数字通信系统概述82.pptx

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1、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。第1页/共81页图4.1 数字通信系统 第2页/共81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)第3页/共81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。第4页/共81页

2、图4.2 噪声叠加在数字信号上的波形 第5页/共81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)(4.1.2)(4.1.3)(4.1.4)第6页/共81页 3.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。第7页/共81页图4.3 脉冲抖动的意义 第8页/共81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

3、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。第9页/共81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：(4.2.1)第10页/共81页图4.4 脉冲信号的正交 第11页/共81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(4.2.2)根据离散和计算有(4.2.3)第12页/共81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

4、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。第13页/共81页图4.5 时分多路复用示意图 第14页/共81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。第15页/共81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

5、接)第16页/共81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。第17页/共81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(4.3.1)(4.3.2)第18页/共81页图4.7 PCM30/32制式帧结构 第19页/共81页数码率

6、(4.3.3)第20页/共81页图4.8 PCM30/32路系统方框图 第21页/共81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。第22页/共81页表4.1 两类速率复接系列比较表 第23页/共81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

7、 第24页/共81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。第25页/共81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)复接帧结构第26页/共81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,正确判断的概率为第27页/共81页 表4.2 34368kb/s

8、复用帧结构 第28页/共81页表4.3 139264kb/s复用帧结构 第29页/共81页表4.4 PDH接口速率、码型表 第30页/共81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。第31页/共81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

9、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。第32页/共81页 图4.11 SDH帧结构 第33页/共81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。第34页/共81页 3)管理单元指针区域 管理单元指针用来指

10、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。第35页/共81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。第36页/共81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。第37页/共81页图4.12 单极性不归零码及功率谱第38页/共81页图4.13 单极性归零码及功率谱第39页/共81

11、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 第40页/共81页 3.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。第41页/共81页 图4.15 HDB3编码波形第42页/共81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 第43页/共81页 4.4.2 扰码与解扰码 在数字光纤

12、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(4.4.1)第44页/共81页图4.16 扰码器原理方框图 (a)扰码器；(b)解扰器第45页/共81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(4.4.2)第46

13、页/共81页图4.17 帧同步扰码器功能图第47页/共81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。第48页/共81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

14、 000晴 001云 010阴 011雨第49页/共81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。第50页/共81页图4.18 分组码结构图第51页/共81页 3.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。(4.

15、4.3)第52页/共81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 矩阵码原理图第53页/共81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系统第54页/共81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

16、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。第55页/共81页表4.6 循环码示例 第56页/共81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。第57页/共81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

17、是由各种加密算法来实现的。第58页/共81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。第59页/共81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

18、 是 正 弦 波 或 余 弦 波f(t)=Asin(t+)。第60页/共81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。第61页/共81页图4.21 二进制基带码的三种调制方式 (a)2ASK；(b)2FSK；(c)2PSK第62页/共81页图4.22 二进制基带信号的调制波形第63页/共81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

19、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。第64页/共81页 图4.23 2DPSK信号的调制与解调(a)调制器原理方框图；(b)解调器原理框图第65页/共81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。第66页/共81页 图4.24 QPSK调制器(a)4PSK框图；(b)矢量图 第67页/共81页图4.25 QPS

20、K相干解调器 第68页/共81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的码序列时间第69页/共81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。第70页/共81页图4.27 OK-QPSK调制器、解调器的组成方框图第71页/共81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

21、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。第72页/共81页图4.28 16QAM和16PSK点群图 (a)16QAM;(b)16PSK第73页/共81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。

22、以上的调制矢量图可用图4.29所示的矢量叠加法来实现。第74页/共81页图4.29 16QAM的四相叠加法矢量图 第75页/共81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。第76页/共81页图4.30 16QAM正交调制法调制器第77页/共81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。第78页/共81页图4.31 正交调幅法第79页/共81页图4.32 多进制QAM相干解调电路第80页/共81页感谢您的观看！第81页/共81页