通信技術基礎（第二版）中職全套教學課件

通信技術基礎（第二版）全套可編輯PPT課件目錄模塊一通信技術概述模塊二通信系統(tǒng)信號的傳輸和處理模塊三數字基帶傳輸技術模塊四數字頻帶傳輸技術模塊五典型通信系統(tǒng)謝謝

THANKS模塊一通信技術概述課題二對通信的要求及通信業(yè)務課題一什么是通信課題一什么是通信學習目標1．了解通信系統(tǒng)的組成。2．了解通信系統(tǒng)的分類。3．了解通信網絡的轉接與信號交換技術。4．了解通信標準。相關知識廣義上，通信是指需要信息的雙方或多方在不違背各自意愿的情況下采用任意方法、任意媒質，將信息從某一方準確、安全地傳送到另一方。狹義上，通信就是信息的傳輸和交換，即信息的傳遞。為實現(xiàn)通信采用的技術就是通信技術。各類通信方式中應用最多的是電通信。通信系統(tǒng)的一般模型一、通信系統(tǒng)的組成1．信源信源是信息產生的“源泉”。2．發(fā)送設備發(fā)送設備對信源發(fā)出的電信號進行適當的處理，使其方便在信道中傳輸。常見的信源設備a)話筒b)數碼攝像機c)數碼相機d)計算機e)掃描儀f)攝像頭3．信道信道是信號傳輸的通道，又稱傳輸媒介。電信號以電流、電磁波的形式在信道中傳播，光信號以光波的形式在光纖中傳輸。(1)有線信道常用的有線信道有雙絞線、同軸電纜和光纜等。1)雙絞線。雙絞線a)實物圖b）結構圖電纜a)實心絕緣非填充型電纜b）實心絕緣填充型電纜c）高頻屏蔽型電纜d)自承式電纜e）鋼帶鎧裝型電纜2)同軸電纜。同軸電纜的結構a)實物圖b）結構圖3)光纜。光纖的結構a）實物圖b)結構圖(2)無線信道無線信道由無形的空間構成，信號以電磁波的形式在無線信道中傳播。信號的無線傳輸4．接收設備接收設備的作用與發(fā)送設備的作用相反，通常是把接收到的信號經過放大、濾波選擇、解調后恢復成原來的基帶信號，也就是把經過信道傳輸的信號恢復成原來的信源產生的信號。5．信宿信宿，顧名思義是信息的歸宿。信宿的作用是將來自于接收設備的基帶信號恢復成原始信號。一般來說，信源的輸出和信宿的輸入是相同的，兩個設備是對應的。在雙向通信中，信源和信宿構成通信終端設備。6．噪聲/干擾在通信過程中，噪聲和干擾是不可避免的。噪聲是信道中的噪聲以及分散在通信系統(tǒng)各組成部分中的噪聲的集中表現(xiàn)。噪聲主要來自信道。噪聲的來源很多，有人為噪聲、自然噪聲和內部噪聲等。噪聲按其性質不同可分為加性噪聲和乘性噪聲。（1）加性噪聲通過功率直接疊加的方式作用于有用信號，它的存在獨立于有用信號，不管有沒有信號，加性噪聲都存在。（2）乘性噪聲是由于無線環(huán)境或者射頻器件的非線性，伴隨著無線信號的傳輸過程而產生的噪聲。在無線通信中所說的噪聲就是指相對于有用信號而言人們不需要的那部分信號。因此，可以用分析信號的方法來理解噪聲，這時根據噪聲功率譜密度和幅度分布的特性又可將其分為白噪聲和高斯噪聲。1）白噪聲是指功率譜密度在整個頻域內均勻分布的噪聲。2）高斯噪聲是指其概率密度函數服從高斯分布（即正態(tài)分布）的一類噪聲。二、通信系統(tǒng)與通信網絡1.通信系統(tǒng)通信是將信號從一個地方向另一個地方傳輸的過程。用于完成信號的傳遞與處理的系統(tǒng)稱為通信系統(tǒng)(CommunicationSystem)。常用通信系統(tǒng)的分類方法有以下幾種。（1）按傳輸媒介不同分類按傳輸媒介不同，通信系統(tǒng)可分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)。（2）按信道中所傳遞的信號不同分類按信道中所傳遞的信號不同，通信系統(tǒng)可分為模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)。（3）按工作頻段不同分類按工作頻段不同，通信系統(tǒng)可分為長波通信系統(tǒng)、中波通信系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)等。各類通信系統(tǒng)使用的頻段（4）按調制方式不同分類按調制方式不同，通信系統(tǒng)可分為基帶傳輸系統(tǒng)和頻帶傳輸系統(tǒng)。（5）按業(yè)務不同分類按業(yè)務不同，通信系統(tǒng)可分為電報、電話、傳真、數據傳輸、可視電話、無線尋呼等系統(tǒng)。（6）按收信者是否運動分類按收信者是否運動來分，通信系統(tǒng)可分為移動通信系統(tǒng)和固定通信系統(tǒng)。2.通信網絡現(xiàn)代通信要實現(xiàn)多個用戶之間的相互連接，就需要將不同的通信系統(tǒng)連接起來。由多個通信系統(tǒng)互連而形成的通信體系稱為通信網絡(CommunicationNetwork)。固定電話網就是一個通信網絡。固定電話網的組成示意圖三、通信網絡的轉接與信號交換技術通常情況下通信業(yè)務是不均勻的，有時很忙，有時卻很空。這對于安排信道容量和轉接設備的容量，提出了不易解決的問題。最好能有一種方法將這種忙、空狀態(tài)平均一下，因此使用到信息轉接技術。信息轉接的主要原理是將待傳送的信息存儲起來，等到信道一有空就發(fā)出去。為了進行通信，需要將通信雙方的終端用傳輸信道連接起來。要使多個用戶所使用的點對點通信系統(tǒng)構成通信網，必須在用戶終端之間適當位置上設立交換局及相應的交換設備。常用的信號交換技術按局內處理信號的方式可分為電路交換、信息交換和分組交換三種方式。新的交換方式還有異步轉換模式（ATM）交換和光交換等。將終端之間通過交換設備連接四、通信標準按照級別不同，標準可分為企業(yè)標準、行業(yè)標準、國家標準和國際標準。一般來說，企業(yè)標準的要求最高，國際標準要求最低，表所示為部分標準代號。部分標準代號課題二對通信的要求及通信業(yè)務學習目標1.了解通信系統(tǒng)的質量指標。2.了解信道容量的概念。3.了解通信的基本業(yè)務。相關知識一、通信系統(tǒng)的質量指標在設計、衡量、比較和評價一個通信系統(tǒng)的優(yōu)劣時，必然要涉及通信系統(tǒng)的各種性能指標。對于數字通信系統(tǒng)，衡量其優(yōu)劣的性能指標很多，但歸納起來主要有以下幾點。1.有效性指標在數字通信系統(tǒng)中，有效性指標主要用信息傳輸速率和符號傳輸速率來描述，傳輸速率越高，表示系統(tǒng)的有效性越好。（1）信息傳輸速率（Rb）信息傳輸速率又稱比特率、傳信率，是指數字通信系統(tǒng)在單位時間內傳輸的比特數。(2)符號傳輸速率(RB)符號傳輸速率又稱碼元速率，是指數字通信系統(tǒng)在單位時間內傳輸的碼元數，用RB表示，單位為Baud或Bd（波特）。數字信號的一個波形就是一個碼元，碼元寬度（或碼元周期）為T秒時，RB=1/T，如果一個數字通信系統(tǒng)傳輸的是M進制碼元，則該系統(tǒng)的碼元速率RB和比特率Rb之間的關系為Rb=RBH(x)(3)頻帶利用率(η)在數字通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)效率單從信道的信息傳輸速率來評價是不夠的，還要用系統(tǒng)信道中單位頻帶內所實現(xiàn)的信息傳輸速率來衡量。單位頻帶內的信息傳輸速率稱為頻帶利用率，用η表示，單位為bps/Hz。設B為信道所需的傳輸帶寬，Rb為信道的信息傳輸速率，則頻帶利用率為η=Rb/B根據比特率與碼元速率（波特率）的關系，進一步可推得η=RBlog2M/B2.可靠性指標數字通信系統(tǒng)的可靠性指標主要用傳輸的差錯率來描述。差錯率通常用誤碼率和誤比特率來表示。差錯率越大表示系統(tǒng)可靠性越差。(1)誤碼率（Pe）誤碼率是指在傳輸的碼元總數中發(fā)生差錯的碼元數所占的比例，用Pe表示。(2)誤比特率(Pb)誤比特率又稱誤信率、比特差錯率，是指在傳輸中發(fā)生差錯的比特數占傳輸總比特數的比例，用Pb表示。二、信道容量信道容量是指信道極限傳輸信息的能力，即信道無差錯傳輸信息的最大信息速率，記為C。信道容量一般分為編碼信道容量和調制信道容量，在實際通信中主要研究調制信道容量。在調制信道中，研究的是模擬信號的傳輸。在加性高斯白噪聲背景下，調制信道的參量是調制信道的帶寬、信號功率和高斯白噪聲功率。著名的香農(Shannon)公式指出了調制信道容量的定量計算方法。在高斯白噪聲干擾下，調制信道容量采用香農公式計算：三、通信的基本業(yè)務由傳統(tǒng)的電話業(yè)務發(fā)展為下列業(yè)務：傳真、可視圖文、電子郵件、智能用戶電報、電纜電視、圖文電視、可視電話、會議電視、多媒體圖像通信、高清晰度電視(HDTV)、移動通信等。通信從專門業(yè)務轉向綜合業(yè)務，出現(xiàn)了綜合業(yè)務數字網(ISDN)，從單一業(yè)務到多樣化業(yè)務，通過與計算機網絡互連，為用戶提供上網、發(fā)送電子郵件、網絡電話等多種業(yè)務。模塊二通信系統(tǒng)信號的傳輸和處理課題二將模擬信號轉換為數字信號課題一信號傳輸方式課題三讓信號傳輸得更快、更準確課題四傳輸線路的高效使用方法課題一信號傳輸方式學習目標1.掌握模擬傳輸和數字傳輸的概念。2.掌握串行傳輸和并行傳輸的概念。3.掌握信號發(fā)送和接收方式。相關知識在通信系統(tǒng)中，利用信號將消息傳輸給接收者。隨著通信技術的發(fā)展，信號的傳輸方式越來越多，對信號的處理也有多種方法。按信號的形式不同可以將信號傳輸方式分為模擬傳輸和數字傳輸。一、模擬傳輸和數字傳輸根據信道中傳送的是模擬信號還是數字信號，可以將通信傳輸方式分為模擬傳輸方式和數字傳輸方式,由此也可將通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數字通信系統(tǒng)。1．模擬傳輸代表信息的信號及其參數（幅度、頻率或相位）隨信息連續(xù)變化的信號稱為模擬信號，模擬信號在幅度上連續(xù)，在時間上可以連續(xù)也可以不連續(xù)。模擬信號a)時間上連續(xù)的模擬信號b）時間上不連續(xù)的模擬信號在模擬傳輸中，對信號要進行調制處理，將信號變換為適合在線路中傳輸的形式。模擬傳輸主要應用在模擬通信系統(tǒng)中，常見的模擬調制方式有調幅(AM)、調頻(FM)和調相(PM)，這三種模擬調制的波形如圖所示模擬調制波形2．數字傳輸在時間上和幅度上均取有限離散數值的信號稱為數字信號。數字信號幅度離散，在時間上也是離散的。數字信號a)二進制數字信號b）四進制數字信號如果信道上傳輸的信號是數字信號，則這種信號傳輸方式稱為數字傳輸。模擬傳輸與數字傳輸之間是可以相互轉換的，如圖所示。模擬傳輸與數字傳輸之間的轉換數字信號也可以經過數字調制在模擬傳輸系統(tǒng)中傳輸。模擬信號它攜帶有數字信息。常見的數字調制方式有幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)，這三種數字調制的波形如圖所示。與模擬傳輸相比，數字傳輸具有抗噪聲和不易失真的特點。數字調制波形3．模擬通信和數字通信根據信道傳輸信號的差異，通信系統(tǒng)的分類如圖所示。通信系統(tǒng)的分類利用模擬基帶信號傳遞信息的系統(tǒng)稱為模擬基帶傳輸系統(tǒng)，如麥克風和放大器之間的信息傳輸。利用模擬頻帶信號傳遞信息的系統(tǒng)稱為模擬調制傳輸系統(tǒng)，如模擬電視、廣播等系統(tǒng)。利用數字基帶信號傳遞信息的系統(tǒng)稱為數字基帶傳輸系統(tǒng)，如計算機和外圍設備（如打印機等）之間的信息傳輸。利用數字頻帶信號傳遞信息的系統(tǒng)稱為數字調制傳輸系統(tǒng)，如高清數字電視、光纖通信系統(tǒng)等。信道中傳輸的是模擬基帶信號或模擬頻帶信號的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。信道中傳輸的是數字基帶信號或數字頻帶信號的通信系統(tǒng)稱為數字通信系統(tǒng)。與模擬通信相比，數字通信更能適應現(xiàn)代社會對通信技術的要求，這是因為數字通信具有一系列模擬通信無法比擬的優(yōu)點。(1)抗干擾能力強模擬通信與數字通信的抗干擾性能比較a)模擬通信b）數字通信(2)便于加密處理(3)易于實現(xiàn)集成化，使通信設備體積小、功耗低(4)利于采用時分復用實現(xiàn)多路通信當然，數字通信系統(tǒng)的許多優(yōu)點是用比模擬信號占用更寬的頻帶而得到的。二、串行傳輸和并行傳輸1．串行傳輸將多位二進制碼的各位碼在時間軸上排列成一行，在一條傳輸線路上一位一位地傳輸的方式稱為串行傳輸方式，如圖a所示。這種傳輸方式只需要1條信號線和1條地線。2．并行傳輸用多條傳輸線路同時傳送多位二進制碼的傳輸方式稱為并行傳輸方式，如圖b所示。在這種傳輸方式中，傳輸線路的數量一般等于二進制碼的位數。數據的串行傳輸和并行傳輸a)串行傳輸b）并行傳輸串行傳輸與并行傳輸之間的比較串行接口標準及主要技術指標三、信號發(fā)送和接收方式在通信系統(tǒng)中，最典型、最基本的通信方式是點對點通信，它是研究點對多點、多點對多點通信的基礎。在現(xiàn)實生活中，兩部手機之間的通話就屬于點對點通信。無線WIFI路由器與多部手機之間的通信就屬于點對多點通信，移動應用“多視”支持多對多視頻通話，就是多點對多點通信的應用。在點對點通信方式中，按照信號的流向和時間關系，可以將信號的發(fā)送和接收方式分為單工、半雙工和全雙工三種類型。單工、半雙工和全雙工通信方式a)單工通信b）半雙工通信c）全雙工通信1．單工通信信號只能單方向傳送，在任何時候都不能進行反向傳輸的通信方式稱為單工傳輸。2．半雙工通信在半雙工傳輸方式中，信號可以在兩個方向上傳輸，但在時間上不能重疊，即通信雙方不能同時既發(fā)送信號又接收信號，而只能交替進行。即同一時間內不允許在兩個方向上傳送，只能有一個發(fā)送方，一個接收方。3．全雙工通信這是應用最廣的通信方式。在全雙工通信方式中，信號可以同時在兩個方向上傳輸。這種方案使用的也是雙向信道。課題二將模擬信號轉換為數字信號學習目標掌握采樣、量化、編碼的概念和原理。相關知識一、采樣1.采樣的概念及電路模型將時間上連續(xù)的模擬信號轉換為時間上離散的模擬信號，這個過程可以通過對模擬信號的采樣來實現(xiàn)。采樣也稱取樣、抽樣，采樣通常是以一定的時間間隔T提取信號的大?。ǚ龋?其工作過程如圖所示。采樣過程示意圖實現(xiàn)采樣的電路模型如圖所示。采樣電路模型及采樣波形示意圖2.采樣定理提取信號樣值的時間間隔越短就能越準確地恢復原始信號?？s短時間間隔會導致數據量增加，所以縮短時間間隔必須適可而止。理論證明，若時間連續(xù)信號f(t)的最高頻率為fm，只要采樣頻率fs大于或等于fm的2倍，即fs≥2fm，就能夠無失真地恢復原時間連續(xù)信號。這就是著名的奈奎斯特定理，也稱采樣定理（抽樣定理或取樣定理）。正確理解采樣定理需要注意以下兩個問題：(1)只有在fs≥2fm的情況下，接收端才能將采樣信號無失真地恢復成原來的模擬信號，信息才不丟失。(2)fs也不是越大越好，一方面，fs越大，時間間隔越小，數據量就會增加；另一方面，在數字通信系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的有效性指標，必然要采用時分多路復用，時間間隔越小，則復用的路數就越少，信道利用率就會下降。3.采樣保持采樣時，輸入的模擬信號的值是連續(xù)變化的；采樣后，輸出的脈沖頂部是變化的。為了獲得近似不變的準確的采樣值，要求采樣脈沖的脈沖寬度盡可能窄。另外，在后面的量化過程中，為了滿足量化、編碼的要求，采樣值必須保持一段時間，這一過程稱為采樣保持，然后再進行量化、編碼。二、量化采樣后的信號雖然在時間上是離散的采樣值，但采樣值的幅度仍然是連續(xù)的，即幅度的取值有無限多個，因而系統(tǒng)不能直接對它進行編碼，還需要對采樣信號進行幅度上的離散化，這個過程就是量化。量化的過程就是將采樣信號的幅度變化范圍劃分為若干個小間隔，每個小間隔稱為一個量化級，每個量化級的電平稱為一個量化電平。當采樣信號的值處于某一量化級附近時，就用這個量化電平（用Δ表示）來代替實際的采樣值。相鄰的兩個量化電平之差稱為量化級差或量化臺階。量化過程示意圖在圖中，M個量化區(qū)間是等間隔劃分的，這種量化方式稱為均勻量化；M個量化間隔也可以是不相等的，這種量化方式稱為非均勻量化。1．均勻量化均勻量化的量化級差在整個信號的電平范圍內是均勻分布的，不管信號是大是小，量化級差都相同，見表。均勻量化量化是一種有損變換。量化前和量化后信號的差值表現(xiàn)為量化噪聲，這是數字通信系統(tǒng)中最主要的噪聲來源。為了保證話音信號經過數字化編碼及解碼之后有一個可以令人接受的清晰度，平均量化信噪比應達到26dB。通信系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)的有效性指標，要求編碼速率盡可能地降低。編碼速率＝采樣頻率×碼組長度。在采樣頻率已確定的情況下，減小碼組長度就可以降低編碼速率。在均勻量化情況下，無論信號多大，量化噪聲都是相同的，所以大信號的量化信噪比大，小信號的量化信噪比小。2．非均勻量化非均勻量化對大小信號采用不同的量化級差，大信號時量化級差大一些，小信號時量化級差小一些，見表。非均勻量化實現(xiàn)非均勻量化的方法之一是采用壓縮擴張技術。非均勻量化的原理壓縮和擴張?zhí)匦郧€a)壓縮特性b)擴張?zhí)匦詫υ捯粜盘柕膲嚎s特性，ITU—T(國際電信聯(lián)盟電信標準分局)的建議有兩個標準，一個是A律，另一個是μ律。A律主要用于英國、法國、德國等歐洲國家和我國，而μ律主要用于美國、加拿大和日本等國。設壓縮器（能實現(xiàn)壓縮功能）的輸入信號為x，輸出信號為y，x、y均為歸一化值（相對值，無量綱），最大值為1，則A律壓縮特性公式為式中，A為壓縮系數，表示壓縮程度。A=1時，y=x，表示無壓縮，即為均勻量化。A值越大，在小信號處斜率越大，表示壓縮程度越大，對提高小信號的信噪比有利。通常取A=87.6。3．量化噪聲采樣值一旦進行了量化，以后不管如何處理，只能恢復成量化電平，無法再精確地恢復到原信號的值，量化前的信號幅度與量化后的信號幅度出現(xiàn)了誤差，這一差值在恢復信號時將會以噪聲的形式表現(xiàn)出來，所以將此差值稱為量化噪聲，其在通信中表現(xiàn)為加性噪聲。三、編碼將每個量化電平用一組二進制代碼表示的過程稱為編碼。在實際設備中，量化和編碼是同時完成的。脈沖編碼調制是通信領域應用最廣的波形編碼方式，其標準是ITU—TG.711。PCM編碼器的組成框圖如圖所示。逐次反饋比較型PCM編碼器的組成框圖1．碼型選擇每一個采樣值用8位二進制碼表示。8位二進制碼共有256種組合，分別代表256個量化電平，常見的碼型有普通二進制碼、循環(huán)二進制碼和折疊二進制碼等。4位碼構成的碼組與所表示數值的對應關系4位碼構成的碼組與所表示數值的對應關系（續(xù)）2．A律13折線壓縮特性曲線要進行編碼就要求量化間隔能成為簡單的整數倍關系。在二進制編碼中，這種關系為2n倍，其中n為整數。對于這一要求，直接采用A律或μ律的壓縮和擴張?zhí)匦郧€是做不到的（連續(xù)壓擴特性，需無窮多個量化級）。若采用若干段折線組成的非均勻壓縮和擴張?zhí)匦郧€就能實現(xiàn)，但要求折線的壓擴特性要近似A律或μ律。壓縮特性曲線各段之間的量化級差是不相同的，而在各段之內的量化級差是相同的，最大的量化級差為(1/2)÷16=1/32，最小的量化級差為(1/128)÷16=1/2048，設Δ=1/2048為量化級差的一個基本單位。x軸上各量化電平值見表。各段起始電平與量化臺階單位：Δ=1/2048各段起始電平與量化臺階（續(xù)）單位：Δ=1/2048A律13折線壓縮特性曲線3．編碼過程編碼的方法很多，可以通過查編碼表的方法進行編碼，也可以通過逐次反饋比較的方法進行編碼，本書重點介紹通過逐次反饋比較的方法進行編碼。由于A律13折線壓縮特性將整個信號電平范圍分為256個量化級，所以需要采用8位二進制碼組來表示每一個量化級。這8位碼的安排如下：其中，X1稱為極性碼，表示信號采樣值的極性。采樣值為正，則X1＝1；采樣值為負，則X1=0。段落碼的編碼規(guī)則段內碼的編碼規(guī)則信號電平與PCM碼組的對應關系信號電平與PCM碼組的對應關系(續(xù)）段落碼的編碼過程4．解碼過程從前面的編碼過程中可以發(fā)現(xiàn)，本地譯碼器在確定X8時輸出的比較電平已經很接近信號的采樣值，它是根據X2～X7的結果而得到的。對于編碼器來說，X8產生后，一個采樣值的編碼就結束了，本地編碼器的輸出回到128Δ，準備下一個采樣值的編碼。而對于接收端的譯碼器來說，還要考慮X8。PCM譯碼器原理框圖課題三讓信號傳輸得更快、更準確學習目標1.掌握信源編碼的概念。2.掌握信道編碼的概念。3.了解信道編碼在長期演進（LTE）中的應用。一、信源編碼在數字通信系統(tǒng)中，為了提高數字信號傳輸的有效性而采取的編碼稱為信源編碼。信源編碼有兩個作用：一是模/數轉換；二是盡可能減少信號中的冗余度，使在單位時間內單位系統(tǒng)帶寬上所傳輸的信息量最大。信源包括話音、圖像、字符等，本書主要以話音信源來講解編碼技術。話音編碼技術通常分為波形編碼、聲源編碼和混合編碼三類。按編碼后傳輸所需的數據速率可分為高速率(32kbps以上)、中高速率(16～32kbps)、中速率(4.8～16kbps)、低速率(1.2～4.8kbps)和極低速率（1.2kbps以下）五大類。1．波形編碼波形編碼是將時間域信號波形直接轉換為數字代碼，其目的是盡可能精確地再現(xiàn)原來的話音波形。波形編碼的基本原理是在時間軸上對模擬話音信號按照一定的速率來抽樣，然后將幅度樣本分層量化，再用代碼來表示。最典型的波形編碼是PCM（脈沖編碼調制）。波形編碼具有低復雜度、低時延的特點。2．聲源編碼聲源編碼又稱參量編碼，它是指對信源信號在頻域或其他正交變換域提取特征參量，并將特征參量轉換為數字代碼進行傳輸。其反過程為解碼，即將收到的數字序列轉換后恢復成特征參量，再依據此特征參量產生發(fā)送端語音信號。這種編碼技術可實現(xiàn)低速率語音編碼，比特率可壓縮至2～4.8kbps，線性預測編碼(LPC)及其各種改進型都屬于參量編碼技術。聲源編碼技術的缺點是話音質量較差，對噪聲較為敏感，不適合在公用移動通信網等對話音質量要求較高的場合使用。3．混合編碼混合編碼由波形編碼和聲源編碼結合而成，以達到波形編碼的高質量和聲源編碼的低速率等優(yōu)點。混合編碼數字語音信號中包括若干語音特征參量，又包括部分波形編碼信息，它可將比特率壓縮到4～16kbps，其中在8～16kbps內能夠達到良好的話音質量和自然度，因此，這種編碼技術最適合于數字移動通信環(huán)境。目前研制的符合發(fā)展目標的信源編碼技術均為混合編碼。二、信道編碼為了提高數字通信的可靠性而采取的編碼稱為信道編碼，信道編碼又稱差錯控制編碼或糾錯編碼。提高系統(tǒng)傳輸的可靠性，降低誤碼率的常用方法有以下兩類。1.降低數字信道本身引起的誤碼2．采用差錯控制編碼（即信道編碼）從差錯控制角度來看，按加性干擾引起的錯碼分布規(guī)律不同，可將信道分為三類，即隨機信道、突發(fā)信道和混合信道。對于不同的信道應采用不同的差錯控制技術。常用的差錯控制方式有以下幾種。(1)檢錯重發(fā)(ARQ)(2)前向糾錯(FEC)(3)混合差錯控制(HEC)三種差錯控制方式示意圖a)檢錯重發(fā)(ARQ)b）前向糾錯(FEC)c）混合差錯控制(HEC)三、信道編碼在長期演進中的應用長期演進（LongTermEvolution，LTE）是由3GPP組織制定的通用移動通信系統(tǒng)（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，UMTS）技術標準的長期演進。在LTE中有三種基本的信道編碼，即CRC糾錯編碼、咬尾卷積編碼和Turbo碼。1.CRC糾錯編碼CRC稱為循環(huán)冗余碼，它是在信息碼右邊加上幾位校驗碼，以增加整個編碼系統(tǒng)的碼距和查錯、糾錯能力。2.咬尾卷積編碼通常卷積碼編碼器開始工作時都要進行初始化，常常將編碼器的所有寄存器單元都進行清零處理。而在編碼結束時，還要使用尾比特進行歸零的結尾操作（TailedTermination）。相對于編碼比特而言，尾比特增加了編碼開銷。碼率為1/3的咬尾卷積編碼器3.Turbo碼來自MAC層的傳輸塊，經過CRC校驗后，被分割成LTETurbo碼能夠編碼的碼塊，并進行Turbo編碼和速率匹配，然后進行比特加擾，最后進行調制和天線映射發(fā)射出去。Turbo編碼器原理圖課題四傳輸線路的高效使用方法學習目標1.掌握頻分多路復用(FDM)的概念。2.掌握時分多路復用(TDM)的概念。3.了解數字復接技術。4.了解多址技術。一、多路復用為了提高信道利用率，增大信道的傳輸容量，需要使多路信號沿同一信道傳輸且不相互干擾，這就是多路復用。撥號上網最常用的電話線就采取了多路復用技術，如圖所示，這樣在上網的同時也不影響電話的接入與撥出。目前，多路復用方法中應用最廣泛的有四大類：頻分多路復用(FDM)、時分多路復用(TDM)、碼分多路復用（CDM）和波分多路復用（WDM），許多多路復用技術都是以這四種技術為基礎的。模擬電話用戶線的多路復用所謂信道復用是指在同一個信道上同時傳輸多路信號而互不干擾的一種技術，如圖所示。信道復用a）不使用復用技術b）使用復用技術1．頻分多路復用（FDM）（1）概念頻分復用就是在發(fā)送端利用不同頻率的載波將多路信號的頻譜調制到不同的頻段，以實現(xiàn)多路復用。頻分復用的多路信號在時間上重疊，但在頻率上不會重疊，合并在一起通過一條信道傳輸，到達接收端后可以通過中心頻率不同的帶通濾波器彼此分離開來。(2)原理經過調制的各路信號，在頻率位置上被分開。頻分復用信號原則上可以直接在信道中傳輸，但在某些應用中，還需要對合并后的復用信號再進行一次調制。頻分復用系統(tǒng)的主要優(yōu)點是信道復用路數多、分路方便。頻分復用系統(tǒng)的主要缺點是設備龐大復雜，成本較高，還會因為濾波器件特性不夠理想和信道內存在非線性而出現(xiàn)路間干擾，已經逐步被更為先進的時分復用技術所取代。頻分多路復用系統(tǒng)組成框圖2.時分多路復用（TDM）（1）概念時分復用就是借助“把時間幀劃分成若干時隙和各路消息占有各自時隙”的方法來實現(xiàn)在同一條公共信道上傳輸多路信號。這種按照一定時間次序依次循環(huán)地傳輸各路消息以實現(xiàn)多路通信的方式稱為時分多路通信。與頻分復用相比，時分復用具有以下優(yōu)點：1）TDM多路信號的合路和分路都是數字電路，比FDM的模擬濾波器分路簡單、可靠。2）信道的非線性會在FDM系統(tǒng)中產生交調失真和多次諧波，引起路間干擾，因此FDM對信道的非線性失真要求很高。相反，TDM系統(tǒng)對信道的非線性失真要求可適當降低。（2）原理三路PAM信號時分復用原理通信系統(tǒng)中語音信號采用最多的編碼方式是PCM和DPCM。如圖所示為一個只有三路PCM復用的發(fā)送端方框圖。三路PAM信號時分復用波形圖a）第1路b）第2路c）第3路d）合路信號時分復用系統(tǒng)框圖（發(fā)送端）時分復用系統(tǒng)框圖（接收端）3.PCM30/32路通信系統(tǒng)為了提高信道利用率和適應不同介質的傳輸，根據時分多路復用的原理和各種傳輸媒介的特點，數字通信中常將多路信源編碼輸出組合成不同數碼率的群路（集合）信號。在PCM中最基本的支路就是PCM30/32路(30路，2048kbps)，它與另一制式PCM24路(24路，1544kbps)被稱為PCM基群（一次群）。PCM30/32路端機在脈沖調制多路通信中是一個基群設備，它可以獨立使用，與市話電纜、長途電纜、數字微波系統(tǒng)、光纖等傳輸信道連接，作為有線或無線電話的時分多路終端設備。PCM30/32路端機除提供電話外，通過適當接口，可以傳輸數據、載波電報等其他數字信息業(yè)務。（1）PCM30/32路通信系統(tǒng)的基本特性話路數目：30。采樣頻率：8kHz。壓擴特性：A=87.6/13折線壓擴律，編碼位數L=8，采用逐次比較型編碼器，其輸出為折疊二進制碼。每幀時隙數：32?？倲荡a率：8×32×8000=2048kbps。（2）幀與復幀結構PCM30/32路通信系統(tǒng)的幀與復幀結構如圖所示。PCM30/32路通信系統(tǒng)的幀與復幀結構（3）PCM30/32路通信系統(tǒng)框圖如圖所示為PCM30/32路通信系統(tǒng)框圖，它是以群路編譯碼方式畫出來的。PCM30/32路通信系統(tǒng)框圖由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，編碼和譯碼可以做在一個芯片上，稱為單路編譯碼器。目前，廠家生產的PCM30/32路系統(tǒng)幾乎都是用單路編譯碼器構成的。單路編譯碼片構成的PCM30/32路通信系統(tǒng)框圖二、數字復接技術在數字通信中，為了擴大通信系統(tǒng)的傳輸容量，提高通信系統(tǒng)的傳輸效率，通常需要把若干個小容量低速數字流合并成一個大容量高速數字流，再通過高速信道傳輸，接收端將高速數字流分解成低速數字流，這就是數字復接技術。1.PCM復用與數字復接如要實現(xiàn)120路話音信號復用，則需將120路話音信號經采樣、合路、量化編碼發(fā)送到線路上去，在接收端進行相應的反變換，如圖所示。這種將多路模擬信號采樣、合路、量化編碼的復用方式稱為PCM復用。數字復接是將兩個或兩個以上的支路數字信號按時分復用的方法匯接成一個單一的復合數字信號。數字復接將多個支路碼字合并為一路，必須按一定的排列方式。碼字排列方式主要有按位復接、按字復接和按幀復接。PCM復用示意圖(1)按位復接按位復接是輪流將各支路的一位碼發(fā)送到線路上。按位復接又稱比特復接。(2)按字復接對于基群來說，一個時隙有8位碼，代表1個采樣值，稱為一個碼字。按字復接也稱按路復接。按字復接是輪流將各支路的一個字發(fā)送到線路上。(3)按幀復接這種復接方式是對各個復接支路每次復接1幀。它不破壞原支路的幀結構，有利于交換，但要求有更大容量的存儲器，目前很少采用。2.數字復接設備與復接等級數字復接系統(tǒng)由數字復接器和數字分接器組成，如圖所示。數字復接系統(tǒng)框圖數字復接器是將兩個以上的低速數字信號合并成一個高速數字信號的設備，由定時單元、調整單元和同步復接單元組成。數字分接器是將高速數字信號分解成相應的低速數字信號的設備，由同步、定時、分接和支路碼速恢復單元組成。ITU—T推薦的兩大系列復接等級數字通信系統(tǒng)除了傳輸電話外，也可傳輸其他相同速率的數字信號，如可視電話、頻分制載波信號以及電視信號。為了提高通信質量，這些信號可以單獨變?yōu)閿底中盘杺鬏?，也可以與相應的PCM高次群一起復接成更高一級的高次群進行傳輸?；赑CM30/32路系列的數字復接體制的結構如圖所示。一般四次和四次以下的高次群都采用準同步復接方式，稱為準同步數字序列(PDH)。四次以上的高次群，ITU—T又制定了同步數字序列(SDH)，以適應寬帶綜合業(yè)務數字網(B-ISDN)的傳輸需要。基于PCM30/32路系列的數字復接體制的結構3.PCM二次群異步復接準同步復接包括碼速調整與同步復接。碼速調整技術可分為正碼速調整、正/負碼速調整和正/零/負碼速調整三種。正碼速調整的含義是使調整以后的速率比任一支路可能出現(xiàn)的最高速率還要高。正碼速調整的具體實施是按規(guī)定的幀結構進行的。圖a所示是復接前各支路進行碼速調整的幀結構。異步復接二次群的結構a)復接前b）復接后正碼速調整原理4.同步數字序列(SDH)簡介(1)準同步數字序列(PDH)的缺點1)標準不統(tǒng)一。2)沒有世界性的標準光接口規(guī)范，導致各廠家自行開發(fā)的專用接口（包括碼型）在光路上無法實現(xiàn)互通。3)復用結構復雜。4)系統(tǒng)運營、管理與維護能力受到限制。(2)同步數字序列(SDH)和同步光網絡(SONET)SDH和SONET的基本原理完全相同，標準也兼容，但略有差別，見表。SDH和SONET的比較(3)SDH網的特點SDH網就是由一些基本網絡單元（如終端復接器、數字交叉連接設備等）組成的，在光纖、微波、衛(wèi)星等介質上進行同步信息傳輸、復用和交叉連接的網絡。其主要特點是同步復用、標準光接口和強大的網管功能。此外，SDH網是一個非常靈活的網絡，體現(xiàn)在以下幾個方面：1)具有全世界統(tǒng)一的網絡節(jié)點接口(NNT)。2)有一套標準化的信息結構等級，稱為同步傳輸模塊(STM-1、STM-4、STM-16、STM-64)。3)幀結構為頁面式，具有豐富的用于維護管理的比特。4)所有網絡單元都有標準光接口。5)有一套靈活的復用結構和指針調整技術，允許現(xiàn)有的準同步數字體系、同步數字體系和B-ISDN信號能進入其幀結構，因而具有廣泛的適用性。6)大量采用軟件進行網絡配置和控制，使功能開發(fā)、性能改變較為方便，適應將來的不斷發(fā)展。為了比較PDH和SDH，這里以從140Mbps碼源中分插一個2Mbps支路信號的任務為例來進行說明，其工作過程如圖所示。分插信號流程圖比較a)PDHb)SDH(4)SDH的傳輸系統(tǒng)一個SDH傳輸網絡由傳輸設備和網絡節(jié)點組成。傳輸設備可以是光纖系統(tǒng)或是無線接力系統(tǒng)，網絡節(jié)點也有多種，如64kbps的電路節(jié)點或者大于64kbps的寬帶節(jié)點。簡單節(jié)點只有復接/分接功能，而復雜節(jié)點則有終端交叉連接、復用和交換功能。網絡節(jié)點接口(NNI)在網絡中的位置三、多址技術多址通信是指處于不同地址的多個用戶共享信道資源，從而實現(xiàn)各用戶之間相互通信的一種方式。頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)和空分多址（SCDMA）是幾種主要的多址技術。此外，還有利用正交極化分割多址連接方式，即所謂頻率再用技術等。1．頻分多址(FDMA)方式FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess/Address)是一種常見的多址方式。頻分多址以頻率作為用戶信號的分割參量，它把系統(tǒng)可利用的無線頻譜分成若干互不交疊的頻段（信道），這些信道按照一定的規(guī)則分配給系統(tǒng)用戶，一般是分配給每個用戶一個唯一的頻段（信道）。在實際應用時，為了防止各用戶信號相互干擾和因系統(tǒng)的頻率漂移造成頻段（信道）之間的重疊，各用戶頻段（信道）之間通常都要留有一段間隔頻段，稱為保護頻段。如果用頻率f、時間t和代碼c作為三維空間的三個坐標，則FDMA系統(tǒng)在這個坐標系中的位置如圖所示，它表示系統(tǒng)的每個用戶由不同的頻段所區(qū)分，但可以在同一時間，用同一代碼進行通信。在第一代移動通信系統(tǒng)中，采用FDMA方式是唯一的選擇。頻分多址（FDMA）方式2．時分多址(TDMA)方式時分多址(TimeDivisionMultipleAccess/Address，TDMA)技術依靠極其微小的時差，把信道劃分為若干不相重疊的時隙，再把每個時隙分配給各個用戶專用，在接收端就可以根據發(fā)送各個用戶信號的不同時間順序來分別接收不同用戶的信號。如果用頻率f、時間t和代碼c作為三維空間的三個坐標，則TDMA系統(tǒng)在這個坐標系中的位置如圖所示，它表示系統(tǒng)的每個用戶由不同的時隙所區(qū)分，但可以在同一頻段，用同一代碼進行通信。TDMA是數字通信中的基本技術，我國第二代移動通信系統(tǒng)的GSM(全球移動通信系統(tǒng))采用的就是這一體制。時分多址（TDMA）方式3．碼分多址(CDMA)方式在碼分多址(CodeDivisionMultipleAccess/Address，CDMA)通信系統(tǒng)中，不同用戶傳輸信息所用的信號不是靠頻率不同或時隙不同來區(qū)分的，而是用不同的編碼序列來區(qū)分的，或者說靠信號的不同波形來區(qū)分。如果從頻率域或時間域來觀察，多個CDMA信號是互相重疊的。第三代移動通信系統(tǒng)就采用了CDMA方式，在CDMA系統(tǒng)中，用戶之間的信息是通過基站進行轉發(fā)和傳輸的。如果用頻率f、時間t和代碼c作為三維空間的三個坐標，則CDMA系統(tǒng)在這個坐標系中的位置如圖所示。碼分多址（CDMA）方式圖CDMA系統(tǒng)的工作方式碼分多址方式的優(yōu)點如下：（1）抗干擾能力強，保密性強。（2）不像FDMA那樣對載波頻率需要嚴格控制。（3）不像TDMA那樣需要全網精確的定時和同步，而由各條線路自行解決。（4）各用戶可隨機接入，而不像FDMA和TDMA那樣，各用戶都固定占用某個頻段或時隙。（5）容量比FDMA大20倍，比TDMA大4～5倍。模塊三數字基帶傳輸技術課題二數字基帶傳輸系統(tǒng)課題一數字基帶信號課題一數字基帶信號學習目標1．掌握數字基帶信號的波形和頻譜。2．了解數字基帶信號常用線路傳輸碼型。相關知識一、數字基帶信號的波形和頻譜1．數字基帶信號的基本概念通常，將信號的轉換用2個（或3個、4個、8個，視進制而定）不同振幅的電壓來表示，其頻譜從零開始未經變換處理的信號稱為數字基帶信號。無論是周期信號還是非周期信號，其波形和頻譜（或時間函數和頻譜函數）都有一一對應的關系。周期信號的頻譜是離散譜，非周期信號的頻譜是連續(xù)譜。波形和頻譜圖a)時域波形b)對應的頻譜圖2．基帶傳輸對傳輸信號的要求(1)基帶信號應有利于提高系統(tǒng)的頻帶利用率。(2)基帶信號應含有盡量少的直流、極低頻和高頻分量。(3)基帶信號應含有足夠大的可供提取同步信號的信號分量。(4)基帶信號的碼型基本上不受信源統(tǒng)計特性的影響。(5)基帶信號的頻譜能量要集中，所占的帶寬要窄，以利于增大傳輸距離和減小線對間的干擾。(6)基帶信號的碼型對噪聲和碼間串擾應具有較強的抵抗力和自檢能力，以便在傳輸過程中做到自動檢測，保證傳輸質量。(7)基帶信號的變換電路應簡單、成本低、性能好，而且易于調整。3．數字基帶信號的波形信號的波形反映信號的電壓或電流隨時間變化的關系。對于不同的基帶傳輸系統(tǒng)，由于信道傳輸特性和要求的不同而需使用不同的基帶信號波形?；鶐盘柌ㄐ斡芯匦?、三角波、高斯脈沖及升余弦脈沖等，其中矩形脈沖為最常用的波形。(1)數字基帶信號的分類1)按信號極性的不同可將其分為單極性信號和雙極性信號。2)按每位信號的單一極性電位是否占滿整個碼元時間，可以將其分為歸零信號和不歸零信號。3)按信號幅度取值的不同，可將其分為二電平信號和多電平信號。二電平信號只有兩種電平狀態(tài)，習慣上稱其為二元碼或二進碼。(2)常用基帶信號的波形1)單極性不歸零碼（NRZ碼）。單極性不歸零碼的波形其編碼規(guī)則為：正電平（+E）——“1”，零電平——“0”。單極性不歸零碼的特點主要有：①發(fā)送能量大，有利于提高接收端信噪比。②在信道上占用頻帶較窄。③有直流分量，會導致信號的失真與畸變；由于直流分量的存在，無法使用一些交流耦合的線路和設備進行傳輸。④在輸入為連“1”或連“0”碼時，不能直接提取同步信號。⑤接收單極性不歸零碼的判決電平應取“1”碼電平的一半。在信號隨信道特性變化時，判決電平不能穩(wěn)定在最佳的電平，抗噪性能不好。⑥傳輸時要求信道的一端接地，這樣不能用兩根芯線均不接地的電纜傳輸線。2)單極性歸零碼。單極性歸零碼的波形其編碼規(guī)則為：正電平(+E)+零電平——“1”，零電平——“0”。單極性歸零碼的特點主要有：①脈沖窄，碼元所含能量小，接收時的輸出信噪比低于單極性不歸零碼。②有直流分量，會導致信號的失真與畸變；由于直流分量的存在，無法使用一些交流耦合的線路和設備進行傳輸。③接收單極性歸零碼的判決電平應取“1”碼電平的一半。在信號隨信道特性變化時，難以保持最佳門限。④因碼元間隔明顯，便于提取位同步信息，是其他波形提取位定時信號時需要采用的一種過渡波形。⑤在信道上占用頻帶比單極性不歸零碼要寬。⑥脈沖窄，有利于減小碼元波形的相互影響。3)雙極性不歸零碼。雙極性不歸零碼的波形其編碼規(guī)則為：正電平(+E)——“1”，負電平(-E)——“0”。雙極性不歸零碼的特點主要有：①從統(tǒng)計角度來看，當“1”和“0”數目各占一半時無直流分量，但當“1”和“0”出現(xiàn)概率不等時，仍有直流分量。②接收雙極性不歸零碼時判決門限為0電平，容易設置并且穩(wěn)定不變，因此其抗干擾能力強。③不能直接從雙極性碼中提取位同步信息。④可以在電纜等無接地線路上傳輸。4)雙極性歸零碼。雙極性歸零碼的波形其編碼規(guī)則為：正電平(+E)+零電平——“1”，負電平(-E)+零電平——“0”。雙極性歸零碼的特點主要有：①從統(tǒng)計角度來看，“1”和“0”數目各占一半時無直流分量，但當“1”和“0”出現(xiàn)概率不相等時，仍有直流分量。②接收雙極性歸零碼時判決門限為0電平，容易設置并且穩(wěn)定不變，因此其抗干擾能力強。③能直接提取位同步信息。5)差分碼。差分碼的波形6)多值波形（多電平波形）。多值波形（多電平波形）二、數字基帶信號常用線路傳輸碼型1．常用線路傳輸碼型(1)曼徹斯特碼曼徹斯特(Manchester)碼又稱分相碼、裂相碼或雙相碼，其波形如圖所示。曼徹斯特碼的波形曼徹斯特碼的每一個碼元被分成高電平和低電平兩部分，前一半代表碼元的值，后一半和前一半相反。其編碼規(guī)則為：正電平(+E)+負電平(-E)——“1”，負電平（-E）+正電平(+E)——“0”。(2)傳號交替反轉碼AMI碼的波形其編碼規(guī)則為：代碼“0”為“0”，代碼“1”交替變換為+E和-E的歸零碼。此方式是單極性方式的變形，即將單極性方式中的0碼仍與0電平對應，而1碼對應發(fā)送極性交替的正、負電平。AMI碼實際上是用三種電平來表示二進制信號的，故又被稱為偽三元碼。其特點如下：1)因為發(fā)送的非0電平交替出現(xiàn)，所以無直流分量。2)可方便地變換為單極性歸零碼，獲取定時信號。3)具有一定的檢錯能力，可通過觀察非0電平交替出現(xiàn)的規(guī)律是否被破壞而檢錯。4)編/譯碼電路實現(xiàn)簡單。5)由于可能長時間出現(xiàn)連“0”現(xiàn)象，造成定時信號提取困難。(3)三階高密度雙極性碼n階高密度雙極性碼HDBn中應用最廣泛的是三階高密度雙極性碼（HighDensityBipolar3，HDB3)，其波形如圖所示。HDB3碼的波形1）HDB3碼的編碼規(guī)則如下：①當碼流中無4個及4個以上連“0”碼時，HDB3碼的編碼規(guī)則與AMI碼的相同（即“0”碼仍為“0”，“1”碼交替編為“+1”和“-1”）。②當碼流中有4個或4個以上連“0”碼出現(xiàn)時，將每4個連“0”碼劃分為一節(jié)，并將每節(jié)中的第4個“0”碼變?yōu)椤?”碼，用V脈沖表示，即將“0000”變?yōu)椤?00V”。③相鄰破壞點V脈沖的極性應交替變化，以保證傳輸碼中沒有直流分量。2)雖然HDB3碼的編碼規(guī)則比較復雜，但譯碼比較簡單。其譯碼規(guī)則如下：①由相鄰兩個同極性碼找出V碼，同極性碼中的后面那個碼為破壞脈沖V。②由V向前數第三個碼如果不是零碼，表明它是B碼。③將V碼和B碼去掉以后留下來的全是信碼。HDB3碼的譯碼過程3)HDB3碼除了保持了AMI碼的優(yōu)點，還增加了使連“0”串減少到至多3個的優(yōu)點，而不管信息源的統(tǒng)計特性如何，這對于同步信號的恢復十分有利。HDB3碼的優(yōu)點如下：①正、負脈沖均衡，無直流分量，便于基帶傳輸。②連“0”最多3個，便于提取時鐘同步信號。③極性交替反轉，有檢錯能力。④編碼比較復雜，但解碼比較簡單。(4)傳號反轉(CMI)碼傳號反轉碼的波形如圖所示。傳號反轉碼是一種雙極性二電平不歸零碼。傳號反轉(CMI)碼的波形(5)密勒(Miller)碼密勒碼又稱延遲調制碼，可看成是曼徹斯特碼的一種變形，其波形如圖所示。其編碼規(guī)則為：“1”碼用碼元持續(xù)時間中心點出現(xiàn)躍變來表示，即用“10”或“01”來表示?！?”碼分兩種情況處理，對于單個“0”時，在碼元持續(xù)時間內不出現(xiàn)電平躍變，且與相鄰碼元的邊界處也不躍變；對于連“0”時，在兩個“0”碼的邊界處出現(xiàn)電平躍變，即“00”與“11”交替。密勒碼的波形（6）mBnB碼mBnB碼又稱分組碼，它是將輸入碼流每m個比特碼分為一組，然后變換為n比特，且n>m。這樣變換后的碼流就有了冗余，除了傳輸原來的信息外，還可以傳輸與誤碼檢測等有關的信息，并且改善了定時信號的提取和直流分量的起伏問題。m、n越大，解碼器越復雜。在光纖通信中5B6B碼被認為是在編碼復雜性和比特冗余之間最合理的折中，在國內外的光通信系統(tǒng)中應用較多。表所示為5B6B碼的碼表。5B6B碼的碼表5B6B碼的碼表（續(xù)）5B6B碼的輸入碼組長度為5，五位碼有25=32種組合方式，而6B線路碼的碼組長度為6，六位碼有26=64種組合方式。1)碼流平衡情況分析如下：①這64種組合碼組中含有3個“1”和3個“0”的平衡碼組共有20個。所謂平衡是指在1個碼組中“0”和“l(fā)”的個數相同，如111000，001101，100110等。②6位碼中含有4個“1”、2個“0”或4個“0”、2個“1”的不完全平衡碼組各有15個，共30個，如101101，011011等，而在5B6B碼中只選用其中的各12個。③除上述兩種碼組外，尚有64-20-2×15=14種碼組禁用。2)碼組的選用規(guī)則如下：①首先選用6B碼組中含有3個“1”和3個“0”的20個平衡碼，與20個5B輸入碼組一一對應。②選用含有4個“1”、2個“0”的15個正不完全平衡碼和含有4個“0”、2個“1”的15個負不完全平衡碼（分別稱為正模式和負模式，正模式中“1”的個數多，負模式中“0”的個數多，兩種模式交替使用，以保持直流分量穩(wěn)定，基線不起伏），刪除其中3對碼組(000011和111100，110000和001111，100111和011000)，剩余的12對共24個碼組與5B輸入碼組的另外12個碼組對應。2．基帶傳輸碼型的分析(1)基帶傳輸碼型分析的主要目的1)了解信號功率的分布情況，以便考慮信號頻帶寬度與傳輸網絡的傳遞函數之間的匹配問題。2)了解信號的頻譜成分，以便在接收端設法提取或建立定時同步信息甚至群同步信息，實現(xiàn)收、發(fā)之間的同步。3)了解信號中是否含有直流分量，以便考慮與線路的匹配問題。4)了解信號碼流中錯誤的信號狀態(tài)，以便對基帶信號本身應具有的內在檢錯能力提出要求，實時監(jiān)測傳輸系統(tǒng)的傳輸質量。5)分析鄰道干擾問題。因為基帶信號中的高頻成分越豐富，對鄰近線產生的干擾就越嚴重。(2)基帶傳輸碼型的特點在交流傳輸方式中，基帶傳輸碼型具有以下特點：1)曼徹斯特碼、密勒碼、AMI碼、HDB3碼都不含有直流分量，可以作為線路碼型。其中，密勒碼、HDB3碼更適合于速率低于9600bps的場合。2)從各種碼型所占頻帶寬度來看，以二階雙極性碼最窄，為0~f0/2；以曼徹斯特碼最寬，為0~2f0；其他碼型介于兩者之間。3)從提取定時同步信號的難易程度來看，不歸零碼、單極性歸零碼、密勒碼和AMI碼在原始數據中出現(xiàn)連“0”碼時，將使提取定時同步信號變得困難，因而這幾種碼型不具有透明性，其他碼型則是透明的。4)在傳輸過程中，如兩根傳輸線對調接線位置，曼徹斯特碼解碼后易發(fā)生極性錯誤，其他碼型則不會發(fā)生極性錯誤。5)在各種碼型發(fā)送峰值相同的條件下，AMI碼和HDB3碼的發(fā)送功率低于其他碼型的發(fā)送功率，故對鄰道干擾最小。6)從抗干擾性能來看，以二電平碼為最好，因為其可用限幅器消除疊加在信號電平上的噪聲。7)密勒碼、AMI碼和HDB3碼均有較好的檢錯能力，這是利用了相鄰碼元之間存在的某種相關性。課題二數字基帶傳輸系統(tǒng)學習目標1．了解數字基帶傳輸系統(tǒng)的組成。2．了解數字基帶傳輸的基本準則。3．了解再生中繼系統(tǒng)及RS—232標準。相關知識一、基帶傳輸系統(tǒng)的組成不使用調制和解調裝置而直接傳輸基帶信號的系統(tǒng)稱為基帶傳輸系統(tǒng)?；鶐鬏斚到y(tǒng)的組成框圖基帶傳輸系統(tǒng)的輸入信號是由信息源(DTE設備)產生的脈沖序列。數字基帶傳輸系統(tǒng)中各點波形如圖所示，在傳輸過程中有誤碼現(xiàn)象。數字基帶傳輸系統(tǒng)各點波形示意圖1．基帶碼型編碼基帶碼型編碼電路的輸入是信源編碼輸出的二進制脈沖序列，它們一般是單極性不歸零碼，不適合信道傳輸。2．發(fā)送濾波器發(fā)送濾波器又稱信道信號形成網絡。3．信道信道是允許基帶信號通過的媒介，通常不滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，甚至是隨機變化的。4．接收濾波器接收濾波器的作用是濾除混在接收信號中的帶外噪聲和由信道引入的噪聲，對失真波形進行盡可能地補償（均衡），使輸出的基帶波形有利于取樣判決。5．取樣判決器取樣判決器是一個識別電路，在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時刻（由位定時脈沖控制）對接收濾波器的輸出波形進行取樣判決，再恢復或再生基帶信號。6．基帶碼型譯碼基帶碼型譯碼將取樣判決器送出的信號還原成原始信碼。二、數字基帶傳輸的基本準則1．基帶傳輸中的碼間串擾數字通信的主要質量指標是傳輸速率和誤碼率，兩者之間密切相關、互相影響。矩形脈沖傳輸波形失真示意圖a)傳輸前的半占空比矩形脈沖b）傳輸后的失真脈沖波形碼間串擾對誤碼的影響2．奈奎斯特第一準則當基帶傳輸系統(tǒng)具有理想低通濾波器特性（截止頻率為fc）時，以截止頻率兩倍的速率RB=2fc傳輸數字信號，則信道輸出響應將無碼間串擾，這便是奈奎斯特第一準則，這個速率也稱奈奎斯特速率。奈奎斯特第一準則本質上是取樣值無失真條件，它表明了無碼間串擾和充分利用頻帶的基本關系。奈奎斯特速率是信號傳輸的極限速率。3．碼間串擾的衡量——眼圖一個實際的數字基帶傳輸系統(tǒng)是不可能完全消除碼間串擾的，尤其是在信道不可能完全確知的情況下，要計算誤碼率非常困難。評價系統(tǒng)性能的實用方法是分析眼圖，即利用示波器觀察接收信號波形的質量。具體做法是：用一臺示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期嚴格同步，也就是將示波器的掃描周期調整為所接收脈沖序列碼元間隔TS的整數倍，并適當調整相位，使波形的中心對準取樣時刻，這樣在示波器屏幕上出現(xiàn)一個或幾個接收信號波形。當第1個波形過去之后，由于熒光屏的余暉作用，使多個波形重疊在一起，在示波器上可觀察到的波形類似于人的“眼睛”，故稱其為眼圖。從眼圖上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，從而估計系統(tǒng)的誤碼情況?；鶐盘柌ㄐ渭把蹐D眼圖模型上圖的含義如下：(1)最佳取樣判決時刻對應于“眼睛”張開最大的時刻。(2)判決門限電平對應于眼圖的橫軸。(3)最大信號失真量即信號畸變范圍用眼皮厚度（“圖中”上下陰影的垂直厚度）表示。(4)噪聲容限是用信號電平減去“眼皮”厚度的值，它體現(xiàn)了系統(tǒng)的抗噪聲能力。(5)過零點畸變?yōu)閴涸跈M軸上的陰影長度，它會影響系統(tǒng)的定時標準（有些接收機的定時標準是由經過判決門限點的平均位置決定的）。(6)對定時誤差的靈敏度由斜邊的斜率反映，斜率越大靈敏度越高，對系統(tǒng)的影響越大。三、再生中繼系統(tǒng)1．再生中繼系統(tǒng)的特點及作用再生中繼的目的是：當信噪比不太大的時候，對失真的波形及時識別判決（識別出是“1”碼還是“0”碼），只要不誤判，經過再生中繼后的輸出脈沖會完全恢復為原數字信號序列?；鶐鬏數脑偕欣^系統(tǒng)框圖(1)再生中繼系統(tǒng)的特點在再生中繼系統(tǒng)中，由于每隔一定的距離加一個中繼器，所以它有以下兩個特點：1)無噪聲積累。2)有誤碼積累。(2)再生中繼系統(tǒng)的作用由于在傳輸過程中信道對信號存在衰減作用，以及信道的帶寬不夠和各種噪聲干擾等因素的存在，數字信號通過信道傳輸時會產生失真，而且傳輸距離越長，波形失真越嚴重，當傳輸距離增加到一定長度時，收到的信號將很難識別，造成誤碼率增加，通信質量下降。如圖所示為三種電纜的衰減特性。三種電纜的衰減特性脈沖信號經過不同長度的電纜后波形的變化情況由圖可見，這種矩形脈沖信號經信道傳輸后，波形產生失真，其失真主要反映在以下幾個方面：1)接收到的信號波形幅度變小。2)波峰延后。3)脈沖寬度增加。雙極性半占空碼序列經過信道傳輸后的失真波形a)傳輸前的波形b）傳輸后的波形2．再生中繼器(1)電路組成1)均衡放大電路。2)時鐘提取電路。3)判決再生電路。再生中繼器的電路組成再生中繼器電路中各點波形(2)大規(guī)模集成電路再生中繼器(CD22301)1)技術特點①典型工作速率：1.544Mbps，2.048Mbps。②編碼碼型：二元碼或三元碼。③電源電壓：+5.1V。④電源電流：22mA。⑤功耗：110mW。⑥工藝：CMOS。⑦18引腳DIP（雙列直插）封裝。2)引腳功能說明。CD22301的引腳排列圖CD22301引腳符號與功能說明CD22301引腳符號與功能說明(續(xù)）3)電路組成。CD22301的電路組成4）應用。CD22301再生中繼器電路原理四、RS—232標準及相關標準簡介1.RS—232標準簡介在串行通信時，要求通信雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通信。RS—232標準接口是目前最常用的一種串行通信接口。RS—232標準接口有25條線，包括4條數據線、11條控制線、3條定時線、7條備用和未定義線，常用的只有9條，即2個數據信號：發(fā)送TxD和接收RxD；1個信號地線：SG；6個控制信號。RS—232接口a）DB—9接口實物圖b）DB—9和DB—25連接器引腳的定義RS—232通信的典型連接方式a）最簡單的連接方式b）帶回環(huán)的連接方式2.其他相關標準簡介（1）RS—422標準RS—422是傳統(tǒng)Apple計算機的串口連接標準。它使用差分信號，RS—232使用非平衡參考地的信號。差分傳輸使用兩根線發(fā)送和接收信號，相對于RS—232，它有更好的抗噪性能和更遠的傳輸距離。RS—422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219m），最大傳輸速率為10Mbps。（2）RS—485標準RS—485是RS—422的改進，RS—485和RS—422都支持多點通信能力，但RS—485可允許最多32個設備，而RS—422的限制為10個。RS—485同時定義了在最大設備個數情況下的電氣特性，以保證足夠的信號電壓。有了多個設備的能力，可以使用單個RS—485串口建立設備網絡。（3）USB接口USB設備主要具有以下優(yōu)點：1）可以熱插拔。2）攜帶方便。3）標準統(tǒng)一。4）可以連接多個設備。模塊四數字頻帶傳輸技術課題二多進制數字調制課題一二進制數字調制課題三定時和同步原理課題一二進制數字調制學習目標1．掌握二進制幅移鍵控（2ASK）的工作原理。2．掌握二進制頻移鍵控（2FSK）的工作原理。3．掌握二進制相移鍵控（2PSK和2DPSK）的工作原理。相關知識一、調制概述1．基帶信號調制的過程和作用基帶信號的特征如圖所示為調制解調信號的變換過程，從中可以看出調制在通信中的作用主要有以下幾個方面：（1）調制將基帶信號頻譜搬移到一定的頻帶范圍以適應信道的要求。（2）經過調制后的頻帶信號更容易輻射，從而滿足無線通信的要求。（3）實現(xiàn)頻率分配。（4）實現(xiàn)多路復用。（5）減少噪聲和干擾的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。調制解調信號的變換過程2．調制的類型在調制器中選擇不同的參數，可以將調制分為不同的類型。根據輸入信號s（t）的不同，可以將調制分為模擬調制和數字調制。根據載波信號c（t）的不同，可以將調制分為連續(xù)載波調制和脈沖載波調制。調制的基本過程如果調制以后的頻譜和原始信號頻譜呈線性搬移關系，則這種調制為線性調制，如模擬調制中的調幅（AM）、數字調制中的幅移鍵控（ASK）；否則為非線性調制，如模擬調制中的調頻（FM）、調相（PM），數字調制中的頻移鍵控（FSK）。線性調制和非線性調制3．數字調制的種類數字調制用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳送的信息，其過程類似于對高頻載波信號進行開關控制的工作狀態(tài)，所以數字調制通常稱為數字鍵控。常見的數字調制有幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying，ASK）、頻移鍵控（FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK）、相移鍵控（PhaseShiftKeying，PSK）以及它們的組合或改進。數字調制的種類二、二進制幅移鍵控2ASK（通斷鍵控OOK）用數字基帶信號對載波幅度進行調制的方式稱為幅移鍵控。幅移鍵控（也稱振幅調制）記作ASK，或稱其為開關鍵控（通斷鍵控），記作OOK（On-OffKeying）。二進制幅移鍵控通常記作2ASK。幅移鍵控調制因為傳輸效率低，在實際應用中已經很少采用，但它是研究數字調制的基礎。1．基本原理及其產生方法（1）基本原理2ASK的原理是利用代表數字信息的“0”或“1”碼的基帶矩形脈沖去鍵控一個連續(xù)的載波，使載波時斷時續(xù)地輸出，有載波輸出時表示發(fā)送“1”碼，無載波輸出時表示發(fā)送“0”碼，如圖所示。2ASK信號波形示意圖（2）產生方法二進制幅移鍵控信號的產生方法有兩種，即模擬振幅調制法和數字鍵控法。2ASK波形的產生方法a）模擬振幅調制法b）數字鍵控法ASK已調信號可以表示為一個單極性矩形脈沖序列s(t)與一個正弦載波的乘積。設數字基帶信號為s(t)，高頻載波為cosωct，則2ASK信號數學表達式為在實際應用中，2ASK信號的實現(xiàn)方法如圖所示。2ASK信號的實現(xiàn)方法2.2ASK信號的頻譜分析信號的頻譜分析非常復雜，要用到傅里葉變換。頻譜分為幅度頻譜和相位頻譜。2ASK信號的功率譜如圖所示，可見2ASK的功率譜具有以下特點：2ASK信號的功率譜a)調制信號的功率譜b)已調信號的功率譜(1)2ASK信號的功率譜密度是相應的單極性數字基帶信號功率密度形狀不變地平移至±fc（fc為載波信號頻率）處形成的，即2ASK信號的功率譜密度由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成。(2)2ASK信號的帶寬B2ASK是單極性數字基帶信號帶寬fs的兩倍。B2ASK=2B基=2fs=2RB式中，fs為基帶信號的頻率，RB=1/TS為基帶信號的碼元傳輸速率。(3)2ASK的頻帶利用率只有直接傳輸基帶信號的一半。3．2ASK信號的解調方法從已調信號中恢復基帶信號的過程稱為解調，它是調制的逆過程，有兩種基本解調方法，即非相干解調（包絡檢波法）和相干解調（同步檢波法）。非相干解調是指接收端不需要恢復載波信號即可實現(xiàn)解調，而相干解調則是在接收端必須恢復與發(fā)送端一致的載波才能實現(xiàn)解調。（1）2ASK信號的非相干解調非相干解調又稱包絡檢波法，其原理如圖所示。2ASK信號的非相干解調（包絡檢波法）2ASK信號的非相干解調（包絡檢波）框圖中的各點波形a）通過帶通濾波器后的波形b）全波整流后的波形c）包絡檢波器檢出的包絡d）取樣判決后恢復的波形（2）2ASK信號的相干解調相干解調就是同步解調。2ASK信號的相干解調（同步解調）2ASK信號的相干解調框圖中的各點波形三、二進制頻移鍵控（2FSK）用數字基帶信號對載波頻率進行調制的方式稱為頻移鍵控，頻移鍵控（也稱頻率調制）記作FSK，二進制數字頻移鍵控通常記作2FSK。1．基本原理及其產生方法（1）基本原理2FSK的原理是用載波的頻率變化傳送數字信號，即用所傳送的數字基帶信號控制載波的頻率變化，而載波的幅度則保持不變。如圖所示為2FSK信號波形示意圖。從圖中可以看出，信碼為“l(fā)”時，基帶信號為高電平，對應的2FSK信號是一個頻率為f1的載波；信碼為“0”時，基帶信號為低電平，2FSK信號則是一個頻率為f2的載波，也就是說，“l(fā)”碼對應載頻f1，“0”碼對應載頻f2，而且f1和f2之間的改變是瞬間完成的，f1和f2的大小由收發(fā)雙方通信協(xié)議確定。2FSK信號波形示意圖FSK已調信號數學模型如式所示。一般，將fc稱為標稱載頻。將Δf稱為頻移寬度，簡稱頻移。（2）產生方法二進制頻移鍵控信號的產生方法有兩種，即模擬調頻法和頻率選擇法。前者產生相位連續(xù)的FSK信號，后者產生相位不連續(xù)的FSK信號。1）模擬調頻法。所謂模擬調頻法就是用輸入的基帶脈沖去控制一個振蕩器的某種參數而達到改變振蕩器頻率的目的，其電路框圖如圖a所示。2）頻率選擇法。2FSK信號的另一種產生方法是頻率選擇法，即利用受矩形脈沖序列控制的開關電路對兩個不同的獨立頻率源進行選通，如圖b所示。2FSK波形的產生方法a）模擬調頻法b）頻率選擇法2FSK信號可以看成是兩個2ASK信號的組合。在2FSK中f1和f2哪一個頻率高由收發(fā)雙方通信協(xié)議確定，頻率選擇法產生2FSK信號的電路原理如圖a所示，圖中各點波形如圖b所示。頻率選擇法產生2FSK信號的電路原理圖及各點波形a）電路原理b）各點波形圖頻率選擇法產生2FSK信號的電路原理圖及各點波形a）電路原理b）各點波形圖2．2FSK信號的頻譜分析以相位不連續(xù)的FSK信號進行2FSK信號的頻譜分析。2FSK信號的功率譜可見，2FSK功率譜具有以下特點：(1)2FSK信號的功率譜密度同樣由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成。連續(xù)譜由兩個雙邊譜疊加而成，離散譜出現(xiàn)在兩個載頻位置f1、f2上。(2)若頻移小于fb，則連續(xù)譜出現(xiàn)單峰，峰值對應于標稱載頻fc；否則，連續(xù)譜出現(xiàn)雙峰，峰值對應于兩個載頻位置f1、f2。(3)2FSK信號的帶寬B2FSK為

式中，R基為數字基帶信號的碼元速率，數值上和帶寬一樣。所以說，F(xiàn)SK調制比ASK調制頻帶利用率下降。這里引入頻移指數h的概念，頻移指數的計算公式為式中，RB是數字基帶信號的速率。如圖所示是在不同頻移指數的情況下2FSK信號的功率譜。在不同頻移指數的情況下2FSK信號的功率譜功率譜以fc為中心對稱分布。在Δf較小時功率譜為單峰。隨著Δf的增大，f1和f2之間的距離增大，功率譜出現(xiàn)了雙峰。為了便于接收端解調，要求2FSK信號的兩個頻率f1和f2之間要有足夠的間隔。對采用帶通濾波器來分路的解調方法，通常取

。于是，2FSK信號的帶寬為

這時2FSK系統(tǒng)的頻帶利用率為3．2FSK信號的解調方法2FSK信號同樣有兩種基本的解調方法，即相干解調（相干接收法）和非相干解調（包絡檢波法）。但是，由于從FSK信號中提取載波較困難，目前多采用非相干解調的方法，如鑒頻法、分路濾波包絡檢波法、過零檢測法等。（1）相干解調2FSK相干解調法的電路原理框圖（2）非相干調解——分路濾波包絡檢波法2FSK信號分路濾波包絡檢波法的電路原理框圖及各點波形a）電路原理框圖b）各點波形（3）非相干解調——過零檢測法如圖所示為過零檢測法的電路原理框圖。過零檢測法的電路原理框圖過零檢測法電路原理框圖中的各點波形4．2FSK的應用2FSK是數字通信中用得較廣泛的一種調制方式。2FSK廣泛應用于在音頻信道或衰落信道中傳輸數據。ITU—T的V.21標準即為2FSK技術在傳真機上的應用，它描述了用于在電話網中進行數據傳輸的速率為300bps的Modem的技術參數，其主呼頻率為1270Hz（1碼）、1070Hz（0碼），被呼頻率為2225Hz（1碼）、2025Hz（0碼），這樣主叫和被叫各有一對頻率的信號在同一條電話線上雙向傳輸而互不干擾，這種Modem主要用于傳真機中。四、二進制相移鍵控（2PSK）用基帶數字信號對載波相位進行調制的方式稱為數字相位調制。相位調制也稱相移鍵控，記作PSK。二進制相移鍵控通常記作2PSK。1．基本原理及其產生方法（1）絕對相移鍵控（PSK）絕對相移鍵控就是利用同一載波的不同相位去直接傳送數字信號，而載波振幅和頻率保持不變的一種方法。如0相位代表“0”碼，π相位代表“1”碼，也可以做相反的規(guī)定。2PSK波形示意圖二進制相移鍵控信號的產生方法主要有兩種：模擬調相法和相移鍵控法。2PSK信號的產生方法a）模擬調相法b）相移鍵控法2PSK已調信號可以表示為一個雙極性矩形脈沖序列s(t)與一個余弦載波的乘積，如式所示。（2）相對相移鍵控（DPSK）相對相移鍵控也稱差分相移鍵控，它用載波相位的相對變化來傳送數字信號，即數字1和0信號的相位不是以某個固定的相位（如載波的相位）為基準，而是以相鄰的前一碼元的相位為基準。2DPSK波形示意圖2DPSK信號的產生方法有模擬調相法和相移鍵控法兩種，如圖所示，一般采用相移鍵控法，即先將絕對碼轉換為相對碼，然后使用該相對碼進行絕對調相。2DPSK信號的產生方法a）模擬調相法b）相移鍵控法所謂絕對碼是指每一脈沖只決定本身的值，與前后碼元無關；而相對碼則是指用前后脈沖的差別來傳輸數字信息。相對碼也叫差分碼。絕對碼和相對碼是可以互相轉換的，實現(xiàn)的方法是使用模二加法器和延遲器（延遲一個碼元寬度Tb），如圖所示。絕對碼與相對碼的互相轉換電路a）將絕對碼轉換為相對碼b）將相對碼轉換為絕對碼信碼為00111001的2PSK和2DPSK波形2．相移鍵控矢量圖2PSK矢量圖a）A方式b）B方式