1、数字通信原理 信通公司钟馥遥 一 数字通信的基本概念1 模拟信号和数字信号信号波形的特征可用两个物理量 时间 幅度 来表示 模拟信号模拟信号随波形模拟信息的变化而变化 其特点是幅度连续 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 模拟通信是以模拟信号的形式传递消息 采用频分复用实现多路通信 数字通信是以数字信号的形式传递消息 采用时分复用实现多路通信 2 数字通信的概念 数字通信系统的构成数字通信系统的构成模型如图所示 数字通信的特点数字通信具有以下几个主要特点 1 抗干扰能力强 无噪声积累 2 便于加密处理 3 采用时分复用实现多路通信 4 设备便于集成化 微型化 5 占用
2、信道频带宽 衡量数字通信系统性能好坏的指标是有效性和可靠性两项 1 有效性指标有效性指标具体包括以下三项内容 信息传输速率R码元速率N频带利用率 3 数字通信系统的主要性能指标 信息传输速率 R 信息传输速率简称传信率 也叫数码率 常用fB表示 它的定义是 每秒所传输的信息量 信息量是消息多少的一种度量 消息的不确定性程度越大 则其信息量越大 信息量的度量单位为 比特 bit 符号速率 N 符号速率也叫码元速率 它的定义是 1秒所传输的码元数目 这里的码元可以是多进制的 也可以是二进制的 其单位为 波特 d 符号 或码元 与代码的关系为 一个符号要用log2M个代码来表示 M为进制数或电平数
3、信息传输速率R与符号速率N的关系为 R Nlog2M可见 二进制码元传输时 信息传输速率与符号速率相等 频带利用率 通信系统所占用的频带愈宽 传输信息的能力应该愈大 所以真正用来衡量数字通信系统传输效率的指标 有效性 应当是单位频带内的传输速率 2 可靠性指标误码率的定义为 在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元之比 二 脉冲编码调制 PCM 由于数字通信是以数字信号的形式来传递消息的 而话音信号是幅度 时间取值均连续的模拟信号 所以数字通信首先要将模拟信号数字化 即模 数变换 A D变换 脉冲编码调制 PCM 是对模拟信号的瞬时抽样值量化 编码 以将模拟信号转化为数字信号 若模 数变换
4、的方法采用PCM 由此构成的数字通信系统称为PCM通信系统 采用基带传输的PCM通信系统构成方框图如图所示 PCM编解码框图 抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程 量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程 将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示 1 PCM通信系统的构成 1 模 数变换 信源编码部分的模 数变换 具体包括抽样 量化 编码三步 抽样 是把模拟信号在时间上离散化 变为脉冲幅度调制 PAM 信号 量化 是把PAM信号在幅度上离散化 变为量化值 编码 是用二进码来表示N个量化值 2 信道部分 3 数 模变换 接收端首先利用再生中继器消除数字信号中的噪声干扰 然后进行数 模变换 数 模变
5、换包括解码和低通两部分 解码 是编码的反过程 解码后还原为PAM信号 低通 收端低通的作用是恢复或重建原模拟信号 2 抽样所谓抽样就是每隔一定的时间间隔 抽取模拟信号的一个瞬时幅度值 样值 抽样定理抽样定理是模拟信号数字化的理论基础 其内容是 一个频带限制在0到fx以内的低通信号x t 如果以fs 2fx的抽样速率进行均匀抽样 则x t 可以由抽样后的信号x t 完全地确定 而最小抽样速率fs 2fx称奈奎斯特速率 1 2fx这个最大抽样间隔称奈奎斯特间隔 量化示意图 量化是把信号在幅度域上连续取值变换为幅度域上离散取值的过程 量化是一个近似表示的过程 即无限个数取值的模拟信号用有限个数值的离
6、散信号近似表示 3 量化 1 均匀量化各量化分级间隔相等的量化方式即为均匀量化 采用均匀分级量化时其量化信噪比随信号电平的减小而下降 均匀量化的特点是 在量化区内 大 小信号的量化间隔相同 最大量化误差也就相同 所以小信号的量化信噪比小 大信号的量化信噪比大 小信号的量化信噪比不满足要求 数字通信系统中要求量化信噪比 26dB 而大信号的量化信噪比较大 远远满足要求 2 非均匀量化非均匀量化的特点是 信号幅度小时 量化间隔小 其量化误差也小 信号幅度大时 量化间隔大 其量化误差也大 在不增大量化级数的前提下 利用降低大信号的量化信噪比来提高小信号的量化信噪比 大信号的量化信噪比远远满足要求 即
7、使下降一点也没关系 非均匀量化实现框图 放大小信号 压缩大信号 压缩小信号 放大大信号 对数量化及其折线近似对数量化 对小信号予以放大 对大信号进行 压缩 然后作均匀量化 使量化信噪比在信号的整个动态范围内保持不变 A律对数压缩特性的十三折线法近似将A律变换特性近似地用13段折线 包括X负半轴 表示 4 编码与解码这里的编码指的是根据A律13折线非均匀量化间隔的划分直接对样值编码 称为非均匀编码 接收端再进行非均匀解码 即直接非均匀编解码法 三 时分多路复用及PCM30 32路系统 1 时分多路复用通信 1 时分多路复用的概念为了提高信道利用率 使多路信号沿同一信道传输而互不干扰 称多路复用
8、目前多路复用的方法用得最多的有两大类 频分多路复用 FDM 和时分多路复用 TDM 频分多路复用用于模拟通信 例如载波通信 时分多路复用用于数字通信 时分多路复用 即时分制 是利用各路信号在信道上占有不同时间间隔的特征来分开各路信号的 每路所占有的时间间隔称为路时隙 简称时隙 2 PCM时分多路复用通信系统的构成 低通 0 3 3 4kHz 采样频率 fs 8kHz 记忆一个路时隙并展宽 几个基本概念 帧 抽样时各路信号每轮一次抽样的总时间 即开关旋转一周的时间 也就是一个抽样周期 tF T 路时隙 合路的PAM信号每个样值所允许的时间间隔 tC T n 位时隙 1位码占用的时间 tB tC
9、l 3 时分多路复用系统中的位同步时钟同步 位同步 的基本含义是收 发两端机的时钟频率必须同频 同相 时钟同步保证收端正确识别每一位码元 所以时钟同步也叫位同步 这相当于下图中两端旋转开关的旋转速度相同 4 时分多路复用系统中的帧同步帧同步是保证收发两端相应各话路要对准 即在接收端正确接收 区分 每一路信号 把每帧的首尾辨别出来 就可正确区分每一路信号 即实现帧同步 2 PCM30 32路系统帧结构下图是PCM30 32路系统 称为基群 也叫一次群 的帧结构图 话音信号根据原CCITT建议采用8kHz抽样 抽样周期为125 s 所以一帧的时间 即帧周期 T 125 s 每一帧由32个路时隙组成
10、 每个时隙对应一个样值 一个样值编8位码 其中 30个话路时隙 TS1 TS15 TS17 TS31 帧同步时隙 TS0 信令与复帧同步时隙 TS16 四 数字复接技术 准同步数字体系 PDH 1 数字复接的基本概念 1 准同步数字体系 PDH 国际上主要有两大系列的准同步数字体系 都经原CCITT推荐 即PCM24路系列和PCM30 32路系列 北美和日本采用1 544Mbit s作为第一级速率 即一次群 的PCM24路数字系列 但两家又略有不同 欧洲和中国则采用2 048Mbit s作为第一级速率 即一次群 的PCM30 32路数字系列 2 PCM复用和数字复接扩大数字通信容量 形成二次群
11、以上的高次群的方法通常有两种 PCM复用和数字复接 所谓PCM复用就是直接将多路信号编码复用 即将多路模拟话音信号按125 s的周期分别进行抽样 然后合在一起统一编码形成多路数字信号 数字复接是将几个低次群在时间的空隙上迭加合成高次群 例如将四个一次群合成二次群 四个二次群合成三次群等 3 数字复接的实现数字复接的实现主要有两种方法 按位复接和按字复接 按位复接是每次复接各低次群 也称为支路 的一位码形成高次群 按字复接是每次复接各低次群 支路 的一个码字形成高次群 4 数字复接的同步数字复接要解决两个问题 即同步和复接 数字复接的同步指的是被复接的几个低次群的数码率相同 如果低次群的数码率不
12、同 复接时会产生重叠和错位 可对比一下图中当低次群的数码率相同时复接的情况 数字复接的同步是系统与系统间的同步 因而也称之为系统同步 五 数字传输技术数字信号在信道上的传输方式有基带传输和频带传输两种 1 数字信号的基带传输基带传输指的是未经调制变换的基带数字信号直接在电缆信道上传输 1 基带传输信道特性数字信号经过一段信道传输后 波形会产生失真 如图所示 2 基带传输PCM再生中继系统的构成 再生中继器的三大组成及作用如下 均衡放大 将接收的失真信号均衡放大成适宜抽样判决的波形 均衡波形R t 定时钟提取 从接收信码流中提取定时钟频率成分 以获得再生判决电路的定时脉冲 抽样判决与码形成 判决再生 对均衡波形进行抽样判决 并进行脉冲整形 恢复原数字信号序列 2 数字信号的频带传输频带传输是将基带数字信号的频带搬移到无线等信道上再传输 数字信号的频带传输也包括对基带数字信号进行光调制后在光纤信道上传输 频带传输系统主要包括数字微波传输系统 数字卫星传输系统和数字光纤传输系统 谢谢大家 2016年4月
