現(xiàn)代通信系統(tǒng)課件：數(shù)字通信系統(tǒng)概述

數(shù)字通信系統(tǒng)概述4.1

數(shù)字通信系統(tǒng)模型4.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

通信就是信息的傳遞。用以完成信息傳遞整個過程的通信系統(tǒng)是由一整套技術(shù)設(shè)備和傳輸媒質(zhì)所構(gòu)成的總體。就信號的傳遞方式，通信系統(tǒng)可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)，我們這里主要講數(shù)字通信系統(tǒng)。完成數(shù)字信號產(chǎn)生、變換、傳遞及接收全過程的系統(tǒng)稱之為數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)的模型可用圖4.1來描述。圖4.1數(shù)字通信系統(tǒng)信息源是信息或信息序列的產(chǎn)生源。它泛指一切發(fā)信者，可以是人也可以是機(jī)器。他（它）們可以產(chǎn)生諸如聲音、數(shù)據(jù)、文字、圖像、代碼等電信號。

信源編碼的主要功能是把人的話音以及機(jī)器產(chǎn)生的如文字、圖表及圖像等模擬信號變換成數(shù)字信號，即所謂的模／數(shù)（A/D)變換。信源和信源編碼可設(shè)在同一物理體內(nèi)，也可以分設(shè)。如現(xiàn)在的一般電話用戶輸出話音模擬信號（300～3400Hz），通過用戶線送到數(shù)字程控交換局，通過話路模塊（PCM單路編譯碼器）變換成64kb/s的數(shù)字信號，再進(jìn)行時隙交換。信道編碼：在完成多路數(shù)字信號復(fù)接為寬帶數(shù)字信號之后。把此寬帶數(shù)字信號送到傳輸?shù)男诺乐腥?。根?jù)各種傳輸信道的特性及對傳輸數(shù)字信號的要求（如有一定糾錯能力、減少誤碼、從信碼中提取時鐘等），將信號變換成所需的傳輸碼型的過程稱之為信道編碼。如PCM基帶傳輸碼型HDB3碼，光纖傳輸碼型NRZ碼、5B6B碼、4B1H碼等。數(shù)字調(diào)制：根據(jù)信道媒質(zhì)特性，編碼后的數(shù)字信號還要經(jīng)調(diào)制后再送入信道中，如光纖信道中的光調(diào)制。在無線傳輸中，根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字速率、邊帶利用率、功率利用率及誤碼率、設(shè)備的復(fù)雜程度等，可采用數(shù)字頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、幅移鍵控（ASK）及組合變換等各種數(shù)字調(diào)制方式。

信道：指傳輸信號的通道。根據(jù)信號特性．信道可分為模擬信道和數(shù)字信道；根據(jù)傳輸媒質(zhì)的不同，可分為有線信道（明線、電纜、光纖信道等）和無線信道（短波電離層、散射、信道、微波視距信道燈）。以上信道中明線和電纜可用來傳輸速率低的數(shù)字基帶信號，其他信道均要進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。數(shù)字信號只經(jīng)信道編碼而不經(jīng)調(diào)制就可直接送到明線或電纜中去傳輸。我們把不經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號，把數(shù)字基帶信號直接送到信道中傳輸?shù)臄?shù)字通信方式稱為基帶傳輸方式。經(jīng)調(diào)制后的數(shù)字信號稱為數(shù)字頻帶信號，把調(diào)制后的數(shù)字頻帶信號送到信道中傳輸稱為數(shù)字頻帶傳輸。根據(jù)現(xiàn)在接入網(wǎng)的定義，用戶與交換機(jī)之間的所有機(jī)線設(shè)備稱之為用戶接入網(wǎng)。把信源（信源編碼）與信道編碼（交換節(jié)點(diǎn)）之間的傳輸稱為接入信道。接入信道也可分為有線和無線兩類信道。這里講的信道，主要是指長途或市話中繼傳輸?shù)臄?shù)字信號通道。在信號長途傳輸時，到達(dá)收端的信號總是不理想的，因為信道本身有頻率響應(yīng)特性及衰減，信號在傳輸時會受到信道的干擾和噪聲的影響。人們長期以來在研究、探討并采取各種措施使其衰減、干擾及噪聲降到最低限度。其中，一是采用數(shù)字信號傳輸一一數(shù)字通信，它具有抗干擾性強(qiáng)、噪聲不積累等優(yōu)點(diǎn)；二是研究特性優(yōu)良的傳輸信道，采用傳輸頻帶寬、衰減小、抗干擾性強(qiáng)的信道。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用光纖信道以及遠(yuǎn)程自由空間恒參信道（衛(wèi)星通信信道）等來改善信道質(zhì)量。數(shù)字解調(diào)，即完成從數(shù)字頻帶信號中恢復(fù)出原來的寬帶數(shù)字信號，再經(jīng)信道解碼和碼型反變換后分離成數(shù)字基帶信號的過程；也可以是經(jīng)信源解碼，即D/A變換，還原為原始模擬用戶信號或分路數(shù)字信號的過程。數(shù)字解調(diào)的收端技術(shù)與設(shè)備是相應(yīng)發(fā)端技術(shù)與設(shè)備的逆變換。4.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳輸速率(1)信息傳輸速率信息傳輸速率，是指在單位時間（每秒）傳送的信息量。信息量是消息多少的一種度量，消息的不確定程度愈大，則信息量愈大。信息傳輸速率的單位有b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。(2)碼元（符號）傳輸速率碼元傳輸速率即信號傳輸速率。它是指單位時間（每秒）所傳輸?shù)拇a元數(shù)目，其單位稱為波特。這里的碼元一般指多進(jìn)制，如二進(jìn)制、四進(jìn)制等，它和信息速率是有區(qū)別的，碼元速率可折合為信息速率進(jìn)行計算。其轉(zhuǎn)換公式為

fB=N1bM

(4.1.1)式中：fB為信息傳輸速率（二進(jìn)制傳輸速率）;N為波特數(shù)（消息速率）;1b=log2，1b是log2的符號表示；M為符號進(jìn)制數(shù)（碼元進(jìn)制數(shù)）。誤碼(1)誤碼概念在數(shù)字通信中用的是脈沖信號，即用“1”和“0”攜帶信息。由于噪聲、串音及碼間干擾或其他突發(fā)因素的影響，當(dāng)干擾幅度超過脈沖信號再生判決的某一門限值時，將會造成誤判成為誤碼，如圖4.2所示。誤碼用誤碼率來表征，定義為：數(shù)字通信系統(tǒng)中在一定統(tǒng)計時間內(nèi)，數(shù)字信號在傳輸過程中產(chǎn)生錯誤的碼元數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比，用符號Pe表示。圖4.2噪聲疊加在數(shù)字信號上的波形

Pe=lim(4-1)（2）誤碼積累在實(shí)際的數(shù)字通信系統(tǒng)中，含有多個再生中繼段，上面講的誤判產(chǎn)生的誤碼率是指在一個中繼段內(nèi)產(chǎn)生的，當(dāng)它繼續(xù)傳到下一個中繼段，也有可能再產(chǎn)生誤判，但這種誤判把原來誤碼糾正過來的可能性極少。因此，一個傳輸系統(tǒng)的誤碼率應(yīng)與每個再生中繼段的誤碼率相關(guān)，即具有累積特性。如一個傳輸系統(tǒng)有m個再生中繼段，則總誤碼率為式中：Peb為總誤碼率；1為再生中繼段序號；Pe1為第1個再生中繼段的誤碼率。(4-2)當(dāng)每個再生中繼段的誤碼率相同，即都為PB時，則171個再生中繼段的誤碼率為(4-3)3.抖動（1）抖動概念所謂抖動，是指在噪聲因素的影響下，數(shù)字信號的有效瞬間相對于應(yīng)生成理想時間位置的短時偏離。一般把抖動稱為相位抖動或定時抖動。它是數(shù)字通信系統(tǒng)中數(shù)字信號傳輸?shù)囊环N不穩(wěn)定現(xiàn)象，也即數(shù)字信號在傳輸過程中，造成的脈沖信號在時間間隔上不再是等間隔的，而是隨時間變化的一種“脈沖抖動”現(xiàn)象。如圖4.3所示。圖4.3脈沖抖動的意義（2）抖動容限動容限一般是用峰二峰抖動JP-p來描述的。它是指某個特定的抖動比特的時間位置相對于該比特抖動時的時間位置的最大部分偏離。設(shè)數(shù)字脈沖一比特寬度為T，偏離位置用表示。則抖動容限為（T）×100%（UI）。如果產(chǎn)生一比特的偏離，即為1UI（100%UI）。抖動對各類業(yè)務(wù)的影響不同，例如在傳輸話音和數(shù)據(jù)信號時，系統(tǒng)的抖動容限一般小于等于4%UI。由于人眼對相位變化的敏感性，對用數(shù)字系統(tǒng)傳輸?shù)牟噬娨曅盘枺湎到y(tǒng)抖動的容限一般小于等于0.2%UI或者要求更嚴(yán)。抖動容限隨數(shù)字信號傳輸?shù)谋忍厮俾矢叩图皩Σ煌臄?shù)字系統(tǒng)要求而有區(qū)別。4.2

數(shù)字復(fù)接技術(shù)4.2.1數(shù)字多路通信原理

1.數(shù)字多路通信的理論基礎(chǔ)

數(shù)字多路通信也叫做時分多路通信。所謂時分多路通信，是利用多路信號（數(shù)字信號）在信道上占有不同的時間間隙來進(jìn)行通信的。圖4.4脈沖信號的正交2.數(shù)字多路通信模型如第2章PCM脈沖編碼技術(shù)所述，由抽樣定理把每路話音信號按8000次／s抽樣，對每個樣值編8位碼，那么第一個樣值到第二個樣值出現(xiàn)的時間，即1/8000s=125μs稱為抽樣周期T=l25μs。在這個T時間內(nèi)可間插許多路信號直至n路，這就是時間的可分性（離散性），就能實(shí)現(xiàn)許多路信號在T時間內(nèi)的傳輸。其多路通信模型如圖4.5所示。圖4.5時分多路復(fù)用示意圖采用單片PCM編／解碼器把每路話音信號經(jīng)抽樣編碼變?yōu)閿?shù)字信號，利用時間間隙合路后送到收端，經(jīng)分路解碼后還原為每個話路信號。要注意的是，為了保證發(fā)、收兩端正常通信，兩端的旋轉(zhuǎn)開關(guān)S1、S2的起始位置和旋轉(zhuǎn)速度要完全相同。收發(fā)端旋轉(zhuǎn)開關(guān)S1連接第一路時，收端旋轉(zhuǎn)開關(guān)S，也必須連接第一路；否則，收端收不到本路信號。這就是所謂的數(shù)字通信中的同步問題。

在圖4.5中所示的旋轉(zhuǎn)開關(guān)（S1、S2）旋轉(zhuǎn)一圈即為一個周期，對PCM單路編／解碼技術(shù)而言，這個周期為取樣周期T=l25μs，即某一路樣值數(shù)字信號（編出的8位碼）到此路第二個樣值數(shù)字信號再出現(xiàn)的時間。同理．收端也必須是T=125μS，即同頻（時鐘信號→樣）而且必須同相，也即發(fā)端第一路樣值數(shù)字信號要對應(yīng)收端此路樣值的數(shù)字信號。4.2.2數(shù)字信號復(fù)接技術(shù)數(shù)字復(fù)接，就是利用時間的可分性，采用時隙疊加的方法把多路低速的數(shù)字碼流（支路碼流），如圖4.6(a）所示，在同一時隙內(nèi)合并成為高速數(shù)字碼流的過程。數(shù)字復(fù)接主要有：按位復(fù)接、按宇復(fù)接、按幀復(fù)接等各種方式。按一個碼位時隙寬度進(jìn)行時隙疊加稱為按位復(fù)接，如圖4.6（b）所示。在一個時隙中疊加了四個碼位，其每位碼寬度減小到原來的1/4，其碼率提高了四倍。圖4.6(C）所示為按字復(fù)接，一般一個碼字在PCM中即為一個抽樣值所編的8位碼，因此一個碼字通常稱為8位碼。在一個碼字寬度里將四個碼字疊加在一起，其每個碼字時間寬度減小到原來的1/4，碼率提高了四倍。圖4.6撥位復(fù)接和按字復(fù)接示意圖4.3

數(shù)字傳輸信號幀結(jié)構(gòu)數(shù)字信號在傳輸中都是無窮無盡的碼流，這些碼流究竟如何區(qū)別呢？在數(shù)字信號（支路信號）復(fù)接（合路）為高速數(shù)字碼流時，在接收端如何辨認(rèn)各支路信號的碼元呢？這就是數(shù)字通信傳輸中必須要按規(guī)定的單元結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸。幀結(jié)構(gòu)一般都采用由世界電信組織建議的統(tǒng)一格式，為保證數(shù)字通信系統(tǒng)正常工作，在一幀的信號中應(yīng)有以下基本信號：(1）幀同步信號（幀定位信號）及同步對告信號；(2）信息信號；(3）其他特殊信號（地址、信令、糾錯等信號）；(4）勤務(wù)信號。這些信號中幀同步信號是最為重要的信號。如信號不同步則通信無法進(jìn)行。幀同步信號是由一定長度的，滿足一定要求的特殊碼型構(gòu)成的碼組，可分散或集中地插入碼流中。如系統(tǒng)失步則安排有失步對告信號。信息信號是通信中傳輸?shù)闹饕獌?nèi)容．它在幀內(nèi)占的比例標(biāo)志著信道的利用率，所以總是希望此信號在幀中占有較高比例。特殊信號是指信令信號、糾錯信號、加密信號、管理信號和調(diào)整指令比特等其他特殊用途的信號。勤務(wù)信號包括了監(jiān)測、告警、控制及工作人員勤務(wù)聯(lián)系信號等。根據(jù)原CCITT建議，我國數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸主要有以下幾種幀結(jié)構(gòu)。4.3.1PCM30/32路基群幀結(jié)構(gòu)CCITTG7.32協(xié)議中指出了兩種最基本的數(shù)字基群系列：一種是PCM30/32路系統(tǒng)一次群（我國及歐洲采用），一種是PCM24路系統(tǒng)一次群（日本、美國等采用）。這里主要講述我國采用的PCM30/32路系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)。

CCITTG7.32協(xié)議PCM30/32路系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖4.7所示。從圖中看出，一幀的時間為一周期T，即為PCM單路信號抽樣周期125μs，每幀由32個路時隙TS0～TS31組成（每個時隙有8位碼，a1a2a3…a8即一個碼字），話路占30個時隙，同步和信令各占一個時隙，所以稱之為基群30/32路系統(tǒng)（30表示一幀的話路數(shù)，32表示一幀的時隙數(shù)）。圖4.7PCM30/32制式幀結(jié)構(gòu)時隙信號作如下安排：1)30個話路時隙：TS1～TS15,TS17～TS31TS1～TS15分別傳送CH1～CH15路的話音數(shù)字信號，TS11～TS31分別傳送CH16～CH31路的話音數(shù)字信號。每路即一個樣值的8位碼（一個碼字）。2）幀同步間隙TS0偶幀TS1發(fā)送幀同步碼0011011；奇幀TS0傳送幀失步告警碼。具體安排為：偶幀TS“8位碼中的第一位碼a1用來作幀校核碼,后7位安排為同步碼{0011011｝。奇幀TS0時隙的8位碼中的第一位碼a1留給國際用，通常不用時為1；第二位碼a2固定為1作監(jiān)視碼用；第三位碼a3用A1表示，即幀失步時間向?qū)Χ税l(fā)送的告警碼。當(dāng)幀同步時A1為”0”碼，當(dāng)幀失步時A1為“l(fā)”碼，以便告訴發(fā)端，收端已經(jīng)出現(xiàn)幀失步，無法正常工作。奇幀余下的五位碼（a4～a8）保留給國內(nèi)用，可供安排傳送其他信息，未使用時可都暫固定為“1”碼。這樣奇幀TS0，時隙的碼字為{1111111｝。3）信令復(fù)幀時隙：TS16一個信令復(fù)幀共有16幀（Fo～F15）。其中，F(xiàn)o幀的TS16時隙傳送復(fù)幀同步碼與復(fù)幀失步告警碼。F1～F15幀的TS16時隙分別傳送30個話路的信令碼，如果多個基群的信令共用一個信令通道，則稱為共路信令（No.7信令）。當(dāng)采用公共信道信令時，此時隙要重新設(shè)計。為保證數(shù)字信號戰(zhàn)幀結(jié)構(gòu)安排位置進(jìn)行傳輸，各位碼的固定時間關(guān)系必須由定時系統(tǒng)來保證。其時間關(guān)系如下：每一路時隙

為

碼字位數(shù)L=8，故每一位時隙

為因此，現(xiàn)在一般稱這種幀結(jié)構(gòu)的速率接口為2Mb/s的速率接口。幀結(jié)構(gòu)中必須有話路時隙脈沖、幀同步時隙脈沖以及信令復(fù)幀脈沖等信號，這些信號可由時鐘脈沖分頻獲得。PCM基群30/32路系統(tǒng)方框圖，即2M接口結(jié)構(gòu)方框圖如圖4.8所示。圖4.8PCM30/32路系統(tǒng)方框圖4.3.2準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接（PDH）系列幀結(jié)構(gòu)（以PCM30/32路為基礎(chǔ)）1、準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接（PDH）系列根據(jù)不同需要和不同傳輸介質(zhì)的傳輸能力，要有不同的話路數(shù)和不同的速率復(fù)接形成一個系列，由低向高逐級進(jìn)行復(fù)接，這就是數(shù)字復(fù)接系列。倘若被復(fù)接的幾個支路（低等級支路信號）是在同一高穩(wěn)定的時鐘控制下，它們的數(shù)碼率是嚴(yán)格相等的．即各支路的碼位是向步的。這時，可以將各支路碼元直接在時間壓縮、移相后進(jìn)行復(fù)接，這樣的復(fù)接稱為同步復(fù)接。4.3.3節(jié)講述的SDH就是這種復(fù)接方式。倘若被復(fù)接的支路不是在同一時鐘控制下，各支路有自己的時鐘，它們的數(shù)碼率由于各自的時鐘偏差不同而不嚴(yán)格相等，即各支路碼位是不同步的。在這種情況下．在復(fù)接之前必須調(diào)整各支路碼速，使之達(dá)到嚴(yán)格相等，這樣的復(fù)接稱為異步復(fù)接，也稱為準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接CPDH系列），而且它們是按位復(fù)接（逐位碼進(jìn)行疊加)的。國際上主要有兩大系列的準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接系列CPDH系列）。經(jīng)CCITT推薦，兩大系列有PCM基群24路系列和PCM基群30/32路系列。作為第一級速率接口通常稱為1.5M和2M接口速率。兩類速旦在復(fù)接系列如表4.1所示。表4.1兩類速率復(fù)接系列比較表

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)復(fù)接系列二次群幀結(jié)構(gòu)由于參加復(fù)接的各低次群（支路）采用各自的時鐘，雖然其標(biāo)稱速率相同(2.048Mb/s），但由于時鐘允詳偏差±50ppm(即±100b／s)，而各支路偏差不相同，因此各支路的瞬時數(shù)碼率會不相同。另外，在復(fù)接成高次群時還要有同步插入比特、對告信號比特等，因此在復(fù)接時首先要進(jìn)行碼率調(diào)整，使各支路碼率嚴(yán)格相等（同步）后才能進(jìn)行復(fù)接（匯接或稱合成）。其方法如圖4.9所示。圖4.9數(shù)字復(fù)接示意圖在每支路復(fù)接時碼率究竟如何調(diào)整呢？CCITT推薦的速率系列PDH二次群速率為8.448Mb/s。CCITTG.742推薦的正碼速調(diào)整（增加碼位）準(zhǔn)同步復(fù)接系列PDH二次群的幀結(jié)構(gòu)中各支路的比特安排如圖4.l0(a）所示，它的復(fù)接幀如圖4.l0(b）所示，幀長為848比特，幀周期為100.38μs。如上節(jié)所述，各支路復(fù)接時速率調(diào)整一樣，則每支路子幀即為212比特。由各低次群2048kb/s復(fù)接為8448kb／s，則各支路要調(diào)整為2112kb/s，每秒內(nèi)各支路（低次群）插入64kb／s的碼位。按幀結(jié)構(gòu)安排，在每支路（子幀）為212比特中要插入同步碼、監(jiān)測、告警及速率調(diào)整等碼位。因此，在復(fù)接前的各支路于幀的碼位安排如4.10（a）所示。把各支路子幀212比特分為4組，每組為53比特，每支路（子幀）所含非信息、比特，包括安排在各支路的幀同步碼、告警、備用碼位Fij（其中i為支路編號，j為F的碼位編號。如安排在第一支路第一組前3位為F11F12F13,4個支路共計12位。用于碼率調(diào)整的塞入標(biāo)志Cij（其中i為支路編號，j為C的碼位編號，安排在各支路的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組的第一組，如C11C12C13分別安排在第一支路第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組的第一位），塞入脈沖Vi,i為支路數(shù)安排在每支路的第Ⅳ組的第二位，該位在需要提高支路碼率時為塞入脈沖，這時C11C12C13為｛111}；在不需要提高支路碼率時仍為信息碼，相應(yīng)的C11C12C13為｛000｝。圖4.10異步復(fù)接二次群幀結(jié)構(gòu)（a）基群支路插入碼及信息碼分配（b）復(fù)接幀結(jié)構(gòu)從幀結(jié)構(gòu)圖中知，四個支路子幀按位復(fù)接如圖4.I0(b）所示，F(xiàn)11F21F31F41…F33F43共12比特。前10比特為幀同步碼，碼型為1111010000；后兩位F33F43作為對端告警和備用。C11～C41,C12～C42,C13～C43是各基群支路的插標(biāo)志；V1V2V3V4為插入碼脈沖位。每個支路的信息碼位為205或206（未插入時），一幀中共有信息碼位為820～824位。PDH接口速率、碼型如表4.2所示。群路等級一次群（基群）二次群三次群四次群接口速率（kb/s）20488448343681392461接口碼型HDB3HDB3HDB3CMI表4.2PDH接口速率碼型表4.3.3同步數(shù)字復(fù)接（SDH）系列幀結(jié)構(gòu)1.同步數(shù)字復(fù)接系列SDH隨著人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鲗νㄐ诺囊笤絹碓礁撸虼送ㄐ湃萘吭絹碓酱?，業(yè)務(wù)種類越來越多，傳輸?shù)男盘枎捲絹碓綄?，?shù)字信號傳輸速率越來越高。這樣便會使PDH復(fù)接的層次越來越多，而在更高速率上的異步復(fù)接分接需要采用大量的高速電路，這會使設(shè)備的成本、體積和功耗加大，而且使傳輸?shù)男阅軔夯榱送瓿筛咚俾?、更多路?shù)數(shù)字信號的復(fù)接，國際CCITT（后改為ITU-T）提出G.707協(xié)議，規(guī)范了國際上統(tǒng)一的同步數(shù)字復(fù)接系列SDH。根據(jù)數(shù)字信號傳輸?shù)囊?，SDH是有統(tǒng)一規(guī)范的速率，它以同步傳輸模塊CSTM）形式傳輸。

以基本模塊155.520Mb/s速率的同步傳輸棋塊為第一級，即STM-1。更高的同步數(shù)字系列信號為STM-4(622.080Mb／川、STM-16(2488.320Mb/s）以及STM-64(9953.280Mb／叫，即是用STM一1信號以4倍的字節(jié)（一字節(jié)8位碼）間插同步復(fù)接而成為STM-N(N=l,4,16,64,256，…），這樣大大簡化了PDH系列的復(fù)接和分接，使SDH更適合于高速大容量的光纖通信系統(tǒng)，便于通信系統(tǒng)的擴(kuò)容和升級換代。2.SDH同步數(shù)字復(fù)接系列幀結(jié)構(gòu)按世界ITU-T1995年G.707協(xié)議規(guī)范，SDH的數(shù)字信號傳送幀結(jié)構(gòu)安排盡可能地使支路信號在一幀內(nèi)均勻地、有規(guī)律地分布，以便于實(shí)現(xiàn)支路的同步復(fù)接、交叉連接、接入／分出（上／下——Add/Drop），并能同樣方便地直接接入／分出PDH系列信號。為此，ITU-T采納了以字節(jié)（Byte）作為基礎(chǔ)的矩形塊狀幀結(jié)構(gòu)（或稱頁面塊狀幀結(jié)構(gòu)），如圖4.11所示。圖4.11SDH幀結(jié)構(gòu)STM-N的幀是由9（行），270×N（列)，×8字節(jié)組成的碼塊，對于任何等級，其幀長（幀周期）均為125.S。從圖中可以看出，其每幀比特數(shù)為9×270×N×8=19440×N比特以STM-1為例．幀結(jié)構(gòu)每幀容量為9×270×1=2430個字節(jié)；每幀比特數(shù)為9×270×8=19440比特；幀周期為125ρ；幀速率為1/125ρ＝8000/s。因而STMl傳送碼率為19440×8000=155.520×106b/s。這種頁面式幀結(jié)構(gòu)好像書頁一樣，STMl只有一頁，STM-4有4頁，…，STM1由于只有一頁，所以它的發(fā)送順序就像讀書一樣從左向右由上而下傳送．每秒傳8000幀(8000頁）。STM-4的傳送方式與STM-1有區(qū)別。因為STM-4的每幀由4個頁面組成，其傳送方式依次為第一頁的第一個字，第二頁的第一個字．第三頁的第一個字，第四頁的第一個字；再傳送第一頁的第二個字，第二頁的第二個字……從左到右由上而下傳完一遍就傳送完一幀，每秒傳8000幀（32000頁），速率比STM-1高4倍，這種傳送方式稱為字節(jié)間插同步復(fù)接。幀結(jié)構(gòu)分為三個區(qū)域：信息凈負(fù)荷（Paylead）區(qū)域、段開銷（SOH）區(qū)域和管理單元指針(AU-PTR）區(qū)域。

1）信息凈負(fù)荷區(qū)域信息凈負(fù)荷區(qū)域是幀結(jié)構(gòu)中存放各種信息負(fù)載的地方。因4.11中橫向（2709）×N,縱向第一行到第9行的2349×N個字節(jié)都屬此區(qū)域。對于STMl而言，它的容量大約為150.336Mb/s。其中，含有少量的通道開銷（POH）字節(jié)，用于監(jiān)視、管理和控制通道性能，其余荷載業(yè)務(wù)信息。2）段開銷區(qū)域段開銷（SectionOverHead）是STM幀結(jié)構(gòu)中為了保證信息凈負(fù)荷正常、靈活傳送所必須的附加字節(jié)，是供網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理和維護(hù)使用的字節(jié)。幀結(jié)構(gòu)的左邊9×N列8行（除去第4行）分配給段開銷。對于STM-1而言，它有8×9=72個字節(jié)，即72×8=576比特。由于每秒傳送8000幀，因此共有4.608Mb/s的容量用于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、管理和維護(hù)(OAM）。3）管理單元指針區(qū)域管理單元指針用來指示信息凈負(fù)荷的第一個字節(jié)在STM幀中的準(zhǔn)確位置。以便在接收端能正確地分接信息凈負(fù)荷信號。在幀結(jié)構(gòu)中第4行左邊的9×N列分配給指針用。對于STM-1而言，它有9個字節(jié)（72比特），采用指針方式可以使SDH在準(zhǔn)同步環(huán)境中完成復(fù)用同步和STM-N信號的幀定位。這一方法消除了常規(guī)準(zhǔn)同步系統(tǒng)中滑動緩沖器引起的時延和性能損傷。關(guān)于SDH系統(tǒng)將在后面進(jìn)行具體分析。4.3.4交換以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)1.交換以太網(wǎng)技術(shù)交換以太網(wǎng)技術(shù)（SWITCH）是在多端口網(wǎng)橋的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。實(shí)現(xiàn)OSI模型的下兩層協(xié)議，如圖4.12所示，是當(dāng)今TCP/IP采用的主要局域網(wǎng)技術(shù)。與傳統(tǒng)的網(wǎng)橋相比，它能提供更多的端口、更好的性能、更強(qiáng)的管理功能以及更便宜的價格。目前很熱的三層交換就是指具有部分路由器功能的交換機(jī)，即在局域網(wǎng)交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)OSI參考模型的第三層協(xié)議．實(shí)現(xiàn)簡單的路巾選擇功能．從而加快大型局域網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換，能夠達(dá)到一次路由多次轉(zhuǎn)發(fā)的目的。圖4.12交換以太網(wǎng)技術(shù)在OSI模型中的位置交換以太網(wǎng)用針對每個站點(diǎn)的專用網(wǎng)段取代了早期以太網(wǎng)的共享介質(zhì)。這些網(wǎng)段連接到一臺交換機(jī)，該交換機(jī)t作起來非常類似于網(wǎng)橋。但是它可以連接眾多的單站點(diǎn)網(wǎng)段。今天的某些交換機(jī)可支持?jǐn)?shù)百個專用網(wǎng)段。網(wǎng)段上的設(shè)備只有交換機(jī)和終端站點(diǎn)，因此站點(diǎn)發(fā)送的所有數(shù)據(jù)在到達(dá)另一個節(jié)點(diǎn)之前，交換機(jī)都可以首先得到它。然后，交換機(jī)會將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的網(wǎng)段，這與網(wǎng)橋的作用一樣。但是因為所有網(wǎng)段都只包含一個節(jié)點(diǎn)，所以只有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)能夠接收到該幀。這樣在一個交換網(wǎng)絡(luò)上就可以同時進(jìn)行許多對話?，F(xiàn)代以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4.13所示。圖4.13現(xiàn)代以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖以太網(wǎng)采用共享信道的方式，即多卡主機(jī)共用一個信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了解決多個計算機(jī)的信道征用問題。以太網(wǎng)采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CSMA/CDC載波監(jiān)昕多路訪問／沖突檢測）協(xié)議，它是控制多個用戶共Hi一條信道的協(xié)議。CSMA/CD工作在OSI的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），它的工作原理是：節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽信道是否空閑。若信道空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道忙碌，則等待一段時間至信道中的信息傳輸結(jié)束后再發(fā)送數(shù)據(jù)；若在上一段信息發(fā)送結(jié)束后，同時有兩個或兩個以上的節(jié)點(diǎn)都提出發(fā)送請求，則判定為沖突。若偵聽到?jīng)_突，則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段隨機(jī)時間后再重新嘗試。2.交換以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)采用廣播機(jī)制，所有與網(wǎng)絡(luò)連接的節(jié)點(diǎn)都可以看到網(wǎng)絡(luò)上傳遞的數(shù)據(jù)。通過查看包含在幀中的目標(biāo)地址，確定是否進(jìn)行接收或放棄。如果證明數(shù)據(jù)是發(fā)給自己的，節(jié)點(diǎn)將會接收數(shù)據(jù)并傳遞給高層協(xié)議進(jìn)行處理。以太網(wǎng)的幀是數(shù)據(jù)鏈路層的封裝，網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包被加上幀頭和幀尾成為可以被數(shù)據(jù)鏈路層識別的數(shù)據(jù)幀（成幀）。雖然幀頭和幀尾所用的字節(jié)數(shù)是固定不變的，但依被封裝的數(shù)據(jù)包大小的不同，幀的長度也在變化，包括8字節(jié)的前導(dǎo)字，其范圍是72～1526字節(jié)。以太網(wǎng)IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)如圖4.14所示，主要由前同步碼、目的地址、源地址、類型／長度、數(shù)據(jù)、幀檢測序列CFCS）組成。圖4.14以太網(wǎng)IEE802.3幀結(jié)構(gòu)示意圖以太網(wǎng)幀的頭部包含4個字段，64比特前同步碼含有交替的“?！焙汀?”信號，它允許接收方的硬件用這些信號來同步。以太網(wǎng)使用48比特的編址方式，使每個出廠的設(shè)備獲得唯一的物理地址（MAC地址），標(biāo)明目的地址的字段包含了幀要發(fā)送的目標(biāo)站點(diǎn)的物理地址；標(biāo)明源地址的字段包含了發(fā)送幀的站點(diǎn)地址。頭部的第四個字段包含一個16比特的以太網(wǎng)類型／長度。將所有宇段（不包括8字節(jié)前同步碼）的長度加起來可以得到以太網(wǎng)幀的最大長度為1518字節(jié)，最小長度則為64字節(jié)。這樣長度的幀能夠保證所有沖突都能檢測到。因為IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中對于兩個站點(diǎn)的最遠(yuǎn)傳輸距離要求小于2500m，由4個中繼器連接而成，其沖突窗口為2倍電纜傳播延遲與4個中繼器的雙向延遲之和，合計為51.2ρ。對于10Mb/s的傳輸速率，這個時間段等于發(fā)送64字節(jié)（即512比特）的時間。這就是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中最小幀長度為64字節(jié)的來由。隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的成倍增長，必須增大最小幀長度或減小電纜最大長度。千兆位以太網(wǎng)中采取一些處理技術(shù)，一方面使之與10Mb/s和100Mb/s的以太網(wǎng)兼容，另一方面使節(jié)點(diǎn)間的最大距離仍保持在2500m。IEEE802.3以太網(wǎng)幀發(fā)送順序從前同步碼開始，每個字節(jié)從最低位開始發(fā)送。幀從節(jié)點(diǎn)的物理接口發(fā)送出來后，通過傳輸介質(zhì)傳輸?shù)侥康亩?。共享網(wǎng)絡(luò)中，這個幀可能到達(dá)多個節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)檢查幀頭中的目的MAC地址，如果目的MAC地址不是本機(jī)MAC地址，也不是本機(jī)偵昕的組播或廣播MAC地址，則主機(jī)會丟棄收到的幀。如果目的MAC地址是本機(jī)MAC地址，則接收該幀，檢查幀校驗序列（FCS）字段，并與本機(jī)計算的值對比來確定幀在傳輸過程中是否保持了完整性。如果幀的FCS值與本機(jī)計算的值不同，主機(jī)會認(rèn)為幀己被破壞，并會丟棄該幀。如果該幀通過了FCS校驗．則主機(jī)會根據(jù)幀頭部中的Type（類型）字段來確定將幀發(fā)送給上層哪個協(xié)議處理。IEEE802.3以太網(wǎng)幀格式的基本特性如下：

前同步碼：前同步碼標(biāo)示以太網(wǎng)幀的開始，長度為8字節(jié)。前7個字節(jié)為固定的10101010“模式，該字段的曼徹斯特數(shù)據(jù)編碼能夠產(chǎn)生10MHz、持續(xù)時間為5.6ρ的脈沖方波，以便收、發(fā)方的時鐘進(jìn)行同步；后1字節(jié)為固定的10101011模式，最后兩個比特位是11，這兩位中斷了同步模式并提醒接收方后面跟隨的是幀數(shù)據(jù)，標(biāo)志幀數(shù)據(jù)的開始。目的地址：目的地址長度為48比特（6字節(jié)），該地址指出幀接收方的物理地址，即幀的接收者，如0013d3a242-a8，當(dāng)目的地址的最高位為“?！睍r，表示為單播地址，該幀只被該地址節(jié)點(diǎn)接收；當(dāng)目的地址的最高位為“1”時，表示為組播地址或多播地址，該幀被一組節(jié)點(diǎn)接收；當(dāng)目的地址為全“1”時，表示廣播地址，該幀被所有節(jié)點(diǎn)接收。源地址：源地址長度為48比特（6字節(jié)），是幀發(fā)送節(jié)點(diǎn)的物理地址。接收節(jié)點(diǎn)把該地址作為響應(yīng)幀的目的地址，所以源地址必須唯一，即源地址的最高位必須為“。”。

幀類型／長度：幀類型／長度為16比特，i亥宇段用于標(biāo)識數(shù)據(jù)宇段中包含的高層協(xié)議，也就是說，該字段告訴接收設(shè)備如何解釋數(shù)據(jù)字段。在以太網(wǎng)中，多種協(xié)議可以在局域網(wǎng)中同時共存．例如該字段為Ox0800，表示網(wǎng)絡(luò)層為IP協(xié)議：再如該字段為Ox8137，表示網(wǎng)絡(luò)層為NetWare的IXP協(xié)議。數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)字段的最小長度必須為46字節(jié)，以保證幀長至少為64字節(jié)，這意味著傳輸一字節(jié)信息也必須使用46字節(jié)的數(shù)據(jù)字段。如果填入該字段的數(shù)據(jù)少于46字節(jié)，則該字段的其余部分必須用“0”填充。數(shù)據(jù)字段的最大長度為1500字節(jié)。幀檢測序列：幀檢測序列長度為32比特，該字段提供了一種錯誤檢測機(jī)制，每一個發(fā)送節(jié)點(diǎn)均計算一個包括地址字段、幀類型／長度字段和數(shù)握手段的循環(huán)冗余校驗（CRC)碼。發(fā)送節(jié)點(diǎn)將計算出的CRC填入4字節(jié)的FCS字段，接收節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)幀后重新計算CRC并與FCS字段進(jìn)行比較，用于檢測傳輸中產(chǎn)生的的差錯。4.4

數(shù)字傳輸信號的處理4.4.1信道編碼變換前面已經(jīng)講述，PCM基群（低次群）由終端機(jī)送出的碼流，可不經(jīng)調(diào)制在電纜上作短距離傳輸，我們稱此為基帶傳輸，在此信道上傳輸?shù)臄?shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號。根據(jù)電纜信道的特點(diǎn)及傳輸數(shù)字信號的要求，要滿足以下幾個條件：(1）碼型中，高、低頻成分少，無直流分量。(2）在接收端便于定時提取。(3）碼型應(yīng)具有一定的檢錯（檢測誤碼）能力。(4）設(shè)備簡單、易于實(shí)現(xiàn)。1.不歸零碼和歸零碼常見的碼型（脈沖波形）有不歸零碼（NRZ）和歸零碼（RZ），對應(yīng)波形及頻譜如下圖。以下兩種碼型從頻譜顯然不符合基帶傳輸碼型的條件不能作基帶傳輸碼型。圖4.15單極性不歸零碼及功率譜圖4.16單極性歸零碼及功率譜2.雙極性半占空碼（AMI)AMI碼編碼規(guī)律及頻譜如圖4.17所示圖4.17AMI碼及功率譜編碼規(guī)律：原碼序列中的“?！贝a仍為“0”．原碼序列中的“1”碼則交替編為十1和一1。從AMI碼頻譜可看出，此碼無直流分量，高、低頻分量少，該碼雖無時鐘頻率成分，但經(jīng)全波整流后為RZ碼就含有fB成分。另外，該碼是傳號“1”碼極性交替，如果收端發(fā)現(xiàn)極性不是交替出現(xiàn)就一定出現(xiàn)了傳輸誤碼，因此可檢出奇數(shù)個誤碼，即具有一定的檢錯能力。但碼流中連零數(shù)過多時，AMI碼不利于定時提取。為了克服碼流中連零數(shù)過多的問題，在數(shù)字基帶傳輸中采用HDB3碼。3.HDB3碼HDB3碼是三階高密度雙極性碼的簡稱。HDB3碼保留了AMI碼的所有優(yōu)點(diǎn)，還可將連零碼限制在三個以內(nèi)，克服了AMI碼如果長連零過多對提取定時不利的缺點(diǎn)。HDB3碼的功率譜與AMI碼類似。普通二進(jìn)制碼流變換為HDB3碼的規(guī)律如下：(1）在數(shù)碼流中，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)四個以上連續(xù)的“0”時，從第一個“0”起到四個連“0”中，最后一個“0”用“V”碼取代，此位碼稱極性破壞點(diǎn)。(2）各“V”碼必須進(jìn)行極性交替（為保證傳號碼極性交替不引入直流成分）。(3）相鄰“V”碼間，前“V”碼后鄰的原傳號碼應(yīng)與之符合極性交替原則（符合AMI碼變換規(guī)律）。(4）要使“V”碼前鄰一走出現(xiàn)一個與之極性相同的碼位（滿足“V”碼為極性破壞點(diǎn)）。按前蘭步驟變換后也可能會出現(xiàn)與“V”碼同極性的碼，當(dāng)沒有出現(xiàn)時，就將四連“0”中的第一個“0”用B碼取代，使B與它后鄰的取代V碼同極性（為了在收端能識別出哪個是取代碼以便消除）。我們舉例說明如下：原二進(jìn)數(shù)字碼流為100001011000000000111010000HDB3碼為（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，碼波形如圖4.18所示。圖4.18HDB3編碼波形從圖4.18可看出．當(dāng)兩取代節(jié)之間（兩”V”碼間）原傳號碼“1”為奇數(shù)個時，V碼前鄰必然會出現(xiàn)一個與V碼相同極性的碼，這時四連“0”取代節(jié)為“000v”，當(dāng)“1”碼為偶數(shù)個時，第一個連“0”必然用B碼取代，這時四連“?！比〈?jié)為“B00V”。在收端進(jìn)行HDB3解碼，解碼原則是在收到的碼序列中檢出相鄰兩個傳號脈沖為同極性，則必然為取代節(jié)（無誤碼情況）．若相鄰?fù)瑯O性碼間連“0”數(shù)為3，則第一個同極性碼為原傳號碼，解碼時只將“V”碼變?yōu)椤?”；如兩相鄰?fù)瑯O性碼間為兩個連“0”時，則此兩個連“0”前后原碼均恢復(fù)為“0”，這樣就能將HDB3碼中四連“0”取代節(jié)取消，即完成HDB3

解碼。

CCITT建議HDB3碼為準(zhǔn)同步數(shù)字體系基群、二次群、三次群數(shù)字端機(jī)接口碼型。4.CMI碼準(zhǔn)同步PDH四次群接口碼型采用傳號反轉(zhuǎn)碼（CMI)，主要適用于光纖通信系統(tǒng)傳輸。CMI碼編碼規(guī)則如表4.3所示。CMI碼是一種二電平不歸零碼，如表4.3所示，原來碼流中的“?！贝a編為“01”，“1”碼編為“00”或“11”。如前一“1”碼編為“00”，則后鄰出現(xiàn)的“1”碼則編為“11”，使傳“1”碼的“00”和“11”交替出現(xiàn)?！?0”則為禁字不準(zhǔn)出現(xiàn)，否則為誤碼。

光纖通信中還有其他碼型，如5B6B碼、4B3H碼等。在SDH中的數(shù)字碼流為NRZ碼，但要經(jīng)過擾碼等處理后才進(jìn)行光調(diào)制。表4.3

CMI碼編碼規(guī)則碼流01CMI碼0100或114.4.2擾碼與解擾碼在數(shù)字光纖及數(shù)字衛(wèi)星通信等長途傳輸中，為了保證收端定時恢復(fù)．使原數(shù)字信息碼流中限制“?！贝a或“1”碼的長度，并使“1”與“0”出現(xiàn)的概率幾乎相等，因此，在傳輸前先作隨機(jī)化處理，變?yōu)殡S機(jī)序列，這種“隨機(jī)化”處理稱為擾碼。

擾碼能使數(shù)字傳輸系統(tǒng)對各種數(shù)字信號具有透明性，它不但能改善位定時恢復(fù)質(zhì)量．減少線性漂移，而且起到信號頻i昔能量的擴(kuò)散作用，并能改善幀同步和自適應(yīng)時域均衡等性能，以及抑制靜態(tài)圖案抖動等。在SDH中用擾碼器直接將NRZ碼擾碼，就不需再進(jìn)行信道編碼變換，而且設(shè)備簡單。擾碼雖然“擾亂”了數(shù)字信息的原有形式，但這種“擾亂”是人為的，有規(guī)律的．它是容易解除的。在接收端將這種“擾亂”解除的過程稱為“解擾碼”，完成“擾碼”和“解擾碼”的電路相應(yīng)地稱為擾碼器和解擾器。

擾碼器原理實(shí)際上就是m序列與傳輸數(shù)字信息模2加，完成輸入數(shù)字序列的擾亂，這樣實(shí)現(xiàn)的擾碼器原理框圖如圖4.19(a）所示。由圖可得擾碼器輸出序列Lk為dk為輸入數(shù)字序列；C，，為特征多項式的階數(shù)，它決定了擾碼器的反饋組合網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成。C,,=l表示第n級有反饋，當(dāng)C,,=O時，表示第n級無反饋。

在接收端要恢復(fù)出原始數(shù)字序列，需要一個結(jié)構(gòu)與發(fā)端相同的m序列發(fā)生器與傳輸序列Lk模2加實(shí)現(xiàn)解擾，其原理方框圖如圖4.19(b）所示。如圖中所示，它與擾碼器的反饋網(wǎng)絡(luò)相對應(yīng)，這樣就還原了（恢復(fù)了）發(fā)端輸入的數(shù)字序列。圖4.19擾碼器原理方框圖（a）擾碼器(b)解碼器在光纖通信系統(tǒng)中，原CCITT正式推薦的統(tǒng)一碼型是擾碼NRZ。為了保證擾碼器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列充分接近真正的隨機(jī)序列，擾碼器的級數(shù)應(yīng)保證已擾序列的長度至少大于50。由公式P=2n-1，使P=50，擾碼器要為6級（63）以上才可，因此，在SDH系統(tǒng)中的G7.09協(xié)議采用7級擾碼器，其擾碼長度為

一1=127，完全可以滿足要求。7級擾碼器功能框圖如圖4.20所示。圖4.20幀同步擾碼器功能圖4.4.3差錯控制1.差錯控制基本概念在數(shù)字信號傳輸過程中，由于信道受到噪聲或干擾的影響，信號碼元的波形傳到接收端就可能會發(fā)生錯誤。為了把這些錯誤減少到預(yù)期要求的最低限度，人們在數(shù)字碼流中加入了一些附加碼元（稱監(jiān)督碼元），并采用－種特殊的編碼方式進(jìn)行差錯控制。我們把這種差錯控制（特殊編碼方式）稱為“糾錯編碼”，簡稱“糾錯”，把附加的碼元的數(shù)目稱冗余度。冗余度越多糾錯能力越強(qiáng)，但這種糾錯編碼的糾錯能力是以降低信息傳輸速率和信道傳輸效率作為代價換取的。2.差錯控制編碼基本原理我們舉例來說明糾錯編碼的基本原理。如用兩位二進(jìn)制碼組2*2=4可表示四種天氣情況：00睛，01云，10陰，11雨．如果四組碼中任意錯一位碼，則將一種天氣變?yōu)榱硪环N天氣。如果把碼組增加到3位構(gòu)成碼組來表示，則有000晴001云010陰011雨100、101、110、111為禁字，在收端收到這四種碼組則判為有錯。若采用多數(shù)判決，3中取2，當(dāng)收到100時，與晴比較只有第一位有錯，后兩位相同，與其他三種（云、陰、雨）比較有兩位錯，因而可把100判為睛。這樣既能檢出傳輸錯誤，同時也能對錯一位(100→000)進(jìn)行糾錯。若錯兩位．則只能檢錯而不能糾錯，這就是簡單的糾錯原理。在數(shù)字通信中，常采用分組碼（如循環(huán)碼、BCH碼等）來表示糾錯編碼。一般分組碼用符號（n，k）表示，其中，k是每組碼中信息碼元數(shù)目，η為碼組的總位數(shù)，又稱碼組的長度（碼長），附加碼元數(shù)為r，又稱監(jiān)督碼元數(shù)。r＝ηk，如用α，表示碼位，則糾錯編碼碼組結(jié)構(gòu)如圖4.21所示。圖4.21分組碼結(jié)構(gòu)圖差錯控制的編碼方式差錯控制的編碼方式一般分為三類：一類稱為“反饋糾錯”，一類稱為“前向糾錯”，在此兩類基礎(chǔ)上派生出的第三類稱為“混合糾錯”。1)反饋糾錯采用某種編碼方式傳輸?shù)臄?shù)字信號，在收端能檢出一定程度的差錯，反饋糾錯就是使收端根據(jù)某種編碼規(guī)律進(jìn)行檢驗，當(dāng)發(fā)現(xiàn)規(guī)律被打亂（破壞）時，立即向發(fā)端反饋信息要求重發(fā)信息碼。反饋糾錯主要有以下三類。(1）奇偶監(jiān)督碼。－般的奇偶監(jiān)督碼分兩種，一種叫奇數(shù)監(jiān)督，它的編碼規(guī)則是在一個碼組中使“1”的數(shù)目為奇數(shù)。在這種編碼中，無論信息為多少位，監(jiān)督碼為1位，它使碼組中“1”的個數(shù)為奇數(shù)。設(shè)碼長為n，則奇數(shù)監(jiān)督編碼應(yīng)滿足條件：其中，a0為附加的監(jiān)督碼位，如信息碼中原“1”碼為偶數(shù)，則α0編為“1”碼。例如，原碼組共14位，原碼組中“1”的個數(shù)為6個：10001011010010，如采用奇數(shù)監(jiān)督碼。則在14位后加一位C0碼，共15位：100010110100101，最后一位監(jiān)督碼為“1”，使碼組中“1”的個數(shù)為7個。在收端檢驗出碼組為奇數(shù)個“1”，判為正確，還原時去掉最后一位即可。(2）行列監(jiān)督碼行列監(jiān)督碼是在前面奇偶監(jiān)督碼基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。行列監(jiān)督碼是二維奇偶監(jiān)督碼，又稱為矩陣碼，它能用以糾正突發(fā)差錯為目標(biāo)的簡單編碼。矩陣碼原理如圖4.22所示。此矩陣中，×表示信息位，?表示監(jiān)督位，它是以使每一行每一列“1”的個數(shù)為“奇數(shù)”或“偶數(shù)”的這種規(guī)律來進(jìn)行檢驗的。圖4.22矩陣碼原理圖(3）自動要求重發(fā)ARQ(AntomaticRepeatRequest）自動要求重發(fā)是一種實(shí)用的反饋糾正方法，如圖4.23所示。其糾錯原理是在收端檢驗出有錯碼的情況下，自動通知發(fā)端重發(fā)（自動重發(fā)系統(tǒng)）。此種方法用在數(shù)據(jù)通信中，在光纖、微波、衛(wèi)星等數(shù)字傳輸系統(tǒng)中采用。圖4.23ARQ系統(tǒng)

2）前向糾錯前向糾錯是在數(shù)字通信中采用某種特殊的編碼方式，使其在接收端能檢錯并能糾正一定程度傳輸差錯的、較復(fù)雜的編碼方法。它不需要反饋信道也不需要反復(fù)重發(fā)來糾錯，這對高速實(shí)時的數(shù)字信號傳輸有很大優(yōu)越性，但技術(shù)和設(shè)備較復(fù)雜。前向糾錯主要分為循環(huán)碼和卷積碼兩類。(1）循環(huán)碼循環(huán)碼是一種分組碼，它是在嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上建立起來的，它有三個主要的數(shù)字特征：①循環(huán)碼的碼組中，任意兩個碼組之和（模二加）必定為該碼組集合中的一個碼組。②循環(huán)碼每個碼組中，各碼元之間存在一個循環(huán)依賴關(guān)系。③循環(huán)碼的碼組之間具有循環(huán)性，即循環(huán)碼中任一組循環(huán)一位（將最右端的碼移至左端或反之）以后仍為該碼組集合中的一個碼組。如表4.4所示。碼組編號信息位監(jiān)督位碼組編號信息位監(jiān)督位a6a5a4a3a2a1a0a6a5a4a3a2a1a01000000051001011200101116101110030101110711001014011100181110010表4.4循環(huán)碼示例(2）卷積碼卷積碼又稱連環(huán)碼，它與上述的循環(huán)碼（分組碼）不同，這種編碼也是在信碼之中插入監(jiān)督碼元，但不實(shí)行分組監(jiān)督，而是每一監(jiān)督碼元都要對前后的信息單元起監(jiān)督作用。整個編／解碼過程是一環(huán)扣一環(huán)連續(xù)地進(jìn)行下去的，所以稱連環(huán)碼。這種碼是由伊利亞斯（P.Elias）提出來的，至今已有60多年，經(jīng)過實(shí)用證明，它的糾錯性能一般優(yōu)于循環(huán)碼而且設(shè)備也不復(fù)雜，在衛(wèi)星通信等數(shù)字通信系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。卷積碼可分為代數(shù)譯碼和概率譯碼等，據(jù)有關(guān)資料介紹，對卷積碼的分析至今還缺乏像對分組碼那樣有效的數(shù)學(xué)工具。一些特殊的卷積碼要借助于計算機(jī)模擬，讀者可參閱其他差錯控制（糾錯編碼）技術(shù)的有關(guān)論著。加密主要是為確保通信的安全而在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中采取的一種數(shù)字信息處理技術(shù)?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)中的信息包括極其廣泛的內(nèi)容，如人們的日常工作、生活，人們的隱私，經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的市場競爭、商業(yè)行情、資本運(yùn)作直到涉及國家的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、意識形態(tài)等。

為了確保通信中的安全，就必須想法在技術(shù)上采取措施，克服失密和信息侵害，使通信系統(tǒng)的信息能安全傳送和接收。此舉措施就是我們所述的加密。從唯物論觀點(diǎn)看，不管如何采取加密措施，絕對保證安全是不可能的，安全是相對的。4.數(shù)字加密技術(shù)在數(shù)字信息進(jìn)入傳輸信道前進(jìn)行加密處理，可以以很小的代價，換取對信息很大的安全保護(hù)。信息加密處理是由各種加密算法來實(shí)現(xiàn)的。普遍使用的有常規(guī)的密碼算法和公鑰密碼算法。美國IBM公司研制的DES密碼算法標(biāo)準(zhǔn)，是世界上最早被公認(rèn)的實(shí)用的密碼算法標(biāo)準(zhǔn)。DES是采用56比特長的密鑰，將64比特長的數(shù)據(jù)加密成等長的密文。DES的解密過程與加密過程相似，只需將密鑰的使用順序進(jìn)行顛倒即可。例如在GSM數(shù)字移動通信中，對元錢信道的傳輔信號進(jìn)行加密處理，就是采用的類似以上的加密技術(shù)。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，人們通常將常規(guī)密鑰和公鑰密碼結(jié)合在一起使用。比如用DES來加密信息，采用RSA來傳遞會話密鑰。對于數(shù)字信息的加密技術(shù)的具體應(yīng)用，讀者可參閱有關(guān)專著，這里不再敘述。1）數(shù)字信號傳輸加密對于特殊用戶的數(shù)字信號，如銀行的數(shù)據(jù)信號、信用卡的數(shù)字信號以及其他終端的數(shù)字信號，在加密后傳輸，收端予以認(rèn)證即可。這就要求終端有一個安全模塊（SM），能存放個人識別碼IPN密鑰K和加密算法等信息，并帶有CPU，能執(zhí)行加密算法和認(rèn)證等功能。由于網(wǎng)絡(luò)的全球化，信息網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)成為專家們研究的重要課題。例如，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的防火墻技術(shù)，Internet中的PGP加密技術(shù)等。這里不再贅述，讀者可參閱有關(guān)專著。2）數(shù)字終端加密技術(shù)4.5

數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)4.5.1數(shù)字信號的無線傳輸數(shù)字信號通過空間以電磁波為載體傳輸?shù)綄Ψ?，稱為無線傳輸。我們把要傳送的數(shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號。攜帶數(shù)字基帶信號的電磁波為→振蕩波，通常稱為載波，最簡單的就是正弦波或余弦波f(t)=Asin（wt十ψ）把數(shù)字基帶信號變換為載波的過程稱為調(diào)制。經(jīng)過調(diào)制的數(shù)字信號稱為數(shù)字頻帶信號．這種經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號的傳輸稱為數(shù)字頻帶傳輸。4.5.2數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)以上講到的載波．實(shí)際k是攜帶數(shù)字信號的電磁波。可用正弦波f(t)=Asin（wt十ψ）中的振幅A、頻率ω及相位ψ三個參量來攜帶數(shù)字信號。

數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)是數(shù)字元線通信的關(guān)鍵技術(shù)．這里只進(jìn)行簡單基本的分析。數(shù)字調(diào)制方式有三種基本方式：幅移鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK。用這三種調(diào)制方式以及這些調(diào)制方式的組合和變異完成調(diào)制、解調(diào)任務(wù)的設(shè)備稱為調(diào)制器、解調(diào)器。1）幅移鍵控幅移鍵控就是數(shù)字信號振幅調(diào)制。換句話說，是利用載波的振幅變化去攜帶信息。而載波的頻率、相位都保持不變。最簡單的例子就是用一載波幅度為1和0，來攜帶數(shù)字信號。在微波通信巾一般中頻載波頻率為70MHz。如圖4.24(a）所示．用乘法器作為二相幅移鍵控調(diào)制器（2ASK），當(dāng)有“1”碼出現(xiàn)時，則輸出為70MHz的載波為“0”時，則沒有載波輸出．其波形如同11.25(a）所示1.三種基本調(diào)制方式圖4.25二進(jìn)制基帶碼的三種調(diào)制方式（a)2ASK(b)2FSK（c）2PSK2）頻移鍵控頻移鍵控就是數(shù)字信號頻率鍵控。換句話說，是利用已調(diào)波的頻率變化去攜帶信息．而載波的振幅和相位不變。二相頻移鍵控調(diào)制器（2FSK）如圖4.24(b）所示，圖中的數(shù)字基帶信號的“1”和“0”碼分別在兩個相乘器（調(diào)制器）中去鍵控各自的載波，用兩種不同頻率來表示數(shù)字信號“1”和”0”‘其波形如同4.25(b）所示。圖4.25二進(jìn)制基帶碼的三種調(diào)制方式（a)2ASK(b)2FSK（c）2PSK(d)2DPSK3）相移鍵控相移鍵控是利用已調(diào)載波信號的相位去攜帶數(shù)字信息，而載波的振幅和頻率都不變化。如圖4.24(c）所示，它只用兩個相位來表征數(shù)字信號“1”和“0”，其調(diào)制波形如圖4.25(c）所示。2.二相相對調(diào)制與解調(diào)在低速率的數(shù)字微波系統(tǒng)（數(shù)字基帶信號．在8Mb/s以下）中，采用比較簡單的二相相對調(diào)相，記為2DPSKO此種調(diào)相方式具有較好的抗干擾性能。所謂相對調(diào)相．不是像絕對調(diào)相那樣對應(yīng)數(shù)字信號“1”和“?！币怨潭ǖ南辔魂P(guān)系，而是一種相對的關(guān)系，其調(diào)制規(guī)律為：當(dāng)遇到基帶信號“1”碼時．載波的相位相對于前一個碼元相位改變π（即倒相）；當(dāng)遇到“0”碼時，載波的相位相對于前一個碼元相位不變。此規(guī)律也可反用之。此相對調(diào)相的波形如圖4.25(d）所示。2DPSKi同制與解調(diào)原理方框圖如圖4.26(a）、（b）所示。此種調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)較簡單，只須將原二進(jìn)碼經(jīng)過差分編碼變換，變?yōu)橄鄬Υa，再對相對碼進(jìn)行絕對調(diào)相即可。這種差分編碼變換是由模二加電路來實(shí)現(xiàn)的。

2DPSK收端的解調(diào)電路如圖4.26(b）所示，是a種常用的原理電路，叫做相干解調(diào)法。圖中的相乘器就是解調(diào)器。相乘器中的相干載波，是從2DPSK信號中提取的。由圖看出，此相干載波是以二分頻器輸出的．在二分頻器中采用了觸發(fā)電路，由于觸發(fā)器初始狀態(tài)不確定，使相干載波的相位可隨機(jī)取0或π相位。假定相干載被起始相位為“0”。如解調(diào)器輸出數(shù)字基帶信號碼是正確的，當(dāng)二分頻器觸發(fā)狀態(tài)改變時，使相干載波相位變?yōu)棣?，這種現(xiàn)象稱之為倒π現(xiàn)象，或稱相位模糊。這時，采用絕對調(diào)相將會產(chǎn)生嚴(yán)重誤碼；若采用相對調(diào)相，則不會產(chǎn)生誤碼?；谝陨显颍趯?shí)際應(yīng)用中，無論是二相調(diào)相還是多相調(diào)相，均采用相對調(diào)相，其解調(diào)基本上都采用相干解調(diào)。圖4.262DPSK信號的調(diào)制與解調(diào)

（a)調(diào)制器原理方框圖(b)解調(diào)器原理方框圖2.四相相對調(diào)制與解調(diào)在數(shù)字微波通信中，PDH系列的8Mb/s,34Mb/s等中等速率的數(shù)字基帶信號，經(jīng)常采用四相相對調(diào)制（QPSK）。采用QPSK調(diào)制方式可以降低速度，克服相位模糊，減少誤碼。在前面已講述，在相對四相方式中一般是采用先對數(shù)字信號進(jìn)行差分編碼后，再進(jìn)行絕對調(diào)相，這可簡稱為差分移相。QPSK采用“反射編碼”（格雷碼）相位邏輯編碼方法，這種方法用得較多。圖4.27是其組成框圖（圖（a））和工作原理矢量圖（圖（b））。圖4.28為其相干解調(diào)方框圖。(1）四相相對調(diào)制（QPSK）方式。圖4.28QPSK相干解調(diào)器圖4.27QPSK調(diào)制器（a)4PSK方框圖(b)矢量圖從矢量圖中可看出其相位關(guān)系，如以前一碼元相位為0°作為基準(zhǔn)相位（也可以用π／4作為基準(zhǔn)相位），那么若傳送消息為00，則后一碼元信號相位仍為0°；若傳送消息為01,則后一碼元相位旋轉(zhuǎn)π／2；若傳送消息為11，則后一碼元相位旋轉(zhuǎn)π；若傳送消息為10,則后一碼元相位旋轉(zhuǎn)3π／2。

在圖4.27中，｛ai｝為二進(jìn)制數(shù)字信號，經(jīng)過串／并變換為兩路：｛bk｝和｛ck｝數(shù)字信號。設(shè)串行數(shù)字碼流如下：原串行碼流｛ai}1001111011并行一路｛bk｝10111

二路｛ck}0

1101經(jīng)過這樣變換，顯然兩路信號的速率可降低，如PDH的三次群34.368Mb/s分成兩路后，則每路為17.184Mb/s碼流。（2）OK-QPSK調(diào)制方式OK-QPSK調(diào)制方式是偏移四相相移調(diào)制方式，主要在衛(wèi)星通信中應(yīng)用。它與QPSK不同的是，對相位矢量正交的兩個載波調(diào)制的兩路二進(jìn)制序列，在時間上錯開半個碼的長度（如圖4.29所示），因而這種調(diào)相方式叫做偏移四相相移鍵控（OK-QPSK），也稱做參差四相相移鍵控CSQPSK）。采用這種調(diào)制方式后，前后碼元之間只有0°、90°、－90°三種相位變化，從而克服了因180°相位變化帶來的缺點(diǎn)。OK-QPSK調(diào)制器、解調(diào)器的組成方框圖如圖4.30所示圖4.29OK-QPSK碼序列時間圖4.30OK-QPSK調(diào)制器解調(diào)器組成方框圖從以上相干解調(diào)方框圖可看出，QPSK的解調(diào)即為QPSK調(diào)制的反變換。這里關(guān)鍵是從QPSK調(diào)制的信號中恢復(fù)載波（提取載波），亦稱為相干載波。4.5.3OFDM調(diào)制技術(shù)1.OFDM技術(shù)慨述及其發(fā)展史OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交頻分復(fù)用，被稱之為“第四代移動通信技術(shù)”。OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。主要是在頻域內(nèi)將所給信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制．且各個子載波并行傳輸。OFDM可視為一種調(diào)變技術(shù)及一種多任務(wù)技術(shù)，為多載波（Multicarrier）的傳送方式。OFDM由多載波調(diào)制（MCM）發(fā)展而來。在實(shí)際應(yīng)用中．實(shí)時傅立葉變換設(shè)備的復(fù)雜度、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻率放大器的線性要求等因素制約了。FDM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過大量研究，在20世紀(jì)80年代.MCM獲得了突破性進(jìn)展，大規(guī)模集成電路促