Transcript 数字通信系统- 2

2.4 数字信号的频带传输
• 为什么要进行数字信号的频带传输？
• 当基带数字信号频率范围与信道不相匹配时，把
基带数字信号进行调制后再行传输，即数字信号
的频带传输。
1
2.4.1 多进制数字调制
多进制数字调制是利用多进制数字信号调制载
波信号的幅度、频率或相位。
与二进制数字调制相比，多进制数字调制可提
高比特率或可靠性，但因为需要多电平来表示信
号，因而抗噪声性能较低，实现起来也较复杂。
2
1. 多进制数字调幅(MASK)
S(t)
1
3
2
0
1
3
0
2
3A
2A
A
t
0
SMASK(t)
(a) 四电平数字信号
3A
2A
A
0
t
(b) 四进制调幅
3
2. 多进制数字调频（MFSK）
k=log2M位码元为一组对应地转换成有M种状态的多进制码。
1
输
入
2
串并变
换
f1
门电路
f2
门电路
fM
门电路
1
逻辑电
路1
+
2
k
信
道
M
1
输
出
f1
检波器
BPF
f2
逻辑电
路2
抽样判
决
2
检波器
BPF
fM
M
检波器
接
收
滤
波
器
BPF
4
3. 多进制数字调相（MPSK）
利用载波的多种不同相位状态来表征数字信息。与二进制数字相位调
制相同，多进制数字相位调制也有绝对相位调制（MPSK）和相对相位
π/2
调制（MDPSK）。
π/2
100
3π/4
10
101
π/4
111
(a) A方式
0相位
π
0
1
π
0相位
11
00
π
0相位
010
01
-π/2
（四相制）
（二相制）
π/2
3π/4
-3π/4
-π/2
（八相制）
π/4
01
(b) B方式
-π/4
011
5π/8
1
7π/8 010
11
011
-π/2
0
（二相制）
10
00
（四相制）
-π/4
001
001
3π/8
110
π/8
111
-7π/8
-3π/4
000
110
101
000
100
-5π/8
-3π/8
（八相制）
-π/8
5
QPSK调制与解调
二进制
数码
a
串并变
b
换
11
带通滤
波器
逻辑选相电路
01
00
0
0
45 135 225
四相载波
发生器
0
4PSK
信号
3150
10
(a) 4PSK信号相位选择法调制
╳
4PSK
信号
带通滤
波器
低通滤波
抽样判决
cosωct
I(t)
载波恢复
位定时
相移π/2
-sinωct
╳
低通滤波
a
二进制
数码
并串
变换
Q(t)
抽样判决
b
(b) 4PSK信号的相干解调
6
2.4.2 复合调制与多级调制
对同一载波信号的两个参数同时进行调制称为复合调
制，目的是进一步提升信道利用率。例如，数字微波通
信中采用的图示复合调制，数字调相用于传送数字信号，
模拟调频用于话音通信。
二进制数字信号
╳
m1(t)
调相
复合调制
载波cosωct
+
Sm(t)
模拟话音信号
╳
m2(t)
调频
7
调相加调幅实现16进制复合调制
1011
1001
1000
1110
1100
1111
1101
1010
0相位参考
0001
0000
0100
0110
0111
0011
0010
0101
8
多级调制
多级调制是指把同一基带信号实施两次或更多
次的调制过程。
第1路
第i路
SSB调制器
ω1
SSB调制器
ωi
带通
SSB调制器
带
通
ω
9
2.5 数字同步与复接技术
 数字同步是指数字通信系统中各关键节点位置的动作频率保持一致。
 数字复接是把若干个低速率分支数字码流汇接成一路高速数字码流
的过程。
 同步的必要性：在时分多路复用中，为了保证各路信号被准确地分
配到各路中去，要求收发两端的分路器与合路器必须严格同步，否
则就会造成接收端不能在相应的时间内收到该收的信号而产生串音
干扰。
 为促进数字通信标准化，ITU-T早期推荐准同步数字体系（PDH）；
后期推荐同步数字体系 （SDH）
10
2.5.1 数字同步技术
位同步

含义：要求收、发端的时钟频率完全一致，达到 同频
同相。位同步是最基本的同步要求，是保证帧同步的
必要条件。

实现方法：
 发送端采用频率稳定的晶体振荡器；
 接收端采用定时提取技术，从接收的PCM信号中得
到发送端的定时时钟脉冲；
 传输线路上选择合适的传送码型，以利于定时提取
时钟频率。
2.5.1 数字同步技术
帧同步
 帧的含义：设有N个话路时分复用在同一传输线路上，则通
过对每个话路抽样一次后得到N个话路时隙，采用13折线A
律量化编码后得到8×N位二进码序列，该序列称为一帧，
即在一帧时间内，所有N个话路都有且仅有一次传输机会。
 目的：使接收端与发送端以帧为单位对齐，以区分属于不同
话路的信号。
 实现方法：在每一帧的一个固定时隙中插入特定码组（称为
帧同步码），在接收端接收判断是否收到了这一码组，并以
此为界区分一帧的首尾，即可区分出各路信号。
2.5.2 数字复接技术
数字复接是把支路低次群按时分复用方式合并
成一个单一的高次群，其设备由定时、码速调整
和复接单元组成；分接器的功能是把高次群数字
信号分解成原来的低次群数字信号，它由同步、
定时、分接和码速恢复等单元组成。
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1.数字复接系统框图
分接器
复接器
外部
时钟
低
次
群
支
路
信
号
同
步
定时
定时
（1）
（1）
（2）
（2）
（3）
（4）
码速
调控
复接
高次群
分接
恢复 （3）
低次
群
支路
信号
（4）
14
2. 数字复接方法
按位、按字、按帧复接，下图是按位和按字复接：
1
0
1
1
0
1
0
1
PCM30/32路基群（1）
PCM30/32路基群（2）
PCM30/32路基群（3）
PCM30/32路基群（4）
(a)分别来自四个基群的各8bit时隙信号
1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 11 1 1 1
(b)按位数字复接产生的二次群
1 0 1 1 0 1 0 1 110 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1
(c)按字数字复接产生的二次群
15
3. 码速调整
被复接的各支路数字信号彼此之间必须同步并
与复接器的定时信号同步，否则需要做出适当的
码速调整，以实现对复接后的高速数据码流的传
输同步定时控制。
通常，码速调整后速率高于调整前的结果，称
为正码速调整。
16
2.5.3 准同步数字体系
ITU-T早期推荐了两类从基群到五次群复接等级
的数字速率系列。一类以1.544 Mb/s为基群速率，
另一类以2.048 Mb/s为基群速率。
因为这两类各次群比特率相对于其标准值有一个
规定的容差，而且是异源的，各节点时钟允许存在
少量的频率漂移误差，因此这是一种准同步复接方
式，统称为准同步数字体系（PDH）。
17
1. 两类PDH系列标准
PDH两类标准数字速率系列和复接等级
2M系列
1.5M系列
群号
速率（Mb/s）
话路数
速率（Mb/s）
话路数
基群
2.048
30
1.544
24
二次群
8.448
30×4=120
6.312
24×4=96
三次群
34.368
120×4=480
32.064
96×5=480
四次群
139.264
480×4=1920
97.728
480×3=1440
五次群
564.992
1920×4=7680
397.200
1440×4=5760
18
2. PDH系列的不足
两种数字系列互不兼容，导致国际之间电信网
的建立及营运管理比较复杂和困难；
 高、低速率信号的复接和分接都需要逐级进行，
复接-分接设备复杂，上下话路价格昂贵；
 帧结构中管理维护用的比特位较少，难以适应
网络管理灵活、动态、智能化的日益增长需求。
 主要适用于中、低速率点对点传输。
19
2.5.4 同步数字体系（SDH）
鉴于PDH的不足，国际上迫切需要建立统一的
全新体制的数字通信网。为此ITU-T经充分讨论和
协商，于上世纪80年代末，接受了美国贝尔通信
研究所提出的同步光网络（SONET: Synchronous
Optical Network）数字体系标准并进行了适当修
改，命名为同步数字体系（SDH）
20
SDH的特点
1）由一系列的SDH网元组成，可在光纤网中实现同步信息传输、
复用、分插或交叉连接；
2）块状帧结构中安排了丰富的管理比特，大大增强了网络管理
能力；
3）网络能在极短的时间内从失效的故障状态自动恢复业务而无
需人为干涉；
4）有标准化的信息结构等级规范，称为同步传输模块STM-N。
不同厂家的设备只要符合规范就可以在光路上互联，真正实现
横向兼容；
5）具有兼容PDH甚至B-ISDN的能力，所以有广泛的适用性。
21
SDH的速率等级
SDH
SONET（同步光纤网络）
等级
速率（Mbit/s）
等级
速率（Mbit/s）
Sub STM-1
51.840
STS-1
51.840
STM-1
155.520
STS-3
155.520
STS-9
466.560
STS-12
622.080
STS-18
933.120
STS-24
1244.160
STS-36
1866.240
STS-48
2488.320
STS-96
4976.640
STS-192
9953.280
STM-4
STM-16
STM-64
622.080
2488.320
9953.280
SDH设备结构
终端复用器 TM
把PDH / SDH 支路信号复用成SDH线路信号，或反之。
OAM
线路信号
TM
STM-N
PDH支路信号 SDH支路信号
SDH设备结构
分插复用器 ADM
设在网络的中间局站，完成直接上、下电路功能。
OAM
西侧线路信号
东侧线路信号
ADM
STM-N
PDH支路信号 SDH支路信号
STM-N
SDH设备结构
再生器 REG
设在网络的中间局站，目的是延长传输距离，但不能上、下电路。
OAM
东侧线路信号
西侧线路信号
REG
STM-N
STM-N
SDH设备结构
数字交叉连接设备 DXC
兼有同步复用、分插、交叉连接、网络的自动恢复与保护等多项功能的
SDH 设备。
SDH支路信号
STM-N
DXC
PDH支路信号
STM-N
SDH自愈功能

SDH传送网的保护策略
线路系统的复用段保护
1+1保护，1: N保护
 复用段保护环
二纤双向复用段共享保护环，四纤双向复用段共享保护环

通道保护环
二纤单向通道保护环，二纤双向通道保护环
 子网连接保护
对某一子网连接预先安排另一子网连接作为专用的保护路由


SDH传送网的恢复策略
区段恢复：只对连接中发生故障的段落寻找替代路由
 通道恢复：对整个子网连接寻找替代路由

二纤单向通道保护环
二纤双向通道保护环
二纤双向复用段共享保护环
四纤双向复用段共享保护环
SDH帧结构
9×270×N字节
1
2
3
4
5
6
7
8
9
段
开
销
9×N
9×270×N字节
9×270×N字节
STM-N净荷
261 × N
帧周期=125us
8000帧/秒
STM-N速率：
9×270×N×8×8000
STM-1速率=155.52Mbit/s
270×N
PCM低次群
C11: 1.544; C12: 2.048;
C2: 8.448;
C3: 34.368;
C4: 139.264 Mbit/s
STM-1等级上统一
155.52 Mbit/s
SDH帧结构
9×N列（字节）
1
261×N列（字节）
再生段开销
（RSOH)
传输方向
3
4
管理单元指针
（AU PTR)
STM-N净负荷(Payload)
9行
5
复用段开销
（MSOH)
9
125μs
270×N列
SDH复用映射结构和复用映射过程

ITU-T规定了一套完整的复用结构，通过这些路线可将PDH的3个系列的数
字信号以多种方法复用成STM-N信号。
×N
STM-N
×1
AUG
AU-4
VC-4
×3
×3
AU-3
TUG-3
×1
TU-3
×7
指针处理
139264kbit/s
C-3
44736kbit/s
34368kbit/s
VC-3
VC-3
×7
C-4
×1
TUG-2
TU-2
VC-2
C-2
6312kbit/s
TU-12
VC-12
C-12
2048kbit/s
TU-11
VC-11
C-11
1544kbit/s
×3
复用
×4
定位校准
映射
2.6 数字传输的差错控制
 噪声是导致数字通信传输中出现差错（误码）的主要原
因。

随机噪声导致传输中的随机差错，指那些独立的、稀疏
的和互不相关的发生的差错；

脉冲噪声则使传输出现突发差错，指成串或成片出现的
差错，差错之间有相关性，差错出现是密集的。
 差错控制的作用就是要检测出数据码元在传输过程中可
能发生的误码，并且采取适当的方法加以纠正。
 差错控制通过差错控制编码（信道编码）实现，通常有
检错编码和纠错编码两种形式
35
差错控制编码的基本原理
原始数据码元序列本来不带规律性，在发送端
被传送的信息码序列的基础上，按照一定的规则
加入若干“监督码元”后进行传输，这些加入的
码元与原来的信息码序列之间存在着某种确定的
约束关系。在接收数据时，检验信息码元与监督
码元之间的既定的约束关系，如该关系遭到破坏，
则在接收端可以发现传输中的错误，乃至纠正错
误。
36
差错控制方式
检错码
检错重发
发端
收端
应答信号
前向纠错
发端
纠错码
收端
检错和纠错码
混合纠错
发端
收端
应答信号
2.6.1 噪声的分类
 根据噪声和信号之间的混合迭加关系可分为加
性噪声和乘性噪声；
 根据噪声来源的不同，可分为自然噪声、人为
噪声和内部噪声；
 根据噪声的表现形式可分为单频噪声、起伏噪
声和脉冲噪声。
38
2.6.2 检错编码
检错编码只能判断出所收到的数据是否有错，但不能判
断出哪些是错误码元，最常用的两种检错编码方式是奇偶
校验编码和循环冗余校验编码。通常采用反馈重传(ARQ)
技术来纠错。
信源
编码
器
缓冲
与控
制
正向
信道
译码
器
缓冲
与控
制
信宿
反向信道
(a) 反馈重传
39
1. 奇偶校验
水平奇校验 垂直偶校验
字符
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
校验
码字
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
位
W1
W2
W3
W4
W5
W6
W7
W8
校验码字
40
2. 循环冗余校验 (CRC)
 循环冗余检查（CRC）是一种数据传
输检错功能，对数据进行多项式计算
，并将得到的结果附在帧的后面，接
收设备也执行类似的算法，以保证数
据传输的正确性和完整性。
 g(x)=x4+x3+x2+1，即生成多项式系数
是11101。如果信息码是110，要求的
校验码字为5位，则产生的CRC校验码
是10010，发送的码元则为11010010。
110
1110111000000
11101
100110
11101
10010
余数
41
循环冗余校验 (CRC)
用产生的CRC码11010010进行反运算，得到的应该是
110，即原始信息码元：
110
1110111010010
11101
101111
11101
10010
余数
42
2.6.2 纠错编码
纠错编码能够判断出错码元的准确位置并加以自我改正，纠错编码
需要比检错编码增加更多的冗余码元。
信宿
信源
编码
器
正向
信道
译码
器
(b) 前向纠错
信宿
信源
反馈重
传
前向
纠错
正向信道
前向
纠错
反馈重
传
反向信道
(c) 混合纠错
43
本章小结和知识点
数字通信的特点
模拟信号的数字化过程：抽样、量化、编码
差值脉冲编码（DPCM）和增量调制（DM）
基带传输与频带传输
数字复接PDH与SDH标准
差错控制
44