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1、第二章 数字通信技术基础,参考教材第二章,提纲,模拟信号数字化 模拟信号和数字信号 数字通信的特点 脉冲编码技术 时分复用 数字复接技术,模拟信号,模拟信号：波形模拟着信息的变化而编号 特点：幅度连续,数字信号,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。,数字信号的特点,抗干扰能力强、无噪声积累 便于加密处理、保密性强 便于存储、处理、交换 采用时分复用实现多路通信 设备便于集成化、微型化 便于构成综合数字网和综合业务数字网,模拟信号与数字信号的转换,模拟信号转换成数字信号：A/D转换 经过抽样、量化、编码3个处理步骤 数字信号转换成模拟信号：D/A转换,2019/10/1
2、6,通信网基础,7,提纲,模拟信号数字化 模拟信号和数字信号 数字通信的特点 脉冲编码技术 时分复用 数字复接技术,脉冲编码调制技术,脉冲编码调制：Pulse Code Modulation，简称PCM。对信号进行抽样，并对每个样值独立地加以量化，通过编码转换为数字信号的过程。 PCM包括下述三个过程： 抽样 量化 编码与解码,1抽样（sampling）,定义：将在时间和幅度上都是连续的话音信号在时间上离散化的过程 实现：由抽样门完成 抽样速率？由抽样定理确定,图2-9 抽样过程,图2-10 正弦波的抽样,抽样定理的作用,近年来通信系统向数字化发展，模拟数字的转换的基础：抽样定理； 作用：在一
3、定条件下，一个连续时间信号完全可以用该信号在等时间间隔点上样本来表示，并且可用这些样本值把信号全部恢复出来 电影（24帧/秒）：感觉是连续活动的景象； 印刷照片：由很多细小的网点组成，看起来空间连续；,抽样定理的提出,是不是所有时间间隔的理想取样都能反映原连续信号的基本特征呢？ 抽样的时间间隔取多大合适？ 目标：在保留原连续时间信号的全部信息的条件下抽取尽可能少的数据 方法：时域抽样定理,抽样定理,一个在 频谱区间( )以外为零的频带有限信号(带限信号) ，可以唯一地由其均匀时间间隔 上的取样值 确定。 当取样频率 大于或等于信号带宽的两倍时，即 时，可以从 中恢复原信号。 定义 为奈奎斯特取
4、样率。,抽样定理,根据抽样定理可知，要无失真地恢复原始 信号应满足；,（3）需通过理想滤波器恢复原始信号,（1）模拟信号为带限信号。,（ 2）抽样函数为周期函数序列,抽样过程中的失真,实用的低通滤波器都有一定的过渡带，因此在实际应用中必须满足 ，并使各相邻边带间有一定的防卫间隔即防卫带 如：话音信号限制在0.33.4khz频率范围之内，因此，若只传送语音的有效成份，必须把0.33.4khz以外的频率成份去掉，否则会产生折叠失真 ITU-T（国际电信联盟电信标准化部门）建议话音信号的抽样频率为8kHz,2量化（Quantizing）,将幅度连续变化的信号变成离散信号的处理过程称为量化 实质：一个
5、化零取整的过程 方法：样值的最大变化范围划分成若干个相邻的间隔。当某样值落在某一间隔内，其输出数值就用此间隔内的某一个固定值来表示 两种量化方法：均匀量化和非均匀量化,把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化 ，也称线性量化。 任何一个量化器都有一定的量化范围，通常取-u+u。 量化级数N与量化间隔的关系：=2u/N 取量化间隔的中间值为量化值，量化最大误差为/2。,均匀量化,图 量化过程及量化误差,量化噪声和信噪比,量化过程一定会产生误差。量化误差就是指量化前后信号之差，通常用功率来表示，称之为量化噪声。 量化误差一旦产生，在接收端就无法消除 克服量化噪声的方法： 增加量化级数，使量
6、化间隔相对于信号幅值的大小可以忽略不计。 均匀量化信噪比：信号平均功率与量化噪音平均功率之比。,均匀量化的特点,量化器的量化噪声随着量化级数M的增加而提高，量化级数的选取是根据量化器的量化信噪比的要求确定的。 无论信号大小，若量化间隔相等，量化的噪声功率不变。= （幅度）小信号的量化信噪比太小，不能满足通信质量要求，大信号的信躁大，远远满足要求。 为解决小信号的量化信噪比太小，需要加大量化级数M；M过大，大信号的信噪比过大，同时编码复杂，信道利用率过低。,非均匀量化,非均匀量化的量化原理是量化级间隔随信号幅度的大小自动调整。相对来说，在不增大量化级数的条件下，非均匀量化能使信号在较宽的动态范围
7、内的信噪比达到要求。,非均匀量化的特点,信号幅度小时，量化幅度小，量化误差也小； 信号幅度大时，量化间隔大，量化误差也大,3编码和解码,编码：把量化后的信号样值变换成对应的二进制码组，又称模数变换 自然二进制码：简单易行；缺点：由3变成4的时候每一位都要变； 格雷码：相邻电平间转换，只有一位发生变化；缺点：每一位码没有确定大小； 折叠二进制码：沿中心电平上下对称，适于表示正负对称的双极性码； 解码：在收信端将收到的二进制码序列还原成相应幅度的量化值，又称数模变换,二进制码、格雷码、折叠二进制码,PCM信号形成过程示意图,2019/10/16,通信网基础,28,提纲,模拟信号数字化 时分复用 时
8、分复用的基本概念 PCM30/32路系统 时分复用的同步技术 数字复接技术,时分复用的基本概念,复用：为了提高信道利用率，使多个信号沿同一信道传输而互相步干扰，这种通信方式称为复用 复用方式：时分复用、频分复用、空分复用等 时分复用：各路信号在同一信道上占有不同时间间隙的通信方式 时隙：每一路所占有的时间间隔,PCM30/32路系统的帧结构,完成数字通信全过程，除对各个话路进行编、解码外，还必须有定时、同步等措施。在数字通信系统中，各种信号（包括加入的定时、同步等信号）都是严格按时间关系进行的。在数字通信中把这种严格的时间关系称为帧结构。,一个采样周期（125us）内，每个话路的PCM信号按时
9、分复用方式顺序出现一次所形成的时分复用信号称为帧。,图2-18 PCM30/32路系统帧结构,PCM30/32帧结构,PCM 30/32的帧周期为125us，每一帧有32时隙，每个时隙为：125/32=3.9us。其中TS0是传送帧同步信号，TS16传送信令，其他30路是话音信号。 PCM 30/32系统每个话路语言信号抽样频率为：40002hz，每个样值经过量化后编为8位码，每个话路的码速率为64kbit/s； PCM30/32D 总码速率为：2.048Mbit/s，一般记为2M，也称一次群速率，基群速率。,PCM30/32帧结构,复帧： 每一路语音信号都需要信令的支持才能进行通信，PCM
10、30/32系统有30个话路，因此必须传输30路信令； 一路信令信号只需要4bit，1个TS16 可以传送两路信令，15个TS16（15帧）可以传送30路信令； 信令信号每隔16帧传送一次，16帧称为1复帧。,同步是数字通信的基本要求之一。如果收端和发端不能很好的同步，数字通信是无法进行的。同步包括位同步、帧同步、复帧同步和网同步。,时分复用的同步技术,位同步的基本含义是收发两端的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。 数字通信系统中消息是一串相继的信号码元序列，接收端必须知道每个码元的出现时刻，从而对码元进行判别。 同频就是要求发送端发送了多少个码元，接收
11、端必须产生同样多的判决脉冲。,位同步,位同步示意图,帧同步的作用是实现语音信号的正确分路。接收端不仅需要正确的区分哪8路比特是一组，代表一个抽样值，而且还要正确区分出它是代表哪路话音信号的。 常用方法：同步码* PCM帧通过TS0时隙传送同步码：10011011，收端一旦识别出帧同步码10011011 ：便可知随后的8位码为一个码字且是第一话路的，以此类推可以正确接收每一路信号。,帧同步,复帧同步：实现信令信号的正确分路。发送端在F0帧TS16时隙的前4比特插入特殊码0000，接收端只要识别出这一码型，判断出是F0帧，以后依次为F1,F2。 F0帧TS16时隙第6位码A2为复帧失步对告码，A2
12、=1表示复帧失步，A2=0表示复帧同步。,复帧同步,网同步,现代通信系统往往在多点之间实现互连，从而构成通信网。为了保证在通信网中各点之间可靠通信，则必须在网内建立一个统一的时间标准，即实现网同步。,2019/10/16,通信网基础,41,提纲,模拟信号数字化 时分复用 时分复用的基本概念 时分复用的同步技术 PCM30/32路系统 数字复接技术,数字复接技术定义,数字复接技术就是把两个或两个以上分支数字信号按时分复用方式汇接成为单一的复合数字信号的过程。具体来说，通过数字复接技术把PCM数字信号由低次群逐级合成为高次群以适应在高速线路中传输。,为什么使用数字复接代替PCM复用？ PCM复用瓶
13、颈 在PCM 30/32路系统中，将30路话音信号分别用8kHz抽样频率进行抽样，然后对每个抽样值编8位码，其数码率为30880001920kbit/s，若传送120路话路，其数码率将达到120880007680kbit/s。 平均到每个样值的编码时间仅1s多一点，对编码电路速度及对元器件的精度 要求很高，不太容易实现。 克服瓶颈的技术数字复接 把若干个经过PCM复用的信号（如30/32路机群系统）进行时分复用以形成更多路数的数字通信，这一过程称为数字复接。,ITUT两类数字速率和复接等级,为促进数字通信设备的通用化，ITU-T推荐了两类数字速率和复用等级，下表显示出北美，日本，欧洲和中国一次
14、群、二次群、三次群、四次群的速率。 我国一、二、三、四次群（分别称为E1、E2、E3、E4）的速率常简称为2Mbit/s、8Mbit/s、32Mbit/s、140Mbit/s。 北美和日本一次群（以T1表示）的速率简称为1.5Mbit/s。,表2-1 数字复接系列,注意：二次群的标准速率：8448K2048*4，其他高次群的复接速率也存在类似问题。多出来的码元是用来解决帧同步，业务联络和控制等。,外部 时钟,恢 复,分 接,外线 高次群,分支3,分支4,分支1,分支2,分支3,分支4,复接器,分接器,数字复接系统方框图,分支1,分支2,数字复接原理,数字复接系统由数字复接器和数字分接器 组成。
15、其中数字复接器由调整、定时、复接三个单元组成，完成数码流的合路。数字分接器由同步、定时、分接和恢复单元组成，在接收端把收到的高 次群分离到各分支路中去。 供给时钟频率使分接器与复接器基准时钟保持同步。 调整单元的作用是把各输入支路信号的码速调整到与定时信号信号完全一致，由复接单元对各支路复接形成一个合路数码流，称为高次群。接收端的分接、恢复单元则实现复接、调整的反过程。,数字复接方式,按位复接 依照被复接支路的顺序，每次只取一个支路的一位码进行复接 按字复接 按字复接是每次复接一个支路的一个码字 按帧复接 按帧复接是每路每次插入一个帧的复接方式,同步复接与异步复接,同步复接：被复接的各输入支路
16、之间，以及同复接器之间均是同步的，此时复接器便可直接将低支路数字信号复接成高速的数字信号 异步复接：被复接的各输入支路之间及与复接器的定时信号之间均是异步的，其频率变化范围不在允许的变化范围之内，也不满足复接条件，必须进行码速调整方可进行复接。,各支路瞬时数码率不稳定产生的重叠,由于各分支路码流的速率可能存在着微小的差异，所以在进行复接后数码之间就有可能在某一段发生重叠，数码重叠让接收端无法分辨出支路信号。,数码率不同产生的数码重叠,解决方法正码速调整法,完成从较低速的数码率到较高速数码率调整的过程称为正码数调整。 正数码率调整一般采用缓冲存储器低速入高速出的原则，对每一个支路分别进行调整，各支路码流分别进入各自的缓冲存储器，各缓冲存储器的读入码速率稍有不同，但读出速率保持相同。,本章小结,脉冲编码调制PCM 抽样定理的内容 均匀量化，非均匀量化 同步技术 PCM30/32帧结构 复接技术
