數字通信系統(tǒng)概述

第4章數字通信系統(tǒng)概述4.1數字通信系統(tǒng)模型4.2數字復接技術4.3數字傳輸信號幀結構4.4數字傳輸信號的處理4.5數字信號的調制與解調

4.1數字通信系統(tǒng)模型

4.1.1數字通信系統(tǒng)模型結構

通信就是信息的傳遞。用以完成信息傳遞整個過程的通信系統(tǒng)是由一整套技術設備硬件、軟件和傳輸煤質所構成的總體。第1章我們已經講過，就信號的傳遞通信系統(tǒng)可以分為兩大類，即模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)，我們這里主要講授數字通信系統(tǒng)。完成數字信號產生、變換、傳遞及接收全過程的系統(tǒng)稱之為數字通信系統(tǒng)。數字通信系統(tǒng)的模型可用圖4.1來描述。圖4.1數字通信系統(tǒng)模型圖4.1中，信息源是信息或信息序列的產生源。它泛指一切發(fā)信者，可以是人也可以是機器。他（它）們可以產生諸如聲音、數據、文字、圖像、代碼等電信號。信源編碼的主要功能是把人的話音以及機器產生的如文字、圖表及圖像等模擬信號變換成數字信號，即所謂的模/數（A/D）變換。信源和信源編碼可設在通一物理體內，也可以分設。如現在的一般電話用戶輸出話音模擬信號（300～3400Hz），通過用戶線送到數字程控交換局，通過話路模塊（PCM單路編譯碼器）變換成64kb/s的數字信號，再進行時隙交換。（如數字電話機的信源輸出就是數字信號，計算機輸出的數據信號等，無需信源編碼。此時就可以省去信源編碼部分。）信源編碼：在完成多路數字信號復接為寬度數字信號之后，把此寬帶數字信號送到傳輸的信道中去。根據各種傳輸信道的特性及對傳輸數字信號的要求（如有一定糾錯能力、減少誤碼、從信碼中提取時鐘等），將信號變換成所謂的傳輸碼型的過程程之為信道編碼。如PCM基帶傳輸碼型HDB3碼，光纖傳輸碼型NRZ碼、5B6B碼、4B1H碼等。數字調制：根據信道煤質特性對編碼后的數字信號還要經過調制后送入信道中，如光纖信道中的光調制；在無線傳輸中，根據傳輸的數字速率、邊帶利用率、功率利用率及誤碼率、設備的復雜程度等，可采用數字頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、幅移鍵控（ASK）及組合變換、變型等各種數字調制方式。信道：指傳輸信號的通道。根據信號特性，信道可以分為模擬信道和數字信道；根據傳輸煤質的不同，可以分為有線信道（明線、電纜、光纖信道等）和無線信道（短波電離層、散射信道、微波視距信道和衛(wèi)星遠程自由空間恒參信道）。在以上信道中，明線和電纜可以用來傳輸速率低的數字基帶信號，其他信道均要進行數字調制。數字信號只經信道編碼而不經調制就可以直接送到明線或電纜中去傳輸。我們把不經調制的數字信號稱為數字基帶信號，把數字基帶信號直接送到信道中傳輸的數字通信方式稱為基帶傳輸方式。經過調制后的數字信號稱為數字頻帶信號，把調制后的數字頻帶信號送到信道中去傳輸為數字頻帶傳輸。根據現在接入網的定義，用戶與交換機之間的所有機線設備稱之為用戶接入網。我們把信源（信源編碼）與信道編碼（交換節(jié)點）之間的傳輸稱為接入信道。接入信道也可以分為有線和無線兩類信道，此信道的顯著特點是，突出了終端業(yè)務是業(yè)務提供點與最終用戶之間的連接網絡。這里講的信道，主要是指長途或市話中繼傳輸的數字通道。信號在長途傳輸時，到達接收端的信號總是不理想的，因為信道本身有頻率響應特性及衰減，信號在傳輸時會受到信道的干擾和噪聲的影響。人們長期以來在研究、探討并采取各種措施使其衰減、干擾及噪聲降到最低限度。其中，一是采用數字信號傳輸------數字通信，它具有抗干擾性強、噪聲不積累等優(yōu)點；二是研究特性優(yōu)良的傳輸信道，采用傳輸頻帶寬、衰減小、抗干擾性強的信道?，F在廣泛應用光纖信道以及遠程自由空間恒參信道（衛(wèi)星通信信道）等來改善信道質量。數字解調，即完成從數字頻帶信號中恢復出原來的寬帶數字信號，再經過信道解碼和碼型反變換后分離成數字基帶信號的過程；也可以是經信源解碼，即D/A變換，還原為原始模擬用戶信號或分路數字信號（不經過信源解碼，如計算機信號等）的過程。數字解調的收端相應技術與設備是發(fā)端技術與設備的逆變換。4.1.2數字通信系統(tǒng)的主要性能指標

1.數字傳輸系統(tǒng)傳輸速率

1)信息傳輸速率

2)碼元(符號)傳輸速率轉換公式為

(4.1.1)

2.誤碼

1)誤碼概念在數字通信中使用的是脈沖信號，即用“1”和“0”攜帶信息。由于噪聲、串音及碼間干擾以及其他突發(fā)因素的影響，當干擾幅度超過脈沖信號再生判決的某一門限值時，將會造成誤判成為誤碼，如圖4.2所示。圖4.2噪聲疊加在數字信號上的波形在傳輸過程中受到干擾（疊加了噪聲）的數字信號在判決點會出現兩種情況：以單極性信號為例：可能把“1”碼誤判為“0”碼，稱為減碼，也可能把“0”碼誤判為“1”碼，稱為增碼。無論減碼還是增碼，都稱為誤碼，誤碼用誤碼率來表征，定義為：數字通信系統(tǒng)中在一定統(tǒng)計時間內，數字信號在傳輸過程中發(fā)生錯誤的碼元數與傳輸的總碼元數之比，用符號Pe表示。產生錯誤碼元(個數)傳輸的總碼元(個數)(4.1.2)誤碼率Pe是統(tǒng)計評均值，即稱為平均誤碼率。

2)誤碼積累在實際的數字通信系統(tǒng)中，含有多個再生中繼段，上面講的誤判產生的誤碼率是指在一個中繼段內產生的，當它繼續(xù)傳到下一個中繼段，也有可能再產生誤判，但這種誤判把原來誤碼糾正過來的可能性極少。(4.1.3)(4.1.4)式中：Pe為總誤碼率；i為再生中繼段序號；PeBi為第i個再生中繼段的誤碼率。當每個再生中繼段誤碼率相同，即為PeBi時，則m個再生中繼段的誤碼率為

3.抖動

1)抖動概念所謂抖動，是指在噪聲因素的影響下，數字信號的有效瞬間相對于應生成理想時間位置的短時偏離。圖4.3脈沖抖動的意義

2)抖動容限抖動容限一般是用峰—峰抖動Jp-p來描述的。它是指某個特定的抖動比特的時間位置相對于該比特抖動時的時間位置的最大部分偏離。4.2數字復接技術

4.2.1數字多路通信原理數字多路通信也叫做時分多路通信,所謂時分多路通信,是利用多路信號(數字信號)在信道上占有不同的時間間隙來進行通信的。多路通信的基礎源于數學上信號的正交性：

(4.2.1)圖4.4脈沖信號的正交對于不是連續(xù)信號,如時分制中的脈沖信號,只能用離散和來代替以上積分,即(4.2.2)根據離散和計算有(4.2.3)如第2章PCM脈沖編碼技術所述,由抽樣定理把每路話音信號按8000次/s抽樣,對每個樣值編8位碼,那么第一個樣值到第二個樣值出現的時間,即1/8000s(=125μs),稱為抽樣周期T(=125μs)。在這個T時間內可間插許多路信號直至n路,這就是時間的可分性(離散性),就能實現許多路信號在T時間內的傳輸。其多路通信模型如圖4.5所示。圖4.5時分多路復用示意圖

4.2.2數字信號復接技術數字復接,就是利用時間的可分性,采用時隙疊加的方法把多路低速的數字碼流(支路碼流),如圖4.6(a)所示,在同一時隙內合并成為高速數字碼流的過程。圖4.6按位復接和按字復接示意圖(a)一次群(基群)；(b)二次群(按位數字復接)；(c)二次群(按字數字復接)4.3數字傳輸信號幀結構

幀結構一般都采用由世界電信組織建議的統(tǒng)一格式,為保證數字通信系統(tǒng)正常工作,在一幀的信號中應有以下基本信號:①幀同步信號(幀定位信號)及同步對告信號;②信息信號;③其他特殊信號(地址、信令、糾錯等信號);④勤務信號。4.3.1PCM30/32路基群幀結構時隙信號作如下安排：

1)30個話路時隙:TS1～TS15,TS17～TS312)幀同步時隙:TS03)信令復幀時隙:TS16

每一路時隙tc為碼字位數L=8,故每一位時隙tB為(4.3.1)(4.3.2)圖4.7PCM30/32制式幀結構數碼率(4.3.3)圖4.8PCM30/32路系統(tǒng)方框圖

4.3.2準同步數字復接(PDH)系列幀結構(以PCM30/32路為基礎)1.準同步復接(PDH)系列根據不同需要和不同傳輸介質的傳輸能力,要有不同的話路數和不同的速率復接形成一個系列,由低向高逐級進行復接，這就是數字復接系列。倘若被復接的幾個支路(低等級支路信號)是在同一高穩(wěn)定的時鐘控制下,它們的數碼率是嚴格相等的,即各支路的碼位是同步的。表4.1兩類速率復接系列比較表

2.2.048Mb/s速率接口的(PDH)復接系列二次群幀結構圖4.9數字復接示意圖在每支路復接時碼率究竟如何調整呢?CCITT推薦的速率系列PDH二次群速率為8.448Mb/s。CCITTG.742推薦的正碼速調整(增加碼位)準同步復接系列PDH二次群的幀結構中各支路的比特安排如圖4.10(a)所示,它的復接幀如圖4.10(b)所示,幀長848比特,幀周期為100.38μs。圖4.10異步復接二次群幀結構(a)基群支路插入碼及信息碼分配；(b)復接幀結構采用三位標志碼Cij便于多數判決以決定分接時“去塞”與否,其正確判斷的概率為當誤碼率Pe=10－３時,正確判斷的概率為表4.234368kb/s復用幀結構表4.3139264kb/s復用幀結構表4.4PDH接口速率、碼型表

4.3.3同步數字復接(SDH)系列幀結構

1.同步數字復接系列SDH

通信容量越來越大,業(yè)務種類越來越多,傳輸的信號帶寬越來越寬,數字信號傳輸速率越來越高。這樣便會使PDH復接的層次越來越多,而在更高速率上的異步復接/分接需要采用大量的高速電路,這會使設備的成本、體積和功耗加大,而且使傳輸的性能惡化。

2.SDH同步數字復接系列幀結構按世界ITU―T1995年G.707協議規(guī)范,SDH的數字信號傳送幀結構安排盡可能地使支路信號在一幀內均勻地、有規(guī)律地分布,以便于實現支路的同步復接、交叉連接、接入/分出(上/下——Add/Drop),并能同樣方便地直接接入/分出PDH系列信號。為此,ITU―T采納了以字節(jié)(Byte)作為基礎的矩形塊狀幀結構(或稱頁面塊狀幀結構),如圖4.11所示。圖4.11SDH幀結構

1)信息凈負荷區(qū)域信息凈負荷區(qū)域是幀結構中存放各種信息負載的地方。

2)段開銷區(qū)域段開銷(SectionOverHead)是STM幀結構中為了保證信息凈負荷正常、靈活傳送所必須的附加字節(jié),是供網絡運行、管理和維護使用的字節(jié)。

3)管理單元指針區(qū)域

管理單元指針用來指示信息凈負荷的第一個字節(jié)在STM幀中的準確位置,以便在接收端能正確地分接信息凈負荷信號。

4.4數字傳輸信號的處理4.4.1信道編碼變換根據電纜信道的特點及傳輸數字信號的要求,要滿足以下幾個條件:①碼型中,高、低頻成分少,無直流分量。②在接收端便于定時提取。③碼型應具有一定的檢錯(檢測誤碼)能力。④設備簡單、易于實現。

1.不歸零碼和歸零碼通常,常見的碼型(脈沖波形)有不歸零碼(NRZ)和歸零碼(RZ),對應波形及頻譜如圖4.12、4.13所示。圖4.12單極性不歸零碼及功率譜圖4.13單極性歸零碼及功率譜2.雙極性半占空碼(AMI)AMI碼編碼規(guī)律及頻譜如圖4.14所示。圖4.14AMI碼及功率譜

3.HDB3碼

HDB3碼是三階高密度雙極性碼的簡稱。HDB3碼保留了AMI碼的所有優(yōu)點,還可將連零碼限制在3個以內,克服了AMI碼如果長連零過多對提取定時不利的缺點。HDB3碼的功率譜與AMI碼類似。圖4.15HDB3編碼波形

4.CMI碼準同步PDH四次群接口碼型采用傳號反轉碼(CMI),主要適用于光纖通信系統(tǒng)傳輸。CMI碼編碼規(guī)則如表4.5所示。

表4.5CMI碼編碼規(guī)則

4.4.2擾碼與解擾碼在數字光纖及數字衛(wèi)星通信等長途傳輸中,為了保證收端定時恢復,使原數字信息碼流中限制“0”碼或“1”碼的長度,并使“1”與“0”出現的概率幾乎相等。擾碼器原理實際上就是m序列與傳輸數字信息模二加,完成輸入數字序列的擾亂,這樣實現的擾碼器原理框圖如圖4.16(a)所示。由圖可得擾碼器輸出序列LK為(4.4.1)圖4.16擾碼器原理方框圖

(a)擾碼器；(b)解擾器在接收端要恢復出原始數字序列,需要一個結構與發(fā)端相同的m序列發(fā)生器與傳輸序列｛LK｝模二加實現解擾,其原理方框圖如圖4.16(b)所示。如圖中所示,它與擾碼器的反饋網絡相對應,可得到解擾方程為(4.4.2)圖4.17幀同步擾碼器功能圖

4.4.3差錯控制(糾錯編碼)1.差錯控制基本概念在數字信號傳輸過程中,由于信道受到噪聲或干擾的影響,信號碼元的波形傳到接收端就可能會發(fā)生錯誤。為了把這些錯誤減少到人們預期要求的最低限度,人們在數字碼流中加入一些附加碼元(稱監(jiān)督碼元),并采用一種特殊的編碼方式進行差錯控制。

2.差錯控制編碼基本原理我們舉例來說明糾錯編碼的基本原理。如用兩位二進制碼組22=4可表示四種天氣情況:00晴,01云,10陰,11雨,如果四組碼中任意錯一位碼,則將一種天氣變?yōu)榱硪环N天氣。如果把碼組增加到3位23=8構成碼組來表示,則有

000晴001云010陰011雨一般分組碼用符號(n,k)表示,其中,k是每組碼中信息碼元數目,n為碼組的總位數,又稱碼組的長度(碼長),附加碼元數為r,又稱監(jiān)督碼元數。r=n-k,如用ai表示碼位,則糾錯編碼碼組結構如圖4.18所示。圖4.18分組碼結構圖

3.差錯控制的編碼方式差錯控制的編碼方式一般分為三類,一類稱為“反饋糾錯”,另一類稱為“前向糾錯”,在此兩類基礎上派生出的第三類稱為“混合糾錯”。

1)反饋糾錯

(1)奇偶監(jiān)督碼。一般的奇偶監(jiān)督碼分兩種,一種叫奇數監(jiān)督,它的編碼規(guī)則是在一個碼組中使“1”的數目為奇數。(4.4.3)

(2)行列監(jiān)督碼。行列監(jiān)督碼是在前面奇偶監(jiān)督碼基礎上發(fā)展而來的。行列監(jiān)督碼是二維奇偶監(jiān)督碼,又稱為矩陣碼,它能用以糾正突發(fā)差錯為目標的簡單編碼。矩陣碼原理如圖4.19所示。圖4.19矩陣碼原理圖(3)自動要求重發(fā)ARQ(AntomaticRepeatRequest)。自動要求重發(fā)是一種實用的反饋糾正方法,如圖4.20所示。圖4.20ARQ系統(tǒng)

2)前向糾錯

(1)循環(huán)碼。循環(huán)碼是一種分組碼,它是在嚴密的數學模型基礎上建立起來的,它有三個主要的數字特征:①循環(huán)碼的碼組中,任意兩個碼組之和(模二加)必定為該碼組集合中的一個碼組。②循環(huán)碼每個碼組中,各碼元之間存在一個循環(huán)依賴關系。③循環(huán)碼的碼組之間具有循環(huán)性,即循環(huán)碼中任一組循環(huán)一位(將最右端的碼移至左端或反之)以后仍為該碼組集合中的一個碼組。

表4.6循環(huán)碼示例

(2)卷積碼。卷積碼又稱連環(huán)碼,它與上述的循環(huán)碼(分組碼)不同,這種編碼也是在信碼之中插入監(jiān)督碼元,但不實行分組監(jiān)督,而是每一監(jiān)督碼元都要對前后的信息單元起監(jiān)督作用。整個編/解碼過程是一環(huán)扣一環(huán)連續(xù)地進行下去的,所以稱連環(huán)碼。

4.數字加密技術

1)數字信號傳輸加密在數字信息進入傳輸信道前進行加密處理,可以以很小的代價,換取對信息很大的安全保護。信息加密處理是由各種加密算法來實現的。

2)數字終端加密技術對于特殊用戶的數字信號,如銀行的數據信號、信用卡的數字信號以及其他終端的數字信號，在加密后傳輸,收端予以認證即可。這就要求終端有一個安全模塊(SM),能存放個人識別碼IPN密鑰Ki和加密算法等信息,并帶有CPU,能執(zhí)行加密算法和認證等功能。

4.5數字信號的調制與解調

4.5.1數字信號的無線傳輸數字信號通過空間以電磁波為載體傳輸到對方,稱為無線傳輸。我們把要傳送的數字信號稱為數字基帶信號。攜帶數字基帶信號的電磁波為一振蕩波,通常稱為載波,最簡單的就是正弦波或余弦波f(t)=Asin(ωt+φ)。4.5.2數字信號的調制與解調

1.三種基本調制方式

1)幅移鍵控幅移鍵控就是數字信號振幅調制。

2)頻移鍵控頻移鍵控就是數字信號頻率鍵控。

3)相移鍵控相移鍵控就是數字信號相位控制。圖4.21二進制基帶碼的三種調制方式

(a)2ASK；(b)2FSK；(c)2PSK圖4.22二進制基帶信號的調制波形

2.二相相對調相與解調所謂相對調相,不是像絕對調相那樣對應數字信號“1”和“0”以固定的相位關系,而是一種相對的關系,其調制規(guī)律為:當遇到基帶信號“1”碼時,載波的相位相對于前一個碼元相位改變π(即倒相)；當遇到“0”碼時,載波的相位相對于前一個碼元相位不變。此規(guī)律也可反用之。圖4.232DPSK信號的調制與解調(a)調制器原理方框圖；(b)解調器原理框圖

3.四相相對調相與解調

(1)四相相對調制(QPSK)方式。

QPSK采用“反射編碼”(格雷碼)相位邏輯編碼方法,這種方法用得較多。圖4.24是QPSK調制器的組成框圖(圖(a))和工作原理矢量圖(圖(b))。圖4.25為QPSK相干解調方框圖。圖4.24QPSK調制器(a)4PSK框圖；(b)矢量圖圖4.25QPSK相干解調器

(2)OK-QPSK調制方式。在衛(wèi)星通信中還使用一種OK-QPSK調制方式。

OK-QPSK調制方式是偏移四相相移調制方式,主要在衛(wèi)星通信中應用。