通信网基础技术.doc

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1、第二章 通信网基础技术2.1 概述2.1.1 通信系统研究的主要问题1.模拟通信系统研究的主要问题1.)收发两端的变换过程以及基带信号的特性2.)调制与解调原理3.)信道与噪声的特性及其对信号传输的影响4.)噪声存在条件下的系统性能现代通信是计算机技术和通信技术的相互渗透与结合,通信的数字化使其能与计算机技术和数字信号处理技术相结合.第二章 通信网基础技术2.数字通信系统研究的主要问题1.)收发信端的变换过程,模拟信号数字化以及数字基带信号的特性2.)数字调制与解调原理3.)信道与噪声的特性及其对信号传输的影响4.)抗干扰编码与解码,即差错控制编码问题5.)保密通信问题6.)同步问题第二章 通

2、信网基础技术2.1.2 数字通信系统的基本概念1. 数字通信的特点1.)传输质量高,抗干扰性能强2.)抗干扰能力强3.)保密性好4.)易于与现代技术相结合5.)数字信号可压缩6.)设备体积小,重量轻第二章 通信网基础技术2.数字通信系统模型第二章 通信网基础技术1.)信源:消息转换成电信号2.)加密:进行保密的编码3.)编码:包括信源编码和信道编码,信源编码减小冗余度增加有效性,信道编码增加冗余,提高可靠性.4.)调制:使信号特性与信道特性相适应5.)信道:加性噪声6.)同步:位同步与字同步2.2 信源编码2.2.1 模拟信号的数字化处理模拟信号的数字化处理分为:抽样,量化,编码1.)抽样:用

3、时间间隔确定的信号样值序列代替原来时间连续的信号,在时间上将模拟信号离散化脉冲间隔T1/2fm 奈奎斯特定律fm 是语音信号的最高频率2.)量化:用有限个幅度值来近似原来连续变化的幅度值,把模拟信号的幅度离散话(1.)均匀量化:采用相等的量化间隔对采样得到的信号做量化. 一般量化范围-u+u第二章 通信网基础技术量化失真率与最小量化间隔的平方成正比量化误差与噪声有本质区别(2.)非均匀量化:采用压缩,扩张的方法原理:量化级间隔随信号幅度的大小自动调整分为:U律15折线和A率13折线3.)编码:按一定规律,把量化后的信号编码形 成一个二进制数字码组输出分为:线性和非线形4.) 脉冲编码调制(PC

4、M) 由8位码组组成第二章 通信网基础技术模拟信号经过抽样,量化,编码完成A/D变换原理图如教材P332.2.2 语音编码技术1.信源编码:为了提高数字通信传输的有效性而采取一种技术,把信源中的多余信息除去,形成一个适合传输的信号.常用的信源压缩编码方法:1.)概率匹配编码 2.)预测编码 3.)变换编码2.语音编码的性能指标:1.)语音质量 广播级带宽8khz2.)编码速率 采用64Kbit/s的PCM方式3.)编解码延时 小于100ms4.)算法复杂度第二章 通信网基础技术3.语音编码方法的分类1.)波形编码1.脉冲编码调制(PCM) 速率64kbit/s2.增量调制(DM)3.自适应差分

5、编码调制(ADPCM)2.)参量编码:是数字信号处理(DSP)技术,编码理论,自适应差分编码调制(ADPCM)技术和软件技术的综合应用.2.2.3 图象编码技术数字图象通信的特点:1.)可多次中继而不致引起噪声的严重积累 2.)有利于采用压缩编码技术 3.)体积小,功耗低4.)易于联网,便于综合业务的应用 5.)存在占用信道频带较宽等缺点第二章 通信网基础技术2.3 信道复用2.3.1 信道复用概述 是指多个用户同时使用一条信道进行通信1.多路复用 1.)频分复用(FDM)2.)时分复用(TDM) 3.)码分复用(CDM)其它都不常用2. 多路复接 几个多路传输的网或链路间需要互接 现在大规模

6、的几乎在TDM上复用与复接的区别: 1.)相同是都是共享通信网 2.)不同:复用是固定接入,复接是半固定接入3. 多址接入 CDMA TDMA FDMA等2.3.2 多路复用技术 理论基础是信号分割原理,根据信号在频率,时间,码型等参量上的不同,将各路信号复用在同一信道中进行传输第二章 通信网基础技术1.频分复用 适合模拟信号的传输 将频带资源划分为多个子频带2.时分复用 条件是定时与同步2.1 同步时分复用(TDM) 将传输介质的使用时间轮流分配给不同的客户 按时隙来发送和接收信息,收发两端要保持严格的同步欧洲和我国是E体系 有30/32路在一个帧内,取样频率是8000Hz 抽样间隔是125

7、us2.2 统计时分复用(STDM) 采用动态分配或按需分配资源的方式3.码分复用 依靠不同的地址码来区分不同的用户第二章 通信网基础技术2.3.3 同步技术数字通信特点是时分复用,同步是必须的1.同步的基本概念 使系统的收,发两端在时间上和频率上保持步调一致2.同步系统的基本要求:同步误差小,相位抖动小,以及同步建立时间短,保持时间长等3.同步技术的分类1.)载波同步 是实现相干解调的先决条件2.)位同步 基带传输或者频带传输3.)桢同步 在接收端,要正确的恢复消息,就必须识别桢没的起始时刻4.)网同步第二章 通信网基础技术4.同步方式按传输同步信息方式的不同分为:1.)外同步法 发送端发送

8、专门的同步信息,接收端检测出该信息作为同步信号2.)自同步法 接收端设法从所收到的信号中提取同步信息2.3.4 数字复用技术把若干低速数字信号合并成一个高速数字信号流,以便在高速信道中传输1.数字复接系统 分为数字复接器和数字分接器1.)数字复接器 在发送端有定时,码速调整和复接单元组成2.)数字分接器 在接收端有同步,定时,分接和码速恢复等组成第二章 通信网基础技术2.数字复接方法1.)同步复接 若复接器各输入支路数字信号相对于本机定时信号是同步的.2.)异步复接3.数字信号的复接方式 要解决同步和复接同步是把若干数码率不同的支路数字信号速率按一定规则,调整到一致且保持固定的相位关系复接是把

9、已同步的数字信号按时分复用方式,合并为一个高速数字信号序列1.)按位复接 按位复接的方式是每次复接一个码2.)按字复接 每次复接取一个支路的8位码,各个支路的码轮流被复接4.数字复接序列 我国采用2.048Mbit/s(pcm30/32)做为一次基群第二章 通信网基础技术2.3.5 PDH和SDH1.准同步传输序列(PDH)PCM在复接成一次群时,采用同步复接,在二,三,四次群时采用准同步复接 相应的传输速率称为准同步数字序列(PDH)2.同步数字序列(SDH)现在已经逐步的取代PDH,是一套可进行同步信息传输,复用,分插和交叉连接的标准化数字信号结构等级2.4 数字信号的基带传输涉及的技术问

10、题包括信号类型,码间串扰,实现无串扰传输的理想条件以及如何克服和减少码间串扰的具体措施等2.4.1 数字信号传输的基本概念第二章 通信网基础技术1.基带传输 从信号终端送出的数字信号(其频谱范围一般从0开始),是基带信号;用基带信号直接进行传输则称为基带传输技术研究的主要问题:1.)信号的频谱特性 二进制矩形脉冲序列2.)信道的传输特性3.)经过信号传输后的数字信号波形2.数字基带传输系统组成基带波形形成器:把二进制数据序列变换成矩形脉冲为基础适合信道传输的各种码型发送滤波器:把矩形脉冲为基础的各种码型变换成更加适合信道传输的平滑的信号波形信道:接收滤波器:限制带外噪声,提高判决信噪比均衡器:

11、对失真波形进行均衡抽样判决器:在最佳时刻对信号进行抽样,判决信号码元的值噪声源信源基带信号形成信道接收滤波器抽样判决器受信者第二章 通信网基础技术2.4.2 再生中继与均衡技术再生中继作用是对基带信号进行均衡和放大,对已失真信号进行判决,再生出与发送信号相同的标准波形均衡:对传输系统中的线形失真进行补偿或者校正的过程1.再生中继技术再生中继器由均衡放大电路,定时提取电路,判决及码形成电路组成2.均衡技术1.)频域均衡:是系统满足无失真传输的条件2.)时域均衡:消除取样点的码间干扰第二章 通信网基础技术2.4.3 基带传输的常用码型1.对传输码型的要求1.)传输信号的频谱中不应有直流分量2.)码

12、型中应包含定时信息(利于定时信息提取)3.)码型变换设备要简单可靠4.)码型应具有一定的检错能力5.)编码方案对发送消息类型不应有任何限制第二章 通信网基础技术2.常用码型1.)交替极性码(AMI) 0码为0,1码交替正,负极性2.)三阶高密度双极性码(HDB3码)在AMI码的基础上,防止0连续过多,在连续出现四个0时,第四个0用V代替,并且正负交替插入3.)传号反转码(CMI) 0用01代替,1用11和00交替代替4.)双相码 0用01代替 1用10代替 最长2个连0或15.)mBnB码又叫分组码,把信息码流的Mbit转换成nbit一组的码组输出第二章 通信网基础技术2.5 调制技术2.5.

13、1 调制的基本概念调制是将基带信号的频谱搬移到某个载频频带再进行传输的方式1.调制的作用 1.)将基带信号变为带通信号2.)提高信道传输时的抗干扰能力调制是使载波的某参数随调制信号的改变而改变调制的实质是进行频谱变换2.调制的种类 载波的三个参量幅度,初始相位,载波角频率是已知的,并且可以独立地调制,所以分为调幅,调相和调频3.解调方式分为相干解调和非相干解调第二章 通信网基础技术2.5.2 模拟调制技术模拟调制是指用来自信源的基带模拟信号去调制某个载波,分为幅度调制和角度调制1.线形调制包括标准调幅(AM),单边带(SSB)调幅,双边带(DSB)调幅和残留边带(VSB)调幅1.)AM AM的

14、包络和其基带调制信号的波形相同,可采用包络检波法来进行解调2.)DSB 已调信号频谱中包含上下两个边带无载波3.)SSB 上下边带携带信号相同的基带信息,可只传输一个边带4.)VSB 介于DSB和SSB之间且包含载波第二章 通信网基础技术2.非线性调制 包含调相(PM)和调频(FM) 又叫角度调制角度调制是载波的幅度不变,角度随基带信号变化1.)FM 把调制信号调制到载波的瞬时频率上2.)PM 把调制信号调制到载波的瞬时相位上2.5.3 基本数字调制技术数字调制是用数字基带信号去改变高频载波的参数,实现基带信号变换为频带信号的过程1.数字调制的基本概念数字调制又叫键控,载波是连续的正弦信号分为

15、幅度键控(ASK),频移键控(FSK),相移键控(PSK),正交幅度调制(QAM)等第二章 通信网基础技术2.二进制数字调制1.)2ASK 是指载波幅度受二进制单极不归零信号控制解调分为:相干解调和非相干解调第二章 通信网基础技术2.)2FSK 在形式上是两个不同频率交替发送的ASK信号相叠加解调主要是:非相干解调,相干解调和过零检测法第二章 通信网基础技术3.)2PSK和2DPSK第二章 通信网基础技术2PSK 用二进制数字信号控制载波的两个相位,如1用0相位表示和0用180度2DPSK 先对数字基带信号进行差分编码,由绝对码变为相对码,然后再进行绝对调相在相同信噪比下,2PSK和2ASK信

16、号具有相同的传输带宽,2FSK要求带宽较宽,但稳定性和可靠性上2FSK最好第二章 通信网基础技术3.多进制数字调制1.)多进制数字调制的特点(1.)在码元速率(传码率)相同条件下,可提高信息速率(传信率)(2.)在信息速率相同条件下,可降低码元速率,以提高传输的可靠性(3.)在接收机输入信噪比相同条件下,多进制的误码率比相应的二进制系统要高,设备复杂在信噪比相同的情况下,多相调制的相数越高,误码率越高,在不同的调制方式中,当已调波相量点数相同时,正交幅度调制(M-QAM),相位键控(M-PSK),幅度键控(M-ASK)的误码率依次增高第二章 通信网基础技术2.5.4 现代数字调制技术1.正交幅

17、度调制(QAM)QAM是利用多进制幅度键控(MASK)和正交载波调制相结合产生的调制方式优点:充分利用带宽,抗噪声能力强应用场合:数字微波通信等系统2.高斯最小频移键控(GMSK)调制是对2FSK的一个改进,具有正交信号的最小频差优点:具有恒定的包络,信号的功率谱在带外衰减很快应用场合:GSM等第二章 通信网基础技术3.正交频分复用(OFDM)1.)基本概念 是一种采用多进制,多载波,并行传输的频分复用调制体制,具有优良的抗多径传输能力,以及对信道变化的自适应能力,适于衰落严重的无线信道中.2.)OFDM的主要特点(OFDM是多载波调制(MCM)和频移键控(FSK)调制的结合)具有特点(1.)

18、为提高频带利用率和增大传输速率,各路子载波的已调信号有部分重叠(2.)各路已调信号严格正交,以便接收端能完全分离出各路信号,每路子载波的调制都是多进制调制(3.)每路子载波的调制体制可不同,并可为适应信道的变化而自适应地改变第二章 通信网基础技术2.6 差错控制技术通信系统的主要质量指标是通信的有效性和可靠性,差错控制就是增加通信的可靠性2.6.1 差错控制的概念信道编码是在信源编码的码源序列中增加多余比特,来发现和纠正传输中发生的错误,目的来提高信号传输的可靠性1.差错的分类 随机差错:由随机噪声引起突发差错:相对集中出现,短时间内很多错码2.差错控制的概念 在数据传输时,应采用一定的方法发

19、现差错并纠正差错,这个过程称为差错控制差错控制编码具备检错和纠错能力第二章 通信网基础技术3.差错控制的方式分为前向纠错(FEC),检错重发(ARQ),反馈校验(IRQ)和混合纠错(HEC)1.)FEC 发送端对信息码元进行编码处理,使发送的码组具备纠错能力2.)AQR 发送端经过编码后发出能够检错的码组,接收端收到,若检测出错误,用反向信道通知发送端重发,直到收到正确信号为止3.)IRQ 接收端把收到信号完全转发给发端,并与原码元对比,若发现错误重发.4.)HEC 是前向纠错(FEC)和检错重发(ARQ)的结合第二章 通信网基础技术2.6.2 差错控制编码1.差错控制编码分类1.)按照编码的

20、不同功能(1.)检错码:能发现错误(2.)纠错码:在检错的同时能纠正误码(3.)纠删码:有纠错的功能,对不可纠正的码元进行简单的删除2.)按照信息码元和附加监督码元间的检验关系(1.)线性码:信息码元与监督码元之间是线性关系(2.)非线性码3.)按照信息码元与附加的监督码元之间的约束关系(1.)分组码:监督码元仅与本组的信息有关(2.)卷积码:既与本组的信息有关也与以前的的信息有约束关系在应用中卷积吗较多 常用检纠错码有汉明码和循环码第二章 通信网基础技术2.常用的差错控制编码1.)奇偶校验码 属于检错码,规则为在要传输的码组进行分组,在每组后附加一位监督位,连同监督位,使分组码中1的个数为偶

21、数或者奇数优点是简单,缺点是当有偶数个位出现错误时,将无法检测出来,只能检出部分错误2.)循环冗余校验(CRC) 常作为检错码,是一种通过多项式除法运算检测错误的方法优点是校验能力强,随机差错和突发差错都能检测3.)交织编码 是把一个由衰落造成的较长的突发差错离散成随机差错,再用纠正随机差错的编码技术(FEC)技术消除随机常用于无线通信常用交织分为分组交织和卷积交织第二章 通信网基础技术3.差错控制编码技术进展1.)网格编码调制(TCM)实时通信系统采用纠错编码是增加冗余,是增加额外的传输带宽的代价来换的可靠性的提高TCM是纠错编码技术与调制解调技术相结合的方式,可在带限信道不扩展带宽的情况下来提高性能可靠性2.)Turbo码Turbo码是一种采用重复迭代译码方式的并行级连码Turbo码在加性白噪声无记忆信道或者特定参数条件下,可达到几乎无误码率的传输性能IMT-2000的编码技术第二章 通信网基础技术