通信数字传输原理

通信系统概论第二章数字传输原理通信工程系第二章数字传输原理2.1数字通信系统概述2.2模拟信号数字化2.3时分复用技术2.4差错控制编码2.5数字信号的基带传输2.6数字信号的频带传输2.7数字系统同步技术2数字通信系统模型如图2-1图2-1数字通信系统模型2.1数字通信系统概述2.1数字通信系统概述信源：完成非电信号/电信号的变换，这里产生的电信号是模拟信号。信源编码器：一是将信源发出的模拟信号变换为数字信号，称为数字信源码（模数变换）；二是实现压缩编码，使数字信源码占用的信道带宽尽量小。信道编码器：主要完成两个功能：一是码型变换，把数字信源码变换为数字信道码；二是差错控制。调制器：其作用是频谱搬移，将信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输的已调信号。信道：信号的传输媒质。一般可分为：有线信道和无线信道恒参信道和随参信道2.1数字通信系统概述解调器、信道译码器和信源译码器：基本功能是完成发端的反变换，它们的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息。2.1数字通信系统概述第二章数字传输原理2.1数字通信系统概述2.2模拟信号数字化2.3时分复用技术2.4差错控制编码2.5数字信号的基带传输2.6数字信号的频带传输2.7数字系统同步技术72.2模拟信号数字化图2-2模拟信号的数字传输系统模型模拟信息源信宿数字通信系统m(t)模拟随机信号{sk}数字随机序列{}A/DD/Aks()kmtA/D：D/A：抽样量化编码m(t){sk}译码低通滤波mk(t){sk}2.2模拟信号数字化图2-3A/D和D/A变换2.2.1A/D实现A/D变换的方法很多，这里主要介绍应用最普遍的脉冲编码调制（PCM）。抽样-----时间域数字化量化-----幅度域数字化编码-----提升质量2.2模拟信号数字化1、抽样语音信号是模拟信号，它不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间轴上也是连续的，要使语音信号数字化并实现时分多路复用，首先要在时间上对语音信号进行离散化处理，这一过程叫抽样。抽样是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号。2.2模拟信号数字化2.2模拟信号数字化抽样过程的实现原理：fs(t)=f(t)p(t)×f(t)fs(t)p(t)1、抽样抽样实现：每隔一定的时间间隔Ts，抽取语音信号的一个瞬时幅度值（抽样值）来代替原来的连续信号进行传输。抽样后所得的一系列在时间上离散的抽样值称为样值序列。2.2模拟信号数字化图2-4抽样后的波形时间离散化；Ts如何选取，保证信号的不失真？抽样定理：对于低通型（0,fm）信号，只要抽样频率fs（fs=1/Ts）满足2smff则可以从样值序列不失真地恢复出原来的模拟信号。其中fm为信号的最高频率。2.2模拟信号数字化2.2模拟信号数字化冲激抽样信号的频谱：图2-5冲激抽样信号的频谱•最低允许的采样频率fs=2fm称为奈奎斯特(Nyquist)频率。•最大允许的采样间隔Ts=1/(2fm)称为奈奎斯特间隔。•抽样定理全过程如右图所示：2.2模拟信号数字化图2-6抽样定理全过程2样值序列在时间上是离散的，但它的幅度取值在信号幅度的变化范围内（通常称动态范围）可以取任意值。因此，幅度的取值仍是连续的（有无限多个取值）。所谓量化：就是将幅度取值为无穷多个的样值序列，变换为幅度取值为有限个的样值序列。（幅度离散化）2.2模拟信号数字化2实现量化的方法：把信号变化的动态范围划分为有限个区间，只要信号落在某个区间，就取该区间内预先规定的某个参考电平（比如量化区间的中间值）作为信号值。量化区间在专业术语上称为量化级；量化级中间的电平称为量化电平；2.2模拟信号数字化图2-7量化过程示意图2.2模拟信号数字化2.2模拟信号数字化量化噪声由于量阶的有限性，在量化过程中就不可避免地会造成实际信号值与量化信号值之间的误差。这种由于量阶的有限性造成的误差被称为量化误差，记为e(t)。由量化误差产生的噪声叫量化噪声。性能衡量：信号平均功率与量化噪声平均功率之比为量化信噪比。2根据各量化级大小是否相等，量化分为：均匀量化和非均匀量化。（1）均匀量化•把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。均匀量化亦称线性量化。•在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点。•设输入信号的幅度范围是a~b，量化级数为M，则量化间隔为：Δv=(b-a)/M2.2模拟信号数字化2.2模拟信号数字化由此可见：当量化电平分别取各层的中间值时，量化过程所形成的量化误差不超过±Δv／2。量化误差与实际输入的样值有关，样值越小，信噪比越小；反之，样值越大，信噪比越大。均匀量化存在的问题：信号动态范围受限（小信号信噪比低，大信号信噪比高）。2.2模拟信号数字化语音信号的幅度概率分布：解决方法：（1）M增大，n增大，一路信号的数码率提高；（2）采用“非均匀量化”。图2-8语音信号的幅度概率分布2（2）非均匀量化每个量化级大小不相等；信号小时，量化级小；而信号大时，量化级大。较均匀量化的优点是：量化噪声功率基本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，即改善了小信号的信号量噪比。2.2模拟信号数字化2（2）非均匀量化非均匀量化的实现方法通常是采用压缩、扩张的方法，即在发送端对输入信号先进行压缩处理，再进行均匀量化；在接收端进行相反的扩张处理。2.2模拟信号数字化先将采样信号进行压缩，而后再进行均匀量化。其效果就相当于对信号进行非均匀量化。压缩电路是一个非线性放大器，它对大信号的放大倍数小，而对小信号的放大倍数大，从而使大信号受到压缩。即：y=f(x)扩张电路的作用正好与压缩相反。即：x=f-1(y)常采用“对数压缩”。2.2模拟信号数字化图2-9压扩特性曲线图2.2模拟信号数字化2（2）非均匀量化国际上有两种标准化的非均匀量化特性：•A律13折线压缩特性（中国和欧洲）•μ律15折线压缩特性（美国）2.2模拟信号数字化13折线的取得：先对x轴上的输入信号归一化取值范围，按1／2递减规律分为8段，分段点依次为1／2、1／4、1／8、1／16、1／32、1／64、1／128，再把y轴上压缩输出的归一化取值范围均匀地分成8段，即每段长为1／8，然后把x轴和y轴的相应分段线的交点连接起来得到。2.2模拟信号数字化A律13折线压缩特性图2-10A律13折线压缩特性13折线及与A律压缩特性的比较：段落12345678斜率161684211/21/4x01/1281/641/321/161/81/41/21y13折线01/82/83/84/85/86/87/81yA/87.601/821087632187643287654387665487676587612.2模拟信号数字化13折线的量化方案对x轴上的8段，每段再均匀分为16个，共128个量化间隔;各段的量化间隔互不相同，分别用Δ1、Δ2、…、Δ8表示。对y轴上的8段，各段再分成16层，共被均匀分为128层，分别与x轴上的128个量化间隔相对应。这样就相当于对输入信号进行不均匀量化，即小信号时量阶小，大信号时量阶大。最小量阶Δ1=1/(128×16)=1/2048;最大量阶Δ8=1/(2×16)=1/32=64Δ1。2.2模拟信号数字化3、编码所谓编码就是将量化后的信号电平转换成二进制码组的过程；在接收端实施相反的过程称为译码。采用二进制编码，则编码所需的位数取决于量化级数的大小。量化级数越多，量化误差越小，但所需的编码位数越多。2.2模拟信号数字化3、编码A律13折线编码的实现：由于正负极性信号共有16×16=256个量化级，每个量化值需编成8位（28=256）二进制码组。8位二进制代码的256种组合与256种不同的量化电平一一对应。2.2模拟信号数字化2.2.2PCM通信系统方框图模拟信号经过抽样、量化、编码完成A/D变换，这样的系统称为PCM（脉冲编码调制）系统。抽样量化编码m(t)A/D译码低通滤波msq(t)D/A信道msq(t)^m(t)ms(t)干扰2.2模拟信号数字化图2-11PCM原理图第二章数字传输原理2.1数字通信系统概述2.2模拟信号数字化2.3时分复用技术2.4差错控制编码2.5数字信号的基带传输2.6数字信号的频带传输2.7数字系统同步技术362.3.1时分复用（TDM）的概念在数字通信中，一般采用时分复用（Time-DivisionMultiplexing，TDM）技术来提高信道的传输效率。所谓“复用”是多路信号（语音、数据和图像等信号）利用同一个信道进行独立的传输。如利用同一根同轴电缆传输1920路电话，且各路电话之间的传送是相互独立的，互不干扰。2.3时分复用技术2.3.1时分复用（TDM）的概念时分复用（TDM）：抽样后的样值序列在时间上离散，即两个样点信号在时间上有间隔，可以利用这一时间间隔传送其他语音信号的样点信号，这就称为“时分复用”。对于语音信号而言，两相邻样值之间的时间间隔是125μs（1/8KHz），称为“一帧”。2.3时分复用技术2.3.2PCM30/32系统帧结构采用TDM制的数字通信系统，在国际上已逐步建立其标准。典型的时分多路复用设备是PCM30/32系统（基群）。PCM30/32的帧结构如下图所示。2.3时分复用技术图2-12PCM30/32系统帧结构时隙：将一帧的时间均匀分为32个等分，每一等分称为一个时隙，传送一路语音信号的8位二进制编码；32个时隙依次表示为；其中：为话路时隙，共30个话路；传送帧同步信号；传送信令信号；由16帧（编号为）组成一个复帧。31210......,,,TSTSTSTS3117151~,~TSTSTSTS0TS16TS15210...,,,FFFF2.3时分复用技术sKbfsMbbitHzfmsTTnsTsTTsfTHzfpcpsccpscsss/6488000:/048.2/83280002164888/9.332/125/18000一路话路速率路路系统传码率：复帧长：脉冲宽度：每一时隙长：每一帧长：每路信号抽样速率：2.3时分复用技术2.3时分复用技术2.3.3PCM30/32系统采用的是时分复用技术，将30路语音信号复接成速率为2.048Mbit/s的群路信号，称为基群或一次群。为了提高传输效率，再把一次群信号采用同步或准同步数字复接（DigitalMultiplexer）技术，复接成更高速率的数字信号。数字复接系列按传输速率不同，分别称为基群、二次群、三次群、四次群等（我国分别称为E1、E2、E3、E4，其速率为2Mbit/s、8Mbit/s、32Mbit/s、140Mbit/s。图2-13PDH中分插支路信号的过程2.3时分复用技术2.3.3数字复接系列常用的复接方法有两种：同步复接：是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群信号，使这几个低次群的码速统一在主时钟的频率上，达到同频、同相，即不仅低次群信号速率相同，而且码元边缘对齐。异步复接：各低次群使用各自的时钟，因此各低次群的码速率不同。2.3时分复用技术常用的复接方法有两种：同步复接的实现过程------一个并/串变换过程•4个低速支路码流各自进入缓存器，开关SA在一个支路码元的时间间隔（T）内，分别与4个支路相接，取出每个支路的一个码元，每个支路的一个码元仅持续T/4的时长，如此反复。同步复接的缺点：•一旦主时钟发生故障，相关的通信系统全部中断；2.3时分复用技术常用的复接方法有两种：异步复接的特点•由于各自码速不同，应先进行码速调整，使各低次群码速达到一致，然后再进行同步复接。2.3时分复用技术第二章数字传输原理2.1数字通信系统概述2.2模拟信号数字化2.3时分复用技术2.4差错控制编码2.5数字信号的基带传输2.6数字信号的频带传输2.7数字系统同步技术482.4差错控制编码信息编码：信源编码：在分析信源统计特性的基础上，设法通过信源的