第2章数字通信系统课件.ppt

1、现代通信技术概论现代通信技术概论2第第2章章 数字通信系统数字通信系统2.1 数字通信概述2.2 模拟信号数字化2.3 数字信号的基带传输2.4 数字信号的频带传输2.5 数字同步与复接技术2.6 数字传输的差错控制32.1 数字通信概述数字通信概述 传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。数字通信以其抗干扰能力强、无噪声累积、便于数字通信以其抗干扰能力强、无噪声累积、便于计算处理、便于加密、易于小型化、集成化等优计算处理、便于加密、易于小型化、集成化等优势，成为当代通信领域的主流技术。势，成为当代通信领域的主流技术。本章将介绍关于数字通信的基本知识，包

2、括数本章将介绍关于数字通信的基本知识，包括数字通信系统的组成及特点、模拟信号数字化方法、字通信系统的组成及特点、模拟信号数字化方法、数字信号的基带传输和频带传输、数字复接与同数字信号的基带传输和频带传输、数字复接与同步技术、差错控制技术等。步技术、差错控制技术等。42.1.1 数字通信系统的组成数字通信系统的组成数字通信系统组成框图如下数字通信系统组成框图如下:5数字通信系统各部分的作用数字通信系统各部分的作用u信源编码与解码：A/D变换+D/A变换。u数字复接与分接：提高信道利用率。难点是码速 同步问题。u信道编码与解码：即抗干扰编码，目的是提高传 输的可靠性。u调制与解调：频带传输时需要。

3、u再生中继：放大整形并完全恢复原始数字信号。u信道噪声：导致误码，难以避免。62.1.2 数字通信系统的特点数字通信系统的特点 与模拟通信系统相比数字通信系统有下列一些特点：72.2 模拟信号数字化模拟信号数字化 数字通信系统的典型特征就是信源和信宿都是模拟信号，因此需要进行模拟/数字（A/D）变换，把模拟信号转换成数字信号再行传输。模拟信号的数字化需经过抽样、量化、编码三个阶段。常用的技术包括脉冲编码调制（PCM）、差值脉冲编码（DPCM）和增量调制（DM）等。82.2.1 模数（模数（A/D）变换）变换 整个过程称为脉冲编码调制（PCM）。9抽样抽样 抽样定理：抽样定理：如果一个连续信号f

4、(t)所含有的最高频率不超过fh，则当抽样频率fs2fh时，抽样后得到的离散信号就包含了原信号的全部信息。10量化量化 量化就是进行量化就是进行“舍零取整舍零取整”处理。将抽样信号在处理。将抽样信号在某个抽样时间点的瞬时幅度值近似为最接近该点幅某个抽样时间点的瞬时幅度值近似为最接近该点幅值的某个固定整数电平值上就完成了量化。值的某个固定整数电平值上就完成了量化。均匀量化均匀量化示意图示意图11非均匀量化非均匀量化13折线折线A律律 非均匀量化能够让小信号放大，而大信号得到压非均匀量化能够让小信号放大，而大信号得到压缩，目的是降低小信号时的量化信噪比。缩，目的是降低小信号时的量化信噪比。13折线

5、A律示意图粒度粗细的调整粒度粗细的调整12编码编码 量化后的离散抽样幅值以二进制数值来表示。量化后的离散抽样幅值以二进制数值来表示。最多需要最多需要log2N位二进制数，位二进制数，N是量化级数。是量化级数。量化段号极性码数值范围（）段落码段落起始值（）量化间隔i（）段内码权值（）a7a6a5a4a3a2a1a010/101600001842120/11631001161842130/132630103221684240/16412701164432168450/11282551001288643216860/12565111012561612864321670/151210231105123

6、2256128643280/1102420471111024645122561286413折线折线A律二进制编码值（律二进制编码值（256级，级，8比特）比特）132.2.2数模（数模（D/A）变换）变换 数模变换是模数变换的反过程。接收端通过数模数模变换是模数变换的反过程。接收端通过数模变换把收到的二进制数字信号序列还原成相应幅度变换把收到的二进制数字信号序列还原成相应幅度的模拟信号。的模拟信号。142.2.3 PCM30/32路数字电话系统路数字电话系统 国际上有两种标准化制式的多路数字电话通信系国际上有两种标准化制式的多路数字电话通信系统，即统，即PCM 30/32路制式（路制式（E体系

7、）和体系）和PCM 24路制式（路制式（T体系），我国和欧洲采用体系），我国和欧洲采用E体系。体系。下面以下面以PCM30/32多路数字电话通信系统为例，多路数字电话通信系统为例，具体说明模拟话音数字化传输过程。具体说明模拟话音数字化传输过程。15E体系各项关键指标数据体系各项关键指标数据PCM30/32路系统称为基群或一次群，简称路系统称为基群或一次群，简称E1指标名称指标名称指标值指标值话音频带（话音频带（Hz）300-3400300-3400抽样频率（抽样频率（Hz）80008000量化级数量化级数256256量化压缩律量化压缩律A A律（律（A=87.6）样值编码位数样值编码位数8 8

8、单路数码率（单路数码率（kbit/s）6464帧长（帧长（s）125125时隙数时隙数/帧帧3232话路数话路数/帧帧3030一次群复用速率（一次群复用速率（kbit/s）2048204816E1体系的帧结构体系的帧结构17每话路每话路64kbit/s的计算的计算 为了正确地传送一路话音信号，每秒必须传送为了正确地传送一路话音信号，每秒必须传送抽样值抽样值8000次。按照每个抽样值次。按照每个抽样值8bit编码，则每话编码，则每话路要求传输路要求传输8000次次8bit=64kbit/s。现在每帧中包含现在每帧中包含32个话路，每话路占其中个话路，每话路占其中8bit，必须传送必须传送8000

9、帧帧/秒（秒（500个复帧）。于是，个复帧）。于是，32路路PCM基群传输速率是基群传输速率是8000(帧帧/秒秒)32(时隙时隙/帧帧)8(bit/时隙时隙)=2.048Mbit/s。高次群以高次群以4倍速率增长，即倍速率增长，即8.448（比（比8.192略多）略多）Mbit/s18PCM30/32路数字电话系统终端框图路数字电话系统终端框图192.2.4 模拟信号数字化的其它方法模拟信号数字化的其它方法 利用相邻抽样幅值的相对变化特性，对抽样信号利用相邻抽样幅值的相对变化特性，对抽样信号进行编码也是一类较常用的模数转换方法。常见的进行编码也是一类较常用的模数转换方法。常见的有差值脉冲编码

10、（有差值脉冲编码（DPCM）、自适应差值脉冲编码）、自适应差值脉冲编码（ADPCM）、增量调制（）、增量调制（DM）和自适应增量调）和自适应增量调制（制（ADM）等。）等。201.差值脉冲编码调制差值脉冲编码调制(DPCM)仅对两个相邻抽样幅值的差值进行编码，则由于仅对两个相邻抽样幅值的差值进行编码，则由于差值信号变化较小，可大大地减少量化级数，从而差值信号变化较小，可大大地减少量化级数，从而减少编码的位数。这样，在相同传输速率下，可以减少编码的位数。这样，在相同传输速率下，可以成倍地提高信道的传输容量。成倍地提高信道的传输容量。21DPCM举例举例 对模拟话音信号按照对模拟话音信号按照800

11、0Hz/s抽样，话音信号抽样，话音信号的变化范围是的变化范围是3v，若采用，若采用8位二进制数位二进制数PCM编码，编码，量化为量化为256级，每级约级，每级约23.4mv。假定相邻抽样差值变化范围是假定相邻抽样差值变化范围是0.1v，把其化分，把其化分为为16个均匀量化级，每级为个均匀量化级，每级为12.5mv，然后使用，然后使用4位二进制数进行编码。编码后的数据发送速率仅需位二进制数进行编码。编码后的数据发送速率仅需要要4bit8000=32Kb/s，比采用，比采用PCM编码的编码的64Kb/s速率降低一半，效率提高一倍。速率降低一半，效率提高一倍。22DPCM抽样差值图示抽样差值图示S(

12、)d()S(1)d()0nninni232.脉冲增量调制脉冲增量调制(M或或DM)仅对当前抽样值与其前一个抽样值的符号进行仅对当前抽样值与其前一个抽样值的符号进行编码，而不对差值的大小编码。编码，而不对差值的大小编码。如果两个前后抽样差值为正就编为如果两个前后抽样差值为正就编为“1”码；码；差值为负就编为差值为负就编为“0”码。因此，码。因此，“1”和和“0”代表的是信号相对于前一时刻的增减，不代表信代表的是信号相对于前一时刻的增减，不代表信号的绝对值。号的绝对值。24DM波形及编码结果示意图波形及编码结果示意图252.3 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 模数变换后的数字信号频谱，往往是

13、含有直流、模数变换后的数字信号频谱，往往是含有直流、基波、高次谐波等不同频率分量的信号，称为基带基波、高次谐波等不同频率分量的信号，称为基带数字序列信号，简称基带信号。数字序列信号，简称基带信号。把基带数字序列信号经适当码型变换后直接送入把基带数字序列信号经适当码型变换后直接送入信道传输，称为基带数字序列信号传输，简称基带信道传输，称为基带数字序列信号传输，简称基带传输。传输。262.3.1 基带传输系统模型基带传输系统模型码型变换：基带信号适应信道特性。码型变换：基带信号适应信道特性。波形形成网络：形成无码间干扰的波形。波形形成网络：形成无码间干扰的波形。272.3.2 数字基带传输的码型数

14、字基带传输的码型 根据信道频域特性和基带数字信号频域特性匹根据信道频域特性和基带数字信号频域特性匹配的原则，对基带信号进行适当码型变换，使之配的原则，对基带信号进行适当码型变换，使之适合于给定信道的频域特性，有利于延长传输距适合于给定信道的频域特性，有利于延长传输距离、提高可靠性。离、提高可靠性。281.数字基带传输码型选择原则数字基带传输码型选择原则u 直流或低频信号衰减快，信号传输一定距离后直流或低频信号衰减快，信号传输一定距离后严重畸变，所以不应含直流或低频频率分量。严重畸变，所以不应含直流或低频频率分量。u 高频分量越大，对邻近信道产生的干扰就越严高频分量越大，对邻近信道产生的干扰就越

15、严重，所以高频分量应尽量少。重，所以高频分量应尽量少。u为方便从接收到的基带信号中提取位同步信息，为方便从接收到的基带信号中提取位同步信息，应包含定时频率分量。应包含定时频率分量。u 便于增加冗余码，使码型带有规律性。便于增加冗余码，使码型带有规律性。u 码型变换过程与信源的统计特性无关，即对信码型变换过程与信源的统计特性无关，即对信源消息类型无任何限制并具有透明性。源消息类型无任何限制并具有透明性。292.常用基带数字传输码型常用基带数字传输码型302.3.3 无码间干扰的基带数字传输无码间干扰的基带数字传输 基带传输信道（即波形形成网络）可以等效为基带传输信道（即波形形成网络）可以等效为一

16、个理想低通滤波器，其传输特性及单位冲击响一个理想低通滤波器，其传输特性及单位冲击响应如下图：应如下图：21|()0|dNNjfteffH fff当当31Nyquist准则准则 如果波形形成网络具有图示理想低通滤波器传如果波形形成网络具有图示理想低通滤波器传输特性，则该系统传输的码元速率为输特性，则该系统传输的码元速率为2fN（码元周（码元周期期T=1/2fN）时，系统输出波形在峰值点（即判决）时，系统输出波形在峰值点（即判决抽样点）上不会产生前后码元间的干扰，这一条抽样点）上不会产生前后码元间的干扰，这一条件称为奈奎斯特准则。件称为奈奎斯特准则。32无码间干扰的接收波形无码间干扰的接收波形 只

17、要按照只要按照Nyquist准则传输，当处于某个码元准则传输，当处于某个码元的幅度峰值时，恰好其它码元幅值是过零点。的幅度峰值时，恰好其它码元幅值是过零点。33具有滚降特性的波形形成网络具有滚降特性的波形形成网络 具有滚降特性的波形形成网络，从技术上实现起来比理想低通容易，而且也满足Nyquist条件。342.4 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 当基带数字信号频率范围与信道不相匹配时，把当基带数字信号频率范围与信道不相匹配时，把基带数字信号进行调制后再行传输，即数字信号的基带数字信号进行调制后再行传输，即数字信号的频带传输。频带传输。本节将在第本节将在第1章二进制数字调制基础上介绍多进章

18、二进制数字调制基础上介绍多进制数字调制和复合调制概念。制数字调制和复合调制概念。352.4.1 多进制数字调制多进制数字调制 多进制数字调制是利用多进制数字信号调制载多进制数字调制是利用多进制数字信号调制载波信号的幅度、频率或相位波信号的幅度、频率或相位。与二进制数字调制相比，多进制数字调制可提与二进制数字调制相比，多进制数字调制可提高比特率或可靠性，但因为需要多电平来表示信高比特率或可靠性，但因为需要多电平来表示信号，因而抗噪声性能较低，实现起来也较复杂。号，因而抗噪声性能较低，实现起来也较复杂。361.多进制数字调幅多进制数字调幅(MASK)四进制MASK 372.多进制数字调频（多进制数

19、字调频（MFSK）k=log2M位码元为一组对应地转换成有M种状态的多进制码。383.多进制数字调相（多进制数字调相（MPSK）利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息。与二进制数字相位调制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制（MPSK）和相对相位调制（MDPSK）。39矢量图表示的矢量图表示的MPSK（A和和B方式）方式）40QPSK调制与解调框图调制与解调框图 两个相互正交的相干载波cosct和sinct分别检测出两个分量a和b。412.4.2 复合调制与多级调制复合调制与多级调制 对同一载波信号的两个参数同时进行调制称为对同一载波信号的两个参数同时进行调制称为复合调制，目的是进一步提

20、升信道利用率。例如，复合调制，目的是进一步提升信道利用率。例如，数字微波通信中采用的图示复合调制，数字调相数字微波通信中采用的图示复合调制，数字调相用于传送数字信号用于传送数字信号，模拟调频用于话音通信模拟调频用于话音通信。42调相加调幅实现调相加调幅实现16进制复合调制进制复合调制43多级调制多级调制 多级调制是指把同一基带信号实施两次或更多多级调制是指把同一基带信号实施两次或更多次的调制过程。次的调制过程。442.5 数字同步与复接技术数字同步与复接技术 数字同步是指数字通信系统中各关键节点位置数字同步是指数字通信系统中各关键节点位置的动作频率保持一致。的动作频率保持一致。数字复接是把若干

21、个低速率分支数字码流汇接数字复接是把若干个低速率分支数字码流汇接成一路高速数字码流的过程。成一路高速数字码流的过程。为促进数字通信标准化，为促进数字通信标准化，ITU-T早期推荐准同早期推荐准同步数字体系（步数字体系（PDH）；后期推荐同步数字体系）；后期推荐同步数字体系（SDH）452.5.1 数字同步技术数字同步技术两种同步方式：位同步和帧同步两种同步方式：位同步和帧同步462.5.2 数字复接技术数字复接技术 数字复接是把支路低次群按时分复用方式合并数字复接是把支路低次群按时分复用方式合并成一个单一的高次群，其设备由定时、码速调整成一个单一的高次群，其设备由定时、码速调整和复接单元组成；

22、分接器的功能是把高次群数字和复接单元组成；分接器的功能是把高次群数字信号分解成原来的低次群数字信号，它由同步、信号分解成原来的低次群数字信号，它由同步、定时、分接和码速恢复等单元组成。定时、分接和码速恢复等单元组成。471.数字复接系统框图数字复接系统框图482.数字复接方法数字复接方法按位、按字、按帧复接，下图是按位和按字复接：按位、按字、按帧复接，下图是按位和按字复接：493.码速调整码速调整 被复接的各支路数字信号彼此之间必须同步并被复接的各支路数字信号彼此之间必须同步并与复接器的定时信号同步，否则需要做出适当的与复接器的定时信号同步，否则需要做出适当的码速调整，码速调整，以实现对复接后

23、的高速数据码流的传以实现对复接后的高速数据码流的传输同步定时控制。输同步定时控制。通常，码速调整后速率高于调整前的结果，称通常，码速调整后速率高于调整前的结果，称为正码速调整。为正码速调整。502.5.3 准同步数字体系准同步数字体系 ITU-T早期推荐了两类从基群到五次群复接等级早期推荐了两类从基群到五次群复接等级的数字速率系列。的数字速率系列。一类以一类以1.544 Mb/s为基群速率，为基群速率，另一类以另一类以2.048 Mb/s为基群速率为基群速率。因这两类各次群比特率相对于其标准值有一个规因这两类各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而且是异源的，各节点时钟允许存在少定的容差

24、，而且是异源的，各节点时钟允许存在少量的频率漂移误差，因此这是一种准同步复接方式，量的频率漂移误差，因此这是一种准同步复接方式，统称为准同步数字体系（统称为准同步数字体系（PDH）。）。511.两类两类PDH系列标准系列标准表表2-4 PDH2-4 PDH两类标准数字速率系列和复接等级两类标准数字速率系列和复接等级群号群号2M2M系列系列1.5M1.5M系列系列速率（速率（Mb/s）话路数话路数速率（速率（Mb/s）话路数话路数基群基群2.0482.04830301.544 1.544 2424二次群二次群8.4488.44830304=1206.312 6.312 24244=96三次群三次

25、群34.36834.3681201204=48032.064 32.064 96965=480四次群四次群139.264139.2644804804=192097.728 97.728 4804803=1440五次群五次群564.992564.992192019204=7680397.200 397.200 144014404=5760522.PDH系列的不足系列的不足两种数字系列互不兼容，导致国际之间电信两种数字系列互不兼容，导致国际之间电信网的建立及营运管理比较复杂和困难；网的建立及营运管理比较复杂和困难；高、低速率信号的复接和分接都需要逐级进高、低速率信号的复接和分接都需要逐级进行，复接

26、行，复接-分接设备复杂，上下话路价格昂贵；分接设备复杂，上下话路价格昂贵；帧结构中管理维护用的比特位较少，难以适帧结构中管理维护用的比特位较少，难以适应网络管理灵活、动态、智能化的日益增长需应网络管理灵活、动态、智能化的日益增长需求。求。主要适用于中、低速率点对点传输。主要适用于中、低速率点对点传输。532.5.4 同步数字体系（同步数字体系（SDH）鉴于鉴于PDH的不足，国际上迫切需要建立统一的的不足，国际上迫切需要建立统一的全新体制的数字通信网。为此全新体制的数字通信网。为此ITU-T经充分讨论和经充分讨论和协商，于上世纪协商，于上世纪80年代末，接受了美国贝尔通信年代末，接受了美国贝尔通

27、信研究所提出的同步光网络（研究所提出的同步光网络（SONET:Synchronous Optical Network）数字体系标准并进行了适当修）数字体系标准并进行了适当修改，命名为同步数字体系（改，命名为同步数字体系（SDH）54SDH的特点的特点1）由一系列的）由一系列的SDH网元组成，可在光纤网中实现网元组成，可在光纤网中实现同步信息传输、复用、分插或交叉连接；同步信息传输、复用、分插或交叉连接；2）块状）块状帧结构中安排了丰富的管理比特，大大增强了网帧结构中安排了丰富的管理比特，大大增强了网络管理能力；络管理能力；3）网络能在极短的时间内从失效的）网络能在极短的时间内从失效的故障状态自

28、动恢复业务而无需人为干涉；故障状态自动恢复业务而无需人为干涉；4）有标）有标准化的信息结构等级规范，称为同步传输模块准化的信息结构等级规范，称为同步传输模块STM-N。不同厂家的设备只要符合规范就可以在。不同厂家的设备只要符合规范就可以在光路上互联，真正实现横向兼容；光路上互联，真正实现横向兼容；5）具有兼容）具有兼容PDH甚至甚至B-ISDN的能力，所以有广泛的适用性。的能力，所以有广泛的适用性。552.6 数字传输的差错控制数字传输的差错控制 噪声是导致数字通信传输中出现差错（误码）噪声是导致数字通信传输中出现差错（误码）的主要原因。的主要原因。差错控制的作用就是要检测出数据码元在传输差错

29、控制的作用就是要检测出数据码元在传输过程中可能发生的误码，并且采取适当的方法加过程中可能发生的误码，并且采取适当的方法加以纠正。以纠正。差错控制通过差错控制编码（信道编码）实现，差错控制通过差错控制编码（信道编码）实现，通常有检错编码和纠错编码两种形式。通常有检错编码和纠错编码两种形式。56差错控制编码的基本原理差错控制编码的基本原理 原始数据码元序列本来不带规律性，但通过差原始数据码元序列本来不带规律性，但通过差错控制编码让其产生规律性并发送出去，接收端错控制编码让其产生规律性并发送出去，接收端根据这一规律性对码元序列进行检测，一旦出现根据这一规律性对码元序列进行检测，一旦出现违规情况，就认

30、为出现了传输错误。违规情况，就认为出现了传输错误。572.6.1 噪声的分类噪声的分类u 根据噪声和信号之间的混合迭加关系可分为加根据噪声和信号之间的混合迭加关系可分为加性噪声和乘性噪声；性噪声和乘性噪声；u根据噪声来源的不同，可分为自然噪声、人为根据噪声来源的不同，可分为自然噪声、人为噪声和内部噪声；噪声和内部噪声；u根据噪声的表现形式可分为单频噪声、起伏噪根据噪声的表现形式可分为单频噪声、起伏噪声和脉冲噪声。声和脉冲噪声。582.6.2 检错编码检错编码 检错编码只能判断出所收到的数据是否有错，检错编码只能判断出所收到的数据是否有错，但不能判断出哪些是错误码元，最常用的两种检但不能判断出哪

31、些是错误码元，最常用的两种检错编码方式是奇偶校验编码和循环冗余校验编码。错编码方式是奇偶校验编码和循环冗余校验编码。通常采用反馈重传通常采用反馈重传(ARQ)技术来纠错。技术来纠错。591.奇偶校验奇偶校验位字符校验码字abcdefghijW1W2W3W4W5W6W7W8校验码字0101010101000110011001000011110010000000011111111111111111111111110000000000101101001100水平垂直偶校验602.循环冗余校验循环冗余校验g(x)=x4+x3+x2+1 （多项式系数是（多项式系数是11101），信息），信息码是码是11

32、0，产生的，产生的CRC码是码是10010，发送的码元是，发送的码元是110,10010。11011101|110000001110110011011101余数1001061循环冗余校验循环冗余校验 用产生的用产生的CRC码码110,10010进行反运算，得到的进行反运算，得到的应该是应该是110，即原始信息码元：，即原始信息码元：11011101|110100101110110111111101余 数 10010622.6.2 纠错编码纠错编码 纠错编码能够判断出错码元的准确位置并加以纠错编码能够判断出错码元的准确位置并加以自我改正，纠错编码需要比检错编码增加更多的自我改正，纠错编码需要比检错编码增加更多的冗余码元。冗余码元。63本章小结和知识点本章小结和知识点u数字通信的特点数字通信的特点u模拟信号的数字化过程模拟信号的数字化过程：抽样、量化、编码抽样、量化、编码u差值脉冲编码（差值脉冲编码（DPCM）和增量调制（）和增量调制（DM）u基带传输与频带传输基带传输与频带传输u数字复接数字复接PDH与与SDH标准标准u差错控制差错控制