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第一局部 数字通信根本原理一 数字通信系统1. 信号信号可用来传输信息。信息可用语言, 文字, 图象等表达，但在许多状况下，这些表达信息的语言文字不便于干脆传输。因此在近代科学技术中，常用电信号来传送各种信息，即利用一种变换设备把各种信息转换为随时间作相应改变的电流或电压进展传输。这种随信息作相应改变的电压或电流就是电信号。由消息转换成的电信号可分为两类：模拟信号和数字信号。模拟信号是指时间和幅度都连续的信号。数字信号是指时间和幅度都离散的信号。如图1-1 电压 1 0 0 时间 1-1 模拟信号及数字信号的模型2. 数字系统 以数字信号的方式来传输消息的通信系统，叫数字通信系统。典型的数字通信系统的组成如图1-2。 信宿 电/非电 信源译码 信道译码 信道 信道编码 信源编码 非电/电 信源 噪声干扰1-2 典型数字通信系统的组成信源即是发信者。通常的信源指 机, 摄象机及各种数字终端设备。信源编码的作用是对信号进展编码，去除或削减冗余度，把能量集中起来缩窄占据频带，从而提高数字传输的有效性。例如进展模拟信号变换为数字信号的过程转换，编码。信道编码。由于传输信道上噪声的干扰，数字信号在传输中可能会发生过失，导致信息传输质量下降。为了在接收端自动检出错码或订正错码，使过失限制在允许范围内，可在信源编码后的数字信号中按肯定规律加肯定数量的数字码监视码，形成新的数字信号，这种新的信号间的关系形成较强的规律性，使收端可检查或订正过失。信道编码是将信息比特变换为适合于信道传输的数字信号，它是为了提高系统的抗干扰实力，提高数字传输的牢靠性，即改善系统的误码性能。信道和噪声：信道指传输信号的通道。按传输媒质可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括明线, 同轴电缆, 光缆等。无线信道包括微波中继, 卫星和各种散射等。信道在传输中会受到各种噪声的干扰，通常把全部的噪声干扰都折合到信道中，成为一个等效噪声源。3. 数字通信的主要特点A, 抗干扰实力强，无噪声积累因数字信号以0, 1两个数码形式传输，被噪声干扰和经衰减后的数字信号，在没恶化到不行正确推断之前，可用再生的方法复原成原来的信号。只要再生设备设定位置适当，可认为噪声干扰不会对传输信号产生不良影响，即不会出现噪声积累。因而数字传输适用较远距离传输，也能适应性能差的信道。B, 保密性强，易于实现检错纠错数字信号是模拟信号经过信源编码后形成的。它本身已具有肯定的保密性，同时数字信号便于码型转换，进展加密处理，还可通过信道编码实现检错，纠错功能。C, 便于建立综合通信网数字传输和数字交换结合，有利于传输和交换多种业务的数字信息，实现多种业务信息的综合通信。为建立综合业务数字网供应必要条件。D, 设备可集成，微型化由于设备多数属于数字电路，可采纳集成元件，能做到集成度高，体积小，耗电低和本钱低，且便于生产和维护。E、 占用频带宽数字传输也有缺点，它及模拟信号传输相比，占用传输频带宽，如传输一路数字化语音信息占64的带宽，而传输一路模拟信息只需占4的带宽。然而随着微波和卫星信道及光线信道的快速开展它们有很宽的带宽，使占用传输频带宽的冲突渐渐缩小。因而数字传输的应用日益广泛。二 语音信号的数字化要将模拟信号在数字传输系统中进展传递，就必需用信源编码器对话音信号进展模数变换。语音信号模数变换的方法许多，如脉冲编码调制，增量调制和参数编码等，其中用得较为广泛的是脉冲编码调制。话音信号模拟信号数字化的过程是：取样量化编码。1. 取样信号在时间上的离散化话音信号不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间上也是连续的，参见图1-1(a)。取样就是每隔肯定的时间间隔(T)对在时间上连续的话音信号抽取瞬时幅值的过程，简称取样或抽样。取样后所得到的一串在时间上离散的序列信号称为样值序列信号，或取样信号，参见图1-3。 1-3 模拟信号的取样 将话音信号取样后，所得取样信号在信道上占用的时间被压缩了，因而它为时分复用奠定了根底，同时也为数字化供应了条件。但取样信号中必需含有原始话音信号的信息，并要求在接收端能将取样信号复原成原始话音信号。为了到达上述要求，取样的时间间隔T(取样周期)不能太长，或者说取样频率不能太低。由取样定理奈奎斯特定理可知：取样频率()应大于传输信号中最高频()的两倍。即2。在 通信系统中，用3400赫作为最高频率()已能很好满意用户的要求。考虑到肯定的冗余，目前通信规定话音信号的取样频率为8000赫，即8000赫。取样周期T11/8000125(微秒)。为了在取样前把话音信号中大于(3400赫)的频率成分去掉，在取样器要设置一个上限频率为3400赫的低通滤波器，使最高频率限制在3400赫。2. 量化信号在幅值上的离散化取样化所得到的取样信号虽在时间上是离散的，但它在幅度取值上仍是连续的，即它可以是输入模拟信号幅值中的随意幅值，或者说可有无限多种取值，它不能用有限个数字来表示，它仍属模拟信号。要想使它成为数字信号，还需把它的取样值进展离散化处理，将幅值为无限多的连续信号，变换成幅值为有限数目的离散信号，这一幅值上离散化处理的过程称为量化。量化就是“分级的意思，量化采纳类似“四舍五入的方法，使每一个取样值用一个相近的幅值来近似。量化方法可分为线性量化和非线性量化法。a.线性量化线性量化也称匀称量化，它把输入的取样值的范围划分为假设干等距离的小间隔，每个小间隔叫做一个量化级。当某一输入的取样值落在某一间隔内时，就用这个间隔内的中间值来近似地表示这个取样值的大小，并以此值输出。这样大信号和小信号的肯定误差一样，而对小信号来说，相对误差噪声很大，也就是说信噪比小，不能满意语音信号的传输要求。注：信噪比为输出的信号功率及噪声功率之比。信噪比越大，说明通信质量越好b. 非线性量化非线性量化又称非匀称量化就是运用不等的量化级差间隔，小信号分级密，量化级差小；大信号分级疏，量化级差大。或者说量化间隔随着信号幅值的减小而缩小，使信号幅值在较宽的动态范围内的信噪比都能到达指标规定的要求。非线性量化是利用压缩和扩展的方法来实现的。不同幅值的信号经过具有压缩特性的放大器后对小信号的幅度有较大的放大作用，而对大信号的幅度那么有压缩作用。这样在对经过放大后的取样小信号进展量化时，就使小信号的量化误差相对削减，信噪比得到改善，假如放大作用大，那么改善的程度也大；至于大信号经压缩, 量化后，信噪比将降低，结果使话音信号在整个动态范围内的信噪比根本上相差不多，且都能满意规定的要求。国际上允许采纳两种折线形压扩特性：13折线A律压扩特性和15折线u律压扩特性，美采纳u律，我国及欧洲规定采纳A律。3. 编码模拟信号经过取样和量化以后，在时间上和幅度取值上都变成了离散的数字信号。假如量化级数为N，那么信号幅度上有N个取值，形成有N个电平值的多电平码。但这种具有N个电平值的多电平码信号在传输过程中会受到各种干扰，并会产生畸变和衰减，接收端难以正确识别和接收。假如信号是二进制码，那么只要接收端能识别出是“1码还是“0码即可。所以二进制码具有抗干扰实力强的优点，且简洁产生，在数字通信中，一般都采纳二进制码。量化级为N时，那么量化离散值共有N个。将每个离散值用一组二进制码表示。这一组二进制码的位数为L，那么有2LN。L为码字位数，如：238，将多电平码变成二进制码的过程称为编码，N为量化级数。 经过量化后，形成±128个数量级，用8位码表示，其中第一位码为极性码，第二, 三, 四位为段落码，最终四位为段内码，如图1-4。 极性码 段落码 段内码图1-4 码字的安排五 帧构造1. 的根本原理抽样频率为8000周期为125，对每一话路每抽样一次经过量化可以编成8位码组，占用一个时隙。30/32路系统中，32路复用125。这32路时隙构成一个“帧。而16帧又合成一个复帧。计算几个数据：1 1帧时长为125S，一个复帧占用2。2 1帧的位长：8×32=256位。3 信道的速率：256位/帧 × 8000帧/秒 =20484 话路的速率：8位/路 ×8000 路/秒=64一个模拟信号的带宽最大为4K(3003000).数字信号的优点靠牺牲带宽获得的。2. 30/32系统的帧构造30/32系统的帧构造如图：1复帧=16帧2 F0 F1 F2 。 F14 F151帧=32时隙1250 1 2 。 15 16 17 。 30 31 同步时隙 信号标记时隙0 0 0 0 1 0/1 1 11 0 0 1 1 0 1 1偶F0帧定位码组复帧定位码 复帧对告码1 1 0/1 1 1 1 1 1a b c d a b c d奇F1帧对告码 第1路第16路a b c d a b c dF15 第15路第30路图1-7 30/32 系统帧构造六高次群在数字信道中，为了扩大传输容量，提高传输效率，将假设干低速码流合并成一个高速码流，这就是数字复接技术。目前传输容量已由一次群开展到二次群, 三次群, 四次群, 五次群等。传送信道除采纳电缆, 微波外，已扩展到光缆, 卫星通信等。除开通 , 电报, 等业务外，还可传输可视 , 电视, 高速数据等信息。各高次群都是由各低次群通过频率搬移迭加构成的，多路复用的示意图如1-8：同步复接有三种方式：· 按位复接。每次复接每路的一位码。· 按字复接，也称按路复接。每次复接每路的一个字8。· 按帧复接。每次复接每路的一帧。介绍30/32系统各高次群的话路数和速率： 速率 话路数一次群： 2048K 30二次群： 4884K 120三次群： 34M 480四次群： 139M 1920五次群： 564M 7680四, 五次群多为光纤传输。 四次群 五次群 二次群 基群 三次群 *4 *4*4 *4 *16 1-8 高次复接原理图七定时及同步1. 定时系统是时分多路复用的通信系统各话路需传送的信号在不同的时隙内取样, 量化, 编码，送到接收端，再依次解码，分路复原成原信号。要求信号的处理和传输都在规定的时隙内进展。为使系统正确工作，需一个定时系统，由它产生取样, 编码, 解码, 分路等所需的各种定时脉冲统一指挥。2. 同步数字通信的同步是指收, 发两端的数码率及各种定时标记都步调一样，不仅要求频率一样，而且要求相位一样。接收端和发送端在时间上的同步是正确接收, 识别信息和分出每一路的信息码和信令码的保证。同步包括：比特同步：帧同步, 复帧同步和网同步。比特同步也称位同步，又称码元同步。它是指接收端时钟的频率和相位及发送端一样，或者说比特起止时间收发一样，它是正确识别和再生信号码元的保证。两个交换局间通信点对点通信的比特同步是由接收端的“定时信号提取电路来实现的，所以的时钟频率由发送端时钟确定，而接收端是被动的。b.帧同步帧同步是指接收端每帧的起止时间及发送端一样，它是收, 发端每帧各对应时隙在时间上“对准的保证，假如没有保持这种“对准关系，帧同步系统就处于失步状态，通信将中断。帧同步是通过帧同步时隙0中的帧同步码来实现的。· 偶帧的0发送帧同步码。帧同步码占用后7位，规定为“；第1位留给国际通信用，暂定为1。只要接收端能识别出此同步码，就能正确区分出帧的起止时间，从而正确分动身送端送来的各路信息。· 奇帧的0发送帧失步告警信号，其中第1位码留给国际通信用，暂定为1；第2位码固定为1，以便接收端区分偶帧和奇帧偶帧0的第2位码为0；第3位A1码为帧失步告警码，当接收端帧同步时，向发送端传送的A1码为0，当接收端帧失步时，向发送端传送的A1码就改为1，以便发送端，接收端已发生帧的，无法工作；其它5位码可供传送其它信息之用，目前均固定为1，这样，奇帧0的8位码为11A11 11 11。c.复帧同步复帧同步是指接收端每复帧的起止时间和发送端一样，它是收发端各对应帧在时间上“对准的保证，使接收端能正确别离出各路的信令码。复帧同步是通过每一复帧中F0帧的16来实现的。复帧F0帧16的前4位传送复帧同步码0000，第6位传送复帧失步告警码A2，复帧同步时，A2为0，复帧失步时，A2为1；第5, 7, 8位三位码，可供传送其它信息用。目前均固定为1。3. 网同步在由数字交换局包括发, 收和转接数字交换机, 数字传输设备等组成的数字通信网中，要使整个通信网的各个交换局有效地进展交换, 转接，就必需使各交换局的时钟频率和相位统一协，保持一样，这就是网同步。实现网同步的方式主要有3种，即准同步方式, 主从同步方式和相互同步方式。采纳这种方式时，各交换局的时钟各自独立，没有任何联系，主要依靠各交换局时钟的精确性，来保证两局间滑码率由时钟频率不等及传输时延改变引起不超过规定范围，以到达同步的目的。由于晶体时钟远远不能满意准同步的要求，所以采纳准同步方式时，一般都要求采纳高精度的铯或铷原子钟，它的频率精度为1×10-11。准同步方式的的优点是：网络构造简洁，交换局间不须要有限制信号来校准时钟精度，不受其它交换局时钟障碍的影响，因而工作稳定, 牢靠，网络的增设和变动都很敏捷。方式是指在数字通信网中选择一个交换局为主局，主局以外的其它各交换局作为从局。在主局内设置一个高精度的时钟如采纳铯原子钟作为基准时钟，通过数字信道也称数字链路传送定时基准信息来强制各从局的晶体时钟及主局的基准时钟同步。这种关系还可逐级下推，使整个数字通信网内全部交换局的时钟都统一于主局基准时钟的频率，从而到达网同步，这种同步方式称为简洁主从同步方式。这种方式的优点是，构造简洁, 经济。其缺点是牢靠性差，一旦主局的基准时钟或链路发生故障，那么从局只好依靠其自身的时钟，临时形成及准同步相像的方式。但由于得不到定时基准信息，可能会导致全网或局部丢失网同步的实力。为了克制上述牢靠性差的缺点，可采纳等级主从同步方式。它将各交换局的时钟分成几个等级。在这种方式中，当主局基准时钟发生障碍时，就由另一个局的时钟代替。所谓是指在数字通信网中不设主时钟，各数字交换局不分主局, 从局，各局的时钟频率工作在一个平均值上，而这个平均值是由每个局的时钟频率和输入该局的其它局的时钟频率求出的。相互同步方式的优点是牢靠性, 稳定性较高，可以降低对时钟的要求，缺点是电路困难，随着时钟稳定度的提高，大局部趋向采纳主从同步方式。4. 我国同步网我国数字通信网采纳分等级的主从同步方式，目前暂将网同步的等级分为4级。第一级时钟为基准时钟。它运用铯原子种，是同步网中的最高基准源，可设置在国际局或指定的一级长途交换中心(C1)，并应设有主用和备用时钟，其频率偏移应小于1×10-11/年；第二级时钟为长途局时钟。它运用有记忆功能, 松耦合的高稳定度晶体时钟，受第一级时钟或第二级时钟限制，设置在各级长途交换中心(C1, C2, C3, C4)，也设置在疏通长途话务的本地网汇接局；第三级时钟为本地网时钟。它运用有记忆功能的一般高稳晶体时钟，受第二级或第三级时钟限制，可设置在本地网中的汇接局及端局；第四级时钟运用一般晶体时钟，它受第三级时钟限制，设置在本地网中的远端模块, 数字程控用户交换机；各交换局的时钟应能通过一个公共接收设备承受两个或两个以上经由数字传输设备送来的同步基准主用和备用。为了进展维护工作；第二, 三级的同步设备应具有完整的监测, 限制和告警功能。习题 30/32系统的帧构造？ 数字通信系统的根本构成？ 位同步和时钟同步的作用？ 常用的多路复用技术有几种？简洁说明。 常见的传输码型有哪几种？理, 测试及维护 邮电部软件中心 人民邮电出版社