通信概论信号的数字化处理技术

2020/5/61第四章信号的数字化处理技术2020/5/62主要内容4.1模拟信号的数字化4.2多路复用技术4.3同步技术2020/5/634.1模拟信号的数字化4.1.1A/D变换(模拟/数字变换)4.1.2D/A变换(数字/模拟变换)2020/5/644.1.1A/D变换模拟信号的数字化过程包括抽样：在时间上将模拟信号离散化；量化：在幅度上将模拟信号离散化；编码：将抽样、量化后的信号转换为数字编码脉冲2020/5/65x(n)的二进制数nt0xa(t)00011011000110110011100101100100110010010抽样量化nx(n)2020/5/664.1.2D/A变换与A/D变换过程相反首先经过解码过程，所收到的信息重新组成原来的样值，最后再恢复成原来的模拟信号。t2020/5/674.2多路复用技术4.2.0基本概念4.2.1频分复用4.2.2时分复用4.2.3码分复用4.2.3波分复用2020/5/684.2.0多路复用技术概述(1)背景传输介质带宽是固定的用户终端对介质带宽的需求是变化的两种情况物理介质带宽大于用户需求（传输介质资源浪费）物理介质带宽小于用户需求（无法正常通信）2020/5/694.2.0多路复用技术概述(2)问题的提出如何高效率地利用宽带介质？如何在低速物理介质上传输高速信号？2020/5/6104.2.0多路复用技术概述(3)解决方案：采用复用技术多路复用的定义：为提高信道利用率，使多个信号在同一信道传输而不互相干扰2020/5/6114.2.0多路复用技术概述(4)基本模型基本过程复用：复用器传输：n个独立的信道解复用：分用器MUXDEMUX1条物理链路，n个逻辑信道n个输入n个输出复用模型2020/5/6124.2.0多路复用技术概述(5)复用技术的特点提高资源利用率对管理与控制系统的要求更高多个信号之间仍可能存在干扰2020/5/6134.2.1频分复用FDM（1）适用情况传输介质的有效带宽超出了被传输信号所要求的带宽思路多路信号占据不同的频带，信号同时被运载；将每个信号调制到不同的载波频率上2020/5/6144.2.1频分复用FDM（2）具体方法信道的带宽被分成若干相互不重叠的频段（即信道），相邻信道之间设置防护频带；每路信号经过调制后搬移到适当的频带上；各路调制后的信号同时被传输；接收端采用适当的带通滤波器将多路信号分开；解调，恢复原始基带信号。2020/5/615利用调制手段和滤波技术使多路信号以频率分割的方式同时在同一条线路上互不干扰地传输User1User2User3Frequency4.2.1频分复用FDM（3）2020/5/616频分复用利用调制手段和滤波技术使多路信号以频率分割的方式同时在同一条线路上互不干扰地传输CH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用信号f复用器2020/5/6174.2.1频分复用FDM（4）缺点：很难进行动态分配频率适用环境：模拟链路环境、粗粒度的复用（划分上下行频带）典型实例有线电视（CATV）无线电广播模拟移动通信非对称数字用户线路（ADSL）2020/5/6184.2.1频分复用FDM（5）举例一：有线电视(CATV)一路电视信号传输带宽为6MHz;多路电视信号可以在CATV电缆上被频分复用；接收端采用适当的带通滤波器将多路信号分开2020/5/619副载波f1副载波f2副载波fnm1(t)m2(t)mn(t)∑s1(t)s2(t)sn(t)发送器fcmb(t)s(t)FDM系统－－发送器复合基带信号FDM信号2020/5/620解调器f1解调器f2解调器fnm1(t)m2(t)mn(t)s1(t)s2(t)sn(t)接收器mb(t)s(t)FDM系统－－接收器带通滤波器f1带通滤波器f2带通滤波器fn复合基带信号FDM信号2020/5/621举例2：ADSL接入SPLITTER2020/5/622在家庭用户一侧，POTS分线器(POTSSplitter)用于电话和计算机信号的合成/分离，POTS是PlainOldTelephoneService的缩写；ADSLModem用于计算机信号与模拟信号之间的调制/解调。NSP(网络服务提供商)一侧的核心部分是DSLAM(数字用户线接入复用设备)，它实现网络交换机/电话交换机与多条ADSL线路之间的互连，逻辑上由多个POTS分线器和ADSLModem组成。2020/5/6233.2.2时分复用原理利用各信号在时间上的不相互重叠达到在同一信道上传输多路信号；将整个信道传输信息的时间划分为若干时间片（时隙），不同时隙分给不同的用户；每路用户在自己的时隙内独占信道进行数据传输2020/5/624时分复用时分复用技术的特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也叫同步时分复用A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流时隙号1231D3D2D1时间片12时间片2D1时隙D2复用器2020/5/625时分复用优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。需要精度较高的同步系统适用环境时分复用技术与频分复用技术一样，有着非常广泛的应用，电话就是其中最经典的例子，此外时分复用技术在广电也同样取得了广泛地应用，如SDH，ATM，IP网络通信都是利用了时分复用的技术。2020/5/626时分复用同步时分复用TDM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用于电路交换位置化信道：依据数字信号在时间轴上的位置区别各路信号PSTN统计时分复用STDM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。用于分组交换和ATM交换标志化信道：每个分组前附加标志码，标示输出端。各个分组使用不同的时隙2020/5/627ABCD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C22020/5/628时分复用例时分复用的典型例子：PCM信号的传输把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧(帧中还包括了帧同步信息和信令信息)每帧在一个时间片内发送每个时隙承载一路PCM信号2020/5/629E1-帧格式E1线路也可以用于计算机通信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2020/5/6304.2.3码分复用码分多址接入（CDMA—CodeDivisionMultiplexingAccess）是与频分复用（FDM）和时分复用（TDM）极不相同的另一类多路信号共享信道的复用技术。频分复用以及波分复用（WDM）的各路信号在频域上是各自分离的，在时域上则是重叠的，因此它们是靠不同的频率来区分各路信号的；时分复用正好相反，各路信号在在频域上则可能是重叠的，在时域上则是分离的且交织轮转的，因此它靠不同的时隙来区分各路信号；而码分复用允许多路信号在信道的整个频带上同时进行传输，各路信号在时域上和频域上都是重叠的，那么，它是靠什么来区分各路信号的呢？2020/5/631码分复用CDMA的多路同时传输利用编码原理进行区分各路信号采用经过特殊挑选的不同码型，通过对不同的码型识别来消除各路信号间的干扰。2020/5/632码分复用解释——CDMA酒会你听到什么...•如果你只懂中文?•如果你只懂俄语?•如果你只懂英语?“码”的使用可使cdma系统的用户/信道之间保持正交;每一用户数据流均有一个唯一的正交扩频码。2020/5/633码分复用调制原理码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。CDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。也就是说，每一个用户有自己的地址码，这个地址码用于区别每一个用户，地址码彼此之间是互相独立的，也就是互相不影响的，但是由于技术等种种原因，我们采用的地址码不可能做到完全正交，即完全独立，相互不影响，所以称为准正交，由于有地址码区分用户，所以我们对频率、时间和空间没有限制，在这些方面他们可以重叠。系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，用来对接收的信号进行相关检测。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调2020/5/634码分复用适用环境：频率资源有限的环境典型实例WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA2020/5/635波分复用WDM又叫波分复用技术是新一代的超高速的光缆技术，所谓波分复用技术，就是在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源，采用合波器，在发送端将不同规定波长的光载波进行合并，然后传人单模光纤。在接收部分将再由分波器将不同波长的光载分开的复用方式，由于不同波长的载波是相互独立的，所以双向传输问题，迎刃而解。2020/5/636WDM技术WDM技术是在一根光纤上承载多个波长（信道）系统，将一根光纤转换为多条＂虚拟＂纤，每条虚拟纤独立工作在不同波长上。每个信道运行速度高达2.5～10Gbps。WDM技术作为一种系统概念，可以追溯到1970年初，在当时仅用两个波长，在1300nm窗口一个波长、在1500nm窗口一个波长，利用WDM技术实现单纤全双工传输。初期的WDM网络主要致力于点对点系统的研究2020/5/637波分多路复用基本原理波分多路复用原理示意图2020/5/6384.4同步技术4.4.1同步技术及分类4.4.2载波同步4.4.3位同步4.4.4帧同步4.4.5网同步2020/5/6394.4.1同步技术及分类定义：同步是指收发双方在时间上步调一致，故也称为定时同步技术分类载波同步位同步帧同步网同步2020/5/6404.4.2载波同步定义：指在解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波2020/5/6414.4.3位同步定义：指在接收端的基带信号中提取位定时信息的过程常用方法直接法原理：接收端直接从接收到的码流中提取时钟信号，作为接收的时钟基准特点：不占用额外信道资源2020/5/6424.4.4帧同步定义：指在位同步基础上，接收设备的帧定时与接收到的信号中的帧定时处于同步状态常用方法连贯式插入法又称集中插入法。它是指在每一信息帧的开头集中插入作为帧同步码组的特殊码组，该码组应在信息码中很少出现，即使偶尔出现，也不可能依照帧的规律周期出现。A律PCM基群采用集中插入法。间隔式插入法间隔式插入法是将n比特帧同步码分散地插入到n帧内，每帧插入1比持，μ律PCM基群及增量调制（△M）系统采用分散插入式同步。2020/5/6434.4.5网同步定义：指通信网络中各个单元使用共同的基准时钟频率，实现各网络设备之间的时钟同步为保证通信网中的所有工作设备协调一致的工作，必须由统一的工作时钟来控制。同步网根据通信网设备工作的需要，提供准确统一的时钟参考信号，保证通信网同步工作。2020/5/644滑动损伤在数字网中传递的是对信息进行编码后得到的离散脉冲信号，如果任何两个数字（交换）设备之间的时钟频率或相位不一致，或者是由于数字比特流在传输中经受的相位漂移和抖动的影响，就会在系统的缓冲存储器中产生上溢或下溢，从而导致在传输的比特流中出现误码，通常称为滑动损伤。2020/5/645同步网分类准同步网:由具有相同标称频率的不同基准时钟相互比对的同步网称为准同步网同步网:由单一基准时钟控制的同步网称为全同步网。