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2.2.2 模拟信号和数字信号

《无线通信网络与系统》第2章信号传输基础,本章的目的是使没有或者具有很少数据通信背景知识的读者能够对本书所包含的内容有一个初步的认识。在本章的最后,我们为感兴趣的读者提供了参考资料以便进行更深入的学习。本节为大家介绍模拟信号和数字信号。

作者:朱磊/许魁 译来源:机械工业出版社|2017-11-15 18:21

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2.2.2 模拟信号和数字信号

在通信系统中,数据是通过电磁信号的方式实现从一个点到另一个点的传播。模拟信号是连续变化的电磁波,根据其频率的不同可以在多种不同的介质中传播,例如铜制有线介质(双绞线和同轴电缆)、光纤电缆,以及空气或无线自由空间。数字信号是通过铜制有线介质传播的一个电压脉冲序列。例如,一个恒定的正电压值可能代表二进制数0,而一个恒定的负电压值可能代表二进制数1。

相对于模拟信号数字信号的主要优点在于实现起来更加便宜,且不易受到噪声的干扰。主要的缺点是其比模拟信号更容易受到衰减的影响。图2-7中所示为信源使用两个电压电平产生的一个电压脉冲序列,以及在传导介质中传播一定距离后的接收电压。由于高频信号强度的衰减、抑制,信号脉冲变得圆滑,强度也变得更小。需要说明的是,这种衰减会导致传播信号中包含的信息快速丢失。

模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或者数字信号来表示和传播,如图2-8所示。一般来讲,模拟数据是关于时间的函数并且占据着有限的频谱。这些数据可以用一个占用相同频谱的电磁信号来直接表示。最好的例子是声音数据。作为声波,声音数据的频率范围在20Hz~20kHz。正如前面提到的,大部分的语音能量聚集在一个非常窄的频谱范围内,如图2-6所示,典型语音的频谱范围集中在100Hz~7kHz。标准的语音电话信号的频谱范围甚至更窄,在300~3400Hz,而且这足以传输清晰明确的语音。我们现在普遍使用的电话机就是这么设计的。对于频谱在300~3400Hz的所有输入声音来说,电话机会产生一个与声音信号有相同频幅模式的电磁信号。这一过程的逆过程就可以将电磁信号还原为声音。

利用调制解调器(调制器解调器),模拟信号也可以用来表示数字数据。调制解调器通过调制载波频率将一串二进制(二值)电压脉冲转换成模拟信号。调制后的信号占据了以载波频率为中心的某些频谱,并且可在适合于该载波的介质中传输。在传输线的另一端,调制解调器将信号恢复为原始信号。

与调制解调器有着非常类似的操作,模拟数据可以由数字信号来表示。对于语音数据来说,编解码器可以实现上述功能。事实上,模拟信号可以直接表示语音数据,编解码器利用一串比特流来逼近该模拟信号。在传输线的另一端,编解码器使用比特流来重构模拟数据。这个话题将在后面的章节继续探讨。

最后,数字数据可以直接表示为二进制形式,并利用两种电平来表示。尽管如此,二进制数据往往编码成一个更为复杂的数字信号形式以提高其传播特性,这部分将在后面的章节解释。

前面介绍的4种组合(如表2-1a所示)都有着广泛的应用。对于任何给定的通信任务来说,选择特定组合的理由是各不相同的。我们在这里列出了一些具有代表性的原因:

表2-1 模拟和数字传输

●数字数据,数字信号:通常,将数字数据通过编码构成数字信号的设备比从数字到模拟转换的设备更简单和便宜。

●模拟数据,数字信号:将模拟数据转换为数字信号的形式,能够使现代的传输与交换设备也能够应用于模拟数据。

●数字数据,模拟信号:一些传输介质,例如光纤和卫星,仅能传输模拟信号。

●模拟数据,模拟信号:模拟数据易于转换成模拟信号。


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