现代信息技术概论_ch2_ 数字通信技术基础

1、 提纲 n模拟信号数字化 n模拟信号和数字信号 n数字通信的特点 n脉冲编码技术 n时分复用 n数字复接技术 模拟信号模拟信号 n模拟信号：波形模拟着信息的变化而编号模拟信号：波形模拟着信息的变化而编号 n特点：幅度连续特点：幅度连续 数字信号数字信号 数字信号：幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的而是离散 的。 数字信号的特点 n抗干扰能力强、无噪声积累 n便于加密处理、保密性强 n便于存储、处理、交换 n采用时分复用实现多路通信 n设备便于集成化、微型化 n便于构成综合数字网和综合业务数字网 模拟信号与数字信号的转换模拟信号与数字信号的转换 n模拟信号转换成数字信号：A/D转换 n经过

2、抽样、量化、编码3个处理步骤 n数字信号转换成模拟信号：D/A转换 2021-6-29通信网基础7 提纲 n模拟信号数字化 n模拟信号和数字信号 n数字通信的特点 n脉冲编码技术 n时分复用 n数字复接技术 脉冲编码调制技术 n脉冲编码调制：Pulse Code Modulation，简称 PCM。对信号进行抽样，并对每个样值独立地加 以量化，通过编码转换为数字信号的过程。 nPCM包括下述三个过程： n抽样 n量化 n编码与解码 1抽样（抽样（sampling） l 定义：将在时间和幅度上都是连续的话音信定义：将在时间和幅度上都是连续的话音信 号在号在时间上离散化时间上离散化的过程的过程 l

3、 实现：由实现：由抽样门抽样门完成完成 l 抽样速率？由抽样速率？由抽样定理抽样定理确定确定 图2-9 抽样过程 图2-10 正弦波的抽样 抽样定理的作用 n 近年来通信系统向数字化发展，模拟近年来通信系统向数字化发展，模拟数数 字的转换的基础：抽样定理；字的转换的基础：抽样定理； n 作用：在一定条件下，一个连续时间信号完作用：在一定条件下，一个连续时间信号完 全可以用该信号在等时间间隔点上样本来表全可以用该信号在等时间间隔点上样本来表 示，并且可用这些样本值把信号全部示，并且可用这些样本值把信号全部恢复恢复出出 来来 n 电影（电影（24帧帧/秒）：感觉是连续活动的景象；秒）：感觉是连续活

4、动的景象； n 印刷照片：由很多细小的网点组成，看起来空间印刷照片：由很多细小的网点组成，看起来空间 连续；连续； 抽样定理的提出 n 是不是所有时间间隔的理想取样都能反映原是不是所有时间间隔的理想取样都能反映原 连续信号的基本特征呢？连续信号的基本特征呢？ n 抽样的时间间隔取多大合适？抽样的时间间隔取多大合适？ n 目标：在保留原连续时间信号的目标：在保留原连续时间信号的全部信息全部信息的条件的条件 下抽取下抽取尽可能少尽可能少的数据的数据 n 方法：方法：时域抽样定理时域抽样定理 抽样定理 n一个在一个在 频谱区间频谱区间( )以外为零的以外为零的频带有限信号频带有限信号 (带限信号带限

5、信号) ，可以唯一地由其均匀时间间隔，可以唯一地由其均匀时间间隔 上的取样值上的取样值 确定。确定。 n 当取样频率当取样频率 大于或等于信号带宽的两倍时，即大于或等于信号带宽的两倍时，即 时，可以从时，可以从 中恢复原信号。中恢复原信号。 n 定义定义 为奈奎斯特取样率。为奈奎斯特取样率。 mS ff2 mS ff2 min )(tf mm , )( S nTf m SS f TT 2 1 )(tfS S f 抽样定理 根据抽样定理可知，要无失真地恢复原始 信号应满足； （3）需通过理想滤波器恢复原始信号 （1）模拟信号为带限信号。 （ 2）抽样函数为周期函数序列 抽样过程中的失真 n 实用

6、的低通滤波器都有一定的过渡带，因 此在实际应用中必须满足 ，并使各相邻 边带间有一定的防卫间隔即防卫带 n 如：话音信号限制在0.33.4khz频率范围 之内，因此，若只传送语音的有效成份，必 须把0.33.4khz以外的频率成份去掉，否则 会产生折叠失真 n ITU-T（国际电信联盟电信标准化部门）建 议话音信号的抽样频率为8kHz ws ff2 2量化（量化（QuantizingQuantizing） 将幅度连续变化的信号变成离散信号的处理 过程称为量化 实质：一个化零取整的过程 方法：样值的最大变化范围划分成若干个相 邻的间隔。当某样值落在某一间隔内，其输 出数值就用此间隔内的某一个固定

7、值来表示 两种量化方法：均匀量化和非均匀量化 l 把输入信号的取值域按等距离分割的量化称 为均匀量化 ，也称线性量化。 l 任何一个量化器都有一定的量化范围，通常 取-u+u。 l 量化级数N与量化间隔的关系：=2u/N l 取量化间隔的中间值为量化值，量化最大误 差为/2。 均匀量化均匀量化 图 量化过程及量化误差 量化噪声和信噪比量化噪声和信噪比 l 量化过程一定会产生误差。量化误差就量化过程一定会产生误差。量化误差就 是指是指量化前后信号之差量化前后信号之差，通常用功率来，通常用功率来 表示，称之为表示，称之为量化噪声量化噪声。 l 量化误差一旦产生，在接收端就无法消量化误差一旦产生，在

8、接收端就无法消 除除 l 克服量化噪声的方法：克服量化噪声的方法： l 增加量化级数，使量化间隔相对于信号幅增加量化级数，使量化间隔相对于信号幅 值的大小可以忽略不计。值的大小可以忽略不计。 l 均匀量化信噪比：信号平均功率与量化均匀量化信噪比：信号平均功率与量化 噪音平均功率之比。噪音平均功率之比。 均匀量化的特点均匀量化的特点 n 量化器的量化噪声随着量化级数M的增加而提高， 量化级数的选取是根据量化器的量化信噪比的要求确 定的。 n 无论信号大小，若量化间隔相等，量化的噪声功率 不变。= （幅度）小信号的量化信噪比太小，不能 满足通信质量要求，大信号的信躁大，远远满足要求。 n 为解决小

9、信号的量化信噪比太小，需要加大量化级 数M；M过大，大信号的信噪比过大，同时编码复杂， 信道利用率过低。 非均匀量化非均匀量化 l 非均匀量化的量化原理是量化级间隔随信号幅度 的大小自动调整。相对来说，在不增大量化级数 的条件下，非均匀量化能使信号在较宽的动态范 围内的信噪比达到要求。 非均匀量化的特点非均匀量化的特点 n 信号幅度小时，量化幅度小，量化误差也 小； n 信号幅度大时，量化间隔大，量化误差也 大 3编码和解码 l 编码：把量化后的信号样值变换成对应的二 进制码组，又称模数变换 l 自然二进制码：简单易行；缺点：由3变成4 的时候每一位都要变； l 格雷码：相邻电平间转换，只有一

10、位发生变 化；缺点：每一位码没有确定大小； l 折叠二进制码：沿中心电平上下对称，适于 表示正负对称的双极性码； l 解码：在收信端将收到的二进制码序列还原 成相应幅度的量化值，又称数模变换 二进制码、格雷码、折叠二进制码 量化电平量化电平自然二进制码自然二进制码格雷码格雷码折叠二进制码折叠二进制码 0000000011 1001001010 2010011001 3011010000 4100110100 5101111101 6110101110 7111100111 PCM信号形成过程示意图 2021-6-29通信网基础28 提纲 n模拟信号数字化模拟信号数字化 n时分复用时分复用 n时

11、分复用的基本概念时分复用的基本概念 nPCM30/32路系统路系统 n时分复用的同步技术时分复用的同步技术 n数字复接技术数字复接技术 时分复用的基本概念时分复用的基本概念 l 复用：为了提高信道利用率，使多个信号沿 同一信道传输而互相步干扰，这种通信方式 称为复用 l 复用方式：时分复用、频分复用、空分复用 等 l 时分复用：各路信号在同一信道上占有不同 时间间隙的通信方式 l 时隙：每一路所占有的时间间隔 量化 编码 解 码 信道 1路 2路 n路 n路 2路 1路 低通滤波 分配器 抽样(合路门) 分路门 低通重建 1 n 2 2 1 n 时分多路通信模型 发 端 收 端 分配器 K1K

12、2 PCM30/32PCM30/32路系统的帧结构路系统的帧结构 完成数字通信全过程，除对各个话路进行编、 解码外，还必须有定时、同步等措施。在数字 通信系统中，各种信号（包括加入的定时、同 步等信号）都是严格按时间关系进行的。在数 字通信中把这种严格的时间关系称为帧结构。 一个采样周期（125us）内，每个话路的PCM 信号按时分复用方式顺序出现一次所形成的时 分复用信号称为帧。 图2-18 PCM30/32路系统帧结构 1234 0 TS 5678910111213141516171819202122232425262728293031 F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11

13、F12F13F14F15 16帧、2ms 32时隙256bit、125s 100110110000111 11 0 1 0 1 11111 帧定位时隙 复帧定位码组 保留给国际用 (目前固定为1) 保留给国内用 奇 帧 识 别 码 帧 对 告 码 奇帧TS0 偶帧TS0 TS1TS15 用于话路 标志信号时隙 x1x2x3x4x5x6x7x8 段内码 极 性 码 复帧定 位码组 复帧对 告和备 用比特 abcdabcd 第1路第16路 abcdabcd 第2路第17路 abcdabcd 第15路第30路 F15 F2 F1 F0 段落码 TS17TS30 用于话路 TS31用于话路 (目前固定

14、为1) PCM30/32PCM30/32帧结构帧结构 l PCM 30/32的帧周期为125us，每一帧有32时 隙，每个时隙为：125/32=3.9us。其中TS0 是传送帧同步信号，TS16传送信令，其他 30路是话音信号。 l PCM 30/32系统每个话路语言信号抽样频率 为：40002hz，每个样值经过量化后编为8 位码，每个话路的码速率为64kbit/s； l PCM30/32D 总码速率为：2.048Mbit/s，一 般记为2M，也称一次群速率，基群速率。 PCM30/32PCM30/32帧结构帧结构 l 复帧： l 每一路语音信号都需要信令的支持才能进行 通信，PCM 30/3

15、2系统有30个话路，因此必须 传输30路信令； l 一路信令信号只需要4bit，1个TS16 可以传送 两路信令，15个TS16（15帧）可以传送30路信 令； l 信令信号每隔16帧传送一次，16帧称为1复帧。 n同步是数字通信的基本要求之一。如果收同步是数字通信的基本要求之一。如果收 端和发端不能很好的同步，数字通信是无端和发端不能很好的同步，数字通信是无 法进行的。同步包括法进行的。同步包括位同步、帧同步、复位同步、帧同步、复 帧同步和网同步。帧同步和网同步。 时分复用的同步技术时分复用的同步技术 n位同步的基本含义是收发两端的时钟频率必位同步的基本含义是收发两端的时钟频率必 须须同频、

16、同相同频、同相，这样接收端，这样接收端才能正确接收和才能正确接收和 判决发送端送来的每一个码元。判决发送端送来的每一个码元。 n数字通信系统中消息是一串相继的信号码元数字通信系统中消息是一串相继的信号码元 序列，接收端必须知道每个码元的出现时刻序列，接收端必须知道每个码元的出现时刻 ，从而对码元进行判别。，从而对码元进行判别。 同频就是要求发送同频就是要求发送 端发送了多少个码元，端发送了多少个码元，接收端必须产生同样接收端必须产生同样 多多的判决脉冲。的判决脉冲。 位同步位同步 位同步示意图位同步示意图 n帧同步的作用是实现语音信号的正确分路。帧同步的作用是实现语音信号的正确分路。 接收端不

17、仅需要正确的区分哪接收端不仅需要正确的区分哪8路比特是一组路比特是一组 ，代表一个抽样值，而且还要正确，代表一个抽样值，而且还要正确区分出它区分出它 是代表哪路话音信号是代表哪路话音信号的。的。 n常用方法：常用方法：同步码同步码* nPCM帧通过帧通过TS0时隙传送同步码时隙传送同步码：10011011 ，收端一旦识别出帧同步码，收端一旦识别出帧同步码10011011 ：便可：便可 知随后的知随后的8位码为一个码字且是第一话路的，位码为一个码字且是第一话路的， 以此类推可以正确接收每一路信号。以此类推可以正确接收每一路信号。 帧同步帧同步 n复帧同步：复帧同步：实现实现信令信号的正确分路信令

18、信号的正确分路。发送。发送 端在端在F0帧帧TS16时隙的前时隙的前4比特插入特殊码比特插入特殊码 0000，接收端只要识别出这一码型，判断出，接收端只要识别出这一码型，判断出 是是F0帧，以后依次为帧，以后依次为F1,F2。 n F0帧帧TS16时隙第时隙第6位码位码A2为复帧失步对告码为复帧失步对告码 ，A2=1表示复帧失步，表示复帧失步，A2=0表示复帧同步表示复帧同步 。 复帧同步复帧同步 网同步 n现代通信系统往往在多点之间实现互连，从而现代通信系统往往在多点之间实现互连，从而 构成通信网。为了保证在通信网中各点之间可构成通信网。为了保证在通信网中各点之间可 靠通信，则必须在靠通信，

19、则必须在网内建立一个统一的时间标网内建立一个统一的时间标 准，即实现网同步准，即实现网同步。 2021-6-29通信网基础41 提纲 n模拟信号数字化模拟信号数字化 n时分复用时分复用 n时分复用的基本概念时分复用的基本概念 n时分复用的同步技术时分复用的同步技术 nPCM30/32路系统路系统 n数字复接技术数字复接技术 数字复接技术定义 n数字复接技术就是把两个或两个以上分支数字数字复接技术就是把两个或两个以上分支数字 信号按信号按时分复用方式时分复用方式汇接成为单一的复合数字汇接成为单一的复合数字 信号的过程。具体来说，通过数字复接技术把信号的过程。具体来说，通过数字复接技术把 PCM数

20、字信号由低次群逐级合成为高次群以适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。应在高速线路中传输。 n为什么使用数字复接代替为什么使用数字复接代替PCM复用？复用？ nPCM复用瓶颈复用瓶颈 在在PCM 30/32路系统中，将路系统中，将30路话音信号分别用路话音信号分别用8kHz抽抽 样频率进行抽样，然后对每个抽样值编样频率进行抽样，然后对每个抽样值编8位码，其数码位码，其数码 率为率为30880001920kbit/s，若传送，若传送120路话路，其路话路，其 数码率将达到数码率将达到120880007680kbit/s。 平均到每个平均到每个 样值的编码时间仅样值的编码时间

21、仅1s多一点，对编码电路速度及对元多一点，对编码电路速度及对元 器件的精度器件的精度 要求很高，不太容易实现。要求很高，不太容易实现。 n克服瓶颈的技术克服瓶颈的技术数字复接数字复接 把若干个经过把若干个经过PCM复用的信号（如复用的信号（如30/32路机群系统）路机群系统） 进行时分复用以形成更多路数的数字通信，这一过程称进行时分复用以形成更多路数的数字通信，这一过程称 为数字复接。为数字复接。 ITUT两类数字速率和复接等级 n为促进数字通信设备的通用化，为促进数字通信设备的通用化，ITU-T推推 荐了两类数字速率和复用等级，下表显示荐了两类数字速率和复用等级，下表显示 出北美，日本，欧洲

22、和中国一次群、二次出北美，日本，欧洲和中国一次群、二次 群、三次群、四次群的速率。群、三次群、四次群的速率。 n我国一、二、三、四次群（分别称为我国一、二、三、四次群（分别称为E1 、E2、E3、E4）的速率常简称为）的速率常简称为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 简称为简称为1.5Mbit/s。 表表2-1 数字复接系列数字复接系列 注意：注意：二次群的标准速率：二次群的标准速率：8448K2048*4， 其他高次群的复接速率也存在类似问题。多出其他高次群的复接速率也存在类似问题。

23、多出 来的码元是用来解决帧同步，业务联络和控制来的码元是用来解决帧同步，业务联络和控制 等。等。 地区 二次群 三次群四次群 北美 244=96路 6.312Mbit/s 967=672路 44.736Mbit/s 6726=4032路 274.176Mbit/s 日本 244=96路 6.312Mbit/s 965=480路 32.064Mbit/s 4803=1440路 97.728Mbit/s 欧洲 中国 304=120路 8.448Mbit/s 1204=480路 34.368Mbit/s 4804=1920路 139.264Mbit/s 1544 kb/s 6312 kb/s 24

24、30 7 4 4 5 4 4 16 4 1 3 32064 kb/s 97728 kb/s 44736 kb/s 8448 kb/s 2048 kb/s 34368 kb/s 139264 kb/s 564992 kb/s 1.5 M系 列 2 M系 列 复 接 等 级 64 kb/s 定 时 调 整 复 接 外部 时钟 恢 复 分 接 定 时 同 步 外线 高次群 分支3 分支4 分支1 分支2 分支3 分支4 复接器 分接器 分支1 分支2 数字复接原理 n数字复接系统由数字复接器和数字分接器数字复接系统由数字复接器和数字分接器 组成。组成。 其中数字复接器由其中数字复接器由调整、定时、复

25、接调整、定时、复接三个单元组成三个单元组成 ，完成数码流的合路。数字分接器由同步、定时、，完成数码流的合路。数字分接器由同步、定时、 分接和恢复单元组成，在接收端把收到的高分接和恢复单元组成，在接收端把收到的高 次群分次群分 离到各分支路中去。离到各分支路中去。 n供给时钟频率使分接器与复接器基准时钟保持同步供给时钟频率使分接器与复接器基准时钟保持同步 。 n调整单元的作用是把调整单元的作用是把各输入支路信号的码速调整到各输入支路信号的码速调整到 与定时信号信号完全一致与定时信号信号完全一致，由复接单元对各支路复，由复接单元对各支路复 接形成一个合路数码流，称为高次群。接收端的分接形成一个合路

26、数码流，称为高次群。接收端的分 接、恢复单元则实现复接、调整的反过程。接、恢复单元则实现复接、调整的反过程。 数字复接方式 n按位复接按位复接 依照被复接支路的顺序，每次只取一个支路的一位依照被复接支路的顺序，每次只取一个支路的一位 码进行复接码进行复接 n按字复接按字复接 按字复接是每次复接一个支路的一个码字按字复接是每次复接一个支路的一个码字 n按帧复接按帧复接 按帧复接是每路每次插入一个帧的复接方式按帧复接是每路每次插入一个帧的复接方式 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 次 群 (按 位 复 接 ) (c) 二 次 群 (按 字 复 接 ) 同步复接与异步复接 n同步复接：被复接的各输入支路之间，以及同复同步复接：被复接的各输入支路之间，以及同复 接器之间均是同步的，此时复接器便可直接将低接器之间均是同步的，此时复接器便可直接将低 支路数字信号复接成高速的数字信号支路数字信号复接成高速的数字信号 n 异步复接：被复接的各输入支路之间及与复接器异步复接：被复接的各输入支路之间及与复接器 的定时信号之间均是异步的，其频率变化范围不的定时信号之间均是异步的，其频率变化范围不 在允许的变化范围之内，