现代信息技术概论_ch2_数字通信技术基础39621.pptx

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1、第二章 数字通信技术基础参考教材第二章参考教材第二章参考教材第二章参考教材第二章提纲n模拟信号数字化n模拟信号和数字信号n数字通信的特点n脉冲编码技术n时分复用n数字复接技术模拟信号模拟信号n模模拟信号：波形模信号：波形模拟着信息的着信息的变化而化而编号号n特点：幅度特点：幅度连续数字信号数字信号数字信号：幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的而是离散的。数字信号的特点n抗干扰能力强、无噪声积累n便于加密处理、保密性强n便于存储、处理、交换n采用时分复用实现多路通信n设备便于集成化、微型化n便于构成综合数字网和综合业务数字网模拟信号与数字信号的转换模拟信号与数字信号的转换n模拟信号转换成数字

2、信号：A/D转换n经过抽样、量化、编码3个处理步骤n数字信号转换成模拟信号：D/A转换2023/5/17通信网基础7提纲n模拟信号数字化n模拟信号和数字信号n数字通信的特点n脉冲编码技术n时分复用n数字复接技术脉冲编码调制技术n脉冲编码调制：PulseCodeModulation，简称PCM。对信号进行抽样，并对每个样值独立地加以量化，通过编码转换为数字信号的过程。nPCM包括下述三个过程：n抽样n量化n编码与解码1抽样（抽样（sampling）l定定义义：将将在在时时间间和和幅幅度度上上都都是是连连续续的的话话音音信信号号在在时间上离散化时间上离散化的过程的过程l实现：由实现：由抽样门抽样门

3、完成完成l抽样速率？由抽样速率？由抽样定理抽样定理确定确定图2-9抽样过程图2-10正弦波的抽样抽样定理的作用n 近年来通信系近年来通信系统向数字化向数字化发展，模展，模拟数数字的字的转换的基的基础：抽：抽样定理；定理；n 作用：在一定条件下，一个作用：在一定条件下，一个连续时间信号信号完全可以用完全可以用该信号在等信号在等时间间隔点上隔点上样本来本来表示，并且可用表示，并且可用这些些样本本值把信号全部把信号全部恢复恢复出来出来n 电影（影（24帧/秒）：感秒）：感觉是是连续活活动的景象；的景象；n 印刷照片：由很多印刷照片：由很多细小的网点小的网点组成，看起来空成，看起来空间连续；抽样定理的

4、提出n 是不是所有是不是所有时间间隔的理想取隔的理想取样都能反映都能反映原原连续信号的基本特征呢？信号的基本特征呢？n 抽抽样的的时间间隔取多大合适？隔取多大合适？n 目目标：在保留原：在保留原连续时间信号的信号的全部信息全部信息的条的条件下抽取件下抽取尽可能少尽可能少的数据的数据n 方法：方法：时域抽域抽样定理定理抽样定理n一个在一个在 频谱区间频谱区间()以外为零的以外为零的频带有限信号频带有限信号(带限信号带限信号)，可以唯一地由其均匀时间间隔，可以唯一地由其均匀时间间隔 上的取样值上的取样值 确定。确定。n 当取样频率当取样频率 大于或等于信号带宽的两倍时，即大于或等于信号带宽的两倍时

5、，即 时，可以从时，可以从 中恢复原信号。中恢复原信号。n 定义定义 为奈奎斯特取样率。为奈奎斯特取样率。抽样定理根据抽样定理可知，要无失真地恢复原始信号应满足；（3）需通过理想滤波器恢复原始信号（1）模拟信号为带限信号。（2）抽样函数为周期函数序列抽样过程中的失真n 实用的低通滤波器都有一定的过渡带，因此在实际应用中必须满足，并使各相邻边带间有一定的防卫间隔即防卫带n 如：话音信号限制在0.33.4khz频率范围之内，因此，若只传送语音的有效成份，必须把0.33.4khz以外的频率成份去掉，否则会产生折叠失真nITU-T（国际电信联盟电信标准化部门）建议话音信号的抽样频率为8kHz2量化（量

6、化（QuantizingQuantizing）n将幅度连续变化的信号变成离散信号的处理过程称为量化n实质：一个化零取整的过程n方法：样值的最大变化范围划分成若干个相邻的间隔。当某样值落在某一间隔内，其输出数值就用此间隔内的某一个固定值来表示n两种量化方法：均匀量化和非均匀量化n把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化，也称线性量化。n任何一个量化器都有一定的量化范围，通常取-u+u。n量化级数N与量化间隔的关系：=2u/Nn取量化间隔的中间值为量化值，量化最大误差为/2。均匀量化均匀量化图量化过程及量化误差量化噪声和信噪比量化噪声和信噪比n量化量化过程一定会程一定会产生生误差。量化差。

7、量化误差就差就是指是指量化前后信号之差量化前后信号之差，通常用功率来，通常用功率来表示，称之表示，称之为量化噪声量化噪声。n量化量化误差一旦差一旦产生，在接收端就无法消生，在接收端就无法消除除n克服量化噪声的方法：克服量化噪声的方法：n增加量化级数，使量化间隔相对于信号幅增加量化级数，使量化间隔相对于信号幅值的大小可以忽略不计。值的大小可以忽略不计。n均匀量化信噪比：信号平均功率与量化均匀量化信噪比：信号平均功率与量化噪音平均功率之比。噪音平均功率之比。均匀量化的特点均匀量化的特点n量化器的量化噪声随着量化级数M的增加而提高，量化级数的选取是根据量化器的量化信噪比的要求确定的。n无论信号大小，

8、若量化间隔相等，量化的噪声功率不变。=（幅度）小信号的量化信噪比太小，不能满足通信质量要求，大信号的信躁大，远远满足要求。n为解决小信号的量化信噪比太小，需要加大量化级数M；M过大，大信号的信噪比过大，同时编码复杂，信道利用率过低。非均匀量化非均匀量化n非均匀量化的量化原理是量化级间隔随信号幅度的大小自动调整。相对来说，在不增大量化级数的条件下，非均匀量化能使信号在较宽的动态范围内的信噪比达到要求。非均匀量化的特点非均匀量化的特点n信号幅度小时，量化幅度小，量化误差也小；n信号幅度大时，量化间隔大，量化误差也大3编码和解码n编码：把量化后的信号样值变换成对应的二进制码组，又称模数变换n自然二进

9、制码：简单易行；缺点：由3变成4的时候每一位都要变；n格雷码：相邻电平间转换，只有一位发生变化；缺点：每一位码没有确定大小；n折叠二进制码：沿中心电平上下对称，适于表示正负对称的双极性码；n解码：在收信端将收到的二进制码序列还原成相应幅度的量化值，又称数模变换二进制码、格雷码、折叠二进制码量化电平量化电平自然二进制码自然二进制码格雷码格雷码折叠二进制码折叠二进制码00000000111001001010201001100130110100004100110100510111110161101011107111100111PCM信号形成过程示意图2023/5/17通信网基础28提纲n模模拟信号数

10、字化信号数字化n时分复用分复用n时分复用的基本概念分复用的基本概念nPCM30/32路系路系统n时分复用的同步技分复用的同步技术n数字复接技数字复接技术时分复用的基本概念时分复用的基本概念n复用：为了提高信道利用率，使多个信号沿同一信道传输而互相步干扰，这种通信方式称为复用n复用方式：时分复用、频分复用、空分复用等n时分复用：各路信号在同一信道上占有不同时间间隙的通信方式n时隙：每一路所占有的时间间隔量化编码解码信道1路2路n路n路2路1路低通滤波分配器抽样(合路门)分路门低通重建1n221n时分多路通信模型发端收端分配器K1K2PCM30/32PCM30/32路系统的帧结构路系统的帧结构完成

11、数字通信全过程，除对各个话路进行编、解码外，还必须有定时、同步等措施。在数字通信系统中，各种信号（包括加入的定时、同步等信号）都是严格按时间关系进行的。在数字通信中把这种严格的时间关系称为帧结构。一个采样周期（125us）内，每个话路的PCM信号按时分复用方式顺序出现一次所形成的时分复用信号称为帧。图2-18PCM30/32路系统帧结构PCM30/32PCM30/32帧结构帧结构nPCM30/32的帧周期为125us，每一帧有32时隙，每个时隙为：125/32=3.9us。其中TS0是传送帧同步信号，TS16传送信令，其他30路是话音信号。nPCM30/32系统每个话路语言信号抽样频率为：40

12、002hz，每个样值经过量化后编为8位码，每个话路的码速率为64kbit/s；nPCM30/32D总码速率为：2.048Mbit/s，一般记为2M，也称一次群速率，基群速率。PCM30/32PCM30/32帧结构帧结构n复帧：n每一路语音信号都需要信令的支持才能进行通信，PCM30/32系统有30个话路，因此必须传输30路信令；n一路信令信号只需要4bit，1个TS16可以传送两路信令，15个TS16（15帧）可以传送30路信令；n信令信号每隔16帧传送一次，16帧称为1复帧。n同步是数字通信的基本要求之一。如果收同步是数字通信的基本要求之一。如果收端和端和发端不能很好的同步，数字通信是无端不

13、能很好的同步，数字通信是无法法进行的。同步包括行的。同步包括位同步、位同步、帧同步、复同步、复帧同步和网同步。同步和网同步。时分复用的同步技术时分复用的同步技术n位位同同步步的的基基本本含含义是是收收发两两端端的的时钟频率率必必须同同频、同同相相，这样接接收收端端才才能能正正确确接接收收和和判决判决发送端送来的每一个送端送来的每一个码元。元。n数数字字通通信信系系统中中消消息息是是一一串串相相继的的信信号号码元元序序列列，接接收收端端必必须知知道道每每个个码元元的的出出现时刻刻，从从而而对码元元进行行判判别。同同频就就是是要要求求发送送端端发送送了了多多少少个个码元元，接接收收端端必必须产生生

14、同同样多多的判决脉冲。的判决脉冲。位同步位同步位同步示意图位同步示意图n帧同步的作用是同步的作用是实现语音信号的正确分路。音信号的正确分路。接收端不接收端不仅需要正确的区分哪需要正确的区分哪8路比特是一路比特是一组，代表一个抽代表一个抽样值，而且，而且还要正确要正确区分出它是区分出它是代表哪路代表哪路话音信号音信号的。的。n常用方法：常用方法：同步同步码*nPCM帧通通过TS0时隙隙传送同步送同步码：10011011，收端一旦，收端一旦识别出出帧同步同步码10011011：便可：便可知随后的知随后的8位位码为一个一个码字且是第一字且是第一话路的，路的，以此以此类推可以正确接收每一路信号。推可以

15、正确接收每一路信号。帧同步帧同步n复复帧同步：同步：实现信令信号的正确分路信令信号的正确分路。发送送端在端在F0帧TS16时隙的前隙的前4比特插入特殊比特插入特殊码0000，接收端只要，接收端只要识别出出这一一码型，判断出型，判断出是是F0帧，以后依次，以后依次为F1,F2。n F0帧TS16时隙第隙第6位位码A2为复复帧失步失步对告告码，A2=1表示复表示复帧失步，失步，A2=0表示复表示复帧同步。同步。复帧同步复帧同步网同步n现代通信系代通信系统往往在多点之往往在多点之间实现互互连，从而，从而构成通信网。构成通信网。为了保了保证在通信网中各点之在通信网中各点之间可可靠通信，靠通信，则必必须

16、在在网内建立一个网内建立一个统一的一的时间标准，即准，即实现网同步网同步。2023/5/17通信网基础41提纲n模模拟信号数字化信号数字化n时分复用分复用n时分复用的基本概念分复用的基本概念n时分复用的同步技分复用的同步技术nPCM30/32路系路系统n数字复接技数字复接技术数字复接技术定义n数字复接技数字复接技术就是把两个或两个以上分支数字就是把两个或两个以上分支数字信号按信号按时分复用方式分复用方式汇接成接成为单一的复合数字一的复合数字信号的信号的过程。具体来程。具体来说，通，通过数字复接技数字复接技术把把PCM数字信号由低次群逐数字信号由低次群逐级合成合成为高次群以适高次群以适应在高速在

17、高速线路中路中传输。n为什么使用数字复接代替什么使用数字复接代替PCM复用？复用？nPCM复用瓶复用瓶颈在在PCM 30/32路系路系统中，将中，将30路路话音信号分音信号分别用用8kHz抽抽样频率率进行抽行抽样，然后，然后对每个抽每个抽样值编8位位码，其数，其数码率率为30880001920kbit/s，若，若传送送120路路话路，其数路，其数码率将达到率将达到120880007680kbit/s。平均到每个平均到每个样值的的编码时间仅1s多一点，多一点，对编码电路速度及路速度及对元器件元器件的精度的精度 要求很高，不太容易要求很高，不太容易实现。n克服瓶克服瓶颈的技的技术数字复接数字复接把

18、若干个把若干个经过PCM复用的信号（如复用的信号（如30/32路机群系路机群系统）进行行时分复用以形成更多路数的数字通信，分复用以形成更多路数的数字通信，这一一过程称程称为数字复接。数字复接。ITUT两类数字速率和复接等级n为促促进数字通信数字通信设备的通用化，的通用化，ITU-T推推荐了两荐了两类数字速率和复用等数字速率和复用等级，下表，下表显示示出北美，日本，欧洲和中国一次群、二次出北美，日本，欧洲和中国一次群、二次群、三次群、四次群的速率。群、三次群、四次群的速率。n我国一、二、三、四次群（分我国一、二、三、四次群（分别称称为E1、E2、E3、E4）的速率常）的速率常简称称为2Mbit/

19、s、8Mbit/s、32Mbit/s、140Mbit/s。n北美和日本一次群（以北美和日本一次群（以T1表示）的速率表示）的速率简称称为1.5Mbit/s。表表2-1 数字复接系列数字复接系列注意：注意：二次群的标准速率：二次群的标准速率：8448K2048*4，其其他高次群的复接速率也存在类似问题。多出来他高次群的复接速率也存在类似问题。多出来的码元是用来解决帧同步，业务联络和控制等。的码元是用来解决帧同步，业务联络和控制等。地区二次群三次群四次群北美 244=96路6.312Mbit/s967=672路44.736Mbit/s6726=4032路274.176Mbit/s日本244=96路

20、6.312Mbit/s965=480路32.064Mbit/s4803=1440路97.728Mbit/s欧洲中国304=120路8.448Mbit/s1204=480路34.368Mbit/s4804=1920路139.264Mbit/s定时调整复接外部时钟恢复分接定时同步外线高次群分支3分支4分支1分支2分支3分支4复接器分接器数字复接系统方框图分支1分支2数字复接原理n数字复接系数字复接系统由数字复接器和数字分接器由数字复接器和数字分接器 组成。其成。其中数字复接器由中数字复接器由调整、定整、定时、复接、复接三个三个单元元组成，成，完成数完成数码流的合路。数字分接器由同步、定流的合路。数

21、字分接器由同步、定时、分、分接和恢复接和恢复单元元组成，在接收端把收到的高成，在接收端把收到的高 次群分离次群分离到各分支路中去。到各分支路中去。n供供给时钟频率使分接器与复接器基准率使分接器与复接器基准时钟保持同步。保持同步。n调整整单元的作用是把元的作用是把各各输入支路信号的入支路信号的码速速调整到整到与定与定时信号信号完全一致信号信号完全一致，由复接，由复接单元元对各支路复各支路复接形成一个合路数接形成一个合路数码流，称流，称为高次群。接收端的分高次群。接收端的分接、恢复接、恢复单元元则实现复接、复接、调整的反整的反过程。程。数字复接方式n按位复接按位复接依照被复接支路的依照被复接支路的

22、顺序，每次只取一个支路的一位序，每次只取一个支路的一位码进行复接行复接 n按字复接按字复接按字复接是每次复接一个支路的一个按字复接是每次复接一个支路的一个码字字 n按按帧复接复接 按按帧复接是每路每次插入一个复接是每路每次插入一个帧的复接方式的复接方式 同步复接与异步复接n同步复接：被复接的各同步复接：被复接的各输入支路之入支路之间，以及同复，以及同复接器之接器之间均是同步的，此均是同步的，此时复接器便可直接将低复接器便可直接将低支路数字信号复接成高速的数字信号支路数字信号复接成高速的数字信号n 异步复接：被复接的各异步复接：被复接的各输入支路之入支路之间及与复接器及与复接器的定的定时信号之信

23、号之间均是异步的，其均是异步的，其频率率变化范化范围不不在允在允许的的变化范化范围之内，也不之内，也不满足复接条件，必足复接条件，必须进行行码速速调整整方可方可进行复接。行复接。各支路瞬时数码率不稳定产生的重叠n由于各分支路由于各分支路码流的速率可能存在着微小的差流的速率可能存在着微小的差异，所以在异，所以在进行复接后数行复接后数码之之间就有可能在某就有可能在某一段一段发生重叠，数生重叠，数码重叠重叠让接收端无法分辨出接收端无法分辨出支路信号。支路信号。数码率不同产生的数码重叠解决方法正码速调整法n完成从完成从较低速的数低速的数码率到率到较高速数高速数码率率调整的整的过程称程称为正正码数数调整

24、整。n正数正数码率率调整一般采用整一般采用缓冲存冲存储器低速入高速器低速入高速出的原出的原则，对每一个支路分每一个支路分别进行行调整，各支整，各支路路码流分流分别进入各自的入各自的缓冲存冲存储器，各器，各缓冲存冲存储器的器的读入入码速率稍有不同，但速率稍有不同，但读出速率保持出速率保持相同。相同。本章小结l 脉冲编码调制PCMl抽样定理的内容l 均匀量化，非均匀量化l 同步技术l PCM30/32帧结构l 复接技术（同步和异步）模拟信号数字化的三个步骤非均匀量化的非均匀是指的_的不均匀。量化噪声的产生是由_。一次群PCM30/32（即E1帧）结构中，一个复帧包含（）个单帧，其中奇帧（）个，偶帧（）个，如何鉴定是奇帧还是偶帧，由（）确定。每一个单帧一共包含（）个时隙，传输每一个单帧一共需要多少时间（）？每一单帧中第一个时隙起什么作用？信令时隙是哪一个时隙？每一个单帧包含多少个用户时隙？E1，E2，E4的速率是多少？数字通信的最大的缺点是什么？首先解释一下“调制”的含义，然后论述数字通信系统中基带传输和频带传输的含义？电话通信中采用8Khz作为采样频率的原因是什么？请解释一下。一次群E1速率是多少，如何计算出来的，要描述过程。名词解释：时分多路复用TDM；频分复用FDM；作业