现代通信系统概论_04_数字通信系统概述

第四章数字通信系统概述第四章数字通信系统概论4.1数字通信系统模型4.2数字复接技术4.3数字传输信号帧结构4.4数字传输信号的处理4.5数字信号的调制与解调学习要点1．理解数字通信的基本概念、模型。2．了解数字复接技术。3．掌握数字传输信号帧结构。4.1数字通信系统模型信道中传输的是数字信号的通信方式称为数字通信，它包括将基带数字信号直接送往信道传输的数字基带传输和经载波调制后再送往信道传输的数字载波传输。对应的通信系统称为数字通信系统。一、模型结构完成数字信号产生、变换、传递及接收全过程的系统称之为数字通信系统。信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道信道解码器数字解调器受信者信源解码器数字传输系统噪声源二、信道的概念信道是信息传输的通道，是通信系统的重要组成部分。有线信道光纤（光缆）和电缆（双绞线和同轴电缆）无线信道介质是自由空间，电磁波在大气层、电离层或外层空间传送（与工作的频率或波长有关）。如短波电离层传播、微波视距传播等。三、信道中的信号衰减由于介质的特性，信号在信道中传输，必然会产生能力损耗，也称为衰减或衰耗(dB)log10oiPP四、信道中的干扰和噪声信号在传输过程中，会有各种噪声和干扰。干扰主要来自外界及设备的相互影响噪声主要来自自然界和系统内部（如热噪声）工作频率越高，越容易产生干扰和受到干扰。信道中的干扰和噪声，会使接收信号产生时变和失真。用信噪比（S/N）来表征信号受干扰的程度。五、数字通信系统的主要性能指标传输速率一是信息传输速率（Rb），bit/s。一是码元传输速率（RB），又叫符号速率，其单位为波特，常用B表示。简称波特率。MRRBb2log对于二进制数字信号，码元速率与信息速率相等，但单位不同。五、数字通信系统的主要性能指标误码率误码用误码率来表征：在一定统计时间内，数字信号在传输过程中，发生误码的码元个数与传输的总码元数之比A2A“1”码“0”码0TB判决门限电平tNnNePlim传输的总码数发生误码个数可靠性传输指标五、数字通信系统的主要性能指标抖动容限所谓抖动，是指在噪声因素的影响下，数字信号的有效瞬间相对于应生成理想时间位置的短时偏离。抖动容限，指某个特定的抖动比特的时间位置相对于该比特抖动时的时间位置的最大部分偏离。①发送脉冲②接收脉冲③抖动函数t1t2t3t4t5t1t2t3t4t5j(t)t4.2数字复接技术为了提高通信系统的传输速率，充分利用设备，绝大多数数字通信系统都采用时分多路复用技术（TDM）。数字复接技术是扩大数字通信传输容量的有效方法。一、时分复用原理时分多路复用（TDM）以时间作为信号分割的参量，各路信号在时间轴上互不重叠，各路信号轮流在不同的时隙传输，每一路所占的频带相同。抽样定理为时分多路复用提供了依据。312一、时分复用原理时分多路复用的特点：TDM信号中各信号的频谱分量混叠在一起，从频谱上不可能分辨各路信息信号。由于时分顺序传送各信息信号一次的周期很短，所以，虽然从微观上讲在时间上可分辨各路信息信号，但人是感觉不到各路信息信号是在不同时间传送的，宏观上能感觉到的仍是“同时”传送。二、PCM30/32路基群帧结构帧同步路话路话路信令路话路话路F15F0F1F2F15F01帧1复帧＝16帧(2ms)…1帧32个路时隙125us256比特8比特时隙3.9us……话路………话路…TS0TS1TS15TS16TS17TS31偶帧帧同步码保留给国际用(目前固定为1)奇帧帧失步对告1001101111A111111保留给国内用(目前固定为1)复帧同步码1复帧对告码00001A211码位12345678F0帧F1帧abcdabcdabcdabcdCH1信令码CH17信令码码字=8比特路时隙3.9usF15帧CH15信令码CH31信令码同步：A1=0；A2=0失步：A1=1；A2=1二、PCM30/32路基群帧结构系统框图汇总码型变换帧同步码发生器发端定时分离帧同步码检出码型反变换再生收端定时二线语音信号124低通(发)A/D低通(收)D/A单片集成编／解码器12n…信令码数据信号…发n21…信令码数据信号…收四线信道三、数字信号复接技术复接就是把两个以上的低速数字信号合并成一个高速数字信号参与复接的信号称为支路信号，而复接以后的信号称为合路信号或群路信号。分接就是把高速数字信号分解成低速数字信号，即把群路信号分离成各个支路信号的过程。三、数字信号复接技术数字复接的方法主要有按位复接、按字复接和按帧复接三种PCM30/32基群(1)10110101PCM30/32基群(2)11011001PCM30/32基群(3)10011101PCM30/32基群(4)11101011(a)一次群(基群)(b)二次群(按位数字复接)(c)二次群(按字复接)三、数字信号复接技术数字复接系统方框图定时定时调整汇接分离恢复同步外时钟(1)(2)(4)(3)(1)(2)(4)(3)低次群低次群高次群复接器分接器三、数字信号复接技术复接有同步复接和异步复接同一时钟产生的信号为同源信号，同源信号的复接称为同步复接。不同时钟产生的信号为异源信号，异源信号的复接称为异步复接。同步复接各支路的信号速率一致，但因传输距离不同，相位可能不同，需要设置缓冲器在复接前进行相位调整。对于异源信号的支路的码速率有些偏差，需要进行码速调整后，再进行复接。4.3数字传输信号帧结构帧结构一般都采用由世界电信组织建议的统一格式，在一帧的信号中应有以下基本信号：帧同步信号（帧定位信号）及同步对告信号；是最重要的信号，帧同步信号是由一定长度、满足一定要求的特殊码型构成的码组。信息信号；所需要传送的信息。其他特殊信号（地址、信令、纠错等信号）；一些管理指令。勤务信号；包括监测、告警、控制和工作人员勤务联系信号等。复接信号帧结构以PCM基群帧结构为基础，有PDH和SDH两种方式。一、准同步数字复接系列PDHPCM技术在复接成一次群时，采用同步复接。但在复接成二、三、四次群时要采用异步复接。规定了各支路时钟之间允许的偏差标称值范围，这种对比特率偏差的约束就是所称的准同步工作。相应的比特系列称为准同步数字系列（PDH，PlesiochronousDigitalHierarchy）。一、准同步数字复接系列PDH重叠和错位重叠错位复接后的数码率符合高次群帧结构的要求一、准同步数字复接系列PDH两大PDH系列，即PCM24路和PCM30/32路系列一次群（基群）二次群三次群四次群北美24路1.544Mb/s96（24×4）6.312Mb/s672路（96×7）44.736Mb/s4032路（672×6）274.176Mb/s日本24路1.544Mb/s96（24×4）6.312Mb/s480路（96×5）32.064Mb/s1440路（480×3）97.728Mb/s欧洲中国30路2.048Mb/s120（30×4）8.448Mb/s480路（120×4）34.368Mb/s1920路（480×4）139.264Mb/s两种PCM复用体制二次群复用设备1234一次群30信道2.048Mbit/s三次群复用设备1234二次群120信道8.448Mbit/s四次群复用设备1234四次群1920信道139.264Mbit/s30/32路PCM数字复用系列二次群复用设备1234一次群24信道1.544Mbit/s三次群复用设备173二次群96信道6.312Mbit/s三次群672信道44.736Mbit/s三次群480信道34.368Mbit/s24路PCM数字复用系列（美国）四次群复用设备16四次群4032信道274.176Mbit/s二、PDH帧结构636637638639640641642643644645848429……42442542642742821321421521621721210111213121234……………5354106107…159160161212…212比特Ⅰ组53比特Ⅱ组53比特Ⅲ组53比特Ⅳ组53比特F11F12F13信息码50比特C11信息码52比特C12信息码52比特C13V1信息码51比特(a)基群支路插入码及信息码分配帧同步告警备用信息码插入标志信息码插入标志F11F21F23F33F4350×4=200C11C21C31C4152×4=208C12C22C32C42信息码插入标志插入码信息码52×4=208C13C23C33C43V1V2V3V451×4=204(b)复接帧结构三、同步数字复接系列SDHSDH具有统一规范的速率，它以同步传输模块（STM）形式传输等级STM－1STM－4STM－16STM－64速率（Mbit/s）155.520622.0802488.3209953.280这样大大简化了PDH系列的复接与分接，使SDH更适合于高速大容量的光纤通信系统，便于通信系统的扩容和升级换代。四、SDH帧结构以字节（Byte）作为基础的矩形块状帧结构（或称页面块状帧结构）9×270×N字节SOHAU-PTRSOH1234567893行1行5行STM-N净负荷（含POH）传输方向9×N261×N270×N列4.4数字传输信号的处理4.4.1信道编码变换①码型中，高、低频成分少，无直流分量。②在接收端便于定时提取。③码型应具有一定的检错(检测误码)能力④设备简单、易于实现。1、不归零码和归零码2、双极性半占空码(AMI)3、HDB3码4、CMI码在数字光纤及数字卫星通信等长途传输中,为了保证收端定时恢复,使原数字信息码流中限制“0”码或“1”码的长度,并使“1”与“0”出现的概率几乎相等。随机化的处理称为扰码。4.4.2扰码与解扰码1.差错控制基本概念在数字码流中加入一些附加码元(称监督码元),并采用一种特殊的编码方式进行差错控制。2.差错控制编码基本原理4.4.3差错控制(纠错编码)一般分组码用符号(n,k)表示,其中,k是每组码中信息码元数目,n为码组的总位数,又称码组的长度(码长),附加码元数为r,又称监督码元数。r=n-k,如用ai表示码位,则纠错编码码组结构如图4.18所示。图4.18分组码结构图an£­1an£­2¡­an£­rarar£­1¡­a0k个信息码r¸ö监督码码长n£½k£«r1)反馈纠错（出错重传）(1)奇偶监督码。一般的奇偶监督码分两种,一种叫奇数监督,它的编码规则是在一个码组中使“1”的数目为奇数。123101nnnaaaaa3.差错控制的编码方式行列监督码是在前面奇偶监督码基础上发展而来的。行列监督码是二维奇偶监督码,又称为矩阵码,它能用以纠正突发差错为目标的简单编码。×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××(2)行列监督码(3)自动请求重发ARQ编码器和缓冲存储器重发控制反馈信道正向信道输出缓冲存储器信源调制器解调器译码器收信者指令产生器含收/发设备、传输路径与转发器正确时输出错误时删除(1)循环码(2)卷积码2)前向纠错（自动检错纠错）1)数字信号传输加密在数字信息进入传输信道前进行加密处理。信息加密处理是由各种加密算法来实现的。2)数字终端加密技术终端有一个安全模块(SM),能存放个人识别码IPN密钥Ki和加密算法等信息,并带有CPU,能执行加密算法和认证等功能。4.数字加密技术4.5三种基本调制方式：1)幅移键控2)频移键控3)相移键控