数字通信基本原理

1、信号波形的特征可用两个物理量（时信号波形的特征可用两个物理量（时间、幅度）来表示。间、幅度）来表示。模拟信号随波形模拟信息的变化而变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。化，其特点是幅度连续。图图0-2所示的是数字信号的波形，其特所示的是数字信号的波形，其特点是：幅值被限制在有限个数值之内，它点是：幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的，而是离散的。不是连续的，而是离散的。可分为两类通信方式：模拟通信和数可分为两类通信方式：模拟通信和数字通信。字通信。模拟通信是以模拟信号的形式传递消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。息，采用频分复用实现多路通信。数

2、字通信是以数字信号的形式传递消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。息，采用时分复用实现多路通信。占空比占空比a=/tB，可见，图，可见，图0-3（a）中）中a=1，图，图0-3（b）中）中a=1/2。数字通信系统的构成模型如图数字通信系统的构成模型如图0-4所示。所示。 信源是把原始信息变换成原始电信号。信源是把原始信息变换成原始电信号。 信源编码的功能是把模拟信号变换成信源编码的功能是把模拟信号变换成数字信号，即完成模数变换的任务。数字信号，即完成模数变换的任务。 信道是指传输信号的通道。信道是指传输信号的通道。 接收端的解调、信道解码、信源解码接收端的解调、信道解

3、码、信源解码等几个方框的功能与发送端几个对应的方等几个方框的功能与发送端几个对应的方框正好相反，是一一对应的反变换关系。框正好相反，是一一对应的反变换关系。信源解码后的电信号，由受信者接收，通信源解码后的电信号，由受信者接收，通常称之为信宿。信宿可以是人，也可以是常称之为信宿。信宿可以是人，也可以是各种终端设备。各种终端设备。 若信源是数字信息时，则信源若信源是数字信息时，则信源编码或信源解码可去掉，这样就构成编码或信源解码可去掉，这样就构成数据通信系统。数据通信系统。 若通信距离不太远，且通信容若通信距离不太远，且通信容量不太大时，信道一般采用市话电缆，量不太大时，信道一般采用市话电缆，即采

4、用基带传输方式，这样就不需要即采用基带传输方式，这样就不需要调制和解调部分。调制和解调部分。 传送话音信息时，即使有少量误码，传送话音信息时，即使有少量误码，也不影响通信质量，一般不加信道编、解也不影响通信质量，一般不加信道编、解码。码。 在对保密性能要求比较高的通信系在对保密性能要求比较高的通信系统中，可在信源编码与信道编码之间加入统中，可在信源编码与信道编码之间加入加密器；同时在接收端加入解密器。加密器；同时在接收端加入解密器。 数字通信具有以下几个主要特点。数字通信具有以下几个主要特点。（1） 抗干扰能力强，无噪声积累抗干扰能力强，无噪声积累（2） 便于加密处理便于加密处理（3） 采用时

5、分复用实现多路通信采用时分复用实现多路通信 （4） 设备便于集成化、微型化设备便于集成化、微型化 （5） 占用信道频带宽占用信道频带宽 衡量数字通信系统性能好坏的指标是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。有效性和可靠性两项。有效性指标具体包括以下三项内容。有效性指标具体包括以下三项内容。 信息传输速率简称传信率，也叫数码信息传输速率简称传信率，也叫数码率（常用率（常用fB表示）。它的定义是：每秒所表示）。它的定义是：每秒所传输的信息量。传输的信息量。信息量是消息多少的一种度量，消息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。的不确定性程度越大，则其信息量

6、越大。信息量的度量单位为信息量的度量单位为“比特比特”（bit）。）。符号速率也叫码元速率，它的定义是：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），其单是多进制的，也可以是二进制的），其单位为位为“波特波特”（d）。）。符号（或码元）与代码的关系为：一符号（或码元）与代码的关系为：一个符号要用个符号要用log2M个代码来表示（个代码来表示（M为进制为进制数或电平数）。数或电平数）。 综上所述，很容易得出信息传输速率综上所述，很容易得出信息传输速率R与符号速率与符号速率N的关系为：的关系为：R=Nlog2

7、M可见，二进制码元传输时，信息传输可见，二进制码元传输时，信息传输速率与符号速率相等。速率与符号速率相等。通信系统所占用的频带愈宽，传输信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当是单位频带内的传输速率 。误码率的定义为：在传输过程中发生误码率的定义为：在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元之比。误码的码元个数与传输的总码元之比。 由于数字通信是以数字信号的形式来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

8、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，所以数字通信所要值均连续的模拟信号，所以数字通信所要解决的首要问题是模拟信号的数字化，即解决的首要问题是模拟信号的数字化，即模数变换（模数变换（A/D变换）。变换）。模数变换的方法主要有脉冲编码调模数变换的方法主要有脉冲编码调制（制（PCM）、差值脉冲编码调制）、差值脉冲编码调制（DPCM）、自适应差值脉冲编码调制）、自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）、增量调制（）、增量调制（DM）等。）等。脉冲编码调制是对模拟信号的瞬时抽脉冲编码调制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样值量化、编码，以将模拟信号转化为数字信号。字

9、信号。若模数变换的方法采用若模数变换的方法采用PCM，由此，由此构成的数字通信系统称为构成的数字通信系统称为PCM通信系统。通信系统。采用基带传输的采用基带传输的PCM通信系统构成方框图通信系统构成方框图如图如图0-7所示。所示。 相当于信源编码部分的模数变换相当于信源编码部分的模数变换（AD变换），具体包括抽样、量化、编变换），具体包括抽样、量化、编码三步。码三步。抽样抽样是把模拟信号在时间上离散是把模拟信号在时间上离散化，变为脉冲幅度调制（化，变为脉冲幅度调制（PAM）信号。）信号。量化量化是把是把PAM信号在幅度上离散信号在幅度上离散化，变为量化值（共有化，变为量化值（共有N个量化值）。

10、个量化值）。编码编码是用二进码来表示是用二进码来表示N个量化个量化值，每个量化值编值，每个量化值编l位码，则有位码，则有N=2l。接收端首先利用再生中继器消除数字接收端首先利用再生中继器消除数字信号中的噪声干扰，然后进行数信号中的噪声干扰，然后进行数/模变换。模变换。数数/模变换包括解码和低通两部分。模变换包括解码和低通两部分。解码解码是编码的反过程，解码后还是编码的反过程，解码后还原为原为PAM信号（假设忽略量化误差信号（假设忽略量化误差量量化值与化值与PAM信号样值之差）。信号样值之差）。低通低通收端低通的作用是恢复或重收端低通的作用是恢复或重建原模拟信号。建原模拟信号。 所谓抽样就是每隔

11、一定的时间间隔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（样抽取模拟信号的一个瞬时幅度值（样值）。抽样是由抽样门来完成的，在抽值）。抽样是由抽样门来完成的，在抽样脉冲样脉冲ST(t)的控制下，抽样门闭合或断的控制下，抽样门闭合或断开，如图开，如图-所示。所示。 如图如图0-9所示。所示。 抽样后的样值序列频谱抽样后的样值序列频谱S()是由无限是由无限多个分布在多个分布在s各次谐波左右的上下边带所各次谐波左右的上下边带所组成，而其中位于组成，而其中位于n=0处的频谱就是抽样处的频谱就是抽样前的话音信号频谱前的话音信号频谱M()的本身（只差一个的本身（只差一个系数系数1/T)，如图

12、，如图0-9所示。所示。 抽样频率抽样频率fs不是越高越好，不是越高越好，fs太高时，太高时，将会降低信道的利用率将会降低信道的利用率 。量化的意思是将时间域上幅度连量化的意思是将时间域上幅度连续的样值序列变换为时间域上幅度离续的样值序列变换为时间域上幅度离散的样值序列信号散的样值序列信号(即量化值）。即量化值）。量化分为均匀量化和非均匀量化量化分为均匀量化和非均匀量化两种。两种。话音信号的概率密度分布曲线如图话音信号的概率密度分布曲线如图0-11所示。所示。图中图中U为过载电压。而且话音信号主为过载电压。而且话音信号主要分布在要分布在-U+U之间。我们将之间。我们将-U+U这这个区域称为量化

13、区，而将个区域称为量化区，而将u-U与与u+U范围称为过载区。范围称为过载区。 量化值（离散值）一般与样值（连续量化值（离散值）一般与样值（连续值）不相等，因而产生误差，此误差是由值）不相等，因而产生误差，此误差是由量化而产生的，所以叫量化误差。量化而产生的，所以叫量化误差。量化误差量化误差e(t)量化值量化值-样值样值=uq(t)-u(t) 其最大量化误差（指绝对值）不超过其最大量化误差（指绝对值）不超过半个量化间隔半个量化间隔/2，但在过载区，量化误差，但在过载区，量化误差将超过将超过/2。 有量化误差就好比有一个噪声叠加在有量化误差就好比有一个噪声叠加在原来的信号上起干扰作用，这种噪声称

14、为原来的信号上起干扰作用，这种噪声称为量化噪声。量化噪声。 均匀量化的特点是：在量化区内，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。信噪比小，大信号的量化信噪比大。在在N（或（或l)大小适当时，均匀量大小适当时，均匀量化小信号的量化信噪比太小，不满足化小信号的量化信噪比太小，不满足要求（数字通信系统中要求量化信噪要求（数字通信系统中要求量化信噪比比26dB），而大信号的量化信噪比），而大信号的量化信噪比较大，远远满足要求。较大，远远满足要求。 非均

15、匀量化的宗旨是：在不增大量化非均匀量化的宗旨是：在不增大量化级数级数N的前提下，利用降低大信号的的前提下，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（大信号的量化信噪比远远满足要求，即使下降一点也没关系）。为了达到这一目使下降一点也没关系）。为了达到这一目的，非均匀量化大、小信号的量化间隔不的，非均匀量化大、小信号的量化间隔不同。信号幅度小时，量化间隔小，其量化同。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，误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。其量化误差也大。实现非均匀量化的方

16、法有两种，即模实现非均匀量化的方法有两种，即模拟压扩法和直接非均匀编解码法。拟压扩法和直接非均匀编解码法。 模拟压扩法模拟压扩法模拟压扩法方框图如图模拟压扩法方框图如图0-13所示。所示。压缩器和扩张器特性如图压缩器和扩张器特性如图0-14所所示（以示（以5折线为例）。折线为例）。 这里有两个问题需要说明：这里有两个问题需要说明： 上述为了分析问题方便，图上述为了分析问题方便，图0-14的压的压缩特性采用缩特性采用5折线（正、负合起来有折线（正、负合起来有5段折段折线）。实际压缩特性常采用线）。实际压缩特性常采用律压缩特性、律压缩特性、A律压缩特性及律压缩特性及A律律13折线等。折线等。 对压

17、缩特性的要求是：当输入对压缩特性的要求是：当输入u=0时，时，输出输出v=0；当输入；当输入u=U（过载电压）时，输（过载电压）时，输出出v=U。而且要求扩张特性要严格地与压。而且要求扩张特性要严格地与压缩特性相反，以使压缩缩特性相反，以使压缩扩张的总传输扩张的总传输系数为系数为1，否则会产生失真。但这在实际，否则会产生失真。但这在实际中很难做到，所以模拟压扩法已不采用。中很难做到，所以模拟压扩法已不采用。应当指出，虽然已不采用模拟压扩法，应当指出，虽然已不采用模拟压扩法，但它还是比较重要的。原因有两条：一是但它还是比较重要的。原因有两条：一是分析量化信噪比时是借助于压缩特性的；分析量化信噪比

18、时是借助于压缩特性的；二是下面要介绍的直接非均匀编解码法是二是下面要介绍的直接非均匀编解码法是在模拟压扩法的基础上发展而来的。在模拟压扩法的基础上发展而来的。用若干段折线去逼近用若干段折线去逼近A律压缩特性，律压缩特性，由此得出了由此得出了A律律13折线。折线。具体的方法是：对具体的方法是：对x轴在轴在01（归一（归一化）范围内以化）范围内以1/2递减规律分成递减规律分成8个不均匀个不均匀段，其分段点是段，其分段点是1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64和和1/128。对对y轴在轴在01（归一化）范围内以均匀（归一化）范围内以均匀分段方式分成分段方式分成8个均匀段落，它们的分段个

19、均匀段落，它们的分段点是：点是：7/8，6/8，5/8，4/8，3/8，2/8和和1/8。将将x轴轴y轴相对应的分段线在轴相对应的分段线在xy平面上的平面上的相交点连线就是各段的折线，即将相交点连线就是各段的折线，即将x=1,y=1连线的交点同连线的交点同x=1/2,y=7/8连线的交连线的交点相连接的折线，就称作第点相连接的折线，就称作第8段的折线。段的折线。这样信号从大到小由这样信号从大到小由8个直线段连成的折个直线段连成的折线分别称作第线分别称作第8段、第段、第7段段第第1段。图段。图0-15就是就是A律律13折线压缩特性。折线压缩特性。经过计算各段折线的斜率如图经过计算各段折线的斜率如

20、图0-15中所示。中所示。 这里的编码指的是根据这里的编码指的是根据A律律13折线非折线非均匀量化间隔的划分直接对样值编码，称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，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。即直接非均匀编解码法。数字通信是时分制多路通信，如何实数字通信是时分制多路通信，如何实现时分多路通信是至关重要的。现时分多路通信是至关重要的。这里介绍数字通信系统中时分多路复这里介绍数字通信系统中时分多路复用的实现方法以及传输的基本群次用的实现方法以及传输的基本群次PCM3032路系统的有关问题。路系统的有关问题。 为了提高信道利用率，使

21、多路信号沿同一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。信道传输而互不干扰，称多路复用。目前多路复用的方法用得最多的有两大类：目前多路复用的方法用得最多的有两大类：频分多路复用（频分多路复用（FDM）和时分多路复用）和时分多路复用（TDM）。频分多路复用用于模拟通信（例如）。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。载波通信）；时分多路复用用于数字通信。所谓时分多路复用（即时分制）是利所谓时分多路复用（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。如图特征来分开各路信号的。如图0-

22、16所示。所示。每路所占有的时间间隔称为路时隙（简称每路所占有的时间间隔称为路时隙（简称时隙）。时隙）。PCM时分多路复用通信系统的构成如时分多路复用通信系统的构成如图图0-17所示。为简化起见只绘出所示。为简化起见只绘出3路复用情路复用情况，现结合图况，现结合图0-18所示波形图说明时分复所示波形图说明时分复用通信系统的工作原理。用通信系统的工作原理。 这里介绍几个基本概念：这里介绍几个基本概念： 1帧帧 路时隙（时隙）路时隙（时隙） 位时隙位时隙 所谓时钟同步是使收端的时钟频率与所谓时钟同步是使收端的时钟频率与发端的时钟频率相同（时钟频率与二进制发端的时钟频率相同（时钟频率与二进制数字信号

23、的数码率数值一样）。时钟同步数字信号的数码率数值一样）。时钟同步保证收端正确识别每一位码元（所以时钟保证收端正确识别每一位码元（所以时钟同步也叫位同步），这相当于图同步也叫位同步），这相当于图0-19中两中两端旋转开关的旋转速度相同。端旋转开关的旋转速度相同。 帧同步是保证收发两端相应各话路要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）每一对准，即在接收端正确接收（区分）每一路信号。路信号。 把每帧的首尾辨别出来，就可正确区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。分每一路信号，即实现帧同步。 图图0-20是是PCM3032路系统（称为基路系统（称为基群，

24、也叫一次群）的帧结构图。群，也叫一次群）的帧结构图。话音信号根据原话音信号根据原CCITT建议采用建议采用8kHz抽样，抽样周期为抽样，抽样周期为125s，所以一帧的时，所以一帧的时间（即帧周期）间（即帧周期）T125s。每一帧由。每一帧由32个个路时隙组成（每个时隙对应一个样值，一路时隙组成（每个时隙对应一个样值，一个样值编个样值编8位码），其中：位码），其中： 30个话路时隙个话路时隙(TS1TS15，TS17TS31) 帧同步时隙帧同步时隙(TS0) 信令与复帧同步时隙信令与复帧同步时隙(TS16) 在前面讨论的抽样、量化、编解码及在前面讨论的抽样、量化、编解码及时分多路复用等基本原理的

25、基础上，下面时分多路复用等基本原理的基础上，下面介绍介绍PCM3032路系统基本构成，如图路系统基本构成，如图0-21所示。所示。 国际上主要有两大系列的准同步数字国际上主要有两大系列的准同步数字体系，都经原体系，都经原CCITT推荐，即推荐，即PCM24路系路系列和列和PCM3032路系列。北美和日本采用路系列。北美和日本采用1.544Mbits作为第一级速率（即一次群）作为第一级速率（即一次群）的的PCM24路数字系列，但两家又略有不同；路数字系列，但两家又略有不同；欧洲和中国则采用欧洲和中国则采用2.048Mbits作为第一作为第一级速率（即一次群）的级速率（即一次群）的PCM3032路

26、数字路数字系列。系列。 扩大数字通信容量，形成二次群以上扩大数字通信容量，形成二次群以上的高次群的方法通常有两种：的高次群的方法通常有两种：PCM复用和复用和数字复接。数字复接。所谓所谓PCM复用就是直接将多路信号编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码复用。即将多路模拟话音信号按125s的周期分别进行抽样，然后合在一起统一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。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。合

27、成二次群，四个二次群合成三次群等。图图0-22是数字复接的原理示意图。是数字复接的原理示意图。 图图0-22数字复接的实现主要有两种方法：按数字复接的实现主要有两种方法：按位复接和按字复接。位复接和按字复接。按位复接是每次复接各低次群（也称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。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）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。的一个码字形成高次群。 数字复接要解决两个问题，即同步和数字复接要解决两个问题，即同步和复接。复接。数字复接的同步指的是被复接的数字复接的同步指的是被复接的几个几个低次群的数码率相

28、同低次群的数码率相同。 如果低次群的如果低次群的数码率不同数码率不同，复接时会，复接时会产生产生重叠和错位重叠和错位（读者可对比一下图（读者可对比一下图0-22 中当低次群的数码率相同时复接的情况）。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。步，因而也称之为系统同步。数字复接的方法实际也就是数字复接数字复接的方法实际也就是数字复接同步的方法，有同步复接和异步复接两种。同步的方法，有同步复接和异步复接两种。同步复接是用一个高稳定的主时钟来同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次控制

29、被复接的几个低次群，使这几个低次群的数码率（简称码速）统一在主时钟的群的数码率（简称码速）统一在主时钟的频率上（这样就使几个低次群系统达到同频率上（这样就使几个低次群系统达到同步的目的），可直接复接（复接前不必进步的目的），可直接复接（复接前不必进行码速调整，但要进行码速变换）。同步行码速调整，但要进行码速变换）。同步复接方法的缺点是一旦主时钟发生故障时，复接方法的缺点是一旦主时钟发生故障时，相关的通信系统将全部中断，所以它只限相关的通信系统将全部中断，所以它只限于局部地区使用。于局部地区使用。 异步复接是各低次群各自使用自己的异步复接是各低次群各自使用自己的时钟，由于各低次群的时钟频率不一定

30、相时钟，由于各低次群的时钟频率不一定相等，使得各低次群的数码率不完全相同等，使得各低次群的数码率不完全相同（这是不同步的），因而先要进行码速调（这是不同步的），因而先要进行码速调整，使各低次群获得同步，再复接。整，使各低次群获得同步，再复接。PDH大多采用异步复接。大多采用异步复接。数字复接系统主要由数字复接器和数数字复接系统主要由数字复接器和数字分接器两部分组成，如图字分接器两部分组成，如图0-25所示。所示。 数字复接器的功能是把四个支路（低次群）数字复接器的功能是把四个支路（低次群）合成一个高次群。它是由定时、码速调整（或变合成一个高次群。它是由定时、码速调整（或变换）和复接等单元组成的

31、。定时单元给设备提供换）和复接等单元组成的。定时单元给设备提供统一的基准时钟（它备有内部时钟，也可以由外统一的基准时钟（它备有内部时钟，也可以由外部时钟推动）。码速调整（同步复接时是码速变部时钟推动）。码速调整（同步复接时是码速变换）单元的作用是把各输入支路的数字信号的速换）单元的作用是把各输入支路的数字信号的速率进行必要的调整（或变换），使它们获得同步。率进行必要的调整（或变换），使它们获得同步。这里需要指出的是四个支路分别有各自的码速调这里需要指出的是四个支路分别有各自的码速调整（或变换）单元，即四个支路分别进行码速调整（或变换）单元，即四个支路分别进行码速调整（或变换）。复接单元将几个低次群合成高次整（或变换）。复接单元将几个低次群合成高次群。群。数字分接器的功能是把高次群分解数字分接器的功能是把高次群分解成原来的低次群，它是由定时、同步、成原来的低次群，它是由定时、同步、分接和恢复等单元组成。分接器的定时分接和恢复等单元组成。分接器的定时单元是由接收信号序列中提取的时钟来单元是由接收信号序列中提取的时钟来推动的。借助于同步单元的控制使得分推动的。借助于同步单元的控制使得分接器的基准时钟与复接器的基准时钟保接器的基准时钟与复接器的基准时钟保持正确的相位关系，即保持同步。分接持正确的相位关系，即保持