數(shù)字通信技術(shù)基礎(chǔ)知識概述

第二章 數(shù)字通信技術(shù)基礎(chǔ)參考教材第二章提綱模擬信號數(shù)字化模擬信號和數(shù)字信號數(shù)字通信的特點(diǎn)脈沖編碼技術(shù)時(shí)分復(fù)用數(shù)字復(fù)接技術(shù)模擬信號模擬信號：波形模擬著信息的變化而編號特點(diǎn)：幅度連續(xù)數(shù)字信號數(shù)字信號：幅值被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)，它不是連續(xù)的而是離散的。數(shù)字信號的特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)、無噪聲積累便于加密處理、保密性強(qiáng)便于存儲、處理、交換采用時(shí)分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路通信設(shè)備便于集成化、微型化便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號：A/D轉(zhuǎn)換經(jīng)過抽樣、量化、編碼3個(gè)處理步驟數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號：D/A轉(zhuǎn)換2022/12/17通信網(wǎng)基礎(chǔ)7提綱模擬信號數(shù)字化模擬信號和數(shù)字信號數(shù)字通信的特點(diǎn)脈沖編碼技術(shù)時(shí)分復(fù)用數(shù)字復(fù)接技術(shù)脈沖編碼調(diào)制技術(shù)脈沖編碼調(diào)制：PulseCodeModulation，簡稱PCM。對信號進(jìn)行抽樣，并對每個(gè)樣值獨(dú)立地加以量化，通過編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程。PCM包括下述三個(gè)過程：抽樣量化編碼與解碼1．抽樣（sampling）

定義：將在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)的話音信號在時(shí)間上離散化的過程實(shí)現(xiàn)：由抽樣門完成抽樣速率？由抽樣定理確定圖2-9抽樣過程圖2-10正弦波的抽抽樣抽樣定理的的作用近年來通信信系統(tǒng)向數(shù)數(shù)字化發(fā)展展，模擬－－>數(shù)字的轉(zhuǎn)換換的基礎(chǔ)：：抽樣定理理；作用：在一一定條件下下，一個(gè)連連續(xù)時(shí)間信信號完全可可以用該信信號在等時(shí)時(shí)間間隔點(diǎn)點(diǎn)上樣本來來表示，并并且可用這這些樣本值值把信號全全部恢復(fù)出來電影（24幀/秒）：感覺覺是連續(xù)活活動的景象象；印刷照片：：由很多細(xì)細(xì)小的網(wǎng)點(diǎn)點(diǎn)組成，看看起來空間間連續(xù)；抽樣定理的的提出是不是所有有時(shí)間間隔隔的理想取取樣都能反反映原連續(xù)續(xù)信號的基基本特征呢呢？抽樣的時(shí)間間間隔取多多大合適？？目標(biāo)：在保保留原連續(xù)續(xù)時(shí)間信號號的全部信息的條件下抽抽取盡可能少的數(shù)據(jù)方法：時(shí)域抽樣定定理抽樣定理一個(gè)在頻頻譜區(qū)間()以外為零的的頻帶有限信信號(帶限信號)，可以唯一一地由其均均勻時(shí)間間間隔上上的取樣樣值確確定。。當(dāng)取樣頻率率大于或等于于信號帶寬寬的兩倍時(shí)時(shí)，即時(shí)時(shí)，可以以從中中恢復(fù)原原信號。定義為為奈奎斯斯特取樣率率。抽樣定理根據(jù)抽樣定定理可知，，要無失真真地恢復(fù)原原始信號應(yīng)滿足足；（3）需通過理理想濾波器器恢復(fù)原始始信號（1）模擬信號號為帶限信信號。（2）抽樣函數(shù)數(shù)為周期函函數(shù)序列抽樣過程中中的失真實(shí)用的低通通濾波器都都有一定的過渡渡帶，因此在實(shí)際際應(yīng)用中必必須滿足，，并使使各相鄰邊邊帶間有一一定的防衛(wèi)衛(wèi)間隔即防防衛(wèi)帶如：話音信信號限制在在0.3~3.4khz頻率范圍之之內(nèi)，因此此，若只傳傳送語音的的有效成份份，必須把把0.3~3.4khz以外的頻率率成份去掉掉，否則會會產(chǎn)生折疊疊失真ITU-T（國際電信信聯(lián)盟電信信標(biāo)準(zhǔn)化部部門）建議議話音信號的的抽樣頻率率為8kHz2．量化（Quantizing）將幅度連續(xù)續(xù)變化的信信號變成離離散信號的的處理過程程稱為量化化實(shí)質(zhì)：一個(gè)個(gè)化零取整整的過程方法：樣值值的最大變變化范圍劃劃分成若干干個(gè)相鄰的的間隔。當(dāng)當(dāng)某樣值落落在某一間間隔內(nèi)，其其輸出數(shù)值值就用此間間隔內(nèi)的某某一個(gè)固定定值來表示示兩種量化方法法：均勻量化和非均勻量化把輸入信號的的取值域按等等距離分割的的量化稱為均均勻量化，，也稱線性量量化。任何一個(gè)量化化器都有一定定的量化范圍圍，通常取-u~+u。量化級數(shù)N與量化間隔Δ的關(guān)系：Δ=2u/N取量化間隔的的中間值為量量化值，量化化最大誤差為為Δ/2。均勻量化圖量化過過程及量化誤誤差量化噪聲和信信噪比量化過程一定定會產(chǎn)生誤差差。量化誤差差就是指量化前后信號號之差，通常用功率率來表示，稱稱之為量化噪聲。量化誤差一旦旦產(chǎn)生，在接接收端就無法法消除克服量化噪聲聲的方法：增加量化級數(shù)數(shù)，使量化間間隔相對于信信號幅值的大大小可以忽略略不計(jì)。均勻量化信噪噪比：信號平平均功率與量量化噪音平均均功率之比。。均勻量化的特特點(diǎn)量化器的量化噪聲隨著著量化級數(shù)M的增加而提高高，量化級數(shù)的選選取是根據(jù)量化器器的量化信噪比的要求確定的的。無論信號大小小，若量化間間隔相等，量量化的噪聲功功率不變。=>（幅度）小信號的量化化信噪比太小小，不能滿足通通信質(zhì)量要求求，大信號的的信躁大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求求。為解決小信號號的量化信噪噪比太小，需需要加大量化化級數(shù)M；M過大，大信號號的信噪比過過大，同時(shí)編編碼復(fù)雜，信信道利用率過過低。非均勻量化非均勻量化的的量化原理是是量化級間隔隔隨信號幅度度的大小自動動調(diào)整。相對對來說，在不不增大量化級級數(shù)的條件下下，非均勻量量化能使信號號在較寬的動動態(tài)范圍內(nèi)的的信噪比達(dá)到到要求。非均勻量化的的特點(diǎn)信號幅度小時(shí)時(shí)，量化幅度度小，量化誤誤差也小；信號幅度大時(shí)時(shí)，量化間隔隔大，量化誤誤差也大3．編碼和解碼碼編碼：把量化化后的信號樣樣值變換成對對應(yīng)的二進(jìn)制制碼組，又稱稱模數(shù)變換自然二進(jìn)制碼碼：簡單易行行；缺點(diǎn)：由由3變成4的時(shí)候每一位位都要變；格雷碼：相鄰鄰電平間轉(zhuǎn)換換，只有一位位發(fā)生變化；；缺點(diǎn)：每一一位碼沒有確確定大?。徽郫B二進(jìn)制碼碼：沿中心電電平上下對稱稱，適于表示示正負(fù)對稱的的雙極性碼；；解碼：在收信端將收收到的二進(jìn)制制碼序列還原原成相應(yīng)幅度度的量化值，，又稱數(shù)模變變換二進(jìn)制碼、格格雷碼、折疊疊二進(jìn)制碼量化電平自然二進(jìn)制碼格雷碼折疊二進(jìn)制碼00000000111001001010201001100130110100004100110100510111110161101011107111100111PCM信號形成過程程示意圖2022/12/12通信網(wǎng)基基礎(chǔ)28提綱模擬信號號數(shù)字化化時(shí)分復(fù)用用時(shí)分復(fù)用用的基本本概念PCM30/32路系統(tǒng)時(shí)分復(fù)用用的同步步技術(shù)數(shù)字復(fù)接接技術(shù)時(shí)分復(fù)用用的基本本概念復(fù)用：為為了提高高信道利利用率，，使多個(gè)個(gè)信號沿沿同一信信道傳輸輸而互相相步干擾擾，這種種通信方方式稱為為復(fù)用復(fù)用方式式：時(shí)分分復(fù)用、、頻分復(fù)復(fù)用、空空分復(fù)用用等時(shí)分復(fù)用用：各路路信號在在同一信信道上占占有不同時(shí)間間間隙的通信方方式時(shí)隙：每每一路所所占有的的時(shí)間間間隔量化編碼解碼信道1路2路n路n路2路1路低通濾波分配器抽樣(合路門)分路門低通重建1n221n時(shí)分多路通信模型發(fā)端收端分配器K1K2PCM30/32路系統(tǒng)的的幀結(jié)構(gòu)構(gòu)完成數(shù)字字通信全全過程，，除對各各個(gè)話路路進(jìn)行編編、解碼碼外，還還必須有有定時(shí)、、同步等等措施。。在數(shù)字字通信系系統(tǒng)中，，各種信信號（包包括加入入的定時(shí)時(shí)、同步步等信號號）都是是嚴(yán)格按按時(shí)間關(guān)關(guān)系進(jìn)行行的。在在數(shù)字通通信中把把這種嚴(yán)嚴(yán)格的時(shí)時(shí)間關(guān)系系稱為幀結(jié)構(gòu)。一個(gè)采樣樣周期（（125us）內(nèi)，每每個(gè)話路路的PCM信號按時(shí)時(shí)分復(fù)用用方式順順序出現(xiàn)現(xiàn)一次所所形成的的時(shí)分復(fù)復(fù)用信號號稱為幀幀。圖2-18PCM30/32路系統(tǒng)幀幀結(jié)構(gòu)PCM30/32幀結(jié)構(gòu)PCM30/32的幀周期期為125us，每一一幀有32時(shí)隙，每每個(gè)時(shí)隙隙為：125/32=3.9us。其中TS0是傳送幀幀同步信信號，TS16傳送信令令，其他他30路是話音音信號。。PCM30/32系統(tǒng)每個(gè)個(gè)話路語語言信號號抽樣頻頻率為：：4000×2hz，每個(gè)樣樣值經(jīng)過過量化后后編為8位碼，每個(gè)話路路的碼速速率為64kbit/s；PCM30/32D總總碼速速率為：：2.048Mbit/s，一般記記為2M，也稱一次群速速率，基群速率率。PCM30/32幀結(jié)構(gòu)復(fù)幀：每一路語語音信號號都需要要信令的的支持才才能進(jìn)行行通信，，PCM30/32系統(tǒng)有30個(gè)話路，，因此必必須傳輸輸30路信令；；一路信令令信號只只需要4bit，1個(gè)TS16可以傳送送兩路信信令，15個(gè)TS16（15幀）可以以傳送30路信令；；信令信號號每隔16幀傳送一一次，16幀稱為1復(fù)幀。同步是數(shù)數(shù)字通信信的基本本要求之之一。如如果收端端和發(fā)端端不能很很好的同同步，數(shù)數(shù)字通信信是無法法進(jìn)行的的。同步步包括位同步、、幀同步步、復(fù)幀幀同步和和網(wǎng)同步步。時(shí)分復(fù)用用的同步步技術(shù)位同步的的基本含含義是收收發(fā)兩端端的時(shí)鐘鐘頻率必必須同頻、同同相，這樣接接收端才能正確確接收和和判決發(fā)發(fā)送端送送來的每每一個(gè)碼碼元。數(shù)字通信信系統(tǒng)中中消息是是一串相相繼的信信號碼元元序列，，接收端端必須知知道每個(gè)個(gè)碼元的的出現(xiàn)時(shí)時(shí)刻，從從而對碼碼元進(jìn)行行判別。。同頻頻就是要要求發(fā)送送端發(fā)送送了多少少個(gè)碼元元，接收端必必須產(chǎn)生生同樣多多的判決脈脈沖。位同步位同步示示意圖幀同步的的作用是是實(shí)現(xiàn)語語音信號號的正確確分路。。接收端端不僅需需要正確確的區(qū)分分哪8路比特是是一組，，代表一一個(gè)抽樣樣值，而而且還要要正確區(qū)分出它它是代表表哪路話話音信號號的。常用方法法：同步碼***PCM幀通過TS0時(shí)隙傳送送同步碼碼：10011011，收端一一旦識別別出幀同同步碼10011011：便可知知隨后的的8位碼為一一個(gè)碼字字且是第第一話路路的，以以此類推推可以正正確接收收每一路路信號。。幀同步復(fù)幀同步步：實(shí)現(xiàn)信令信號號的正確確分路。發(fā)送端端在F0幀TS16時(shí)隙的前前4比特插入入特殊碼碼0000，接收端端只要識識別出這這一碼型型，判斷斷出是F0幀，以后后依次為為F1,F2…。F0幀TS16時(shí)隙第6位碼A2為復(fù)幀失失步對告告碼，A2=1表示復(fù)幀幀失步，，A2=0表示復(fù)幀幀同步。。復(fù)幀同步步網(wǎng)同步現(xiàn)代通信信系統(tǒng)往往往在多多點(diǎn)之間間實(shí)現(xiàn)互互連，從從而構(gòu)成成通信網(wǎng)網(wǎng)。為了了保證在在通信網(wǎng)網(wǎng)中各點(diǎn)點(diǎn)之間可可靠通信信，則必必須在網(wǎng)內(nèi)建立立一個(gè)統(tǒng)統(tǒng)一的時(shí)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，即實(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)同同步。2022/12/12通信網(wǎng)基基礎(chǔ)41提綱模擬信號號數(shù)字化化時(shí)分復(fù)用用時(shí)分復(fù)用用的基本本概念時(shí)分復(fù)用用的同步步技術(shù)PCM30/32路系統(tǒng)數(shù)字復(fù)接接技術(shù)數(shù)字復(fù)接接技術(shù)———定義義數(shù)字復(fù)接接技術(shù)就就是把兩兩個(gè)或兩兩個(gè)以上上分支數(shù)數(shù)字信號號按時(shí)分復(fù)用用方式匯接成為為單一的的復(fù)合數(shù)數(shù)字信號號的過程程。具體體來說，，通過數(shù)數(shù)字復(fù)接接技術(shù)把把PCM數(shù)字信號號由低次次群逐級級合成為為高次群群以適應(yīng)應(yīng)在高速速線路中中傳輸。。為什么使使用數(shù)字字復(fù)接代代替PCM復(fù)用？PCM復(fù)用瓶頸頸

在PCM30/32路系統(tǒng)中中，將30路話音信信號分別別用8kHz抽樣頻率率進(jìn)行抽抽樣，然然后對每每個(gè)抽樣樣值編8位碼，其其數(shù)碼率率為30×8×8000＝1920kbit/s，若傳送送120路話路，，其數(shù)碼碼率將達(dá)達(dá)到120××8×8000＝7680kbit/s。平均均到每個(gè)個(gè)樣值的的編碼時(shí)時(shí)間僅1μs多一點(diǎn)，，對編碼碼電路速速度及對對元器件件的精度度要求求很高，，不太容容易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)?？朔款i頸的技術(shù)術(shù)——數(shù)字復(fù)接接

把若若干個(gè)經(jīng)經(jīng)過PCM復(fù)用的信信號（如如30/32路機(jī)群系系統(tǒng)）進(jìn)進(jìn)行時(shí)分分復(fù)用以以形成更更多路數(shù)數(shù)的數(shù)字字通信，，這一過過程稱為為數(shù)字復(fù)復(fù)接。ITU－T兩類數(shù)字字速率和和復(fù)接等等級為促進(jìn)數(shù)數(shù)字通信信設(shè)備的的通用化化，ITU-T推薦了兩兩類數(shù)字字速率和和復(fù)用等等級，下下表顯示示出北美美，日本本，歐洲洲和中國國一次群群、二次次群、三三次群、、四次群群的速率率。我國一、、二、三三、四次次群（分分別稱為為E1、E2、E3、E4）的速率率常簡稱稱為2Mbit/s、8Mbit/s、32Mbit/s、140Mbit/s。北美和日日本一次次群（以以T1表示）的的速率簡簡稱為1.5Mbit/s。表2-1數(shù)字復(fù)接接系列注意：二次群的的標(biāo)準(zhǔn)速速率：8448K>2048*4，其他高次次群的復(fù)復(fù)接速率率也存在在類似問問題。多多出來的的碼元是是用來解解決幀同同步，業(yè)業(yè)務(wù)聯(lián)絡(luò)絡(luò)和控制制等。地區(qū)

二次群

三次群四次群北美

24×4=96路6.312Mbit/s96×7=672路44.736Mbit/s672×6=4032路274.176Mbit/s

日本

24×4=96路6.312Mbit/s96×5=480路32.064Mbit/s480×3=1440路97.728Mbit/s

歐洲

中國

30×4=120路8.448Mbit/s120×4=480路34.368Mbit/s480×4=1920路139.264Mbit/s定時(shí)調(diào)整復(fù)接外部時(shí)鐘恢復(fù)分接定時(shí)同步外線高次群分支3分支4分支1分支2分支3分支4復(fù)接器分接器數(shù)字復(fù)接接系統(tǒng)方方框圖分支1分支2數(shù)字復(fù)接接原理數(shù)字復(fù)接接系統(tǒng)由由數(shù)字復(fù)復(fù)接器和和數(shù)字分分接器組組成成。其中中數(shù)字復(fù)復(fù)接器由由調(diào)整、定定時(shí)、復(fù)復(fù)接三個(gè)單元元組成，，完成數(shù)數(shù)碼流的的合路。。數(shù)字分分接器由由同步、、定時(shí)、、分接和和恢復(fù)單單元組成成，在接接收端把把收到的的高次次群分離離到各分分支路中中去。供給時(shí)鐘鐘頻率使使分接器器與復(fù)接接器基準(zhǔn)準(zhǔn)時(shí)鐘保保持同步步。調(diào)整單元元的作用用是把各輸入支支路信號號的碼速速調(diào)整到到與定時(shí)時(shí)信號信信號完全全一致，由復(fù)接接單元對對各支路路復(fù)接形形成一個(gè)個(gè)合路數(shù)數(shù)碼流，，稱為高高次群。。接收端端的分接接、恢復(fù)復(fù)單元則則實(shí)現(xiàn)復(fù)復(fù)接、調(diào)調(diào)整的反反過程。。數(shù)字復(fù)接接方式按位復(fù)接接依照被復(fù)復(fù)接支路路的順序序，每次次只取一一個(gè)支路路的一位位碼進(jìn)行行復(fù)接按字復(fù)接接按字復(fù)接接是每次次復(fù)接一一個(gè)支路路的一個(gè)個(gè)碼字按幀復(fù)接接按幀復(fù)接接是每路路每次插插入一個(gè)個(gè)幀的復(fù)復(fù)接方式式同步復(fù)接接與異步步復(fù)接同步復(fù)接接：被復(fù)復(fù)接的各各輸入支支路之間間，以及及同復(fù)接接器之間間均是同同步的，，此時(shí)復(fù)復(fù)接器便便可直接接將低支支路數(shù)字字信號復(fù)復(fù)接成高高速的數(shù)數(shù)字信號號異步復(fù)接接：被復(fù)復(fù)接的各各輸入支支路之間間及與復(fù)復(fù)接器的的定時(shí)信信號之間間均是異異步的，，其頻率率變化范范圍不在在允許的的變化范范圍之內(nèi)內(nèi)，也不不滿足復(fù)復(fù)接條件件，必須須進(jìn)行碼速調(diào)調(diào)整方可進(jìn)進(jìn)行復(fù)復(fù)接。。各支路路瞬時(shí)時(shí)數(shù)碼碼率不不穩(wěn)定定產(chǎn)生生的重重疊由于各各分支支路碼碼流的的速率率可能能存在在著微微小的的差異異，所所以在在進(jìn)行行復(fù)接接后數(shù)數(shù)碼之之間就就有可可能在在某一一段發(fā)發(fā)生重重疊，，數(shù)碼碼重疊疊讓接接收端端無法法分辨辨出支支路信信號。。數(shù)碼率率不同同產(chǎn)生生的數(shù)數(shù)碼重重疊解決方方法--———正碼碼速調(diào)調(diào)整法法完成從從較低速速的數(shù)數(shù)碼率率到較較高速速數(shù)碼碼率調(diào)調(diào)整的的過程程稱為為正碼碼數(shù)調(diào)調(diào)整。正數(shù)碼碼率調(diào)調(diào)整一一般采采用緩緩沖存存儲器器低速速入高高速出出的原原則，，對每每一個(gè)個(gè)支路路分別別進(jìn)行行調(diào)整整，各各支路路碼流流分別別進(jìn)入入各自自的緩緩沖存存儲器器，各各緩沖沖存儲儲器的的讀入入碼速速率稍稍有不不同，，但讀讀出速速率保保持相相同。。本章小小結(jié)脈沖編編碼調(diào)調(diào)制PCM抽樣定定理的的內(nèi)容容均勻量量化，，非均均勻量量化同步技技術(shù)PCM30/32幀幀結(jié)構(gòu)構(gòu)復(fù)接技技術(shù)（（同步步和異異步））模擬信信號數(shù)