光纤通信第00章.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击鼠标左键换页,预备知识,数字通信基本原理,一、数字通信的基本概念,1.,数字通信系统的基本概念,（,1,）模拟信号和数字信号,信号波形的特征可用两个物理量（时间、幅度）来表示。,模拟信号,模拟信号随波形模拟信息的变化而变化，其特点是幅度连续。,数字信号,图,0-2,所示的是数字信号的波形，其特点是：幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的，而是离散的。,(2),数字通信的概念,可分为两类通信方式：模拟通信和数字通信。,模拟通信是以模拟信号的形式传递消息，采用频分复用实现多路通信。,数字通信是以数字信号的形式传递消息，采用时分复用实现多路通信。,占空比,a,=,/t,B,，可见，图,0-3,（,a,）中,a,=1,，图,0-3,（,b,）中,a,=1/2,。,（,3,）数字通信系统的构成,数字通信系统的构成模型如图,0-4,所示。,信源是把原始信息变换成原始电信号。,信源编码的功能是把模拟信号变换成数字信号，即完成模数变换的任务。,信道是指传输信号的通道。,接收端的解调、信道解码、信源解码等几个方框的功能与发送端几个对应的方框正好相反，是一一对应的反变换关系。信源解码后的电信号，由受信者接收，通常称之为信宿。信宿可以是人，也可以是各种终端设备。,若信源是数字信息时，则信源编码或信源解码可去掉，这样就构成数据通信系统。,若通信距离不太远，且通信容量不太大时，信道一般采用市话电缆，即采用基带传输方式，这样就不需要调制和解调部分。,传送话音信息时，即使有少量误码，也不影响通信质量，一般不加信道编、解码。,在对保密性能要求比较高的通信系统中，可在信源编码与信道编码之间加入加密器；同时在接收端加入解密器。,2.,数字通信的特点,数字通信具有以下几个主要特点。,（,1,）抗干扰能力强，无噪声积累,（,2,）便于加密处理,（,3,）采用时分复用实现多路通信,（,4,）设备便于集成化、微型化,（,5,）占用信道频带宽,3.,数字通信系统的主要性能指标,衡量数字通信系统性能好坏的指标是有效性和可靠性两项。,（,1,）有效性指标,有效性指标具体包括以下三项内容。,信息传输速率（,R,）,信息传输速率简称传信率，也叫数码率（常用,f,B,表示）。它的定义是：每秒所传输的信息量。,信息量是消息多少的一种度量，消息的不确定性程度越大，则其信息量越大。信息量的度量单位为“比特”（,bit,）。,符号速率（,N,）,符号速率也叫码元速率，它的定义是：,1,秒所传输的码元数目（这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的），其单位为“波特”（,d,）。,符号（或码元）与代码的关系为：一个符号要用,log,2,M,个代码来表示（,M,为进制数或电平数）。,综上所述，很容易得出信息传输速率,R,与符号速率,N,的关系为：,R,=,Nlog,2,M,可见，二进制码元传输时，信息传输速率与符号速率相等。,频带利用率,通信系统所占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。所以真正用来衡量数字通信系统传输效率的指标（有效性）应当是单位频带内的传输速率。,（,2,）可靠性指标,误码率的定义为：在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元之比。,二、脉冲编码调制（,PCM,）,由于数字通信是以数字信号的形式来传递消息的，而话音信号是幅度、时间取值均连续的模拟信号，所以数字通信所要解决的首要问题是模拟信号的数字化，即模数变换（,A,/,D,变换）。,模数变换的方法主要有脉冲编码调制（,PCM,）、差值脉冲编码调制（,DPCM,）、自适应差值脉冲编码调制（,ADPCM,）、增量调制（,DM,）等。,1.,脉冲编码调制通信系统的构成,脉冲编码调制是对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以将模拟信号转化为数字信号。,若模数变换的方法采用,PCM,，由此构成的数字通信系统称为,PCM,通信系统。采用基带传输的,PCM,通信系统构成方框图如图,0-7,所示。,（,1,）模数变换,相当于信源编码部分的模数变换（,A,D,变换），具体包括抽样、量化、编码三步。,抽样,是把模拟信号在时间上离散化，变为脉冲幅度调制（,PAM,）信号。,量化,是把,PAM,信号在幅度上离散化，变为量化值（共有,N,个量化值）。,编码,是用二进码来表示,N,个量化值，每个量化值编,l,位码，则有,N,=2,l,。,（,2,）信道部分,（,3,）数,/,模变换,接收端首先利用再生中继器消除数字信号中的噪声干扰，然后进行数,/,模变换。数,/,模变换包括解码和低通两部分。,解码,是编码的反过程，解码后还原为,PAM,信号（假设忽略量化误差,量化值与,PAM,信号样值之差）。,低通,收端低通的作用是恢复或重建原模拟信号。,2,.,抽样,（,1,）抽样的概念,所谓抽样就是每隔一定的时间间隔,抽取模拟信号的一个瞬时幅度值（样值）。抽样是由抽样门来完成的，在抽样脉冲,S,T,(,t,),的控制下，抽样门闭合或断开，如图,-,所示。,(2),理想抽样的频谱,如图,0-9,所示。,抽样后的样值序列频谱,S,(,),是由无限多个分布在,s,各次谐波左右的上下边带所组成，而其中位于,n,=0,处的频谱就是抽样前的话音信号频谱,M,(,),的本身（只差一个系数,1/,T,),，如图,0-9,所示。,抽样频率,f,s,不是越高越好，,f,s,太高时，将会降低信道的利用率。,3,.,量化,量化的意思是将时间域上幅度连续的样值序列变换为时间域上幅度离散的样值序列信号,(,即量化值）。,量化分为均匀量化和非均匀量化两种。,(1,）均匀量化,话音信号的概率密度分布曲线如图,0-11,所示。,图中,U,为过载电压。而且话音信号主要分布在,-,U,+,U,之间。我们将,-,U,+,U,这个区域称为量化区，而将,u,-,U,与,u,+,U,范围称为过载区。,量化值（离散值）一般与样值（连续值）不相等，因而产生误差，此误差是由量化而产生的，所以叫量化误差。,量化误差,e,(,t,),量化值,-,样值,=,u,q,(,t,)-,u,(,t,),其最大量化误差（指绝对值）不超过半个量化间隔,/2,，但在过载区，量化误差将超过,/2,。,有量化误差就好比有一个噪声叠加在原来的信号上起干扰作用，这种噪声称为量化噪声。,均匀量化的特点是：在量化区内，大、小信号的量化间隔相同，最大量化误差也就相同，所以小信号的量化信噪比小，大信号的量化信噪比大。在,N,（或,l,),大小适当时，均匀量化小信号的量化信噪比太小，不满足要求（数字通信系统中要求量化信噪比,26,dB,），而大信号的量化信噪比较大，远远满足要求。,（,2,）非均匀量化,非均匀量化的宗旨是：在不增大量化级数,N,的前提下，利用降低大信号的量化信噪比来提高小信号的量化信噪比（大信号的量化信噪比远远满足要求，即使下降一点也没关系）。为了达到这一目的，非均匀量化大、小信号的量化间隔不同。信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。,实现非均匀量化的方法有两种，即模拟压扩法和直接非均匀编解码法。,模拟压扩法,模拟压扩法方框图如图,0-13,所示。,压缩器和扩张器特性如图,0-14,所示（以,5,折线为例）。,这里有两个问题需要说明：,上述为了分析问题方便，图,0-14,的压缩特性采用,5,折线（正、负合起来有,5,段折线）。实际压缩特性常采用,律压缩特性、,A,律压缩特性及,A,律,13,折线等。,对压缩特性的要求是：当输入,u,=0,时，输出,v,=0,；当输入,u,=,U,（过载电压）时，输出,v,=,U,。而且要求扩张特性要严格地与压缩特性相反，以使压缩,扩张的总传输系数为,1,，否则会产生失真。但这在实际中很难做到，所以模拟压扩法已不采用。,应当指出，虽然已不采用模拟压扩法，但它还是比较重要的。原因有两条：一是分析量化信噪比时是借助于压缩特性的；二是下面要介绍的直接非均匀编解码法是在模拟压扩法的基础上发展而来的。,直接非均匀编解码法,（,3,）,A,律,13,折线压缩特性,用若干段折线去逼近,A,律压缩特性，由此得出了,A,律,13,折线。,具体的方法是：对,x,轴在,0,1,（归一化）范围内以,1/2,递减规律分成,8,个不均匀段，其分段点是,1/2,，,1/4,，,1/8,，,1/16,，,1/32,，,1/64,和,1/128,。,对,y,轴在,0,1,（归一化）范围内以均匀分段方式分成,8,个均匀段落，它们的分段点是：,7/8,，,6/8,，,5/8,，,4/8,，,3/8,，,2/8,和,1/8,。将,x,轴,y,轴相对应的分段线在,x,y,平面上的相交点连线就是各段的折线，即将,x,=1,y,=1,连线的交点同,x,=1/2,y,=7/8,连线的交点相连接的折线，就称作第,8,段的折线。这样信号从大到小由,8,个直线段连成的折线分别称作第,8,段、第,7,段,第,1,段。图,0-15,就是,A,律,13,折线压缩特性。,经过计算各段折线的斜率如图,0-15,中所示。,4,.,编码与解码,这里的编码指的是根据,A,律,13,折线非均匀量化间隔的划分直接对样值编码，称为非均匀编码，接收端再进行非均匀解码，即直接非均匀编解码法。,三、时分多路复用及,PCM,30,32,路系统,数字通信是时分制多路通信，如何实现时分多路通信是至关重要的。,这里介绍数字通信系统中时分多路复用的实现方法以及传输的基本群次,PCM,30,32,路系统的有关问题。,1,.,时分多路复用通信,（,1,）时分多路复用的概念,多路复用的概念,为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传输而互不干扰，称多路复用。,目前多路复用的方法用得最多的有两大类：频分多路复用（,FDM,）和时分多路复用（,TDM,）。频分多路复用用于模拟通信（例如载波通信）；时分多路复用用于数字通信。,时分多路复用的概念,所谓时分多路复用（即时分制）是利用各路信号在信道上占有不同时间间隔的特征来分开各路信号的。如图,0-16,所示。每路所占有的时间间隔称为路时隙（简称时隙）。,（,2,）,PCM,时分多路复用通信系统的构成,PCM,时分多路复用通信系统的构成如图,0-17,所示。为简化起见只绘出,3,路复用情况，现结合图,0-18,所示波形图说明时分复用通信系统的工作原理。,这里介绍几个基本概念：,1,帧,路时隙（时隙）,位时隙,（,3,）时分多路复用系统中的位同步,所谓时钟同步是使收端的时钟频率与发端的时钟频率相同（时钟频率与二进制数字信号的数码率数值一样）。时钟同步保证收端正确识别每一位码元（所以时钟同步也叫位同步），这相当于图,0-19,中两端旋转开关的旋转速度相同。,（,4,）时分多路复用系统中的帧同步,帧同步是保证收发两端相应各话路要对准，即在接收端正确接收（区分）每一路信号。,把每帧的首尾辨别出来，就可正确区分每一路信号，即实现帧同步。,2,.,PCM,30,32,路系统,（,1,）,PCM,30,32,路系统帧结构,图,0-20,是,PCM,30,32,路系统（称为基群，也叫一次群）的帧结构图。,话音信号根据原,CCITT,建议采用,8,kHz,抽样，抽样周期为,125,s,，所以一帧的时间（即帧周期）,T,125,s,。每一帧由,32,个路时隙组成（每个时隙对应一个样值，一个样值编,8,位码），其中：,30,个话路时隙,(,TS,1,TS,15,，,TS,17,TS,31,),帧同步时隙,(,TS,0,),信令与复帧同步时隙,(,TS,16,),（,2,）,PCM,30,32,路系统的构成框图,在前面讨论的抽样、量化、编解码及时分多路复用等基本原理的基础上，下面介绍,PCM,30,32,路系统基本构成，如图,0-21,所示。,四、数字复接技术,准同步数字体系（,PDH,）,1,.,数字复接的基本概念,（,1,）准同步数字体系（,PDH,）,国际上主要有两大系列的准同步数字体系，都经原,CCITT,推荐，即,PCM,24,路系列和,PCM,30,32,路系列。北美和日本采用,1,.,544,Mbit,s,作为第一级速率（即一次群）的,PCM,24,路数字系列，但两家又略有不同；欧洲和中国则采用,2,.,048,Mbit,s,作为第一级速率（即一次群）的,PCM,30,32,路数字系列。,（,2,）,PCM,复用和数字复接,扩大数字通信容量，形成二次群以上的高次群的方法通常有两种：,PCM,复用和数字复接。,PCM,复用,所谓,PCM,复用就是直接将多路信号编码复用。即将多路模拟话音信号按,125,s,的周期分别进行抽样，然后合在一起统一编码形成多路数字信号。,数字复接,数字复接是将几个低次群在时间的空隙上迭加合成高次群。例如将四个一次群合成二次群，四个二次群合成三次群等。图,0-22,是数字复接的原理示意图。,（,3,）数字复接的实现,数字复接的实现主要有两种方法：按位复接和按字复接。,按位复接,按位复接是每次复接各低次群（也称为支路）的一位码形成高次群。,按字复接,按字复接是每次复接各低次群（支路）的一个码字形成高次群。,（,4,）数字复接的同步,数字复接要解决两个问题，即同步和复接。,数字复接的同步指的是被复接的几个低次群的数码率相同。,如果低次群的数码率不同，复接时会产生重叠和错位（读者可对比一下图,0-22,中当低次群的数码率相同时复接的情况）。,数字复接的同步是系统与系统间的同步，因而也称之为系统同步。,（,5,）数字复接的方法及系统构成,数字复接的方法,数字复接的方法实际也就是数字复接同步的方法，有同步复接和异步复接两种。,同步复接是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个低次群，使这几个低次群的数码率（简称码速）统一在主时钟的频率上（这样就使几个低次群系统达到同步的目的），可直接复接（复接前不必进行码速调整，但要进行码速变换）。同步复接方法的缺点是一旦主时钟发生故障时，相关的通信系统将全部中断，所以它只限于局部地区使用。,异步复接是各低次群各自使用自己的时钟，由于各低次群的时钟频率不一定相等，使得各低次群的数码率不完全相同（这是不同步的），因而先要进行码速调整，使各低次群获得同步，再复接。,PDH,大多采用异步复接。,数字复接系统的构成,数字复接系统主要由数字复接器和数字分接器两部分组成，如图,0-25,所示。,数字复接器的功能是把四个支路（低次群）合成一个高次群。它是由定时、码速调整（或变换）和复接等单元组成的。定时单元给设备提供统一的基准时钟（它备有内部时钟，也可以由外部时钟推动）。码速调整（同步复接时是码速变换）单元的作用是把各输入支路的数字信号的速率进行必要的调整（或变换），使它们获得同步。这里需要指出的是四个支路分别有各自的码速调整（或变换）单元，即四个支路分别进行码速调整（或变换）。复接单元将几个低次群合成高次群。,数字分接器的功能是把高次群分解成原来的低次群，它是由定时、同步、分接和恢复等单元组成。分接器的定时单元是由接收信号序列中提取的时钟来推动的。借助于同步单元的控制使得分接器的基准时钟与复接器的基准时钟保持正确的相位关系，即保持同步。分接单元的作用是把合路的高次群分离成同步支路信号，然后通过恢复单元把它们恢复成原来的低次群信号。,2,.,异步复接,（,1,）码速调整,码速调整的概念,码速调整与恢复的方法,码速调整是利用插入一些码元将各一次群的速率由,2048,kbit,s,左右统一调整成,2112,kbit,s,。接收端进行码速恢复，通过去掉插入的码元，将各一次群的速率由,2112,kbit,s,还原成,2048,kbit,s,左右。,码速调整技术的分类,码速调整技术可分为正码速调整、正负码速调整和正,/,零,/,负码速调整三种。其中正码速调整应用最普遍。,（,2,）异步复接二次群帧结构,原,CCITT,G,.742,推荐的正码速调整异步复接二次群帧结构如图,0-26(,b,),所示。,3,.,PCM,高次群,（,1,）,PCM,三次群,（,2,）,PCM,四次群,（,3,）,PDH,的网络结构,五、数字传输技术,数字信号在信道上的传输方式有基带传输和频带传输两种。,1,.,数字信号的基带传输,基带传输指的是未经调制变换的基带数字信号直接在电缆信道上传输。,（,1,）基带传输信道特性,数字信号经过一段信道传输后，波形会产生失真，如图,0-30,所示。,（,2,）基带传输,PCM,再生中继系统的构成,再生中继器的三大组成及作用如下：,均衡放大,将接收的失真信号均衡放大成适宜抽样判决的波形（均衡波形,R,(,t,),）。,定时钟提取,从接收信码流中提取定时钟频率成分，以获得再生判决电路的定时脉冲。,抽样判决与码形成（判决再生）,对均衡波形进行抽样判决，并进行脉冲整形，恢复原数字信号序列。,2,.,数字信号的频带传输,频带传输是将基带数字信号的频带搬移到无线等信道上再传输（数字信号的频带传输也包括对基带数字信号进行光调制后在光纤信道上传输）。,频带传输系统主要包括数字微波传输系统、数字卫星传输系统和数字光纤传输系统。,