1、Internet数字通信原理数字通信原理吴润泽 Email：wrz_教材教材刘颖刘颖 王春悦王春悦 赵蓉编著赵蓉编著北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社1999.10李文海李文海 毛京丽毛京丽 石方文石方文 编著编著人民邮电出版社人民邮电出版社2007参考书目参考书目 编写：韦乐平编写：韦乐平人民邮电出版社人民邮电出版社 2001.2SDH及其新应用及其新应用肖萍萍肖萍萍 吴健学吴健学人民邮电出版社人民邮电出版社 20082008 课程任务课程任务u课程任务课程任务：掌握脉冲编码调制原、差错控制编：掌握脉冲编码调制原、差错控制编码、码、PDH技术、技术、SDH帧结构、帧结构、SDH同步复用与映
2、同步复用与映射、射、SDH网络、网络、SDH设备、光电接口、传输损伤、设备、光电接口、传输损伤、SDH管理网络等内容。管理网络等内容。u教学目的教学目的：掌握：掌握PDH、SDH传输系统的基本原传输系统的基本原理，为今后从事信息与通信工作打下必要的理论理，为今后从事信息与通信工作打下必要的理论基础。基础。考核考核总成绩总成绩 =平时成绩平时成绩(15%)+(15%)+期末考试成期末考试成绩绩(70%)+(70%)+实验成绩（实验成绩（15%)15%)平时：出勤、作业、课堂测试平时：出勤、作业、课堂测试期末考试形式：笔试闭卷。期末考试形式：笔试闭卷。课程内容课程内容数字通信原理语音信号编码差错控
3、制编码两大传输体系SDHPDH内内 容容2SDHSDH数字同步光传送网数字同步光传送网31PDHPDH准同步数字序列准同步数字序列差错控制编码差错控制编码语音信号编码语音信号编码234第一章第一章 概述概述第一节第一节 通信及通信系统构成通信及通信系统构成第二节第二节 信息、信号及分类信息、信号及分类第三节第三节 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信第四节第四节 数字通信特点及性能指标数字通信特点及性能指标第一节 通信及通信系统构成什么是通信系统？移动通信设备移动通信设备Switching&TransportA clear understanding of CommunicationITOpe
4、n Resource信息定义信息定义：不确定性的东西。不确定性的东西。信息量定义信息量定义：（比特）（比特）,P为信息出现为信息出现的概率。的概率。信息形式信息形式：话音、图像、文字、数据。：话音、图像、文字、数据。信号信号：信息载体，电压、电流、光波弧度或频率：信息载体，电压、电流、光波弧度或频率等。等。信号分类信号分类：模拟信号和数字信号（以时间特性区分）：模拟信号和数字信号（以时间特性区分）P1logI2通信系统模型通信系统模型无论是哪种通信系统，都是要完成从一地到另一地的无论是哪种通信系统，都是要完成从一地到另一地的信息传递或交换。信息传递或交换。通信系统概括为一个统一的模型：通信系统
5、概括为一个统一的模型：模型包括信源、变换器、信道、反变换器、信宿和模型包括信源、变换器、信道、反变换器、信宿和噪声源六个部分。噪声源六个部分。模型框图如图模型框图如图1.1所示。噪声源为传输过程中引入的。所示。噪声源为传输过程中引入的。图1.1 通信系统模型模型中各部分功能如下：模型中各部分功能如下：(1)信源：指发出信息的信息源，或简单地说是信息信源：指发出信息的信息源，或简单地说是信息的发出者。的发出者。(2)变换器：功能是把信源发出的信息变换成适合在变换器：功能是把信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。信道上传输的信号。(3)信道：信号传输媒介的总称。信道：信号传输媒介的总称。(4
6、)反变换器：具有与变换器相反的逆变换功能。反变换器：具有与变换器相反的逆变换功能。(5)信宿：指信息传送的终点，也就是信息接收者。信宿：指信息传送的终点，也就是信息接收者。(6)噪声源：并不是一个人为实现的实体，但在实际噪声源：并不是一个人为实现的实体，但在实际通信系统中又是客观存在的。通信系统中又是客观存在的。数字通信发展概况数字通信发展概况1835年，莫尔斯发明了电报，早期的数字通信方式；年，莫尔斯发明了电报，早期的数字通信方式；1875年，贝尔发明了电话，模拟通信的新领域；年，贝尔发明了电话，模拟通信的新领域；1937年，里弗提出年，里弗提出PCM通信理论解决噪声累计问题；通信理论解决噪
7、声累计问题；1961年，实用化的年，实用化的PCM端机用于市话；端机用于市话；当前，全球数字化。当前，全球数字化。第二节第二节 信息、信号及分类信息、信号及分类信号分类信号分类信号类型信号类型模拟信号模拟信号数字信号数字信号物理参量基本特物理参量基本特征征模拟信号及特点模拟信号及特点模拟信号模拟信号消息的信号及其参数消息的信号及其参数(幅度、频率和相位幅度、频率和相位)随着消息连随着消息连续变化的信号；续变化的信号；特点：特点：在幅度上连续，但是在时间上可以连续也可以不连续在幅度上连续，但是在时间上可以连续也可以不连续举例举例连续变化的语音信号连续变化的语音信号/电视图像信号电视图像信号/遥感
8、遥测信号等遥感遥测信号等，而脉冲幅度调制信号（，而脉冲幅度调制信号（PAM）、）、脉冲相位调制信号脉冲相位调制信号（PPM）和脉冲宽度调制信号（和脉冲宽度调制信号（PWM）,时间上不连时间上不连续，但是幅度连续的信号也是模拟信号。续，但是幅度连续的信号也是模拟信号。图图1.2 1.2 模拟信号示例模拟信号示例数字信号及特点数字信号及特点数字信号数字信号指的是时间和幅值都是离散的信号形式指的是时间和幅值都是离散的信号形式数字信号的波形特点数字信号的波形特点幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的，而幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的，而是离散的。是离散的。举例举例计算机信号、数据信号和计算
9、机信号、数据信号和PCMPCM信号都是属于数字信号信号都是属于数字信号图图1.3 数字信号示例数字信号示例图图1.8时间离散信号示例时间离散信号示例图图1.7时间连续信号示例时间连续信号示例第三节第三节 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信一、一、模拟通信模拟通信信源所发出的信息经变换器变换和处理后，送信源所发出的信息经变换器变换和处理后，送往信道上传输的是模拟信号的通信系统称为模往信道上传输的是模拟信号的通信系统称为模拟通信系统。拟通信系统。模拟通信系统的一般构成模型如图模拟通信系统的一般构成模型如图1.4所示。所示。图图1.5所示就是模拟通信系统的实例。所示就是模拟通信系统的实例。模拟通信
10、系统分类模拟通信系统分类 振幅调制系统（振幅调制系统（AM）单边带调制系统（单边带调制系统（SSB）频率调制系统（频率调制系统（FMFM）相位调制系统（相位调制系统（PM）脉冲幅度调制系统（脉冲幅度调制系统（PAM）脉冲相位调制系统（脉冲相位调制系统（PPM）脉冲宽度调制系统（脉冲宽度调制系统（PWM）模拟通信系统模拟通信系统连续调制系统连续调制系统脉冲调制系统脉冲调制系统图图1.4 模拟通信系统模型模拟通信系统模型原始信号是模拟信号，采用模拟调制方式图图1.5 模拟通信系统实例模拟通信系统实例 抗干扰能力差抗干扰能力差 不易于保密通信不易于保密通信 设备不易于大规模集成设备不易于大规模集成
11、不适应飞速发展的计算机通信的要求不适应飞速发展的计算机通信的要求 简单、易于实现。简单、易于实现。模拟通信特点模拟通信特点二、二、数字通信数字通信与模拟通信相对应，信源所发出的信息经变换与模拟通信相对应，信源所发出的信息经变换和处理后，送往和处理后，送往信道上传输的是数字信号信道上传输的是数字信号的通的通信系统称为数字通信系统。语声信号的数字通信系统称为数字通信系统。语声信号的数字通信系统构成如图信系统构成如图1.6所示。所示。图图1.6语声数字通信系统示意图语声数字通信系统示意图信源（信宿）：提供待传递的语声、图象或数据信号。信源（信宿）：提供待传递的语声、图象或数据信号。信源编码方法：信源
12、编码方法：PCMPCM、ADPCMADPCM、DMDM、SBCSBC等。等。信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。信道编码：线性分组码、卷积码、循环码等。加密：为提高数字通信的保密性，可通过加密器对数字信号进加密：为提高数字通信的保密性，可通过加密器对数字信号进行逻辑运算加密处理。不需要时可省略。行逻辑运算加密处理。不需要时可省略。1）复用方法）复用方法时分复用时分复用TDM：与模拟通信系统中的：与模拟通信系统中的TDM相似。相似。码分复用码分复用CDM：用正交码组调制数字信号的方：用正交码组调制数字信号的方法。特点，时域重叠，频域也重叠。法。特点，时域重叠，频域也重叠。2）复用方式）复用方
13、式同步复用：各支路信号速率相同。同步复用：各支路信号速率相同。异步复用：各支路信号速率不相同。异步复用：各支路信号速率不相同。三、三、数字信号的时分复用传输数字信号的时分复用传输多路信号互不干扰地沿同一条信道传输的过程称多路信号互不干扰地沿同一条信道传输的过程称为多路复用。为多路复用。复用的目的：提高资源利用率复用的目的：提高资源利用率频分复用（频分复用（FDMFDM）：用于连续调制。特点：频域）：用于连续调制。特点：频域分离，时域重叠。分离，时域重叠。时分复用（时分复用（TDMTDM）：用于脉冲调制。特点：时域）：用于脉冲调制。特点：时域分离，频域重叠。分离，频域重叠。FDMFDM原理框图原
14、理框图M：调制，DM：解调，BPF：带通滤波频分复用举例频分复用举例：闭路电视：闭路电视,家用宽带接入系统家用宽带接入系统DXL合路后信号的频谱合路后信号的频谱频分复用框图频分复用框图TDMTDM原理框图原理框图3路模拟信号路模拟信号TDM示意图示意图（n=3）第四节第四节 数字通信特点及性能指标数字通信特点及性能指标一、一、数字通信的特点数字通信的特点1.抗干扰能力强，无噪声积累抗干扰能力强，无噪声积累在数字通信中，由于数字信号的幅度值为有限个数的离在数字通信中，由于数字信号的幅度值为有限个数的离散值散值(通常取两个幅值通常取两个幅值)，在传输过程中受到噪声干扰虽，在传输过程中受到噪声干扰虽
15、然也要叠加噪声，但当信噪比还没有恶化到一定程度时然也要叠加噪声，但当信噪比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，采用再生的方法即可消除噪声干扰，即在适当的距离，采用再生的方法即可消除噪声干扰，将信号再生成原发送的信号，如图，将信号再生成原发送的信号，如图1.11(b)所示。所示。图图1.11 1.11 两类通信方式抗干扰性能比较两类通信方式抗干扰性能比较2.便于加密处理便于加密处理信息传输的安全性和保密性越来越受到重视，数字通信信息传输的安全性和保密性越来越受到重视，数字通信的加密处理比模拟通信更容易实现。以语声数字通信为的加密处理比模拟通信更容易实现。以语声数字通信为例，经过数字变换后的信
16、号就可以用简单的数字逻辑运例，经过数字变换后的信号就可以用简单的数字逻辑运算进行加密处理，如图算进行加密处理，如图1.12所示。所示。图图1.12 1.12 数字通信加密方法示意数字通信加密方法示意3.3.利于采用时分复用实现多路通信利于采用时分复用实现多路通信数字信号本身可以很容易用离散时间信号表示，在两个离数字信号本身可以很容易用离散时间信号表示，在两个离散时间之间可以插入多路离散时间信号以实现时分多路复散时间之间可以插入多路离散时间信号以实现时分多路复用。用。4.4.设备便于集成化、小型化设备便于集成化、小型化由于数字通信系统中大部分电路都是由数字电路来实现的由于数字通信系统中大部分电路
17、都是由数字电路来实现的，微电子技术的发展可使数字通信便于用大规模和超大规，微电子技术的发展可使数字通信便于用大规模和超大规模集成电路来实现。模集成电路来实现。5.5.占用频带宽占用频带宽路数字电话频带一般为路数字电话频带一般为6464kHzkHz，而一路模拟电话所占频带仅而一路模拟电话所占频带仅为为4 4kHzkHz，前者是后者的前者是后者的1616倍。倍。二、二、数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标1.有效性指标有效性指标(1)信息传输速率信息传输速率 信道的传输速率是以每秒钟所传输的信息量来衡量的。信道的传输速率是以每秒钟所传输的信息量来衡量的。(2)符号传输速率符号传输速
18、率 符号传输速率也叫码元速率。它是指单位时间内所传输符号传输速率也叫码元速率。它是指单位时间内所传输码元的数目，其单位为码元的数目，其单位为“波特波特”(Bd)。(3)频带利用率频带利用率 频带利用率是指单位频带内的传输速率。频带利用率是指单位频带内的传输速率。有效性指标：有效性指标：信息传输速率、符号传输速率、信息传输速率、符号传输速率、频带利用率。频带利用率。传码率传码率R RB B：单位单位 波特（波特（Baud,or BdBaud,or Bd）传信率传信率R Rb b：单位单位 比特比特/秒（秒（Bit/sBit/s，or bpsor bps）二者的关系：二者的关系：R Rb b=R=
19、RB Bloglog2 2M M （M M是进制数）是进制数）频带利用率：频带利用率：（bit/s/Hzbit/s/Hz）（Bd/HzBd/Hz）频带宽度传信率频带宽度传码率可靠性指标可靠性指标：误码率、信号抖动。误码率、信号抖动。信号抖动概念信号抖动概念：数字信号码元相对其标准位置的：数字信号码元相对其标准位置的随机偏移。常用单位为码元间隔（随机偏移。常用单位为码元间隔（UIUI，Unit Interval)Unit Interval)参考时钟参考时钟理想的理想的数字信号数字信号有抖动的有抖动的数字信号数字信号定时抖动定时抖动：时钟信号相对其标准位置的随机偏移。：时钟信号相对其标准位置的随机
20、偏移。说明说明：黑色实线表示时钟的标准位置。：黑色实线表示时钟的标准位置。红色虚线表示有抖动的时钟信号。红色虚线表示有抖动的时钟信号。时钟的上升沿（或下降沿）示意图如下：时钟的上升沿（或下降沿）示意图如下：误码率误码率：（平均误码率）（平均误码率）段内误码率段内误码率：一个再生段内误码率。：一个再生段内误码率。累积误码率累积误码率：传输系统总的误码率。：传输系统总的误码率。若每个中继段的误码率均为若每个中继段的误码率均为p pe e，经过，经过M M个中继总误码率个中继总误码率 NnpN传输总码元数错误码元数 limee3e3e31ee1e1C1CMpppppPMMMM总 问题：问题：如何测如
21、何测P Pe e?缩写缩写:终端设备终端设备TE,Terminal Equipment,TE,Terminal Equipment,再生中继器再生中继器 R,R,RegeneratorRegenerator中继传输系统中继传输系统39 ITU-TITU-T：International Telecommunication Union-International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization SectorTelecommunication Standardization SectorIEEE:Institute
22、of Electrical and Electronic EngineersIEEE:Institute of Electrical and Electronic EngineersFSAN:Full Service Access NetworkFSAN:Full Service Access Network分贝分贝dB dB 和和dBmdBm的区别：的区别：分贝分贝dBdB：常以对数标识两个功率或电压之比的计量单位，用于：常以对数标识两个功率或电压之比的计量单位，用于标识损耗或增益。如标识损耗或增益。如outinPA=10lgP绝对功率电平绝对功率电平dBmdBm：相对于：相对于1mW1mW
23、参考功率的电平数。如参考功率的电平数。如outPB=10lg1mW专业常用术语：专业常用术语：课后课后要求：要求：掌握通信系统的基本组成掌握通信系统的基本组成掌握信号形式和种类掌握信号形式和种类了解模拟通信和数字通信模型了解模拟通信和数字通信模型掌握数字通信特点掌握数字通信特点并会计算数字通信性能指标并会计算数字通信性能指标小结小结1 1数字信号与模拟信号的主要区别在于幅度取值是离散还数字信号与模拟信号的主要区别在于幅度取值是离散还是连续。幅度取值为离散者称为数字信号；幅度取值为连是连续。幅度取值为离散者称为数字信号；幅度取值为连续者称为模拟信号。续者称为模拟信号。2 2当信源为连续信号时需要
24、信源编码。对于话音信号由于当信源为连续信号时需要信源编码。对于话音信号由于它本身冗余度较大，一般不需要信道编码。根据信道传输它本身冗余度较大，一般不需要信道编码。根据信道传输特性可分为基带传输和频带传输两种方式。特性可分为基带传输和频带传输两种方式。3 3数字通信方式与模拟通信方式相比，其最主要的特点是数字通信方式与模拟通信方式相比，其最主要的特点是抗干扰性强、无噪声积累。抗干扰性强、无噪声积累。4 4时分复用是利用各路信号占有不同的时间间隙时分复用是利用各路信号占有不同的时间间隙(时间差时间差)在同一信道上传输。在同一信道上传输。5 5数字通信技术是在通信的有效性和可靠性这一对矛盾的数字通信
25、技术是在通信的有效性和可靠性这一对矛盾的不断转化过程中发展的。其中信息传输速率、符号传输速不断转化过程中发展的。其中信息传输速率、符号传输速率和频带利用率是通信的有效性指标；而误码率则是通信率和频带利用率是通信的有效性指标；而误码率则是通信的可靠性指标。的可靠性指标。习题习题1.1.模拟信号与数字信号的区别是什么模拟信号与数字信号的区别是什么?2.2.画出数字电话信号的基带传输的通信系统方框图。画出数字电话信号的基带传输的通信系统方框图。3.3.数字信道的传输质量与传输效率由哪些指标来表示数字信道的传输质量与传输效率由哪些指标来表示?哪些哪些因素会造成误码因素会造成误码?4.4.今设在今设在1
26、25125s(微秒微秒)内传输内传输256256个二进制码元。试计算信息个二进制码元。试计算信息传输速率为多少传输速率为多少?若该信号在若该信号在2 2秒内有秒内有3 3个码元产生误码，个码元产生误码，试问其误码率等于多少试问其误码率等于多少?5.5.今设某一数字信号的符号传输速率为今设某一数字信号的符号传输速率为12001200波特。试问它波特。试问它采用四进制或采用二进制数字信号传输时，其信息传输速采用四进制或采用二进制数字信号传输时，其信息传输速率各为多少率各为多少?6.6.在二进制数字信号中，假设在二进制数字信号中，假设“1 1”码出现的概串为码出现的概串为1 1，而，而“0 0”码出现的概串为码出现的概串为0 0，请问每一个码元的信息量为多少，请问每一个码元的信息量为多少?7.7.试述数字通信的主要特点，为什么试述数字通信的主要特点，为什么?
