通信基礎(chǔ)知識(shí)(通信原理)

1、第一部分?jǐn)?shù)字通信基本原理數(shù)字通信系統(tǒng)1. 信號(hào)信號(hào)可用來(lái)傳輸信息。信息可用語(yǔ)言、文字、圖象等表達(dá)，但在很多情況下，這些表達(dá)信息的語(yǔ)言文字不便于直接傳輸。因此在近代科學(xué)技術(shù)中，常用電信號(hào)來(lái)傳送各種信息，即利用一種變換設(shè)備把各種信息轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間作相應(yīng)變化的電流或電壓進(jìn)行傳輸。這種隨信息作相應(yīng)變化的電壓或電流就是電信號(hào)。由消息轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)可分為兩類：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是指時(shí)間和幅度都連續(xù)的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)是指時(shí)間和幅度都離散的信號(hào)。如圖1-1電壓時(shí)間a模擬信號(hào)b數(shù)字信號(hào)1-1模擬信號(hào)及數(shù)字信號(hào)的模型2. 數(shù)字系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)的方式來(lái)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(jī)、攝象機(jī)及各種數(shù)字終端設(shè)備。信源編碼的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，去除或減少冗余度，把能量集中起來(lái)縮窄占據(jù)頻帶，從而提高數(shù)字傳輸?shù)挠行?。例如進(jìn)行模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)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(hào)在傳輸中可能會(huì)發(fā)生差錯(cuò)，導(dǎo)致信息傳輸質(zhì)量下降。為了在接收端自動(dòng)檢出錯(cuò)碼或糾正錯(cuò)碼，使差錯(cuò)控制在允許范圍內(nèi)，可在信源編碼后的數(shù)字信號(hào)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(hào)，這種新的信號(hào)間的關(guān)系形成較強(qiáng)的規(guī)律性，使收端可檢查或糾正差錯(cuò)。

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(hào)，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?，即改善系統(tǒng)的誤碼性能。信道和噪聲：信道指?jìng)鬏斝盘?hào)的通道。按傳輸媒質(zhì)可分為有線信道和無(wú)線信道兩類。有線信道包括明線、同軸電纜、光纜等。無(wú)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(huì)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(gè)等效噪聲源。3. 數(shù)字通信的主要特點(diǎn)A、抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)噪聲積累因數(shù)字信號(hào)以0、1兩個(gè)數(shù)碼形式傳輸，被噪聲干擾和經(jīng)衰減后的數(shù)字信號(hào)，在沒(méi)惡化到不可正確判斷之前，可用再生的方法恢復(fù)成原來(lái)的信號(hào)。只要再生設(shè)備設(shè)定位置適當(dāng)，可認(rèn)為噪聲干擾不會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)

4、產(chǎn)生不良影響，即不會(huì)出現(xiàn)噪聲積累。因而數(shù)字傳輸適用較遠(yuǎn)距離傳輸，也能適應(yīng)性能差的信道。B、保密性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)糾錯(cuò)數(shù)字信號(hào)是模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信源編碼后形成的。它本身已具有一定的保密性，同時(shí)數(shù)字信號(hào)便于碼型轉(zhuǎn)換，進(jìn)行加密處理，還可通過(guò)信道編碼實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)，糾錯(cuò)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(wù)的數(shù)字信息，實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)信息的綜合通信。為建立綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDN提供必要條件。D、設(shè)備可集成，微型化由于設(shè)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(hù)。E、占用頻帶寬數(shù)字傳輸也有缺點(diǎn)，它與模擬信號(hào)傳輸相比，占用傳輸頻帶寬

5、，如傳輸一路數(shù)字化語(yǔ)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?yīng)用日益廣泛。二語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化要將模擬信號(hào)在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行傳遞，就必須用信源編碼器對(duì)話音信號(hào)進(jìn)行模數(shù)變換。語(yǔ)音信號(hào)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(hào)（模擬信號(hào)）數(shù)字化的過(guò)程是：取樣一一量化一一編碼。1. 取樣信號(hào)在時(shí)間上的離散化話音信號(hào)不僅在幅度取值上是連續(xù)的，而且在時(shí)間上也是連續(xù)的，參見(jiàn)圖1-1（a）。取樣就是每隔一定的時(shí)間間隔

6、（T）對(duì)在時(shí)間上連續(xù)的話音信號(hào)抽取瞬時(shí)幅值的過(guò)程，簡(jiǎn)稱取樣或抽樣。取樣后所得到的一串在時(shí)間上離散的序列信號(hào)稱為樣值序列信號(hào)，或取樣信號(hào)，參見(jiàn)圖1-3。1-3模擬信號(hào)的取樣將話音信號(hào)取樣后，所得取樣信號(hào)在信道上占用的時(shí)間被壓縮了，因而它為時(shí)分復(fù)用奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為數(shù)字化提供了條件。但取樣信號(hào)中必須含有原始話音信號(hào)的信息，并要求在接收端能將取樣信號(hào)恢復(fù)成原始話音信號(hào)。為了達(dá)到上述要求，取樣的時(shí)間間隔T（取樣周期）不能太長(zhǎng)，或者說(shuō)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(yīng)大于傳輸信號(hào)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(hào)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(hào)中大于fm（fm=3400赫）的頻率成分去掉，在取樣器要設(shè)置一個(gè)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(hào)在幅值上的離散化取樣化所得到的取樣信號(hào)雖在時(shí)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(hào)幅值中的任意幅值，或者說(shuō)可有無(wú)限多種取值，它不能用有限個(gè)數(shù)字來(lái)表示，它仍屬模擬信號(hào)。要想使它成為數(shù)字信號(hào)，還需把它的取樣值進(jìn)行離散化處理，將幅值為無(wú)限多的連續(xù)信號(hào)，變

8、換成幅值為有限數(shù)目的離散信號(hào)，這一幅值上離散化處理的過(guò)程稱為量化。量化就是“分級(jí)”的意思，量化采用類似“四舍五入”的方法，使每一個(gè)取樣值用一個(gè)相近的幅值來(lái)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(gè)小間隔叫做一個(gè)量化級(jí)。當(dāng)某一輸入的取樣值落在某一間隔內(nèi)時(shí)，就用這個(gè)間隔內(nèi)的中間值來(lái)近似地表示這個(gè)取樣值的大小，并以此值輸出。這樣大信號(hào)和小信號(hào)的絕對(duì)誤差相同，而對(duì)小信號(hào)來(lái)說(shuō)，相對(duì)誤差（噪聲）很大，也就是說(shuō)信噪比小，不能滿足語(yǔ)音信號(hào)的傳輸要求。（注：信噪比為輸出的信號(hào)功率與噪聲功率之比。信噪比越大，說(shuō)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(jí)差（間隔），小信號(hào)分級(jí)密，量化級(jí)差小；大信號(hào)分級(jí)疏，量化級(jí)差大。或者說(shuō)量化間隔隨著信號(hào)幅值的減小而縮小，使信號(hào)幅值在較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的信噪比都能達(dá)到指標(biāo)規(guī)定的要求。非線性量化是利用壓縮和擴(kuò)展的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同幅值的信號(hào)經(jīng)過(guò)具有壓縮特性的放大器后對(duì)小信號(hào)的幅度有較大的放大作用，而對(duì)大信號(hào)的幅度則有壓縮作用。這樣在對(duì)經(jīng)過(guò)放大后的取樣小信號(hào)進(jìn)行量化時(shí)，就使小信號(hào)的量化誤差相對(duì)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(hào)經(jīng)壓縮、量化后，信噪比將降低，結(jié)果使話音信號(hào)在整個(gè)動(dòng)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(guó)際上允許采用兩種折線形壓擴(kuò)特性：13折線A律壓擴(kuò)特性和15折線u律壓擴(kuò)特性，美采用u律，我國(guó)與歐洲規(guī)定采用A律。3.編碼模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)取樣和量化以后，在時(shí)間上和幅度取值上都變成了離散的數(shù)字信號(hào)。如果量化級(jí)數(shù)為N，則信號(hào)幅度上有N個(gè)取值，形成有N個(gè)電平值的多電平碼。但這種具有N個(gè)電平值的多電平碼信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受到各種干擾，并會(huì)產(chǎn)生畸變和衰減，接收端難以正確識(shí)別和接收。如果信號(hào)是二進(jìn)制碼，則只要接收端能識(shí)別出是“1”碼還是“0”碼即可。所以二進(jìn)制碼具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且容易產(chǎn)生，在數(shù)字通信中，一般都采用二進(jìn)制碼。量化級(jí)為N時(shí)，則量化離散值共有N個(gè)。將每個(gè)離散值用一組二進(jìn)制碼表示。這一

11、組二進(jìn)制碼的位數(shù)為L(zhǎng),則有2L=N。L為碼字位數(shù)，如：23=8，將多電平碼變成二進(jìn)制碼的過(guò)程稱為編碼，N為量化級(jí)數(shù)。經(jīng)過(guò)量化后，形成土128個(gè)數(shù)量級(jí)，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(duì)每一話路每抽樣一次經(jīng)過(guò)量化可以編成8位碼組，占用一個(gè)時(shí)隙。30/32路PCM系統(tǒng)中，32路復(fù)用125us。這32路時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)“幀”。而16幀又合成一個(gè)復(fù)幀。計(jì)算幾個(gè)數(shù)據(jù)：1.1幀時(shí)長(zhǎng)為125卩S，1時(shí)隙的時(shí)長(zhǎng)為

12、125/32=3.9卩S，個(gè)復(fù)幀占用2ms。2.1幀的位長(zhǎng):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(gè)模擬信號(hào)的帶寬最大為4K(3003000HZ).數(shù)字信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)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(kuò)大傳輸容量，提高傳輸效率，將若干低速碼流合并成一個(gè)高速碼流，這就是數(shù)字復(fù)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(kuò)展到光纜、衛(wèi)星通信等。除開(kāi)通電話、電報(bào)、傳真等業(yè)務(wù)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(guò)頻率搬移迭加構(gòu)成的，多路復(fù)用的示意圖如1-8：同步復(fù)接有三種方式：?按位復(fù)接。每次復(fù)接每路的一位碼。?按字復(fù)接，也稱按路復(fù)接。每次復(fù)接每路的一個(gè)字（8BIT）。?按幀復(fù)接。每次復(fù)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(fù)接原理圖七. 定時(shí)與同步1. 定時(shí)PCM系統(tǒng)是時(shí)分多路復(fù)用的通信系統(tǒng)各話路需傳送的信號(hào)在不同的時(shí)隙內(nèi)取樣、量化、

14、編碼，送到接收端，再依次解碼，分路恢復(fù)成原信號(hào)。要求信號(hào)的處理和傳輸都在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行。為使系統(tǒng)正確工作，需一個(gè)定時(shí)系統(tǒng)，由它產(chǎn)生取樣、編碼、解碼、分路等所需的各種定時(shí)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(shí)標(biāo)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(shí)間上的同步是正確接收、識(shí)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(fù)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(shí)鐘的頻率和相位與發(fā)送端一致，或者說(shuō)比特起止時(shí)間收發(fā)一致，它是正確識(shí)別和再生信號(hào)碼元的保證。兩個(gè)交換局間通信（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

15、）的比特同步是由接收端的“定時(shí)信號(hào)提取電路”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以PCM的時(shí)鐘頻率由發(fā)送端時(shí)鐘決定，而接收端是被動(dòng)的。b.幀同步幀同步是指接收端每幀的起止時(shí)間與發(fā)送端一致，它是收、發(fā)端每幀各對(duì)應(yīng)時(shí)隙在時(shí)間上“對(duì)準(zhǔn)”的保證，如果沒(méi)有保持這種“對(duì)準(zhǔn)”關(guān)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(guò)幀同步時(shí)隙TS0中的幀同步碼來(lái)實(shí)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(guó)際通信用，暫定為1。只要接收端能識(shí)別出此同步碼，就能正確辨別出幀的起止時(shí)間，從而正確分出發(fā)送端送來(lái)的各路信息。奇幀的TSo發(fā)送幀失步告警信號(hào)，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(dāng)接收端幀同步時(shí)，向發(fā)送端傳送的1位碼留給國(guó)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(dāng)接收端幀失步時(shí)，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(wú)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(fù)幀同步復(fù)幀同步是指接收端每復(fù)幀的起止時(shí)間和發(fā)送端一致，它是收發(fā)端各對(duì)應(yīng)幀在時(shí)間上“對(duì)準(zhǔn)”的保證，使接收端能正確分離出各路的信令碼。復(fù)幀同步是通過(guò)每一復(fù)幀中Fo幀的TS16來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)幀F(xiàn)o幀TS16的前4位傳送復(fù)幀同步碼oooo,第6位傳送復(fù)幀失步告警碼A2,復(fù)幀同步時(shí)，A2為o，復(fù)幀

17、失步時(shí)，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(jī)）、數(shù)字傳輸設(shè)備等組成的數(shù)字通信網(wǎng)中,要使整個(gè)通信網(wǎng)的各個(gè)交換局有效地進(jìn)行交換、轉(zhuǎn)接,就必須使各交換局的時(shí)鐘頻率和相位統(tǒng)一協(xié),保持一致,這就是網(wǎng)同步。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)同步的方式主要有3種,即準(zhǔn)同步方式、主從同步方式和相互同步方式。a.準(zhǔn)同步方式采用這種方式時(shí),各交換局的時(shí)鐘各自獨(dú)立,沒(méi)有任何聯(lián)系,主要依靠各交換局時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，來(lái)保證兩局間滑碼率（由時(shí)鐘頻率不等及傳輸時(shí)延變化引起）不超過(guò)規(guī)定范圍，以達(dá)到同步的目的。由于晶體時(shí)鐘遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足準(zhǔn)同步的要求，所以采用準(zhǔn)同步方式時(shí)，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(zhǔn)同步方式的的優(yōu)點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，交換局間不需要有控制信號(hào)來(lái)校準(zhǔn)時(shí)鐘精度，不受其它交換局時(shí)鐘障礙的影響，因而工作穩(wěn)定、可靠，網(wǎng)絡(luò)的增設(shè)和變動(dòng)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(gè)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(shè)置一個(gè)高精度的時(shí)鐘（如采用銫原子鐘）作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，通過(guò)數(shù)字信道（也稱數(shù)字鏈路）傳送定時(shí)基準(zhǔn)信息來(lái)強(qiáng)制各從局的晶體時(shí)鐘與主局的基準(zhǔn)時(shí)鐘同步。這種關(guān)系還可逐級(jí)下推，使整個(gè)數(shù)字通信網(wǎng)內(nèi)所有交換局的時(shí)鐘都統(tǒng)一于主局基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率，從而達(dá)到網(wǎng)同步，這種同步方式稱為簡(jiǎn)單主從同步方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。其缺點(diǎn)是可靠性差，一旦主局的基準(zhǔn)時(shí)鐘或鏈路發(fā)生故障，則從局只好依賴其自身的時(shí)鐘，臨時(shí)形成與準(zhǔn)同步相似的方式。但由于得不到定時(shí)基準(zhǔn)信息，可能會(huì)導(dǎo)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(diǎn)，可采用等級(jí)主從同步方式。它將各交換局的時(shí)鐘分成幾個(gè)等級(jí)。在這種方式中，當(dāng)主局基準(zhǔn)時(shí)鐘發(fā)生障礙時(shí)，就由另一個(gè)局的時(shí)鐘代替。c. 相互同步所謂是指在數(shù)字通信網(wǎng)中不設(shè)主時(shí)鐘，各數(shù)字交換局不分主局、從局，各局的時(shí)鐘頻率工