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模拟信号数字化模拟信号和数字信号数字通信的特点脉冲编码技术时分复用数字复接技术模拟信号模拟信号：波形模拟着信息的变化而编号特点：幅度连续数字信号数字信号：幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的而是离散的。数字信号的特点抗干扰能力强、无噪声积累便于加密处理、保密性强便于存储、处理、交换采用时分复用实现多路通信设备便于集成化、微型化便于构成综合数字网和综合业务数字网模拟信号与数字信号的转换模拟信号转换成数字信号：A/D转换经过抽样、量化、编码3个处理步骤数字信号转换成模拟信号：D/A转换2019/8/2通信网基础7提纲模拟信号数字化模拟信号和数字信号数字通信的特点脉冲编码技术时分复用数字复接技术脉冲编码调制技术脉冲编码调制：PulseCodeModulation，简称PCM。对信号进行抽样，并对每个样值独立地加以量化，通过编码转换为数字信号的过程。PCM包括下述三个过程：抽样量化编码与解码1．抽样（sampling）定义：将在时间和幅度上都是连续的话音信号在时间上离散化的过程实现：由抽样门完成抽样速率？由抽样定理确定图2-9抽样过程图2-10正弦波的抽样抽样定理的作用近年来通信系统向数字化发展，模拟－数字的转换的基础：抽样定理；作用：在一定条件下，一个连续时间信号完全可以用该信号在等时间间隔点上样本来表示，并且可用这些样本值把信号全部恢复出来电影（24帧/秒）：感觉是连续活动的景象；印刷照片：由很多细小的网点组成，看起来空间连续；抽样定理的提出是不是所有时间间隔的理想取样都能反映原连续信号的基本特征呢？抽样的时间间隔取多大合适？目标：在保留原连续时间信号的全部信息的条件下抽取尽可能少的数据方法：时域抽样定理抽样定理一个在频谱区间()以外为零的频带有限信号(带限信号)，可以唯一地由其均匀时间间隔上的取样值确定。当取样频率大于或等于信号带宽的两倍时，即时，可以从中恢复原信号。定义为奈奎斯特取样率。mSff2mSff2min)(tfmm,)(SnTfmSSfTT21)(tfSSf抽样定理根据抽样定理可知，要无失真地恢复原始信号应满足；（3）需通过理想滤波器恢复原始信号（1）模拟信号为带限信号。（2）抽样函数为周期函数序列抽样过程中的失真实用的低通滤波器都有一定的过渡带，因此在实际应用中必须满足，并使各相邻边带间有一定的防卫间隔即防卫带如：话音信号限制在0.3~3.4khz频率范围之内，因此，若只传送语音的有效成份，必须把0.3~3.4khz以外的频率成份去掉，否则会产生折叠失真ITU-T（国际电信联盟电信标准化部门）建议话音信号的抽样频率为8kHzwsff22．量化（Quantizing）•将幅度连续变化的信号变成离散信号的处理过程称为量化•实质：一个化零取整的过程•方法：样值的最大变化范围划分成若干个相邻的间隔。当某样值落在某一间隔内，其输出数值就用此间隔内的某一个固定值来表示•两种量化方法：均匀量化和非均匀量化把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化，也称线性量化。任何一个量化器都有一定的量化范围，通常取-u~+u。量化级数N与量化间隔Δ的关系：Δ=2u/N取量化间隔的中间值为量化值，量化最大误差为Δ/2。均匀量化图量化过程及量化误差量化噪声和信噪比量化过程一定会产生误差。量化误差就是指量化前后信号之差，通常用功率来表示，称之为量化噪声。量化误差一旦产生，在接收端就无法消除克服量化噪声的方法：增加量化级数，使量化间隔相对于信号幅值的大小可以忽略不计。均匀量化信噪比：信号平均功率与量化噪音平均功率之比。均匀量化的特点量化器的量化噪声随着量化级数M的增加而提高，量化级数的选取是根据量化器的量化信噪比的要求确定的。无论信号大小，若量化间隔相等，量化的噪声功率不变。=（幅度）小信号的量化信噪比太小，不能满足通信质量要求，大信号的信躁大，远远满足要求。为解决小信号的量化信噪比太小，需要加大量化级数M；M过大，大信号的信噪比过大，同时编码复杂，信道利用率过低。非均匀量化非均匀量化的量化原理是量化级间隔随信号幅度的大小自动调整。相对来说，在不增大量化级数的条件下，非均匀量化能使信号在较宽的动态范围内的信噪比达到要求。非均匀量化的特点信号幅度小时，量化幅度小，量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，量化误差也大3．编码和解码编码：把量化后的信号样值变换成对应的二进制码组，又称模数变换自然二进制码：简单易行；缺点：由3变成4的时候每一位都要变；格雷码：相邻电平间转换，只有一位发生变化；缺点：每一位码没有确定大小；折叠二进制码：沿中心电平上下对称，适于表示正负对称的双极性码；解码：在收信端将收到的二进制码序列还原成相应幅度的量化值，又称数模变换二进制码、格雷码、折叠二进制码量化电平自然二进制码格雷码折叠二进制码00000000111001001010201001100130110100004100110100510111110161101011107111100111PCM信号形成过程示意图2019/8/2通信网基础28提纲模拟信号数字化时分复用时分复用的基本概念PCM30/32路系统时分复用的同步技术数字复接技术时分复用的基本概念复用：为了提高信道利用率，使多个信号沿同一信道传输而互相步干扰，这种通信方式称为复用复用方式：时分复用、频分复用、空分复用等时分复用：各路信号在同一信道上占有不同时间间隙的通信方式时隙：每一路所占有的时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路系统的帧结构完成数字通信全过程，除对各个话路进行编、解码外，还必须有定时、同步等措施。在数字通信系统中，各种信号（包括加入的定时、同步等信号）都是严格按时间关系进行的。在数字通信中把这种严格的时间关系称为帧结构。一个采样周期（125us）内，每个话路的PCM信号按时分复用方式顺序出现一次所形成的时分复用信号称为帧。图2-18PCM30/32路系统帧结构12340TS5678910111213141516171819202122232425262728293031F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F1516帧、2ms32时隙256bit、125¦Ìs10011011000011111010111111帧定位时隙复帧定位码组保留给国际用(目前固定为1)保留给国内用奇帧识别码帧对告码奇帧TS0偶帧TS0TS1～TS15用于话路标志信号时隙x1x2x3x4x5x6x7x8段内码极性码复帧定位码组复帧对告和备用比特abcdabcd第1路第16路abcdabcd第2路第17路abcdabcd………第15路第30路F15F2F1F0段落码TS17～TS30用于话路TS31用于话路(目前固定为1)PCM30/32帧结构PCM30/32的帧周期为125us，每一帧有32时隙，每个时隙为：125/32=3.9us。其中TS0是传送帧同步信号，TS16传送信令，其他30路是话音信号。PCM30/32系统每个话路语言信号抽样频率为：4000×2hz，每个样值经过量化后编为8位码，每个话路的码速率为64kbit/s；PCM30/32D总码速率为：2.048Mbit/s，一般记为2M，也称一次群速率，基群速率。PCM30/32帧结构复帧：每一路语音信号都需要信令的支持才能进行通信，PCM30/32系统有30个话路，因此必须传输30路信令；一路信令信号只需要4bit，1个TS16可以传送两路信令，15个TS16（15帧）可以传送30路信令；信令信号每隔16帧传送一次，16帧称为1复帧。同步是数字通信的基本要求之一。如果收端和发端不能很好的同步，数字通信是无法进行的。同步包括位同步、帧同步、复帧同步和网同步。时分复用的同步技术位同步的基本含义是收发两端的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。数字通信系统中消息是一串相继的信号码元序列，接收端必须知道每个码元的出现时刻，从而对码元进行判别。同频就是要求发送端发送了多少个码元，接收端必须产生同样多的判决脉冲。位同步位同步示意图帧同步的作用是实现语音信号的正确分路。接收端不仅需要正确的区分哪8路比特是一组，代表一个抽样值，而且还要正确区分出它是代表哪路话音信号的。常用方法：同步码***PCM帧通过TS0时隙传送同步码：10011011，收端一旦识别出帧同步码10011011：便可知随后的8位码为一个码字且是第一话路的，以此类推可以正确接收每一路信号。帧同步复帧同步：实现信令信号的正确分路。发送端在F0帧TS16时隙的前4比特插入特殊码0000，接收端只要识别出这一码型，判断出是F0帧，以后依次为F1,F2…。F0帧TS16时隙第6位码A2为复帧失步对告码，A2=1表示复帧失步，A2=0表示复帧同步。复帧同步网同步现代通信系统往往在多点之间实现互连，从而构成通信网。为了保证在通信网中各点之间可靠通信，则必须在网内建立一个统一的时间标准，即实现网同步。2019/8/2通信网基础41提纲模拟信号数字化时分复用时分复用的基本概念时分复用的同步技术PCM30/32路系统数字复接技术数字复接技术——定义数字复接技术就是把两个或两个以上分支数字信号按时分复用方式汇接成为单一的复合数字信号的过程。具体来说，通过数字复接技术把PCM数字信号由低次群逐级合成为高次群以适应在高速线路中传输。为什么使用数字复接代替PCM复用？PCM复用瓶颈在PCM30/32路系统中，将30路话音信号分别用8kHz抽样频率进行抽样，然后对每个抽样值编8位码，其数码率为30×8×8000＝1920kbit/s，若传送120路话路，其数码率将达到120×8×8000＝7680kbit/s。平均到每个样值的编码时间仅1µs多一点，对编码电路速度及对元器件的精度要求很高，不太容易实现。克服瓶颈的技术——数字复接把若干个经过PCM复用的信号（如30/32路机群系统）进行时分复用以形成更多路数的数字通信，这一过程称为数字复接。ITU－T两类数字速率和复接等级为促进数字通信设备的通用化，ITU-T推荐了两类数字速率和复用等级，下表显示出北美，日本，欧洲和中国一次群、二次群、三次群、四次群的速率。我国一、二、三、四次群（分别称为E1、E2、E3、E4）的速率常简称为2Mbit/s、8Mbit/s、32Mbit/s、140Mbit/s。北美和日本一次群（以T1表示）的速率简称为1.5Mbit/s。表2-1数字复接系列注意：二次群的标准速率：8448K2048*4，其他高次群的复接速率也存在类似问题。多出来的码元是用来解决帧同步，业务联络和控制等。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/s1544kb/s6312kb/s×24×30×7×4×4×5×4×4×16×41×332064kb/s97728kb/s44736kb/s8448kb/s2048kb/s34368kb/s139264kb/s564992kb/s1.5M系列2M系列复接等级64kb/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系统方框图分支1分