Transcript 02 数字通信系统

现代通信概论
电子信息工程学院
霍炎
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第2章 数字通信系统
2.1 数字通信概述
2.2 模拟信号数字化
2.3 数字信号的基带传输
2.4 数字信号的频带传输
2.5 数字同步与复接技术
2.6 数字传输的差错控制
2
2.1 数字通信概述
传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。
数字通信以其抗干扰能力强、无噪声累积、便于
计算处理、便于加密、易于小型化、集成化等优
势，成为当代通信领域的主流技术。
本章将介绍关于数字通信的基本知识，包括
数字通信系统的组成及特点、模拟信号数字化方
法、数字信号的基带传输和频带传输、数字复接
与同步技术、差错控制技术等。
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2.1.1 数字通信系统的组成
信
源
信
源
编
码
数
字
复
接
信
道
编
码
信道
调
制
噪声
再
生
中
继
信道
噪声
解
调
信
道
解
码
数
字
分
接
信
源
解
码
信
宿
各个模块的功能？
4
数字通信系统各部分的作用
信源编码与解码：A/D变换+D/A变换。
数字复接与分接：提高信道利用率。难点是码速
同步问题。
信道编码与解码：即抗干扰编码，目的是提高传
输的可靠性。
调制与解调：频带传输时需要。
再生中继：放大整形并完全恢复原始数字信号。
信道噪声：导致误码，难以避免。
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2.1.2 数字通信系统的特点
数字通信系统有下列一些特点：
 抗干扰能力强，无噪声累积
 数据形式统一，便于计算处理
 易于集成化，小型化
 易于加密处理
 占用较大的传输带宽
 技术上较复杂
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2.2 模拟信号数字化
数字通信系统的典型特征就是信源和信宿都是
模拟信号，因此需要进行模拟/数字（A/D）变换，
把模拟信号转换成数字信号再行传输。
模拟信号的数字化需经过抽样、量化、编码三
个阶段。常用的技术包括脉冲编码调制（PCM）、
差值脉冲编码（DPCM）和增量调制（DM）等。
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2.2.1 模数（A/D）变换
抽样量化编码二进制数字序列：
 抽样：在时间上将模拟信号离散化。
 量化：在幅度上将抽样信号离散化。
 编码：把量化幅度值用二进制数值来表示。
整个过程称为脉冲编码调制（PCM）。
8
抽样
抽样定理：
如果一个连续信号f(t)所
含有的最高频率不超过fh ，
则当抽样频率fs≥2fh时，抽
样后得到的离散信号就包
含了原信号的全部信息。
f(t)
输入信号
t
o
u(t)
t
o
抽样脉冲
fu(t)
t
o
样值序列
9
量化
量化就是进行“舍零取整”
处理。将抽样信号在某个
抽样时间点的瞬时幅度值
近似为最接近该点幅值的
某个固定整数电平值上就
完成了量化。
均匀量化：在幅值变化范
围内均匀等间隔量化。
u(t)
4Δ
3Δ
2Δ
Δ
t
o
量化误差
-Δ
实际样值
量化值
10
非均匀量化─13折线A律
非均匀量化能够让小信号放大，而大信号得到压
缩，目的是降低小信号时的量化信噪比。
y
1
7/8
6/8
5/8
4/8
3/8
2/8
1/8
O
1/32 1/16
1/128 1/64
x
1/8
1/4
1/2
13折线A律
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编码
量化后的离散抽样幅值以二进制数值来表示。最多需要log2N位二进制
数，N是量化级数。
13折线A律二进制编码值（256级，8比特）
极性码
段落码
a7
数值范围
（△）
a6
a5
a4
1
0/1
0~16
0
0
0
0
2
0/1
16~31
0
0
1
3
0/1
32~63
0
1
4
0/1
64~127
0
5
0/1
128~255
6
0/1
7
8
量化段号
段落起始值 量化间隔△i
（△）
（△）
段内码权值（△）
a3
a2
a1
a0
1
8
4
2
1
16
1
8
4
2
1
0
32
2
16
8
4
2
1
1
64
4
32
16
8
4
1
0
0
128
8
64
32
16
8
256~511
1
0
1
256
16
128
64
32
16
0/1
512~1023
1
1
0
512
32
256 128
64
32
0/1
1024~2047
1
1
1
1024
64
512 256
128
64
12
2.2.2数模（D/A）变换
数模变换是模数变换的反过程。接收端通过
数模变换把收到的二进制数字信号序列还原成相
应幅度的模拟信号。
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2.2.3 PCM30/32路数字电话系统
国际上有两种标准化制式的多路数字电话通信系
统，即PCM 30/32路制式（E体系）和PCM 24路制
式（T体系），我国和欧洲采用E体系。
下面以PCM30/32多路数字电话通信系统为例，具
体说明模拟话音数字化传输过程。
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E体系各项关键指标数据
PCM30/32路系统称为基群或一次群，简称E1
指标名称
话音频带（Hz）
抽样频率（Hz）
量化级数
量化压缩律
样值编码位数
单路数码率（kbit/s）
帧长（μs）
时隙数/帧
话路数/帧
一次群复用速率（kbit/s）
指标值
300-3400
8000
256
A律（A=87.6）
8
64
125
32
30
2048
15
E1体系的帧结构
16帧，20ms
F0
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
F10
F11
F12
F13
F14
F15
32路时隙，125µs，256bit
TS0 1
2
3
4
5
6
7
帧同步
偶帧
TS0
× 0
0
1
1
0
1
1
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
话路
CH1CH15
信令时隙
0
0
0
× 1 A1 1
1
1
1 A2 1
1
F0~F15
保留
奇帧
TS0
0
1
1
a
b
c
d
a
话路
CH17-CH31
话路时隙
× × × × × × × ×
3.91µs
b
c
d
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每话路64kbit/s的计算
 为了正确地传送一路话音信号，每秒必须传送抽样值8000次
。 按 照 每 个 抽 样 值 8bit 编 码 ， 则 每 话 路 要 求 传 输 8000 次
×8bit=64kbit/s
 现在每帧中包含32个话路，每话路占其中8bit，必须传送8000
帧/秒（500个复帧）。于是，32路PCM基群传输速率是8000(
帧/秒)×32(时隙/帧)×8(bit/时隙)= 2.048Mbit/s
 高次群以4倍速率增长，即8.448（比8.192略多）Mbit/s…
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PCM30/32路数字电话系统终端框图
数据码
帧同步码发生器TS0
发端定时
信令码（复帧同步码TS16）
话音信号
发
放大 低通 抽样/量化/编码
2
1
收
1
汇总
码型变换
发至
信道
2
差动系统
30
4
放大 低通 解码
1
分路
码型反变换
再生
自信
道来
2
30
信令码（复帧同步码TS16）
帧同步码检出
收端定时
数据码
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2.2.4 模拟信号数字化的其它方法
利用相邻抽样幅值的相对变化特性，对抽样信号进行编码
也是一类较常用的模数转换方法。
 差值脉冲编码（DPCM）
 自适应差值脉冲编码（ADPCM）
 增量调制（DM）
 自适应增量调制（ADM）
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1.差值脉冲编码调制(DPCM)
仅对两个相邻抽样幅值的差值进行编码，则由于
差值信号变化较小，可大大地减少量化级数，从而
减少编码的位数。
这样，在相同传输速率下，可以成倍地提高信道
的传输容量。
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DPCM举例
对模拟话音信号按照8000Hz/s抽样，话音信号的
变化范围是±3v，若采用8位二进制数PCM编码，
量化为256级，每级约23.4mv。
假定相邻抽样差值变化范围是±0.1v，把其化分
为16个均匀量化级，每级为12.5mv，然后使用4位二
进制数进行编码。编码后的数据发送速率仅需要
4bit×8000=32Kb/s，比采用PCM编码的64Kb/s速率
降低一半，效率提高一倍。
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DPCM抽样差值图示
n
S (n)   d (i)  S (n  1)  d (n)
i 0
f(t)
S(3)
S(2)
d(2)
d(3)
S(6)
d(4)
S(1)
S(4)
d(5)
d(1)
d(6)
S(5)
S(0)
t
d(0)
o
d(t)
T
2T
3T
4T
5T
6T
d(1)
d(6)
d(2)
d(0)
d(3)
o
T
2T
4T
t
5T
3T
6T
d(5)
d(4)
22
2.脉冲增量调制(△M或DM)
仅对当前抽样值与其前一个
f(t)/fq(t)/fq1(t)
f(t)
fq1(t)
fq(t)
抽样值的符号进行编码，而不
t
O
T 2T 3T
对差值的大小编码。
nT
(a)阶梯波fq(t)逼近模拟信号
δ(t)
如果两个前后抽样差值为正
t
O
T
就编为“1”码；差值为负就编
2T 3T
nT
(b) 抽样脉冲序列
编码
为“0”码。因此，“1”和“0”
0
O
代表的是信号相对于前一时刻
1
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
t
T 2T 3T
nT
(c)编码后形成的数字序列
fq1(t)
的增减，不代表信号的绝对值。
t
O
T
2T 3T
nT
(d)积分后近似波形
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2.3 数字信号的基带传输
模数变换后的数字信号频谱，往往是含有直流、基波、高
次谐波等不同频率分量的信号，称为基带数字序列信号，简
称基带信号。
把基带数字序列信号经适当码型变换后直接送入信道传输，
称为基带数字序列信号传输，简称基带传输。
波形形成网络
数据源
码型
变换
发送滤波
器
信道
接收滤波
器
判决
码型还
原
信宿
码型变换：基带信号适应信道特性。
波形形成网络：形成无码间干扰的波形。
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2.3.1 数字基带传输的码型
根据信道频域特性和基带数字信号频域特性
匹配的原则，对基带信号进行适当码型变换，使
之适合于给定信道的频域特性，有利于延长传输
距离、提高可靠性。
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1. 数字基带传输码型选择原则
 直流或低频信号衰减快，信号传输一定距离后严重畸
变，所以不应含直流或低频频率分量。
 高频分量越大，对邻近信道产生的干扰就越严重，所
以高频分量应尽量少。
为方便从接收到的基带信号中提取位同步信息，应包含
定时频率分量。
 便于增加冗余码，使码型带有规律性。
 码型变换过程与信源的统计特性无关，即对信源消息
类型无任何限制并具有透明性。
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2.常用基带数字传输码型
单极性非归零码
(a)
(b)
双极性非归零码
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
0
1
t
0
t
(c)
单极性归零码
t
t
双极性归零码
(d)
t
(e)
差分码
(f)
AMI码
HDB3
(g)
码
t
t
t
(h)
曼彻斯特码
t
(i)
(a)单极性非归零码 (b)双极性非归零码 (c)单极性归零码 (d) 双极性归零码
(e) 差分码 (f) AMI码 (g) HDB3码 (h) 曼彻斯特码 (i) 传号反转码
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2.3.2 无码间干扰的基带数字传输
基带传输信道（即波形形成网络）可以等效为一个理想
低通滤波器，其传输特性为：
 j 2 ftd

1  e
H( f )  

0
当 | f | f N
2fN
1
f
O
-fN
当 | f |  fN
φ(f)
(a) 传输特性
fN
h (t )  2 f
sin 2 f N (t td )
N 2 f N (t td )
t
O
td
(b) 单位冲击响应
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Nyquist准则
如果波形形成网络具有图示理想低通滤波器传
输特性，则该系统传输的码元速率为2fN（码元周
期T=1/2fN）时，系统输出波形在峰值点（即判决
抽样点）上不会产生前后码元间的干扰，这一条
件称为奈奎斯特准则。
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无码间干扰的接收波形
只要按照Nyquist准则传输，当处于某个码元的
幅度峰值时，恰好其它码元幅值是过零点。
0
T
2T
判决点
判决点
a2
判决点
a1
判决点
a0
t
30
具有滚降特性的波形形成网络
具有滚降特性的波形形成网络，从技术上实现
起来比理想低通容易，而且也满足Nyquist条件。
H(f)
1
f
0
31