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第4章数字通信系统概述本讲稿第一页，共八十二页第4章 数字通信系统概述 l4.1 数字通信系统模型数字通信系统模型l4.2 数字复接技术数字复接技术l4.3 数字传输信号帧结构数字传输信号帧结构l4.4 数字传输信号的处理数字传输信号的处理l4.5 数字信号的调制与解调数字信号的调制与解调 本讲稿第二页，共八十二页 4.1 数字通信系统模型 4.1.1 数字通信系统模型结构 完成数字信号产生、变换、传递及接收全过程的系统称之为数字通信系统。数字通信系统的模型可用图4.1来描述。本讲稿第三页，共八十二页图4.1 数字通信系统 本讲稿第四页，共八十二页4.1.2 数字通信系统的主要性能指标 1.数字传输系统传输速率 1)信息传输速率 2)码元(符号)传输速率 转换公式为(4.1.1)本讲稿第五页，共八十二页 2.误码 1)误码概念 在数字通信中是用的脉冲信号,即用“1”和“0”携带信息。由于噪声、串音及码间干扰以及其他突发因素的影响,当干扰幅度超过脉冲信号再生判决的某一门限值时,将会造成误判成为误码,如图4.2所示。本讲稿第六页，共八十二页图4.2 噪声叠加在数字信号上的波形 本讲稿第七页，共八十二页2)误码积累 在实际的数字通信系统中,含有多个再生中继段,上面讲的误判产生的误码率是指在一个中继段内产生的,当它继续传到下一个中继段,也有可能再产生误判,但这种误判把原来误码纠正过来的可能性极少。产生错误码元(个数)传输的总码元(个数)本讲稿第八页，共八十二页4.抖动 1)抖动概念 所谓抖动,是指在噪声因素的影响下，数字信号的有效瞬间相对于应生成理想时间位置的短时偏离。本讲稿第九页，共八十二页图4.3 脉冲抖动的意义 本讲稿第十页，共八十二页 2)抖动容限 抖动容限一般是用峰峰抖动Jp-p来描述的。它是指某个特定的抖动比特的时间位置相对于该比特抖动时的时间位置的最大部分偏离。本讲稿第十一页，共八十二页4.2 数字复接技术 4.2.1 数字多路通信原理 数字多路通信也叫做时分多路通信,所谓时分多路通信,是利用多路信号(数字信号)在信道上占有不同的时间间隙来进行通信的。多路通信的基础源于数学上信号的正交性：l 本讲稿第十二页，共八十二页图4.4 脉冲信号的正交 本讲稿第十三页，共八十二页 对于不是连续信号,如时分制中的脉冲信号,只能用离散和来代替以上积分,即 根据离散和计算有本讲稿第十四页，共八十二页 如第2章PCM脉冲编码技术所述,由抽样定理把每路话音信号按8000次/s抽样,对每个样值编8位码,那么第一个样值到 第 二 个 样 值 出 现 的 时 间,即1/8000s(=125s),称 为 抽 样 周 期T(=125s)。在这个T时间内可间插许多路信号直至n路,这就是时间的可分性(离散性),就能实现许多路信号在T时间内的传输。其多路通信模型如图4.5所示。本讲稿第十五页，共八十二页图4.5 时分多路复用示意图 本讲稿第十六页，共八十二页 4.2.2 数字信号复接技术 数字复接,就是利用时间的可分性,采用时隙叠加的方法把多路低速的数字码流(支路码流),如图4.6(a)所示,在同一时隙内合并成为高速数字码流的过程。本讲稿第十七页，共八十二页 图4.6 按位复接和按字复接示意图(a)一次群(基群)；(b)二次群(按位数字复接)；(c)二次群(按字数字复接)本讲稿第十八页，共八十二页4.3 数字传输信号帧结构 帧结构一般都采用由世界电信组织建议的统一格式,为保证数字通信系统正常工作,在一帧的信号中应有以下基本信号:帧同步信号(帧定位信号)及同步对告信号;信息信号;其他特殊信号(地址、信令、纠错等信号);勤务信号。本讲稿第十九页，共八十二页4.3.1 PCM30/32路基群帧结构 时隙信号作如下安排：1)30个 话 路 时 隙:TS1TS15,TS17TS31 2)帧同步时隙:TS0 3)信令复帧时隙:TS16 每一路时隙tc为码字位数L=8,故每一位时隙tB为 本讲稿第二十页，共八十二页图4.7 PCM30/32制式帧结构 本讲稿第二十一页，共八十二页数码率 本讲稿第二十二页，共八十二页图4.8 PCM30/32路系统方框图 本讲稿第二十三页，共八十二页 4.3.2 准同步数字复接(PDH)系列帧结构(以PCM30/32路为基础)1.准同步复接(PDH)系列 根据不同需要和不同传输介质的传输能力,要有不同的话路数和不同的速率复接形成一个系列,由低向高逐级进行复接，这就是数字复接系列。倘若被复接的几个支路(低等级支路信号)是在同一高稳定的时钟控制下,它们的数码率是严格相等的,即各支路的码位是同步的。本讲稿第二十四页，共八十二页表4.1 两类速率复接系列比较表 本讲稿第二十五页，共八十二页 2.2.048Mb/s速率接口的(PDH)复接系列二次群帧结构 图4.9 数字复接示意图 本讲稿第二十六页，共八十二页 在每支路复接时码率究竟如何调整呢?CCITT推荐的速率系列PDH二次群速率为8.448Mb/s。CCITTG.742推荐的正码速调整(增加码位)准同步复接系列PDH二次群的帧结构中各支路的比特安排 如 图 4.10(a)所 示,它 的 复 接 帧 如 图4.10(b)所 示,帧 长 848比 特,帧 周 期 为100.38s。本讲稿第二十七页，共八十二页 图4.10 异步复接二次群帧结构(a)基群支路插入码及信息码分配；(b)复接帧结构本讲稿第二十八页，共八十二页 采用三位标志码Cij便于多数判决以决定分接时“去塞”与否,其正确判断的概率为当误码率Pe=10时,正确判断的概率为本讲稿第二十九页，共八十二页 表4.2 34368kb/s复用帧结构 本讲稿第三十页，共八十二页表4.3 139264kb/s复用帧结构 本讲稿第三十一页，共八十二页表4.4 PDH接口速率、码型表 本讲稿第三十二页，共八十二页 4.3.3 同步数字复接(SDH)系列帧结构 1.同步数字复接系列SDH 通信容量越来越大,业务种类越来越多,传输的信号带宽越来越宽,数字信号传输速率越来越高。这样便会使PDH复接的层次越来越多,而在更高速率上的异步复接/分接需要采用大量的高速电路,这会使设备的成本、体积和功耗加大,而且使传输的性能恶化。本讲稿第三十三页，共八十二页 2.SDH同步数字复接系列帧结构 按世界ITUT1995年G.707协议规范,SDH的数字信号传送帧结构安排尽可能地使支路信号在一帧内均匀地、有规律地分布,以便于实现支路的同步复接、交 叉 连 接、接 入/分 出(上/下 Add/Drop),并能同样方便地直接接入/分出PDH系列信号。为此,ITUT采纳了以字节(Byte)作为基础的矩形块状帧结构(或称页面块状帧结构),如图4.11所示。本讲稿第三十四页，共八十二页 图4.11 SDH帧结构 本讲稿第三十五页，共八十二页 1)信息净负荷区域 信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息负载的地方。2)段开销区域 段开销(SectionOverHead)是STM帧结构中为了保证信息净负荷正常、灵活传送所必须的附加字节,是供网络运行、管理和维护使用的字节。本讲稿第三十六页，共八十二页 3)管理单元指针区域 管理单元指针用来指示信息净负荷的第一个字节在STM帧中的准确位置,以便在接收端能正确地分接信息净负荷信号。本讲稿第三十七页，共八十二页 4.4 数字传输信号的处理4.4.1信道编码变换 根据电缆信道的特点及传输数字信号的要求,要满足以下几个条件:码型中,高、低频成分少,无直流分量。在接收端便于定时提取。码型应具有一定的检错(检测误码)能力。设备简单、易于实现。本讲稿第三十八页，共八十二页 1.不归零码和归零码 通常,常见的码型(脉冲波形)有不归零码(NRZ)和归零码(RZ),对应波形及频谱如图4.12、4.13所示。本讲稿第三十九页，共八十二页图4.12 单极性不归零码及功率谱本讲稿第四十页，共八十二页图4.13 单极性归零码及功率谱本讲稿第四十一页，共八十二页2.双极性半占空码(AMI)AMI码编码规律及频谱如图4.14所示。图4.14 AMI码及功率谱 本讲稿第四十二页，共八十二页 4.HDB3码 HDB3码是三阶高密度双极性码的简称。HDB3码保留了AMI码的所有优点,还可将连零码限制在3个以内,克服了AMI码如果长连零过多对提取定时不利的缺点。HDB3码的功率谱与AMI码类似。本讲稿第四十三页，共八十二页 图4.15 HDB3编码波形本讲稿第四十四页，共八十二页 4.CMI码 准同步PDH四次群接口码型采用传号反转码(CMI),主要适用于光纤通信系统传输。CMI码编码规则如表4.5所示。表4.5 CMI码编码规则 本讲稿第四十五页，共八十二页 4.4.2 扰码与解扰码 在数字光纤及数字卫星通信等长途传输中,为了保证收端定时恢复,使原数字信息码流中限制“0”码或“1”码的长度,并使“1”与“0”出现的概率几乎相等。扰码器原理实际上就是m序列与传输数字信息模二加,完成输入数字序列的扰乱,这样实现的扰码器原理框图如图4.16(a)所示。由图可得扰码器输出序列LK为本讲稿第四十六页，共八十二页图4.16 扰码器原理方框图 (a)扰码器；(b)解扰器本讲稿第四十七页，共八十二页 在接收端要恢复出原始数字序列,需要一个结构与发端相同的m序列发生器与传输序列LK模二加实现解扰,其原理方框图如图4.16(b)所示。如图中所示,它与扰码器的反馈网络相对应,可得到解扰方程为本讲稿第四十八页，共八十二页图4.17 帧同步扰码器功能图本讲稿第四十九页，共八十二页 4.4.3 差错控制(纠错编码)1.差错控制基本概念 在数字信号传输过程中,由于信道受到噪声或干扰的影响,信号码元的波形传到接收端就可能会发生错误。为了把这些错误减少到人们预期要求的最低限度,人们在数字码流中加入一些附加码元(称监督码元),并采用一种特殊的编码方式进行差错控制。本讲稿第五十页，共八十二页 2.差错控制编码基本原理 我们举例来说明纠错编码的基本原理。如用两位二进制码组22=4可表示四种天气情况:00晴,01云,10阴,11雨,如果四组码中任意错一位码,则将一种天气变为另一种天气。如果把码组增加到3位23=8构成码组来表示,则有 000晴 001云 010阴 011雨本讲稿第五十一页，共八十二页 一般分组码用符号(n,k)表示,其中,k是每组码中信息码元数目,n为码组的总位数,又称码组的长度(码长),附加码元数为r,又称监督码元数。r=n-k,如用ai表示码位,则纠错编码码组结构如图4.18所示。本讲稿第五十二页，共八十二页图4.18 分组码结构图本讲稿第五十三页，共八十二页 4.差错控制的编码方式 差错控制的编码方式一般分为三类,一类称为“反馈纠错”,另一类称为“前向纠错”,在此两类基础上派生出的第三类称为“混合纠错”。1)反馈纠错 (1)奇偶监督码。一般的奇偶监督码分两种,一种叫奇数监督,它的编码规则是在一个码组中使“1”的数目为奇数。本讲稿第五十四页，共八十二页(2)行列监督码。行列监督码是在前面奇偶监督码基础上发展而来的。行列监督码是二维奇偶监督码,又称为矩阵码,它能用以纠正突发差错为目标的简单编码。矩阵码原理如图4.19所示。图4.19 矩阵码原理图本讲稿第五十五页，共八十二页(3)自动要求重发ARQ(AntomaticRepeatRequest)。自动要求重发是一种实用的反馈纠正方法,如图4.20所示。图4.20 ARQ系统本讲稿第五十六页，共八十二页 2)前向纠错 (1)循环码。循环码是一种分组码,它是在严密的数学模型基础上建立起来的,它有三个主要的数字特征:循环码的码组中,任意两个码组之和(模二加)必定为该码组集合中的一个码组。循环码每个码组中,各码元之间存在一个循环依赖关系。循环码的码组之间具有循环性,即循环码中任一组循环一位(将最右端的码移至左端或反之)以后仍为该码组集合中的一个码组。本讲稿第五十七页，共八十二页表4.6 循环码示例 本讲稿第五十八页，共八十二页 (2)卷积码。卷积码又称连环码,它与上述的循环码(分组码)不同,这种编码也是在信码之中插入监督码元,但不实行分组监督,而是每一监督码元都要对前后的信息单元起监督作用。整个编/解码过程是一环扣一环连续地进行下去的,所以称连环码。本讲稿第五十九页，共八十二页 4.数字加密技术 1)数字信号传输加密 在数字信息进入传输信道前进行加密处理,可以以很小的代价,换取对信息很大的安全保护。信息加密处理是由各种加密算法来实现的。本讲稿第六十页，共八十二页 2)数字终端加密技术 对于特殊用户的数字信号,如银行的数据信号、信用卡的数字信号以及其他终端的数字信号，在加密后传输,收端予以认证即可。这就要求终端有一个安全模块(SM),能存放个人识别码IPN密钥Ki和加密算法等信息,并带有CPU,能执行加密算法和认证等功能。本讲稿第六十一页，共八十二页4.5 数字信号的调制与解调 4.5.1 数字信号的无线传输 数字信号通过空间以电磁波为载体传输到对方,称为无线传输。我们把要传送的数字信号称为数字基带信号。携带数字基带信号的电磁波为一振荡波,通常称为载波,最简单的就是正弦波或余弦波f(t)=Asin(t+)。本讲稿第六十二页，共八十二页 4.5.2 数字信号的调制与解调 1.三种基本调制方式 1)幅移键控 幅移键控就是数字信号振幅调制。2)频移键控 频移键控就是数字信号频率键控。3)相移键控 相移键控就是数字信号相位控制。本讲稿第六十三页，共八十二页图4.21 二进制基带码的三种调制方式 (a)2ASK；(b)2FSK；(c)2PSK本讲稿第六十四页，共八十二页图4.22 二进制基带信号的调制波形本讲稿第六十五页，共八十二页 2.二相相对调相与解调 所谓相对调相,不是像绝对调相那样对应数字信号“1”和“0”以固定的相位关系,而是一种相对的关系,其调制规律为:当遇到基带信号“1”码时,载波的相位相对于前一个码元相位改变(即倒相)；当遇到“0”码时,载波的相位相对于前一个码元相位不变。此规律也可反用之。本讲稿第六十六页，共八十二页 图4.23 2DPSK信号的调制与解调(a)调制器原理方框图；(b)解调器原理框图本讲稿第六十七页，共八十二页 3.四相相对调相与解调 (1)四相相对调制(QPSK)方式。QPSK采用“反射编码”(格雷码)相位逻辑编码方法,这种方法用得较多。图4.24是QPSK调制器的组成框图(图(a)和工作原理矢量图(图(b)。图4.25为QPSK相干解调方框图。本讲稿第六十八页，共八十二页 图4.24 QPSK调制器(a)4PSK框图；(b)矢量图 本讲稿第六十九页，共八十二页图4.25 QPSK相干解调器 本讲稿第七十页，共八十二页 (2)OK-QPSK调制方式。在卫星通信中还使用一种OK-QPSK调制方式。OK-QPSK调制方式是偏移四相相移调制方式,主要在卫星通信中应用。图4.26 OK-QPSK的码序列时间本讲稿第七十一页，共八十二页 采用这种调制方式后,前后码元之间只有0、90、-90三种相位变化,从而克服了因180相位变化带来的缺点。OK-QPSK调制器、解调器的组成方框图如图4.27所示。本讲稿第七十二页，共八十二页图4.27 OK-QPSK调制器、解调器的组成方框图本讲稿第七十三页，共八十二页 *4.5.3组合调制方式 1.MQAM调制方式 1)16QAM调制 QAM调制方式是既调幅又调相的调制方式，属于组合调制方式。我们以16QAM为例进行简单分析。16QAM已调波用矢量图表示时有16个矢量,如图4.28(a)所示,其矢量的长短不一(幅度不等),与16PSK比较(图4.28(b)所示),16个矢量端点不再被限制在一个圆周上,使矢量端点之间的距离较远。本讲稿第七十四页，共八十二页图4.28 16QAM和16PSK点群图 (a)16QAM;(b)16PSK本讲稿第七十五页，共八十二页 在解调时,区别相邻已调波矢量就比较容易,故误码率低。当把坐标原点与各矢量端点连线(即画出矢径)后,可以看出,各已调波矢量的幅度和相位都发生了变化,所以说,QAM方式的已调波是既调相又调幅的调幅调相信号。以上的调制矢量图可用图4.29所示的矢量叠加法来实现。本讲稿第七十六页，共八十二页图4.29 16QAM的四相叠加法矢量图 本讲稿第七十七页，共八十二页 2)16QAM正交调制器 QAM调制的调制器电路有正交调制法和四相叠加法,我国目前使用的设备基本是前者,其调制方框图如图4.30所示。本讲稿第七十八页，共八十二页图4.30 16QAM正交调制法调制器本讲稿第七十九页，共八十二页 3)多进制正交调幅(MQAM)与其解调方式 前面讲述了16QAM调制信号的概念和实现调制的方法。更多相位调制(多进制)的调幅(MQAM)可由16QAM推广而得到。其正交MQAM调制原理如图4.31所示,通过对数字基带信号的串/并变换及电平变换后再送入线性调制器,进行正交调幅,经合成为MQAM调制信号。MQAM的解调原理如图4.32所示。本讲稿第八十页，共八十二页图4.31 正交调幅法本讲稿第八十一页，共八十二页图4.32 多进制QAM相干解调电路本讲稿第八十二页，共八十二页