现代通信系统课件：数字通信系统概述

数字通信系统概述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。用以完成信息传递整个过程的通信系统是由一整套技术设备和传输媒质所构成的总体。就信号的传递方式，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统，我们这里主要讲数字通信系统。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。数字通信系统的模型可用图4.1来描述。图4.1数字通信系统信息源是信息或信息序列的产生源。它泛指一切发信者，可以是人也可以是机器。他（它）们可以产生诸如声音、数据、文字、图像、代码等电信号。

信源编码的主要功能是把人的话音以及机器产生的如文字、图表及图像等模拟信号变换成数字信号，即所谓的模／数（A/D)变换。信源和信源编码可设在同一物理体内，也可以分设。如现在的一般电话用户输出话音模拟信号（300～3400Hz），通过用户线送到数字程控交换局，通过话路模块（PCM单路编译码器）变换成64kb/s的数字信号，再进行时隙交换。信道编码：在完成多路数字信号复接为宽带数字信号之后。把此宽带数字信号送到传输的信道中去。根据各种传输信道的特性及对传输数字信号的要求（如有一定纠错能力、减少误码、从信码中提取时钟等），将信号变换成所需的传输码型的过程称之为信道编码。如PCM基带传输码型HDB3码，光纤传输码型NRZ码、5B6B码、4B1H码等。数字调制：根据信道媒质特性，编码后的数字信号还要经调制后再送入信道中，如光纤信道中的光调制。在无线传输中，根据传输的数字速率、边带利用率、功率利用率及误码率、设备的复杂程度等，可采用数字频移键控（FSK）、相移键控（PSK）、幅移键控（ASK）及组合变换等各种数字调制方式。

信道：指传输信号的通道。根据信号特性．信道可分为模拟信道和数字信道；根据传输媒质的不同，可分为有线信道（明线、电缆、光纤信道等）和无线信道（短波电离层、散射、信道、微波视距信道灯）。以上信道中明线和电缆可用来传输速率低的数字基带信号，其他信道均要进行数字调制。数字信号只经信道编码而不经调制就可直接送到明线或电缆中去传输。我们把不经调制的数字信号称为数字基带信号，把数字基带信号直接送到信道中传输的数字通信方式称为基带传输方式。经调制后的数字信号称为数字频带信号，把调制后的数字频带信号送到信道中传输称为数字频带传输。根据现在接入网的定义，用户与交换机之间的所有机线设备称之为用户接入网。把信源（信源编码）与信道编码（交换节点）之间的传输称为接入信道。接入信道也可分为有线和无线两类信道。这里讲的信道，主要是指长途或市话中继传输的数字信号通道。在信号长途传输时，到达收端的信号总是不理想的，因为信道本身有频率响应特性及衰减，信号在传输时会受到信道的干扰和噪声的影响。人们长期以来在研究、探讨并采取各种措施使其衰减、干扰及噪声降到最低限度。其中，一是采用数字信号传输一一数字通信，它具有抗干扰性强、噪声不积累等优点；二是研究特性优良的传输信道，采用传输频带宽、衰减小、抗干扰性强的信道。现在广泛应用光纤信道以及远程自由空间恒参信道（卫星通信信道）等来改善信道质量。数字解调，即完成从数字频带信号中恢复出原来的宽带数字信号，再经信道解码和码型反变换后分离成数字基带信号的过程；也可以是经信源解码，即D/A变换，还原为原始模拟用户信号或分路数字信号的过程。数字解调的收端技术与设备是相应发端技术与设备的逆变换。4.1.1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)信息传输速率信息传输速率，是指在单位时间（每秒）传送的信息量。信息量是消息多少的一种度量，消息的不确定程度愈大，则信息量愈大。信息传输速率的单位有b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。(2)码元（符号）传输速率码元传输速率即信号传输速率。它是指单位时间（每秒）所传输的码元数目，其单位称为波特。这里的码元一般指多进制，如二进制、四进制等，它和信息速率是有区别的，码元速率可折合为信息速率进行计算。其转换公式为

fB=N1bM

(4.1.1)式中：fB为信息传输速率（二进制传输速率）;N为波特数（消息速率）;1b=log2，1b是log2的符号表示；M为符号进制数（码元进制数）。误码(1)误码概念在数字通信中用的是脉冲信号，即用“1”和“0”携带信息。由于噪声、串音及码间干扰或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，如图4.2所示。误码用误码率来表征，定义为：数字通信系统中在一定统计时间内，数字信号在传输过程中产生错误的码元数与传输的总码元数之比，用符号Pe表示。图4.2噪声叠加在数字信号上的波形

Pe=lim(4-1)（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，当它继续传到下一个中继段，也有可能再产生误判，但这种误判把原来误码纠正过来的可能性极少。因此，一个传输系统的误码率应与每个再生中继段的误码率相关，即具有累积特性。如一个传输系统有m个再生中继段，则总误码率为式中：Peb为总误码率；1为再生中继段序号；Pe1为第1个再生中继段的误码率。(4-2)当每个再生中继段的误码率相同，即都为PB时，则171个再生中继段的误码率为(4-3)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。一般把抖动称为相位抖动或定时抖动。它是数字通信系统中数字信号传输的一种不稳定现象，也即数字信号在传输过程中，造成的脉冲信号在时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的一种“脉冲抖动”现象。如图4.3所示。图4.3脉冲抖动的意义（2）抖动容限动容限一般是用峰二峰抖动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。设数字脉冲一比特宽度为T，偏离位置用表示。则抖动容限为（T）×100%（UI）。如果产生一比特的偏离，即为1UI（100%UI）。抖动对各类业务的影响不同，例如在传输话音和数据信号时，系统的抖动容限一般小于等于4%UI。由于人眼对相位变化的敏感性，对用数字系统传输的彩色电视信号，其系统抖动的容限一般小于等于0.2%UI或者要求更严。抖动容限随数字信号传输的比特速率高低及对不同的数字系统要求而有区别。4.2

数字复接技术4.2.1数字多路通信原理

1.数字多路通信的理论基础

数字多路通信也叫做时分多路通信。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。图4.4脉冲信号的正交2.数字多路通信模型如第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=l25µs。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。图4.5时分多路复用示意图采用单片PCM编／解码器把每路话音信号经抽样编码变为数字信号，利用时间间隙合路后送到收端，经分路解码后还原为每个话路信号。要注意的是，为了保证发、收两端正常通信，两端的旋转开关S1、S2的起始位置和旋转速度要完全相同。收发端旋转开关S1连接第一路时，收端旋转开关S，也必须连接第一路；否则，收端收不到本路信号。这就是所谓的数字通信中的同步问题。

在图4.5中所示的旋转开关（S1、S2）旋转一圈即为一个周期，对PCM单路编／解码技术而言，这个周期为取样周期T=l25µs，即某一路样值数字信号（编出的8位码）到此路第二个样值数字信号再出现的时间。同理．收端也必须是T=125µS，即同频（时钟信号→样）而且必须同相，也即发端第一路样值数字信号要对应收端此路样值的数字信号。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），如图4.6(a）所示，在同一时隙内合并成为高速数字码流的过程。数字复接主要有：按位复接、按宇复接、按帧复接等各种方式。按一个码位时隙宽度进行时隙叠加称为按位复接，如图4.6（b）所示。在一个时隙中叠加了四个码位，其每位码宽度减小到原来的1/4，其码率提高了四倍。图4.6(C）所示为按字复接，一般一个码字在PCM中即为一个抽样值所编的8位码，因此一个码字通常称为8位码。在一个码字宽度里将四个码字叠加在一起，其每个码字时间宽度减小到原来的1/4，码率提高了四倍。图4.6拨位复接和按字复接示意图4.3

数字传输信号帧结构数字信号在传输中都是无穷无尽的码流，这些码流究竟如何区别呢？在数字信号（支路信号）复接（合路）为高速数字码流时，在接收端如何辨认各支路信号的码元呢？这就是数字通信传输中必须要按规定的单元结构帧结构进行传输。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；(3）其他特殊信号（地址、信令、纠错等信号）；(4）勤务信号。这些信号中帧同步信号是最为重要的信号。如信号不同步则通信无法进行。帧同步信号是由一定长度的，满足一定要求的特殊码型构成的码组，可分散或集中地插入码流中。如系统失步则安排有失步对告信号。信息信号是通信中传输的主要内容．它在帧内占的比例标志着信道的利用率，所以总是希望此信号在帧中占有较高比例。特殊信号是指信令信号、纠错信号、加密信号、管理信号和调整指令比特等其他特殊用途的信号。勤务信号包括了监测、告警、控制及工作人员勤务联系信号等。根据原CCITT建议，我国数字通信系统传输主要有以下几种帧结构。4.3.1PCM30/32路基群帧结构CCITTG7.32协议中指出了两种最基本的数字基群系列：一种是PCM30/32路系统一次群（我国及欧洲采用），一种是PCM24路系统一次群（日本、美国等采用）。这里主要讲述我国采用的PCM30/32路系统帧结构。

CCITTG7.32协议PCM30/32路系统帧结构如图4.7所示。从图中看出，一帧的时间为一周期T，即为PCM单路信号抽样周期125µs，每帧由32个路时隙TS0～TS31组成（每个时隙有8位码，a1a2a3…a8即一个码字），话路占30个时隙，同步和信令各占一个时隙，所以称之为基群30/32路系统（30表示一帧的话路数，32表示一帧的时隙数）。图4.7PCM30/32制式帧结构时隙信号作如下安排：1)30个话路时隙：TS1～TS15,TS17～TS31TS1～TS15分别传送CH1～CH15路的话音数字信号，TS11～TS31分别传送CH16～CH31路的话音数字信号。每路即一个样值的8位码（一个码字）。2）帧同步间隙TS0偶帧TS1发送帧同步码0011011；奇帧TS0传送帧失步告警码。具体安排为：偶帧TS“8位码中的第一位码a1用来作帧校核码,后7位安排为同步码{0011011｝。奇帧TS0时隙的8位码中的第一位码a1留给国际用，通常不用时为1；第二位码a2固定为1作监视码用；第三位码a3用A1表示，即帧失步时间向对端发送的告警码。当帧同步时A1为”0”码，当帧失步时A1为“l”码，以便告诉发端，收端已经出现帧失步，无法正常工作。奇帧余下的五位码（a4～a8）保留给国内用，可供安排传送其他信息，未使用时可都暂固定为“1”码。这样奇帧TS0，时隙的码字为{1111111｝。3）信令复帧时隙：TS16一个信令复帧共有16帧（Fo～F15）。其中，Fo帧的TS16时隙传送复帧同步码与复帧失步告警码。F1～F15帧的TS16时隙分别传送30个话路的信令码，如果多个基群的信令共用一个信令通道，则称为共路信令（No.7信令）。当采用公共信道信令时，此时隙要重新设计。为保证数字信号战帧结构安排位置进行传输，各位码的固定时间关系必须由定时系统来保证。其时间关系如下：每一路时隙

为

码字位数L=8，故每一位时隙

为因此，现在一般称这种帧结构的速率接口为2Mb/s的速率接口。帧结构中必须有话路时隙脉冲、帧同步时隙脉冲以及信令复帧脉冲等信号，这些信号可由时钟脉冲分频获得。PCM基群30/32路系统方框图，即2M接口结构方框图如图4.8所示。图4.8PCM30/32路系统方框图4.3.2准同步数字复接（PDH）系列帧结构（以PCM30/32路为基础）1、准同步数字复接（PDH）系列根据不同需要和不同传输介质的传输能力，要有不同的话路数和不同的速率复接形成一个系列，由低向高逐级进行复接，这就是数字复接系列。倘若被复接的几个支路（低等级支路信号）是在同一高稳定的时钟控制下，它们的数码率是严格相等的．即各支路的码位是向步的。这时，可以将各支路码元直接在时间压缩、移相后进行复接，这样的复接称为同步复接。4.3.3节讲述的SDH就是这种复接方式。倘若被复接的支路不是在同一时钟控制下，各支路有自己的时钟，它们的数码率由于各自的时钟偏差不同而不严格相等，即各支路码位是不同步的。在这种情况下．在复接之前必须调整各支路码速，使之达到严格相等，这样的复接称为异步复接，也称为准同步数字复接CPDH系列），而且它们是按位复接（逐位码进行叠加)的。国际上主要有两大系列的准同步数字复接系列CPDH系列）。经CCITT推荐，两大系列有PCM基群24路系列和PCM基群30/32路系列。作为第一级速率接口通常称为1.5M和2M接口速率。两类速旦在复接系列如表4.1所示。表4.1两类速率复接系列比较表

一次群（基群）二次群三次群四次群

北美

24路

1.544Mb/s96路(24×4)6.312Mb/s672胳(96×7)44.736Mb/s4032路(672×6)274.176Mb/s

日本

24路

1.544Mb/s96路(24×4）6.312

Mb／s480路(96×7)32.064Mb/s1440路(480×3)97.728Mb/s

中同

30路

2.048Mb/s120路(30×4)8.448Mb/s480路(120×4)34.368Mb/s1920路(480×4)139.264Mb/s2、2.048Mb/s速率接口的（PDH)复接系列二次群帧结构由于参加复接的各低次群（支路）采用各自的时钟，虽然其标称速率相同(2.048Mb/s），但由于时钟允详偏差±50ppm(即±100b／s)，而各支路偏差不相同，因此各支路的瞬时数码率会不相同。另外，在复接成高次群时还要有同步插入比特、对告信号比特等，因此在复接时首先要进行码率调整，使各支路码率严格相等（同步）后才能进行复接（汇接或称合成）。其方法如图4.9所示。图4.9数字复接示意图在每支路复接时码率究竟如何调整呢？CCITT推荐的速率系列PDH二次群速率为8.448Mb/s。CCITTG.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.l0(a）所示，它的复接帧如图4.l0(b）所示，帧长为848比特，帧周期为100.38µs。如上节所述，各支路复接时速率调整一样，则每支路子帧即为212比特。由各低次群2048kb/s复接为8448kb／s，则各支路要调整为2112kb/s，每秒内各支路（低次群）插入64kb／s的码位。按帧结构安排，在每支路（子帧）为212比特中要插入同步码、监测、告警及速率调整等码位。因此，在复接前的各支路于帧的码位安排如4.10（a）所示。把各支路子帧212比特分为4组，每组为53比特，每支路（子帧）所含非信息、比特，包括安排在各支路的帧同步码、告警、备用码位Fij（其中i为支路编号，j为F的码位编号。如安排在第一支路第一组前3位为F11F12F13,4个支路共计12位。用于码率调整的塞入标志Cij（其中i为支路编号，j为C的码位编号，安排在各支路的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组的第一组，如C11C12C13分别安排在第一支路第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组的第一位），塞入脉冲Vi,i为支路数安排在每支路的第Ⅳ组的第二位，该位在需要提高支路码率时为塞入脉冲，这时C11C12C13为｛111}；在不需要提高支路码率时仍为信息码，相应的C11C12C13为｛000｝。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）复接帧结构从帧结构图中知，四个支路子帧按位复接如图4.I0(b）所示，F11F21F31F41…F33F43共12比特。前10比特为帧同步码，码型为1111010000；后两位F33F43作为对端告警和备用。C11～C41,C12～C42,C13～C43是各基群支路的插标志；V1V2V3V4为插入码脉冲位。每个支路的信息码位为205或206（未插入时），一帧中共有信息码位为820～824位。PDH接口速率、码型如表4.2所示。群路等级一次群（基群）二次群三次群四次群接口速率（kb/s）20488448343681392461接口码型HDB3HDB3HDB3CMI表4.2PDH接口速率码型表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随着人们日常生活工作对通信的要求越来越高，因此通信容量越来越大，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。这样便会使PDH复接的层次越来越多，而在更高速率上的异步复接分接需要采用大量的高速电路，这会使设备的成本、体积和功耗加大，而且使传输的性能恶化。为了完成更高速率、更多路数数字信号的复接，国际CCITT（后改为ITU-T）提出G.707协议，规范了国际上统一的同步数字复接系列SDH。根据数字信号传输的要求，SDH是有统一规范的速率，它以同步传输模块CSTM）形式传输。

以基本模块155.520Mb/s速率的同步传输棋块为第一级，即STM-1。更高的同步数字系列信号为STM-4(622.080Mb／川、STM-16(2488.320Mb/s）以及STM-64(9953.280Mb／叫，即是用STM一1信号以4倍的字节（一字节8位码）间插同步复接而成为STM-N(N=l,4,16,64,256，…），这样大大简化了PDH系列的复接和分接，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。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尽可能地使支路信号在一帧内均匀地、有规律地分布，以便于实现支路的同步复接、交叉连接、接入／分出（上／下——Add/Drop），并能同样方便地直接接入／分出PDH系列信号。为此，ITU-T采纳了以字节（Byte）作为基础的矩形块状帧结构（或称页面块状帧结构），如图4.11所示。图4.11SDH帧结构STM-N的帧是由9（行），270×N（列)，×8字节组成的码块，对于任何等级，其帧长（帧周期）均为125.S。从图中可以看出，其每帧比特数为9×270×N×8=19440×N比特以STM-1为例．帧结构每帧容量为9×270×1=2430个字节；每帧比特数为9×270×8=19440比特；帧周期为125ρ；帧速率为1/125ρ＝8000/s。因而STMl传送码率为19440×8000=155.520×106b/s。这种页面式帧结构好像书页一样，STMl只有一页，STM-4有4页，…，STM1由于只有一页，所以它的发送顺序就像读书一样从左向右由上而下传送．每秒传8000帧(8000页）。STM-4的传送方式与STM-1有区别。因为STM-4的每帧由4个页面组成，其传送方式依次为第一页的第一个字，第二页的第一个字．第三页的第一个字，第四页的第一个字；再传送第一页的第二个字，第二页的第二个字……从左到右由上而下传完一遍就传送完一帧，每秒传8000帧（32000页），速率比STM-1高4倍，这种传送方式称为字节间插同步复接。帧结构分为三个区域：信息净负荷（Paylead）区域、段开销（SOH）区域和管理单元指针(AU-PTR）区域。

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。因4.11中横向（2709）×N,纵向第一行到第9行的2349×N个字节都属此区域。对于STMl而言，它的容量大约为150.336Mb/s。其中，含有少量的通道开销（POH）字节，用于监视、管理和控制通道性能，其余荷载业务信息。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。帧结构的左边9×N列8行（除去第4行）分配给段开销。对于STM-1而言，它有8×9=72个字节，即72×8=576比特。由于每秒传送8000帧，因此共有4.608Mb/s的容量用于网络的运行、管理和维护(OAM）。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。在帧结构中第4行左边的9×N列分配给指针用。对于STM-1而言，它有9个字节（72比特），采用指针方式可以使SDH在准同步环境中完成复用同步和STM-N信号的帧定位。这一方法消除了常规准同步系统中滑动缓冲器引起的时延和性能损伤。关于SDH系统将在后面进行具体分析。4.3.4交换以太网帧结构1.交换以太网技术交换以太网技术（SWITCH）是在多端口网桥的基础上发展起来的。实现OSI模型的下两层协议，如图4.12所示，是当今TCP/IP采用的主要局域网技术。与传统的网桥相比，它能提供更多的端口、更好的性能、更强的管理功能以及更便宜的价格。目前很热的三层交换就是指具有部分路由器功能的交换机，即在局域网交换机上实现OSI参考模型的第三层协议．实现简单的路巾选择功能．从而加快大型局域网内部的数据交换，能够达到一次路由多次转发的目的。图4.12交换以太网技术在OSI模型中的位置交换以太网用针对每个站点的专用网段取代了早期以太网的共享介质。这些网段连接到一台交换机，该交换机t作起来非常类似于网桥。但是它可以连接众多的单站点网段。今天的某些交换机可支持数百个专用网段。网段上的设备只有交换机和终端站点，因此站点发送的所有数据在到达另一个节点之前，交换机都可以首先得到它。然后，交换机会将该帧转发到相应的网段，这与网桥的作用一样。但是因为所有网段都只包含一个节点，所以只有目标节点能够接收到该帧。这样在一个交换网络上就可以同时进行许多对话。现代以太网的拓扑结构如图4.13所示。图4.13现代以太网拓扑结构示意图以太网采用共享信道的方式，即多卡主机共用一个信道进行数据传输。为了解决多个计算机的信道征用问题。以太网采用IEEE802.3标准规定的CSMA/CDC载波监昕多路访问／冲突检测）协议，它是控制多个用户共Hi一条信道的协议。CSMA/CD工作在OSI的第二层（数据链路层），它的工作原理是：节点发送数据前先侦听信道是否空闲。若信道空闲，则立即发送数据；若信道忙碌，则等待一段时间至信道中的信息传输结束后再发送数据；若在上一段信息发送结束后，同时有两个或两个以上的节点都提出发送请求，则判定为冲突。若侦听到冲突，则立即停止发送数据，等待一段随机时间后再重新尝试。2.交换以太网帧结构以太网采用广播机制，所有与网络连接的节点都可以看到网络上传递的数据。通过查看包含在帧中的目标地址，确定是否进行接收或放弃。如果证明数据是发给自己的，节点将会接收数据并传递给高层协议进行处理。以太网的帧是数据链路层的封装，网络层的数据包被加上帧头和帧尾成为可以被数据链路层识别的数据帧（成帧）。虽然帧头和帧尾所用的字节数是固定不变的，但依被封装的数据包大小的不同，帧的长度也在变化，包括8字节的前导字，其范围是72～1526字节。以太网IEEE802.3帧结构如图4.14所示，主要由前同步码、目的地址、源地址、类型／长度、数据、帧检测序列CFCS）组成。图4.14以太网IEE802.3帧结构示意图以太网帧的头部包含4个字段，64比特前同步码含有交替的“。”和“1”信号，它允许接收方的硬件用这些信号来同步。以太网使用48比特的编址方式，使每个出厂的设备获得唯一的物理地址（MAC地址），标明目的地址的字段包含了帧要发送的目标站点的物理地址；标明源地址的字段包含了发送帧的站点地址。头部的第四个字段包含一个16比特的以太网类型／长度。将所有宇段（不包括8字节前同步码）的长度加起来可以得到以太网帧的最大长度为1518字节，最小长度则为64字节。这样长度的帧能够保证所有冲突都能检测到。因为IEEE802.3标准中对于两个站点的最远传输距离要求小于2500m，由4个中继器连接而成，其冲突窗口为2倍电缆传播延迟与4个中继器的双向延迟之和，合计为51.2ρ。对于10Mb/s的传输速率，这个时间段等于发送64字节（即512比特）的时间。这就是IEEE802.3标准中最小帧长度为64字节的来由。随着网络传输速率的成倍增长，必须增大最小帧长度或减小电缆最大长度。千兆位以太网中采取一些处理技术，一方面使之与10Mb/s和100Mb/s的以太网兼容，另一方面使节点间的最大距离仍保持在2500m。IEEE802.3以太网帧发送顺序从前同步码开始，每个字节从最低位开始发送。帧从节点的物理接口发送出来后，通过传输介质传输到目的端。共享网络中，这个帧可能到达多个节点。节点检查帧头中的目的MAC地址，如果目的MAC地址不是本机MAC地址，也不是本机侦昕的组播或广播MAC地址，则主机会丢弃收到的帧。如果目的MAC地址是本机MAC地址，则接收该帧，检查帧校验序列（FCS）字段，并与本机计算的值对比来确定帧在传输过程中是否保持了完整性。如果帧的FCS值与本机计算的值不同，主机会认为帧己被破坏，并会丢弃该帧。如果该帧通过了FCS校验．则主机会根据帧头部中的Type（类型）字段来确定将帧发送给上层哪个协议处理。IEEE802.3以太网帧格式的基本特性如下：

前同步码：前同步码标示以太网帧的开始，长度为8字节。前7个字节为固定的10101010“模式，该字段的曼彻斯特数据编码能够产生10MHz、持续时间为5.6ρ的脉冲方波，以便收、发方的时钟进行同步；后1字节为固定的10101011模式，最后两个比特位是11，这两位中断了同步模式并提醒接收方后面跟随的是帧数据，标志帧数据的开始。目的地址：目的地址长度为48比特（6字节），该地址指出帧接收方的物理地址，即帧的接收者，如0013d3a242-a8，当目的地址的最高位为“。”时，表示为单播地址，该帧只被该地址节点接收；当目的地址的最高位为“1”时，表示为组播地址或多播地址，该帧被一组节点接收；当目的地址为全“1”时，表示广播地址，该帧被所有节点接收。源地址：源地址长度为48比特（6字节），是帧发送节点的物理地址。接收节点把该地址作为响应帧的目的地址，所以源地址必须唯一，即源地址的最高位必须为“。”。

帧类型／长度：帧类型／长度为16比特，i亥宇段用于标识数据宇段中包含的高层协议，也就是说，该字段告诉接收设备如何解释数据字段。在以太网中，多种协议可以在局域网中同时共存．例如该字段为Ox0800，表示网络层为IP协议：再如该字段为Ox8137，表示网络层为NetWare的IXP协议。数据：数据字段的最小长度必须为46字节，以保证帧长至少为64字节，这意味着传输一字节信息也必须使用46字节的数据字段。如果填入该字段的数据少于46字节，则该字段的其余部分必须用“0”填充。数据字段的最大长度为1500字节。帧检测序列：帧检测序列长度为32比特，该字段提供了一种错误检测机制，每一个发送节点均计算一个包括地址字段、帧类型／长度字段和数握手段的循环冗余校验（CRC)码。发送节点将计算出的CRC填入4字节的FCS字段，接收节点收到数据帧后重新计算CRC并与FCS字段进行比较，用于检测传输中产生的的差错。4.4

数字传输信号的处理4.4.1信道编码变换前面已经讲述，PCM基群（低次群）由终端机送出的码流，可不经调制在电缆上作短距离传输，我们称此为基带传输，在此信道上传输的数字信号称为数字基带信号。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。(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），对应波形及频谱如下图。以下两种码型从频谱显然不符合基带传输码型的条件不能作基带传输码型。图4.15单极性不归零码及功率谱图4.16单极性归零码及功率谱2.双极性半占空码（AMI)AMI码编码规律及频谱如图4.17所示图4.17AMI码及功率谱编码规律：原码序列中的“。”码仍为“0”．原码序列中的“1”码则交替编为十1和一1。从AMI码频谱可看出，此码无直流分量，高、低频分量少，该码虽无时钟频率成分，但经全波整流后为RZ码就含有fB成分。另外，该码是传号“1”码极性交替，如果收端发现极性不是交替出现就一定出现了传输误码，因此可检出奇数个误码，即具有一定的检错能力。但码流中连零数过多时，AMI码不利于定时提取。为了克服码流中连零数过多的问题，在数字基带传输中采用HDB3码。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三个以内，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。普通二进制码流变换为HDB3码的规律如下：(1）在数码流中，当连续出现四个以上连续的“0”时，从第一个“0”起到四个连“0”中，最后一个“0”用“V”码取代，此位码称极性破坏点。(2）各“V”码必须进行极性交替（为保证传号码极性交替不引入直流成分）。(3）相邻“V”码间，前“V”码后邻的原传号码应与之符合极性交替原则（符合AMI码变换规律）。(4）要使“V”码前邻一走出现一个与之极性相同的码位（满足“V”码为极性破坏点）。按前兰步骤变换后也可能会出现与“V”码同极性的码，当没有出现时，就将四连“0”中的第一个“0”用B码取代，使B与它后邻的取代V码同极性（为了在收端能识别出哪个是取代码以便消除）。我们举例说明如下：原二进数字码流为100001011000000000111010000HDB3码为（1）VVVV（2）V+V-V+V-（3）V+1-01+1-000V-000V+01-1+1-01+000V-（4）1+000V+1-01+1-000V-B+00V+01-1+1-01+B-00V-HDB，码波形如图4.18所示。图4.18HDB3编码波形从图4.18可看出．当两取代节之间（两”V”码间）原传号码“1”为奇数个时，V码前邻必然会出现一个与V码相同极性的码，这时四连“0”取代节为“000v”，当“1”码为偶数个时，第一个连“0”必然用B码取代，这时四连“。”取代节为“B00V”。在收端进行HDB3解码，解码原则是在收到的码序列中检出相邻两个传号脉冲为同极性，则必然为取代节（无误码情况）．若相邻同极性码间连“0”数为3，则第一个同极性码为原传号码，解码时只将“V”码变为“0”；如两相邻同极性码间为两个连“0”时，则此两个连“0”前后原码均恢复为“0”，这样就能将HDB3码中四连“0”取代节取消，即完成HDB3

解码。

CCITT建议HDB3码为准同步数字体系基群、二次群、三次群数字端机接口码型。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4.3所示。CMI码是一种二电平不归零码，如表4.3所示，原来码流中的“。”码编为“01”，“1”码编为“00”或“11”。如前一“1”码编为“00”，则后邻出现的“1”码则编为“11”，使传“1”码的“00”和“11”交替出现。“10”则为禁字不准出现，否则为误码。

光纤通信中还有其他码型，如5B6B码、4B3H码等。在SDH中的数字码流为NRZ码，但要经过扰码等处理后才进行光调制。表4.3

CMI码编码规则码流01CMI码0100或114.4.2扰码与解扰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“。”码或“1”码的长度，并使“1”与“0”出现的概率几乎相等，因此，在传输前先作随机化处理，变为随机序列，这种“随机化”处理称为扰码。

扰码能使数字传输系统对各种数字信号具有透明性，它不但能改善位定时恢复质量．减少线性漂移，而且起到信号频i昔能量的扩散作用，并能改善帧同步和自适应时域均衡等性能，以及抑制静态图案抖动等。在SDH中用扰码器直接将NRZ码扰码，就不需再进行信道编码变换，而且设备简单。扰码虽然“扰乱”了数字信息的原有形式，但这种“扰乱”是人为的，有规律的．它是容易解除的。在接收端将这种“扰乱”解除的过程称为“解扰码”，完成“扰码”和“解扰码”的电路相应地称为扰码器和解扰器。

扰码器原理实际上就是m序列与传输数字信息模2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4.19(a）所示。由图可得扰码器输出序列Lk为dk为输入数字序列；C，，为特征多项式的阶数，它决定了扰码器的反馈组合网络的构成。C,,=l表示第n级有反馈，当C,,=O时，表示第n级无反馈。

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2加实现解扰，其原理方框图如图4.19(b）所示。如图中所示，它与扰码器的反馈网络相对应，这样就还原了（恢复了）发端输入的数字序列。图4.19扰码器原理方框图（a）扰码器(b)解码器在光纤通信系统中，原CCITT正式推荐的统一码型是扰码NRZ。为了保证扰码器产生的伪随机序列充分接近真正的随机序列，扰码器的级数应保证已扰序列的长度至少大于50。由公式P=2n-1，使P=50，扰码器要为6级（63）以上才可，因此，在SDH系统中的G7.09协议采用7级扰码器，其扰码长度为

一1=127，完全可以满足要求。7级扰码器功能框图如图4.20所示。图4.20帧同步扰码器功能图4.4.3差错控制1.差错控制基本概念在数字信号传输过程中，由于信道受到噪声或干扰的影响，信号码元的波形传到接收端就可能会发生错误。为了把这些错误减少到预期要求的最低限度，人们在数字码流中加入了一些附加码元（称监督码元），并采用－种特殊的编码方式进行差错控制。我们把这种差错控制（特殊编码方式）称为“纠错编码”，简称“纠错”，把附加的码元的数目称冗余度。冗余度越多纠错能力越强，但这种纠错编码的纠错能力是以降低信息传输速率和信道传输效率作为代价换取的。2.差错控制编码基本原理我们举例来说明纠错编码的基本原理。如用两位二进制码组2*2=4可表示四种天气情况：00睛，01云，10阴，11雨．如果四组码中任意错一位码，则将一种天气变为另一种天气。如果把码组增加到3位构成码组来表示，则有000晴001云010阴011雨100、101、110、111为禁字，在收端收到这四种码组则判为有错。若采用多数判决，3中取2，当收到100时，与晴比较只有第一位有错，后两位相同，与其他三种（云、阴、雨）比较有两位错，因而可把100判为睛。这样既能检出传输错误，同时也能对错一位(100→000)进行纠错。若错两位．则只能检错而不能纠错，这就是简单的纠错原理。在数字通信中，常采用分组码（如循环码、BCH码等）来表示纠错编码。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，η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＝ηk，如用α，表示码位，则纠错编码码组结构如图4.21所示。图4.21分组码结构图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”，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)反馈纠错采用某种编码方式传输的数字信号，在收端能检出一定程度的差错，反馈纠错就是使收端根据某种编码规律进行检验，当发现规律被打乱（破坏）时，立即向发端反馈信息要求重发信息码。反馈纠错主要有以下三类。(1）奇偶监督码。－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。在这种编码中，无论信息为多少位，监督码为1位，它使码组中“1”的个数为奇数。设码长为n，则奇数监督编码应满足条件：其中，a0为附加的监督码位，如信息码中原“1”码为偶数，则α0编为“1”码。例如，原码组共14位，原码组中“1”的个数为6个：10001011010010，如采用奇数监督码。则在14位后加一位C0码，共15位：100010110100101，最后一位监督码为“1”，使码组中“1”的个数为7个。在收端检验出码组为奇数个“1”，判为正确，还原时去掉最后一位即可。(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4.22所示。此矩阵中，×表示信息位，®表示监督位，它是以使每一行每一列“1”的个数为“奇数”或“偶数”的这种规律来进行检验的。图4.22矩阵码原理图(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4.23所示。其纠错原理是在收端检验出有错码的情况下，自动通知发端重发（自动重发系统）。此种方法用在数据通信中，在光纤、微波、卫星等数字传输系统中采用。图4.23ARQ系统

2）前向纠错前向纠错是在数字通信中采用某种特殊的编码方式，使其在接收端能检错并能纠正一定程度传输差错的、较复杂的编码方法。它不需要反馈信道也不需要反复重发来纠错，这对高速实时的数字信号传输有很大优越性，但技术和设备较复杂。前向纠错主要分为循环码和卷积码两类。(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。如表4.4所示。码组编号信息位监督位码组编号信息位监督位a6a5a4a3a2a1a0a6a5a4a3a2a1a01000000051001011200101116101110030101110711001014011100181110010表4.4循环码示例(2）卷积码卷积码又称连环码，它与上述的循环码（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。这种码是由伊利亚斯（P.Elias）提出来的，至今已有60多年，经过实用证明，它的纠错性能一般优于循环码而且设备也不复杂，在卫星通信等数字通信系统中得到了越来越广泛的应用。卷积码可分为代数译码和概率译码等，据有关资料介绍，对卷积码的分析至今还缺乏像对分组码那样有效的数学工具。一些特殊的卷积码要借助于计算机模拟，读者可参阅其他差错控制（纠错编码）技术的有关论著。加密主要是为确保通信的安全而在现代通信系统中采取的一种数字信息处理技术。现代通信系统中的信息包括极其广泛的内容，如人们的日常工作、生活，人们的隐私，经济领域的市场竞争、商业行情、资本运作直到涉及国家的政治、经济、文化、意识形态等。

为了确保通信中的安全，就必须想法在技术上采取措施，克服失密和信息侵害，使通信系统的信息能安全传送和接收。此举措施就是我们所述的加密。从唯物论观点看，不管如何采取加密措施，绝对保证安全是不可能的，安全是相对的。4.数字加密技术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保护。信息加密处理是由各种加密算法来实现的。普遍使用的有常规的密码算法和公钥密码算法。美国IBM公司研制的DES密码算法标准，是世界上最早被公认的实用的密码算法标准。DES是采用56比特长的密钥，将64比特长的数据加密成等长的密文。DES的解密过程与加密过程相似，只需将密钥的使用顺序进行颠倒即可。例如在GSM数字移动通信中，对元钱信道的传辅信号进行加密处理，就是采用的类似以上的加密技术。当然，在实际应用中，人们通常将常规密钥和公钥密码结合在一起使用。比如用DES来加密信息，采用RSA来传递会话密钥。对于数字信息的加密技术的具体应用，读者可参阅有关专著，这里不再叙述。1）数字信号传输加密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K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。由于网络的全球化，信息网络的安全技术成为专家们研究的重要课题。例如，计算机网络中的防火墙技术，Internet中的PGP加密技术等。这里不再赘述，读者可参阅有关专著。2）数字终端加密技术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。我们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→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（wt十ψ）把数字基带信号变换为载波的过程称为调制。经过调制的数字信号称为数字频带信号．这种经调制的数字信号的传输称为数字频带传输。4.5.2数字信号的调制与解调以上讲到的载波．实际k是携带数字信号的电磁波。可用正弦波f(t)=Asin（wt十ψ）中的振幅A、频率ω及相位ψ三个参量来携带数字信号。

数字信号的调制与解调是数字元线通信的关键技术．这里只进行简单基本的分析。数字调制方式有三种基本方式：幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。用这三种调制方式以及这些调制方式的组合和变异完成调制、解调任务的设备称为调制器、解调器。1）幅移键控幅移键控就是数字信号振幅调制。换句话说，是利用载波的振幅变化去携带信息。而载波的频率、相位都保持不变。最简单的例子就是用一载波幅度为1和0，来携带数字信号。在微波通信巾一般中频载波频率为70MHz。如图4.24(a）所示．用乘法器作为二相幅移键控调制器（2ASK），当有“1”码出现时，则输出为70MHz的载波为“0”时，则没有载波输出．其波形如同11.25(a）所示1.三种基本调制方式图4.25二进制基带码的三种调制方式（a)2ASK(b)2FSK（c）2PSK2）频移键控频移键控就是数字信号频率键控。换句话说，是利用已调波的频率变化去携带信息．而载波的振幅和相位不变。二相频移键控调制器（2FSK）如图4.24(b）所示，图中的数字基带信号的“1”和“0”码分别在两个相乘器（调制器）中去键控各自的载波，用两种不同频率来表示数字信号“1”和”0”‘其波形如同4.25(b）所示。图4.25二进制基带码的三种调制方式（a)2ASK(b)2FSK（c）2PSK(d)2DPSK3）相移键控相移键控是利用已调载波信号的相位去携带数字信息，而载波的振幅和频率都不变化。如图4.24(c）所示，它只用两个相位来表征数字信号“1”和“0”，其调制波形如图4.25(c）所示。2.二相相对调制与解调在低速率的数字微波系统（数字基带信号．在8Mb/s以下）中，采用比较简单的二相相对调相，记为2DPSKO此种调相方式具有较好的抗干扰性能。所谓相对调相．不是像绝对调相那样对应数字信号“1”和“。”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。此相对调相的波形如图4.25(d）所示。2DPSKi同制与解调原理方框图如图4.26(a）、（b）所示。此种调制方式的实现较简单，只须将原二进码经过差分编码变换，变为相对码，再对相对码进行绝对调相即可。这种差分编码变换是由模二加电路来实现的。

2DPSK收端的解调电路如图4.26(b）所示，是a种常用的原理电路，叫做相干解调法。图中的相乘器就是解调器。相乘器中的相干载波，是从2DPSK信号中提取的。由图看出，此相干载波是以二分频器输出的．在二分频器中采用了触发电路，由于触发器初始状态不确定，使相干载波的相位可随机取0或π相位。假定相干载被起始相位为“0”。如解调器输出数字基带信号码是正确的，当二分频器触发状态改变时，使相干载波相位变为π，这种现象称之为倒π现象，或称相位模糊。这时，采用绝对调相将会产生严重误码；若采用相对调相，则不会产生误码。基于以上原因，在实际应用中，无论是二相调相还是多相调相，均采用相对调相，其解调基本上都采用相干解调。图4.262DPSK信号的调制与解调

（a)调制器原理方框图(b)解调器原理方框图2.四相相对调制与解调在数字微波通信中，PDH系列的8Mb/s,34Mb/s等中等速率的数字基带信号，经常采用四相相对调制（QPSK）。采用QPSK调制方式可以降低速度，克服相位模糊，减少误码。在前面已讲述，在相对四相方式中一般是采用先对数字信号进行差分编码后，再进行绝对调相，这可简称为差分移相。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4.27是其组成框图（图（a））和工作原理矢量图（图（b））。图4.28为其相干解调方框图。(1）四相相对调制（QPSK）方式。图4.28QPSK相干解调器图4.27QPSK调制器（a)4PSK方框图(b)矢量图从矢量图中可看出其相位关系，如以前一码元相位为0°作为基准相位（也可以用π／4作为基准相位），那么若传送消息为00，则后一码元信号相位仍为0°；若传送消息为01,则后一码元相位旋转π／2；若传送消息为11，则后一码元相位旋转π；若传送消息为10,则后一码元相位旋转3π／2。

在图4.27中，｛ai｝为二进制数字信号，经过串／并变换为两路：｛bk｝和｛ck｝数字信号。设串行数字码流如下：原串行码流｛ai}1001111011并行一路｛bk｝10111

二路｛ck}0

1101经过这样变换，显然两路信号的速率可降低，如PDH的三次群34.368Mb/s分成两路后，则每路为17.184Mb/s码流。（2）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。它与QPSK不同的是，对相位矢量正交的两个载波调制的两路二进制序列，在时间上错开半个码的长度（如图4.29所示），因而这种调相方式叫做偏移四相相移键控（OK-QPSK），也称做参差四相相移键控CSQPSK）。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4.30所示图4.29OK-QPSK码序列时间图4.30OK-QPSK调制器解调器组成方框图从以上相干解调方框图可看出，QPSK的解调即为QPSK调制的反变换。这里关键是从QPSK调制的信号中恢复载波（提取载波），亦称为相干载波。4.5.3OFDM调制技术1.OFDM技术慨述及其发展史OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用，被称之为“第四代移动通信技术”。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。主要是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制．且各个子载波并行传输。OFDM可视为一种调变技术及一种多任务技术，为多载波（Multicarrier）的传送方式。OFDM由多载波调制（MCM）发展而来。在实际应用中．实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频率放大器的线性要求等因素制约了。FDM技术的实现。经过大量研究，在20世纪80年代.MCM获得了突破性进展，大规模集成电路促