现代信息技术概论-ch2-数字通信技术基础

第二章 数字通信技术基础参考教材第二章提纲模拟信号号数字化化模拟信号号和数字字信号数字通信信的特点点脉冲编码码技术时分复用用数字复接接技术模拟信号号模拟信号号：波形形模拟着着信息的的变化而而编号特点：幅幅度连续续数字信号号数字信号号：幅值值被限制制在有限限个数值值之内，，它不是是连续的的而是离离散的。。数字信号号的特点点抗干扰能能力强、、无噪声声积累便于加密密处理、、保密性性强便于存储储、处理理、交换换采用时分复用用实现多路路通信设备便于于集成化化、微型型化便于构成成综合数数字网和和综合业业务数字字网模拟信号号与数字字信号的的转换模拟信号号转换成成数字信信号：A/D转换经过抽样、量量化、编编码3个处理步步骤数字信号号转换成成模拟信信号：D/A转换2020-02-11通信网基基础7提纲模拟信号号数字化化模拟信号号和数字字信号数字通信信的特点点脉冲编码码技术时分复用用数字复接接技术脉冲编码码调制技技术脉冲编码码调制：：PulseCodeModulation，简称PCM。对信号进进行抽样样，并对对每个样样值独立立地加以以量化，，通过编编码转换换为数字字信号的的过程。PCM包括下述述三个过过程：抽样量化编码与解解码1．抽样（（sampling）定义：将将在时间间和幅度度上都是是连续的的话音信信号在时间上离离散化的过程实现：由由抽样门完成抽样速率率？由抽样定理理确定图2-9抽样过程程图2-10正弦波的的抽样抽样定理理的作用用近年来通通信系统统向数字字化发展展，模拟拟－>数字的转转换的基基础：抽抽样定理理；作用：在在一定条条件下，，一个连连续时间间信号完完全可以以用该信信号在等等时间间间隔点上上样本来来表示，，并且可可用这些些样本值值把信号号全部恢复出来电影（24帧/秒）：感感觉是连连续活动动的景象象；印刷照片片：由很很多细小小的网点点组成，，看起来来空间连连续；抽样定理理的提出出是不是所所有时间间间隔的的理想取取样都能能反映原原连续信信号的基基本特征征呢？抽样的时时间间隔隔取多大大合适？？目标：在在保留原原连续时时间信号号的全部信息息的条件下下抽取尽可能少少的数据方法：时域抽样样定理抽样定理理一个在频频谱区区间())以外为零零的频带有限限信号(带限信号号)，可以唯唯一地由由其均匀匀时间间间隔上上的取样样值确确定定。当取样频频率大于或等等于信号号带宽的的两倍时时，即时时，可以以从中中恢复复原信号号。定义为为奈奎奎斯特取取样率。。抽样定理理根据抽样样定理可可知，要要无失真真地恢复复原始信号应满满足；（3）需通过过理想滤滤波器恢恢复原始始信号（1）模拟信信号为带带限信号号。（2）抽样函函数为周周期函数数序列抽样过程程中的失失真实用的低低通滤波波器都有有一定的过过渡带，，因此在实实际应用用中必须须满足，，并使使各相邻邻边带间间有一定定的防卫卫间隔即即防卫带带如：话音音信号限限制在0.3~~3.4khz频率范围围之内，，因此，，若只传传送语音音的有效效成份，，必须把把0.3~~3.4khz以外的频频率成份份去掉，，否则会会产生折折叠失真真ITU--T（国际电电信联盟盟电信标标准化部部门）建建议话音信号号的抽样样频率为为8kHz2．量化（Quantizing）将幅度连连续变化化的信号号变成离离散信号号的处理理过程称称为量化化实质：一一个化零零取整的的过程方法：样样值的最最大变化化范围划划分成若若干个相相邻的间间隔。当当某样值值落在某某一间隔隔内，其其输出数数值就用用此间隔隔内的某某一个固固定值来来表示两种量化化方法：：均匀量化化和非均匀量量化把输入信信号的取取值域按按等距离离分割的的量化称称为均匀匀量化，，也称称线性量量化。任何一个个量化器器都有一一定的量量化范围围，通常常取-u~++u。量化级数数N与量化间间隔Δ的关系：：Δ=2u/N取量化间间隔的中中间值为为量化值值，量化化最大误误差为Δ/2。均匀量化化图量量化过程程及量化化误差量化噪声声和信噪噪比量化过程程一定会会产生误误差。量量化误差差就是指指量化前后后信号之之差，通常用用功率来来表示，，称之为为量化噪声声。量化误差差一旦产产生，在在接收端端就无法法消除克服量化化噪声的的方法：：增加量化化级数，，使量化化间隔相相对于信信号幅值值的大小小可以忽忽略不计计。均匀量化化信噪比比：信号号平均功功率与量量化噪音音平均功功率之比比。均匀量化化的特点点量化器的的量化噪声声随着量量化级数数M的增加而而提高，量化级数数的选取取是根据量量化器的的量化信噪噪比的要求确确定的。。无论信号号大小，，若量化化间隔相相等，量量化的噪噪声功率率不变。。=>（幅度））小信号的的量化信信噪比太太小，不能满满足通信信质量要要求，大大信号的的信躁大大，远远远满足要要求。为解决小小信号的的量化信信噪比太太小，需需要加大大量化级级数M；M过大，大大信号的的信噪比比过大，，同时编编码复杂杂，信道道利用率率过低。。非均匀量量化非均匀量量化的量量化原理理是量化化级间隔隔随信号号幅度的的大小自自动调整整。相对对来说，，在不增增大量化化级数的的条件下下，非均均匀量化化能使信信号在较较宽的动动态范围围内的信信噪比达达到要求求。非均匀量量化的特特点信号幅度度小时，，量化幅幅度小，，量化误误差也小小；信号幅度度大时，，量化间间隔大，，量化误误差也大大3．编码和和解码编码：把把量化后后的信号号样值变变换成对对应的二二进制码码组，又又称模数数变换自然二进进制码：：简单易易行；缺缺点：由由3变成4的时候每每一位都都要变；；格雷码：：相邻电电平间转转换，只只有一位位发生变变化；缺缺点：每每一位码码没有确确定大小小；折叠二进进制码：：沿中心心电平上上下对称称，适于于表示正正负对称称的双极极性码；；解码：在收信端端将收到到的二进进制码序序列还原原成相应应幅度的的量化值值，又称称数模变变换二进制码码、格雷雷码、折折叠二进进制码量化电平自然二进制码格雷码折叠二进制码00000000111001001010201001100130110100004100110100510111110161101011107111100111PCM信号形成成过程示示意图2020-02-11通信网基基础28提纲模拟信号号数字化化时分复用用时分复用用的基本本概念PCM30/32路系统时分复用用的同步步技术数字复接接技术时分复用用的基本本概念复用：为为了提高高信道利利用率，，使多个个信号沿沿同一信信道传输输而互相相步干扰扰，这种种通信方方式称为为复用复用方式式：时分分复用、、频分复复用、空空分复用用等时分复用用：各路路信号在在同一信信道上占占有不同时间间间隙的通信方方式时隙：每每一路所所占有的的时间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1n221n时分多路通信模型发端收端分配器K1K2PCM30/32路系统的的帧结构构完成数字字通信全全过程，，除对各各个话路路进行编编、解码码外，还还必须有有定时、、同步等等措施。。在数字字通信系系统中，，各种信信号（包包括加入入的定时时、同步步等信号号）都是是严格按按时间关关系进行行的。在在数字通通信中把把这种严严格的时时间关系系称为帧结构。一个采样样周期（（125us）内，每每个话路路的PCM信号按时时分复用用方式顺顺序出现现一次所所形成的的时分复复用信号号称为帧帧。图2-18PCM30/32路系统帧帧结构PCM30/32帧结构PCM30//32的帧周期期为125us，每一一帧有32时隙，每每个时隙隙为：125//32==3.9us。其中TS0是传送帧帧同步信信号，TS16传送信令令，其他他30路是话音音信号。。PCM30//32系统每个个话路语语言信号号抽样频频率为：：4000×2hz，每个样样值经过过量化后后编为8位码，每个话路路的码速速率为64kbit//s；PCM30/32D总总码速速率为：：2.048Mbit//s，一般记记为2M，也称一次群速速率，基群速率率。PCM30/32帧结构复帧：每一路语语音信号号都需要要信令的的支持才才能进行行通信，，PCM30/32系统有30个话路，，因此必必须传输输30路信令；；一路信令令信号只只需要4bit，1个TS16可以传送送两路信信令，15个TS16（15帧）可以以传送30路信令；；信令信号号每隔16帧传送一一次，16帧称为1复帧。同步是数数字通信信的基本本要求之之一。如如果收端端和发端端不能很很好的同同步，数数字通信信是无法法进行的的。同步步包括位同步、、帧同步步、复帧帧同步和和网同步步。时分复用用的同步步技术位同步的的基本含含义是收收发两端端的时钟钟频率必必须同频、同同相，这样接接收端才能正确确接收和和判决发发送端送送来的每每一个码码元。数字通信信系统中中消息是是一串相相继的信信号码元元序列，，接收端端必须知知道每个个码元的的出现时时刻，从从而对码码元进行行判别。。同频频就是要要求发送送端发送送了多少少个码元元，接收端必必须产生生同样多多的判决脉脉冲。位同步位同步示示意图帧同步的的作用是是实现语语音信号号的正确确分路。。接收端端不仅需需要正确确的区分分哪8路比特是是一组，，代表一一个抽样样值，而而且还要要正确区分出它它是代表表哪路话话音信号号的。常用方法法：同步码****PCM帧通过TS0时隙传送送同步码码：10011011，收端一一旦识别别出帧同同步码10011011：便可知知随后的的8位码为一一个码字字且是第第一话路路的，以以此类推推可以正正确接收收每一路路信号。。帧同步复帧同步步：实现信令信号号的正确确分路。发送端端在F0帧TS16时隙的前前4比特插入入特殊码码0000，接收端端只要识识别出这这一码型型，判断断出是F0帧，以后后依次为为F1,F2…。F0帧TS16时隙第6位码A2为复帧失失步对告告码，A2=1表示复帧帧失步，，A2=0表示复帧帧同步。。复帧同步步网同步现代通信信系统往往往在多多点之间间实现互互连，从从而构成成通信网网。为了了保证在在通信网网中各点点之间可可靠通信信，则必必须在网内建立立一个统统一的时时间标准准，即实实现网同同步。2020-02-11通信网基基础41提纲模拟信号号数字化化时分复用用时分复用用的基本本概念时分复用用的同步步技术PCM30/32路系统数字复接接技术数字复接接技术———定义义数字复接接技术就就是把两两个或两两个以上上分支数数字信号号按时分复用用方式汇接成为为单一的的复合数数字信号号的过程程。具体体来说，，通过数数字复接接技术把把PCM数字信号号由低次次群逐级级合成为为高次群群以适应应在高速速线路中中传输。。为什么使使用数字字复接代代替PCM复用？PCM复用瓶颈颈

在PCM30//32路系统中中，将30路话音信信号分别别用8kHz抽样频率率进行抽抽样，然然后对每每个抽样样值编8位码，其其数码率率为30×8×8000＝1920kbit/s，若传送送120路话路，，其数码码率将达达到120××8×8000＝7680kbit/s。平均均到每个个样值的的编码时时间仅1µs多一点，，对编码码电路速速度及对对元器件件的精度度要求求很高，，不太容容易实现现。克服瓶颈颈的技术术——数字复接接

把若若干个经经过PCM复用的信信号（如如30/32路机群系系统）进进行时分分复用以以形成更更多路数数的数字字通信，，这一过过程称为为数字复复接。ITU－T两类数字字速率和和复接等等级为促进数数字通信信设备的的通用化化，ITU--T推荐了两两类数字字速率和和复用等等级，下下表显示示出北美美，日本本，欧洲洲和中国国一次群群、二次次群、三三次群、、四次群群的速率率。我国一、、二、三三、四次次群（分分别称为为E1、E2、E3、E4）的速率率常简称称为2Mbit/s、8Mbit/s、32Mbit//s、140Mbit/s。北美和日日本一次次群（以以T1表示）的的速率简简称为1.5Mbit/s。表2-1数字复接接系列注意：二次群的的标准速速率：8448K>2048*4，其他高次次群的复复接速率率也存在在类似问问题。多多出来的的码元是是用来解解决帧同同步，业业务联络络和控制制等。地区

二次群

三次群四次群北美

24×4=96路6.312Mbit/s96×7=672路44.736Mbit/s672×6=4032路274.176Mbit/s

日本

24×4=96路6.312Mbit/s96×5=480路32.064Mbit/s480×3=1440路97.728Mbit/s

欧洲

中国

30×4=120路8.448Mbit/s120×4=480路34.368Mbit/s480×4=1920路139.264Mbit/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复接器分接器数字复接接系统方方框图分支1分支2数字复接接原理数字复接接系统由由数字复复接器和和数字分分接器组组成成。其中中数字复复接器由由调整、定定时、复复接三个单元元组成，，完成数数码流的的合路。。数字分分接器由由同步、、定时、、分接和和恢复单单元组成成，在接接收端把把收到的的高次次群分离离到各分分支路中中去。供给时钟钟频率使使分接器器与复接接器基准准时钟保保持同步步。调整单元元的作用用是把各输入支支路信号号的码速速调整到到与定时时信号信信号完全全一致，由复接接单元对对各支路路复接形形成一个个合路数数码流，，称为高高次群。。接收端端的分接接、恢复复单元则则实现复复接、调调整的反反过程。。数字复接接方式按位复接接依照被复复接支路路的顺序序，每次次只取一一个支路路的一位位码进行行复接按字复接接按字复接接是每次次复接一一个支路路的一个个码字按帧复接接按帧复接接是每路路每次插插入一个个帧的复复接方式式同步复接接与异步步复接同步复接接：被复复接的各各输入支支路之间间，以及及同复接接器之间间均是同同步的，，此时复复接器便便可直接接将低支支路数字字信号复复接成高高速的数数字信号号异步复接接：被复复接的各各输入支支路之间间及与复复接器的的定时信信号之间间均是异异步的，，其频率率变化范范围不在在允许的的变化范范围之内内，也不不满足复复接条件件，必须须进行码速调整整方可进行行复接。。各支路瞬瞬时数码码率不稳稳定产生生的重叠叠由于各分分支路码码流的速速率可能能存在着着微小的的差异，，所以在在进行复复接后数数码之间间就有可可能在某某一段发发生重叠叠，数码码重叠让让接收端端无法分分辨出支支路信号号。数码率不不同产生生的数码码重叠解决方法法­———正码速速调整法法完成从较低速的的数码率率到较高高速数码码率调整整的过程程称为正正码数调调整。正