数字通信基本原理

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。 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≥26dB），而大信号的量化信噪比 较大，远远满足要求。
（ 2）
① 模拟压扩法方框图如图0-13
压缩器和扩张器特性如图0-14所 示（以5折线为例）。
· 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μ律压缩特性、 A律压缩特性及A律13
· 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
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
①
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。
②
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。
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。
① 若信源是数字信息时，则信源 编码或信源解码不太大时，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
1.时分多路复用通信 （1） 时分多路复用的概念
①
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。
②
所谓时分多路复用（即时分制）是利
可见，二进制码元传输时，信息传输
③ 频带利用率η
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）
· 1帧
· · 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。
非均匀量化的宗旨是：在不增大量化 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，
实现非均匀量化的方法有两种，即模
把每帧的首尾辨别出来，就可正确区
2. PCM30／32
（1） PCM30／32路系统帧结构
图0-20是PCM30／32路系统（称为基 话音信号根据原CCITT建议采用8kHz 抽样，抽样周期为125μs，所以一帧的时 间（即帧周期）T＝125μs。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
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 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。
(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(ω)是由无限 多个分布在ωs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(ω)的本身（只差一个 系数1/T)，如图0-9所示。 抽样频率fs不是越高越好，fs太高时， 将会降低信道的利用率 。
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
（ 1）
有效性指标具体包括以下三项内容。
① 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fB表示）。它的定义是：每秒所
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）。
① 30个话路时隙(TS1～TS15，TS17～ TS31)
② 帧同步时隙(TS0)
③ 信令与复帧同步时隙(TS16)
（2） PCM30／32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PCM30／32路系统基本构成，如图021所示。
四、 数字复接技术——准
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
（2） PCM时分多路复用通
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：
② 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log2M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
R=Nlog2M
同步数字体系（PDH）
1.
（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PCM24路系 列和PCM30／32路系列。北美和日本采用 1.544Mbit／s作为第一级速率（即一次群） 的PCM24路数字系列，但两家又略有不同； 欧洲和中国则采用2.048Mbit／s作为第一 级速率（即一次群）的PCM30／32路数字 系列。
3.
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(
量化分为均匀量化和非均匀量化
(1）
话音信号的概率密度分布曲线如图011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 量化误差e(t)＝量化值-样值=uq(t)-u(t) 其最大量化误差（指绝对值）不超过 半个量化间隔Δ/2，但在过载区，量化误差 将超过Δ/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。
（2） 信道部分
（ 3） 数 /
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/
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 低通——收端低通的作用是恢复或重
建原模拟信号。
2. （ 1）
所谓抽样就是每隔一定的时间间隔 Ｔ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ST(t)的控制下，抽样门闭合或断 开，如图０-８所示。
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
（5） 数字复接的方法及系统构成
①
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。
③ 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
④ 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.
（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
图0-22是数字复接的原理示意图。
图0-22
（ 3）
数字复接的实现主要有两种方法：按
①
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。
②
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）
数字复接要解决两个问题，即同步和
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。
（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
① PCM
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125μs 的周期分别进行抽样，然后合在一起统一
②
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。