通信概論信號的數(shù)字化處理技術(shù)教學教材

1、2022-5-101第四章 信號(xnho)的數(shù)字化處理技術(shù)第一頁，共50頁。2022-5-102主要(zhyo)內(nèi)容n4.1 模擬信號的數(shù)字化n4.2 多路復用技術(shù)(jsh)n4.3 同步技術(shù)(jsh)第二頁，共50頁。2022-5-1034.1 模擬信號的數(shù)字化n4.1.1 A/D變換(binhun)(模擬/數(shù)字變換(binhun)n4.1.2 D/A變換(binhun)(數(shù)字/模擬變換(binhun)第三頁，共50頁。2022-5-1044.1.1 A/D變換(binhun)n模擬信號的數(shù)字化過程包括n抽樣：在時間上將模擬信號離散化；n量化：在幅度(fd)上將模擬信號離散化；n編碼：將抽

2、樣、量化后的信號轉(zhuǎn)換n 為數(shù)字編碼脈沖第四頁，共50頁。2022-5-105x(n)的二進制數(shù)nt0 xa(t)00011011000110110011100101100100110010010抽樣量化nx(n)第五頁，共50頁。2022-5-1064.1.2 D/A變換(binhun)n與A/D變換過程相反n首先(shuxin)經(jīng)過解碼過程，所收到的信息重新組成原來的樣值，最后再恢復成原來的模擬信號。t第六頁，共50頁。2022-5-1074.2 多路復用技術(shù)(jsh)n4.2.0 基本概念n4.2.1 頻分復用(f yn)n4.2.2 時分復用(f yn)n4.2.3 碼分復用(f yn)

3、n4.2.3 波分復用(f yn)第七頁，共50頁。2022-5-1084.2.0 多路復用技術(shù)(jsh)概述(1)n背景n傳輸介質(zhì)帶寬是固定的n用戶終端對介質(zhì)帶寬的需求是變化(binhu)的n兩種情況n物理介質(zhì)帶寬大于用戶需求（傳輸介質(zhì)資源浪費）n物理介質(zhì)帶寬小于用戶需求（無法正常通信）第八頁，共50頁。2022-5-1094.2.0 多路復用技術(shù)(jsh)概述(2)n問題的提出n如何高效率地利用寬帶介質(zhì)？n如何在低速(d s)物理介質(zhì)上傳輸高速信號？第九頁，共50頁。2022-5-10104.2.0 多路復用技術(shù)(jsh)概述(3)n解決方案：采用復用技術(shù)n多路復用的定義：為提高信道利用率

4、，使多個(du )信號在同一信道傳輸而不互相干擾第十頁，共50頁。2022-5-10114.2.0 多路復用技術(shù)(jsh)概述(4)n基本模型n基本過程(guchng)n復用：復用器n傳輸：n個獨立的信道n解復用：分用器MUXDEMUX1條物理鏈路，條物理鏈路，n個邏輯個邏輯(lu j)信道信道n個輸入個輸入n個輸出個輸出復用模型第十一頁，共50頁。2022-5-10124.2.0 多路復用技術(shù)(jsh)概述(5)n復用技術(shù)的特點(tdin)n提高資源利用率n對管理與控制系統(tǒng)的要求更高n多個信號之間仍可能存在干擾第十二頁，共50頁。2022-5-10134.2.1 頻分復用(f yn)FDM（

5、1）n適用情況n傳輸介質(zhì)的有效(yuxio)帶寬超出了被傳輸信號所要求的帶寬n思路n多路信號占據(jù)不同的頻帶，信號同時被運載；n將每個信號調(diào)制到不同的載波頻率上第十三頁，共50頁。2022-5-10144.2.1 頻分復用(f yn)FDM（2）n具體方法n信道的帶寬被分成若干相互不重疊的頻段（即信道），相鄰信道之間設(shè)置防護頻帶；n每路信號經(jīng)過調(diào)制后搬移到適當?shù)念l帶上；n各路調(diào)制后的信號同時被傳輸；n接收端采用(ciyng)適當?shù)膸V波器將多路信號分開；n解調(diào)，恢復原始基帶信號。第十四頁，共50頁。2022-5-1015n利用調(diào)制手段和濾波技術(shù)使多路信號以頻率分割的方式同時在同一條(y tio

6、)線路上互不干擾地傳輸User 1User 2User 3Frequency4.2.1 頻分復用(f yn)FDM（3）第十五頁，共50頁。2022-5-1016頻分復用(f yn)n利用調(diào)制手段和濾波技術(shù)使多路信號以頻率分割的方式同時在同利用調(diào)制手段和濾波技術(shù)使多路信號以頻率分割的方式同時在同一條一條(y tio)線路上互不干擾地傳輸線路上互不干擾地傳輸CH2CH1CH3原帶寬原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬移頻后帶寬MUXCH1 CH2 CH3帶寬復用信號帶寬復用信號f復用器復用器第十六頁，共50頁。2022-5-10174.2.1 頻分復用(f yn)FDM（4）n缺點：很難進行動態(tài)分

7、配頻率n適用環(huán)境：模擬鏈路環(huán)境、粗粒度的復用(f yn)（劃分上下行頻帶）n典型實例n有線電視（CATV）n無線電廣播n模擬移動通信n非對稱數(shù)字用戶線路（ADSL）第十七頁，共50頁。2022-5-10184.2.1 頻分復用(f yn)FDM（5）n舉例一：有線電視(CATV)n一路電視信號傳輸帶寬為6MHz;n多路電視信號可以在CATV電纜上被頻分復用(f yn)；n接收端采用適當?shù)膸V波器將多路信號分開第十八頁，共50頁。2022-5-1019副載波副載波(zib)f1副載波副載波(zib)f2副載波副載波(zib)fn m1(t)m2(t)mn(t)s1(t)s2(t)sn(t)發(fā)送

8、器發(fā)送器fcmb(t)s(t)FDM系統(tǒng)發(fā)送器系統(tǒng)發(fā)送器復合基帶信號復合基帶信號FDM信號信號第十九頁，共50頁。2022-5-1020解調(diào)器解調(diào)器f1解調(diào)器解調(diào)器f2解調(diào)器解調(diào)器fn m1(t)m2(t)mn(t)s1(t)s2(t)sn(t)接收器接收器mb(t)s(t)FDM系統(tǒng)系統(tǒng)(xtng)接收器接收器帶通濾波器帶通濾波器f1帶通濾波器帶通濾波器f2帶通濾波器帶通濾波器fn 復合復合(fh)基帶信號基帶信號FDM信號信號(xnho)第二十頁，共50頁。2022-5-1021舉例舉例(j l)2：ADSL接入接入DSLAMDSLAMDSLAMDSLAMSWITCHSWITCHSWITC

9、HSWITCHTELEPHONYTELEPHONYTELEPHONYTELEPHONYSPLITTERSPLITTERSWITCHSWITCHSWITCHSWITCHTELEPHONYTELEPHONYTELEPHONYTELEPHONYATMATMBeforeBeforeAfterAfterSPLITTER第二十一頁，共50頁。2022-5-1022n在家庭用戶一側(cè)，POTS分線器(POTS Splitter)用于電話和計算機信號(xnho)的合成/分離，POTS是Plain Old Telephone Service的縮寫；ADSL Modem用于計算機信號(xnho)與模擬信號(xnho

10、)之間的調(diào)制/解調(diào)。NSP(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商)一側(cè)的核心部分是DSLAM(數(shù)字用戶線接入復用設(shè)備)，它實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換機/電話交換機與多條ADSL線路之間的互連，邏輯上由多個POTS分線器和ADSL Modem組成。 第二十二頁，共50頁。2022-5-10233.2.2 時分復用n原理n利用各信號在時間上的不相互重疊達到在同一信道上傳輸多路信號；n將整個信道傳輸信息的時間劃分為若干時間片（時隙(sh x)），不同時隙(sh x)分給不同的用戶；n每路用戶在自己的時隙(sh x)內(nèi)獨占信道進行數(shù)據(jù)傳輸n第二十三頁，共50頁。2022-5-1024時分復用n時分復用技術(shù)(jsh)的特點是時隙事先規(guī)劃分

11、配好且固定不變，所以有時也叫同步時分復用 A2A1A3原始信號D2D1D3數(shù)字化信號MUX復用后的數(shù)據(jù)流復用后的數(shù)據(jù)流時隙號時隙號1231D3D2D1時間片時間片12時間片時間片2D1時隙時隙D2復用器復用器第二十四頁，共50頁。2022-5-1025時分復用n優(yōu)點是時隙分配固定，便于調(diào)節(jié)控制，適于數(shù)字信息的傳輸；缺點是當某信號源沒有數(shù)據(jù)傳輸時，它所對應(yīng)的信道會出現(xiàn)空閑，而其他繁忙的信道無法占用這個空閑的信道，因此會降低線路的利用率。需要精度較高的同步系統(tǒng)n適用環(huán)境n時分復用技術(shù)與頻分復用技術(shù)一樣，有著非常廣泛的應(yīng)用，電話就是其中最經(jīng)典的例子，此外(cwi)時分復用技術(shù)在廣電也同樣取得了廣泛地

12、應(yīng)用，如SDH，ATM，IP網(wǎng)絡(luò)通信都是利用了時分復用的技術(shù)。 第二十五頁，共50頁。2022-5-1026 時分復用n同步時分復用同步時分復用TDMn由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個時間片的固定時隙，由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個時間片的固定時隙，所以這種時分復用也稱為同步時分復用所以這種時分復用也稱為同步時分復用n用于電路交換用于電路交換n位置化信道：依據(jù)數(shù)字信號在時間軸上的位置區(qū)別位置化信道：依據(jù)數(shù)字信號在時間軸上的位置區(qū)別(qbi)各路信號各路信號nPSTN n統(tǒng)計時分復用統(tǒng)計時分復用STDMnTDM的缺點：某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用的缺點：某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該時隙，將會

13、造成帶寬浪費。該時隙，將會造成帶寬浪費。n改進：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數(shù)據(jù)放改進：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數(shù)據(jù)放入。入。n用于分組交換和用于分組交換和ATM交換交換n標志化信道：每個分組前附加標志碼，標示輸出端。各標志化信道：每個分組前附加標志碼，標示輸出端。各個分組使用不同的時隙個分組使用不同的時隙第二十六頁，共50頁。2022-5-1027ABCD待發(fā)數(shù)據(jù)待發(fā)數(shù)據(jù)t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2時間片時間片1時間片時間片2同步同步TDM帶寬浪費A1B1B2時間片時間片1時間片時間片2統(tǒng)計統(tǒng)計TDM可用帶寬C2第二十七頁，共50頁。2022-5-10

14、28 時分復用例時分復用例 時分復用的典型例子：時分復用的典型例子：PCM信號的傳輸信號的傳輸把多個話路的把多個話路的PCM話音數(shù)據(jù)用話音數(shù)據(jù)用TDM的方法裝的方法裝成幀成幀(幀中還包括了幀同步幀中還包括了幀同步(tngb)信息和信令信息和信令信息信息)每幀在一個時間片內(nèi)發(fā)送每個時隙承載每幀在一個時間片內(nèi)發(fā)送每個時隙承載一路一路PCM信號信號第二十八頁，共50頁。2022-5-1029E1-幀格式(g shi)nE1線路也可以線路也可以(ky)用于計算機通信用于計算機通信0121631幀同步幀同步信令信令30 路話音數(shù)據(jù)路話音數(shù)據(jù)(PCM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)) + 2 路控制路控制用戶話路用戶話路用戶話路

15、用戶話路第二十九頁，共50頁。2022-5-10304.2.3 碼分復用(f yn)n碼分多址接入（CDMACode Division Multiplexing Access）是與頻分復用（FDM）和時分復用（TDM）極不相同的另一類多路信號共享信道的復用技術(shù)。n頻分復用以及波分復用（WDM）的各路信號在頻域上是各自分離的，在時域上則是重疊的，因此(ync)它們是靠不同的頻率來區(qū)分各路信號的；n時分復用正好相反，各路信號在在頻域上則可能是重疊的，在時域上則是分離的且交織輪轉(zhuǎn)的，因此(ync)它靠不同的時隙來區(qū)分各路信號；n而碼分復用允許多路信號在信道的整個頻帶上同時進行傳輸，各路信號在時域上和

16、頻域上都是重疊的，那么，它是靠什么來區(qū)分各路信號的呢？第三十頁，共50頁。2022-5-1031碼分復用(f yn)nCDMA的多路同時傳輸利用編碼原理進行區(qū)分n各路信號采用經(jīng)過特殊挑選(tioxun)的不同碼型，通過對不同的碼型識別來消除各路信號間的干擾。 第三十一頁，共50頁。2022-5-1032你聽到什么你聽到什么.如果如果(rgu)你只懂中文你只懂中文?如果如果(rgu)你只懂俄語你只懂俄語?如果如果(rgu)你只懂英語你只懂英語?“碼碼”的使用可使的使用可使cdma系統(tǒng)的用戶系統(tǒng)的用戶(yngh)/信道之間保持正交信道之間保持正交;每一用戶每一用戶(yngh)數(shù)據(jù)流均有一個唯一的正

17、交擴頻碼。數(shù)據(jù)流均有一個唯一的正交擴頻碼。第三十二頁，共50頁。2022-5-1033碼分復用(f yn)n調(diào)制原理n碼分多址系統(tǒng)為每個用戶分配了各自特定的地址碼，利用公共信道來傳輸信息。CDMA系統(tǒng)的地址碼相互具有準正交性，以區(qū)別地址，而在頻率、時間和空間上都可能重疊。也就是說，每一個(y )用戶有自己的地址碼，這個地址碼用于區(qū)別每一個(y )用戶，地址碼彼此之間是互相獨立的，也就是互相不影響的，但是由于技術(shù)等種種原因，我們采用的地址碼不可能做到完全正交，即完全獨立，相互不影響，所以稱為準正交，由于有地址碼區(qū)分用戶，所以我們對頻率、時間和空間沒有限制，在這些方面他們可以重疊。n系統(tǒng)的接收端必

18、須有完全一致的本地地址碼，用來對接收的信號進行相關(guān)檢測。其他使用不同碼型的信號因為和接收機本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)第三十三頁，共50頁。2022-5-1034碼分復用(f yn)n適用環(huán)境：頻率資源(zyun)有限的環(huán)境n典型實例n WCDMA、CDMA2000、 TD-SCDMA 第三十四頁，共50頁。2022-5-1035波分復用(f yn)nWDM又叫波分復用技術(shù)是新一代的超高速的光纜技術(shù)，所謂波分復用技術(shù)，就是在單一光纖內(nèi)同步傳輸多個不同波長的光波，讓數(shù)據(jù)(shj)傳輸速度和容量獲得倍增n充分利用單模光纖的低損耗區(qū)的巨大帶寬資源，采用合波器，在發(fā)送端將不同規(guī)定波長的光載波進行合并

19、，然后傳人單模光纖。n在接收部分將再由分波器將不同波長的光載分開的復用方式，由于不同波長的載波是相互獨立的，所以雙向傳輸問題，迎刃而解。第三十五頁，共50頁。2022-5-1036WDM技術(shù)(jsh)nWDM技術(shù)是在一根光纖上承載多個波長（信道）系統(tǒng)，將一根光纖轉(zhuǎn)換為多條虛擬纖，每條虛擬纖獨立工作在不同波長上。每個信道運行速度高達2.510Gbps。nWDM技術(shù)作為(zuwi)一種系統(tǒng)概念，可以追溯到1970年初，在當時僅用兩個波長，在1300nm窗口一個波長、在1500nm窗口一個波長，利用WDM技術(shù)實現(xiàn)單纖全雙工傳輸。初期的WDM網(wǎng)絡(luò)主要致力于點對點系統(tǒng)的研究第三十六頁，共50頁。2022

20、-5-1037波分多路復用基本原理波分多路復用基本原理 波分多路復用原理示意圖波分多路復用原理示意圖第三十七頁，共50頁。2022-5-10384.4 同步(tngb)技術(shù)n4.4.1 同步技術(shù)及分類(fn li)n4.4.2 載波同步n4.4.3 位同步n4.4.4 幀同步n4.4.5 網(wǎng)同步第三十八頁，共50頁。2022-5-10394.4.1 同步(tngb)技術(shù)及分類n定義：同步是指收發(fā)雙方在時間上步調(diào)一致，故也稱為定時n同步技術(shù)(jsh)分類n載波同步n位同步n幀同步n網(wǎng)同步第三十九頁，共50頁。2022-5-10404.4.2 載波(zib)同步n定義：指在解調(diào)時，接收端需要提供(

21、tgng)一個與接收信號中的調(diào)制載波同頻同相的相干載波第四十頁，共50頁。2022-5-10414.4.3 位同步(tngb)n定義： 指在接收端的基帶信號中提取位定時信息的過程n常用方法n直接法n原理：接收端直接從接收到的碼流中提取時鐘信號，作為接收的時鐘基準n特點(tdin)：不占用額外信道資源第四十一頁，共50頁。2022-5-10424.4.4 幀同步(tngb)n定義： 指在位同步基礎(chǔ)上，接收設(shè)備的幀定時與接收到的信號中的幀定時處于同步狀態(tài)n常用方法n連貫式插入法n又稱集中插入法。它是指在每一信息幀的開頭集中插入作為幀同步碼組的特殊碼組，該碼組應(yīng)在信息碼中很少出現(xiàn)，即使偶爾(u r)

22、出現(xiàn)，也不可能依照幀的規(guī)律周期出現(xiàn)。 A律PCM基群采用集中插入法。n間隔式插入法n間隔式插入法是將n比特幀同步碼分散地插入到n幀內(nèi)，每幀插入1比持，律PCM基群及增量調(diào)制（M）系統(tǒng)采用分散插入式同步。 第四十二頁，共50頁。2022-5-10434.4.5 網(wǎng)同步(tngb)n定義： 指通信網(wǎng)絡(luò)中各個(gg)單元使用共同的基準時鐘頻率，實現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的時鐘同步n為保證通信網(wǎng)中的所有工作設(shè)備協(xié)調(diào)一致的工作，必須由統(tǒng)一的工作時鐘來控制。同步網(wǎng)根據(jù)通信網(wǎng)設(shè)備工作的需要，提供準確統(tǒng)一的時鐘參考信號，保證通信網(wǎng)同步工作。第四十三頁，共50頁。2022-5-1044n滑動損傷n 在數(shù)字網(wǎng)中傳遞的是對

23、信息進行編碼后得到的離散脈沖信號，如果任何兩個(lin )數(shù)字（交換）設(shè)備之間的時鐘頻率或相位不一致，或者是由于數(shù)字比特流在傳輸中經(jīng)受的相位漂移和抖動的影響，就會在系統(tǒng)的緩沖存儲器中產(chǎn)生上溢或下溢，從而導致在傳輸?shù)谋忍亓髦谐霈F(xiàn)誤碼，通常稱為滑動損傷。第四十四頁，共50頁。2022-5-1045n同步網(wǎng)分類n準同步網(wǎng): 由具有相同標稱頻率的不同基準時鐘相互比對的同步網(wǎng)稱為準同步網(wǎng)n同步網(wǎng): 由單一基準時鐘控制的同步網(wǎng)稱為全同步網(wǎng)。n主從控制法:設(shè)置一個高穩(wěn)定的主時鐘,其他各網(wǎng)元的時鐘頻率和相位(xingwi)同步于主時鐘的頻率和相位(xingwi)n互控制法:各網(wǎng)元設(shè)有獨立的時鐘.第四十五頁，共

24、50頁。2022-5-1046n同步網(wǎng)的基本功能是應(yīng)能準確地將同步信息從基準時鐘(shzhng)向同步網(wǎng)內(nèi)的各下級或同級節(jié)點傳遞，通過主從同步方式使各從節(jié)點的時鐘(shzhng)與基準時鐘(shzhng)同步n國內(nèi)同步網(wǎng)的同步方式主要有三種類：n全同步網(wǎng)n準同步網(wǎng)n混合網(wǎng)第四十六頁，共50頁。2022-5-1047n同步網(wǎng)的等級結(jié)構(gòu)n同步網(wǎng)由各節(jié)點時鐘和傳遞同步信息的同步鏈路構(gòu)成。同步網(wǎng)的功能是準確地將同步信息從基準時鐘傳給同步網(wǎng)的各節(jié)點，從而調(diào)節(jié)網(wǎng)中各時鐘以建立并保持信號同步，滿足通信網(wǎng)傳遞業(yè)務(wù)信息所需的傳輸性能要求。n在采用等級主從方式的同步網(wǎng)中，應(yīng)當根據(jù)網(wǎng)中時鐘所處(su ch)的地位并按照時鐘的性能來劃分同步等級。第四十七頁，共50頁。2022-5-1048n第一級是基準時鐘，由三個銫原子鐘組成，是數(shù)字網(wǎng)中精度最高的時鐘，也是其它全部時鐘唯一(wi y)的基準n第二級是有保持功能的高穩(wěn)定