电子与通信现代通信理论与技术

1、现代通信理论与技术Modern Communication Theories and Techniques主讲： 杨万全教授四川大学电子信息学院Tel：(028)85463881（O） 85461089（H）E-mail：YWQ YANG_WQ8/12/20221现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 课程主要内容第一部分 现代通信理论与技术概述（20学时）第二部分 通信系统中的信号和噪声（8学时）第三部分 模拟通信（12学时）第四部分 数字通信（20学时）8/12/20222现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 第四部分 数字通信（20学时） 讲述信源编码、加密编

2、码、信道编码、时分复用、数字复接、数字交换的基本原理、数字信号的基带传输和载波传输、通信中的同步技术，以及数字通信系统的抗噪声性能分析。 8/12/20223现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 本章知识要点数字通信的一般原理信源编码（模拟信号数字化和数据压缩）信道编码（检错纠错编码）数字加密技术时分多路复用数字交换数字信号的基带传输和载波传输数字通信系统的抗噪声性能分析第四章 数字通信Part 4 Digital Communication Systems8/12/20224现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 一、通信系统分类4.1 数字通信系统 Digital Communicati

3、on System信息源Source连续信息源Continuous (analog) information source离散信息源Discrete (digital) information source模拟信号Analog signal非电/电变换模拟通信Analog comm.模拟通信系统Analog communication system数字信号Digital signal数字通信Digital comm.数字通信系统Digital communication system模拟信号数字化8/12/20225现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 二、数据通信 Data Communi

4、cation 现代通信不限于人与人之间的通信，也可以是人与机器或机器与机器之间的通信。这里的机器主要指具有一定智能的机器，如计算机、遥测遥控设备等。这种通信所使用的信号必须能为机器所接受，能为计算机所“理解”，否则就无意义。计算机使用的信号是数字信号，因此，这种以传输数字数据为业务的人机或机机通信称之为数据通信。 另一种定义是：若信息源本身发出的就是数字形式的信号(比如电报、数据、指令)，那么不管用数字传输还是用模拟传输方式来传输这个信号的通信方式均称为数据通信。 数据通信具有三个特征：它是机器(计算机)对机器(终端设备)的通信，或者是人对机器的通信；它传输处理离散的数字数据，而不是连续的模拟

5、信号；它的通信速度很高，可以传输和处理大量的数据。8/12/20226现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 三、数字通信 Digital Communication （1）数字通信 信道中传输的是数字信号的通信方式称为数字通信，它包括将基带数字信号直接送往信道传输的数字基带传输和经载波调制后再送往信道传输的数字载波传输。对应的通信系统称为数字通信系统。 按照这一定义，数据通信只是意义更广的数字通信的一个方面，数字通信的另一个方面是模拟信号的数字化传输。 （2）数字通信系统的模型收信机发信机信道收信者噪声源信息源信源译码解密译码信道译码解调器信源编码加密编码调制器信道编码8/12/20227现

6、代通信理论与技术 第四部分 数字通信 GSM移动台和基站的原理框图8/12/20228现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 IS-95 CDMA系统的正向业务信道Walsh函数1.2288Mc/s基带滤波器基带滤波器cosct-/2I信道引导PN序列1.2288Mc/sQ信道引导PN序列1.2288Mc/s长码产生器1.2288Mc/s帧质量指示器加编码器尾比特(2，1，8)卷积编码码元重复分组交织复接分频器分频器800Hz功率控制比特800b/s19.2 ks/s19.2 ks/s用户m的长码掩码用户m的输入信息8.6 kb/s4.0 kb/s2.0 kb/s0.8 kb/s9.2 kb/

7、s4.4 kb/s2.0 kb/s0.8 kb/s9.6 kb/s4.8 kb/s2.4 kb/s1.2 kb/s19.2 kb/s9.6 kb/s4.8 kb/s2.4 kb/s8/12/20229现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 4.2 信源编码 Source Encoding4.2.1 信源编码的任务信 息源信源编码非电/电变换A/D变换离散连续数据压缩 （1）模拟信号数字化 Analog-to-digital Conversion 当信源为连续信源，信源编码器要对它进行取样、量化和编码，完成模/数变换功能，使其变为数字信号。一般称为模拟信号数字化。 （2）数据压缩 Data Co

8、mpression8/12/202210现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 数据压缩，就是如何用最少的比特数来表述信源的输出信息，如何用比较简单的办法来降低数码率，并且在信源译码器那里能准确地或以一定的质量损失为容限再现信源信息。 模拟信号数字化和数据压缩的原理与技术都是广义的信源编码的主要研究内容。 对信源编码的两点要求：每一单位时间内所需的(代表同一单位时间的信源输出信息的)码元数或数字位数尽量地少，即数码率低；能准确地或以一定的质量损失为容限，从已简化的或已压缩的编码序列逆变换为原信源输出信息是唯一可能的。（2）数据压缩 Data Compress8/12/202211现代通信理论与

9、技术 第四部分 数字通信 4.2.2 模拟信号数字化的原理 对于模拟信号，信源编码器首先要对它进行抽样、量化和编码，使其变为数字信号，完成模/数变换功能，一般称为模拟信号数字化。 模拟信号数字化就是研究将模拟信号转换为时间离散，幅度离散的对应数字信号的原理与技术。模拟信号预滤波抽样量化编码数字信号8/12/202212现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 抽样是将模拟信号的时间离散化，只要满足抽样定理的条件，抽样就是一种信息无损变换。1. 抽样 Sampling8/12/202213现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 抽样定理：一个频带限制在（0，fM）内的模拟信号m(t)，如果抽样频率

10、则可以由抽样间隔为的抽样值序列ms(t)无失真地重建原始信号m(t)。（1）低通信号的抽样8/12/202214现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 8/12/202215现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 抽样是将模拟信号的时间离散化，用离散时刻的抽样值表示（代替）模拟信号。 只要满足抽样定理的条件，抽样就是一种信息无损变换。 在 通信中，传输3003400Hz的话音信号，抽样频率应大于6800Hz，通常以8000Hz的抽样频率对话音信号进行抽样。数字 8/12/202216现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 带通信号：若信号的频率范围是 fL f fH ，带宽为 B= fH -f

11、L ，当 fLB 时，通常称为带通信号。 对于带通信号，从原理上讲仍可按低通信号的抽样频率来抽样，但这时抽样频率将会很高，频谱中 0 fL 频段为空隙，没有被充分利用，使得信道利用率不高。（2）带通信号的抽样8/12/202217现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 若则可将 N 个上边带和 N 个下边带搬移到（ fL ， fL）频段的空隙内，这样既不会发生频谱重叠现象，又能降低抽样频率，从而减小传输信号所需的信道带宽。带通信号的抽样8/12/202218现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 带通信号的抽样频率 与原始信号频带fL，fH可能重叠的频带都是下边带； 当NBfL (N+1)B时

12、，在原始信号频带fL，fH的低频侧，可能重叠的频带是对应于Nfs时的N次下边带，在高频侧可能重叠的频带是对应于(N+1)fs时的N+1次下边带，为了不发生频带重叠，抽样频率应满足下列条件: 8/12/202219现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 带通信号的抽样频率如果要求原始信号频带与其相邻边带间隔相等的话，则要求带通信号的抽样频率条件1：即 条件2： 即 8/12/202220现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 例载波60路超群信号的频带在312552kHz，带宽为若按低通抽样，要求8/12/202221现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 理想抽样：抽样序列是理想冲激脉冲序列实

13、际抽样：抽样序列是具有一定脉宽的脉冲序列（）实际抽样与脉冲振幅调制 （Pulse Amplitude Modulation PAM）8/12/202222现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 自然抽样的PAM信号 （ PAM Signal with Natural Sampling）8/12/202223现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 平项抽样的PAM信号 （PAM Signal with Flat-top Sampling)8/12/202224现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 比较两种实际抽样系统可见，自然抽样后的信号频谱在频率上是周期性的，其谱瓣形状与原函数频谱相同，但幅

14、度按抽样脉冲的频谱和脉冲宽度两者决定的比例系数变化；平顶抽样后的信号频谱各谱瓣要受抽样脉冲频谱的不均匀加权，从而各谱瓣有不均匀或不对称的失真，且幅度要下降，克服谱瓣失真的方法是在恢复信息信号的低通滤波器之后接一均衡滤波器，其频率传输函数为保持电路的传输函数的倒数。自然抽样与平项抽样的比较8/12/202225现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 量化是将模拟信号的幅度离散化，用有限个电平表示模拟信号幅度连续变化的无限个值。量化间隔判决电平：xk代表电平或重建值：yk量化：量化就是将输入信号的连续幅度值映射成这M个yk中的对应值。2. 量化 Quantizing8/12/202226现代通信理

15、论与技术 第四部分 数字通信 由于属于同一个量化区间的所有幅度连续取值的输入信号经量化后变换为同一个离散的量化值，必然有四舍五入，引起量化误差。q = x - Q(x)因此，量化是一种信息有损变换。 量化误差的引入相当于在原信号上叠加了一个噪声，因此量化误差又称为量化噪声。量化误差或量化噪声8/12/202227现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 量化器输出的信号平均功率量化误差或量化噪声 设 x 为零均值，方差为 2，概率密度函数为 px(x) 的随机变量，则量化噪声的方差为量化器的输出平均功率信噪比8/12/202228现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 量化特性 若量化间隔的大小

16、相等，不随输入信号幅度的大小而变，则这种量化称为均匀量化；反之，若量化间隔的大小随输入信号幅度的大小而变，则称为非均匀量化。8/12/202229现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 均匀量化器的平均量化噪声功率与量化间隔的平方成正比，输出平均功率信噪比随量化电平数的增加而提高。 必须指出的是：上述计算结果是在假设信号为均匀分布的条件下得到的统计平均值。如果从瞬时输出信号功率与平均量化噪声功率来分析，均匀量化器的缺点将是非常明显的。量化误差：q = /2均匀量化器的输出平均功率信噪比（1）均匀量化8/12/202230现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 由于信号小时瞬时功率小，信号大时瞬

17、时功率大，但均匀量化器对信号抽样值无论大小都以相同的量化间隔量化，从而量化误差范围 /2不变，量化噪声的平均功率固定不变。这样均匀量化器的瞬时输出信号功率与平均量化噪声功率之比将随信号强弱而具有大的变动范围。通常，量化器必须满足一定的量化信噪比指标，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围。显然，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。对于弱信号，均匀量化器量化间隔不变的缺点可能使它达不到给定量化信噪比的要求，或者要靠减小量化间隔增加量化电平数来满足量化信噪比的要求。为了克服这个缺点，实际中常采用非均匀量化。均匀量化8/12/202231现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 非均匀

18、量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔小；反之，量化间隔就大。 非均匀量化有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀量化器的量化信噪比得以改善；其次，非均匀量化时，量化噪声的均方根值基本上与信号抽样值成比例，因此，量化噪声对大、小信号的影响大致相同，改善了小信号时的量化信噪比。（2）非均匀量化8/12/202232现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 任何一种非均匀量化特性都可以由压缩器和均匀量化器组成，在接收端再由扩张器恢复信号。 压缩器的特点是对小信号有较大的放大倍数，而对大信号有较小的放大倍数。扩张器具有和压缩器相反

19、的功能。 非均匀量化的实现方法有两种，即模拟压扩法和数字压扩法。 模拟压扩法非均匀量化8/12/202233现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 压缩器的压缩特性大多采用对数式压缩。目前用得最广泛的两种压缩特性是以 为参量的 压缩律和以 A 为参量的A压缩律。 压缩律 A 压缩律压缩器的压缩特性8/12/202234现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 数字压扩法就是用数字电路产生许多相连接的折线段来近似对数压扩特性，直接对抽样信号进行非均匀量化编码。 数字压扩法8/12/202235现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 A律13折线非均匀量化8/12/202236现代通信理论与技术 第

20、四部分 数字通信 保持与小信号量化间隔相同的情况下，128 级非均匀量化相当于2048 级均匀量化。 北美、日本等地多采用压缩律，西欧各国多采用压缩律。考虑到CCITT将压缩律和压缩律都列为建议，并且国际间数字通信系统相互连接时要以压缩律为标准，以及其它一些因素，我国决定统一采用A压缩律。段号i12345678x 01y（13折线）01y（A=87.6）01斜 率161684211/21/4量化间隔112 14 18 116 132 164 1A律13折线近似8/12/202237现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 模拟信号经取样、量化之后，变为时间上和幅度上都离散的量化抽样值，再把这些量

21、化抽样值进一步变换为表示其量化电平大小的二进制或多进制代码的操作叫做编码。 编码实质上是将抽样值所在的区间号k变为二进制或多进制代码。 在数字通信中，代码的形式通常采用以有脉冲或无脉冲来表示的二进制形式。 码字：表示每个量化抽样值的二进制或多进制代码叫做码字。 码元：组成码字的每个脉冲叫做码元或码位。 码位数：每个码字中所包含的码元个数称为码长或码位数 码元宽度：每个码元所占的时间间隔称作码元宽度或码元间隔。 码元速率：单位时间内的码元个数称为码元重复频率或码元速率。3. 编码 Encoding8/12/202238现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 格雷码 Gray Code折叠二进制码

22、 Folded Binary Code量化电平自然二进码格雷码折叠二进码15141312111098765432101111111011011100101110101001100001110110010101000011001000010000100010011011101011101111110111000100010101110110001000110001000011111110110111001011101010011000000000010010001101000101011001111） 常用二进制代码8/12/202239现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 P X Y Z A

23、 B C D极性码段落码段内码2）A87.6 / 13折线非线性编码8/12/202240现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 8/12/202241现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 4. 模拟信号的数字化传输与脉冲编码调制（PCM）（1）模拟信号的数字化传输原理发送端相当于信源编码部分的模/数变换，包括抽样、量化和编码；数字传输系统，包括物理信道和传输数字信号所必需的技术设备，如基带传输中的再生中继器，载波传输中的调制解调器；接收端相当于信源译码部分的数/模变换器，包括再生、译码和低通滤波平滑。8/12/202242现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 把模拟信号转换为数字信号的全

24、过程称为广义的信源编码。 从调制角度来看模拟信号数字化，它是用脉冲码组表示调制信号的调制方式，一般称为脉冲数字调制。脉冲数字调制有多种制式，如脉冲编码调制(PCM)、差分脉冲编码调制(DPCM)、增量调制(M)等，但脉冲编码调制是模拟信号数字化的最基本形式。 传输经取样、量化和编码数字化了的脉冲编码调制信号的系统称为脉冲编码调制通信系统，它是数字通信系统的主要形式之一。（2）脉冲编码调制 Pulse Code Modulation8/12/202243现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 4.2.3 数据压缩技术1. 数据压缩的必要性和可能性 （1） 数据压缩的必要性 数字化了的模拟信号的数

25、据量非常大 采用PCM脉冲编码调制的数字 的数码率为64kb/s； 一路PAL制彩色数字电视，若用三倍副载频抽样，每象素38 比特编码，数码率为 4.433 3 8=318.96Mb/s，若以二进制实时传送，大约要占用64kb/s的数字话路4984个，若要存储，一张640MB（兆字节）的光盘也只能存放16秒的图象； 一路高清晰度电视，数码率高达12807206038=1327.104Mb/s，相当于13 路普通数字电视；8/12/202244现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 数码率高，不仅对传输不利，而且也增加了存储和处理的困难。因此，为了降低传输信息所要求的信道带宽，节省存储信息所需的

26、存储容量，无论从传输还是从存储的角度来考虑，数据压缩都是非常必要的。反之，如果不进行数据压缩，则无论传输还是存储都很难实用化。 数据压缩，就是如何用最少的比特数来表述信源的输出信息，如何用比较简单的办法来降低数码率，并且在信源译码器那里能准确地或以一定的质量损失为容限再现信源信息。 对数据进行压缩就成了信源编码更为重要的任务。数据压缩 Data Compress8/12/202245现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 语音、图象等信息信号具有很大的压缩潜力。 PCM方式并不是对模拟信号进行最有效的编码方式，或数码率最小的编码方式。 数据 = 信息 + 冗余度 信号波形各相邻抽样值之间常常接

27、近于相同值，存在着某种相关性，有大量的冗余度。减少或去掉数据中的冗余度就可以压缩数据，而不损失信息。 利用人的视觉特性和听觉特性，可以以一定的质量损失为容限对数据进行有损压缩。（2）数据压缩的可能性8/12/202246现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 冗余度压缩法 数据 = 信息 + 冗余度 冗余度压缩就是去掉或减少数据中的冗余，但这些冗余值是可以重新插入到数据中去的，所以冗余度压缩是一个可逆的过程。 典型的冗余度压缩法有Huffman编码、Fano-Shannon编码、算术编码、游程长度编码、Lempel-Zev编码等。2. 数据压缩的基本原理和方法8/12/202247现代通信理论

28、与技术 第四部分 数字通信 熵压缩法 熵定义为平均信息量。 熵压缩法在允许一定程度失真的情况下压缩了熵，会减少信息量，而损失的信息是不可再恢复的，因此熵压缩是不可逆压缩。 典型的熵压缩法有预测编码、变换编码、分析综合编码等。 熵压缩法8/12/202248现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 预测编码，是对预测误差信号进行量化和编码。 预测编码中典型的压缩方法有DPCM、ADPCM和M。 差分脉冲编码调制(DPCM)（1）预测编码8/12/202249现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 ADPCM的主要改进是量化器和预测器均采用自适应方式，使量化器和预测器的参数能随输入信号的统计特性自适

29、应于最佳或接近于最佳参数状态。 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）8/12/202250现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 增量调制又称调制，记为M或DM。它是上述预测编码中最简单的一种，只用一比特传输一个抽样值。 实质上，增量调制是差分脉冲编码调制的特殊情况，或者说，差分脉冲编码调制是增量调制的推广。 由于简单增量调制存在信号过载问题，所以实际使用的是增量总和调制或自适应增量调制。 一般来说，增量调制中抽样速度比奈奎斯特频率高得多，但码元传输速度比一般PCM低得多。普通的PCM单路 需要64kbit/s的速率。对简单增量调制改进后，在32kbit/s的速率时，已可获得满意的话音质量。

30、增量调制（M）8/12/202251现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 所谓变换编码是指先对信号进行某种函数变换，使信号从一种信号域变换到另外一种信号域，然后再对变换后的信号进行抽样、量化和编码。比如音频、视频信号属于低频信号，它们在频域中的能量较集中。如将时域音频、视频信号变换到频域再进行抽样、量化和编码，就肯定可以压缩数据。 常用的变换包括离散傅立叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）、WalshHadamard变换（WHT）和KarhunenLoeve变换（KLT）。 （2）变换编码8/12/202252现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 3. 声音压缩的方法和国际标准8/12

31、/202253现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 标准G711G721G728GSMCTIANSANSA速率(kb/s)6432161384.82.4算法PCMADPCMLD-CELPRPE/LTPVSELPCELPLPC质量2.5（1） 质量的语音压缩标准8/12/202254现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 （2） 高保真立体声音频压缩标准 调幅广播质量的音频信号的频率范围是507000Hz，又称为7kHz音频信号。当采用16kHz的抽样频率和14比特的量化位数时，数码率为224kb/s。 1988年，CCITT制定了G.722标准，采用子带编

32、码的方法，将输入信号用滤波器分成高子带信号和低子带信号，然后分别进行ADPCM编码，最后进入混合器形成输出码流，把信号速率压缩到64kb/s，可在窄带ISDN的一个B信道上传输调幅广播质量的音频信号。 高保真立体声音频信号的频率范围是2020000Hz，采用44.1kHz抽样频率和16比特量化编码，数码率为705.6kb/s。 成熟的高保真立体声音频压缩标准为MPEG音频。 （2）调幅广播质量的音频压缩标准8/12/202255现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 彩色图象的表示方法 彩色图象由红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色组成，也可以用色调H、色饱和度S和光强度I表示，而且后者更符合人

33、的视觉特性。 色调和色饱和度都表示彩色特性，统称为色度。 不同的电视制式采用不同的彩色空间表示，常用的彩色图象表示方式有Y、U、V方式和Y、I、Q方式，它们的共同点都是用其中的Y分量表示象素的亮度，用其余两个分量表示象素的色度。 R、G、B方式，Y、U、V方式和Y、I、Q方式三者之间不是互不相关，而是可以相互转换。4. 图象压缩的方法和国际标准8/12/202256现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 彩色图象的表示方法Y、U、V方式与R、G、B方式之间的转换关系为 8/12/202257现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 图象压缩的方法8/12/202258现代通信理论与技术 第四部分

34、 数字通信 （1）多灰度静止图象的数字压缩编码（JPEG）标准；（2）电视 /会议电视P64kb/s(CCITT H.261)标准；（3）运动图象的数字压缩编码（MPEG-1、MPEG-2）标准；（4）二值图象的数字压缩编码（JBIG）标准；（5）多媒体与超媒体信息对象的编码（MHEG）标准；（6）甚低码率图象压缩编码（ITU-T H.263）标准。图象压缩的国际标准8/12/202259现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 1. 信源编码的任务小结：信源编码 模拟信号数字化和数据压缩的原理与技术都是广义的信源编码的主要研究内容。信 息源信源编码非电/电变换A/D变换离散连续数据压缩2. 模

35、拟信号数字化的原理模拟信号预滤波抽样量化编码数字信号8/12/202260现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 对信源编码的两点要求：每一单位时间内所需的(代表同一单位时间的信源输出信息的)码元数或数字位数尽量地少，即数码率低；能准确地或以一定的质量损失为容限，从已简化的或已压缩的编码序列逆变换为原信源输出信息是唯一可能的。3. 对信源编码的要求8/12/202261现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 1. 抽样频率的选取；2. 压缩特性的选取；3. 非线性PCM码与线性码之间的转换。应用8/12/202262现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 4.3.1 同步时分多路复用原理 4.

36、3 数字通信中的多路复用技术时分多路复用（TDM） Time-Division Multiplexing 时分多路复用（TDM）以时间作为信号分割的参量，各路信号在时间轴上互不重叠。 抽样定理为时分多路复用提供了依据。8/12/202263现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 同步时分多路复用原理 原理：抽样周期被分为N个时隙，将N个信息信号的样值按一定顺序安排在这N个时隙中，通过发送端的并路器和接收端的分路器在每一个抽样周期内顺序对这N个信号依次传输一次，这样就可以在同一信道内时分顺序传送多个基带信号。 由于这种复用方式以周期出现的时隙作为信息的载体，在收发两端建立一条传输速率固定的通路，

37、所以一般称为同步时分多路复用。 8/12/202264现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 TDM信号中各信号的频谱分量混叠在一起，从频谱上不可能分辩各路信息信号。 由于时分顺序传送各信息信号一次的周期很短，所以，虽然从微观上讲在时间上可分辨各路信息信号，但人是感觉不到各路信息信号是在不同时间传送的，宏观上能感觉到的仍是“同时”传送。时分多路复用的特点8/12/202265现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 TDM信号的参数最小抽样频率抽样周期 时隙 码元宽度 最小信道带宽 数码率 8/12/202266现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 4.3.2 数字话音TDMPCM系统 话音信

38、号的频带限制在3003400Hz范围内，根据CCITT建议，采用8kHz的抽样率，抽样周期为125s，每样值采用8位二进制非线性编码。由于国际上通用的PCM有A律和律之分，它们的编码规则不同，所以时分多路复用的基群帧结构不同，形成了A律TDM-PCM30/32制式和律TDM-PCM24制式。 8/12/202267现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 在A律TDM-PCM30/32制式中，一个抽样周期被等分为32个时隙，每时隙为3.91s，并顺序从0到31编号，分别记作TS0，TS1，TS31，其中TS1到TS15和TS17到TS31这30个路时隙用来传送30路 信号的话音编码码组，TS0分

39、配给帧同步，TS16专用于传送30个话路的信令码和复帧同步码。帧同步时隙，信令时隙和30个话路时隙这32个时隙的信号共同形成一帧，占用一个抽样周期的时间，信号在信道中一帧接着一帧地传输。每个时隙内传送8位码，每位码采用50占空比的脉冲，占244/244ns。 复帧：一帧中的TS16只有8位码，不足以传送30个话路的标志信号，所以必须将16帧构成一个更大的帧，称为复帧。复帧的重复频率为800016500Hz，周期为125162.0ms。（1）A律TDM-PCM30/32制式8/12/202268现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 在抽样率为8000Hz时，PCM30/32系统的数码率为 fb

40、=8328000=2.048Mb/sA律TDM-PCM30/32制式基群帧结构8/12/202269现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 在律TDM-PCM24制式中，一个抽样周期的125s被分成193个码元，组成一帧。 12帧构成一个复帧，复帧周期为1.5ms。 每帧193个码元中帧首编号为1的位交替传送帧同步码和复帧同步码。其中12帧中的奇数帧的第1位码元构成“101010”帧同步码组，而偶数帧的第1位码元构成复帧同步码“00111”，第12帧的第1位码用作对端告警用。 每帧中其余192位码元每8位构成一路时隙，用于传送24路 信号。 PCM24制式采用话音时隙内信令，每复帧中的第6帧和

41、第12帧指定作为信令帧。在每个信令帧中，各路时隙的第8位即PCM码的最低位，用来传送该路信令。即每6帧中有5帧的样值按8比特编码，而有1帧按7比特编码。 在PCM24系统中，总的数码率为（8241）80001540 kbit/s。 （2）律TDM-PCM24制式8/12/202270现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 （1）数字复接原理4.3.3 数字复接技术扩大数字通信传输容量的方法原理上可以采用PCM复用方式实用方法是数字复接分接器复接器信道高次群复接低次群码速调整定 时外时钟低次群码速恢复分接定 时同步高次群8/12/202271现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 （2）PDH与

42、SDH数字复接系列PDH准同步数字复接系列 制式群路等级PCM30/32PCM24数码率话路数数码率话路数基群2.048301.54424二次群8.44830 4=1206.312244=96三次群34.368120 4=48032.06496 5=480四次群139.264480 4=192097.728480 3=1440SDH同步数字复接系列STM-1155.520Mb/sSTM-4622.080Mb/sSTM-162.5Gb/s（2488.320Mb/s）STM-6410Gb/s（9953.28）STM-25640Gb/s（39813.12）8/12/202272现代通信理论与技术 第

43、四部分 数字通信 PDH与SDH分插信号流程的比较8/12/202273现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 继PDH、SDH 等数字传送体系之后，近年ITU-T又定义了光传送体系（Optical Transport Hierarchy OTH）。OTH是一种新的标准化的数字传送体系结构，用于在光纤传输网络上传送经过相应适配的净荷，OTH支持点到点、环形、格形等各种结构光网络的操作和管理。（3）Optical Transport Hierarchy OTH8/12/202274现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 时隙信 元4.3.4 ATM异步时分复用信道信元头信息段虚拟信道VCj虚拟信

44、道VCi时间 ATM的复用方式为标记复用。它把信道看成是由一个个等长的时隙构成，每个时隙内都正好装载一个ATM信元。信元是ATM的基本传递单位，是一种极短（53字节）的固定长度的数据分组。每一信元包括一个信元头和一个信息段。信元通过虚拟信道VC传送，虚拟信道利用虚拟信道标记来表示，虚拟信道标记包含在信元头之中。8/12/202275现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 ATM异步时分复用原理 信元是ATM的基本传递单位。每一信元包括一个信元头和一个信息段。信元通过虚拟信道VC（Virtual Channel）传送，虚拟信道利用虚拟信道标记VCI（Virtual Channel Identif

45、ier）来表示，虚拟信道标记包含在信元头之中。属于同一虚拟信道的信元群拥有相同的虚拟信道标记，但占用的时隙可以出现在不同的位置。各虚拟信道的标记之间没有固定关系。通过虚拟信道标记可以在用户之间实现虚拟信道的动态分配，从而各虚拟信道可以具有不同的传输速率（1kb/s140Mb/s）。 “虚拟”（Virtual）即需要时立即设置，用完后马上取消。8/12/202276现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 ATM传输技术是以分组传输模式为基础并融合了电路传输模式高速化的优点发展而成的。 ATM用于交换，通过识别信元头中的虚拟信道标记，把输入线上的虚拟信道标记转换成输出线上的虚拟信道标记，控制数据交

46、换存储器的写入与读出，完成交换。 由于ATM使网络与业务无关，具有动态分配信道和带宽的功能，兼有高、中、低速信息业务为一身，使ATM技术成为B-ISDN和信息高速公路的核心技术。ATM8/12/202277现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 通信网是一种按照通信标准和协议，使用交换设备和传输设备，将地理上分散的用户终端设备互连起来，实现信息传输与交换的通信系统。4.4.1 通信网（1）通信网的概念4.4 通信网与交换技术8/12/202278现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 电信网 公用 网 PSTN 蜂窝式移动 网 分组交换网 数字数据网 DDN 综合业务数字网 ISDN广播电视网

47、 无线广播电视网 有线电视网计算机网 局域网 LAN 城域网 MAN 广域网 WAN INTERNET（2）常用通信网8/12/202279现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 PSTNISDNNII、GII（NGN） PSTN Public Switching Telephone Network ISDN Integrated Service Digital Network NII 国家信息基础设施(NII: National Information Infrastructure) GII 全球信息基础设施(GII: Global Information Infrastructure) I

48、SH 信息高速公路(Information Super Highways) （3）未来的通信网8/12/202280现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 NII & GII 1993年，美国政府制定了“国家信息基础设施”，简称NII(National Information Infrastructure)，俗称“信息高速公路”(Information Super Highways)的建设计划，引起了世界各国的普遍关注，在全世界掀起了竟相规划、建设各国自己的信息高速公路的热潮。1994年，一个建立全球信息基础设施(GII: Global Information Infrastructure)的

49、倡议又提了出来，建议将各国的NII连接起来，组成全球性的信息高速公路，实现世界范围的信息共享。严格地讲，NII与信息高速公路之间不能划等号，信息高速公路只是高水准国家信息基础设施NII的一个主要组成部分。人们习惯于把信息高速公路等同于NII，因为信息高速公路比NII更形象一些。 ) 8/12/202281现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 未来高水准的国家信息基础设施是一个由通信网、计算机、信息资源、用户信息设备和人构成的无所不在、互通互连的信息网络。通过它，为每个人及其所用的信息设备提供接入国家信息基础设施的能力。凭借这种能力，可以把人、家庭、学校、图书馆、医院、企业、政府一一相连起来，

50、可以获得各种各样公用与专用的信息资源，可以传递数据、图文、话音、视像和多媒体的各种形式的信息，可以满足不同类型用户的不同性能要求，为人们提供经济、高效、综合服务的通信手段，使信息社会中的生活、办公、科研、生产、文教、卫生、娱乐等活动组成一个整体，让人们能够经由“信息高速公路”连机通信，实现“居家上学”（Telelearning）、“居家上班”（Telecommuting）、“居家就医”（Telemedicine）等。 ) （2）未来高水准的国家信息基础设施8/12/202282现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 从信息高速公路的目标来看，将来NII提供的各种服务必须建立在通信与计算机的高度

51、结合和高度发达的通信网，主要是以ATM/SDH/OTH的全新交换与复用技术体制为核心的宽带综合业务数字网的基础上，必须具有视听结合、高度智能化的多媒体通信手段和个人通信技术，必须有完善的通信服务和信息服务。只有在高水准的NII中，人们才有可能实现通信不受时间、空间的限制，不管在什麽时间通信，不管在哪里通信，与哪里通信，不管谁与谁进行通信，不管用什麽方式怎样进行通信，都能迅速及时地将信息传递到所需要的任何地点，包括人类物质文明所能到达的甚至远离地球的地点的理想。 NII & GII8/12/202283现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 下一代通信网（NGN：Next Generation

52、Network） 什么是NGN？有人认为：凡是传统网络与IP 网的连接互通就是NGN。但是当你认真研究NGN 所追求的目的时你就会发现实现IP 与传统网络互联只是NGN真正含义的一小部分。事实上，NGN 具有极其丰富的内涵，它包含电信网络各个层面的新技术，ITU 的专家认为NGN是全球信息基础设施（GII）的具体实现。一般而言，NGN是可以提供包括话音、数据和多媒体等各种业务在内的综合开放的网络构架，有以下三大特征：（1）下一代网络（NGN）的网络结构对话音和数据采用基于分组的传输模式，采用统一的协议。它把传统的交换机的功能模块分离成为独立的网络部件，它们通过标准的开放接口进行互联，部件化使得

53、原有的电信网络逐步走向开放，运营商可以根据业务的需要，自由组合各部分的功能产品来组建新网络。部件间协议接口的标准化可以实现各种异构网的互通。 8/12/202284现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 下一代通信网（NGN） （2）NGN是业务独立于网络的网络，通过业务与呼叫控制分离以及呼叫控制与承载分离实现相对独立的业务体系，允许业务和网络分别提供和独立发展，提供灵活有效的业务创建、业务应用和业务管理功能，支持不同带宽的、实时的或非实时的各种媒体业务使用，使得业务和应用的提供有较大的灵活性，从而满足用户不断发展更新的业务需求，也使得网络具有可持续发展的能力和竞争力。（3）NGN通过网关设备

54、实现与现有网络，例如PSTN、ISDN和GSM等的互通，同时NGN也支持现有终端和IP智能终端，包括模拟 、 机、ISDN终端、移动 、GPRS终端、SIP终端、 H.248终端、MGCP终端、通过PC的以太网 、线缆调制解调器等。 8/12/202285现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 下一代通信网（NGN） 目前ITU-T 对NGN 的定义是GII 的外延，并建议有关GII/NGN 的研究方向包括以下几个方面：（1）第一层和第二层交换的研究。第一层指光网络基础设施引入光交换，第二层指引入MPLS 的交换。（2）IP选路的研究。（3）在网络边缘提供业务平台的研究。（4）核心网络技术与相

55、关协议体系结构的研究。8/12/202286现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 下一代通信网（NGN）（5）层间控制能力转化的研究通常控制和管理的区别是有度的，例如交叉连接与交换的区别是用电路颗粒和反应时间来区别的，同样底层的保护倒换和IP 层的动态选路之间的差别也有度，因此有必要研究层间功能的变化。 （6）网络端到端业务的研究。QoS和带宽控制和管理的融合研究，动态选路和保护倒换等。 （7）接入网的研究。研究新业务、新技术和新结构在接入网传送分组数据和语音所需要的能力，和接入网支持不同QoS 业务的能力。NGN网络结构8/12/202287现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 NGN的

56、网络模型8/12/202288现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 ITU-T建议G.872定义了光传送网OTN（Optical Transport Networks） ITU-T制定的新建议G.ason定义了自动交换光网络（Automatic Switched Optical Network ASON） 在一般意义上，通常人们所说的光传送网现在应该包括G.872的OTN和G.ason的ASON，或者统称为是基于OTN的传送网，也可以认为G.872的OTN构成ASON的传送平面。 基于SDH和利用DWDM技术的光纤传输网是电信网络基础设施最重要的传送平台。基于OTN的传送网的出现将使人们期望

57、的智能光网络逐步变为现实，为网络运营者和客户提供安全可靠、价格有效、客户无关、可管理、可操作、高效的新一代光传送平台。正如20世纪90年代初开始，核心网从基于PDH的传送网演进到基于SDH传送网一样，核心网从现在的基于SDH的传送网演进到未来基于OTN的传送网是传送网发展的必然趋势。 OTN and ASON8/12/202289现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 4.4.2 交换技术 1. 信息交换方式 信息交换指信息在不同线路、终端或网路之间的切换过程或分发过程。信息交换主要有电路交换、报文交换、分组交换、异步转移模式（ATM）、IP交换、MPLS等基本方式 8/12/202290现代

58、通信理论与技术 第四部分 数字通信 （1）电路交换 和用户电报通信网采用的是电路交换方式。这种方式的特点是：当一个人或终端要与远端的另一个人或终端通信时，就向交换机送入被叫端的用户号码，交换机根据这一号码在主叫和被叫之间建立起一条电路，或指定时分线的某个时隙，主叫端的信息便立即传送到被叫端，其时延仅仅是信息以光速传播时引起的传输时延，主、被叫之间能实时对话交换信息。另外，在电路交换中，通信时建立的电路被一对用户独占，且一直保持到双方挂机。 8/12/202291现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 （2）报文交换 公众电报系统采用的是报文交换，一份被发送的报文传送到交换中心后，先存储起来，当

59、连接该交换机的中继线空闲时，再将这份报文转发到通信目的地通路上的另一个交换机存储起来，这种“存储转发”的过程辗转进行，直到报文到达目的地为止，所以这种交换方式又称为“存储转发”交换方式。报文交换存在传输时延，不能实时对话。 8/12/202292现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 （3）分组交换与帧中继 指将待传送的报文或数据由交换机装配成规定长度和格式的数据块分组，让这些分组独立地以“存储转发”的方式并且可以由不同的路径在网内传输，在接收端的交换机又重新把它们组装成完整的报文或数据。分组交换的数据传输协议是X.25。 帧中继是一种快速分组交换技术，数据传输的基本单元是帧。 8/12/20

60、2293现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 （4）ATM异步转移模式 ATM以异步时分复用技术为基础。ATM的复用方式为标记复用。它把信道看成是由一个个等长的时隙构成，每个时隙内都正好装载一个ATM信元。信元是ATM的基本传递单位，是一种极短（53字节）的固定长度的数据分组。每一信元包括一个信元头和一个信息段。信元通过虚拟信道VC传送，虚拟信道利用虚拟信道标记来表示，虚拟信道标记包含在信元头之中。属于同一虚拟信道的信元群拥有相同的虚拟信道标记，但占用的时隙可以出现在不同的位置。各虚拟信道的标记之间没有固定关系。通过虚拟信道标记可以在用户之间实现虚拟信道的动态分配，从而各虚拟信道可以具有不同