数字通信基础

2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN通信技术基础陈红2014年03月2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN二、数字通信基础返回1、数字通信技术2、通信系统的性能指标2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN本节内容与要求返回通信技术基础——主要介绍数据通信的概念、调制解调技术、传输编码、传输方式、差错控制、传输控制协议、多路复用、数据交换、虚电路概念等。要求——本节内容是计算机网络通信的基础，能够理解网络通讯的基本原理。2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN1、数字通信技术数字通信——在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信——在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输返回数字通信系统信源编码调制器信道解调器信道解码噪声源信源收信者信道编码信源解码差错控制2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN数字通信的优点返回抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN（1）信源编码信源编码——将信息或信号接一定的规则进行数字化的过程。对于本身具有离散的特点的信息，如文字、符号等可以用一组一定长度的二进制代码来表示，称其为信息码。对于连续信号如话音、图像等，其数字编码与解码过程，实际上就是模数转换（A/D）和数模转换（D/A）返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN(a)ASCII码—文字、符号数字化A1000001Q1010001g1100111w1110111“0100010B1000010R1010010h1101000x1111000#0100011C1000011S1010011i1101001y1111001$0100100D1000100T1010100j1101010z1111010%0100101E1000101U1010101k110101100110000&0100110F1000110V1010110l110110010110001‘0100111G1000111W1010111m110110120110010(0101000H1001000X1011000n110111030110011)0101001I1001001Y1011001o110111140110100*0101010J1001010Z1011010p111000050110101+0101011K1001011a1100001q111000160110110,0101100L1001100b1100010r111001070110111.0101101M1001101c1100011s111001180111000-0101110N1001110d1100100t111010090111001/0101111O1001111e1100101u1110101sp0100000P1010000f1100110v1110110!0100001返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN(b)PCM—话音信号数字化语音信号011100011011001100PCM输出343314011100011011001100PCM脉冲（有量化误差）3.23.92.83.41.24.2PAM脉冲返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN模拟话音f4kHz采样时钟PCM信号采样电路量化和编码数字化声音fs=8kHz话音信道带宽4kHz(防混叠低通滤波器限带)采样时钟频率f：8kHz(2倍话音最大频率)（此时采样周期T=1/f=1/8000=125x10-6s=125us）量化级数：256级(每个抽样值用8位二进制码表示)数据率：（8x103次/s）*8bit=64x103bit/s每路PCM信号的速率=64kbit/sPCM信号速率64kbit/s返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN*采样定理语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：对每个样本舍入到量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号(脉冲编码调制,PulseCodedModulation)如果模拟信号的最高频率为f，若以2f的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHENE1-帧格式（PCM信号的传输）0121631时间片125ms=32时隙=2.048Mbps帧同步信令30路话音数据(PCM数据)+2路控制用户话路用户话路E1——线路也可以用于计算机通信每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道。（此时采样周期T=1/f=1/8000=125x10-6s=125us）通道0用于同步，通道16用于信令，其他30个通道用于传输30个PCM话音数据。E1速率=(32x8bit)/125us=2.048Mb/s返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN复用后的数据流时隙号1231D3D2D1时间片12时间片2D1时隙D2A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用器同步时分复用-TDM原理——把时间分割成小的时间片（帧），每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用（Synchronous—TDM)返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHENPCM信号的帧传输帧(Frame)——数据链路中的传输单位，包含数据和控制信息的数据块。返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN*PCM信号传输—E1/T1制式T1-标准(北美、日本)——24时隙的帧结构E1-标准(欧洲、中国、南美)——30／32时隙的帧结构E1(一次群)标准对E1进一步复用，还可构成E2、E3、E4和E5。E5可承载7680个话路，数据率约为565Mbit/s返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN*E1/T1制式主要技术参数G.711建议对PCM基群规定的主要技术参数如下表参数30/32路制式-E124路制式-T1话音频率（kHz）300～3400300～3400抽样率（kHz）88编码位数88量化层次256256压缩律A律（A=87.6）μ律（μ=255）单路编码率（kbit/s）6464帧长（μs）125125时隙（帧）3224话路（帧）3024复用码流速（kbit/s）20481544返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHENABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片1时间片2同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片1时间片2统计TDM可用带宽C2*异步(Asynchronous)—TDM返回TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN*异步传输模式ATM简介信元头部有效载荷5Byte48Byte信元返回ATM是一种高速分组交换技术，采用了以信元(Cell)为单位的存储转发方式，故又称为信元交换。信元由5字节的信元头部和48字节的有效载荷构成ATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固定的数据块，并在各数据块前加上地址、优先级等控制信息构成信元。2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN信元流123456数据块在ATM网络中，空信元以一定的速率出现，发送站只要获得空信元即可把信息插入到信元中发送。因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为异步传输模式。实际上就是统计时分复用。ATM特点：面向连接(虚连接)，按序递交；固定大小的信元，便于高速处理(可用硬件实现)，传输速率155-622Mbps；可以实时地传送语音和活动图像。*ATM特点返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN*SONET同步光网络和SDH同步数字系列SONET同步光网络和SDH同步数字系列(ITU-T标准)。常用的线路速率近似为155Mbit/s，622Mbit/s，2.5Gbit/s和10Gbit/s。返回SONETSDH制式（电）制式（光）速率（Mbit/s）制式速率（Mbit/s）STS-1OC-151.84STM-1155.52STS-3OC-3155.52STS-9OC-9466.56STM-4622.08STS-12OC-12622.08STS-18OC-18933.12STS-24OC-241244.16STS-36OC-361866.24STM-162488.32STS-48OC-482488.32STS-96OC-964976.64STM-649953.28STS-192OC-1929953.282014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHENF2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤棱柱/衍射光栅波分复用原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN（c）图像与视频信号数字化图像或视频信号的频带较宽、数据量较大（如一幅分辨率为10241024的真彩色图像，其数据量约为25Mbit），经数字化后的速率很高，通常超过100Mbit/s，其中HDTV高达746Mbit／s，不压缩传送占用的信道容量相当大，必须采用高效的压缩编码技术才能解决数字图像和视频信号的有效传输问题。目前用于图像压缩的方法主要有：无损编码和有损编码。无损编码利用信号的统计特性进行数据压缩，所以又称为熵编码。有损编码利用人的视觉特性进行数据压缩，可使得解压缩后的图像看起来逼近于原图像信号，但无法完全无失真地恢复它。常用国际标准：JBIG标准、JPEG标准、H.261建议、MPEG标准返回2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN图像压缩JBIG-JPEGJBIG（JointBiLevelImageGroup）联合二值图像专家组拟定，无损压缩标准（适用于黑白图像）。JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）联合图像专家小组拟定，针对相片图像而广泛使用的一种有损压缩标准方法。静止图像压缩标准（JPEG/JPEG2000)适用于黑白及彩色照片、传真和印刷图片。JPEG本身只有描述如何将一个图像转换为字节的数据流（streaming），但并没有说明这些字节如何在任何特定的存储媒体上被封存起来。2014-03Mechanical&ElectricalEngineeringH.CHEN视频压缩H.261H