一、数字通信的主要优点与发展基础
数字通信已广泛应用于各个频段和各种通信方式中, 成为当今通信发展的一种必然趋势。所谓数字通信即用数字信号传送信息进行通信, 也可以说通信的数字化。数字通信的主要优点在于用数字信号传送信息易于再生, 可减小传输中的失真易于用脉冲数字电路来实现, 设备可做到体积小、重量轻可以引入计算技术, 应用微处理器及单片微机, 发挥各种数字信号处理及智能化控制功能数字信号易于加密便于采用纠错编码和扩频技术, 提高抗干扰能力。数字通信之所以取得迅速的发展不是偶然的现象, 有其理论上、技术上和客观需求上的基础从理论分析开始, 人们早就认识到数字通信在理论上比模拟通信具有一系列优点。除上述各点外, 在频带和功率的有效利用方面也更为有利计算技术和微电子学的进展为通信的数字化提供了坚实的技术基础人们在社会生活中对多种功能综合服务的需要是数字通信发展的强大动力。
二、数字通信的发展概况
目前数字通信在短波通信、移动通信、微波通信、卫星通信以及光纤通信中都得到了广泛的应用。现简要分述其发展近况。
1.数字短波通信
由于人们认识到未来战争中的星球大战使通信卫星易于被击毁, 短波通信经过被冷落一段时间后又出现了“ 复苏” 现象, 重新引起各方面的重视。近年来除了对衰落多径信道的研究外, 短波通信数据传输的研究更是注意的焦点。为了克服严重的码间干扰, 采用了一系列自适应技术, 包括自适应实时选频自适应信道均衡、自适应干扰对消, 以及由它们组合而成的自适应通信系统。此外尚有功率自适应、速率自适应、天线调谐自适应和自组织自适应通信网等。目前多音并行的调制解调器已广为应用, 正大力进行单音串行调制解调器的研制。此外, 在短波数字通信中采用扩频跳频技术, 自适应接收和瞬时快速通信技术等的研究都在进行中。
2.数字移动通信
当前各国都在大力开展新一代数字式移动通信系统的研制。欧洲各国已研制出8种新的系统, 采用宽带或窄带TDMA制式。在此基础上已共同制定了泛欧GSM系统标准。各大公司都在大力进行设备研制, 1991年已投放市场, 付诸应用。北美也制定了数字蜂房公用陆地移动通信系统(NACS)标准, 可与目前大量应用的模拟移动通信系统兼容, 称为双模, 也计划于近期完成研制工作。日本也正大力制定自己的标准。不难看出, 数字化是目前国际上移电信科学年动通信的主要发展方向。实现移动通信数字化带来的好处是能适应各种数字业务传输的需要, 提高频带利用率, 提高系统的抗干扰能力, 有利于实现ISDN, 便于设备小型化和降低造价。数字移动通信的新技术特点是采用了智能网络的原理, 与ISDN相结合, 以及部件的高度集成化。这些特点使数字移动通信系统成为高技术密集的产品。更引人注目的是在数字化和微型化的基础上, CCIR提出了“ 未来公众陆地移动电信系统(FPLMTS)” , 欧洲提出了“ 个人通信” , 美国提出了利用低轨道卫星实现个人卫星移动通信的“ 铱”系统。这些均属于第三代移动通信系统, 它有希望实现人类在任何时间地点与世界上任何人都可自由通信的美好理想。
3.数字微波通信
随着数字技术的发展,数字微波已成为发展的主流, 各国已有20多年的历史。大容量数字微波的发展遭遇到数字短波通信同样的技术难题, 即微波在地面传播也存在多径效应和衰落现象。数字微波也需要采用一整套自适应技术来抗多径衰落引起的码间干扰。目前各国都致力于第三代设备的研制, 其技术特点为采用256QAM或1024QAM调制、自适应均衡、有效的分集接收合成技术等先进的自适应抗多径衰落技术措施, 采用双重极化等频率重用技术, 并开辟10GHZ以上新的频段, 以及新的电路和工艺。
4.数字卫星通信
早期的时分多址卫星系统就是数字式的。从上看, 目前已有单路单载波（SCPC）的SPADE系统, 时分多路频分多址系统, 时分多址数字卫星通信系统。近年来甚小口径终端(VSAT)数据卫星通信系统取得了很大的进展和广泛的应用。大量的个人计算机通过卫星通信连接成卫星数据网, 其造价低廉、安装容易、使用灵活, 受到广大用户的欢迎。目前已有美国VSI公司的TDM/SCPC系统, 美国赤道公司的TDM/CDMA系统, 美国Hyghes公司的PES系统和日本NEC公司的NEXTAR系统, 它们均属于TDM/TDMA系统。近来, 根据用户要求, 各大公司又推出了以传话音为主的系统, 如Hyghes公司的TES系统, SPAR公司的TSAT系统等。我国已引VSAT进技术, 并在一些部门建立了VSAT通信网。我国卫星通信的发展也将以数字卫星通信为主。
5.数字光纤通信
光纤通信具有频带极宽、通信容量极大、传输损耗小、保密性好不易被窃听, 以及能抗电磁干扰、且体积小重量轻等一系列优点, 已在国内外得到极大发展和应用。光纤通信的宽频带特性,为实现宽带创造了十分有利的条件。当前的主要矛盾是应大力研制和开发数字通信终端及交换设备, 以便与光纤传输系统相连接, 否则将阻碍光纤通信的应用和发展。此外, 人们还正在开发路和路的高速系统。
三、数字通信发展的主要技术
各个频段、各种用途的数字通信虽然千差万别, 但归纳起来, 采用现代通信技术构成的典型的数字通信系统包括数字信号形成、调制与解调、同步系统、收发信机和信道。信号的处理和变换部分, 包括信源编码与解码、加密与解密、信道编码与解码、多路分解与合成、扩频与解扩、多址技术等。
1.数字信号形成
主要用来把源信息, 如文字或模拟信息变换成适应数字系统处理和传输的数字符号。技术上包含字母编码、抽样、量化、脉冲编码调制。变换以后则形成基带或低通信号。字母编码是把文字信息如英文字母用二元比特流来表示, 常用的有ASCII码和E-BCDIC码, 从而变成数字格式。然后再变换成多元的数字符号和相应的多元波形, 以利于基带传输。对于模拟信息如语声, 则先按照抽样定理抽样, 抽样频率至少为信号上限频率的两倍。量化则是把模拟信号无限多可能的连续值用有限多可能的离散值来代替。这些有限的离散值通过脉冲编码调制变换成各种类型的PCM波形。选用哪一种波形决定于是否包含直流分量、定时信号的提取、差错检测和所需带宽等因素的考虑。对于噪声干扰下基带信号的传输, 在接收端可用最大似然接收机、匹配滤波器或相关检测器进行信号检测。如果传输通带不能满足奈奎斯特定理的要求, 则会出现信号波形的流散, 产生码间串扰。对数字通信经常研究的问题之一即如何消除码间串扰。一般可采用脉冲整形以减少所需带宽, 也可采用横向滤波器或各种自适应均衡技术。
2. 信源编码与解码
信源编解码的目的在于把所形成的数字信号在一定比特率下增加其信噪比, 或者在一定信噪比下减少比特率。换句话说, 即尽量减少信源的多余度, 用最少的比特来传送信息。信源编码的基本方法有三类。一类是匹配编码, 它是根据信源中各元素的出现概率不同, 分别给予不同长短的代码, 使代码长度与概率分布相匹配, 代码的平均长度比较短, 数码也就少了。例如Huffman编码则属于这一类。另一类是变换编码, 它是把信源从一种信号空间变换成另一种信号空间, 然后对变换后的信号进行编码。
3. 加密与解密
为了保证数字信号与所传信息的安全, 一般应采取加密措施。数字信号比起模拟信号来易于加密, 且效果也好。这是数字通信突出的优点之一。仙农曾论证了绝对保密(perfect secrecy)的条件是一次一密, 且密钥的长度不小于明文的长度。这样的加密方法在实际应用上有很大困难, 特别是对多目标用户, 密钥分配就难于解决。70年代以来, 由于社会上的需求日增, 密码学有了很大的发展。可以说, 美国国家标准局(NBS)颁布的数据加密标准(DES)和Diffie,Hellman 提出的公钥是其发展的两个里程碑。DEs属于块加密, 它将明文先分组, 然后与密钥用代换及转换的方法“ 充分搅拌” 。由于多次搅拌, 虽然密钥较短, 密码分析者也不易将其破译。经NBS三次审查, 决定可以用到1992年。公开密钥的特点是加密密钥与解密密钥不同, 加密密钥可以公开, 解密密钥则加以隐蔽, 知道了加密密钥也难于推出解密密钥, 对密文不易破译。公钥是建立在一类难解的、求逆困难的数字问题上的。现已提出多种算法: Hellman和Diffie提出的算法基于离散对数求逆问题, Adleman,Shamir,Adleman提出的RSA是利用大素数难于进行因式分解；Merkle和Hellman的算法建立在背包问题基础上。目前, 有报导对背包已可破译, 因而有效的还是RSA。数据通信网的加密解密问题, 如数字签名、认证、密钥的管理以及分配等问题正引起人们越来越大的注意。
4. 信道编码与解码
数字信号在信道传输时, 由于噪声、衰落以及人为干扰等, 将会引起差错。仙农曾证明如果信源的速率低于信道容量, 可采用编码和解码的方法, 以任意小的差错概率在有噪声的信道上传输信息。数十年来提出了许多编解码的方法, 以减小比特差错概率或者减小所需的比特能量与干扰功率谱密度之比。编解码带来的好处是以带宽的增加为代价的。采用大规模集成电路可实现运算量大、体积小、重量轻的编解码器, 从而可获得8dB的性能改善。信道编码的一类基本方法是波形编码, 或称为信号设计, 它把原来的波形变换成新的较好的波形, 以改善其检测性能。编码过程主要是使被编码信号具有更好的距离特性即信号之间的差别性更大。属于这类的编码有双极性波形、正交波形、多元波形、双正交波形等。另一类基本方法是结构化序列, 在信息码外引入一定代数结构的冗余码, 用以检出或纠正所发生的差错。这类编码方法可获得与波形编码相似的差错概率, 但所需带宽较小。在这一大类编码方法中, 又可分为分组码和卷积码。线性分组码中一个子类是循环码, 它可用反馈移位寄存器来实现, 易于检错和纠错, 是一种很有效的编解码方法。目前分组码中著名的有汉明码、格雷码、BCH码、RS码等。卷积码的主要特点是有记忆特性, 所编成的码不仅是当前输入的信息码的函数, 而且与以前输入的信息码有关。卷积码的译码算法有多种序列译码、门限译码、Viterbi最大似然译码, 以及反馈译码等。为了纠正成片突发差错, 采用交织的方法将其转变为随机差错。可以分组交织或卷积交织。此外, Viterbi采用译码的卷积码为内码, 以RS码为外码的级连码, 可以达到仅离仙农极限4dB。
5. 多路及多址技术
在一个多用户系统中, 为了充分利用通信资源和增加总的数据库的吞吐量, 可以采用多路或多址技术。二者都是对多用户合理有效地分配通信资源。但前者是用户要求固定分配或慢变化地分享通信资源, 后者则为远程或动态变化地共享资源, 以满足每一用户的需要。基本的方法有频分、时分、码分、空分和极化波分。所有这些方式的共同点在于各用户信号间互不干扰,在接收端易于区分, 它们都是利用信号间互不重叠, 在频域、时域、空域中的正交性或准正交性。其中频分和时分是经典的, 码分则是利用在时域或频域及其二者的组合编码的准正交性。空分和极化波分, 则是在不同空域中频率的重用和在同一空域中不同极化波的重用。在实际系统中, 又多为这些多路和多址技术的组合, 如TDM/TDMA,FDM/FDMA 等。随着卫星通信网、信包无线通信网、局域计算机通信网的应用和发展, 又出现了名目繁多的随机存取多址技术, 如ALOHA及其各种变形, 轮询技术, 以及SPADE,CSMA/CD,Token-Ring等等,它们多适用于突发信息传输的系统。这些多址技术又称为各种算法和协议, 它们的性能主要表现在系统传输信息的吞吐量和时延上。目前各种不同通信方式和网络所采用的多址技术的研究仍方兴未艾。在理论和实用上都是数字通信中十分重要的研究领域。总的原则还是针对不同情况采用不同的多路/多址方式及其各种组合, 以达到最佳的资源共享。
除了上述5个主要技术问题外, 还有多路及多址技术、调节与解调技术、扩展频谱技术、同步系统、有数字通信收发信机及数字信号在多径衰落信道传输的分析等问题。下载本文
