波形传播所经过的物理环境。
常见信道包括铜缆、光纤、地面无线信道与卫星信道。信号在信道中会以随机方式受损，典型损伤为路径损耗、噪声、干扰与衰落。
信道引入的总效果可写成：
1-3-7 接收端 Receiver
数字解调器 Digital Demodulator 处理受损波形，并将其转换成对发送比特的估计。
信道译码器 Channel Decoder 利用发端所用码的结构，以及接收序列中的受控冗余，重构原始二进制序列。
译码器输出的平均误比特率，用来衡量解调器—译码器组合的性能。
1-4 设计目标 Design Goals
数字通信系统设计通常希望同时最大化数据速率、覆盖范围与可靠性，并最小化带宽、延迟、能耗与复杂度。
这两组目标相互冲突，不能在无约束条件下同时达到。
| 手段 | 收益 | 代价 |
|---|---|---|
| 提高发射功率 | 可靠性上升 | 能耗上升 |
| 加强信道编码 | 差错减少 | 引入冗余，有效信息速率下降 |
| 高阶调制 | 频谱效率上升 | 对信道条件要求更高 |
| 重传 | 可靠性上升 | 延迟上升 |
| 加宽带宽 | 可达速率上升 | 频谱资源有限 |
具体方案取决于应用与约束。同一套指标在蜂窝覆盖、短距高速链路或深空通信中的权重不同。