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1、恩 德现代通信系统ModernCommunicationsSystems第4章 数字通信系统概述 第第4章章数字通信系统概述数字通信系统概述4.1数字通信系统模型数字通信系统模型4.2数字复接技术数字复接技术4.3数字传输信号帧结构数字传输信号帧结构4.4数字传输信号的处理数字传输信号的处理4.5数字信号的调制与解调数字信号的调制与解调4.1数字通信系统模型数字通信系统模型4.1.1数字通信系统模型结构数字通信系统模型结构完完成成数数字字信信号号产产生生、变变换换、传传递递及及接接收收全全过过程程的的系系统统称称之之为为数数字字通通信信系系统统。数数字字通通信信系系统统的的模模型型可可用用图来
2、描述。图来描述。图4.1 数字通信系统 4.1.2数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标1.数字传输系统传输速率数字传输系统传输速率1)信息传输速率信息传输速率2)码元码元(符号符号)传输速率传输速率转换公式为转换公式为(4.1.1)2.误码误码1)误码概念误码概念在在数数字字通通信信中中是是用用的的脉脉冲冲信信号号,即即用用“1”和和“0”携携带带信信息息。由由于于噪噪声声、串串音音及及码码间间干干扰扰以以及及其其他他突突发发因因素素的的影影响响,当当干干扰扰幅幅度度超超过过脉脉冲冲信信号号再再生生判判决决的的某某一一门限值时门限值时,将会造成误判成为误码将会造成误判成为误码,
3、如图所示。如图所示。图4.2 噪声叠加在数字信号上的波形 2)误码积累误码积累在在实实际际的的数数字字通通信信系系统统中中,含含有有多多个个再再生生中中继继段段,上上面面讲讲的的误误判判产产生生的的误误码码率率是是指指在在一一个个中中继继段段内内产产生生的的,当当它它继继续续传传到到下下一一个个中中继继段段,也也有有可可能能再再产产生生误误判判,但这种误判把原来误码纠正过来的可能性极少。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)3.抖动抖动1)抖动概念抖动概念所所谓谓抖抖动动,是是指指在在噪噪声声因因素素的的影影
4、响响下下，数数字字信信号号的的有效瞬间相对于应生成理想时间位置的短时偏离。有效瞬间相对于应生成理想时间位置的短时偏离。图4.3 脉冲抖动的意义 2)抖动容限抖动容限抖抖动动容容限限一一般般是是用用峰峰峰峰抖抖动动Jp-p来来描描述述的的。它它是是指指某某个个特特定定的的抖抖动动比比特特的的时时间间位位置置相相对对于于该该比比特特抖抖动动时时的的时时间间位位置的最大部分偏离。置的最大部分偏离。4.2数字复接技术数字复接技术4.2.1数字多路通信原理数字多路通信原理数数字字多多路路通通信信也也叫叫做做时时分分多多路路通通信信,所所谓谓时时分分多多路路通通信信,是是利利用用多多路路信信号号(数数字字
5、信信号号)在在信信道道上上占占有有不不同同的的时时间间间间隙隙来来进进行行通通信信的的。多多路路通通信信的的基基础础源源于于数数学学上上信号的正交性：信号的正交性：(4.2.1)图4.4 脉冲信号的正交 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)如如第第2章章PCM脉脉冲冲编编码码技技术术所所述述,由由抽抽样样定定理理把把每每路路话话音音信信号号按按8000次次/s抽抽样样,对对每每个个样样值值编编8位位码码,那那么么第第 一一 个个 样样 值值 到到 第第 二二 个个 样样 值值 出出 现现 的的 时时 间间,即即1/8
6、000s(=125s),称称为为抽抽样样周周期期T(=125s)。在在这这个个T时时间间内内可可间间插插许许多多路路信信号号直直至至n路路,这这就就是是时时间间的的可可分分性性(离离散散性性),就就能能实实现现许许多多路路信信号号在在T时时间间内内的的传传输输。其其多路通信模型如图所示。多路通信模型如图所示。图4.5 时分多路复用示意图 4.2.2数字信号复接技术数字信号复接技术数数字字复复接接,就就是是利利用用时时间间的的可可分分性性,采采用用时时隙隙叠叠加加的的方方法法把把多多路路低低速速的的数数字字码码流流(支支路路码码流流),如如图图4.6(a)所示所示,在同一时隙内合并成为高速数字码
7、流的过程。在同一时隙内合并成为高速数字码流的过程。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(按字数字复接)4.3数字传输信号帧结构数字传输信号帧结构帧帧结结构构一一般般都都采采用用由由世世界界电电信信组组织织建建议议的的统统一一格格式式,为为保保证证数数字字通通信信系系统统正正常常工工作作,在在一一帧帧的的信信号号中中应应有以下基本信号有以下基本信号:帧同步信号帧同步信号(帧定位信号帧定位信号)及同步对告信号及同步对告信号;信息信号信息信号;其他特殊信号其他特殊信号(地址、信令、纠错等信号地址、信令、纠错等信号);勤务信号。勤务信号。4
8、.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)图4.7 PCM30/32制式帧结构 数码率(4.3.3)图4.8 PCM30/32路系统方框图 4.3.2准同步数字复接准同步数字复接(PDH)系列帧结构系列帧结构(以以PCM30/32路为基础路为基础)1.准同步复接准同步复接(PDH)系列系列根根据据不不同同需需要要和和不不同同传传输输介介质质的的传传输输能能力力,要要有有不不同同的的话话路路数数和
9、和不不同同的的速速率率复复接接形形成成一一个个系系列列,由由低低向向高高逐逐级级进进行行复复接接，这这就就是是数数字字复复接接系系列列。倘倘若若被被复复接接的的几几个个支支路路(低低等等级级支支路路信信号号)是是在在同同一一高高稳稳定定的的时时钟钟控控制制下下,它它们们的的数数码码率率是是严严格格相相等等的的,即即各各支支路路的的码码位是同步的。位是同步的。表4.1 两类速率复接系列比较表 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 在在每每支支路路复复接接时时码码率率究究竟竟如如何何调调整整呢呢?CCITT推推荐荐的的速速率率系系列列PDH二二次次群群速速率率为为。推
10、推荐荐的的正正码码速速调调整整(增增加加码码位位)准准同同步步复复接接系系列列PDH二二次次群群的的帧帧结结构构中中各各支支路路的的比比特特安安排排如如图图4.10(a)所所示示,它它的的复复接接帧帧如如图图4.10(b)所所示示,帧长帧长848比特比特,帧周期为帧周期为s。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 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 表4.2 34368kb/s复用帧结构 表4.3 139264kb/s复用帧结构 表4.4 PDH接口速率、码型表 4.3.
11、3同步数字复接同步数字复接(SDH)系列帧结构系列帧结构1.同步数字复接系列同步数字复接系列SDH通通信信容容量量越越来来越越大大,业业务务种种类类越越来来越越多多,传传输输的的信信号号带带宽宽越越来来越越宽宽,数数字字信信号号传传输输速速率率越越来来越越高高。这这样样便便会会使使PDH复复接接的的层层次次越越来来越越多多,而而在在更更高高速速率率上上的的异异步步复复接接/分分接接需需要要采采用用大大量量的的高高速速电电路路,这这会会使使设设备备的的成成本、体积和功耗加大本、体积和功耗加大,而且使传输的性能恶化。而且使传输的性能恶化。2.SDH同步数字复接系列帧结构同步数字复接系列帧结构按按世
12、世界界ITUT1995年年协协议议规规范范,SDH的的数数字字信信号号传传送送帧帧结结构构安安排排尽尽可可能能地地使使支支路路信信号号在在一一帧帧内内均均匀匀地地、有有规规律律地地分分布布,以以便便于于实实现现支支路路的的同同步步复复接接、交交叉叉连连接接、接接入入/分分出出(上上/下下Add/Drop),并并能能同同样样方方便便地地直直接接接接入入/分分出出PDH系系列列信信号号。为为此此,ITUT采采纳纳了了以以字字节节(Byte)作作为为基基础础的的矩矩形形块块状状帧帧结结构构(或或称称页页面面块块状状帧帧结结构构),如图所示。如图所示。图4.11 SDH帧结构 1)信息净负荷区域信息净
13、负荷区域信信息息净净负负荷荷区区域域是是帧帧结结构构中中存存放放各各种种信信息息负负载载的的地方。地方。2)段开销区域段开销区域段段开开销销(SectionOverHead)是是STM帧帧结结构构中中为为了了保保证证信信息息净净负负荷荷正正常常、灵灵活活传传送送所所必必须须的的附附加加字字节节,是是供供网络运行、管理和维护使用的字节。网络运行、管理和维护使用的字节。3)管理单元指针区域管理单元指针区域管管理理单单元元指指针针用用来来指指示示信信息息净净负负荷荷的的第第一一个个字字节节在在STM帧帧中中的的准准确确位位置置,以以便便在在接接收收端端能能正正确确地地分分接接信信息息净负荷信号。净负
14、荷信号。4.4数字传输信号的处理数字传输信号的处理信道编码变换信道编码变换根据电缆信道的特根据电缆信道的特点及传输数字信号的要求点及传输数字信号的要求,要满足以下几个条件要满足以下几个条件:码型中码型中,高、低频成分少高、低频成分少,无直流分量。无直流分量。在接收端便于定时提取。在接收端便于定时提取。码型应具有一定的检错码型应具有一定的检错(检测误码检测误码)能力。能力。设备简单、易于实现。设备简单、易于实现。1.不归零码和归零码不归零码和归零码通通常常,常常见见的的码码型型(脉脉冲冲波波形形)有有不不归归零零码码(NRZ)和和归零码归零码(RZ),对应波形及频谱如图、所示。对应波形及频谱如图
15、、所示。图4.12 单极性不归零码及功率谱图4.13 单极性归零码及功率谱2.双极性半占空码(AMI)AMI码编码规律及频谱如图所示。图4.14 AMI码及功率谱 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。图4.15 HDB3编码波形 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码编码规则如表所示。表4.5 CMI码编码规则 4.4.2扰码与解扰码扰码与解扰码在在数数字字光光纤纤及
16、及数数字字卫卫星星通通信信等等长长途途传传输输中中,为为了了保保证证收收端端定定时时恢恢复复,使使原原数数字字信信息息码码流流中中限限制制“0”码码或或“1”码码的的长长度度,并并使使“1”与与“0”出出现现的的概概率率几几乎乎相相等。等。扰扰码码器器原原理理实实际际上上就就是是m序序列列与与传传输输数数字字信信息息模模二二加加,完完成成输输入入数数字字序序列列的的扰扰乱乱,这这样样实实现现的的扰扰码码器器原原理理框图如图框图如图4.16(a)所示。由图可得扰码器输出序列所示。由图可得扰码器输出序列LK为为(4.4.1)图4.16 扰码器原理方框图 (a)扰码器；(b)解扰器在在接接收收端端要
17、要恢恢复复出出原原始始数数字字序序列列,需需要要一一个个结结构构与与发发端端相相同同的的m序序列列发发生生器器与与传传输输序序列列LK模模二二加加实实现现解解扰扰,其其原原理理方方框框图图如如图图4.16(b)所所示示。如如图图中中所所示示,它与扰码器的反馈网络相对应它与扰码器的反馈网络相对应,可得到解扰方程为可得到解扰方程为(4.4.2)图4.17 帧同步扰码器功能图4.4.3差错控制差错控制(纠错编码纠错编码)1.差错控制基本概念差错控制基本概念在在数数字字信信号号传传输输过过程程中中,由由于于信信道道受受到到噪噪声声或或干干扰扰的的影影响响,信信号号码码元元的的波波形形传传到到接接收收端
18、端就就可可能能会会发发生生错错误误。为为了了把把这这些些错错误误减减少少到到人人们们预预期期要要求求的的最最低低限限度度,人人们们在在数数字字码码流流中中加加入入一一些些附附加加码码元元(称称监监督督码码元元),并并采采用用一种特殊的编码方式进行差错控制。一种特殊的编码方式进行差错控制。2.差错控制编码基本原理差错控制编码基本原理我我们们举举例例来来说说明明纠纠错错编编码码的的基基本本原原理理。如如用用两两位位二二进进制制码码组组22=4可可表表示示四四种种天天气气情情况况:00晴晴,01云云,10阴阴,11雨雨,如如果果四四组组码码中中任任意意错错一一位位码码,则则将将一一种种天天气气变变为
19、为另另一一种种天天气气。如如果果把把码码组组增增加加到到3位位23=8构构成成码码组组来来表表示示,则有则有000晴晴001云云010阴阴011雨雨一一般般分分组组码码用用符符号号(n,k)表表示示,其其中中,k是是每每组组码码中中信信息息码码元元数数目目,n为为码码组组的的总总位位数数,又又称称码码组组的的长长度度(码码长长),附附加加码码元元数数为为r,又又称称监监督督码码元元数数。r=n-k,如如用用ai表表示码位示码位,则纠错编码码组结构如图所示。则纠错编码码组结构如图所示。图4.18 分组码结构图3.差错控制的编码方式差错控制的编码方式差差错错控控制制的的编编码码方方式式一一般般分分
20、为为三三类类,一一类类称称为为“反反馈馈纠纠错错”,另另一一类类称称为为“前前向向纠纠错错”,在在此此两两类类基基础础上上派生出的第三类称为派生出的第三类称为“混合纠错混合纠错”。1)反馈纠错反馈纠错(1)奇偶监督码。奇偶监督码。一一般般的的奇奇偶偶监监督督码码分分两两种种,一一种种叫叫奇奇数数监监督督,它它的的编码规则是在一个码组中使编码规则是在一个码组中使“1”的数目为奇数。的数目为奇数。(4.4.3)(2)行列监督码。行列监督码。行行列列监监督督码码是是在在前前面面奇奇偶偶监监督督码码基基础础上上发发展展而而来来的的。行行列列监监督督码码是是二二维维奇奇偶偶监监督督码码,又又称称为为矩矩
21、阵阵码码,它它能能用用以以纠纠正正突突发发差差错错为为目目标标的的简简单单编编码码。矩矩阵阵码码原原理理如图所示。如图所示。图4.19 矩阵码原理图(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,如图所示。图4.20 ARQ系统2)前向纠错前向纠错(1)循环码。循环码。循循环环码码是是一一种种分分组组码码,它它是是在在严严密密的的数数学学模模型型基基础础上上建立起来的建立起来的,它有三个主要的数字特征它有三个主要的数字特征:循循环环码码的的码码组组中中,任任意意两两个个码码组组之之和和(模模二二加加)必必定定为该码组集合中的一个码
22、组。为该码组集合中的一个码组。循循环环码码每每个个码码组组中中,各各码码元元之之间间存存在在一一个个循循环环依依赖赖关系。关系。循循环环码码的的码码组组之之间间具具有有循循环环性性,即即循循环环码码中中任任一一组组循循环环一一位位(将将最最右右端端的的码码移移至至左左端端或或反反之之)以以后后仍仍为为该该码码组集合中的一个码组。组集合中的一个码组。表4.6 循环码示例(2)卷积码。卷积码。卷卷积积码码又又称称连连环环码码,它它与与上上述述的的循循环环码码(分分组组码码)不不同同,这这种种编编码码也也是是在在信信码码之之中中插插入入监监督督码码元元,但但不不实实行行分分组组监监督督,而而是是每每
23、一一监监督督码码元元都都要要对对前前后后的的信信息息单单元元起起监监督督作作用用。整整个个编编/解解码码过过程程是是一一环环扣扣一一环环连连续续地地进进行行下去的下去的,所以称连环码。所以称连环码。4.数字加密技术数字加密技术1)数字信号传输加密数字信号传输加密在在数数字字信信息息进进入入传传输输信信道道前前进进行行加加密密处处理理,可可以以以以很很小小的的代代价价,换换取取对对信信息息很很大大的的安安全全保保护护。信信息息加加密密处处理是由各种加密算法来实现的。理是由各种加密算法来实现的。2)数字终端加密技术数字终端加密技术对对于于特特殊殊用用户户的的数数字字信信号号,如如银银行行的的数数据
24、据信信号号、信信用用卡卡的的数数字字信信号号以以及及其其他他终终端端的的数数字字信信号号，在在加加密密后后传传输输,收收端端予予以以认认证证即即可可。这这就就要要求求终终端端有有一一个个安安全全模模块块(SM),能能存存放放个个人人识识别别码码IPN密密钥钥Ki和和加加密密算算法法等等信信息息,并带有并带有CPU,能执行加密算法和认证等功能。能执行加密算法和认证等功能。4.5数字信号的调制与解调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
25、简单的就是正弦波或余弦波f(t)=Asin(t+)。4.5.2数字信号的调制与解调数字信号的调制与解调1.三种基本调制方式三种基本调制方式1)幅移键控幅移键控幅移键控就是数字信号振幅调制。幅移键控就是数字信号振幅调制。2)频移键控频移键控频移键控就是数字信号频率键控。频移键控就是数字信号频率键控。3)相移键控相移键控相移键控就是数字信号相位控制。相移键控就是数字信号相位控制。图4.21 二进制基带码的三种调制方式 (a)2ASK；(b)2FSK；(c)2PSK图4.22 二进制基带信号的调制波形2.二相相对调相与解调二相相对调相与解调所所谓谓相相对对调调相相,不不是是像像绝绝对对调调相相那那样
26、样对对应应数数字字信信号号“1”和和“0”以以固固定定的的相相位位关关系系,而而是是一一种种相相对对的的关关系系,其其调调制制规规律律为为:当当遇遇到到基基带带信信号号“1”码码时时,载载波波的的相相位位相相对对于于前前一一个个码码元元相相位位改改变变(即即倒倒相相)；当当遇遇到到“0”码码时时,载载波波的的相相位位相相对对于于前前一一个个码码元元相相位位不不变变。此此规规律律也可反用之。也可反用之。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3.四相相对调相与解调四相相对调相与解调(1)四相相对调制四相相对调制(QPSK)方式。方式。QPSK采采用用“反
27、反射射编编码码”(格格雷雷码码)相相位位逻逻辑辑编编码码方方法法,这这种种方方法法用用得得较较多多。图图是是QPSK调调制制器器的的组组成成框框图图(图图(a)和和工工作作原原理理矢矢量量图图(图图(b)。图图4.25为为QPSK相相干解调方框图。干解调方框图。图4.24 QPSK调制器(a)4PSK框图；(b)矢量图 图4.25 QPSK相干解调器 (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 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
28、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所示。图4.27 OK-QPSK调制器、解调器的组成方框图 *组合调制方式 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。图4.28 16QAM和16PSK点群图 (a)16QAM;(b)16PSK 在解调时,区别相邻已调波矢量就比较
29、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。以上的调制矢量图可用图所示的矢量叠加法来实现。图4.29 16QAM的四相叠加法矢量图 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,其调制方框图如图所示。图4.30 16QAM正交调制法调制器3)多进制正交调幅多进制正交调幅(MQAM)与其解调方式与其解调方式前前面面讲讲述述了了16QAM调调制制信信号号的的概概念念和和实实现现调调制制的的方方法法。更更多多相相位位调调制制(多多进进制制)的的调调幅幅(MQAM)可可由由16QAM推推广广而而得得到到。其其正正交交MQAM调调制制原原理理如如图图所所示示,通通过过对对数数字字基基带带信信号号的的串串/并并变变换换及及电电平平变变换换后后再再送送入入线线性性调调制制器器,进进行行正正交交调调幅幅,经经合合成成为为MQAM调调制制信号。信号。MQAM的解调原理如图所示。的解调原理如图所示。图4.31 正交调幅法图4.32 多进制QAM相干解调电路