1、2022年6月22日星期三数字通信原理 Principles of Digital Communication2022年6月22日星期三数字通信原理 绪论绪论 信息论基础和信号分析信息论基础和信号分析 模拟调制技术模拟调制技术 信源编码技术信源编码技术 数字基带传输数字基带传输 数字调制技术数字调制技术 差错控制编码差错控制编码2022年6月22日星期三数字通信原理2022年6月22日星期三数字通信原理一、信源编码的主要目的一、信源编码的主要目的将信号变换为适合于数字通信系统处理和传送的数字信将信号变换为适合于数字通信系统处理和传送的数字信号形式号形式； 提高通信的有效性，尽可能地减少原信息中
2、的冗余度，提高通信的有效性，尽可能地减少原信息中的冗余度，使单位时间或单位系统频带上所传的信息量最大使单位时间或单位系统频带上所传的信息量最大；二、编码方式二、编码方式 包括有包括有HuffmanHuffman编码和等长编码编码和等长编码 将信源等效地视为在一个适当输入信号激励下的线性系将信源等效地视为在一个适当输入信号激励下的线性系统输出。用线性系统的参数及伴随的输入激励信号进行编统输出。用线性系统的参数及伴随的输入激励信号进行编码。码。2022年6月22日星期三数字通信原理 给每个符号赋予一定长度的代码表示。给每个符号赋予一定长度的代码表示。 设：信源的输出来自一个由有限个符号设：信源的输
3、出来自一个由有限个符号 组成的集合，组成的集合， 表示符号出现的概率，则：表示符号出现的概率，则：Lixi, 2 , 1, )(ixp LiiiLxpxpxH122log)(log)()(在赋予一定长度的代码时，每个符号的二在赋予一定长度的代码时，每个符号的二进制代码平均长度最短不应小于信源的熵。进制代码平均长度最短不应小于信源的熵。2022年6月22日星期三数字通信原理 又称为又称为，即不管符号出现的，即不管符号出现的概率如何，每个符号都用概率如何，每个符号都用N N位二进制代位二进制代码表示。码表示。 则则为：为： 1loglog22 LLN或或为：为：NxH)( 每位二进制码所代表的信源
4、的信息量。每位二进制码所代表的信源的信息量。 2022年6月22日星期三数字通信原理v当当L L为为2 2的整数次幂且等概出现时，编码效率为的整数次幂且等概出现时，编码效率为100%100%；v当符号等概出现，但当符号等概出现，但L L不是不是2 2的整数次幂时，编码效率的整数次幂时，编码效率下降，符号平均信息量与码长下降，符号平均信息量与码长N N之间最多可相差之间最多可相差1 1比特；比特；vL L较小时，编码效率较低，因此，可以采用扩展编码的较小时，编码效率较低，因此，可以采用扩展编码的方法，即将连续方法，即将连续J J个符号进行统一编码，则：个符号进行统一编码，则： 1loglog22
5、 LJNLJN取取整整： JLJNN1log2 即：即：2022年6月22日星期三数字通信原理：某一：某一DMSDMS有有5 5种信源符号，每种符号种信源符号，每种符号出现的概率为出现的概率为1/51/5，计算以下固定长度，计算以下固定长度编码的有效性（效率）。编码的有效性（效率）。（1 1）每个符号分别进行等长二进制编码；）每个符号分别进行等长二进制编码；（2 2）每两个符号组合，进行等长二进制）每两个符号组合，进行等长二进制编码；编码；（3 3）每三个符号组合，进行等长二进制）每三个符号组合，进行等长二进制编码；编码；2022年6月22日星期三数字通信原理 即将出现概率较大的符号用位数较少
6、的即将出现概率较大的符号用位数较少的码字代表，而出现概率较小的符号用较长码字代表，而出现概率较小的符号用较长的码字代表，也称为的码字代表，也称为。 （1 1）：单义可译码，平均长度：单义可译码，平均长度最短的码种；最短的码种；1)()()(1 xHnxpNxHLiiin ni i：相应出现概率为：相应出现概率为p p( (x xi i) )的符号的编码长度。的符号的编码长度。 为为：2022年6月22日星期三数字通信原理：v将所有信源符号按概率分布从大到小顺序排列将所有信源符号按概率分布从大到小顺序排列（对概率相等的概率顺序任意）；（对概率相等的概率顺序任意）；v将两个概率最小的信源符号合并成
7、一个信源符将两个概率最小的信源符号合并成一个信源符号，形成新的概率集合，按前一步骤重新排列。号，形成新的概率集合，按前一步骤重新排列。如此重复，直至剩下两个概率为止；如此重复，直至剩下两个概率为止；v分配码字。从后向前反向进行，分配分配码字。从后向前反向进行，分配0 0或或1 1；直；直至将所有的符号的哈夫曼编码获得为止。至将所有的符号的哈夫曼编码获得为止。NxH)( 2022年6月22日星期三数字通信原理某一离散无记忆信源某一离散无记忆信源DMSDMS由由8 8个字母个字母组成，每个字母出现的概率分别是组成，每个字母出现的概率分别是0.250.25，0.20.2，0.120.12，0.100
8、.10，0.080.08，0.050.05，0.050.05，求：，求：（1 1）HuffmanHuffman编码所产生的编码所产生的8 8个不等长码个不等长码字；字；（2 2）每个符号平均二进制编码长度；）每个符号平均二进制编码长度；（3 3）信源的熵；）信源的熵；2022年6月22日星期三数字通信原理：vHuffmanHuffman编码构造的码字不唯一；编码构造的码字不唯一；vHuffmanHuffman编码是变长编码，硬件实现编码是变长编码，硬件实现比较困难；比较困难；v采用采用HuffmanHuffman编码，要传送编码表，编码，要传送编码表，占用传送时间；占用传送时间；vHuffma
9、nHuffman编码是变长编码，出错时难编码是变长编码，出错时难以识别；以识别；2022年6月22日星期三数字通信原理 （2 2）即即，在不等长编码，在不等长编码中，不是对每个符号单独进行编码，而中，不是对每个符号单独进行编码，而是对由是对由J J个符号组成的符号组进行编码，个符号组成的符号组进行编码，为：为：JxHNxH1)()( 说明说明：通过扩展编码可使编码的平均长：通过扩展编码可使编码的平均长度任意接近信源的熵，从而使编码效率度任意接近信源的熵，从而使编码效率提高。提高。 2022年6月22日星期三数字通信原理一、抽样一、抽样 模拟信号数字化的第一步是在时间上模拟信号数字化的第一步是在
10、时间上对信号进行离散化处理，即将时间上连续对信号进行离散化处理，即将时间上连续的信号处理成的信号处理成时间上离散的信号，这一过时间上离散的信号，这一过程称之为程称之为。 每隔一定的时间间隔每隔一定的时间间隔T，抽取模拟信，抽取模拟信号的一个瞬时幅度值，所形成的一串在时号的一个瞬时幅度值，所形成的一串在时间上离散的样值称为间上离散的样值称为或或，或叫或叫（PAM信号）。信号）。 2022年6月22日星期三数字通信原理二、低通信号的抽样定理二、低通信号的抽样定理一个带限于（一个带限于（0 0，f fm m）HzHz内的连续时间内的连续时间信号信号f f( (t t) )，如果以，如果以T Ts s
11、1/21/2f fm m秒的时间间隔秒的时间间隔进行抽样，则进行抽样，则f f( (t t) )将由得到的抽样值将由得到的抽样值f f( (kTkTt t) )完全确定。完全确定。msff2 msfT21 2022年6月22日星期三数字通信原理2022年6月22日星期三数字通信原理三个三个v信号是严格带限的，频率是在一定的信号是严格带限的，频率是在一定的f fm m以下；以下；v取样是用理想的冲激序列；取样是用理想的冲激序列；v采用理想的低通滤波器来恢复原信号，以减少采用理想的低通滤波器来恢复原信号，以减少误差；误差；否则，将产生否则，将产生，由折叠误差所产生的噪声；，由折叠误差所产生的噪声；
12、，取样不是理想的冲激序列，通过理，取样不是理想的冲激序列，通过理想低通滤波器时，不能完全恢复原信号；想低通滤波器时，不能完全恢复原信号；，由非理想低通滤波器所产生的误差；，由非理想低通滤波器所产生的误差；2022年6月22日星期三数字通信原理语声信号的最高频率限制在语声信号的最高频率限制在3400Hz3400Hz，这时满足抽样定理的最低抽样频率应这时满足抽样定理的最低抽样频率应为为f fsmmsmm=6800Hz=6800Hz, ,为了留有一定的防卫带，为了留有一定的防卫带，原原CCITTCCITT规定语音信号的抽样频率为规定语音信号的抽样频率为f fs s= =8000Hz8000Hz，这，
13、这样，就留出样，就留出8000-6800= 8000-6800= 1200Hz1200Hz作为滤波器的防卫带。作为滤波器的防卫带。2022年6月22日星期三数字通信原理：已知一基带信号：已知一基带信号 对其进行抽样，为了在接收端能不失对其进行抽样，为了在接收端能不失真地从已取样信号中恢复原信号，试真地从已取样信号中恢复原信号，试问取样间隔应为多少？问取样间隔应为多少？tttm 4cos22cos)( 2022年6月22日星期三数字通信原理三、带通信号的抽样三、带通信号的抽样频带限制于（频带限制于（f fL L ，f fm m）HzHz之间的连续之间的连续时间信号称为带通信号；时间信号称为带通信
14、号； 带通信号如果还采用低通信号抽样定带通信号如果还采用低通信号抽样定理进行取样，则将造成频谱空隙的浪费，理进行取样，则将造成频谱空隙的浪费，致使信道利用率不高。致使信道利用率不高。2022年6月22日星期三数字通信原理如果模拟信号频带限制于（如果模拟信号频带限制于（f fL L ，f fm m）HzHz之间，且当之间，且当f fL Lf fm m- -f fL L=W=W时，则所必须的最时，则所必须的最低取样速率为：低取样速率为： LmLmsfffmmff12(min)一般情况下，取样速率应满足：一般情况下，取样速率应满足：1212 mmffmfmsm这样不会发生频谱重叠。这样不会发生频谱重
15、叠。2022年6月22日星期三数字通信原理如果要求原始信号频带与其相邻频带之如果要求原始信号频带与其相邻频带之间的频带间隔相等，则：间的频带间隔相等，则：分析：带通信号的频谱图分析：带通信号的频谱图12)(2 mfffLmsLfmfLf mf f2022年6月22日星期三数字通信原理fsf设设B B= =f fm m- -f fL,L, ,则则B B f fL,L,22B B如图所示，进行频谱搬移，则若要不重叠，如图所示，进行频谱搬移，则若要不重叠，必须满足：必须满足：msff 2Lsff 2LfmfLf mf msff Lsff LsmmsmLLsfffffffff22)2()1( 2022
16、年6月22日星期三数字通信原理fsf若要频带间隔相等，必须满足：若要频带间隔相等，必须满足：msff 2Lsff 2LfmfLf mf msff Lsff 3)( 2222)2 ()() 3 (LmsmssLmmsLsLfffffffffffff 2022年6月22日星期三数字通信原理对于一般情况：如果对于一般情况：如果BmfmBL)1( 则有：则有： 12)(221222)1)(3()1()2()1(mfffmffmfmffffmffmfffmfLmsLsmsLmsmsmLLs：如果：如果f fL L B BPCMPCM；（3 3）最大量化噪声比最大量化噪声比： 在相同信道带宽下，当在相同信
17、道带宽下，当n n小于等于小于等于4 4时，时，DMPCM;DMPCM; 当当n n大于大于4 4时，相反；时，相反； 所以，一般高质量通信采用所以，一般高质量通信采用PCMPCM，如大容量干线通信；质量，如大容量干线通信；质量要求不高时采用要求不高时采用DMDM，如小容量支线通信；军事通信和一些专，如小容量支线通信；军事通信和一些专用通信系统一般采用用通信系统一般采用DMDM；（4 4）信道误码的影响信道误码的影响：DMDM对误码不太敏感，对新到误码率要对误码不太敏感，对新到误码率要求低，一般在求低，一般在1010-4-4-10-10-3-3；PCMPCM要求较高，误码影响严重。要求较高，误
18、码影响严重。（5 5）设备的复杂性设备的复杂性：DMDM设备简单，设备简单，PCMPCM设备复杂得多；设备复杂得多；dBfffNSdBnNSmsDMqPCMq)04.0lg(10)26(2200 2022年6月22日星期三数字通信原理一、一、PCMPCM通信系统的组成通信系统的组成 一般，实际的通信系统并不按单路语音一般，实际的通信系统并不按单路语音信号进行编码，而是信号进行编码，而是几十话路同时编码几十话路同时编码，从而使语音信号质量提高。但如果采用几从而使语音信号质量提高。但如果采用几十个编码器又不经济，所以，一般信号的十个编码器又不经济，所以，一般信号的组成采用组成采用TDMTDM形式形
19、式，将几十路信号通过一个，将几十路信号通过一个采用开关，按顺序采样，再串行送入量化采用开关，按顺序采样，再串行送入量化编码器进行编码器进行PCMPCM编码，形成码流。编码，形成码流。2022年6月22日星期三数字通信原理2022年6月22日星期三数字通信原理二、二、PCMPCM一次群帧结构一次群帧结构1 1、：标志码与各路样值脉冲编码轮流发送：标志码与各路样值脉冲编码轮流发送一次构成的码流称为一帧；一次构成的码流称为一帧；2 2、：保证收发同步的识别信号，即保：保证收发同步的识别信号，即保证码元节拍一致并能准确地识别各路信号证码元节拍一致并能准确地识别各路信号的轮流排队次序的在各路信号排队开头
20、的的轮流排队次序的在各路信号排队开头的码组；码组；3 3、：PCMPCM一次群。一般一次群。一般PCMPCM一次群帧结构一次群帧结构由由G.732G.732等建议所规定。等建议所规定。 2022年6月22日星期三数字通信原理TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS8TS9TS10TS11TS12TS13TS14TS15TS16TS17TS18TS19TS20TS21TS22TS23TS24TS25TS26TS27TS28TS29TS30TS31第115话路帧同步码标志信号码第1630话路图8-13 PCM帧同步码PCMPCM一次群帧结构一次群帧结构4 4、：是通信网中与接续的建立、
21、拆除和控制以及网络管理：是通信网中与接续的建立、拆除和控制以及网络管理有关的电信息，又称标志信号，如占用、振铃、拨号等；有关的电信息，又称标志信号，如占用、振铃、拨号等；v按按信令信道位置信令信道位置分：分：l时隙内信令时隙内信令：信令信道固定或周期性地占用话路时隙内：信令信道固定或周期性地占用话路时隙内1 1比特，如比特，如PCM24PCM24制式；制式；l时隙外信令时隙外信令：信令信道占据话路时隙外的：信令信道占据话路时隙外的1 1比特或几个比特；比特或几个比特；v按信令信道的利用方式分：按信令信道的利用方式分：l共路信令共路信令：把许多有关的信令信息以及其他信息在单一信令信道：把许多有关
22、的信令信息以及其他信息在单一信令信道上传送的方式；上传送的方式；l随路信令随路信令：在话路内或在固定附属于该话路的信令信道内，传输：在话路内或在固定附属于该话路的信令信道内，传输该路所需的各种信令的方式；该路所需的各种信令的方式；2022年6月22日星期三数字通信原理v基群的传码率：基群的传码率：v四个基群构成一个二次群，传码率为四个基群构成一个二次群，传码率为8448Kbps8448Kbps；v四个二次群构成一个三次群，传码率为四个二次群构成一个三次群，传码率为34368Kbps34368Kbps；v四个三次群构成一个四次群，传码率为四个三次群构成一个四次群，传码率为139264Kbps13
23、9264Kbps；v四个四次群构成一个五次群，传码率为四个四次群构成一个五次群，传码率为564992Kbps564992Kbps。例例8 8：有一个：有一个1010路带宽均为路带宽均为300Hz300Hz，3400Hz3400Hz的模拟信号进行的模拟信号进行PCMPCM时分复用传输，采样频率是时分复用传输，采样频率是8000Hz8000Hz，采样后进行，采样后进行8 8级量级量化，并编为自然二进制码，码元波形是宽度为化，并编为自然二进制码，码元波形是宽度为T T的矩形脉冲，的矩形脉冲，占空比为占空比为1 1，试求此时时分复用，试求此时时分复用PCMPCM基带信号的带宽。基带信号的带宽。Kbps
24、bpsNnfRsb20488328000 2022年6月22日星期三数字通信原理三、多路复用技术三、多路复用技术(1)(1)：若干路信息在同一信道中传送的技术，要保证：若干路信息在同一信道中传送的技术，要保证各路信号的独立性；各路信号的独立性；(2)(2)：在发送端将信号综合在一起的过程；：在发送端将信号综合在一起的过程； 接收端把它们分开的过程叫接收端把它们分开的过程叫；(3)(3)：在频域使各路信号分别占据不同频段：在频域使各路信号分别占据不同频段的方法，用于模拟信号通信，如的方法，用于模拟信号通信，如SPADESPADE卫星通信系统；卫星通信系统； (4)(4)：使各路信号分别占据不同时
25、段传送的：使各路信号分别占据不同时段传送的方法；方法；(5)(5)：用于话音插空传输技术中，目的：用于话音插空传输技术中，目的是如何能更充分利用中继线或干线上的传输能力；是如何能更充分利用中继线或干线上的传输能力；(6)(6)：采用不同的传输媒介，将信号在传输：采用不同的传输媒介，将信号在传输空间上分隔，如多路信号在同一网络系统中的选址通信；空间上分隔，如多路信号在同一网络系统中的选址通信；(7)(7)：根据波长划分信号，即光波波段的频：根据波长划分信号，即光波波段的频分复用，分为密集波分复用分复用，分为密集波分复用DWDMDWDM和光频分复用和光频分复用OFDMOFDM；2022年6月22日
26、星期三数字通信原理 低通 调制器 带通 输入 CH1 fc1 低通 调制器 带通 CH2 fc2 低通 调制器 带通 CHn fcn 信 道 带通 解调器 低通 带通 解调器 低通 带通 解调器 低通 输出 CH1 CH2 CHn 发送端 接收端 频分多路复用原理方框图 fc1 fc2 fc3 2022年6月22日星期三数字通信原理 为了防止各路信号间的相互干扰，各路信号所占为了防止各路信号间的相互干扰，各路信号所占频段之间还需留有一定的频段之间还需留有一定的“保护频段保护频段”。 FDMFDM最典型的例子是在一条物理线路上传送多路最典型的例子是在一条物理线路上传送多路话音信号的多路载波电话系
27、统话音信号的多路载波电话系统 考虑到大容量载波电话在传输中合群、分群的考虑到大容量载波电话在传输中合群、分群的方便，现已形成了一套标准的等级方便，现已形成了一套标准的等级多路载波电路分群等级 分分群群等等级级 容容量量（路路数数） 带带宽宽（K KH Hz z） 基基本本频频带带（K KH Hz z） 基基群群 1 12 2 4 48 8 6 60 0- -1 10 08 8 超超群群 6 60 0= =5 51 12 2 2 24 40 0 3 31 12 2- -5 55 52 2 主主群群 3 30 00 0= =5 56 60 0 1 12 20 00 0 8 81 12 2- -2
28、20 04 44 4 超超主主群群 9 90 00 0= =3 33 30 00 0 3 36 60 00 0 8 85 51 16 6- -1 12 23 38 88 8 1 12 2M MH Hz z系系统统 2 27 70 00 0= =3 39 90 00 0 1 10 0. .8 8M MH Hz z 6 60 0M MH Hz z系系统统 1 10 08 80 00 0= =1 12 29 90 00 0 4 43 3. .2 2M MH Hz z 2022年6月22日星期三数字通信原理 下图给出了一个时分复用系统的示意图。2022年6月22日星期三数字通信原理l时分复用是将低速数
29、据流合并成高速数据时分复用是将低速数据流合并成高速数据流的常用方法；流的常用方法；l是将被复用数据信道上的比特或字符交错是将被复用数据信道上的比特或字符交错排列，然后以高速送到集合数字信道上排列，然后以高速送到集合数字信道上l特点：每个低速数据信道固定分配到高速特点：每个低速数据信道固定分配到高速集合信道的一个时隙，集合信道的传输速集合信道的一个时隙，集合信道的传输速率等于各低速数据信道之和率等于各低速数据信道之和2022年6月22日星期三数字通信原理统计时分多路复用方式统计时分多路复用方式(Statistical Time (Statistical Time Division Divisio
30、n Multiplex,STDMMultiplex,STDM），它可），它可以动态地按需分配时隙，以动态地按需分配时隙，从而提高了时隙利用率，从而提高了时隙利用率，STDMSTDM又称异步又称异步TDMTDM或智能或智能TDMTDM。STDMSTDM的示意图如图的示意图如图6-76-7所所示示与与TDMTDM相比，同样速率的相比，同样速率的复用链路，复用链路，STDMSTDM可以复接可以复接更多的用户，从而提高了更多的用户，从而提高了信道利用率。信道利用率。缓 冲 区复 用 器信 道用 户1图6-7 STDM的 示 意 图用 户2用 户n2022年6月22日星期三数字通信原理l基于基于TDMT
31、DM是将每个低速数据信道固定分配到是将每个低速数据信道固定分配到高速集合信道的一个时隙，集合信道的传输高速集合信道的一个时隙，集合信道的传输速率等于各低速数据信道之和，当低速信道速率等于各低速数据信道之和，当低速信道数据较少时，将浪费集合信道的时隙数据较少时，将浪费集合信道的时隙l针对针对TDM TDM 的缺点，的缺点，STDMSTDM则采用动态分配集则采用动态分配集合信道的时隙，只给那些确定要传输的数据合信道的时隙，只给那些确定要传输的数据终端分配一个时隙，使它们建立数据链路，终端分配一个时隙，使它们建立数据链路，lSTDMSTDM的特点：集合信道的时隙得到充分利的特点：集合信道的时隙得到充
32、分利用；集合信道的传输速率可以大于各低速数用；集合信道的传输速率可以大于各低速数据信道速率之和。据信道速率之和。2022年6月22日星期三数字通信原理码分多址复用是一种较新的多路复用方式码分多址复用是一种较新的多路复用方式为了实现为了实现CDMACDMA，必须要解决三个关键的技术问题，必须要解决三个关键的技术问题v要达到复用的目的就要有足够多的地址码，而这些地要达到复用的目的就要有足够多的地址码，而这些地址码又要有良好的自相关的特性和互相关的特性。址码又要有良好的自相关的特性和互相关的特性。v在系统的接收端，必须产生本地地址码在系统的接收端，必须产生本地地址码( (简称本地码），简称本地码），
33、该本地码不但在码型的结构上应与对端发来的地址码该本地码不但在码型的结构上应与对端发来的地址码一致，而且在相位上也要完全同步，一致，而且在相位上也要完全同步，v系统内所有用户使用同一载波，各用户可以同时发送系统内所有用户使用同一载波，各用户可以同时发送或接收信号。为了把各用户之间的相互干扰降到最低或接收信号。为了把各用户之间的相互干扰降到最低限度，并且使各个用户的信号占用相同的带宽，限度，并且使各个用户的信号占用相同的带宽，CDMACDMA必须与扩展频谱必须与扩展频谱( (简称扩频简称扩频) )技术相结合。技术相结合。CDMACDMA通信系统，最常见的有两种：通信系统，最常见的有两种：伪随机伪随
34、机(PN)(PN)码码分路系统分路系统和和多进码分路多进码分路2022年6月22日星期三数字通信原理 PN码直接扩频多址通信系统 其它地址信号 PSK 信 源 A C n(t) 上变频 下变频 带通 积分 判决 载 波 产生器 伪 码 产生器 基础调制 多路调制 本地码 产生器 多路解调 基础解调 接收端 卫 星 转发器 B 信码 输出 发送端 E F G H I J K D D B f0 同 步/载 波 2022年6月22日星期三数字通信原理波分多路复用是一种光纤通信中所使用的复用方式，原理方框图如图波分多路复用是一种光纤通信中所使用的复用方式，原理方框图如图 光源(1) 光源(2) 光源(n) 合波器 分波器 检测器(1) 检测器(2) 检测器(n) CH1 CH2 CHn CH1 CH2 CHn 单根光纤 波分路复用原理方框图 输入 调制 复用 去复用 解调 输出
