數(shù)字通信基本原理一

數(shù)字通信系統(tǒng)

二

語音信號的數(shù)字化

三．幾種常見碼型

四．時分多路復(fù)用

五PCM幀結(jié)構(gòu)

六．PCM高次群

七．定時與同步一數(shù)字通信系統(tǒng)㈠信號信號可用來傳輸信息。信息可用語言、文字、圖象等表達，但在很多情況下，這些表達信息的語言文字不便于直接傳輸。因此在近代科學(xué)技術(shù)中，常用電信號來傳送各種信息，即利用一種變換設(shè)備把各種信息轉(zhuǎn)換為隨時間作相應(yīng)變化的電流或電壓進行傳輸。這種隨信息作相應(yīng)變化的電壓或電流就是電信號。由消息轉(zhuǎn)換成的電信號可分為兩類：模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號是指時間和幅度都連續(xù)的信號。數(shù)字信號是指時間和幅度都離散的信號。如圖1-1電壓100時間a.模擬信號b.數(shù)字信號1-1模擬信號及數(shù)字信號的模型㈡數(shù)字系統(tǒng)以數(shù)字信號的方式來傳輸消息的通信系統(tǒng)，叫數(shù)字通信系統(tǒng)。典型的數(shù)字通信系統(tǒng)的組成如圖1-2。信宿電/非電信源譯碼信道譯碼信道信道編碼信源編碼非電/電信源信宿電/非電信源譯碼信道譯碼信道信道編碼信源編碼非電/電信源噪聲干擾噪聲干擾1-2典型數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 信源即是發(fā)信者。通常的信源指電話機、攝象機及各種數(shù)字終端設(shè)備。 信源編碼的作用是對信號進行編碼，去除或減少冗余度，把能量集中起來縮窄占據(jù)頻帶，從而提高數(shù)字傳輸?shù)挠行?。例如進行模擬信號變換為數(shù)字信號的過程（A/D轉(zhuǎn)換），PCM編碼。 信道編碼。由于傳輸信道上噪聲的干擾，數(shù)字信號在傳輸中可能會發(fā)生差錯，導(dǎo)致信息傳輸質(zhì)量下降。為了在接收端自動檢出錯碼或糾正錯碼，使差錯控制在允許范圍內(nèi)，可在信源編碼后的數(shù)字信號中按一定規(guī)律加一定數(shù)量的數(shù)字碼（監(jiān)督碼），形成新的數(shù)字信號，這種新的信號間的關(guān)系形成較強的規(guī)律性，使收端可檢查或糾正差錯。信道編碼是將信息比特變換為適合于信道傳輸?shù)臄?shù)字信號，它是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，提高數(shù)字傳輸?shù)目煽啃?，即改善系統(tǒng)的誤碼性能。信道和噪聲：信道指傳輸信號的通道。按傳輸媒質(zhì)可分為有線信道和無線信道兩類。有線信道包括明線、同軸電纜、光纜等。無線信道包括微波中繼、衛(wèi)星和各種散射等。信道在傳輸中會受到各種噪聲的干擾，通常把所有的噪聲干擾都折合到信道中，成為一個等效噪聲源。㈢數(shù)字通信的主要特點A、抗干擾能力強，無噪聲積累因數(shù)字信號以0、1兩個數(shù)碼形式傳輸，被噪聲干擾和經(jīng)衰減后的數(shù)字信號，在沒惡化到不可正確判斷之前，可用再生的方法恢復(fù)成原來的信號。只要再生設(shè)備設(shè)定位置適當，可認為噪聲干擾不會對傳輸信號產(chǎn)生不良影響，即不會出現(xiàn)噪聲積累。因而數(shù)字傳輸適用較遠距離傳輸，也能適應(yīng)性能差的信道。B、保密性強，易于實現(xiàn)檢錯糾錯數(shù)字信號是模擬信號經(jīng)過信源編碼后形成的。它本身已具有一定的保密性，同時數(shù)字信號便于碼型轉(zhuǎn)換，進行加密處理，還可通過信道編碼實現(xiàn)檢錯，糾錯功能。C、便于建立綜合通信網(wǎng)數(shù)字傳輸和數(shù)字交換結(jié)合，有利于傳輸和交換多種業(yè)務(wù)的數(shù)字信息，實現(xiàn)多種業(yè)務(wù)信息的綜合通信。為建立綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDN提供必要條件。D、設(shè)備可集成，微型化由于設(shè)備多數(shù)屬于數(shù)字電路，可采用集成元件，能做到集成度高，體積小，耗電低和成本低，且便于生產(chǎn)和維護。占用頻帶寬數(shù)字傳輸也有缺點，它與模擬信號傳輸相比，占用傳輸頻帶寬，如傳輸一路數(shù)字化語音信息占64khz的帶寬，而傳輸一路模擬信息只需占4khz的帶寬。然而隨著微波和衛(wèi)星信道及光線信道的迅速發(fā)展（它們有很寬的帶寬），使占用傳輸頻帶寬的矛盾逐漸縮小。因而數(shù)字傳輸?shù)膽?yīng)用日益廣泛。二語音信號的數(shù)字化要將模擬信號在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中進行傳遞，就必須用信源編碼器對話音信號進行模數(shù)變換。語音信號模數(shù)變換的方法很多，如脈沖編碼調(diào)制，增量調(diào)制和參數(shù)編碼等，其中用得較為廣泛的是脈沖編碼調(diào)制。話音信號（模擬信號）數(shù)字化的過程是：取樣──量化──編碼。㈠取樣──信號在時間上的離散化話音信號不僅在幅度取值上是連續(xù)的，而且在時間上也是連續(xù)的，參見圖1-1(a)。取樣就是每隔一定的時間間隔(T)對在時間上連續(xù)的話音信號抽取瞬時幅值的過程，簡稱取樣或抽樣。取樣后所得到的一串在時間上離散的序列信號稱為樣值序列信號，或取樣信號，參見圖1-3。1-3模擬信號的取樣將話音信號取樣后，所得取樣信號在信道上占用的時間被壓縮了，因而它為時分復(fù)用奠定了基礎(chǔ)，同時也為數(shù)字化提供了條件。但取樣信號中必須含有原始話音信號的信息，并要求在接收端能將取樣信號恢復(fù)成原始話音信號。為了達到上述要求，取樣的時間間隔T(取樣周期)不能太長，或者說取樣頻率不能太低。由取樣定理──奈奎斯特定理可知：取樣頻率(fs)應(yīng)大于傳輸信號中最高頻(fm)的兩倍。即fs＞2fm。在電話通信系統(tǒng)中，用3400赫作為最高頻率(fm)已能很好滿足用戶的要求?？紤]到一定的冗余，目前PCM通信規(guī)定話音信號的取樣頻率fs為8000赫，即fs＝8000赫。取樣周期T＝1/fs＝1/8000＝125us(微秒)。為了在取樣前把話音信號中大于fm(fm＝3400赫)的頻率成分去掉，在取樣器要設(shè)置一個上限頻率為3400赫的低通濾波器，使最高頻率限制在3400赫。㈡量化──信號在幅值上的離散化取樣化所得到的取樣信號雖在時間上是離散的，但它在幅度取值上仍是連續(xù)的，即它可以是輸入模擬信號幅值中的任意幅值，或者說可有無限多種取值，它不能用有限個數(shù)字來表示，它仍屬模擬信號。要想使它成為數(shù)字信號，還需把它的取樣值進行離散化處理，將幅值為無限多的連續(xù)信號，變換成幅值為有限數(shù)目的離散信號，這一幅值上離散化處理的過程稱為量化。量化就是“分級”的意思，量化采用類似“四舍五入”的方法，使每一個取樣值用一個相近的幅值來近似。量化方法可分為線性量化和非線性量化法。a.線性量化線性量化也稱均勻量化，它把輸入的取樣值的范圍劃分為若干等距離的小間隔，每個小間隔叫做一個量化級。當某一輸入的取樣值落在某一間隔內(nèi)時，就用這個間隔內(nèi)的中間值來近似地表示這個取樣值的大小，并以此值輸出。這樣大信號和小信號的絕對誤差相同，而對小信號來說，相對誤差（噪聲）很大，也就是說信噪比小，不能滿足語音信號的傳輸要求。（注：信噪比為輸出的信號功率與噪聲功率之比。信噪比越大，說明通信質(zhì)量越好）b.非線性量化非線性量化（又稱非均勻量化）就是使用不等的量化級差（間隔），小信號分級密，量化級差小；大信號分級疏，量化級差大?；蛘哒f量化間隔△隨著信號幅值的減小而縮小，使信號幅值在較寬的動態(tài)范圍內(nèi)的信噪比都能達到指標規(guī)定的要求。非線性量化是利用壓縮和擴展的方法來實現(xiàn)的。不同幅值的信號經(jīng)過具有壓縮特性的放大器后對小信號的幅度有較大的放大作用，而對大信號的幅度則有壓縮作用。這樣在對經(jīng)過放大后的取樣小信號進行量化時，就使小信號的量化誤差相對減少，信噪比得到改善，如果放大作用大，則改善的程度也大；至于大信號經(jīng)壓縮、量化后，信噪比將降低，結(jié)果使話音信號在整個動態(tài)范圍內(nèi)的信噪比基本上相差不多，且都能滿足規(guī)定的要求。國際上允許采用兩種折線形壓擴特性：13折線A律壓擴特性和15折線u律壓擴特性，美采用u律，我國與歐洲規(guī)定采用A律。㈢編碼模擬信號經(jīng)過取樣和量化以后，在時間上和幅度取值上都變成了離散的數(shù)字信號。如果量化級數(shù)為N，則信號幅度上有N個取值，形成有N個電平值的多電平碼。但這種具有N個電平值的多電平碼信號在傳輸過程中會受到各種干擾，并會產(chǎn)生畸變和衰減，接收端難以正確識別和接收。如果信號是二進制碼，則只要接收端能識別出是“1”碼還是“0”碼即可。所以二進制碼具有抗干擾能力強的優(yōu)點，且容易產(chǎn)生，在數(shù)字通信中，一般都采用二進制碼。量化級為N時，則量化離散值共有N個。將每個離散值用一組二進制碼表示。這一組二進制碼的位數(shù)為L，則有2L＝N。L為碼字位數(shù)，如：23＝8，將多電平碼變成二進制碼的過程稱為編碼，N經(jīng)過量化后，形成±128個數(shù)量級，用8位碼表示，其中第一位碼為極性碼，第二、三、四位為段落碼，最后四位為段內(nèi)碼，如圖1-4。極性碼段落碼段內(nèi)碼圖1-4PCM碼字的分配三．幾種常見碼型語音信號經(jīng)過取樣、量化、編碼后形成的二進制數(shù)字信號，一般是單極性不歸“0”碼，它只有0和1碼㈠單極性不歸零碼（NRZ）NRZ是簡單的二進制數(shù)字信號，其頻譜包含有直流分量與較多的低頻分量，只能用于設(shè)備內(nèi)部傳輸及交換，不能作為在電纜信道上進行基帶傳輸?shù)拇a型。在電纜信道上的傳輸碼型應(yīng)不包含直流分量和只允許有少量低頻分量。為了適應(yīng)電纜信道的傳輸特性，必須對編碼后的單極性數(shù)字信號進行碼型變換，使變換后的碼型能適應(yīng)電纜信道傳輸?shù)囊?。極性交替反轉(zhuǎn)碼和三階高密度雙極性碼是在電纜信道上進行基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型。㈡極性交替反轉(zhuǎn)碼（AMI）極性交替反轉(zhuǎn)碼（AMI碼）又稱偽三元碼，有“0”碼，“＋1”碼和“－1”碼（三元），如圖1-11(b)所示。二進制碼中的“0”碼對應(yīng)AMI中的“0”碼，而二進制碼中的“1”碼則對應(yīng)AMI中交替變化的“＋1”和“－1”。例如：二進制碼序列：1101000011AIMI碼序列：＋1－10＋10000－1＋1由于AMI碼中極性碼（“1”碼）的極性是交替反轉(zhuǎn)的，所以稱為極性交替反轉(zhuǎn)碼；又由于極性碼是雙極性的，所以也稱為三元雙極性碼。AMI碼正、負極性交替出現(xiàn)，故直流分量為零，低頻分量也較少，且便于檢查，適用于電纜信道傳輸。AMI碼也有其缺點，主要是在碼流若出現(xiàn)連續(xù)多個“0”碼（稱連“0㈢三階高密度雙極性碼三階高密度雙極性碼（HDB3碼）將連“0”碼給予限制，使之不超過3個，它既保持了AMI碼的優(yōu)點（無直流分量，低頻分量少），又克服了AMI碼的連“0”碼所引起的缺點，因此，在PCMHDB3碼a.連續(xù)的“0”碼不超過3個時，與AMIb.連續(xù)的“0”碼出現(xiàn)4個時，則將4個連續(xù)的“0”碼用被稱為“取代節(jié)”的000V或B00V來代替。V、B都是附加的極性碼（“取代碼V和B的安排原則：⒈出現(xiàn)4個連續(xù)的“0”碼時，將第4個“0”碼變換成極性碼V碼（簡稱V碼），此碼或為“＋1”（以V＋表示）碼，或為“－1”（以V_表示）碼。V碼的安排如圖1-5(c)所示；⒉各V碼本身之間極性交替反轉(zhuǎn)（如圖1-5(c)中V1、V2、V3之間極性交替反轉(zhuǎn)），以保證V碼的插入不引起直流分量；⒊V碼必須與前鄰的極性碼（“1”碼）保持同極性，以保證接收端能識別V碼，例如圖1-5(c)中，V1與a4同極性，V2與a9同極性。由于V碼破壞了極性交替反轉(zhuǎn)的規(guī)律，所以V碼在位被稱為破壞點；⒋“各V碼之間極性交替反轉(zhuǎn)的原則”和“V碼與前鄰極性碼同極性的原則”必須同時滿足。兩個原則同時得到滿足的條件是：相鄰兩V碼之間的原始極性碼的個數(shù)為奇。例如，圖1-5(c)中V2與V1之間只有一個a9極性碼；但在V2與V3之間的原始極性碼（a14、a15、a19、a22）的個數(shù)是偶數(shù)（6個），此時V3與V2雖然滿足極性交替的反轉(zhuǎn)的原則，但V3與前鄰傳a22不能滿足同極性的原則。為了解決這個矛盾，在相鄰V碼之間的原始極性的個數(shù)為偶數(shù)時，需在此相鄰V碼之間被上一個極性碼，即將第一個連“0”碼變換成“±”極性碼，它被稱為B取代碼。B取代碼的極性與后鄰V碼極性查同，如圖1-5(c)中的B1與V3均為“＋1”碼。總之，相鄰兩V碼之間原始極性碼的個數(shù)為奇數(shù)時，用000V取代0000，為偶數(shù)時，用B00V取代0000。還有一點必須指出，B00V之后的原始極性碼的極性必須與V碼極性相反。四．時分多路復(fù)用通常在通信網(wǎng)中用于傳輸介質(zhì)的成本約占65%左右，而用于設(shè)備部分只占35%左右?？梢娞岣呔€路的利用率的途徑是值得重視的課題之一。如在一條線路上只傳一個話路，線路的利用率不高，我們希望將多個話路信號合成一個多路信號，在一個信道中傳輸，在接收端再將這一信號分成多路。這就引用了多路復(fù)用技術(shù)。目前采用的較多的多路復(fù)用方式是頻分多路復(fù)用（FDM：frequency-divisionmultiplex）和時分多路復(fù)用（TDM：timedivisionmultiplex）。㈠頻分復(fù)用在頻分復(fù)用中，把傳輸頻帶分割成若干部分，將信號的頻率搬移。每個用戶占用的僅僅是其中的一個頻段。頻分通信又稱載波通信，是模擬通信的主要手段。頻分復(fù)用原理如圖１－６（a）㈡時分復(fù)用把一個傳輸信道按時間分量進行分割。原理如圖１－６（b）每個話路占用一個小的時間段，稱為時隙。把多個設(shè)備接到一條公共的通道上，按一定的次序輪流地給各個設(shè)備分配一段使用通道時間。當輪到某個設(shè)備時，這個設(shè)備與通道接通，執(zhí)行操作。信道1信道N信道2信道1頻率信道1信道N信道2信道1頻率頻率頻率信道2：。。。信道2信道N：信道N時間時間時間時間（a）FDM信道劃分（b）TDM信道劃分圖１－６復(fù)用原理時分復(fù)用的原理如下：各路語音信號加到由電子開關(guān)組成的分配器K1上，K1不斷地作勻速旋轉(zhuǎn)（實際是電子開關(guān)依次閉合和斷開，K2也如此），每旋轉(zhuǎn)一周的周期等于一個取樣周期T，這樣就達到每一路信號每隔T時間取樣一次的目的。由下圖可知，各路取樣后在一個信道上傳輸，所以發(fā)端的分配器K1不僅起到取樣的作用，還有復(fù)用合路的作用，也稱合路門。各路取樣信號按時間錯開，沿一條傳輸線傳至接收端。接收端分配器K2的旋轉(zhuǎn)開關(guān)依次接通各路信號，起到分開話路的作用，也稱分路門。應(yīng)該注意K1與K2的旋轉(zhuǎn)速度必須相同（同頻），而且要求K1與K2同時接通同一個話路（同相），就是說收發(fā)雙方在時間上保持嚴格的同步。第一路 第一路第二路 信道 第二路合路門K1分路門K2第三路 第三路時分復(fù)用的原理示意圖五PCM幀結(jié)構(gòu)(一)PCM的基本原理抽樣頻率為8000Hz（周期為125us），對每一話路每抽樣一次經(jīng)過量化可以編成8位碼組，占用一個時隙。30/32路PCM系統(tǒng)中，32路復(fù)用125us。這32路時隙構(gòu)成一個“幀”。而16幀又合成一個復(fù)幀。計算幾個數(shù)據(jù)：1幀時長為125μS，1時隙的時長為125/32=3.9μS，一個復(fù)幀占用2ms。1幀的位長：8×32=256位。信道的速率：256位/幀×8000幀/秒=2048KBPS話路的速率：8位/路×8000路/秒=64KBPS一個模擬信號的帶寬最大為4K(300~3000HZ).數(shù)字信號的優(yōu)點靠犧牲帶寬獲得的。㈡30/32系統(tǒng)PCM的幀結(jié)構(gòu)30/32系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖１－７： 1復(fù)幀=16幀（2ms）F0F1F0F1 1幀=32時隙（125us）TS0TS1TS2。。。。。。TS15TS16TS17。。。。。。TS30TS0TS1TS2。。。。。。TS15TS16TS17。。。。。。TS30TS31 同步時隙 信號標志時隙000010/11110011011000010/11110011011 （偶） F0 幀定位碼組 復(fù)幀定位碼復(fù)幀對告碼110/111111abcdabcd110/111111abcdabcd （奇） F1 幀對告碼 第1路 第16路abcdabcd F15abcdabcd 第15路 第30路圖1-7PCM30/32系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)六．PCM高次群在數(shù)字信道中，為了擴大傳輸容量，提高傳輸效率，將若干低速碼流合并成一個高速碼流，這就是數(shù)字復(fù)接技術(shù)。目前傳輸容量已由一次群發(fā)展到二次群、三次群、四次群、五次群……等。傳送信道除采用電纜、微波外，已擴展到光纜、衛(wèi)星通信等。除開通電話、電報、傳真等業(yè)務(wù)外，還可傳輸可視電話、電視、高速數(shù)據(jù)等信息。各高次群都是由各低次群通過頻率搬移迭加構(gòu)成的，多路復(fù)用的示意圖如1-8：同步復(fù)接有三種方式：按位復(fù)接。每次復(fù)接每路的一位碼。按字復(fù)接，也稱按路復(fù)接。每次復(fù)接每路的一個字（8BIT）。按幀復(fù)接。每次復(fù)接每路的一幀。介紹30/32系統(tǒng)各高次群的話路數(shù)和速率：速率（bps）話路數(shù)一次群：2048K30二次群：4884K120三次群：34M480四次群：139M1920五次群：564M7680四、五次群多為光纖傳輸。四次群五次群二次群基群三次群四次群五次群二次群基群三次群*4 *4 *4*4*16 1-8PCM高次復(fù)接原理圖七．定時與同步㈠定時PCM系統(tǒng)是時分多路復(fù)用的通信系統(tǒng)各話路需傳送的信號在不同的時隙內(nèi)取樣、量化、編碼，送到接收端，再依次解碼，分路恢復(fù)成原信號。要求信號的處理和傳輸都在規(guī)定的時隙內(nèi)進行。為使系統(tǒng)正確工作，需一個定時系統(tǒng)，由它產(chǎn)生取樣、編碼、解碼、分路等所需的各種定時脈沖統(tǒng)一指揮。㈡同步數(shù)字通信的同步是指收、發(fā)兩端的數(shù)碼率及各種定時標志都步調(diào)一致，不僅要求頻率相同，而且要求相位一致。接收端和發(fā)送端在時間上的同步是正確接收、識別信息和分出每一路的信息碼和信令碼的保證。同步包括：比特同步：幀同步、復(fù)幀同步和網(wǎng)同步。a.比特同步比特同步也稱位同步，又稱碼元同步。它是指接收端時鐘的頻率和相位與發(fā)送端一致，或者說比特起止時間收發(fā)一致，它是正確識別和再生信號碼元的保證。兩個交換局間通信（點對點通信）的比特同步是由接收端的“定時信號提取電路”來實現(xiàn)的，所以PCM的時鐘頻率由發(fā)送端時鐘決定，而接收端是被動的。b.幀同步幀同步是指接收端每幀的起止時間與發(fā)送端一致，它是收、發(fā)端每幀各對應(yīng)時隙在時間上“對準”的保證，如果沒有保持這種“對準”關(guān)系，幀同步系統(tǒng)就處于失步狀態(tài)，通信將中斷。幀同步是通過幀同步時隙TS0中的幀同步碼來實現(xiàn)的?！づ紟腡S0發(fā)送幀同步碼。幀同步碼占用后7位，規(guī)定為“0011011”；第1位留給國際通信用，暫定為1。只要接收端能識別出此同步碼，就能正確辨別出幀的起止時間，從而正確分出發(fā)送端送來的各路信息?！て鎺腡S0發(fā)送幀失步告警信號，其中第1位碼留給國際通信用，暫定為1；第2位碼固定為1，以便接收端區(qū)別偶幀和奇幀（偶幀TS0的第2位碼為0）；第3位A1碼為幀失步告警碼，當接收端幀同步時，向發(fā)送端傳送的A1碼為0，當接收端幀失步時，向發(fā)送端傳送的A1碼就改為1，以便發(fā)送端，接收端已發(fā)生幀的，無法工作；其它5位碼可供傳送其它信息之用，目前均固定為1，這樣，奇幀TS0的8位碼為11Ac.復(fù)幀同步復(fù)幀同步是指接收端每復(fù)幀的起止時間和發(fā)送端一致，它是收發(fā)端各對應(yīng)幀在時間上“對準”的保證，使接收端能正確分離出各路的信令碼。復(fù)幀同步是通過每一復(fù)幀中F0幀的TS16來實現(xiàn)的。復(fù)幀F(xiàn)0幀TS16的前4位傳送復(fù)幀同步碼0000，第6位傳送復(fù)幀失步告警碼A2，復(fù)幀同步時，A2為0，復(fù)幀失步時，A2為1；第5、7、8位三位碼，可供傳送其它信息用。目前均固定為1。㈢網(wǎng)同步在由數(shù)字交換局（包括發(fā)、收和轉(zhuǎn)接數(shù)字交換機）、數(shù)字傳輸設(shè)備等組成的數(shù)字通信網(wǎng)中，要使整個通信網(wǎng)的各個交換局有效地進行交換、轉(zhuǎn)接，就必須使各交換局的時鐘頻率和相位統(tǒng)一協(xié)，保持一致，這就是網(wǎng)同步。實現(xiàn)網(wǎng)同步的方式主要有3種，即準同步方式、主從同步方式和相互同步方式。a.準同步方式采用這種方式時，各交換局的時鐘各自獨立，沒有任何聯(lián)系，主要依靠各交換局時鐘的準確性，來保證兩局間滑碼率（由時鐘頻率不等及傳輸時延變化引起）不超過規(guī)定范圍，以達到同步的目的。由于晶體時鐘遠遠不能滿足準同步的要求，所以采用準同步方式時，一般都要求采用高精度的銫（或銣）原子鐘，它的頻率精度為1