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第一部分数字通信基本原理一．数字通信系统1.信号信号可用来传输信息。信息可用语言、文字、图象等表达，但在很多情况下，这些表达信息的语言文字不便于直接传输。因此在近代科学技术中，常用电信号来传送各种信息，即利用一种变换设备把各种信息转换为随时间作相应变化的电流或电压进行传输。这种随信息作相应变化的电压或电流就是电信号。由消息转换成的电信号可分为两类：模拟信号和数字信号。模拟信号是指时间和幅度都连续的信号。数字信号是指时间和幅度都离散的信号。如图1-1电压100时间a.模拟信号b.数字信号1-1模拟信号及数字信号的模型2.数字系统以数字信号的方式来传输消息的通信系统，叫数字通信系统。典型的数字通信系统的组成如图1-2。1-2典型数字通信系统的组成信源即是发信者。通常的信源指电话机、摄象机及各种数字终端设备。信源非电/电信源编码信道编码信道信道译码信源译码电/非电信宿噪声干扰信源编码的作用是对信号进行编码，去除或减少冗余度，把能量集中起来缩窄占据频带，从而提高数字传输的有效性。例如进行模拟信号变换为数字信号的过程（A/D转换），PCM编码。信道编码。由于传输信道上噪声的干扰，数字信号在传输中可能会发生差错，导致信息传输质量下降。为了在接收端自动检出错码或纠正错码，使差错控制在允许范围内，可在信源编码后的数字信号中按一定规律加一定数量的数字码（监督码），形成新的数字信号，这种新的信号间的关系形成较强的规律性，使收端可检查或纠正差错。信道编码是将信息比特变换为适合于信道传输的数字信号，它是为了提高系统的抗干扰能力，提高数字传输的可靠性，即改善系统的误码性能。信道和噪声：信道指传输信号的通道。按传输媒质可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括明线、同轴电缆、光缆等。无线信道包括微波中继、卫星和各种散射等。信道在传输中会受到各种噪声的干扰，通常把所有的噪声干扰都折合到信道中，成为一个等效噪声源。3.数字通信的主要特点A、抗干扰能力强，无噪声积累因数字信号以0、1两个数码形式传输，被噪声干扰和经衰减后的数字信号，在没恶化到不可正确判断之前，可用再生的方法恢复成原来的信号。只要再生设备设定位置适当，可认为噪声干扰不会对传输信号产生不良影响，即不会出现噪声积累。因而数字传输适用较远距离传输，也能适应性能差的信道。B、保密性强，易于实现检错纠错数字信号是模拟信号经过信源编码后形成的。它本身已具有一定的保密性，同时数字信号便于码型转换，进行加密处理，还可通过信道编码实现检错，纠错功能。C、便于建立综合通信网数字传输和数字交换结合，有利于传输和交换多种业务的数字信息，实现多种业务信息的综合通信。为建立综合业务数字网ISDN提供必要条件。D、设备可集成，微型化由于设备多数属于数字电路，可采用集成元件，能做到集成度高，体积小，耗电低和成本低，且便于生产和维护。E、占用频带宽数字传输也有缺点，它与模拟信号传输相比，占用传输频带宽，如传输一路数字化语音信息占64khz的带宽，而传输一路模拟信息只需占4khz的带宽。然而随着微波和卫星信道及光线信道的迅速发展（它们有很宽的带宽），使占用传输频带宽的矛盾逐渐缩小。因而数字传输的应用日益广泛。二．语音信号的数字化要将模拟信号在数字传输系统中进行传递，就必须用信源编码器对话音信号进行模数变换。语音信号模数变换的方法很多，如脉冲编码调制，增量调制和参数编码等，其中用得较为广泛的是脉冲编码调制。话音信号（模拟信号）数字化的过程是：取样──量化──编码。1.取样──信号在时间上的离散化话音信号不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间上也是连续的，参见图1-1(a)。取样就是每隔一定的时间间隔(T)对在时间上连续的话音信号抽取瞬时幅值的过程，简称取样或抽样。取样后所得到的一串在时间上离散的序列信号称为样值序列信号，或取样信号，参见图1-3。1-3模拟信号的取样将话音信号取样后，所得取样信号在信道上占用的时间被压缩了，因而它为时分复用奠定了基础，同时也为数字化提供了条件。但取样信号中必须含有原始话音信号的信息，并要求在接收端能将取样信号恢复成原始话音信号。为了达到上述要求，取样的时间间隔T(取样周期)不能太长，或者说取样频率不能太低。由取样定理──奈奎斯特定理可知：取样频率(fs)应大于传输信号中最高频(fm)的两倍。即fs＞2fm。在电话通信系统中，用3400赫作为最高频率(fm)已能很好满足用户的要求。考虑到一定的冗余，目前PCM通信规定话音信号的取样频率fs为8000赫，即fs＝8000赫。取样周期T＝1/fs＝1/8000＝125us(微秒)。为了在取样前把话音信号中大于fm(fm＝3400赫)的频率成分去掉，在取样器要设置一个上限频率为3400赫的低通滤波器，使最高频率限制在3400赫。2.量化──信号在幅值上的离散化取样化所得到的取样信号虽在时间上是离散的，但它在幅度取值上仍是连续的，即它可以是输入模拟信号幅值中的任意幅值，或者说可有无限多种取值，它不能用有限个数字来表示，它仍属模拟信号。要想使它成为数字信号，还需把它的取样值进行离散化处理，将幅值为无限多的连续信号，变换成幅值为有限数目的离散信号，这一幅值上离散化处理的过程称为量化。量化就是“分级”的意思，量化采用类似“四舍五入”的方法，使每一个取样值用一个相近的幅值来近似。量化方法可分为线性量化和非线性量化法。a.线性量化线性量化也称均匀量化，它把输入的取样值的范围划分为若干等距离的小间隔，每个小间隔叫做一个量化级。当某一输入的取样值落在某一间隔内时，就用这个间隔内的中间值来近似地表示这个取样值的大小，并以此值输出。这样大信号和小信号的绝对误差相同，而对小信号来说，相对误差（噪声）很大，也就是说信噪比小，不能满足语音信号的传输要求。（注：信噪比为输出的信号功率与噪声功率之比。信噪比越大，说明通信质量越好）b.非线性量化非线性量化（又称非均匀量化）就是使用不等的量化级差（间隔），小信号分级密，量化级差小；大信号分级疏，量化级差大。或者说量化间隔△随着信号幅值的减小而缩小，使信号幅值在较宽的动态范围内的信噪比都能达到指标规定的要求。非线性量化是利用压缩和扩展的方法来实现的。不同幅值的信号经过具有压缩特性的放大器后对小信号的幅度有较大的放大作用，而对大信号的幅度则有压缩作用。这样在对经过放大后的取样小信号进行量化时，就使小信号的量化误差相对减少，信噪比得到改善，如果放大作用大，则改善的程度也大；至于大信号经压缩、量化后，信噪比将降低，结果使话音信号在整个动态范围内的信噪比基本上相差不多，且都能满足规定的要求。国际上允许采用两种折线形压扩特性：13折线A律压扩特性和15折线u律压扩特性，美采用u律，我国与欧洲规定采用A律。3.编码模拟信号经过取样和量化以后，在时间上和幅度取值上都变成了离散的数字信号。如果量化级数为N，则信号幅度上有N个取值，形成有N个电平值的多电平码。但这种具有N个电平值的多电平码信号在传输过程中会受到各种干扰，并会产生畸变和衰减，接收端难以正确识别和接收。如果信号是二进制码，则只要接收端能识别出是“1”码还是“0”码即可。所以二进制码具有抗干扰能力强的优点，且容易产生，在数字通信中，一般都采用二进制码。量化级为N时，则量化离散值共有N个。将每个离散值用一组二进制码表示。这一组二进制码的位数为L，则有2L＝N。L为码字位数，如：23＝8，将多电平码变成二进制码的过程称为编码，N为量化级数。经过量化后，形成±128个数量级，用8位码表示，其中第一位码为极性码，第二、三、四位为段落码，最后四位为段内码，如图1-4。极性码段落码段内码图1-4PCM码字的分配五．PCM帧结构1.PCM的基本原理抽样频率为8000Hz（周期为125us），对每一话路每抽样一次经过量化可以编成8位码组，占用一个时隙。30/32路PCM系统中，32路复用125us。这32路时隙构成一个“帧”。而16帧又合成一个复帧。计算几个数据：1．1帧时长为125μS，1时隙的时长为125/32=3.9μS，一个复帧占用2ms。2．1帧的位长：8×32=256位。3．信道的速率：256位/帧×8000帧/秒=2048KBPS4．话路的速率：8位/路×8000路/秒=64KBPS一个模拟信号的带宽最大为4K(300~3000HZ).数字信号的优点靠牺牲带宽获得的。2.30/32系统PCM的帧结构30/32系统的帧结构如图１－７：1复帧=16帧（2ms）1帧=32时隙（125us）同步时隙信号标志时隙（偶）F0帧定位码组复帧定位码复帧对告码（奇）F1帧对告码第1路第16路F15第15路第30路图1-7PCM30/32系统帧结构六．PCM高次群在数字信道中，为了扩大传输容量，提高传输效率，将若干低速码流合并成一个高速码流，这就是数字复接技术。目前传输容量已由一次群发展到二次群、三次群、四次群、五次群……等。传送信道除采用电缆、微波外，已扩展到光缆、F0F1F2。。。。。。F14F15TS0TS1TS2。。。。。。TS15TS16TS17。。。。。。TS30TS3110011011110/111111000010/111abcdabcdabcdabcd卫星通信等。除开通电话、电报、传真等业务外，还可传输可视电话、电视、高速数据等信息。各高次群都是由各低次群通过频率搬移迭加构成的，多路复用的示意图如1-8：同步复接有三种方式：按位复接。每次复接每路的一位码。按字复接，也称按路复接。每次复接每路的一个字（8BIT）。按帧复接。每次复接每路的一帧。介绍30/32系统各高次群的话路数和速率：速率（bps）话路数一次群：2048K30二次群：4884K120三次群：34M480四次群：139M1920五次群：564M7680四、五次群多为光纤传输。*4*4*4*4*161-8PCM高次复接原理图七．定时与同步1.定时PCM系统是时分多路复用的通信系统各话路需传送的信号在不同的时隙内取样、量化、编码，送到接收端，再依次解码，分路恢复成原信号。要求信号的处理和传输都在规定的时隙内进行。为使系统正确工作，需一个定时系统，由它产生取样、编码、解码、分路等所需的各种定时脉冲统一指挥。2.同步数字通信的同步是指收、发两端的数码率及各种定时标志都步调一致，不仅要求频率相同，而且要求相位一致。接收端和发送端在时间上的同步是正确接收、识别信息和分出每一路的信息码和信令码的保证。同步包括：比特同步：帧同步、复帧同步和网同步。基群二次群三次群四次群五次群a.比特同步比特同步也称位同步，又称码元同步。它是指接收端时钟的频率和相位与发送端一致，或者说比特起止时间收发一致，它是正确识别和再生信号码元的保证。两个交换局间通信（点对点通信）的比特同步是由接收端的“定时信号提取电路”来实现的，所以PCM的时钟频率由发送端时钟决定，而接收端是被动的。b.帧同步帧同步是指接收端每帧的起止时间与发送端一致，它是收、发端每帧各对应时隙在时间上“对准”的保证，如果没有保持这种“对准”关系，帧同步系统就处于失步状态，通信将中断。帧同步是通过帧同步时隙TS0中的帧同步码来实现的。·偶帧的TS0发送帧同步码。帧同步码占用后7位，规定为“0011011”；第1位留给国际通信用，暂定为1。只要接收端能识别出此同步码，就能正确辨别出帧的起止时间，从而正确分出发送端送来的各路信息。·奇帧的TS0发送帧失步告警信号，其中第1位码留给国际通信用，暂定为1；第2位码固定为1，以便接收端区别偶帧和奇帧（偶帧TS0的第2位码为0）；第3位A1码为帧失步告警码，当接收端帧同步时，向发送端传送的A1码为0，当接收端帧失步时，向发送端传送的A1码就改为1，以便发送端，接收端已发生帧的，无法工作；其它5位码可供传送其它信息之用，目前均固定为1，这样，奇帧TS0的8位码为11A111111。c.复帧同步复帧同步是指接收端每复帧的起止时间和发送端一致，它是收发端各对应帧在时间上“对准”的保证，使接收端能正确分离出各路的信令码。复帧同步是通过每一复帧中F0帧的TS16来实现