第6章 数字通信系统概述

第6章数字通信系统概述6.1数字通信系统模型6.2数字复接技术6.3数字传输信号帧结构6.4数字传输信号的处理6.5数字信号的调制与解调6.1数字通信系统模型6.1.1数字通信系统模型结构数字通信系统是指完成数字信号产生、变换、传递及接收全过程的系统，图6.1为数字通信系统模型结构示意图。信息源：信息或信息序列的产生源；信源编码：模拟信号变换成数字信号；信道编码：数字信号变换为适合信道传输的码型；数字调制器：调制编码后的数字信号；信道：传输信号的通道；数字解调：从频带数字信号恢复宽带数字信号；信道解码：通过码型反变换恢复基带数字信号；信源解码：数字信号变换为模拟信号；受信者：信息或信息序列的接收源。图6.1数字通信系统信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道信道解码器数字解调器受信者信源解码器噪声源数字传输系统6.1.2数字通信系统的主要性能指标1数字传输系统传输速率1)信息传输速率单位时间内传送的信息量，单位是比特/秒。2)码元传输速率单位时间传输的码元数，单位为波特。信息传输速率fB和码元传输速率N的转换公式：其中：M为码元进制数。(6.1.1)MNfB2log2误码1)误码概念干扰幅度超过脉冲信号再生判决的门限时，会造成误判成为误码，如图6.2所示。误码用误码率表征，误码率Pe指传输过程中发生错误的码元数与传输的总码元数之比limenP产生错误码元(个数)传输总码元(个数)(6.1.2)图6.2噪声叠加在数字信号上的波形A2A“1”码“0”码0TB判决门限电平U门t2)误码积累数字通信系统中含有多个再生中继段，传输系统的的误码率与每个再生中继段内的误码率相关，即误码具有累计特性。一个有m个再生中继段的传输系统，总误码率为：其中，i为再生中继段序号，为第i个再生中继段的误码率。若每个再生中继段的误码率相同，则总误码率为：ieBeBmPP1imeBeBiPP(6.1.3)(6.1.4)ieBP3抖动1)抖动概念噪声因素影响下数字信号的有效瞬间对应理想时间位置的短时偏离，图6.3为脉冲抖动意义示意图。2)抖动容限抖动容限一般是用峰—峰抖动来描述，指某特定的抖动比特的时间位置相对于该比特抖动时的时间位置的最大部分偏离。数字脉冲1比特宽为T，偏离位置用表示，则抖动容限为ppJ)%(100UIT图6.3脉冲抖动的意义①发送脉冲②接收脉冲③抖动函数t1t2t3t4t5t1t2t3t4t5j(t)t6.2数字复接技术6.2.1数字多路通信原理1数字多路通信的理论基础数字多路通信也叫时分多路通信，利用多路数字信号在信道上占有不同的时间间隙来进行通信。数字多路通信的理论基础源于信号的正交性：2112()()0ttFftftdt(6.2.1)对于数字信号，用离散和代替积分图6.4为脉冲信号的正交示意图：说明两个数字信号符合正交条件，利用数字信号的正交性可实现时分多路通信。0)]()([)]()([)]()([)]()([)]()([)(03322110212121021021TttttttTtftftftftftftftftftfTR0120()()()TtRTftft(6.2.2)(6.2.3)图6.4脉冲信号的正交f1(t)At1t2T0tf2(t)0t1t2t3T0tt32数字多路通信模型模拟话音信号的抽样频率为8000Hz，其抽样周期T=1/8000s=125μs。利用时间的可分性在T内间插n路数字信号，即能实现多路数字信号的传输。图6.5为多路通信模型示意图，两端旋转开关的起始位置和旋转速度要完全相同，旋转开关旋转一圈为一个周期，对应于抽样周期T=125μs。发端，用单片PCM编/解码器把每路话音信号抽样编码为数字信号，利用时间间隙合路后传输信道；收端，先分路各路数字信号，然后用PCM编/解码器恢复各路话音信号。图6.5时分多路复用示意图m1(t)m2(t)12S1mn(t)n信道n12m1(t)mn(t)′′m2(t)′S2……6.2.2数字信号复接技术数字复接指利用时间的可分性，采用时隙叠加方法把多路低速数字码流(支路码流)在同一时隙内合并成高速数字码流的过程。数字复接方式：按位复接、按字复接和按帧复接。按位复接指按一个码位时隙宽度进行时隙叠加；按字复接指按一个码字时隙宽度进行时隙叠加。图6.6为按位复接和按字复接示意图，采用时隙叠加使原来每位码或每个码字宽度缩小，提高了码率，实现了低速数字码流变为高速数字码流。图6.6按位复接和按字复接示意图(a)一次群(基群)；(b)二次群(按位数字复接)；(c)二次群(按字数字复接)CH1(第一路)10110101PCM30/32基群(1)PCM30/32基群(2)PCM30/32基群(3)PCM30/32基群(4)(a)PCM30/32基群(1)11110101100111100111101000011111(b)PCM30/32(1)CH1(c)101101011101101100111011110101106.3数字传输信号帧结构帧结构一般采用CCITT建议的统一格式，一帧信号中应包含以下信号：①帧同步信号(帧定位信号)及同步对告信号；②信息信号；③特殊信号(信令、纠错、加密信号等)；④勤务信号(监测、告警信号等)。6.3.1PCM30/32路基群帧结构CCITT建议两种基本数字基群系列：PCM30/32路系统一次群和PCM24路一次群系统，下面主要介绍我国及欧洲采用的PCM30/32路系统帧结构。图6.7为PCM30/32路制式帧结构示意图，帧周期为PCM单路信号抽样周期125μs，每帧由32个时隙TS0～TS31组成(每个时隙有8位二进制码)，TS0为同步时隙，TS16为信令时隙，TS1～TS15，TS17～TS31为话路时隙，所以称基群30/32路系统。图6.7PCM30/32制式帧结构帧同步路话路话路信令路话路话路F15F0F1F2F15F01帧1复帧＝16帧(2ms)…1帧32个路时隙125s256比特8比特路时隙3.9s……话路………话路…TS0TS1TS15TS16TS17TS31偶帧帧同步码保留给国际用(目前固定为1)奇帧帧失步对告1001101111A111111保留给国内用(目前固定为1)复帧同步码1复帧对告码00001A211码位12345678F0帧F1帧abcdabcdabcdabcdCH1信令码CH17信令码码字＝8比特路时隙3.9sF15帧CH15信令码CH31信令码同步：A1＝0；A2＝0失步：A1＝1；A2＝11)话路时隙TS1～TS15分别传送CH1～CH15路的话音数字信号，TS17～TS31分别传送CH17～CH31路的话音数字信号；2)帧同步时隙偶帧TS0发帧同步码0011011；奇帧TS0传送帧失步告警码(A1为“0”表示帧同步，为“1”表示帧失步)。3)信令复帧时隙1个复帧有16帧(F0～F15)，F0帧的TS16传送复帧同步码与复帧失步告警码(A2为“0”表示帧同步，为“1”表示帧失步)。F0～F15帧TS16时隙分别传送30个话路的信令码。每一路时隙tc为码字位数L=8,故每一位时隙tB为数码率一般称基群帧接口速率为2Mb/s速率接口，图6.8为PCM基群30/32路系统方框图，即2M接口结构方框图。1253.9321250.488328ccBTstsntTstsLnL(6.3.1)(6.3.2)132880002048/BsBnLfnLfkbstT(6.3.3)图6.8PCM30/32路系统方框图汇总码型变换帧同步码发生器发端定时分离帧同步码检出码型反变换再生收端定时二线语音信号124低通(发)A/D低通(收)D/A单片集成编/解码器12n…信令码数据信号…发n21…信令码数据信号…收四线信道6.3.2准同步数字复接系列帧结构1准同步复接系列——PDH系列数字复接系列：不同话路数和不同速率由低向高逐级复接形成的系列。同步数字复接系列(SDH系列)：被复接各支路码位同步(各支路的数码率严格相等)，各支路码元直接在时间压缩、移相后复接形成的系列。准同步数字复接系列(PDH系列)：被复接各支路的码位不同步(各支路的数码率不是严格相等)，复接前要调整各支路码速使之严格相等，然后在时间压缩、移相后复接形成的系列。国际上有两大PDH系列：PCM基群24路系列和PCM基群30/32路系列(常称为1.5M和2M接口速率)，如表6.1所示。表6.1两类速率复接系列比较表22M速率接口的(PDH)复接系列二次群帧结构参加复接的各低次群(支路)采用各自的时钟，时钟偏差不同(尽管标称速率均为2.048Mb/s)，所以复接前要调整码率，使得各支路码率严格相等后才能复接，图6.9为数字复接示意图。CCITT推荐的PDH系列二次群速率为8.448Mb/s，图6.10为异步复接二次群的帧结构示意图，准同步复接系列PDH二次群帧结构中各支路的比特安排如图6.10(a)所示，复接帧结构如图6.10(b)所示。定时定时调整汇接分离恢复同步外时钟(1)(2)(4)(3)(1)(2)(4)(3)低次群低次群高次群复接器分接器图6.9数字复接示意图图6.10异步复接二次群帧结构(a)基群支路插入码及信息码分配；(b)复接帧结构636637638639640641642643644645848429……42442542642742821321421521621721210111213121234……………5354106107…159160161212…212比特Ⅰ组53比特Ⅱ组53比特Ⅲ组53比特Ⅳ组53比特F11F12F13信息码50比特C11信息码52比特C12信息码52比特C13V1信息码51比特(a)帧同步告警备用信息码插入标志信息码插入标志F11F21F23F33F4350×4＝200C11C21C31C4152×4＝208C12C22C32C42信息码插入标志插入码信息码52×4＝208C13C23C33C43V1V2V3V451×4＝204(b)复接帧长848比特，帧周期100.38μs。各低次群2.048Mb/s复接为8.448Mb/s，则各支路每秒要插入64kb的码位使之调整为2112kb/s。每支路212比特中要插入同步码、监测、告警及速率调整码位等，212比特分为4组，每组53比特。Fij：用于帧同步、监测、备用，i为支路编号、j为F的码位编号；Cij：用于码率调整的塞入标志，i为支路编号，j为C的码位编号；Vi：塞入脉冲，i为支路数，需要提高支路码率时为塞入脉冲，不需要提高支路码率时为信息码。复接帧：F11F21F31F41…F33F43共12比特，前10比特为帧同步码（1111010000），后两位为对端告警和备用；C11～C41，C12～C42，C13～C43是各基群支路的插入标志；V1V2V3V4为插入脉冲码位。每个支路的信息码位为205或206(未插入)比特，一帧共有信息码位820～824比特。采用三位标志码Cij便于多数判决以决定分接时是否“去塞”，正确判断的概率误码率Pe=10－3时，正确判断的概率表6.2、表6.3分别为PDH三次群、四次群复接帧结构，表6.4为PDH接口速率、码型。3232231)1()1(3eeeeePPPPP999997.0102103196Pe(6.3.4)表6.234368kb/s复用帧结构表6.3139264kb/s复用帧结构表6.4PDH接口速率、码型表6.3.3同步数字复接(SDH)系列帧结构1同步数字复接系列SDHCCITT为完成更高速率、更多路数字信号复接提出同步数字复接系列SDH，以同步传输模块STM形式传输。同步数字复接系列SDH以基本模块155.520Mb/s速率的同步传输模块为第一级STM-1，更高的同步数字系列信号为STM-4(622.080Mb/s)、STM-16(2488.320Mb/s)以及STM-64(9953.280Mb/s)，