第2章 數(shù)字通信技術基礎

1、2021-7-171提綱n模擬信號數(shù)字化n模擬信號和數(shù)字信號n數(shù)字通信的特點n脈沖編碼技術n時分復用n數(shù)字復接技術模擬信號模擬信號n模擬信號：波形模擬著信息的變化而變化模擬信號：波形模擬著信息的變化而變化n特點：幅度連續(xù)特點：幅度連續(xù)數(shù)字信號數(shù)字信號數(shù)字信號：幅值被限制在有限個數(shù)值之內，它不是連續(xù)的而是離散的。數(shù)字信號的特點n抗干擾能力強、無噪聲積累n便于加密處理、保密性強n便于存儲、處理、交換n采用時分復用實現(xiàn)多路通信n設備便于集成化、微型化n便于構成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)模擬信號與數(shù)字信號的轉換模擬信號與數(shù)字信號的轉換n模擬信號轉換成數(shù)字信號：A/D轉換n經(jīng)過抽樣、量化、編碼3個處理步

2、驟n數(shù)字信號轉換成模擬信號：D/A轉換2021-7-177提綱n模擬信號數(shù)字化n模擬信號和數(shù)字信號n數(shù)字通信的特點n脈沖編碼技術n時分復用n數(shù)字復接技術脈沖編碼調制技術n脈沖編碼調制：Pulse Code Modulation，簡稱PCM。對信號進行抽樣，并對每個樣值獨立地加以量化，通過編碼轉換為數(shù)字信號的過程。nPCM包括下述三個過程：n抽樣n量化n編碼與解碼1抽樣（抽樣（sampling） l定義：將在時間和幅度上都是連續(xù)的話音信定義：將在時間和幅度上都是連續(xù)的話音信號在號在時間上離散化時間上離散化的過程的過程l實現(xiàn)：由實現(xiàn)：由抽樣門抽樣門完成完成l抽樣速率？由抽樣速率？由抽樣定理抽樣定理

3、確定確定圖2-9 抽樣過程圖2-10 正弦波的抽樣抽樣定理的作用n 近年來通信系統(tǒng)向數(shù)字化發(fā)展，模擬近年來通信系統(tǒng)向數(shù)字化發(fā)展，模擬數(shù)數(shù)字的轉換的基礎：抽樣定理；字的轉換的基礎：抽樣定理；n 作用：在一定條件下，一個連續(xù)時間信號完作用：在一定條件下，一個連續(xù)時間信號完全可以用該信號在等時間間隔點上樣本來表全可以用該信號在等時間間隔點上樣本來表示，并且可用這些樣本值把信號全部示，并且可用這些樣本值把信號全部恢復恢復出出來來n 電影（電影（24幀幀/秒）：感覺是連續(xù)活動的景象；秒）：感覺是連續(xù)活動的景象；n 印刷照片：由很多細小的網(wǎng)點組成，看起來空間印刷照片：由很多細小的網(wǎng)點組成，看起來空間連續(xù)；

4、連續(xù)；抽樣定理的提出n 是不是所有時間間隔的理想取樣都能反映原是不是所有時間間隔的理想取樣都能反映原連續(xù)信號的基本特征呢？連續(xù)信號的基本特征呢？n 抽樣的時間間隔取多大合適？抽樣的時間間隔取多大合適？n 目標：在保留原連續(xù)時間信號的目標：在保留原連續(xù)時間信號的全部信息全部信息的條件的條件下抽取下抽取盡可能少盡可能少的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)n 方法：方法：時域抽樣定理時域抽樣定理抽樣定理n一個在一個在 頻譜區(qū)間頻譜區(qū)間( )以外為零的以外為零的頻帶有限信號頻帶有限信號(帶限信號帶限信號) ，可以唯一地由其均勻時間間隔，可以唯一地由其均勻時間間隔 上的取樣值上的取樣值 確定。確定。n 當取樣頻率當取樣頻率 大

5、于或等于信號帶寬的兩倍時，即大于或等于信號帶寬的兩倍時，即 時，可以從時，可以從 中恢復原信號。中恢復原信號。n 定義定義 為奈奎斯特取樣率。為奈奎斯特取樣率。mSff2mSff2min)(tfmm,)(SnTfmSSfTT21)(tfSSf抽樣定理根據(jù)抽樣定理可知，要無失真地恢復原始信號應滿足；（3）需通過理想濾波器恢復原始信號（1）模擬信號為帶限信號。（ 2）抽樣函數(shù)為周期函數(shù)序列抽樣過程中的失真n 實用的低通濾波器都有一定的過渡帶，因此在實際應用中必須滿足 ，并使各相鄰邊帶間有一定的防衛(wèi)間隔即防衛(wèi)帶n 如：話音信號限制在0.33.4khz頻率范圍之內，因此，若只傳送語音的有效成份，必須把

6、0.33.4khz以外的頻率成份去掉，否則會產(chǎn)生折疊失真n ITU-T（國際電信聯(lián)盟電信標準化部門）建議話音信號的抽樣頻率為8kHz wsff22量化（量化（QuantizingQuantizing）將幅度連續(xù)變化的信號變成離散信號的處理過程稱為量化。實質：一個化零取整的過程方法：樣值的最大變化范圍劃分成若干個相鄰的間隔。當某樣值落在某一間隔內，其輸出數(shù)值就用此間隔內的某一個固定值來表示。兩種量化方法：均勻量化和非均勻量化2021-7-1718l把輸入信號的取值域按等距離分割的量化稱為均勻量化 ，也稱線性量化。l任何一個量化器都有一定的量化范圍，通常取-u+u。l量化級數(shù)N與量化間隔的關系：=

7、2u/Nl取量化間隔的中間值為量化值，量化最大誤差為/2。均勻量化均勻量化2021-7-1719圖 量化過程及量化誤差量化噪聲和信噪比量化噪聲和信噪比l量化過程一定會產(chǎn)生誤差。量化誤差就量化過程一定會產(chǎn)生誤差。量化誤差就是指是指量化前后信號之差量化前后信號之差，通常用功率來，通常用功率來表示，稱之為表示，稱之為量化噪聲量化噪聲。l量化誤差一旦產(chǎn)生，在接收端就無法消量化誤差一旦產(chǎn)生，在接收端就無法消除除l克服量化噪聲的方法：克服量化噪聲的方法：l增加量化級數(shù)，使量化間隔相對于信號幅增加量化級數(shù)，使量化間隔相對于信號幅值的大小可以忽略不計。值的大小可以忽略不計。l均勻量化信噪比：信號平均功率與量化

8、均勻量化信噪比：信號平均功率與量化噪音平均功率之比。噪音平均功率之比。均勻量化的特點均勻量化的特點 n 量化器的量化噪聲隨著量化級數(shù)M的增加而減小，量化級數(shù)的選取是根據(jù)量化器的量化信噪比的要求確定的。n 無論信號大小，若量化間隔相等，量化的噪聲功率不變。= （幅度）小信號的量化信噪比太小，不能滿足通信質量要求，大信號的信噪比大，遠遠滿足要求。n 為解決小信號的量化信噪比太小，需要加大量化級數(shù)M；M過大，大信號的信噪比過大，同時編碼復雜，信道利用率過低。非均勻量化非均勻量化 l非均勻量化的量化原理是量化級間隔隨信號幅度的大小自動調整。相對來說，在不增大量化級數(shù)的條件下，非均勻量化能使信號在較寬的

9、動態(tài)范圍內的信噪比達到要求。非均勻量化的特點非均勻量化的特點 n 信號幅度小時，量化幅度小，量化誤差也小；n 信號幅度大時，量化間隔大，量化誤差也大。3編碼和解碼l編碼：把量化后的信號樣值變換成對應的二進制碼組，又稱模數(shù)變換l自然二進制碼：簡單易行；缺點：由3變成4的時候每一位都要變；l格雷碼：相鄰電平間轉換，只有一位發(fā)生變化；缺點：每一位碼沒有確定大小；l折疊二進制碼：沿中心電平上下對稱，適于表示正負對稱的雙極性碼；l解碼：在收信端將收到的二進制碼序列還原成相應幅度的量化值，又稱數(shù)模變換2021-7-1725二進制碼、格雷碼、折疊二進制碼量化電平量化電平自然二進制碼自然二進制碼格雷碼格雷碼折

10、疊二進制碼折疊二進制碼000000001110010010102010011001301101000041001101005101111101611010111071111001112021-7-1726PCM信號形成過程示意圖2021-7-17272021-7-17通信網(wǎng)基礎28提綱n模擬信號數(shù)字化模擬信號數(shù)字化n時分復用時分復用n時分復用的基本概念時分復用的基本概念nPCM30/32路系統(tǒng)路系統(tǒng)n時分復用的同步技術時分復用的同步技術n數(shù)字復接技術數(shù)字復接技術時分復用的基本概念時分復用的基本概念l復用：為了提高信道利用率，使多個信號沿同一信道傳輸而互相不干擾，這種通信方式稱為復用。l復用方式

11、：時分復用、頻分復用、空分復用等l時分復用：各路信號在同一信道上占有不同時間間隙的通信方式l時隙：每一路所占有的時間間隔2021-7-1729量化編碼解碼信道1路2路n路n路2路1路低通濾波分配器抽樣(合路門)分路門低通重建1n221n時分多路通信模型發(fā) 端收 端分配器K1K22021-7-1730PCM30/32PCM30/32路系統(tǒng)的幀結構路系統(tǒng)的幀結構完成數(shù)字通信全過程，除對各個話路進行編、解碼外，還必須有定時、同步等措施。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，各種信號（包括加入的定時、同步等信號）都是嚴格按時間關系進行的。在數(shù)字通信中把這種嚴格的時間關系稱為幀結構。一個采樣周期（125us）內，每個話路的

12、PCM信號按時分復用方式順序出現(xiàn)一次所形成的時分復用信號稱為幀。2021-7-1731圖2-18 PCM30/32路系統(tǒng)幀結構12340TS5678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F1516幀、2ms32時隙256bit、125s1001101 100001111101011111 1幀定位時隙復幀定位碼組保留給國際用(目前固定為1)保留給國內用奇幀識別碼幀對告碼奇幀TS0偶幀TS0TS1TS15用于話路標志信號時隙x1x2x

13、3x4x5x6x7x8段內碼極性碼復幀定位碼組復幀對告和備用比特abcdabcd第1路第16路abcdabcd第2路第17路abcdabcd第15路第30路F15F2F1F0段落碼TS17TS30用于話路TS31用于話路(目前固定為1)PCM30/32PCM30/32幀結構幀結構lPCM 30/32的幀周期為125us，每一幀有32時隙，每個時隙為：125/32=3.9us。其中TS0是傳送幀同步信號，TS16傳送信令，其他30路是話音信號。lPCM 30/32系統(tǒng)每個話路語言信號抽樣頻率為：40002hz，每個樣值經(jīng)過量化后編為8位碼，每個話路的碼速率為64kbit/s；lPCM30/32D

14、 總碼速率為：2.048Mbit/s，一般記為2M，也稱一次群速率，基群速率。2021-7-1733PCM30/32PCM30/32幀結構幀結構l復幀： l每一路語音信號都需要信令的支持才能進行通信，PCM 30/32系統(tǒng)有30個話路，因此必須傳輸30路信令；l一路信令信號只需要4bit，1個TS16 可以傳送兩路信令，15個TS16（15幀）可以傳送30路信令；l信令信號每隔16幀傳送一次，16幀稱為1復幀。2021-7-1734n同步是數(shù)字通信的基本要求之一。如果收同步是數(shù)字通信的基本要求之一。如果收端和發(fā)端不能很好的同步，數(shù)字通信是無端和發(fā)端不能很好的同步，數(shù)字通信是無法進行的。同步包括

15、法進行的。同步包括位同步、幀同步、復位同步、幀同步、復幀同步和網(wǎng)同步。幀同步和網(wǎng)同步。時分復用的同步技術時分復用的同步技術n位同步的基本含義是收發(fā)兩端的時鐘頻率必位同步的基本含義是收發(fā)兩端的時鐘頻率必須須同頻、同相同頻、同相，這樣接收端，這樣接收端才能正確接收和才能正確接收和判決發(fā)送端送來的每一個碼元。判決發(fā)送端送來的每一個碼元。n數(shù)字通信系統(tǒng)中消息是一串相繼的信號碼元數(shù)字通信系統(tǒng)中消息是一串相繼的信號碼元序列，接收端必須知道每個碼元的出現(xiàn)時刻序列，接收端必須知道每個碼元的出現(xiàn)時刻，從而對碼元進行判別。，從而對碼元進行判別。 同頻就是要求發(fā)送同頻就是要求發(fā)送端發(fā)送了多少個碼元，端發(fā)送了多少個碼

16、元，接收端必須產(chǎn)生同樣接收端必須產(chǎn)生同樣多多的判決脈沖。的判決脈沖。位同步位同步位同步示意圖位同步示意圖n幀同步的作用是實現(xiàn)語音信號的正確分路。幀同步的作用是實現(xiàn)語音信號的正確分路。接收端不僅需要正確的區(qū)分哪接收端不僅需要正確的區(qū)分哪8路比特是一組路比特是一組，代表一個抽樣值，而且還要正確，代表一個抽樣值，而且還要正確區(qū)分出它區(qū)分出它是代表哪路話音信號是代表哪路話音信號的。的。n常用方法：常用方法：同步碼同步碼*nPCM幀通過幀通過TS0時隙傳送同步碼時隙傳送同步碼：10011011，收端一旦識別出幀同步碼，收端一旦識別出幀同步碼10011011 ：便可：便可知隨后的知隨后的8位碼為一個碼字且

17、是第一話路的，位碼為一個碼字且是第一話路的，以此類推可以正確接收每一路信號。以此類推可以正確接收每一路信號。幀同步幀同步n復幀同步：復幀同步：實現(xiàn)實現(xiàn)信令信號的正確分路信令信號的正確分路。發(fā)送。發(fā)送端在端在F0幀幀TS16時隙的前時隙的前4比特插入特殊碼比特插入特殊碼0000，接收端只要識別出這一碼型，判斷出，接收端只要識別出這一碼型，判斷出是是F0幀，以后依次為幀，以后依次為F1,F2。n F0幀幀TS16時隙第時隙第6位碼位碼A2為復幀失步對告碼為復幀失步對告碼，A2=1表示復幀失步，表示復幀失步，A2=0表示復幀同步表示復幀同步。復幀同步復幀同步網(wǎng)同步n現(xiàn)代通信系統(tǒng)往往在多點之間實現(xiàn)互連

18、，從而現(xiàn)代通信系統(tǒng)往往在多點之間實現(xiàn)互連，從而構成通信網(wǎng)。為了保證在通信網(wǎng)中各點之間可構成通信網(wǎng)。為了保證在通信網(wǎng)中各點之間可靠通信，則必須在靠通信，則必須在網(wǎng)內建立一個統(tǒng)一的時間標網(wǎng)內建立一個統(tǒng)一的時間標準，即實現(xiàn)網(wǎng)同步準，即實現(xiàn)網(wǎng)同步。2021-7-1741提綱n模擬信號數(shù)字化模擬信號數(shù)字化n時分復用時分復用n時分復用的基本概念時分復用的基本概念n時分復用的同步技術時分復用的同步技術nPCM30/32路系統(tǒng)路系統(tǒng)n數(shù)字復接技術數(shù)字復接技術數(shù)字復接技術定義 n數(shù)字復接技術就是把兩個或兩個以上分支數(shù)字數(shù)字復接技術就是把兩個或兩個以上分支數(shù)字信號按信號按時分復用方式時分復用方式匯接成為單一的復合

19、數(shù)字匯接成為單一的復合數(shù)字信號的過程。具體來說，通過數(shù)字復接技術把信號的過程。具體來說，通過數(shù)字復接技術把PCM數(shù)字信號由低次群逐級合成為高次群以適數(shù)字信號由低次群逐級合成為高次群以適應在高速線路中傳輸。應在高速線路中傳輸。n為什么使用數(shù)字復接代替為什么使用數(shù)字復接代替PCM復用？復用？ nPCM復用瓶頸復用瓶頸在在PCM 30/32路系統(tǒng)中，將路系統(tǒng)中，將30路話音信號分別用路話音信號分別用8kHz抽抽樣頻率進行抽樣，然后對每個抽樣值編樣頻率進行抽樣，然后對每個抽樣值編8位碼，其數(shù)碼位碼，其數(shù)碼率為率為30880001920kbit/s，若傳送，若傳送120路話路，其路話路，其數(shù)碼率將達到數(shù)

20、碼率將達到120880007680kbit/s。 平均到每個平均到每個樣值的編碼時間僅樣值的編碼時間僅1s多一點，對編碼電路速度及對元多一點，對編碼電路速度及對元器件的精度器件的精度 要求很高，不太容易實現(xiàn)。要求很高，不太容易實現(xiàn)。n克服瓶頸的技術克服瓶頸的技術數(shù)字復接數(shù)字復接把若干個經(jīng)過把若干個經(jīng)過PCM復用的信號（如復用的信號（如30/32路機群系統(tǒng)）路機群系統(tǒng)）進行時分復用以形成更多路數(shù)的數(shù)字通信，這一過程稱進行時分復用以形成更多路數(shù)的數(shù)字通信，這一過程稱為數(shù)字復接。為數(shù)字復接。ITUT兩類數(shù)字速率和復接等級n為促進數(shù)字通信設備的通用化，為促進數(shù)字通信設備的通用化，ITU-T推推薦了兩類

21、數(shù)字速率和復用等級，下表顯示薦了兩類數(shù)字速率和復用等級，下表顯示出北美，日本，歐洲和中國一次群、二次出北美，日本，歐洲和中國一次群、二次群、三次群、四次群的速率。群、三次群、四次群的速率。n我國一、二、三、四次群（分別稱為我國一、二、三、四次群（分別稱為E1、E2、E3、E4）的速率常簡稱為）的速率常簡稱為2Mbit/s、8Mbit/s、32Mbit/s、140Mbit/s。n北美和日本一次群（以北美和日本一次群（以T1表示）的速率表示）的速率簡稱為簡稱為1.5Mbit/s。表表2-1 數(shù)字復接系列數(shù)字復接系列注意：注意：二次群的標準速率：二次群的標準速率：8448K2048*4，其他高次群的

22、復接速率也存在類似問題。多出其他高次群的復接速率也存在類似問題。多出來的碼元是用來解決幀同步，業(yè)務聯(lián)絡和控制來的碼元是用來解決幀同步，業(yè)務聯(lián)絡和控制等。等。地區(qū) 二次群 三次群四次群北美 244=96路6.312Mbit/s967=672路44.736Mbit/s6726=4032路274.176Mbit/s 日本 244=96路6.312Mbit/s965=480路32.064Mbit/s4803=1440路 97.728Mbit/s 歐洲 中國 304=120路 8.448Mbit/s1204=480路34.368Mbit/s4804=1920路139.264Mbit/s1544 kb/s

23、6312 kb/s24307445441641332064 kb/s97728 kb/s44736 kb/s8448 kb/s2048 kb/s34368 kb/s139264 kb/s564992 kb/s1.5 M系 列2 M系 列復 接 等 級64 kb/s定 時調整復接外部時鐘恢復分接定 時同步 外線高次群分支3分支4分支1分支2分支3分支4復接器分接器分支1分支22021-7-1747數(shù)字復接原理 n數(shù)字復接系統(tǒng)由數(shù)字復接器和數(shù)字分接器數(shù)字復接系統(tǒng)由數(shù)字復接器和數(shù)字分接器 組成。組成。其中數(shù)字復接器由其中數(shù)字復接器由調整、定時、復接調整、定時、復接三個單元組成三個單元組成，完成數(shù)碼流

24、的合路。數(shù)字分接器由，完成數(shù)碼流的合路。數(shù)字分接器由同步、定時、同步、定時、分接和恢復單元分接和恢復單元組成，在接收端把收到的高組成，在接收端把收到的高 次群分次群分離到各分支路中去。離到各分支路中去。n定時單元供給時鐘頻率使分接器與復接器基準時鐘定時單元供給時鐘頻率使分接器與復接器基準時鐘保持同步。保持同步。n調整單元的作用是把調整單元的作用是把各輸入支路信號的碼速調整到各輸入支路信號的碼速調整到與定時信號完全一致與定時信號完全一致，由復接單元對各支路復接形，由復接單元對各支路復接形成一個合路數(shù)碼流，稱為高次群。接收端的分接、成一個合路數(shù)碼流，稱為高次群。接收端的分接、恢復單元則實現(xiàn)復接、調整的反過程?；謴蛦卧獎t實現(xiàn)復接、調整的反過程。數(shù)字復接方式 n按位復接按位復接依照被復接支路的順序，每次只取一個支路的一位依照被復接支路的順序，每次只取一個支路的一位碼進行復接碼進行復接 n按字復接按字復接按字復接是每次復接一個支路的一個碼字按字復接是每次復接一個支路的一個碼字 n按幀復接按幀復接 按幀復接是每路每次插入一個幀的復接方式按幀復接是每路每次插入一個幀的復接方式 10110011第 (1) 路 PCM30/32基 群第 (2) 路 PCM30/32基 群第 (3) 路 PCM30/32基 群第 (4) 路 PCM30/32基 群(a) 一 次 群(b) 二