[高等教育]通信概论2章--数字通信.ppt

现代通信概论,第2章 数字通信,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,2,2.1 模拟通信和数字通信 2.2 数字通信特点 2.3 语声信号数字化编码 2.4 时分多路复用 2.5 数字复接技术,第2章数字通信,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,3,2.1 模拟通信和数字通信（1/3）,模拟通信 模拟通信系统框图,信源,信道,信宿,噪声,非电/电变换器,电/非电变换器,调制器,解调器,变换器,反变换器,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,4,2.1 模拟通信和数字通信（2/3）,数字通信的含义：传送数字信号的通信称为数字通信。 数字通信系统框图,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,5,2.1 模拟通信和数字通信（3/3）,数字通信系统中的几个常用概念 信源编码：将信源产生的模拟信号转换成数字信号，以便在数字通信系统传送，这个过程又称为模拟/数字变换。 信道编码：在发送端对信源编码后的信号按一定规则附加一些监督码元，以便接收端检测误码。 基带传输：将编码后的数字脉冲信号直接送人传输媒介中进行传输。 调制：将数字脉冲变换成适合于金属线路传输的正弦振荡信号，或适合于光纤传送的光脉冲信号。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,6,2.2 数字通信的特点,抗干扰能力强，无噪声积累 便于加密处理 有利于采用时分复用实现多路通信 设备便于集成化、小型化 占用较宽信道频带（缺点）,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,7,1.1.5 通信系统的质量要求（1/7）,有效性 含义：在给定信道内所传送信息量的大小 衡量通信系统有效性的指标 模拟通信系统：有效传输频带 数字通信系统：信息传输速率 Rb （单位：bit/s） 比特(bit)：度量信息量大小的单位，它定义为在二进制系统中，若无限长的数字序列里，出现“1”和“0”的个数大约相等，且前后码元彼此独立，则该数字序列中每个码元所携带的信息量就称为1bit，即: I = - log2 pi 其中 I 为信息量符号； pi 为每个码元出现的概率。,1.1 基本概念,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,8,1.1.5 通信系统的质量要求（3/7）,有效性 二进制中的信息传输速率与多进制中的码元速率间的换算关系为： Rb RB log2M 其中：RB为码元速率（也称符号传输速率），单位叫波特（Baud），且 RB 1Ts（波特） 其中：Ts为码元宽度,1.1 基本概念,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,9,1.1.5 通信系统的质量要求（4/7）,有效性 频带利用率是指单位频带内的传输速率，通信系统占用的频带越宽，传输信息的能力应该越大。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,10,1.1.5 通信系统的质量要求（5/7）,可靠性 含义：在给定信道内接收到的信息的可靠程度。 衡量通信可靠性的指标 模拟通信系统：输出信噪比,1.1 基本概念,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,11,1.1.5 通信系统的质量要求（6/7）,可靠性 衡量通信可靠性的指标 数字通信系统：误码率,1.1 基本概念,有效性与可靠性是一对相互矛盾的指标。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,12,1.1.5 通信系统的质量要求（7/7）,可靠性 衡量通信可靠性的指标 数字通信系统：信号抖动 在数字通信系统中，信号抖动是指数字信号码元相对于标准位置的随机偏移。,1.1 基本概念,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,13,2.3 语声信号数字化编码,2.3.1 基本概念 电话信号的数字化称为语声编码，图像信号的数字化称为图像编码。 语声信号编码示意图,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,14,2.3 语声信号数字化编码,A/D变化包含三个部分： (1)抽样：是指将模拟信号在时间上离散化的过程 (2)量化：是指将模拟信号在幅度上离散化的过程。 (3)编码：编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。 语声信号编码的分类： (1)波形编码：在发送端根据语声信号波形的特点把语声信号变换为数字信号，而在接收端经解码再恢复发送端原语声的波形。 (2)参量编码：提取语声信号的特征参量，对其进行编码。 (3)混合编码：介于波形编码与参量编码之间，在参量编码的基础上引入一定的波形编码的特征。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,15,2.3.2 脉冲编码调制（PCM）技术（1/8）,模拟信号数字化的基本过程：对模拟信号在时间域和幅度域上都进行离散化处理，然后再把离散化的幅度值变换为数字信号代码。 脉冲编码调制（PCM）系统结构框图,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,16,2.3.2 脉冲编码调制（PCM）技术（2/8）,PCM系统的组成 发送端：完成对模拟话音信号的抽样、量化、编码三步处理，然后将信号直接送入信道进行传送，即完成模/数变换过程； 接收端：收到数字脉冲信号后，通过再生、译码等反变换，最后经低通滤波器平滑成原始的模拟语音信号，即完成数/模变换过程； 信道传输设备：当传输距离较长时，在信道中间每隔一定距离需要设置再生中继设备。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,17,2.3.2 脉冲编码调制（PCM）技术（3/8）,抽样 含义：将话音信号在时间上离散化的过程。 实现方法：对话音信号s(t)按周期间隔T抽取其瞬时幅值，得到一系列时间上离散的样值序列s(t)。,抽样定理：只要抽样频率fC2 fB ，则抽样后的样值序列通过一个截频为fB的低通滤波器后即可恢复原信号，其中fB最高频率是s(t)的最高频率。 ITU-T建议对话音信号的抽样频率为每秒钟8000次。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,18,2.3.2 脉冲编码调制（PCM）技术（4/8）,量化 含义：将抽样后时间离散、幅值连续的信号样值幅度分层，将在一定范围内变化的无限个值，用不连续的有限个值来代替的过程称为“量化”。 分类 均匀量化：在幅值变化范围内均匀等间隔量化； 非均匀量化：将小信号量化级间隔细分，大信号量化级间隔粗分，可以提高信号较小状况下的信噪比。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,19,2.3.2 脉冲编码调制（PCM）技术（5/8）,量化 均匀量化（线性量化） 实现方法：设被量化信号u(t)的电平幅值变化范围为U，将 -U+U均匀等分为N个量化间隔每个间隔为=2U/N，N为量化级数，量化值通常取每个量化级电压（或电流）的中间值。,量化噪声：当u(t)幅值高于或低于某个量化值时，会产生量化误差，相当于在模拟信号上迭加了一个额外噪声。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,20,2.3.2 脉冲编码调制（PCM）技术（6/8）,量化 非均匀量化 原理：量化级间隔随信号幅度的大小自动调整，当信号幅度小时，量化级间隔变小，量化误差也小；当信号幅度大时，量化级间隔变大，量化误差也大。 优点：在不增大量化级数N的条件下，使信号在较宽动态范围内的信噪比S/N达到要求。 实现框图：,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,21,2.3.2 脉冲编码调制（PCM）技术（7/8）,量化 非均匀量化 压缩特性曲线 13折线A律：,15折线律：第1段是第2段的一半，在小信号时量化误差更小。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,22,2.3.2 脉冲编码调制（PCM）技术（8/8）,编码和解码 编码 含义：在发信端对非均匀量化后的样值数字信号利用给定的方案变换成串行的二进码序列，即模数变换。 实现方法：逐次反馈型编码 解码 含义：在收信端将收到的二进码序列还原成相应幅度的量化值，即数模变换。 实现方法：将串行PCM码流按位存储并分组转换为并行输出，经过类似标准砝码的加权而得到PAM信号。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,23,2.4 时分多路复用（1/3）,时分多路复用的基本概念：利用各路信号占用时间有限的特点，在信道上的不同时隙分别传输各路信号。 2.4.1 同步技术 同步的必要性：在时分多路复用中，为了保证各路信号被准确地分配到各路中去，要求收发两端的分路器与合路器必须严格同步，否则就会造成接收端不能在相应的时间内收到该收的信号而产生串音干扰。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,24,2.4 时分多路复用（2/3）,同步技术 位同步 含义：要求收、发端的时钟频率完全一致，达到同频同相。位同步是最基本的同步要求，是保证帧同步的必要条件。 实现方法： 发送端采用频率稳定的晶体振荡器； 接收端采用定时提取技术，从接收的PCM信号中得到发送端的定时时钟脉冲； 传输线路上选择合适的传送码型，以利于定时提取时钟频率。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,25,2.4 时分多路复用（3/3）,同步技术 帧同步 帧的含义：设有N个话路时分复用在同一传输线路上，则通过对每个话路抽样一次后得到N个话路时隙，采用13折线A律量化编码后得到8N位二进码序列，该序列称为一帧，即在一帧时间内，所有N个话路都有且仅有一次传输机会。 目的：使接收端与发送端以帧为单位对齐，以区分属于不同话路的信号。 实现方法：在每一帧的一个固定时隙中插入特定码组（称为帧同步码），在接收端接收判断是否收到了这一码组，并以此为界区分一帧的首尾，即可区分出各路信号。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,26,2.4.2 PCM 30/32 路系统的帧结构（1/4）,PCM 30/32 路系统帧结构图,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,27,2.4.2 PCM 30/32 路系统的帧结构（2/4）,总数码传输率 抽样频率8000Hz 又：经量化编码，每个抽样信号变成8位二进码 30路共有308240位二进码元 再加帧同步时隙TS0的8位帧同步码 再加信令时隙TS16的8位信令码 共有256位二进码 PCM 30/32 路系统总数码传输率,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,28,2.4.2 PCM 30/32 路系统的帧结构（3/4）,信令（标志信号）传送方式 信令的含义：在数字通信系统中，用于在通信中建立接续、拆除和控制以及网络管理有关的信息，如占用、拨号、应答、拆线等状态信息。 信令传送方式： 时隙内信令方式：信令固定或周期性地占据话路时隙内一位比特来传输； 时隙外信令方式：在话路时隙外单设一路时隙专用于传送信令。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,29,2.4.2 PCM 30/32 路系统的帧结构（4/4）,帧结构规则 每16帧为1个复帧，顺序为F0、F1、F2、F15，每帧包含32个路时隙，每个路时隙有8位二进码； 每帧当中，路时隙TS1TS15、TS16TS31用于传送话路信息码； 每帧当中，TS0时隙用于传送帧同步码； 第F0帧的TS16时隙前四位码用于传送复帧同步码，每16帧重复一次；第F1F15帧的TS16时隙用于传送30个话路的信令码。,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,30,2.5 数字信号复接的概念（1/3）,数字复接的含义：把两个或两个以上分支数字信号按时分复用方式汇接成单一的复合数字信号的过程。具体来说，通过数字复接技术把PCM数字信号由低次群逐级合成为高次群以适应在高速线路中传输。,2.5 数字复接技术,2019/4/20,现代通信概论第2章 数字通信,31,2.5 数字信号复接的概念（2/3）,PCM数字复接的实现方法：将若干个经过PCM复用的信号（如30/32路基群系统）进行时分复用以形成更多路数的数字通信。,2.5 数字复接技术,2019/4/20,现代通信概论第2章