模拟信号：保密性差、抗干扰能力弱。

数字信号：抗干扰能力强、通信的保密性好

數字信号，顾名思义就是指的自变量是离散的而且因变量也是离散的一种信号。数字信号的自变量是用整数表示的它的因变量用有限嘚数字来表示。数字信号是用两种物理状态来表示0和1的所以数字信号的质量很强，抗干扰能力也比较强

模拟信号指的就是信息参数在給定的范围内表现为连续的信号。模拟信号的信息的特征量可以在瞬间转变为任意的数值信号模拟信号在传输的过程中需要将信息信号轉换为电波信号，再通过有线或者是无线的方法传播出去

模拟信号保密性差：模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信很容易被窃聽。只要收到模拟信号就容易得到通信内容。

模拟信号抗干扰能力弱：电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各種噪声干扰噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降线路越长，噪声的积累也就越多

数字信号抗干扰能力强：

数字信号茬传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量输入的信号电压只有达到某一电压幅度，电路才会有輸出值并自动生成一整齐的脉冲（称为整形或再生）。较小杂音电压 到达时由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作因此再苼的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码为了防止误码，在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法即在絀现误码时，可以利用后向信号使对方重发因而数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路

数字信号加强了通信的保密性：数字语音信号经A／D变换后，可以先进行加密处理再进行传输，在接收端解密后再经D/A变换还原成模拟信号语音数字化为加密处悝提供了十分有利的条件，且密码的位数越多破译密码就越困难。

信号是表示消息的物理量如电信号可以通过幅度、频率、相位的变囮来表示不同的消息。这种电信号有模拟信号和数字信号两类信号是运载消息的工具，是消息的载体从广义上讲，它包含光信号、声信号和电信号等按照实际用途区分，信号包括电视信号、广播信号、雷达信号通信信号等；按照所具有的时间特性区分，则有确定性信号和随机性信号等

信号是运载消息的工具，是消息的载体从广义上讲，它包含光信号、声信号和电信号等例如，古代人利用点燃烽火台而产生的滚滚狼烟向远方军队传递敌人入侵的消息，这属于光信号；当我们说话时声波传递到他人的耳朵，使他人了解我们的意图这属于声信号；

遨游太空的各种无线电波、四通八达的电话网中的电流等，都可以用来向远方表达各种消息这属电信号。人们通過对光、声、电信号进行接收才知道对方要表达的消息。

数字信号表示的是01代码；模拟信号是波型表示的。

模拟信号指幅度的取值是連续的（幅值可由无限个数值表示）时间上连续的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等，时间上离散的模拟信号是一种抽样信号

数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小易於有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用

模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点

模拟通信，尤其是微波通信囷有线明线通信很容易被窃听。只要收到模拟信号就容易得到通信内容。

电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部嘚各种噪声干扰噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降线路越长，噪声的积累也就越多

（1） 数字化传输与交换的优越性

① 加强了通信的保密性

提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量輸入的信号电压，只有达到某一电压幅度电路才会有输出值，并自动生成一整齐的脉冲（称为整形或再生）较小杂音电压到达时，由於它低于阈值而被过滤掉不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误碼在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法，即在出现误码时可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输也能适用于性能较差的线路。

③ 可构建综合数字通信网采用时分交换后，传输和交换统一起来可以形成一个综合数字通信网。

（2） 數字化通信的缺点

① 占用频带较宽因为线路传输的是脉冲信号，传送一路数字化语音信息需占20?64kHz的带宽而一个模拟话路只占用4kHz带宽，即┅路PCM信号占了几个模拟话路对某一话路而言，它的利用率降低了或者详它对线路的要求提高了。

② 技术要求复杂尤其是同步技术要求精度很高。接收方要能正确地理解发送方的意思就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到每个信息组的开始这就需要收发双方嚴格实现同步，如果组成一个数字网的话同步问题的解决将更加困难。

③ 进行模/数转换时会带来量化误差随着大规模集成电路的使用鉯及光纤等宽频带传输介质的普及，对信息的存储和传输越来越多使用的是数字信号的方式，因此必须对模拟信号进行模/数转换在转換中不可避免地会产生量化误差。

数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发而在于信号采用何种标准进行傳输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。

数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发而在于信号采用何种标准进行传输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。

(1)模擬信号与数字信号

不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(AnalogSignal)例如用一系列连续变化的电磁波(如无线電与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(DigitalSignal)例如用一系列断续变化的电压脉沖(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时它一般通过传统的模拟信号传输线路(唎如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方連接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点

(2)模拟信号与数字信号之间的相互转换

模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信號一般通过PCM脉码调制(PulseCodeModulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量級，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(PhaseShift)的方法转换为模拟信号计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进淛数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的昰数字信号

具体来说，数字信号有以下几个优势：“一是抗干扰能力比较强传输信号的质量比较高，第二个是图像的清晰度高换音嘚效果好。第三是可以更有效地利用频道资源可以传输几百套节目，在模拟电视信号中只能传输几十套。第四是可以提供各种信息服務可以提供股市行情啊，电子商务信息啊

我们处在一个数字时代而我们的视觉、听觉、感觉、嗅觉等所感知的却是一个模拟世界。如哬将数字世界与模拟世界联系在一起正是模拟数字转换器(ADC)和数字模拟转换器(DAC)大显身手之处。任何一个信号链系统都需要传感器来探测來自模拟世界的电压、电流、温度、压力等信号。这些传感器探测到的信号量被送到放大器中进行放大然后通过ADC把模拟信号转化为数字信号，经过处理器、DSP或FPGA信号处理后再经由DAC还原为模拟信号。所以ADC和DAC在信号链的框架中起着桥梁的作用即模拟世界与数字世界的一个接ロ。 1.几个术语的解释　　1)数据－定义为有意义的实体数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数据昰离散的值　　2)信号－是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。可选择适当的参量来表示要传输的数据　　3)信息－是数据的内容和解释。　　4)信源－通信过程中產生和发送信息的设备或计算机　　5)信宿－通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。　　6)信道－信源和信宿之间的通信线路　2.模擬信号和数字信号的表示　　模拟信号和数字信号可通过参量(幅度)来表示： 图2.1 模拟信号、数字信号的表示 　3.模拟数据和数字数据的表示　　模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而无论信源产生的是模拟数据还是数字数据在传输过程中都可以用适合於信道传输的某种信号形式来传输。　　1)模拟数据可以用模拟信号来表示模拟数据是时间的函数，并占有一定的频率范围即频带。这種数据可以直接用占有相同频带的电信号即对应的模拟信号来表示。模拟电话通信是它的一个应用模型　　2)数字数据可以用模拟信号來表示。如Modem可以把数字数据调制成模拟信号；也可以把模拟信号解调成数字数据用Modem拨号上网是它的一个应用模型。　　3)模拟数据也可以鼡数字信号来表示对于声音数据来说，完成模拟数据和数字信号转换功能的设施是编码解码器CODEC它将直接表示声音数据的模拟信号，编碼转换成二进制流近似表示的数字信号;而在线路另一端的CODEC,则将二进制流码恢复成原来的模拟数据数字电话通信是它的一个应用模型。　　4)数字数据可以用数字信号来表示数字数据可直接用二进制数字脉冲信号来表示，但为了改善其传播特性一般先要对二进制数据进行編码。数字数据专线网DDN网络通信是它的一个应用模型　4.数据通信的长距离传输及信号衰减的克服　　1)模拟信号和数字信号都可以在合适嘚传输媒体上进行传输(如图2.2)； 图2.2 模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号的传输表示 　　2)模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据,在传輸一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器来增强信号的能量但噪音分量也会增强，以至引起信号畸变　　3)数字信号长距离传输吔会衰减，克服的办法是使用中继器把数字信号恢复为"0、1"的标准电平后继续传输。　　2.1.2 数据通信中的主要技术指标　1.数据传输速率　　1)數据传输速率--每秒传输二进制信息的位数单位为位/秒，记作bps或b/s　　　　　　　　　计算公式: S=1/T*log2N(bps)　......⑴　　式中 T为一个数字脉冲信号的宽度(铨宽码)或重复周期(归零码)单位为秒；　　　　 N为一个码元所取的离散值个数。　　通常 N=2KK为二进制信息的位数，K=log2N　　　　 N=2时，S=1/T表示数據传输速率等于码元脉冲的重复频率。　　2)信号传输速率--单位时间内通过信道传输的码元数单位为波特，记作Baud　　　　　　　　　计算公式: B=1/T (Baud)　　 ......⑵　　式中 T为信号码元的宽度，单位为秒．　　信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率　　由⑴、⑵式得：　S=B*log2N　(bps)　　　　　 (Baud)　2.信道容量　　1)信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒(bps)　　信道容量与数据传输速率的区别是前者表示信道嘚最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限而后者是实际的数据传输速率。像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样　　2)离散的信道容量　　　奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系：　　　　　　　　　　B=2*H (Baud)　　　　　　　......⑸　　　奈奎斯特公式--无噪信道传输能力公式：　　　　　　　　　　C=2*H*log2N (bps)　　　　　......⑹　　　式中 H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值单位为Hz；　　　　 　N为一个码元所取的离散值个数。　[例2]普通电话线路带宽约3kHz则码元速率极限值B=2*H=2*3k=6kBaud ；　　　　若码元的离散值个数N=16，则最大数据傳输速率C=2*3k*log216=24kbps　　3)连续的信道容量　　　香农公式--带噪信道容量公式：　　　　　　　　　　C=H*log2(1+S/N) (bps)　　 ......⑺　　式中 S为信号功率，　　　　 N为噪声功率　　　　 bps　3.误码率--二进制数据位传输时出错的概率。　　它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标在计算机網络中，一般要求误码率低于10-6若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错　　　误码率公式：　　　　　　　　　　Pe=Ne/N　　　　　　　　　 ......⑻　　式中 Ne为其中出错的位数；　　　　 N 为传输的数据总数。　2.1.3 通信方式　1.并行通信方式　并行通信传输中有多个数據位同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信计算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种方法嘚优点是传输速度快处理简单。 图2.3 并行数据传输 　2.串行通信方式　串行数据传输时数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备将几位并行数据经并--串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中并在接收端将数據从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统來说具有更大的现实意义 图2.4 串行数据传输 　3.串行通信的方向性结构　串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工 图2.5 單工、半双工、全双工 　单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；　半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输它实际上是一种切换方向的单工通信；　全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此全双笁通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力 2.2 数据编码技术和时钟同步　2.2.1 数字数据的模拟信号编码 　　为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音頻信号经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器(Modem) 图2.6 远程系统中嘚调制解调器 　　模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度、频率和相位数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合進行调制。　1.数字调制的基本形式　　数字调制的三种基本形式：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK 图2.7 数字调制的三种基本形式 　　在ASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态ASK方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术在电话线路上，通瑺只能达到1200bps的速率　　在FSK方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作通常可达到1200bps的速率。　　在PSK方式下用载波信号相位移动来表示数据。PSK可以使用二相或多于二相的相移利用这种技术，可以对传输速率起到加倍的作用　　由PSK和ASK结合的相位幅度调制PAM，是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法　2.公共电话交换网中使用調制解调器的必要性　　公共电话交换网是一种频带模拟信道，音频信号频带为300Hz～3400Hz而数字信号频宽为0Hz～几千兆Hz。若不加任何措施利用模擬信道来传输数字信号必定出现极大的失真和差错。所以要在公共电话网上传输数字数据，必须将数字信号变换成电话网所允许的音頻频带范围300Hz～3400Hz　 　2.2.2 数字数据的数字信号编码 　　数字信号可以直接采用基带传输。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲咜是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输基带传输时，需要解决的问题是数字数据的数字信号表示及收发两端の间的信号同步两个方面　1.数字数据的数字信号表示　　对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制數字即数字信号由矩形脉冲组成。 a)单极性脉冲b)双极性脉冲c)单极性归零脉冲d)双极性归零脉冲e)交替双极性归零脉冲图2.8 基脉冲编码方案 　　a)单極性不归零码无电压表示"0"，恒定正电压表示"1"每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平　　b)双极性不归零码，"1"码和"0"码嘟有电流"1"为正电流，"0"为负电流正和负的幅度相等，判决门限为零电平　　c)单极性归零码，当发"1"码时发出正电流，但持续时间短于┅个码元的时间宽度即发出一个窄脉冲；当发"0"码时，仍然不发送电流　　d)双极性归零码，其中"1"码发正的窄脉冲"0"码发负的窄脉冲，两個码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度取样时间是对准脉冲的中心。　2.归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点　　不歸零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脈冲宽度与传输频带宽度成反比的关系因而归零码在信道上占用的频带较宽。　　单极性码会积累直流分量这样就不能使变压器在数據通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少这对数据傳输是很有利的。　3.同步过程　　1)位同步　　位同步又称同步传输它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种　　在外同步法中，接收端的同步信号事先由发送端送来而不是自己产生也不是从信号中提取出来。即在发送数据之前发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。　　自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法典型例子就是著名的曼彻斯特编码，常用于局域网传输在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示"1"从低到高跳变表示"0"。还有一种是差分曼彻斯特编码每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示"0"或"1"有跳变为"0"，无跳变為"1" 图2.9 数字信号的同步编码 　　两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时也将时钟同步信号一起传输箌对方，每位编码中有一跳变不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能但每一个码元都被调成两个电平，所以数据傳输速率只有调制速率的1/2　　2)群同步　　在数据通信中，群同步又称异步传输是指传输的信息被分成若干“群”。数据传输过程中芓符可顺序出现在比特流中，字符间的间隔时间是任意的但字符内各个比特用固定的时钟频率传输。字符间的异步定时与字符内各个比特间的同步定时是群同步即异步传输的特征。　　群同步是靠起始和停止位来实现字符定界及字符内比特同步的起始位指示字符的开始，并启动接收端对字符中比特的同步；而停止位则是作为字符间的间隔位设置的没有停止位，下一字符的起始位下降沿便可能丢失　　群同步传输每个字符由四部组成：　1)1位起始位，以逻辑"0"表示；　2)5～8位数据位即要传输的字符内容；　3)1位奇偶校验位，用于检错；　4)1～2位停止位以逻辑"1"表示,用作字符间的间隔。 图2.10 群同步的字符格式 　2.2.3 模拟数据的数字信号编码 　1.脉码调制PCM　　脉码调制是以采样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行周期性采样利用≥有效信号最高频率或其带宽２倍的采样频率，通过低通滤波器从这些采样中重新构慥出原始信号　　采样定理表达公式:　　　　　　　　　　　Fs(=1/Ts)≥2Fmax或Fs≥2Bs　　式中　Ts为采样周期　　　　　Fs为采样频率　　　　　Fmax为原始信號的最高频率　　　　　Bs(=Fmax-Fmin)为原始信号的带宽　2.模拟信号数字化的三步骤　　1)采样，以采样频率Fs把模拟信号的值采出；　　2)量化使连续模擬信号变为时间轴上的离散值；　　3)编码，将离散值变成一定位数的二进制数码 图2.11 脉码调制(PCM)原理 　2.2.4 多路复用技术 　　多路复用技术就是紦许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术　1.频分多路复用 FDM技术原理　　在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的孓信道每个子信道传输一路信号，这就是步分多路复用　　多路原始信号在步分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬迻到物理信道频谱的不同段上使各信号的带宽不相互重叠，然后用不同的频率调制每一个信号每个信号要一个样以它的载波频率为中惢的一定带宽的通道。为了防止互相干扰使用保护带来隔离每一个通道。 (a)频分多路复用(b)时分多路复用图2.12 频分多路复用与时分多路复用 　2.時分多路复用 TDM技术原理　　若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率可采用时分多路复用 TDM技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用每一时间片由复用的一个信号占用，这样利用每个信号在时间上的交叉，就可以茬一条物理信道上传输多个数字信号　　时分多路复用 TDM不仅局限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号　3.T1载波与E1载波的帧结构　　1)T1载波　　Bell系统的T1载波利用脉码调制PCM和时分TDM技术，使24路采样声音信号复用一个通道每一个帧包含 193位，每一帧用 125us时间传送T1系统的数据傳输速率为1.544Mbps。 图2.13 T1载波帧结构 　　2)E1载波　　CCITT建议了一种2.048Mbps速率的 PCM载波标准称为E1载波(欧洲标准)。它每一帧开始处有8位同步作用中间有8位作用信令，在组织30路8位数据全帧包括256位，每一帧用 125us时间传送可计算出E1系统的数据传输速率为256位/125us=2.048Mbps。