十一、數(shù)字通信——用脈碼組作為載體攜帶信息在信道上傳輸

所謂數(shù)字通信就是把攜帶信息的原始話音信號（它是一個模擬信號）變換為數(shù)字信號，在線路上傳送數(shù)字信號的通信。通常，把模擬信號變換為數(shù)字信號要經(jīng)過抽樣、量化和編碼三道程序，其組成原理方框圖如圖3-18所示。圖中a、b、c、d各點的信號波形如圖3-19所示。

圖3-19　模擬信號數(shù)字化波形圖

如圖3-19（a）所示為話音原始電信號波形，它在時間上和幅度上都是連續(xù)的，故稱為模擬信號。如圖3-19（b）所示為抽樣器輸出的樣值脈沖序列（抽樣頻率應(yīng)符合抽樣定理的要求），序列中各個脈沖的幅度為抽樣期間話音信號的對應(yīng)值，即抽樣脈沖序列的幅度隨話音信號的幅度成正比地變化，即用脈沖幅度攜帶信息，故稱為調(diào)幅脈沖序列。此調(diào)幅脈沖序列雖在時間上是離散的（稱為離散信號），但脈沖的幅度仍是連續(xù)取值的（在抽樣期間，脈沖的幅度可以連續(xù)地取2.1~5.1V之間的任何值，即連續(xù)地取值），故它仍然是一個模擬信號。如圖3-19（d）所示為數(shù)字信號，它是調(diào)幅脈沖序列經(jīng)過量化和編碼處理后，輸出的脈碼信號。通常，量化和編碼的功能用同一個電路就可以完成，其思路是：根據(jù)十進制數(shù)與二進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，先把按十進制記數(shù)的抽樣脈沖幅度值用二進制數(shù)來表示，然后再規(guī)定二進制數(shù)的“0”用無脈沖表示，“1”用一個矩形脈沖表示，就可以把抽樣脈沖變換為脈碼組（即數(shù)字信號）了，如表3-3所示。

表3-3

如表3-3所示是一位十進制數(shù)、三位二進制數(shù)、脈碼組三者間的關(guān)系。脈碼組中每個碼位上脈沖的“有”或“無”是按二進制記數(shù)來編排的，即用每個碼位上脈沖的“有”或“無”兩個參量來攜帶抽樣脈沖的幅度值，由于脈碼組中脈沖幅度的取值只有兩種，是離散取值的，故稱其為數(shù)字信號。

從表3-3中還可以看到，數(shù)字信號是用脈碼組作為載體來攜帶信息的，所運載的“貨物”是攜帶信息的調(diào)幅脈沖幅度值。而調(diào)幅脈沖幅度值“載入”到脈碼組上的思路是：把調(diào)幅脈沖幅度值，按二進制記數(shù)規(guī)則分配在每個碼位脈沖的“有”或“無”上。脈碼組中個位上“有”脈沖代表2⁰=1值，二位上“有”脈沖代表2¹=2值，四位上“有”脈沖代表2²=4值，各碼位上“無”脈沖均代表0值，三個碼位上代表的數(shù)值之和，就是脈碼組所運載的抽樣脈沖幅度值。

表3-3中只有三個碼位的脈碼組，即三位二進制數(shù)，只能記2³=8個整數(shù)值。然而如圖3-19（b）所示抽樣脈沖的幅度卻不是整數(shù)值，我們只好采用“四舍五入”的量化辦法把它取為整數(shù)后，再按二進制記數(shù)規(guī)則來編排碼組，其編排關(guān)系如表3-4所示。表中第二列為抽樣脈沖經(jīng)過量化后的脈沖幅度值，第三列為相應(yīng)的脈碼組，它們的波形分別如圖3-19（c）、（d）所示。

如圖3-20所示是單路數(shù)字通信系統(tǒng)的基本組成方框圖。在發(fā)信端，在模擬信號（即攜帶信息的原始話音信號）經(jīng)過抽樣、量化和編碼后，把信息攜帶在數(shù)字信號（即脈碼組）脈沖的“有”或“無”的編排上，也就是把模擬信號的幅度按二進制記數(shù)編排而調(diào)制在各碼位脈沖的“有”或“無”之上，故通信中把抽樣、量化和編碼過程稱為脈沖編碼調(diào)制（PCM），簡稱為脈碼調(diào)制。在收信端，數(shù)字信號經(jīng)過“譯碼”（按二進制數(shù)與十進制數(shù)間關(guān)系）進行編碼的反變換，把脈碼組反變換為量化信號（如表3-4中第二列所示），量化信號經(jīng)過低通濾波器平滑后即可恢復原模擬信號了。

表3-4

圖3-20　單路數(shù)字通信（脈沖編碼調(diào)制）的基本組成

應(yīng)當注意，由于收信端收到的脈碼組攜帶的只是如圖3-19（c）所示的量化信號，由它還原的模擬信號與發(fā)信端原模擬信號之間略有差異。由于此差異是因“量化”而產(chǎn)生，故把它稱為信號的量化失真。理論和工程實踐已經(jīng)證明，只要脈碼組的位數(shù)（即二進制數(shù)的位數(shù)）足夠多，即量化階梯足夠密，于是“四舍五入”所引起的量化誤差會越小，就可以把量化失真減少到可允許的范圍。