《现代通信系统》课件第四章.pptx
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1、第四章 数字通信系统概述第四章 数字通信系统概述第四章 数字通信系统概述4.1 数字通信系统模型4.1.1 数字通信系统模型结构 通信就是信息的传递。用以完成信息传递整个过程的通信系统是由一整套技术设备和 传输媒质所构成的总体。就信号的传递方式,通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统,我们这里主要讲数字通信系统。完成数字信号产生、变换、传递及接收全过程的系统称之为数字通信系统。数字通信系统的模型可用图4.1来描述。图4.1 数字通信系统第四章 数字通信系统概述信息源是信息或信息序列的产生源。它泛指一切发信者,可以是人也可以 是机器。他(它)们可以产生诸如声音、数据、文字、图像、代码等电信号。
2、信源编码的主要功能是把人的话音以及机器产生的如文字、图表及图像等模拟信号变换成数字信号,即所谓的模数(A/D)变换。信源和信源编码可设在同一物理体内,也可以分设。如现在的一般电话用户输出话音模拟信号(3003400 Hz),通过用户线送到数字程控交换局,通过话路模块(PCM单路编译码器)变换成64 kb/s的数字信号,再进行时隙交换。信道编码:在完成多路数字信号复接为宽带数字信号之后。把此宽带数字信号送到传输的信道中去。根据各种传输信道的特性及对传输数字信号的要求(如有一定纠错能力、减少误码、从信码中提取时钟等),将信号变换成所需的传输码型的过程称之为信道编码。如PCM基带传输码型HDB3码,
3、光纤传输码型NRZ码、5B6B码、4B1H码等。第四章 数字通信系统概述数字调制:根据信道媒质特性,编码后的数字信号还要经调制后再送入信道中,如光纤信道中的光调制。在无线传输中,根据传输的数字速率、边带利用率、功率利用率及 误码率、设备的复杂程度等,可采用数字频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、幅移键控(ASK)及组合变换等各种数字调制方式。信道:指传输信号的通道。根据信号特性信道可分为模拟信道和数字信道;根据传 输媒质的不同,可分为有线信道(明线、电缆、光纤信道等)和无线信道(短波电离层、散射、信道、微波视距信道灯)。以上信道中明线和电缆可用来传输速率低的数字基带信号,其他信道均要进行数
4、字调制。数字信号只经信道编码而不经调制就可直接送到明线或电缆中去传输。我们把不经调制的数字信号称为数字基带信号,把数字基带信号直接送到信道中传输的数字通信方式称为基带传输方式。经调制后的数字信号称为数字频带信号,把调制后的数字频带信号送到信道中传输称为数字频带传输。根据现在接入网的定义,用户与交换机之间的所有机线设备称之为用户接入网。把信源(信源编码)与信道编码(交换节点)之间的传输称为接入信道。接入信道也可分为有线和无线两类信道。第四章 数字通信系统概述这里讲的信道,主要是指长途或市话中继传输的数字信号通道。在信号长途传输时,到达收端的信号总是不理想的,因为信道本身有频率响应特性及衰减,信号
5、在传输时会受到信道的干扰和噪声的影响。人们长期以来在研究、探讨并采取各种措施使其衰减、干扰及噪声降到最低限度。其中,一是采用数字信号传输一一数字通信,它具有抗干扰性强、噪声不积累等优点;二是研究特性优良的传输信道,采用传输频带宽、衰减小、抗干扰性 强的信道。现在广泛应用光纤信道以及远程自由空间恒参信道(卫星通信信道)等来改善信道质量。数字解调,即完成从数字频带信号中恢复出原来的宽带数字信号,再经信道解码和码型反变换后分离成数字基带信号的过程;也可以是经信源解码,即D/A变换,还原为原始模拟用户信号或分路数字信号的过程。数字解调的收端 技术与设备是相应发端技术与设备的逆变换。第四章 数字通信系统
6、概述4.1.1 数字通信系统的主要性能指标 1.数字传输系统传输速率(1)信息传输速率 信息传输速率,是指在单位时间(每秒)传送的信息量。信息量是消息多少的一种度量,消息的不确定程度愈大,则信息量愈大。信息传输速 率的单位有b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。(2)码元(符号)传输速率 码元传输速率即信号传输速率。它是指单位时间(每秒)所传输的码元数目,其单位称为波特。这里的码元一般指多进制,如二进制、四进制等,它和信息速率是有区别的,码元速率可折合为信息速率进行计算。其转换公式为 fB=N 1b M (4.1.1)式中:fB为信息传输速率(二进制传输速率);N为波特数(消息速率)
7、;1b=log2,1b是 log2的符号表示;M为符号进制数(码元进制数)。第四章 数字通信系统概述2.误码(1)误码概念在数字通信中用的是脉冲信号,即用“1”和“0”携带信息。由于噪声、串音及码间干扰 或其他突发因素的影响,当干扰幅度超过脉冲信号再生判决的某一门限值时,将会造成误判成为误码,如图4.2所示。误码用误码率来表征,定义为:数字通信系统中在一定 统计时间内,数字信号在传输过程中产生错误的码元数与传输的总码元数之比,用符号Pe表示。图4.2 噪声叠加在数字信号上的波形 Pe=lim(4-1)第四章 数字通信系统概述(2)误码积累在实际的数字通信系统中,含有多个再生中继段,上面讲的误判
8、产生的误码率是指在一个中继段内产生的,当它继续传到下一个中继段,也有可能再产生误判,但这种误判把原来误码纠正过来的可能性极少。因此,一个传输系统的误码率应与每个再生中继段的误码率相关,即具有累积特性。如一个传输系统有m个再生中继段,则总误码率为 式中:Peb为总误码率;1为再生中继段序号;Pe1为第1个再生中继段的误码率。(4-2)当每个再生中继段的误码率相同,即都为PB时,则171个再生中继段的误码率为(4-3)第四章 数字通信系统概述3.抖动(1)抖动概念所谓抖动,是指在噪声因素的影响下,数字信号的有效瞬间相对于应生成理想时间位 置的短时偏离。一般把抖动称为相位抖动或定时抖动。它是数字通信
9、系统中数字信号传输的一种不稳定现象,也即数字信号在传输过程中,造成的脉冲信号在时间间隔上不再是等间隔的,而是随时间变化的一种“脉冲抖动”现象。如图4.3所示。图4.3 脉冲抖动的意义第四章 数字通信系统概述(2)抖动容限动容限一般是用峰二峰抖动JP-p来描述的。它是指某个特定的抖动比特的时间位置相对于该比特抖动时的时间位置的最大部分偏离。设数字脉冲一比特宽度为T,偏离位置用 表示。则抖动容限为(T)100%(UI)。如 果产生一比特的偏离,即为1 UI(100%UI)。抖动对各类业务的影响不同,例如在传输话音和数据信号时,系统的抖动容限一般小 于等于4%UI。由于人眼对相位变化的敏感性,对用数
10、字系统传输的彩色电视信号,其系 统抖动的容限一般小于等于0.2%UI或者要求更严。抖动容限随数字信号传输的比特速率 高低及对不同的数字系统要求而有区别。第四章 数字通信系统概述4.2 数字复接技术4.2.1 数字多路通信原理 1.数字多路通信的理论基础 数字多路通信也叫做时分多路通信。所谓时分多路通信,是利用多路信号(数字信号)在信道上占有不同的时间间隙来进行通信的。图4.4 脉冲信号的正交第四章 数字通信系统概述2.数字多路通信模型 如第2章PCM脉冲编码技术所述,由抽样定理把每路话音信号按8000次s抽样,对每个样值编8位码,那么第一个样值到第二个样值出现的时间,即1/8000 s=125
11、 s称为抽样周期T=l25 s。在这个T时间内可间插许多路信号直至n路,这就是时间的可分性(离散性),就能实现许多路信号在T时间内的传输。其多路通信模型如图4.5所示。图4.5 时分多路复用示意图第四章 数字通信系统概述采用单片PCM编解码器把每路话音信号经抽样编码变为数字信号,利用时间间隙合 路后送到收端,经分路解码后还原为每个话路信号。要注意的是,为了保证发、收两端正常通信,两端的旋转开关S1、S2的起始位置和旋转速度要完全相同。收发端旋转开关S1连接第一路时,收端旋转开关S,也必须连接第一路;否则,收端收不到本路信号。这就是所谓的数字通信中的同步问题。在图4.5中所示的旋转开关(S1、S
12、2)旋转一圈即为一个周期,对PCM单路编解码技术而言,这个周期为取样周期T=l25s,即某一路样值数字信号(编出的8位码)到此路第二个样值数字信号再出现的时间。同理收端也必须是T=125S,即同频(时钟信号 样)而且必须同相,也即发端第一路样值数字信号要对应收端此路样值的数字信号。第四章 数字通信系统概述4.2.2 数字信号复接技术 数字复接,就是利用时间的可分性,采用时隙叠加的方法把多路低速的数字码流(支路码流),如图4.6(a)所示,在同一时隙内合并成为高速数字码流的过程。数字复接主要有:按位复接、按宇复接、按帧复接等各种方式。按一个码位时隙宽度进行时隙叠加称为按位复接,如图4.6(b)所
13、示。在一个时隙中叠加了四个码位,其每位码宽度减小到原来的1/4,其码率提高了四倍。图4.6(C)所示为按字复接,一般一个码字在PCM中即为一个抽样值所编的8位码,因此一个码字通常称为8位码。在一个码字 宽度里将四个码字叠加在一起,其每个码字时间宽度减小到原来的1/4,码率提高了四倍。图4.6 拨位复接和按字复接示意图第四章 数字通信系统概述4.3 数字传输信号帧结构 数字信号在传输中都是无穷无尽的码流,这些码流究竟如何区别呢?在数字信号(支路信号)复接(合路)为高速数字码流时,在接收端如何辨认各支路信号的码元呢?这就是数字通信传输中必须要按规定的单元结构帧结构进行传输。帧结构一般都采用由世界电
14、信组织建议的统一格式,为保证数字通信系统正常工作,在一帧的信号中应有以下基本 信号:(1)帧同步信号(帧定位信号)及同步对告信号;(2)信息信号;(3)其他特殊信号(地址、信令、纠错等信号);(4)勤务信号。第四章 数字通信系统概述 这些信号中帧同步信号是最为重要的信号。如信号不同步则通信无法进行。帧同步信号是由一定长度的,满足一定要求的特殊码型构成的码组,可分散或集中地插入码流中。如系统失步则安排有失步对告信号。信息信号是通信中传输的主要内容它在帧内占的比例标志着信道的利用率,所以总是希望此信号在帧中占有较高比例。特殊信号是指信令信号、纠错信号、加密信号、管理信号和调整指令比特等其他特殊 用
15、途的信号。勤务信号包括了监测、告警、控制及工作人员勤务联系信号等。根据原CCITT建议,我国数字通信系统传输主要有以下几种帧结构。第四章 数字通信系统概述4.3.1 PCM30/32路基群帧结构 CCITT G7.32协议中指出了两种最基本的数字基群系列:一种是PCM30/32路系统一次群(我国及欧洲采用),一种是PCM24路系统一次群(日本、美国等采用)。这里主要讲述我国采用的PCM30/32路系统帧结构。CCITT G7.32协议PCM30/32路系统帧结构如图4.7所示。从图中看出,一帧的时 间为一周期T,即为PCM单路信号抽样周期125 s,每帧由32个路时隙TS0TS31组成(每个时
16、隙有8位码,a1a2a3a8即一个码字),话路占30个时隙,同步和信令各占一个时 隙,所以称之为基群30/32路系统(30表示一帧的话路数,32表示一帧的时隙数)。第四章 数字通信系统概述图4.7 PCM30/32制式帧结构第四章 数字通信系统概述时隙信号作如下安排:1)30个话路时隙:TS1TS15,TS17TS31 TS1TS15分别传送CH1CH15路的话音数字信号,TS11TS31分别传 送CH16 CH31路的话音数字信号。每路即一个样值的8位码(一个码字)。2)帧同步间隙TS0偶帧TS1发送帧同步码0011011;奇帧TS0传送帧失步告警码。具体安排为:偶帧TS“8位码中的第一位码
17、a 1用来作帧校核码,后7位安排为同步码 0011011。奇帧TS0时隙的8位码中的第一位码a1留给国际用,通常不用时为1;第二位码a2固定为1作监视码用;第三位码a3用A1表示,即帧失步时间向对端发送的告警码。当帧同步时A1为”0”码,当帧失步时A1为“l”码,以便告诉发端,收端已经出现帧失步,无法正常工作。奇帧余下的五位码(a4a8)保留给国内用,可供安排传送其他信息,未使用时可都暂固定为“1”码。这样奇帧TS0,时隙的码字为11 11111。第四章 数字通信系统概述3)信令复帧时隙:TS16一个信令复帧共有16帧(FoF15)。其中,Fo帧的TS16时隙传送复帧同步码与复帧失步告警码。F
18、1F15帧的TS16时隙分别传送30个话路的信令码,如果多个基群的信令共用 一个信令通道,则称为共路信令(No.7信令)。当采用公共信道信令时,此时隙要重新设计。为保证数字信号战帧结构安排位置进行传输,各位码的固定时间关系必须由定时系统来保证。其时间关系如下:每一路时隙 为 码字位数L=8,故每一位时隙 为 第四章 数字通信系统概述因此,现在一般称这种帧结构的速率接口为2 Mb/s的速率接口。帧结构中必须有话路时隙脉冲、帧同步时隙脉冲以及信令复帧脉冲等信号,这些信号可由时钟脉冲分频获得。PCM基群30/32路系统方框图,即2M接口结构方框图如图4.8所示。图4.8 PCM30/32路系统方框图
19、第四章 数字通信系统概述4.3.2 准同步数字复接(PDH)系列帧结构(以PCM30/32路为基础)1、准同步数字复接(PDH)系列根据不同需要和不同传输介质的传输能力,要有不同的话路数和不同的速率复接形成一个系列,由低向高逐级进行复接,这就是数字复接系列。倘若被复接的几个支路(低等级支路信号)是在同一高稳定的时钟控制下,它们的数码率是严格相等的即各支路的码位 是向步的。这时,可以将各支路码元直接在时间压缩、移相后进行复接,这样的复接称为同步复接。4.3.3节讲述的SDH就是这种复接方式。倘若被复接的支路不是在同一时钟控制下,各支路有自己的时钟,它们的数码率由于 各自的时钟偏差不同而不严格相等
20、,即各支路码位是不同步的。在这种情况下在复接之前必须调整各支路码速,使之达到严格相等,这样的复接称为异步复接,也称为准同步数 字复接CPDH系列),而且它们是按位复接(逐位码进行叠加)的。第四章 数字通信系统概述国际上主要有两大系列的准同步数字复接系列CPDH系列)。经CCITT推荐,两大系 列有PCM基群24路系列和PCM基群30/32路系列。作为第一级速率接口通常称为1.5 M和2M接口速率。两类速旦在复接系列如表4.1所示。表4.1 两类速率复接系列比较表一次群(基群)二次群 三次群四次群 北美 24路 1.544 Mb/s 96路(244)6.312 Mb/s 672胳(967)44.
21、736 Mb/s 4032路(6726)274.176 Mb/s 日本 24路1.544 Mb/s 96路(244)6.312 Mbs480路(967)32.064Mb/s 1440路(4803)97.728 Mb/s 中同 30路 2.048 Mb/s 120 路(304)8.448 Mb/s 480路(1204)34.368 Mb/s 1920路(4804)139.264Mb/s第四章 数字通信系统概述2、2.048Mb/s速率接口的(PDH)复接系列二次群帧结构 由于参加复接的各低次群(支路)采用各自的时钟,虽然其标称速率相同(2.048 Mb/s),但由于时钟允详偏差 50ppm(即
22、100 bs),而各支路偏差不相同,因此各支路的瞬时数码率会不相同。另外,在复接成高次群时还要有同步插入比特、对告信号比特等,因此在复接时首先要进行码率调整,使各支路码率严格相等(同步)后才能进行 复接(汇接或称合成)。其方法如图4.9所示。图4.9 数字复接示意图第四章 数字通信系统概述在每支路复接时码率究竟如何调整呢?CCITT推荐的速率系列PDH二次群速率为 8.448 Mb/s。CCITT G.742推荐的正码速调整(增加码位)准同步复接系列PDH二次群的帧结构中各支路的比特安排如图4.l0(a)所示,它的复接帧如图4.l0(b)所示,帧长为 848比特,帧周期为100.38 s。如上
23、节所述,各支路复接时速率调整一样,则每支路子帧即为212比特。由各低次群2048 kb/s复接为8448 kbs,则各支路要调整为2112 kb/s,每秒内各支路(低次群)插入64 kbs的码位。按帧结构安排,在每支路(子帧)为212比特中要插入同步码、监测、告警及速率调整等码位。因此,在复接前的各支路于帧的码位安排如4.10(a)所示。把各支路子帧212比特分为4组,每组为53比特,每支路(子帧)所含非信息、比特,包括安排在各支路的帧同步码、告警、备用码位Fij(其中i为支路编号,j为F的码位编号。如安排在第一支路第一组前3位为F11F12F13,4个支路共计12位。用于码率调整的塞入标志C
24、ij(其中i为支路编 号,j为C的码位编号,安排在各支路的、组的第一组,如C11 C12 C13分别安排在第一支路第、组的第一位),塞入脉冲Vi,i为支路数安排在每支路的第组的第二位,该位在需要提高支路码率时为塞入脉冲,这时C11 C12 C13为 111;在不需要提高支路码率时仍为信息码,相应的C11C12C13为000。第四章 数字通信系统概述图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)复接帧结构第四章 数字通信系统概述从帧结构图中知,四个支路子帧按位复接如图4.I0(b)所示,F11 F21F31 F41 F33 F43共 12比特。前10比特为帧同步码,码型
25、为1 111010000;后两位F33F43作为对端告警和备用。C11C41,C12C42,C13C43是各基群支路的插标志;V1V2V3V4为插入码脉冲位。每个支路的信息码位为205或206(未插入时),一帧中共有信息码位为820824位。PDH接口速率、码型如表4.2所示。群路等群路等级一次群(基群)一次群(基群)二次群二次群三次群三次群四次群四次群接口速率(kb/s)20488448343681392461接口码型HDB3HDB3HDB3CMI表4.2 PDH接口速率码型表第四章 数字通信系统概述4.3.3 同步数字复接(SDH)系列帧结构1.同步数字复接系列SDH 随着人们日常生活工作
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