信号的频谱、编码、PCM.doc

频带宽度有时称必要带宽。系指为保证某种发射信息的速率和质量所需占用的频带宽度容许值，以赫（Hz）、千赫（KHz）、兆赫（MHz）表示。 曼彻斯特编码 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，无跳变为1。 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到对方，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，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。 就是说主要用在数据同步传输的一种编码方式。为什么信号的频带宽度与其持续时间近似成反比?简单说：一个脉冲是很多正弦波组合而成的，脉冲越窄，为实现其波形就要更多的幅度更大的其它正弦波。为什么是这样呢，看看傅里叶变换吧！为什么数字信号占的带频比模拟更宽，基础是什么，怎样判断数字信号是方波，方波的频谱是全频的，所以，他把全部带宽都占了！模拟的是带通，肯定占得少。基带传输中常用的编码方案是什么？怎么用？千里之行，始于足下-基带传输与曼彻斯特编码 直接使用数字信号传输数据时，数字信号几乎要占用整个频带，终端设备把数字信号转换成脉冲电信号时，这个原始的电信号所固有的频带，称为基本频带，简称基带。在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输。大多数局域网（LAN）使用的都是基带传输。 使用基带传输时，数字数据由许多不同形式的电信号的波形来表示。表示二进制数字的码元的形式不同，便产生出不同的编码方案。主要有单极性不归零码、单极性归零码、双极性不归零码、双极性归零码、曼彻斯特码和差分曼彻斯特码等。其中两种曼彻斯特编码都得到了广泛的应用。曼彻斯特编码最大的优点是，无论编码怎样变化，脉冲中每发生一次跳变，不是在同步脉冲开始位置就是在中间位置。也就是说，发送端在发送曼彻斯特编码的时候，同时也把同步信号（每位的中间时刻）告诉接收端，这对接收端先提取同步信号，然后再检测数字信号，是非常有利的。 骑上飞驰的骏马-频带传输 采用模拟信号传输数据时，往往只占用有限的频带，对应基带传输将其称为频带传输。使用模拟信号传输数字数据时，需要借助于调制解调装置，把数字信号（基带脉冲）转换成模拟信号，使其变为适合于电话线路传输的信号。调制就是用基带脉冲对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。经过调制的信号称为已调信号。已调信号通过线路传输到接收端，在接收端通过解调恢复为原始基带脉冲。一、基带传输系统的组成基带传输系统的组成框图如图4.1所示。它主要由码波形变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器和取样判决器等5个功能电路组成。（图）基带传输系统的输入信号是由终端设备编码器产生的脉冲序列，为了使这种脉冲序列适合于信道的传输，一般要经过码型变换器，码型变换器把二进制脉冲序列变为双极性码（AMI码或HDB3码），有时还要进行波形变换，使信号在基带传输系统内减小码间干扰。当信号经过信道时，由于信道特性不理想及噪声的干扰，使信号受到干扰而变形。在接收端为了减小噪声的影响，首先使信号进入接收滤波器，然后再经过均衡器，校正由于信道特性（包括接收滤波器在内）不理想而产生的波形失真或码间串扰。最后在取样定时脉冲到来时，进行判决以恢复基带数字码脉冲。二、数字基带信号传输码型的要求1、有利于提高系统的频带利用率2、基带信号应不含直流分量同时低频分量要尽量少，因为由于变压器的接入，使信道具有低频截止特性。3、考虑到码型频谱中高频分量的影响电缆中线对间由于电磁辐射而引起的串话随频率升高而加剧，会限制信号的传输距离或传输容量。4、基带信号应具有足够大的定时信号供提取5、基带信号的传输码型应具有误码检测能力6、码型变换设备简单，容易实现三、常用的基带传输码型常见的传输码型有NRZ码、RZ码、AMI码、HDB3码及CMI码，其中最适合基带传输的码型是HDB3码。另外，AMI码也是CCITT建议采用的基带传输码型，但其缺点是当长连0过多时对定时信号提取不利。CMI码一般作为四次群的接口码型。四、数字信号传输的基本准则1、奈奎斯特第一准则如何才能保证信号在传输时不出现或少出现码间干扰，这是关系到信号可靠传输的一个关键问题。奈奎斯特对此进行了研究，提出了不出现码间干扰的条件：当码元间隔T的数字信号在某一理想低通信道中传输时，若信号的传输速率位Rb=2fc（fc为理想低通截止频率），各码元的间隔T=1/2fc，则此时在码元响应的最大值处将不产生码间干扰，且信道的频带利用率达到极限，为2(b/s)Hz。上述条件是传输数字信号的一个重要准则，通常称为奈奎斯特第一准则。即传输数字信号所要求的信道带宽应是该信号传输速率的一半BW=fc=Rb/2=1/2T当满足这一条件时，其它码元的拖尾振幅在对应于某一码元响应的最大值处刚好为零。2、滚降低通幅频特性实际传输中，不可能有绝对理想的基带传输系统，这样一来，不得不降低频带利用率，采用具有奇对称滚降特性的低通滤波器作为传输网络。根据推导得出结论：只要滚降低通的幅频特性以点C(fc,1/2)呈奇对称滚降，则可满足无码间干扰的条件（此时仍需满足传输速率=2fc）。滚降系数：a=(fc+fa)-fc/fc用滚降低通作为传输网络时，实际占用的频带展宽了，则传输效率有所下降，当a=100%时，传输效率即频带利用率只有1(b/s)Hz，比理想低通小了一半。3、眼图眼图能直观地表明数字信号传输系统出现码间干扰和噪声的影响，能评价一个基带系统的性能优劣。五、再生中继传输基带数字信号在传输过程中，由于信道本身的特性及噪声干扰使得数字信号波形产生失真。为了消除这种波形失真，每隔一定的距离加一再生中继器，由此构成再生中继系统。再生中继系统的特点是无噪声积累，但有误码率的累积。再生中继器由三大部分组成：均衡放大、时钟提取和判决再生。PCM:也就是脉码调制 (Pulse Code Modulation) 。是一种对模拟信号数字化的取样技术，特别是对于音频信号。 PCM 对信号每秒钟取样 8000 次；每次取样为 8 个位，总共 64 kbps 。取样等级的编码有二种标准。北美洲及日本使用 Mu-Law 标准，而其它大多数国家使用 A-Law 标准描述： E+E光端机 链路接口：光接口（155M）； 用户接口：用户可搭配配置如下（4*E1，8*E1，12*E1，16*E1，4*E1+100M，8*E1+100M，12*E1+100M，16*E1+100M）。用户还可选配1路公务电话或2路（FXO，FXS，2/4线音频，2/4线EM）。在频分制载波系统中，高次群系统是由若干个低次群信号通过频谱搬移并叠加而成。例如，60路载波是由5个12路载波经过频谱搬移叠加而成；1800路载波是由30个60路载波经过频谱搬移叠加而成。? 在时分制数字通信系统中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速宽带信道中传输。数字复接技术就是解决PCM信号由低次群到高次群的合成的技术。? 2.1 PCM复用与数字复接 扩大数字通信容量有两种方法。一种方法是采用PCM30/32系统(又称基群或一次群)复用的方法。例如需要传送120路电话时，可将120路话音信号分别用8kHz抽样频率抽样，然后对每个抽样值编8位码，其数码率为80008120=7680kbit/s。由于每帧时间为125微秒，每个路时隙的时间只有1微秒左右，这样每个抽样值编8位码的时间只有1微秒时间，其编码速度非 常高 ，对编码电路及元器件的速度和精度要求很高，实现起来非常困难。但这种方法从原理上讲 是可行的，这种对120路话音信号直接编码复用的方法称PCM复用。另一种方法是将几个(例 如4个)经PCM复用后的数字信号(例如4个PCM30/32系统)再进行时分复用，形成更多路的数字通信系统。显然，经过数字复用后的信号的数码率提高了，但是对每一个基群编码速度没 有提高，实现起来容易，目前广泛采用这种方法提高通信容量。由于数字复用是采用数字复接的方法来实现的，又称数字复接技术。? 数字复接系统由数字复接器和数字分接器组成，如图35所示。数字复接器是把两个或两个以上的支路(低次群)，按时分复用方式合并成一个单一的高次群数字信号设备，它由定时、码速调整和复接单元等组成。数字分接器的功能是把已合路的高次群数字信号，分解成原来 的低次群数字信号，它由帧同步、定时、数字分接和码速恢复等单元组成。? ?时单元给设备提供一个统一的基准时钟。码速调整单元是把速率不同的各支路信号，调整 成与复接设备定时完全同步的数字信号，以便由复接单元把各个支路信号复接成一个数字流 。另外在复接时还需要插入帧同步信号，以便接收端正确接收各支路信号。分接设备的定时单元是由接收信号中提取时钟，并分送给各支路进行分接用。? 数字复接的方法主要有按位复接、按字复接和按帧复接三种。按位复接又叫比特复接，即复 接时每支路依次复接一个比特。图37(a)所示是4个PCM30/32系统时隙(CH1话路) 的码字情况。图37(b)是按位复接后的二次群中各支路数字码排列情况。按位复接方法简单易行，设备也简单，存储器容量小，目前被广泛采用，其缺点是对信号交换不利。图37 (c)是按字复接，对PCM30/32系统来说，一个码字有8位码，它是将8位码先储存起来，在规定时间四个支路轮流复接，这种方法有利于数字电话交换，但要求有较大的存储容量。按帧复接是每次复接一个支路的一个帧(一帧含有256个比特)，这种方法的优点是复接时不破坏原来的帧结构，有利于交换，但要求更大的存储容量。? 2.3 数字复接中的码速变换? 几个低次群数字信号复接成一个高次群数字信号时，如果各个低次群(例如PCM30 /32系统)的时钟是各自产生的，即使它们的标称数码率相同，都是2048kbit/s，但它们的瞬 时数码率也可能是不同的。因为各个支路的晶体振荡器的振荡频率不可能完全相同(CCIT规 定PCM 30/32系统的瞬时数码率在2048kbit/s100bit/s)，几个低次群复接后的数码就会产生重 叠或错位，如图38所示。 这样复接合成后的数字信号流，在接收端是无法分接恢复成原来的低次群信号的。因此， 数码率不同的低次群信号是不能直接复接的。为此，在复接前要使各低次群的数码率同步 ，同时使复接后的数码率符合高次群帧结构的要求。由此可见，将几个低次群复接成高次群时，必须采取适当的措施，以调整各低次群系统的数码率使其同步，这种同步是系统与系 统之间的同步，称系统同步。? ? 系统同步的方法有两种，即同步复接和异步复接。同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次群的码速统一在主时钟的频率上，这样就达到系统同步的目的。这种同步方法的缺点是主时钟一旦出现故障，相关的通信系统将全部中 断。它只限于在局部区域内使用。异步复接是各低次群使用各自的时钟。这样，各低次群的时钟速率就不一定相等，因而在复接时先要进行码速调整，使各低次群同步后再复接。? 不论同步复接或异步复接，都需要码速变换。虽然同步复接时各低次群的数码率完全一致 ，但复接后的码序列中还要加入帧同步码、对端告警码等码元，这样数码率就要增加，因此需要码速变换。? CCITT规定以2048kbit/s为一次群的PCM二次群的数码率为8448kbit/s。按理说，PCM二次 群的数码率是42048kbit/s=8192kbit/s。当考 虑到4个PCM一次群在复接时插入了帧同步码、告警码、插入码和插入标志码等码元，这此码元的插入，使每个基群的数码率由2048kbit/s调整到2112kbit/s，这样42112kbit/s=8448kb it/s。码速调整后的速率高于调整前的速率，称正码速调整。? 正码速调整方框图如图39所示。每一个参与复接的数码流都必须经过一个码速调整装置 ，将瞬时数码率不同的数码流调整到相同的、较高的数码率，然后再进行复接。? 码速调整装置的主体是缓冲存储器，还包括一些必要的控制电路、输入支路的数码率=2.048Mbit/s100bit/s，输出数码率为=2.112Mbit/s。所谓正码速调整就是因为而得名的。? 假定缓存器中的信息原来处于半满状态，随着时间的推移，由于读出时钟大于写入时 钟，缓存器中的信息势必越来越少 ，如果不采取特别措施，终将导致缓存器中的信息被取空，再读出的信息将是虚假的信息。? 为了防止缓存器的信息被取空，需要采取一些措施。一旦缓存器中的信息比特数降到规定数量时 ，就发出控制信号，这时控制门关闭，读出时钟被扣除一个比特。由于没有读出时钟，缓存 器中的信息就不能读出去，而这时信息仍往缓存器存入，因此缓存器中的信息就增加一个比特。如此重复下去，就可将数码流通过缓冲存储器传送出去，而输出信码的速率则增加为 图310中某支路输入码速率为，在写入时钟作用下，将信码写入缓存器，读出 时钟频率是，由于，所以缓存器是处于慢写快读的状态，最后将会出现“取 空”现象。如果在设计电路时加入一控制门，当缓冲存储器中的信息尚未“取空”而快要“ 取空”时，就让它停读一次。同时插入一个脉冲(这是非信息码)，以提高码速率，如图中 所示。从图中可以看出，输入信码是以的速率写入缓存器，而读出脉冲是以速率 读出，如图中箭头所示。由于，读、写时间差(相位差)越来越小，到第6个脉冲到来时，与几乎同时出现，这将出现没有写入都要求读出信息的情况从而造成“取 空”现象。为了防止“取空”，这时就停读一次，同时插入一个脉冲，如图中虚线所示。 插入脉冲在何时插入是根据缓存器的储存状态来决定的，可通过插入脉冲控制电路来完成。 储存状态的检测可通过相位比较器来完成。? 在收端，分接器先将高次群信码进行分接，分接后的各支路信码分别写入各自的缓存器。 为了去掉发送端插入的插入脉冲(称标志信号脉冲)，首先要通过标志信号检出电路检出标志 信号， 然后通过写入脉冲扣除电路扣除标志信号。扣除了标志信号后的支路信码的顺序与原来信码 的顺 序一样，但在时间间隔上是不均匀的，中间有空隙如图中所示。但从长时间来看，其平均 时间间隔，即平均码速与原支路信码相同，因此在收端要恢复原支路信码，必须先从图中波形中提取时钟。脉冲间隔均匀化的任务由锁相环完成。鉴相器的输入为已扣除插入脉冲的，另一个输入端接输出，经鉴相、低通和后获得一个频率 等于时钟平均频率的读出时钟，从缓存器中读出信码。奈奎斯特第一准则1924年，奈奎斯特（Nyquist）就推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：理想低通信道下的最高码元传输速率2W Baud其中W是理想低通信道的带宽，单位为赫兹；Baud是波特，即码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。奈氏准则的另一种表达方法是：每赫兹带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。若码元的传输速率超过了奈氏准则所给出的数值，则将出现码元之间的互相干扰，以致在接收端就无法正确判定码元是1还是0。对于具有理想带通矩形特性的信道（带宽为W），奈氏准则就变为：理想带通信道的最高码元传输速率1W Baud即每赫宽带的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。奈氏准则是在理想条件下推导出的。在实际条件下，最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值还要小些。电信技术人员的任务就是要在实际条件下，寻找出较好的传输码元波形，将比特转换为较为合适的传输信号。需要注意的是，奈氏准则并没有对信息传输速率（b/s）给出限制。要提高信息传输速率就必须使每一个传输的码元能够代表许多个比特的信息。这就需要有很好的编码技术。数据传输速率的定义 数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一。数据传输速率在数值上等于每秒种传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒(bit/second)，记作bps。对于二进制数据，数据传输速率为： S=1/T(bps) 其中，T为发送每一比特所需要的时间。例如，如果在通信信道上发送一比特0、1信号所需要的时间是0.001ms，那么信道的数据传输速率为1 000 000bps。 在实际应用中，常用的数据传输速率单位有：kbps、Mbps和Gbps。其中： 1kbps103bps 1Mbps106kbps 1Gbps109bps 带宽与数据传输速率 在现代网络技术中，人们总是以“带宽”来表示信道的数据传输速率，“带宽”与“速率”几乎成了同义词。信道带宽与数据传输速率的关系可以奈奎斯特(Nyquist)准则与香农(Shanon)定律描述。 奈奎斯特准则指出：如果间隔为/(=2f),通过理想通信信道传输窄脉冲信号，则前后码元之间不产生相互窜扰。因此，对于二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B（B=f,单位Hz)的关系可以写为： Rmax2.f(bps) 对于二进制数据若信道带宽B=f=3000Hz，则最大数据传输速率为6000bps。 奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信噪比之间的关系。 香农定理指出：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系为： RmaxB.log2(1+S/N) 式中，Rmax单位为bps,带宽B单位为Hz，信噪比S/N通常以dB（分贝）数表示。若S/N=30(dB),那么信噪比根据公式： S/N(dB)=10.lg(S/N) 可得，S/N1000。若带宽B=3000Hz，则Rmax30kbps。香农定律给出了一个有限带宽、有热噪声信道的最大数据传输速率的极限值。它表示对于带宽只有3000Hz的通信信道，信噪比在30db时，无论数据采用二进制或更多的离散电平值表示，都不能用越过0kbps的速率传输数据。 因此通信信道最大传输速率与信道带宽之间存在着明确的关系，所以人们可以用“带宽”去取代“速率”。例如，人们常把网络的“高数据传输速率”用网络的“高带宽”去表述。因此“带宽”与“速率”在网络技术的讨论中几乎成了同义词。 带宽：信号传输频率的最大值和最小值之差(Hz)。信道容量：单位时间内传输的最大码元数(Baud)，或单位时间内传输的最大二进制数(b/s)。数据传输速率：每秒钟传输的二进制数(b/s)。 带宽 :信道可以不失真地传输信号的频率范围。为不同应用而设计的传输媒体具有不同的信道质量，所支持的带宽有所不同。 信道容量:信道在单位时间内可以传输的最大信号量，表示信道的传输能力。信道容量有时也表示为单位时间内可传输的二进制位的位数（称信道的数据传输速率，位速率），以位/秒（b/s）形式予以表示，简记为bps。 数据传输率:信道在单位时间内可以传输的最大比特数。信道容量和信道带宽具有正比的关系：带宽越大，容量越大。(这句话是说,信道容量只是在受信噪比影响的情况下的信息传输速率) 低通信道： 任何实际的信道带宽都是有限的，在传输信号时带来的各种失真以及存在的多种干扰，使得信道上的码元传输速率有一个上限。1924年奈奎斯特推导出在具有理想低通矩形特性的信道的情况下的最高码元传输速率公式： 理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud W ：理想低通信道的带