通信基礎知識(通信原理)

1、第一部分數(shù)字通信基本原理數(shù)字通信系統(tǒng)1. 信號信號可用來傳輸信息。信息可用語言、文字、圖象等表達，但在很多情況下，這些表達信息的語言文字不便于直接傳輸。因此在近代科學技術(shù)中，常用電信號來傳送各種信息，即利用一種變換設備把各種信息轉(zhuǎn)換為隨時間作相應變化的電流或電壓進行傳輸。這種隨信息作相應變化的電壓或電流就是電信號。由消息轉(zhuǎn)換成的電信號可分為兩類：模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號是指時間和幅度都連續(xù)的信號。數(shù)字信號是指時間和幅度都離散的信號。如圖1-1電壓時間a模擬信號b數(shù)字信號1-1模擬信號及數(shù)字信號的模型2. 數(shù)字系統(tǒng)以數(shù)字信號的方式來傳輸消息的通信系統(tǒng)，叫數(shù)字通信系統(tǒng)。典型的數(shù)字通信系統(tǒng)的組成

2、如圖1-2。信L非L審L翳L信L翳L審L非-信1-2典型數(shù)字通信系統(tǒng)的組成信源即是發(fā)信者。通常的信源指電話機、攝象機及各種數(shù)字終端設備。信源編碼的作用是對信號進行編碼，去除或減少冗余度，把能量集中起來縮窄占據(jù)頻帶，從而提高數(shù)字傳輸?shù)挠行?。例如進行模擬信號變換為數(shù)字信號的過程（A/D轉(zhuǎn)換），PCM編碼。信道編碼。由于傳輸信道上噪聲的干擾，數(shù)字信號在傳輸中可能會發(fā)生差錯，導致信息傳輸質(zhì)量下降。為了在接收端自動檢出錯碼或糾正錯碼，使差錯控制在允許范圍內(nèi)，可在信源編碼后的數(shù)字信號中按一定規(guī)律加一定數(shù)量的數(shù)字碼（監(jiān)督碼），形成新的數(shù)字信號，這種新的信號間的關系形成較強的規(guī)律性，使收端可檢查或糾正差錯。

3、信道編碼是將信息比特變換為適合于信道傳輸?shù)臄?shù)字信號，它是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，提高數(shù)字傳輸?shù)目煽啃裕锤纳葡到y(tǒng)的誤碼性能。信道和噪聲：信道指傳輸信號的通道。按傳輸媒質(zhì)可分為有線信道和無線信道兩類。有線信道包括明線、同軸電纜、光纜等。無線信道包括微波中繼、衛(wèi)星和各種散射等。信道在傳輸中會受到各種噪聲的干擾，通常把所有的噪聲干擾都折合到信道中，成為一個等效噪聲源。3. 數(shù)字通信的主要特點A、抗干擾能力強，無噪聲積累因數(shù)字信號以0、1兩個數(shù)碼形式傳輸，被噪聲干擾和經(jīng)衰減后的數(shù)字信號，在沒惡化到不可正確判斷之前，可用再生的方法恢復成原來的信號。只要再生設備設定位置適當，可認為噪聲干擾不會對傳輸信號

4、產(chǎn)生不良影響，即不會出現(xiàn)噪聲積累。因而數(shù)字傳輸適用較遠距離傳輸，也能適應性能差的信道。B、保密性強，易于實現(xiàn)檢錯糾錯數(shù)字信號是模擬信號經(jīng)過信源編碼后形成的。它本身已具有一定的保密性，同時數(shù)字信號便于碼型轉(zhuǎn)換，進行加密處理，還可通過信道編碼實現(xiàn)檢錯，糾錯功能。C、便于建立綜合通信網(wǎng)數(shù)字傳輸和數(shù)字交換結(jié)合，有利于傳輸和交換多種業(yè)務的數(shù)字信息，實現(xiàn)多種業(yè)務信息的綜合通信。為建立綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)ISDN提供必要條件。D、設備可集成，微型化由于設備多數(shù)屬于數(shù)字電路，可采用集成元件，能做到集成度高，體積小，耗電低和成本低，且便于生產(chǎn)和維護。E、占用頻帶寬數(shù)字傳輸也有缺點，它與模擬信號傳輸相比，占用傳輸頻帶寬

5、，如傳輸一路數(shù)字化語音信息占64khz的帶寬，而傳輸一路模擬信息只需占4khz的帶寬。然而隨著微波和衛(wèi)星信道及光線信道的迅速發(fā)展（它們有很寬的帶寬），使占用傳輸頻帶寬的矛盾逐漸縮小。因而數(shù)字傳輸?shù)膽萌找鎻V泛。二語音信號的數(shù)字化要將模擬信號在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中進行傳遞，就必須用信源編碼器對話音信號進行模數(shù)變換。語音信號模數(shù)變換的方法很多，如脈沖編碼調(diào)制，增量調(diào)制和參數(shù)編碼等，其中用得較為廣泛的是脈沖編碼調(diào)制。話音信號（模擬信號）數(shù)字化的過程是：取樣一一量化一一編碼。1. 取樣信號在時間上的離散化話音信號不僅在幅度取值上是連續(xù)的，而且在時間上也是連續(xù)的，參見圖1-1（a）。取樣就是每隔一定的時間間隔

6、（T）對在時間上連續(xù)的話音信號抽取瞬時幅值的過程，簡稱取樣或抽樣。取樣后所得到的一串在時間上離散的序列信號稱為樣值序列信號，或取樣信號，參見圖1-3。1-3模擬信號的取樣將話音信號取樣后，所得取樣信號在信道上占用的時間被壓縮了，因而它為時分復用奠定了基礎，同時也為數(shù)字化提供了條件。但取樣信號中必須含有原始話音信號的信息，并要求在接收端能將取樣信號恢復成原始話音信號。為了達到上述要求，取樣的時間間隔T（取樣周期）不能太長，或者說取樣頻率不能太低。由取樣定理奈奎斯特定理可知：取樣頻率（fs）應大于傳輸信號中最高頻（fm）的兩倍。即fs>2fm。在電話通信系統(tǒng)中，用3400赫作為最高頻率（fm

7、）已能很好滿足用戶的要求?？紤]到一定的冗余，目前PCM通信規(guī)定話音信號的取樣頻率fs為8000赫，即fs=8000赫。取樣周期T=1/fs=1/8000=125us（微秒）。為了在取樣前把話音信號中大于fm（fm=3400赫）的頻率成分去掉，在取樣器要設置一個上限頻率為3400赫的低通濾波器，使最高頻率限制在3400赫。信號在幅值上的離散化取樣化所得到的取樣信號雖在時間上是離散的，但它在幅度取值上仍是連續(xù)的，即它可以是輸入模擬信號幅值中的任意幅值，或者說可有無限多種取值，它不能用有限個數(shù)字來表示，它仍屬模擬信號。要想使它成為數(shù)字信號，還需把它的取樣值進行離散化處理，將幅值為無限多的連續(xù)信號，變

8、換成幅值為有限數(shù)目的離散信號，這一幅值上離散化處理的過程稱為量化。量化就是“分級”的意思，量化采用類似“四舍五入”的方法，使每一個取樣值用一個相近的幅值來近似。量化方法可分為線性量化和非線性量化法。a線性量化線性量化也稱均勻量化，它把輸入的取樣值的范圍劃分為若干等距離的小間隔，每個小間隔叫做一個量化級。當某一輸入的取樣值落在某一間隔內(nèi)時，就用這個間隔內(nèi)的中間值來近似地表示這個取樣值的大小，并以此值輸出。這樣大信號和小信號的絕對誤差相同，而對小信號來說，相對誤差（噪聲）很大，也就是說信噪比小，不能滿足語音信號的傳輸要求。（注：信噪比為輸出的信號功率與噪聲功率之比。信噪比越大，說明通信質(zhì)量越好）b

9、.非線性量化非線性量化（又稱非均勻量化）就是使用不等的量化級差（間隔），小信號分級密，量化級差?。淮笮盘柗旨壥?，量化級差大?；蛘哒f量化間隔隨著信號幅值的減小而縮小，使信號幅值在較寬的動態(tài)范圍內(nèi)的信噪比都能達到指標規(guī)定的要求。非線性量化是利用壓縮和擴展的方法來實現(xiàn)的。不同幅值的信號經(jīng)過具有壓縮特性的放大器后對小信號的幅度有較大的放大作用，而對大信號的幅度則有壓縮作用。這樣在對經(jīng)過放大后的取樣小信號進行量化時，就使小信號的量化誤差相對減少，信噪比得到改善，如果放大作用大，則改善的程度也大；至于大信號經(jīng)壓縮、量化后，信噪比將降低，結(jié)果使話音信號在整個動態(tài)范圍內(nèi)的信噪比基本上相差不多，且都能滿足規(guī)定的

10、要求。國際上允許采用兩種折線形壓擴特性：13折線A律壓擴特性和15折線u律壓擴特性，美采用u律，我國與歐洲規(guī)定采用A律。3.編碼模擬信號經(jīng)過取樣和量化以后，在時間上和幅度取值上都變成了離散的數(shù)字信號。如果量化級數(shù)為N，則信號幅度上有N個取值，形成有N個電平值的多電平碼。但這種具有N個電平值的多電平碼信號在傳輸過程中會受到各種干擾，并會產(chǎn)生畸變和衰減，接收端難以正確識別和接收。如果信號是二進制碼，則只要接收端能識別出是“1”碼還是“0”碼即可。所以二進制碼具有抗干擾能力強的優(yōu)點，且容易產(chǎn)生，在數(shù)字通信中，一般都采用二進制碼。量化級為N時，則量化離散值共有N個。將每個離散值用一組二進制碼表示。這一

11、組二進制碼的位數(shù)為L,則有2L=N。L為碼字位數(shù)，如：23=8，將多電平碼變成二進制碼的過程稱為編碼，N為量化級數(shù)。經(jīng)過量化后，形成土128個數(shù)量級，用8位碼表示，其中第一位碼為極性碼，第二、三、四位為段落碼，最后四位為段內(nèi)碼，如圖1-4。k7k>1yv極性碼段落碼段內(nèi)碼圖1-4PCM碼字的分配五. PCM幀結(jié)構(gòu)1. PCM勺基本原理抽樣頻率為8000Hz（周期為125us）,對每一話路每抽樣一次經(jīng)過量化可以編成8位碼組，占用一個時隙。30/32路PCM系統(tǒng)中，32路復用125us。這32路時隙構(gòu)成一個“幀”。而16幀又合成一個復幀。計算幾個數(shù)據(jù)：1.1幀時長為125卩S，1時隙的時長為

12、125/32=3.9卩S，個復幀占用2ms。2.1幀的位長:8X32=256位。3.信道的速率:256位/幀X8000幀/秒=2048KBPS4.話路的速率:8位/路X8000路/秒=64KBPS一個模擬信號的帶寬最大為4K(3003000HZ).數(shù)字信號的優(yōu)點靠犧牲帶寬獲得的。2. 30/32系統(tǒng)PCM的幀結(jié)構(gòu)六. PCM高次群在數(shù)字信道中，為了擴大傳輸容量，提高傳輸效率，將若干低速碼流合并成一個高速碼流，這就是數(shù)字復接技術(shù)。目前傳輸容量已由一次群發(fā)展到二次群、三次群、四次群、五次群等。傳送信道除采用電纜、微波外，已擴展到光纜、衛(wèi)星通信等。除開通電話、電報、傳真等業(yè)務外，還可傳輸可視電話、電

13、視、高速數(shù)據(jù)等信息。各高次群都是由各低次群通過頻率搬移迭加構(gòu)成的，多路復用的示意圖如1-8：同步復接有三種方式：?按位復接。每次復接每路的一位碼。?按字復接，也稱按路復接。每次復接每路的一個字（8BIT）。?按幀復接。每次復接每路的一幀。介紹30/32系統(tǒng)各高次群的話路數(shù)和速率：三r次群*4*16四次群*五次群速率（bps）話路數(shù)一次群：2048K30二次群：4884K120三次群：34M480四次群：139M1920五次群：564M7680四、五次群多為光纖傳輸。1-8PCM咼次復接原理圖七. 定時與同步1. 定時PCM系統(tǒng)是時分多路復用的通信系統(tǒng)各話路需傳送的信號在不同的時隙內(nèi)取樣、量化、

14、編碼，送到接收端，再依次解碼，分路恢復成原信號。要求信號的處理和傳輸都在規(guī)定的時隙內(nèi)進行。為使系統(tǒng)正確工作，需一個定時系統(tǒng)，由它產(chǎn)生取樣、編碼、解碼、分路等所需的各種定時脈沖統(tǒng)一指揮。2. 同步數(shù)字通信的同步是指收、發(fā)兩端的數(shù)碼率及各種定時標志都步調(diào)一致，不僅要求頻率相同，而且要求相位一致。接收端和發(fā)送端在時間上的同步是正確接收、識別信息和分出每一路的信息碼和信令碼的保證。同步包括：比特同步：幀同步、復幀同步和網(wǎng)同步。a.比特同步比特同步也稱位同步，又稱碼元同步。它是指接收端時鐘的頻率和相位與發(fā)送端一致，或者說比特起止時間收發(fā)一致，它是正確識別和再生信號碼元的保證。兩個交換局間通信（點對點通信

15、）的比特同步是由接收端的“定時信號提取電路”來實現(xiàn)的，所以PCM的時鐘頻率由發(fā)送端時鐘決定，而接收端是被動的。b.幀同步幀同步是指接收端每幀的起止時間與發(fā)送端一致，它是收、發(fā)端每幀各對應時隙在時間上“對準”的保證，如果沒有保持這種“對準”關系，幀同步系統(tǒng)就處于失步狀態(tài)，通信將中斷。幀同步是通過幀同步時隙TS0中的幀同步碼來實現(xiàn)的。偶幀的TSo發(fā)送幀同步碼。幀同步碼占用后7位，規(guī)定為“”；第1位留給國際通信用，暫定為1。只要接收端能識別出此同步碼，就能正確辨別出幀的起止時間，從而正確分出發(fā)送端送來的各路信息。奇幀的TSo發(fā)送幀失步告警信號，其中第位碼固定為1，以便接收端區(qū)別偶幀和奇幀（偶幀失步告

16、警碼，當接收端幀同步時，向發(fā)送端傳送的1位碼留給國際通信用，暫定為1；第2TSo的第2位碼為0）;第3位A1碼為幀A1碼為0，當接收端幀失步時，向發(fā)送端傳送的A1碼就改為1，以便發(fā)送端，接收端已發(fā)生幀的，無法工作；其它5位碼可供傳送其它信息之用，目前均固定為1,這樣，奇幀TSo的8位碼為11A111111。C.復幀同步復幀同步是指接收端每復幀的起止時間和發(fā)送端一致，它是收發(fā)端各對應幀在時間上“對準”的保證，使接收端能正確分離出各路的信令碼。復幀同步是通過每一復幀中Fo幀的TS16來實現(xiàn)的。復幀F(xiàn)o幀TS16的前4位傳送復幀同步碼oooo,第6位傳送復幀失步告警碼A2,復幀同步時，A2為o，復幀

17、失步時，A2為1;第5、7、8位三位碼，可供傳送其它信息用。目前均固定為1。3. 網(wǎng)同步在由數(shù)字交換局（包括發(fā)、收和轉(zhuǎn)接數(shù)字交換機）、數(shù)字傳輸設備等組成的數(shù)字通信網(wǎng)中,要使整個通信網(wǎng)的各個交換局有效地進行交換、轉(zhuǎn)接,就必須使各交換局的時鐘頻率和相位統(tǒng)一協(xié),保持一致,這就是網(wǎng)同步。實現(xiàn)網(wǎng)同步的方式主要有3種,即準同步方式、主從同步方式和相互同步方式。a.準同步方式采用這種方式時,各交換局的時鐘各自獨立,沒有任何聯(lián)系,主要依靠各交換局時鐘的準確性，來保證兩局間滑碼率（由時鐘頻率不等及傳輸時延變化引起）不超過規(guī)定范圍，以達到同步的目的。由于晶體時鐘遠遠不能滿足準同步的要求，所以采用準同步方式時，一般

18、都要求采用高精度的銫（或銣）原子鐘，它的頻率精度為1X10-11。準同步方式的的優(yōu)點是：網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單，交換局間不需要有控制信號來校準時鐘精度，不受其它交換局時鐘障礙的影響，因而工作穩(wěn)定、可靠，網(wǎng)絡的增設和變動都很靈活。b. 主從同步方式是指在數(shù)字通信網(wǎng)中選擇一個交換局為主局，主局以外的其它各交換局作為從局。在主局內(nèi)設置一個高精度的時鐘（如采用銫原子鐘）作為基準時鐘，通過數(shù)字信道（也稱數(shù)字鏈路）傳送定時基準信息來強制各從局的晶體時鐘與主局的基準時鐘同步。這種關系還可逐級下推，使整個數(shù)字通信網(wǎng)內(nèi)所有交換局的時鐘都統(tǒng)一于主局基準時鐘的頻率，從而達到網(wǎng)同步，這種同步方式稱為簡單主從同步方式。這種方式的優(yōu)點是，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟。其缺點是可靠性差，一旦主局的基準時鐘或鏈路發(fā)生故障，則從局只好依賴其自身的時鐘，臨時形成與準同步相似的方式。但由于得不到定時基準信息，可能會導致全網(wǎng)或局部喪失網(wǎng)同步的能力。為了克服上述可靠性差的缺點，可采用等級主從同步方式。它將各交換局的時鐘分成幾個等級。在這種方式中，當主局基準時鐘發(fā)生障礙時，就由另一個局的時鐘代替。c. 相互同步所謂是指在數(shù)字通信網(wǎng)中不設主時鐘，各數(shù)字交換局不分主局、從局，各局的時鐘頻率工