通信基础知识(通信原理)
-
第一部分
数字通信基本原理
一．
数字通信系统
1.
信号
信号可用来传输信息。信息可用
语言、文字、图象等表达，但在很多情况下，这些表
达信息的语言文字不便于直接传输。
因此在近代科学技术中，常用电信号来传送各种信息，
即利用一种变换设备把各种信息转
换为随时间作相应变化的电流或电压进行传输。
这种随信
息作相
应变化的电压或电流就是电信号。
由消息转换成的电信号可分为两类：
< br>模拟信号和数
字信号。模拟信号是指时间和幅度都连续的信号。数字信号是指时间
和幅度都离散的信号。
如图
1-1
电压
1
0
0
时间
a.
模拟信号
b.
数字信号
1-1
模拟信号及数字信号的模型
2.
数字系统
以数字信号的方式来传输消息的通信系统，叫数字通信系统。
典型的数字通信系
统的组成如图
1-2
。
信
信<
/p>
信
信
非
电
信
源
道
信
道
源
信
电
非
源
道
宿
编
编
译
译
电
电
码<
/p>
码
码
码
噪
声
干
扰
/
1-2
典型数字通信系统的组成
信源即是发
信者。通常的信源指电话机、摄象机及各种数字终端设备。
/
信源编码的作用是对信号进行编码，
去除或减少冗余度，
把能量集中起来缩窄占据
频带，
从而提高数字传输的有效性。
例如进行模拟信号变换为数字信号的过程
（
A/D
转换）
，
PCM
编码。
信道编码。
由于传输信道上噪声的干
扰，
数字信号在传输中可能会发生差错，
导致
< br>信息传输质量下降。
为了在接收端自动检出错码或纠正错码，
使差错控制在允许范围内，
可
在信源编码后的数字信号中按
一定规律加一定数量的数字码
（监督码）
，
形成新的数字信号，
这种新的信号间的关系形成较强的规律性，
使收端可检查或纠正差错。
信道编码是将信息比
特变换为适
合于信道传输的数字信号，
它是为了提高系统的抗干扰能力，
提
高数字传输的可
靠性，即改善系统的误码性能。
信道和噪声：信道指传输信号的通道。按传输媒质可分为有线信道和无线信道两类。
< br>有线信道包括明线、同轴电缆、光缆等。无线信道包括微波中继、卫星和各种散射等。信道
在传输中会受到各种噪声的干扰，
通常把所有的噪声干扰都折合到信道中，
成为一个等效噪
声源。
3.
数字通信的主要特点
A
、抗干扰能力强，无噪声积累
因数字信号以
0
、
1
两个数码形式传输，被噪声干扰和经衰减后的数字信号，在没恶化
到不可正确判断之前，
可用再生的方法恢复成原来的信号。
只要再生设备设定位置适当，
可认为噪声干扰不会对传输信号产生不良影响，
即不会出现噪声积累。
因而数字传输适
用较远距离
传输，也能适应性能差的信道。
B
、保密性强，易于实现检错纠错
<
/p>
数字信号是模拟信号经过信源编码后形成的。
它本身已具有一定的
保密性，
同时数字信
号便于码型转换，进行加密处理，还可通过
信道编码实现检错，纠错功能。
C
、便于建立综合通信网
数字传输和数字交换结合，
有利于传输和交换多种业务的数字信息，
实现多种业务信息
的综合通信。为建立综合业务数字网
ISDN
提供必要条件。
D
、设备可集成，微型化
由于设备多数属于数字电路，
可采用集成元件，能做到集成度高，体积小，
耗电低和成
本低，且便于生产和维护。
E
、
占用频带宽
数字传输也有缺点，
它与模拟信号传输相比，
占用传输频带宽，
如传输一路数字化语音
信息占
64khz
的带宽，而传输一路模拟信息只需占
4khz
的带宽。然而随
着微波和卫星
信道及光线信道的迅速发展
（它们有很宽的带宽）
，
使占用传输频带宽的矛盾逐渐缩小。
因而数字传输的应用日益广泛。
二．
语音信号的数字化
要将模拟信号在数
字传输系统中进行传递，
就必须用信源编码器对话音信号进行模数变
换。语音信号模数变换的方法很多，
如脉冲编码调制，增量调制和参数编码等，其中
用得较
为广泛的是脉冲编码调制。
话
音信号（模拟信号）数字化的过程是：取样──量化──编码。
1.
取样──信号在时间上的离散化
话音信号不仅在幅度取值上是连续的，
而且在时间上也是连续的
，
参见图
1-1(a)
。
取样
就是每隔一定的时间间隔
(T)
对在时间上连续的话音信号抽取瞬时幅值的过程，简称取样或
抽样。
取样后所得到的一串在时间上离散的序列信号称为样值序列信号，
或取样信
号，
参见
图
1-3
。
1-3
模拟信号的取样
将话音信号取样后，所得取样信号
在信道上占用的时间被压缩了，因而它为时分复用
奠定了基础，
同时也为数字化提供了条件。
但取样信号中必须含有原始话音信号的信息，
并
要求在接收端能将取样信号恢复成原始话音信号。
为了达到上述要求，
取样的时间间隔
T(
取
样周期
)
不能太长，或者说取样频
率不能太低。
由取样定理──奈奎斯特定理可知：
取样频率
(fs)
应大于传输信号中最高频
(fm)
的两倍。
即
fs
＞
2fm
。
在电话通信系统中，用
3400
赫
作为最高频率
(fm)
已能很好满足用户的要求。考虑到一
定的冗余，目前
PCM
通信规定话音信号的
取样频率
fs
为
8000
赫，即
fs
＝
8000
赫。
取样周期
T
＝
1/fs
＝
1/8000
＝
125us(
微秒
)
。
为了在取样
前把话音信号中大于
fm(fm
＝
34
00
赫
)
的频率成分去掉，
在取样器要设置一
个上限频率为
3400
赫的低通滤波器，使最高频率限制在
3400
赫
。
2.
量化──信号在幅值上的离散化
取样
化所得到的取样信号虽在时间上是离散的，但它在幅度取值上仍是连续的，即它
可以是输
入模拟信号幅值中的任意幅值，
或者说可有无限多种取值，
它不
能用有限个数字来
表示，
它仍属模拟信号。
要想使它成为数字信号，
还需把它的取样值进行离散化处理，
将幅
值为无限多的连续信号，
变换成幅值为有限数目的离散信
号，
这一幅值上离散化处理的过程
称为量化。量化就是“分级”
的意思，量化采用类似“四舍五入”的方法，使每一个取样值
用一个相近的幅值来近似。
量化方法可分为线性量化和非线性量化法。
a.
线性量化
线性量化也称均匀量化，它把输入的取样值的范围划分为若干等距离的小间隔，每个
小
间隔叫做一个量化级。
当某一输入的取样值落在某一间隔内时，
就用这个间隔内的中间值
来近似地表示这个取样值的大小，
并以
此值输出。
这样大信号和小信号的绝对误差相同，
而
对小信号来说，
相对误差
（噪声）
很大，
也就是说信噪比小，
不能满足语音信号的传输要
求。
（注：信噪比为输出的信号功率与噪声功率之比。信噪比越大，说明通信质量越好）
b.
非线性量化
非线性量化（又称非均匀
量化）就是使用不等的量化级差（间隔）
，小信号分级密，量
化
级差小；
大信号分级疏，量化级差大。
或者说量化间隔△随着信
号幅值的减小而缩小，使
信号幅值在较宽的动态范围内的信噪比都能达到指标规定的要求
。
非线性量化是利用压缩和扩展的方法来实现的。不同幅值的
信号经过具有压缩特性的
放大器后对小信号的幅度有较大的放大作用，
< br>而对大信号的幅度则有压缩作用。
这样在对经
过放大后的
取样小信号进行量化时，
就使小信号的量化误差相对减少，
信噪
比得到改善，
如
果放大作用大，则改善的程度也大；至于大信号
经压缩、量化后，信噪比将降低，结果使话
音信号在整个动态范围内的信噪比基本上相差
不多，且都能满足规定的要求。
国际上允许采用两种折线形压
扩特性：
13
折线
A
< br>律压扩特性和
15
折线
u
律压扩特性，
美采用
u
律，我国与欧洲规定采用
A
律。
3.
编码
模拟信号经过取样和量化以后，在时间上和幅度取值上都变成了离散的数字信号。如
果量
化级数为
N
，则信号幅度上有
N
个取值，形成有
N
个电平值的多电平码。但这
种具有
N
个电平值的多电平码信号在传输过程中会受到各种干扰
，
并会产生畸变和衰减，
接收端难
以正
确识别和接收。如果信号是二进制码，则只要接收端能识别出是“
1
”码还是“
0
”码即
可。所以二进
制码具有抗干扰能力强的优点，
且容易产生，在数字通信中，
一
般都采用二进
制码。
量化级为
N
时，则量化离散值共有
N
< br>个。将每个离散值用一组二进制码表示。这一组
二进制码的位数为
L
，则有
2
L
＝
N
。
L
为码字位数，如：
2
3
＝
8
，将多电平码变成二进制码的
过程称为编码，
N
为量化级数。
经过量化后，
形成±
128
个数量级，
用
8
位码表示，<
/p>
其中第一位码为极性码，
第二、
三、
四位为段落码，最后四位为段内码，如图
1-4
。
极性码
段落码
段内码
图
1-4
PCM
码字的分配
五．
PCM
帧结构
1.
PCM
的基本原理
< br>抽样频率为
8000Hz
（周期为
125us
）
，对每一话路每抽样一次经过量化可以编成
8
位码
组，占用一个时隙。
30/32
路
PCM
系统中，
32
路复用
125us
。这
32
路时隙构成一个“帧”
。
而
16
帧又合成一个复帧。计算几
个数据：
1
．
1
帧时长为
125
μ
S
，
1
时隙的时长为
< br>125/32=3.9
μ
S
，一
个复帧占用
2ms
。
2
．
1
帧的位长：
8
×
3
2=256
位。
3
．
信道的
速率：
256
位
/
帧
×
8000
帧
/
秒
=2048KBPS
4
．
话路的
速率：
8
位
/
路
×
8000
路
/
秒
=64KBPS
一个模拟信号的带宽最大为
4K(300~3000HZ).
数字信号的优点靠牺牲带宽
获得的。
2.
30/32
系统
PCM
的帧结构
30/32
系统的帧结构如图１－７：
1
复帧
=16
帧（
2
ms
）
F0
F1
F2
。
。
。
。
。
。
F14
1
帧
=32
时隙（
1
25us
）
TS
0
TS1
TS
2
。
。
。
。
。
。
TS
15
TS
16
TS
17
。
。
。
。
。
。
TS
30
TS
31
同步时隙
1
0
0
1
1
0
1
1
帧定位码组
1
1
1
1
1
1
0/1 1
帧对告码
信号标志时隙
F0
（偶）
0
0
0
0
1
0/1 1
1
复帧定位码
复帧对告码
（奇）
a
b
c
d
a
b
c
d
第
1
路
第
16
路
F1
a
b
c
d
a
b
c
d
F15
第
15
路
第
30
路
图
1-7 PCM30/32
系统帧结构
六．
PCM
高次群
在数字信道中，为
了扩大传输容量，提高传输效率，将若干低速码流合并
成一个高速码流，
这就是数字复接技术。
目前传输容量已由一次群发展到二次群、
三次群、
四次群、
五次群……等。
传送信道除采用电缆、
微波外，
已扩展到光缆、
卫星通信等。除开通电话、电报、传真等业务外，还可传输可视电话、电视、高
速数据等信息。
各高次群都是由各低次群通过频率搬移迭加构成的，
多路复用的
示意图如
1-8
：
同步复接有三种方式：
按位复接。每次复接每路的一位码。
按字复接，也称按路复接。每次复
接每路的一个字（
8BIT
）
。
按帧复接。每次复接每路的一帧。
介
绍
30/32
系统各高次群的话路数和速率：
< br>
速率（
b
ps
）
话路数
一次群：
2048K
30
二次群：
4884K
120
三次群：
34M
480
四次群：
139M
1920
五次群：
564M
7680
四、五次群多为光纤传输。
二
三
基
次
次
群
群
群
*4
*4
*16
1-8 PCM
高次复接原理图
四
次
*4
群
*4
五
次
群
七．定时与同步
1.
定时
PCM
系统是时分多路复用的通信系统各话路需传送的信号在不同的时隙内取样、
量化、
编码，
送到接收端，
再依次解码，分路恢复成
原信号。要求信号的处理和传输都在规定的时
隙内进行。为使系统正确工作，需一个定时
系统，由它产生取样、编码、解码、分路等所需
的各种定时脉冲统一指挥。
2.
同步
数字通信的同步是指收、发两端的数码率及各种定时标志都步调一致，不仅要求频率
相同，
而且要求相位一致。
接收端和发送端在时间上的
同步是正确接收、
识别信息和分出每
一路的信息码和信令码的保
证。
同步包括：比特同步：帧同步、复帧同步和网同步。