数字通信系统概述课件

4.1数字通信系统模型4.1.1数字通信系统模型结构通信就是信息的传递。信息源：如声音、数据、文字、图像、代码等电信号；信源编码器：把模拟信号变换为数字信号（PCM);

信道编码：完成多路数字信号复接，实现宽带(高频)数字信号传输。数字调制：根据信道媒质特性对编码后的数字信号还要经调制后再送入信道中。信道：指传输信号的通道。注意:概念区别：不经调制的数字信号称为基带（无载频PCM）经过调制的数字信号称为频带(带载频)第1页/共84页图4.1数字通信系统第2页/共84页1采用数字信号传输-----数字通信：抗干扰性强、躁声不积累2传输信道：采用频带宽，衰减小，抗干扰性强第3页/共84页4.1.2数字通信系统的主要性能指标

1.数字传输系统传输速率

1)信息传输速率指在单位时间（每秒）传送的信息量。

2)码元(符号)传输速率转换公式为

话音频谱（300---3400Hz）模数变换A/D或D/A

单路话路模块变换64kb/s视频频率6.3MHz(4.1.1)第4页/共84页2.误码

1)误码概念在数字通信中是用的脉冲信号,即用“1”和“0”携带信息。由于噪声、串音及码间干扰以及其他突发因素的影响,当干扰幅度超过脉冲信号再生判决的某一门限值时,将会造成误判成为误码。把“1”判为“0”情况，称减码；反之则称加码。但均为误码。如图4.2所示。第5页/共84页图4.2噪声叠加在数字信号上的波形第6页/共84页2)误码积累在实际的数字通信系统中,含有多个再生中继段,上面讲的误判产生的误码率是指在一个中继段内产生的。当经m个中继段后产生误码率产生错误码元(个数)传输的总码元(个数)(4.1.2)(4.1.3)(4.1.4)第7页/共84页3.抖动

1)抖动概念所谓抖动,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。第8页/共84页图4.3脉冲抖动的意义脉冲间距第9页/共84页2)抖动容限抖动容限一般是用峰—峰抖动Jp-p来描述的。它是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。传输话音，系统抖动容限小于等于4%UI。数字信号，彩电抖动容限小于等于0.2%UI或更小。第10页/共84页4.2数字复接技术4.2.1数字多路通信原理数字多路通信也叫做分多路时通信,所谓时分多路通信,是利用多路信号(数字信号)在信道上占有不同的时间间隙来进行通信的。多路通信的基础源于数学上信号的正交性：

(4.2.1)第11页/共84页图4.4脉冲信号的正交第12页/共84页

对于不是连续信号,如时分制中的脉冲信号,只能用离散和来代替以上积分,即(4.2.2)根据离散和计算有(4.2.3)第13页/共84页

如第2章PCM脉冲编码技术所述,由抽样定理把每路话音信号按8000次/s抽样,对每个样值编8位码,那么第一个样值到第二个样值出现的时间,即1/8000s(=125μs),称为抽样周期T(=125μs)。在这个T时间内可间插许多路信号直至n路,这就是时间的可分性(离散性),就能实现许多路信号在T时间内的传输。其多路通信模型如图4.5所示。时分多路编码第14页/共84页图4.5时分多路复用示意图第15页/共84页4.2.2数字信号复接技术数字复接,就是利用时间的可分性,采用时隙叠加的方法把多路低速的数字码流(支路码流),在同一时隙内合并成为高速数字码流的过程。数字复接分：按位—按码位时隙宽度进行时隙叠加；如图4.6(b)所示，按字--按码位进行数字编码，如采用8位编码。帧结构：数字通信中同频、同相管理联络，收端准确接收等。时隙叠加是码字宽度缩小，即码率提高。第16页/共84页

图4.6按位复接和按字复接示意图(a)一次群(基群)；(b)二次群(按位数字复接)；(c)二次群(按字数字复接)第17页/共84页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,为保证数字通信系统正常工作,在一帧的信号中应有以下基本信号:①帧同步信号(帧定位信号)及同步对告信号;②信息信号;（传输话音内容）③其他特殊信号(地址、信令、纠错等信号);④勤务信号。(监测、告警、控制）第18页/共84页4.3.1PCM30/32路基群帧结构时隙信号作如下安排：

1)30个话路时隙:TS1～TS15,TS17～TS312)帧同步时隙:TS03)信令复帧时隙:TS16

每一路时隙tc为码字位数L=8,故每一位时隙tB为(4.3.1)(4.3.2)第19页/共84页图4.7PCM30/32制式帧结构第20页/共84页数码率(4.3.3)第21页/共84页图4.8PCM30/32路系统方框图第22页/共84页4.3.2准同步数字复接(PDH)系列帧结构(以PCM30/32路为基础)1.准同步复接(PDH)系列由低向高逐级进行复接，这就是数字复接系列。被复接的几个支路(低等级支路信号)是在同一高稳定的时钟控制下,数码率是严格相等的,即各支路的码位是同步的。第23页/共84页表4.1两类速率复接系列比较表第24页/共84页2.2.048Mb/s速率接口的(PDH)复接系列二次群帧结构时钟偏差：±50×10-6即±100b/s

图4.9数字复接示意图第25页/共84页

复接器：码率调整，支路码率严格同步，汇接或合成。每支路复接时码率究竟如何调整CCITT推荐的速率系列PDH二次群速率为8.448Mb/s。G.742推荐的（正码速）调整(增加码位)准同步复接系列PDH二次群的帧结构中各支路的比特安排如图4.10(a)所示,子帧212比特，插入同步码、监测、告警及速率码位。分为四组，每组53比特，它的复接帧如图4.10(b)所示,帧长848比特,帧周期为100.38μs。第26页/共84页

图4.10异步复接二次群帧结构(a)基群支路插入码及信息码分配；(b)复接帧结构第27页/共84页在各支路的帧同步码、告警、备用码位Fij

i—支路编号，j-－码位编号，前３位，码率调整：塞入标志Ｃij

塞入脉冲Vi提高支路码速第28页/共84页

采用三位标志码Cij便于多数判决以决定分接时“去塞”与否,其正确判断的概率为当误码率Pe=10－３时,正确判断的概率为用一个标志位，概率1-Pe=0.999,第29页/共84页

表4.234368kb/s复用帧结构第30页/共84页表4.3139264kb/s复用帧结构第31页/共84页表4.4PDH接口速率、码型表HDB3三阶高密双极性码(传输基带信号PDH)CMI四次群接口码，只适用于光传输第32页/共84页4.3.3同步数字复接(SDH)系列帧结构

1.同步数字复接系列SDH

通信容量越来越大,业务种类越来越多,传输的信号带宽越来越宽,数字信号传输速率越来越高。国际规范统一同步数字复接系列以基本同步传输模块（STM-1）155.20Mb/s速率;STM-4(622.080Mb/s)STM-16(2488.320Mb/s)STM-64(9953.280Mb/s)STM-N(1、4、16、64、256……)第33页/共84页2.SDH同步数字复接系列帧结构按世界ITU―T1995年G.707协议规范,SDH的数字信号传送帧结构安排成页面块状帧结构(STM-N)；

9(行)×270×N（列）×8=19440×N比特

STM-1传送码率155.520Mb/s,(19440×8000)为一页。

STM-4传送方式，称字节间插同步复接。帧结构分为三个区域：STM-N净负荷(POH)、段开销(SOH)、单元指针(AU-PTR)。

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图4.11SDH帧结构第35页/共84页1)信息净负荷区域信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息负载的地方。少量通道开销，用于监视、管理、控制通道性能、在和业务信息。

2)段开销区域段开销(SectionOverHead)是STM帧结构中为了保证信息净负荷正常、灵活传送所必须的附加字节,是供网络运行、管理和维护使用的字节。对 STM-1由8×9=72字节，72×8比特第36页/共84页3)管理单元指针区域

管理单元指针用来指示信息净负荷的第一个字节在STM帧中的准确位置,

以便在接收端能正确地分接信息净负荷信号。复接(非调制)第37页/共84页4.4数字传输信号的处理

复接后数字信号码流再经变换后，与信道特性、抗干扰能力匹配、达到最佳传输。（波形不失真）4.4.1信道编码变换PCM码流可不经调制在电缆传输，称基带传输（包括PDH）。根据电缆信道的特点及传输数字信号的要求,要满足以下几个条件:①码型中,高、低频成分少,无直流分量。(干扰、缓慢、直流)②在接收端便于定时提取。（桢头波形）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。第38页/共84页1.不归零码和归零码通常,常见的码型(脉冲波形)有不归零码(NRZ)和归零码(RZ),对应波形及频谱如图4.12、4.13所示。第39页/共84页图4.12单极性不归零码及功率谱周期内只有一种脉冲（1或0）占空比为100%易产生直流分量第40页/共84页图4.13单极性归零码及功率谱周期内只有一种脉冲,占空比为50%情况易产生直流分量第41页/共84页2.双极性半占空码(AMI)AMI码编码规律及频谱如图4.14所示。编码规律：原码序列中的0码仍为0，1码则交替变为+1和-1）

图4.14AMI码及功率谱第42页/共84页

从频谱可看出：无直流分量，高、低频分量少，RZ码就含有fB成分，连“1”数过多有检错能力。连零数过多，AMI码不利定时提取。3.HDB3码

HDB3码是三阶高密度双极性码的简称。HDB3码保留了AMI码的所有优点,还可将连零码限制在3个以内,克服了AMI码如果长连零过多对提取定时不利的缺点。HDB3码的功率谱与AMI码类似。书中有100001011000000000111010000例子第43页/共84页

图4.15HDB3编码波形

编码后波形，满足PDH传输特性的接口码型。上脉冲数与下脉冲数一致。经传输脉冲分析，只有HDB3编码适合基带信息传输。无直流分量.第44页/共84页4.CMI码准同步PDH四次群接口码型采用传号反转码(CMI),主要适用于光纤通信系统传输。CMI码编码规则如表4.5所示。”10”为禁字（禁止出现码），否则为误码。

表4.5CMI码编码规则第45页/共84页4.4.2扰码与解扰码在数字光纤（有线）及数字卫星通信（无线）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。（尽管采用编码波形HDB，随机化处理叫扰码）扰码可改善位定时恢复、降低漂移、信号频谱扩散、帧同步和时域均衡等。SDH扰码器采用NRZ码，无须信道编码变换。扰码器原理实际上就是m序列与传输数字信息模二加,完成输入数字序列的扰乱,这样实现的扰码器原理框图如图4.16(a)所示。由图可得扰码器输出序列LK为(4.4.1)第46页/共84页图4.16扰码器原理方框图

(a)扰码器；(b)解扰器输出第47页/共84页

在接收端要恢复出原始数字序列,需要一个结构与发端相同的m序列发生器与传输序列｛LK｝模二加实现解扰,其原理方框图如图4.16(b)所示。如图中所示,它与扰码器的反馈网络相对应,可得到解扰方程为扰码器序列长度的至少大于50。

G7.09协议采用7级，(4.4.2)第48页/共84页图4.17帧同步扰码器功能图最低155.20MPDH基带信号第49页/共84页4.4.3差错控制(纠错编码)1.差错控制基本概念数字信号传输过程中,信道受到噪声或干扰,造成接收端可能发生错误。为把错误降到预期最低限度,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。

增加附加监督码元就是冗余度大,冗余纠错能力强，但降低信息传输速率和信道传输效率。(间插脉冲编码)第50页/共84页2.差错控制编码基本原理举例来说明纠错编码基本原理。用两位二进制码组22=4可表示四种天气情况:00晴,01云,10阴,11雨,若四组码中任意错一位码,则将一种天气变为另一种天气。这既不能检错又不能纠错.如果增加到3位23=8构成码组来表示,则有

000晴001云010阴011雨其余为禁字，若错两位，只能检错而不能纠错，可采用循环码第51页/共84页

一般分组码用符号(n,k)表示,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。第52页/共84页图4.18分组码结构图ai表示码位r=n-k,附加码元数为r第53页/共84页3.差错控制的编码方式差错控制的编码方式一般分为三类,一类称为“反馈纠错”,另一类称为“前向纠错”,在此两类基础上派生出的第三类称为“混合纠错”。

1)反馈纠错

(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。(4.4.3)第54页/共84页(2)行列监督码。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。矩阵码原理如图4.19所示。图4.19矩阵码原理图第55页/共84页(3)自动要求重发ARQ(AntomaticRepeatRequest)。自动要求重发是一种实用的反馈纠正方法,如图4.20所示。图4.20ARQ系统第56页/共84页2)前向纠错

(1)循环码。循环码是一种分组码,它是在严密的数学模型基础上建立起来的,它有三个主要的数字特征:①循环码的码组中,任意两个码组之和(模二加)必定为该码组集合中的一个码组。②循环码每个码组中,各码元之间存在一个循环依赖关系。③循环码的码组之间具有循环性,即循环码中任一组循环一位(将最右端的码移至左端或反之)以后仍为该码组集合中的一个码组。第57页/共84页表4.6循环码示例第58页/共84页(2)卷积码。卷积码又称连环码,

与上述循环码(分组码)不同,

这种编码也是在信码之中插入监督码元,但不实行分组监督,

而是每一监督码元都要对前后的信息单元起监督作用。整个编/解码过程是一环扣一环连续地进行下去的,所以称连环码。第59页/共84页4.数字加密技术有两种加密方法：

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,

可以以很小的代价,换取对信息很大的安全。信息加密处理是由各种加密算法来实现的。

第60页/共84页2)数字终端加密技术对于特殊用户的数字信号,如银行的数据信号、信用卡的数字信号以及其他终端的数字信号，在加密后传输,收端予以认证即可。这就要求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。第61页/共84页

4.5数字信号的调制与解调

4.5.1数字信号的无线传输数字信号通过空间以电磁波为载体传输到对方,称为无线传输。把要传送的数字信号称为数字基带信号。携带数字基带信号的电磁波为一振荡波,通常称为载波,最简单的就是正弦波或余弦波f(t)=Asin(ωt+φ)。关键是幅度A、频率ω、相位φ的变化第62页/共84页4.5.2数字信号的调制与解调

1.三种基本调制方式

1)幅移键控:幅移键控就是数字信号振幅调制。利用载波振幅携带信息,这里频率和相位保持不变,如只有载频70Mz,乘法器为二相幅移键控调制器（2ASK）

2)频移键控：频移键控就是数字信号频率键控。利用频率变化而振幅和相位保持不变。

3)相移键控：相移键控就是数字信号相位控制。利用相位携带信息，载波的振幅和频率都不变。调相分为绝对调相和相对调相，绝对调相指1玛对应0相位，数字信号0对应π相位。第63页/共84页图4.21二进制基带码的三种调制方式

(a)2ASK；(b)2FSK；(c)2PSK第64页/共84页图4.22二进制基带信号的调制波形第65页/共84页2.二相相对调相与解调所谓相对调相,不是像绝对调相那样对应数字信号“1”和“0”以固定的相位关系,而是一种相对的关系,其调制规律为:

当遇到基带信号“1”码时,载波的相位相对于前一个码元相位改变π(即倒相)；当遇到“0”码时,载波的相位相对于前一个码元相位不变。此规律也可反用之。第66页/共84页

图4.232DPSK信号的调制与解调(a)调制器原理方框图；(b)解调器原理框图第67页/共84页3.四相相对调相与解调

(1)四相相对调制(QPSK)方式。

QPSK采用“反射编码”(格雷码)相位逻辑编码方法,这种方法用得较多。图4.24是QPSK调制器的组成框图(图(a))和工作原理矢量图(图(b))。图4.25为QPSK相干解调方框图。第68页/共84页

图4.24QPSK调制器(a)4PSK框图；(b)矢量图第69页/共84页图4.25QPSK相干解调器第70页/共84页(2)OK-QPSK调制方式。在卫星通信中还使用一种OK-QPSK调制方式。

OK-QPSK调制方式是偏移四相相移调制方式,主要在卫星通信中应用。图4.26OK-QPSK的码序列时间第71页/共84页

采用这种调制方式后,前后码元之间只有0°、90°、-90°三种相位变化,从而克服了因180°相位变化带来的缺点。OK-QPSK调制器、解调器的组成方框图如图4.27所示。第72页/共84页图4.27OK-QPSK调制器、解调器的组成方框图第73页/共84页*4.5.3组合调制方式

1.MQAM调制方式

1)16QAM调制

QAM调制方式是既调幅又调相的调制方式，属于组合调制方式。我们以16QAM为例进行简单分析。16QAM已调波用矢量图表示时有16个矢量,如图4.28(a)所示,其矢量的长短不一(幅度不等),与16PSK比较(图4.28(b)所示),16个矢量端点不再被限制在一个圆周上,使矢量端点之间的距离较远。第74页/共84页图4.2816QAM和16PSK点群图