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1、Technology And Application of Modern Communication,课 程 提 要,本章学习目标,理解数字通信的特点与系统模型 理解信源编码中的信号处理过程 理解信道编码中多路复用、同步、数字复接等技术的基本概念 理解数字信号传输的概念，了解基带传输常用技术与常用码型 理解调制的基本概念，了解数字调制技术基本类型及主要应用 理解差错控制的基本概念，了解差错控制编码技术的分类与应用,2.1 数字通信系统的基本概念,数字通信系统的模型,数字通信系统的基本概念,多路复用多路信号重复使用一条信道 信道与噪声按信道的传输频带区分，各种信道可归入基带信道和带通信道两类。数
2、字信号经过信道传输时，信道的传输特性以及进入信道的外部加性噪声都将对数字信号加以影响 同步数字通信系统中发送端和接收端之间需有共同的时间标准，使接收端获知所收数字信号中每个符号（码元）的准确起止时刻，从而同步地进行接收,2.2 信源编码,信源编码针对信源发送信息所进行的压缩编码 信源编码处理的前提：模拟信号的数字化 模拟信号数字化之后，将导致传输信号的带宽明显增加，会占用更多的信道资源 压缩编码技术：为提高传输效率，在保证一定信号质量的前提下，尽可能地去除或降低信号中冗余信息，以减小传输所用带宽,2.2.1 模拟信号的数字化处理,模拟信号数字化过程： 抽样用时间间隔确定的信号样值序列来代替原在
3、时间上连续的信号，在时间上将模拟信号离散化 量化用有限个幅度值来近似原连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量且有一定间隔的离散值 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,模拟信号的数字化处理,1. 抽样 抽样过程将时间和幅度上都是连续的模拟信号在时间上离散化 抽样目的：实现信号的时分多路复用,模拟信号与其对应的样值序列,模拟信号的数字化处理,【例】 话音信号的抽样频率 一路电话信号的频带为3003400 Hz， fm = 3400 Hz 根据抽样定理，抽样频率23400 Hz = 6800 Hz 若以6800 Hz的抽样频率对 3003400 Hz 的电话信号
4、抽样，则抽样后的样值序列可不失真地还原成原来的语音信号 话音信号的抽样频率通常取 8000 Hz,模拟信号的数字化处理,2. 量化 量化过程抽样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍是连续的，还需进行离散化处理（即对幅值进行化零取整的处理），才能最终用数字来表示 量化方法把样值的最大变化范围划分成若干个相邻的间隔。当某样值落在某一间隔内，其输出数值就用此间隔内的某一固定值来表示 量化分类均匀量化、非均匀量化（ A律13折线压缩特性（我国采用）和律15折线压缩特性）,模拟信号的数字化处理,典型非均匀量化特性（A律13折线压缩特性）,模拟信号的数字化处理,3. 编码 编码 将抽样、量
5、化后的信号转换成数字编码脉冲的过程 解码 编码的逆过程，将数字信号变为模拟信号（即把一个8位码字恢复为一个样值信号）的过程 编码的基本形式： 线性编码与均匀量化特性对应的编码 码组中各码位的权值固定，不随输入信号的幅度变化 非线性编码具有非均匀量化特性的编码 码组中各码位的权值随着输入信号的幅度变化,模拟信号的数字化处理,4. 脉冲编码调制（PCM）,PCM 原理框图,2.3 信道复用,信道复用多个用户同时使用同一信道进行通信 多路通信多路独立信号在同一条链路上传输 为区分在一条链路上的多个用户的信号，理论上可采用正交划分的方法，即凡是在理论上正交的多个信号，在同一条链路上传输到接收端后，都可
6、能利用其正交性完全区分开 多路复用FDM、TDM、CDM、SDM、WDM 多路复接 多址接入,2.3.1 多路复用技术,多路复用技术在同一信道中传递多路信号而互相不干扰，以提高信道利用率。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。该技术含复用、传输和分离三个过程 多个复用系统的再复用和解复用称为复接和分接 分类频分复用FDM、时分复用（时分同步复用TDM、统计时分复用STDM）、码分多路复用CDM,多路复用技术,典型的时分复用多路通信系统PCM通信,多路复用技术,【例】PCM 3032 路系统的帧结构 为确保接收端能将离散的数字信号还原成连续的模拟信号，取样
7、频率需采用 8 000 Hz，即每隔125s取样一次，该时间间隔称为一帧 PCM 时分通信把125s时间分成许多小段，每一路占一段时间（时隙）。路数越多，每路时隙就越小 PCM 3032 将整个系统分为32个路时隙，其中30个路时隙分别用来传送30路话音信号，1个路时隙用来传送帧同步码，1个路时隙用来传送信令码。,2.3.2 同步技术,通信过程中信号处理和传输都在规定的时隙内进行，帧同步是实现时分多路通信必不可少的条件之一 同步是使系统的收发两端在时间上和频率上保持步调一致。同步技术可使通信系统的收发两端或整个通信网络以精度很高的时钟提供定时，以便系统（或网络）的数据流能同步、有序而准确地传送
8、信息达到收发信端 同步系统是使收、发定时系统同步工作，以保证在接收端能正确地接收每一个码元，并正确分出每一路信息码和信令码。信息码元的传输只在收发之间建立同步后才能进行。 。,2.3.3 数字复接技术,数字复接技术在数字传输系统中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常需要将若干个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；在到达接收端后，再把这个高速数字信号流分解还原成为相应的各个低速数字信号 数字复接系统可使一条高速数字信道用作多条低速数字通道 数字复接方法同步复接、异步复接,数字复接技术,数字复接系统的组成,数字复接技术,【例】数字通信系统扩容 若在一条通路上传送 120 路
9、电话，可将 4 个30 路PCM系统的基群信号再进行时分复用，合成为码速为8.448 Mbit/s的120路数字信号系统，称为二次群。 若用4个120路的二次群信号，又可合成为一个480路的数字信号系统，称为三次群 。 这些由低次群合成为高次群的方法，都通过数字复接技术来实现。,数字复接技术,ITU推荐了两类数字速率系列和数字复接等级： 中国、欧洲采用的2.048 Mbit/s（即3032路PCM）作基群的数字速率系列 北美和日本采用的1.544 Mbit/s（24路PCM） 以2.048 Mbit/s为基群的数字速率系列的帧结构与目前数字交换用的帧结构统一，便于向数字传输和数字交换统一化方向
10、发展,2.3.4 PDH和SDH,1. 准同步数字系列（PDH） 脉冲编码调制（PCM）技术在复接成一次群时，采用同步复接。但在复接成二、三、四次群时采用准同步（异步）复接。为复接方便，对各支路比特流之间的异步范围作了规定，这种对传输速率偏差的约束即为准同步工作。相应的传输速率称为准同步数字系列（PDH）,PDH和SDH,2. 同步数字系列（SDH） SDH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 在传送网中，SDH提高了网络资源利用率，显著降低了管理和维护费用，实现了灵活、可靠和高效的网络运行与维护 SDH方式能提供高速率的传输通道，兼容两种不同的PDH标准，采
11、用统一的速率标准，易于网络的互联互通。其适于光纤通信，也适于微波通信和卫星通信传输的技术体制 。,2.4 数字信号的基带传输,基带由消息转换而来的原始信号所固有的频带 基带传输不搬移基带信号的频谱而直接进行传输的方式 数字信号从源传到目的地，需有数字传输设备、传输介质及信号转换设备。从数字通信终端送出的数字信号（其频谱范围从零开始），称基带信号；用基带信号直接进行传输，称为基带传输 基带信号频率较低，很难实现远距离传输；基带信号包含的频谱成分很宽，而能用于基带传输的信道有限。常将信号带宽限制在某一范围内 市内电话线路或专用的实线电路，可进行基带传输,数字信号传输的基本概念,数字基带传输系统方框
12、图,再生中继与均衡技术,再生中继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性失真进行补偿或者校正的过程,基带传输的常用码型,常用的两电平传输码,2.5 调制技术,调制是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程 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 解调在接收端将被搬移的信号频谱恢复为原始基带信号的过程 模拟调制基带信号是连续变化的模拟量，线性调制（调幅）、非线性调制（调频、调相） 数字调制数字基带信号对载波进行调制,2.5.1调制的基本概念,调制的一般过程 载波是用以搭载原始信号（信息）的信号，
13、不含有用信息 调制使载波的某参数随调制信号（原始信号）改变而变化 调制的实质是进行频谱变换,调制的基本概念,解调方式 非相干解调：不需要同步载波 相干解调：误码率比非相干解调低，其需要在接收端从信号中提取出相干载波（与发送端同频同相的载波），设备相对较复杂,2.5.2 基本数字调制技术,在无线电信道中，若使信号能以电磁波的方式通过天线辐射出去，信号所占的频带位置必须足够高，且信号所占用的频带宽度不能超过天线的通频带 基带信号的频谱必须用一个频率很高的载波调制，使基带信号搬移到足够高的频率上，才能从天线发射出去,基本数字调制技术,数字调制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
14、信号的过程；在该过程中，信号频谱由原来的低频信号搬移到高频段 数字解调把数字频带信号恢复成原来数字基带信号的过程，该信号中的频谱由高频段恢复到原来的基带信号的低频段,基本数字调制技术,1. 数字调制的基本概念 数字调制（又称键控）：将数字信息码元的脉冲序列视为“电键”对载波的参数进行控制 数字调制所用的载波一般为连续的正弦型信号（与模拟调制相似），但调制信号为数字基带信号,基本数字调制技术,数字调制利用数字信号本身的规律性（时间离散、幅度离散等）去控制一定形式的载波而实现调制 利用矩形基带脉冲序列去控制正弦波的振幅、频率和相位，可获得： 幅度键控（ASK） 频移键控（FSK） 相移键控（PSK
15、） 正交幅度调制（QAM）等。,基本数字调制技术,2. 二进制数字调制 抗干扰能力强，多用于产生信号弱、信道不太拥挤的场合，如卫星通信等 二进制振幅键控（2ASK） 二进制频移键控（2FSK） 二进制相移键控（2PSK）,基本数字调制技术,二进制数字调制信号的基本波形,2.5.3 现代数字调制技术,1. 正交幅度调制（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法 QAM由两路独立的两个载波调制合成得到，即利用同相载波传送一路ASK信号、利用正交载波传送另一路ASK信号，然后合成信号，来提高频带利用率 QAM能充分利用带宽、抗噪声能力强,现代数字调制技术,M
16、QAM信号是一种幅度、相位复合调制信号 M表示已调波的状态数（是信号电平数的平方），不同状态与不同的幅度和相位相对应 【例】 4电平正交幅度调制（4-QAM 或16QAM ）、8电平正交幅度调制（8-QAM或64QAM） 16QAM信号的产生： 正交调幅法：用两路正交的4电平幅度调制信号叠加 复合相移法：用两路独立的四相相移调制信号叠加,现代数字调制技术,2. 高斯最小频移键控（GMSK）调制 最小频移键控（MSK）是相位连续的二进制频移键控（2FSK）的一个改进 FSK已调波的频率随着二进制码元极性的改变而相应改变。在相邻码元交界处，相位一般为不连续，此时2FSK信号的带宽较宽，降低了频带利
17、用率 若二进制信号的码元互相正交，其误码性能可进一步改善,现代数字调制技术,某些通信场合对信号带外辐射功率的限制严格，如移动通信中必须衰减70 80 dB以上。MSK信号仍不能满足该要求；GMSK调制针对上述要求而提出 GMSK：在MSK调制器之前加入一个高斯低通滤波器作为MSK调制的前置滤波器。该滤波器需满足窄的带宽且尖锐截止等要求，以满足抑制高频成分、防止过量的瞬时频率偏移以及进行相干检测的需要,现代数字调制技术,3. 正交频分复用（OFDM） OFDM是一种采用多进制、多载波、并行传输的频分复用调制体制 OFDM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，适用于衰落严重的无线信
18、道中,现代数字调制技术,（1）OFDM的基本概念 OFDM技术属于多载波调制（MCM），其把一段串行的数据流变成 N 组低速并行的数据流，分别调制到不同的载频上并行传输，即把一个宽带信道上的整个频带分成 N 个子频带，每个数据流占用一个子带。每个子带有一个载波，各个子带完全独立，所有子带都可以独立调制 OFDM根据信道性能（如信噪比、噪声、衰减等）, 通过自适应地分配各子带的比特率，可达到最佳的信道利用率,现代数字调制技术,OFDM将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输 正交信号可通过在接收端采用相关技术来分开，以减少子信道之间的相互干扰
19、（ICI）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，各子信道频率选择性可视为平坦性衰落，从而可消除符号间干扰,2.6 差错控制技术,常用的差错控制方式： 前向纠错（FEC） 检错重发（ARQ） 常用检错重发系统：停止等待重发、返回重发和选择重发 反馈校验（IRQ） 混合纠错（HEC）,常用的差错控制方式,差错控制编码,1. 差错控制编码分类 （1）按编码的不同功能分类 检错码：能发现错误，但仅能检错 纠错码：在检错的同时还能纠正误码 纠删码：不仅具有纠错的功能，还能对不可纠正的码元进行简单的删除,差错控制编码,（2）按信息码元和附加监督码元间的检验关系分类 线性码：信息码元与监督码元间为线性关系（即满足一组线性方程组） 非线性码：信息码元与监督码元间为非线性关系,差错控制编码,（3）按信息码元和附加监督码元间的约束关系分类 分组码：监督码元仅与本组的信息有关 卷积码：监督码元既与本组的信息有关，也与以前码组的信息有约束关系，各组之间具有相关性,