1、現代通信理論與技術Modern Communication Theories and Techniques主講： 楊萬全教授四川大學電子信息學院Tel：(028)85463881（O） 85461089（H）E-mail：YWQ YANG_WQ8/12/20221現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 課程主要內容第一部分 現代通信理論與技術概述（20學時）第二部分 通信系統中的信號和噪聲（8學時）第三部分 模擬通信（12學時）第四部分 數字通信（20學時）8/12/20222現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 第四部分 數字通信（20學時） 講述信源編碼、加密編

2、碼、信道編碼、時分復用、數字復接、數字交換的基本原理、數字信號的基帶傳輸和載波傳輸、通信中的同步技術，以及數字通信系統的抗噪聲性能分析。 8/12/20223現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 本章知識要點數字通信的一般原理信源編碼（模擬信號數字化和數據壓縮）信道編碼（檢錯糾錯編碼）數字加密技術時分多路復用數字交換數字信號的基帶傳輸和載波傳輸數字通信系統的抗噪聲性能分析第四章 數字通信Part 4 Digital Communication Systems8/12/20224現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 一、通信系統分類4.1 數字通信系統 Digital Communicati

3、on System信息源Source連續信息源Continuous (analog) information source離散信息源Discrete (digital) information source模擬信號Analog signal非電/電變換模擬通信Analog comm.模擬通信系統Analog communication system數字信號Digital signal數字通信Digital comm.數字通信系統Digital communication system模擬信號數字化8/12/20225現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 二、數據通信 Data Communi

4、cation 現代通信不限于人與人之間的通信，也可以是人與機器或機器與機器之間的通信。這里的機器主要指具有一定智能的機器，如計算機、遙測遙控設備等。這種通信所使用的信號必須能為機器所接受，能為計算機所“理解”，否則就無意義。計算機使用的信號是數字信號，因此，這種以傳輸數字數據為業務的人機或機機通信稱之為數據通信。 另一種定義是：若信息源本身發出的就是數字形式的信號(比如電報、數據、指令)，那么不管用數字傳輸還是用模擬傳輸方式來傳輸這個信號的通信方式均稱為數據通信。 數據通信具有三個特征：它是機器(計算機)對機器(終端設備)的通信，或者是人對機器的通信；它傳輸處理離散的數字數據，而不是連續的模擬

5、信號；它的通信速度很高，可以傳輸和處理大量的數據。8/12/20226現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 三、數字通信 Digital Communication （1）數字通信 信道中傳輸的是數字信號的通信方式稱為數字通信，它包括將基帶數字信號直接送往信道傳輸的數字基帶傳輸和經載波調制后再送往信道傳輸的數字載波傳輸。對應的通信系統稱為數字通信系統。 按照這一定義，數據通信只是意義更廣的數字通信的一個方面，數字通信的另一個方面是模擬信號的數字化傳輸。 （2）數字通信系統的模型收信機發信機信道收信者噪聲源信息源信源譯碼解密譯碼信道譯碼解調器信源編碼加密編碼調制器信道編碼8/12/20227現

6、代通信理論與技術 第四部分 數字通信 GSM移動臺和基站的原理框圖8/12/20228現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 IS-95 CDMA系統的正向業務信道Walsh函數1.2288Mc/s基帶濾波器基帶濾波器cosct-/2I信道引導PN序列1.2288Mc/sQ信道引導PN序列1.2288Mc/s長碼產生器1.2288Mc/s幀質量指示器加編碼器尾比特(2，1，8)卷積編碼碼元重復分組交織復接分頻器分頻器800Hz功率控制比特800b/s19.2 ks/s19.2 ks/s用戶m的長碼掩碼用戶m的輸入信息8.6 kb/s4.0 kb/s2.0 kb/s0.8 kb/s9.2 kb/

7、s4.4 kb/s2.0 kb/s0.8 kb/s9.6 kb/s4.8 kb/s2.4 kb/s1.2 kb/s19.2 kb/s9.6 kb/s4.8 kb/s2.4 kb/s8/12/20229現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 4.2 信源編碼 Source Encoding4.2.1 信源編碼的任務信 息源信源編碼非電/電變換A/D變換離散連續數據壓縮 （1）模擬信號數字化 Analog-to-digital Conversion 當信源為連續信源，信源編碼器要對它進行取樣、量化和編碼，完成模/數變換功能，使其變為數字信號。一般稱為模擬信號數字化。 （2）數據壓縮 Data Co

8、mpression8/12/202210現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 數據壓縮，就是如何用最少的比特數來表述信源的輸出信息，如何用比較簡單的辦法來降低數碼率，并且在信源譯碼器那里能準確地或以一定的質量損失為容限再現信源信息。 模擬信號數字化和數據壓縮的原理與技術都是廣義的信源編碼的主要研究內容。 對信源編碼的兩點要求：每一單位時間內所需的(代表同一單位時間的信源輸出信息的)碼元數或數字位數盡量地少，即數碼率低；能準確地或以一定的質量損失為容限，從已簡化的或已壓縮的編碼序列逆變換為原信源輸出信息是唯一可能的。（2）數據壓縮 Data Compress8/12/202211現代通信理論與

9、技術 第四部分 數字通信 4.2.2 模擬信號數字化的原理 對于模擬信號，信源編碼器首先要對它進行抽樣、量化和編碼，使其變為數字信號，完成模/數變換功能，一般稱為模擬信號數字化。 模擬信號數字化就是研究將模擬信號轉換為時間離散，幅度離散的對應數字信號的原理與技術。模擬信號預濾波抽樣量化編碼數字信號8/12/202212現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 抽樣是將模擬信號的時間離散化，只要滿足抽樣定理的條件，抽樣就是一種信息無損變換。1. 抽樣 Sampling8/12/202213現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 抽樣定理：一個頻帶限制在（0，fM）內的模擬信號m(t)，如果抽樣頻率

10、則可以由抽樣間隔為的抽樣值序列ms(t)無失真地重建原始信號m(t)。（1）低通信號的抽樣8/12/202214現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 8/12/202215現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 抽樣是將模擬信號的時間離散化，用離散時刻的抽樣值表示（代替）模擬信號。 只要滿足抽樣定理的條件，抽樣就是一種信息無損變換。 在 通信中，傳輸3003400Hz的話音信號，抽樣頻率應大于6800Hz，通常以8000Hz的抽樣頻率對話音信號進行抽樣。數字 8/12/202216現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 帶通信號：若信號的頻率范圍是 fL f fH ，帶寬為 B= fH -f

11、L ，當 fLB 時，通常稱為帶通信號。 對于帶通信號，從原理上講仍可按低通信號的抽樣頻率來抽樣，但這時抽樣頻率將會很高，頻譜中 0 fL 頻段為空隙，沒有被充分利用，使得信道利用率不高。（2）帶通信號的抽樣8/12/202217現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 若則可將 N 個上邊帶和 N 個下邊帶搬移到（ fL ， fL）頻段的空隙內，這樣既不會發生頻譜重疊現象，又能降低抽樣頻率，從而減小傳輸信號所需的信道帶寬。帶通信號的抽樣8/12/202218現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 帶通信號的抽樣頻率 與原始信號頻帶fL，fH可能重疊的頻帶都是下邊帶； 當NBfL (N+1)B時

12、，在原始信號頻帶fL，fH的低頻側，可能重疊的頻帶是對應于Nfs時的N次下邊帶，在高頻側可能重疊的頻帶是對應于(N+1)fs時的N+1次下邊帶，為了不發生頻帶重疊，抽樣頻率應滿足下列條件: 8/12/202219現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 帶通信號的抽樣頻率如果要求原始信號頻帶與其相鄰邊帶間隔相等的話，則要求帶通信號的抽樣頻率條件1：即 條件2： 即 8/12/202220現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 例載波60路超群信號的頻帶在312552kHz，帶寬為若按低通抽樣，要求8/12/202221現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 理想抽樣：抽樣序列是理想沖激脈沖序列實

13、際抽樣：抽樣序列是具有一定脈寬的脈沖序列（）實際抽樣與脈沖振幅調制 （Pulse Amplitude Modulation PAM）8/12/202222現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 自然抽樣的PAM信號 （ PAM Signal with Natural Sampling）8/12/202223現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 平項抽樣的PAM信號 （PAM Signal with Flat-top Sampling)8/12/202224現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 比較兩種實際抽樣系統可見，自然抽樣后的信號頻譜在頻率上是周期性的，其譜瓣形狀與原函數頻譜相同，但幅

14、度按抽樣脈沖的頻譜和脈沖寬度兩者決定的比例系數變化；平頂抽樣后的信號頻譜各譜瓣要受抽樣脈沖頻譜的不均勻加權，從而各譜瓣有不均勻或不對稱的失真，且幅度要下降，克服譜瓣失真的方法是在恢復信息信號的低通濾波器之后接一均衡濾波器，其頻率傳輸函數為保持電路的傳輸函數的倒數。自然抽樣與平項抽樣的比較8/12/202225現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 量化是將模擬信號的幅度離散化，用有限個電平表示模擬信號幅度連續變化的無限個值。量化間隔判決電平：xk代表電平或重建值：yk量化：量化就是將輸入信號的連續幅度值映射成這M個yk中的對應值。2. 量化 Quantizing8/12/202226現代通信理

15、論與技術 第四部分 數字通信 由于屬于同一個量化區間的所有幅度連續取值的輸入信號經量化后變換為同一個離散的量化值，必然有四舍五入，引起量化誤差。q = x - Q(x)因此，量化是一種信息有損變換。 量化誤差的引入相當于在原信號上疊加了一個噪聲，因此量化誤差又稱為量化噪聲。量化誤差或量化噪聲8/12/202227現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 量化器輸出的信號平均功率量化誤差或量化噪聲 設 x 為零均值，方差為 2，概率密度函數為 px(x) 的隨機變量，則量化噪聲的方差為量化器的輸出平均功率信噪比8/12/202228現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 量化特性 若量化間隔的大小

16、相等，不隨輸入信號幅度的大小而變，則這種量化稱為均勻量化；反之，若量化間隔的大小隨輸入信號幅度的大小而變，則稱為非均勻量化。8/12/202229現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 均勻量化器的平均量化噪聲功率與量化間隔的平方成正比，輸出平均功率信噪比隨量化電平數的增加而提高。 必須指出的是：上述計算結果是在假設信號為均勻分布的條件下得到的統計平均值。如果從瞬時輸出信號功率與平均量化噪聲功率來分析，均勻量化器的缺點將是非常明顯的。量化誤差：q = /2均勻量化器的輸出平均功率信噪比（1）均勻量化8/12/202230現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 由于信號小時瞬時功率小，信號大時瞬

17、時功率大，但均勻量化器對信號抽樣值無論大小都以相同的量化間隔量化，從而量化誤差范圍 /2不變，量化噪聲的平均功率固定不變。這樣均勻量化器的瞬時輸出信號功率與平均量化噪聲功率之比將隨信號強弱而具有大的變動范圍。通常，量化器必須滿足一定的量化信噪比指標，把滿足信噪比要求的輸入信號取值范圍定義為動態范圍。顯然，均勻量化時的信號動態范圍將受到較大的限制。對于弱信號，均勻量化器量化間隔不變的缺點可能使它達不到給定量化信噪比的要求，或者要靠減小量化間隔增加量化電平數來滿足量化信噪比的要求。為了克服這個缺點，實際中常采用非均勻量化。均勻量化8/12/202231現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 非均勻

18、量化是根據信號的不同區間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區間，其量化間隔小；反之，量化間隔就大。 非均勻量化有兩個突出的優點。首先，當輸入量化器的信號具有非均勻分布的概率密度時，非均勻量化器的量化信噪比得以改善；其次，非均勻量化時，量化噪聲的均方根值基本上與信號抽樣值成比例，因此，量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，改善了小信號時的量化信噪比。（2）非均勻量化8/12/202232現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 任何一種非均勻量化特性都可以由壓縮器和均勻量化器組成，在接收端再由擴張器恢復信號。 壓縮器的特點是對小信號有較大的放大倍數，而對大信號有較小的放大倍數。擴張器具有和壓縮器相反

19、的功能。 非均勻量化的實現方法有兩種，即模擬壓擴法和數字壓擴法。 模擬壓擴法非均勻量化8/12/202233現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 壓縮器的壓縮特性大多采用對數式壓縮。目前用得最廣泛的兩種壓縮特性是以 為參量的 壓縮律和以 A 為參量的A壓縮律。 壓縮律 A 壓縮律壓縮器的壓縮特性8/12/202234現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 數字壓擴法就是用數字電路產生許多相連接的折線段來近似對數壓擴特性，直接對抽樣信號進行非均勻量化編碼。 數字壓擴法8/12/202235現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 A律13折線非均勻量化8/12/202236現代通信理論與技術 第

20、四部分 數字通信 保持與小信號量化間隔相同的情況下，128 級非均勻量化相當于2048 級均勻量化。 北美、日本等地多采用壓縮律，西歐各國多采用壓縮律。考慮到CCITT將壓縮律和壓縮律都列為建議，并且國際間數字通信系統相互連接時要以壓縮律為標準，以及其它一些因素，我國決定統一采用A壓縮律。段號i12345678x 01y（13折線）01y（A=87.6）01斜 率161684211/21/4量化間隔112 14 18 116 132 164 1A律13折線近似8/12/202237現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 模擬信號經取樣、量化之后，變為時間上和幅度上都離散的量化抽樣值，再把這些量

21、化抽樣值進一步變換為表示其量化電平大小的二進制或多進制代碼的操作叫做編碼。 編碼實質上是將抽樣值所在的區間號k變為二進制或多進制代碼。 在數字通信中，代碼的形式通常采用以有脈沖或無脈沖來表示的二進制形式。 碼字：表示每個量化抽樣值的二進制或多進制代碼叫做碼字。 碼元：組成碼字的每個脈沖叫做碼元或碼位。 碼位數：每個碼字中所包含的碼元個數稱為碼長或碼位數 碼元寬度：每個碼元所占的時間間隔稱作碼元寬度或碼元間隔。 碼元速率：單位時間內的碼元個數稱為碼元重復頻率或碼元速率。3. 編碼 Encoding8/12/202238現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 格雷碼 Gray Code折疊二進制碼

22、 Folded Binary Code量化電平自然二進碼格雷碼折疊二進碼15141312111098765432101111111011011100101110101001100001110110010101000011001000010000100010011011101011101111110111000100010101110110001000110001000011111110110111001011101010011000000000010010001101000101011001111） 常用二進制代碼8/12/202239現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 P X Y Z A

23、 B C D極性碼段落碼段內碼2）A87.6 / 13折線非線性編碼8/12/202240現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 8/12/202241現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 4. 模擬信號的數字化傳輸與脈沖編碼調制（PCM）（1）模擬信號的數字化傳輸原理發送端相當于信源編碼部分的模/數變換，包括抽樣、量化和編碼；數字傳輸系統，包括物理信道和傳輸數字信號所必需的技術設備，如基帶傳輸中的再生中繼器，載波傳輸中的調制解調器；接收端相當于信源譯碼部分的數/模變換器，包括再生、譯碼和低通濾波平滑。8/12/202242現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 把模擬信號轉換為數字信號的全

24、過程稱為廣義的信源編碼。 從調制角度來看模擬信號數字化，它是用脈沖碼組表示調制信號的調制方式，一般稱為脈沖數字調制。脈沖數字調制有多種制式，如脈沖編碼調制(PCM)、差分脈沖編碼調制(DPCM)、增量調制(M)等，但脈沖編碼調制是模擬信號數字化的最基本形式。 傳輸經取樣、量化和編碼數字化了的脈沖編碼調制信號的系統稱為脈沖編碼調制通信系統，它是數字通信系統的主要形式之一。（2）脈沖編碼調制 Pulse Code Modulation8/12/202243現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 4.2.3 數據壓縮技術1. 數據壓縮的必要性和可能性 （1） 數據壓縮的必要性 數字化了的模擬信號的數

25、據量非常大 采用PCM脈沖編碼調制的數字 的數碼率為64kb/s； 一路PAL制彩色數字電視，若用三倍副載頻抽樣，每象素38 比特編碼，數碼率為 4.433 3 8=318.96Mb/s，若以二進制實時傳送，大約要占用64kb/s的數字話路4984個，若要存儲，一張640MB（兆字節）的光盤也只能存放16秒的圖象； 一路高清晰度電視，數碼率高達12807206038=1327.104Mb/s，相當于13 路普通數字電視；8/12/202244現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 數碼率高，不僅對傳輸不利，而且也增加了存儲和處理的困難。因此，為了降低傳輸信息所要求的信道帶寬，節省存儲信息所需的

26、存儲容量，無論從傳輸還是從存儲的角度來考慮，數據壓縮都是非常必要的。反之，如果不進行數據壓縮，則無論傳輸還是存儲都很難實用化。 數據壓縮，就是如何用最少的比特數來表述信源的輸出信息，如何用比較簡單的辦法來降低數碼率，并且在信源譯碼器那里能準確地或以一定的質量損失為容限再現信源信息。 對數據進行壓縮就成了信源編碼更為重要的任務。數據壓縮 Data Compress8/12/202245現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 語音、圖象等信息信號具有很大的壓縮潛力。 PCM方式并不是對模擬信號進行最有效的編碼方式，或數碼率最小的編碼方式。 數據 = 信息 + 冗余度 信號波形各相鄰抽樣值之間常常接

27、近于相同值，存在著某種相關性，有大量的冗余度。減少或去掉數據中的冗余度就可以壓縮數據，而不損失信息。 利用人的視覺特性和聽覺特性，可以以一定的質量損失為容限對數據進行有損壓縮。（2）數據壓縮的可能性8/12/202246現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 冗余度壓縮法 數據 = 信息 + 冗余度 冗余度壓縮就是去掉或減少數據中的冗余，但這些冗余值是可以重新插入到數據中去的，所以冗余度壓縮是一個可逆的過程。 典型的冗余度壓縮法有Huffman編碼、Fano-Shannon編碼、算術編碼、游程長度編碼、Lempel-Zev編碼等。2. 數據壓縮的基本原理和方法8/12/202247現代通信理論

28、與技術 第四部分 數字通信 熵壓縮法 熵定義為平均信息量。 熵壓縮法在允許一定程度失真的情況下壓縮了熵，會減少信息量，而損失的信息是不可再恢復的，因此熵壓縮是不可逆壓縮。 典型的熵壓縮法有預測編碼、變換編碼、分析綜合編碼等。 熵壓縮法8/12/202248現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 預測編碼，是對預測誤差信號進行量化和編碼。 預測編碼中典型的壓縮方法有DPCM、ADPCM和M。 差分脈沖編碼調制(DPCM)（1）預測編碼8/12/202249現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 ADPCM的主要改進是量化器和預測器均采用自適應方式，使量化器和預測器的參數能隨輸入信號的統計特性自適

29、應于最佳或接近于最佳參數狀態。 自適應差分脈沖編碼調制（ADPCM）8/12/202250現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 增量調制又稱調制，記為M或DM。它是上述預測編碼中最簡單的一種，只用一比特傳輸一個抽樣值。 實質上，增量調制是差分脈沖編碼調制的特殊情況，或者說，差分脈沖編碼調制是增量調制的推廣。 由于簡單增量調制存在信號過載問題，所以實際使用的是增量總和調制或自適應增量調制。 一般來說，增量調制中抽樣速度比奈奎斯特頻率高得多，但碼元傳輸速度比一般PCM低得多。普通的PCM單路 需要64kbit/s的速率。對簡單增量調制改進后，在32kbit/s的速率時，已可獲得滿意的話音質量。

30、增量調制（M）8/12/202251現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 所謂變換編碼是指先對信號進行某種函數變換，使信號從一種信號域變換到另外一種信號域，然后再對變換后的信號進行抽樣、量化和編碼。比如音頻、視頻信號屬于低頻信號，它們在頻域中的能量較集中。如將時域音頻、視頻信號變換到頻域再進行抽樣、量化和編碼，就肯定可以壓縮數據。 常用的變換包括離散傅立葉變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）、WalshHadamard變換（WHT）和KarhunenLoeve變換（KLT）。 （2）變換編碼8/12/202252現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 3. 聲音壓縮的方法和國際標準8/12

31、/202253現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 標準G711G721G728GSMCTIANSANSA速率(kb/s)6432161384.82.4算法PCMADPCMLD-CELPRPE/LTPVSELPCELPLPC質量2.5（1） 質量的語音壓縮標準8/12/202254現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 （2） 高保真立體聲音頻壓縮標準 調幅廣播質量的音頻信號的頻率范圍是507000Hz，又稱為7kHz音頻信號。當采用16kHz的抽樣頻率和14比特的量化位數時，數碼率為224kb/s。 1988年，CCITT制定了G.722標準，采用子帶編

32、碼的方法，將輸入信號用濾波器分成高子帶信號和低子帶信號，然后分別進行ADPCM編碼，最后進入混合器形成輸出碼流，把信號速率壓縮到64kb/s，可在窄帶ISDN的一個B信道上傳輸調幅廣播質量的音頻信號。 高保真立體聲音頻信號的頻率范圍是2020000Hz，采用44.1kHz抽樣頻率和16比特量化編碼，數碼率為705.6kb/s。 成熟的高保真立體聲音頻壓縮標準為MPEG音頻。 （2）調幅廣播質量的音頻壓縮標準8/12/202255現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 彩色圖象的表示方法 彩色圖象由紅（R）、綠（G）、藍（B）三基色組成，也可以用色調H、色飽和度S和光強度I表示，而且后者更符合人

33、的視覺特性。 色調和色飽和度都表示彩色特性，統稱為色度。 不同的電視制式采用不同的彩色空間表示，常用的彩色圖象表示方式有Y、U、V方式和Y、I、Q方式，它們的共同點都是用其中的Y分量表示象素的亮度，用其余兩個分量表示象素的色度。 R、G、B方式，Y、U、V方式和Y、I、Q方式三者之間不是互不相關，而是可以相互轉換。4. 圖象壓縮的方法和國際標準8/12/202256現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 彩色圖象的表示方法Y、U、V方式與R、G、B方式之間的轉換關系為 8/12/202257現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 圖象壓縮的方法8/12/202258現代通信理論與技術 第四部分

34、 數字通信 （1）多灰度靜止圖象的數字壓縮編碼（JPEG）標準；（2）電視 /會議電視P64kb/s(CCITT H.261)標準；（3）運動圖象的數字壓縮編碼（MPEG-1、MPEG-2）標準；（4）二值圖象的數字壓縮編碼（JBIG）標準；（5）多媒體與超媒體信息對象的編碼（MHEG）標準；（6）甚低碼率圖象壓縮編碼（ITU-T H.263）標準。圖象壓縮的國際標準8/12/202259現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 1. 信源編碼的任務小結：信源編碼 模擬信號數字化和數據壓縮的原理與技術都是廣義的信源編碼的主要研究內容。信 息源信源編碼非電/電變換A/D變換離散連續數據壓縮2. 模

35、擬信號數字化的原理模擬信號預濾波抽樣量化編碼數字信號8/12/202260現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 對信源編碼的兩點要求：每一單位時間內所需的(代表同一單位時間的信源輸出信息的)碼元數或數字位數盡量地少，即數碼率低；能準確地或以一定的質量損失為容限，從已簡化的或已壓縮的編碼序列逆變換為原信源輸出信息是唯一可能的。3. 對信源編碼的要求8/12/202261現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 1. 抽樣頻率的選?。?. 壓縮特性的選??；3. 非線性PCM碼與線性碼之間的轉換。應用8/12/202262現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 4.3.1 同步時分多路復用原理 4.

36、3 數字通信中的多路復用技術時分多路復用（TDM） Time-Division Multiplexing 時分多路復用（TDM）以時間作為信號分割的參量，各路信號在時間軸上互不重疊。 抽樣定理為時分多路復用提供了依據。8/12/202263現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 同步時分多路復用原理 原理：抽樣周期被分為N個時隙，將N個信息信號的樣值按一定順序安排在這N個時隙中，通過發送端的并路器和接收端的分路器在每一個抽樣周期內順序對這N個信號依次傳輸一次，這樣就可以在同一信道內時分順序傳送多個基帶信號。 由于這種復用方式以周期出現的時隙作為信息的載體，在收發兩端建立一條傳輸速率固定的通路，

37、所以一般稱為同步時分多路復用。 8/12/202264現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 TDM信號中各信號的頻譜分量混疊在一起，從頻譜上不可能分辯各路信息信號。 由于時分順序傳送各信息信號一次的周期很短，所以，雖然從微觀上講在時間上可分辨各路信息信號，但人是感覺不到各路信息信號是在不同時間傳送的，宏觀上能感覺到的仍是“同時”傳送。時分多路復用的特點8/12/202265現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 TDM信號的參數最小抽樣頻率抽樣周期 時隙 碼元寬度 最小信道帶寬 數碼率 8/12/202266現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 4.3.2 數字話音TDMPCM系統 話音信

38、號的頻帶限制在3003400Hz范圍內，根據CCITT建議，采用8kHz的抽樣率，抽樣周期為125s，每樣值采用8位二進制非線性編碼。由于國際上通用的PCM有A律和律之分，它們的編碼規則不同，所以時分多路復用的基群幀結構不同，形成了A律TDM-PCM30/32制式和律TDM-PCM24制式。 8/12/202267現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 在A律TDM-PCM30/32制式中，一個抽樣周期被等分為32個時隙，每時隙為3.91s，并順序從0到31編號，分別記作TS0，TS1，TS31，其中TS1到TS15和TS17到TS31這30個路時隙用來傳送30路 信號的話音編碼碼組，TS0分

39、配給幀同步，TS16專用于傳送30個話路的信令碼和復幀同步碼。幀同步時隙，信令時隙和30個話路時隙這32個時隙的信號共同形成一幀，占用一個抽樣周期的時間，信號在信道中一幀接著一幀地傳輸。每個時隙內傳送8位碼，每位碼采用50占空比的脈沖，占244/244ns。 復幀：一幀中的TS16只有8位碼，不足以傳送30個話路的標志信號，所以必須將16幀構成一個更大的幀，稱為復幀。復幀的重復頻率為800016500Hz，周期為125162.0ms。（1）A律TDM-PCM30/32制式8/12/202268現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 在抽樣率為8000Hz時，PCM30/32系統的數碼率為 fb

40、=8328000=2.048Mb/sA律TDM-PCM30/32制式基群幀結構8/12/202269現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 在律TDM-PCM24制式中，一個抽樣周期的125s被分成193個碼元，組成一幀。 12幀構成一個復幀，復幀周期為1.5ms。 每幀193個碼元中幀首編號為1的位交替傳送幀同步碼和復幀同步碼。其中12幀中的奇數幀的第1位碼元構成“101010”幀同步碼組，而偶數幀的第1位碼元構成復幀同步碼“00111”，第12幀的第1位碼用作對端告警用。 每幀中其余192位碼元每8位構成一路時隙，用于傳送24路 信號。 PCM24制式采用話音時隙內信令，每復幀中的第6幀和

41、第12幀指定作為信令幀。在每個信令幀中，各路時隙的第8位即PCM碼的最低位，用來傳送該路信令。即每6幀中有5幀的樣值按8比特編碼，而有1幀按7比特編碼。 在PCM24系統中，總的數碼率為（8241）80001540 kbit/s。 （2）律TDM-PCM24制式8/12/202270現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 （1）數字復接原理4.3.3 數字復接技術擴大數字通信傳輸容量的方法原理上可以采用PCM復用方式實用方法是數字復接分接器復接器信道高次群復接低次群碼速調整定 時外時鐘低次群碼速恢復分接定 時同步高次群8/12/202271現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 （2）PDH與

42、SDH數字復接系列PDH準同步數字復接系列 制式群路等級PCM30/32PCM24數碼率話路數數碼率話路數基群2.048301.54424二次群8.44830 4=1206.312244=96三次群34.368120 4=48032.06496 5=480四次群139.264480 4=192097.728480 3=1440SDH同步數字復接系列STM-1155.520Mb/sSTM-4622.080Mb/sSTM-162.5Gb/s（2488.320Mb/s）STM-6410Gb/s（9953.28）STM-25640Gb/s（39813.12）8/12/202272現代通信理論與技術 第

43、四部分 數字通信 PDH與SDH分插信號流程的比較8/12/202273現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 繼PDH、SDH 等數字傳送體系之后，近年ITU-T又定義了光傳送體系（Optical Transport Hierarchy OTH）。OTH是一種新的標準化的數字傳送體系結構，用于在光纖傳輸網絡上傳送經過相應適配的凈荷，OTH支持點到點、環形、格形等各種結構光網絡的操作和管理。（3）Optical Transport Hierarchy OTH8/12/202274現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 時隙信 元4.3.4 ATM異步時分復用信道信元頭信息段虛擬信道VCj虛擬信

44、道VCi時間 ATM的復用方式為標記復用。它把信道看成是由一個個等長的時隙構成，每個時隙內都正好裝載一個ATM信元。信元是ATM的基本傳遞單位，是一種極短（53字節）的固定長度的數據分組。每一信元包括一個信元頭和一個信息段。信元通過虛擬信道VC傳送，虛擬信道利用虛擬信道標記來表示，虛擬信道標記包含在信元頭之中。8/12/202275現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 ATM異步時分復用原理 信元是ATM的基本傳遞單位。每一信元包括一個信元頭和一個信息段。信元通過虛擬信道VC（Virtual Channel）傳送，虛擬信道利用虛擬信道標記VCI（Virtual Channel Identif

45、ier）來表示，虛擬信道標記包含在信元頭之中。屬于同一虛擬信道的信元群擁有相同的虛擬信道標記，但占用的時隙可以出現在不同的位置。各虛擬信道的標記之間沒有固定關系。通過虛擬信道標記可以在用戶之間實現虛擬信道的動態分配，從而各虛擬信道可以具有不同的傳輸速率（1kb/s140Mb/s）。 “虛擬”（Virtual）即需要時立即設置，用完后馬上取消。8/12/202276現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 ATM傳輸技術是以分組傳輸模式為基礎并融合了電路傳輸模式高速化的優點發展而成的。 ATM用于交換，通過識別信元頭中的虛擬信道標記，把輸入線上的虛擬信道標記轉換成輸出線上的虛擬信道標記，控制數據交

46、換存儲器的寫入與讀出，完成交換。 由于ATM使網絡與業務無關，具有動態分配信道和帶寬的功能，兼有高、中、低速信息業務為一身，使ATM技術成為B-ISDN和信息高速公路的核心技術。ATM8/12/202277現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 通信網是一種按照通信標準和協議，使用交換設備和傳輸設備，將地理上分散的用戶終端設備互連起來，實現信息傳輸與交換的通信系統。4.4.1 通信網（1）通信網的概念4.4 通信網與交換技術8/12/202278現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 電信網 公用 網 PSTN 蜂窩式移動 網 分組交換網 數字數據網 DDN 綜合業務數字網 ISDN廣播電視網

47、 無線廣播電視網 有線電視網計算機網 局域網 LAN 城域網 MAN 廣域網 WAN INTERNET（2）常用通信網8/12/202279現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 PSTNISDNNII、GII（NGN） PSTN Public Switching Telephone Network ISDN Integrated Service Digital Network NII 國家信息基礎設施(NII: National Information Infrastructure) GII 全球信息基礎設施(GII: Global Information Infrastructure) I

48、SH 信息高速公路(Information Super Highways) （3）未來的通信網8/12/202280現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 NII & GII 1993年，美國政府制定了“國家信息基礎設施”，簡稱NII(National Information Infrastructure)，俗稱“信息高速公路”(Information Super Highways)的建設計劃，引起了世界各國的普遍關注，在全世界掀起了竟相規劃、建設各國自己的信息高速公路的熱潮。1994年，一個建立全球信息基礎設施(GII: Global Information Infrastructure)的

49、倡議又提了出來，建議將各國的NII連接起來，組成全球性的信息高速公路，實現世界范圍的信息共享。嚴格地講，NII與信息高速公路之間不能劃等號，信息高速公路只是高水準國家信息基礎設施NII的一個主要組成部分。人們習慣于把信息高速公路等同于NII，因為信息高速公路比NII更形象一些。 ) 8/12/202281現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 未來高水準的國家信息基礎設施是一個由通信網、計算機、信息資源、用戶信息設備和人構成的無所不在、互通互連的信息網絡。通過它，為每個人及其所用的信息設備提供接入國家信息基礎設施的能力。憑借這種能力，可以把人、家庭、學校、圖書館、醫院、企業、政府一一相連起來，

50、可以獲得各種各樣公用與專用的信息資源，可以傳遞數據、圖文、話音、視像和多媒體的各種形式的信息，可以滿足不同類型用戶的不同性能要求，為人們提供經濟、高效、綜合服務的通信手段，使信息社會中的生活、辦公、科研、生產、文教、衛生、娛樂等活動組成一個整體，讓人們能夠經由“信息高速公路”連機通信，實現“居家上學”（Telelearning）、“居家上班”（Telecommuting）、“居家就醫”（Telemedicine）等。 ) （2）未來高水準的國家信息基礎設施8/12/202282現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 從信息高速公路的目標來看，將來NII提供的各種服務必須建立在通信與計算機的高度

51、結合和高度發達的通信網，主要是以ATM/SDH/OTH的全新交換與復用技術體制為核心的寬帶綜合業務數字網的基礎上，必須具有視聽結合、高度智能化的多媒體通信手段和個人通信技術，必須有完善的通信服務和信息服務。只有在高水準的NII中，人們才有可能實現通信不受時間、空間的限制，不管在什麼時間通信，不管在哪里通信，與哪里通信，不管誰與誰進行通信，不管用什麼方式怎樣進行通信，都能迅速及時地將信息傳遞到所需要的任何地點，包括人類物質文明所能到達的甚至遠離地球的地點的理想。 NII & GII8/12/202283現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 下一代通信網（NGN：Next Generation

52、Network） 什么是NGN？有人認為：凡是傳統網絡與IP 網的連接互通就是NGN。但是當你認真研究NGN 所追求的目的時你就會發現實現IP 與傳統網絡互聯只是NGN真正含義的一小部分。事實上，NGN 具有極其豐富的內涵，它包含電信網絡各個層面的新技術，ITU 的專家認為NGN是全球信息基礎設施（GII）的具體實現。一般而言，NGN是可以提供包括話音、數據和多媒體等各種業務在內的綜合開放的網絡構架，有以下三大特征：（1）下一代網絡（NGN）的網絡結構對話音和數據采用基于分組的傳輸模式，采用統一的協議。它把傳統的交換機的功能模塊分離成為獨立的網絡部件，它們通過標準的開放接口進行互聯，部件化使得

53、原有的電信網絡逐步走向開放，運營商可以根據業務的需要，自由組合各部分的功能產品來組建新網絡。部件間協議接口的標準化可以實現各種異構網的互通。 8/12/202284現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 下一代通信網（NGN） （2）NGN是業務獨立于網絡的網絡，通過業務與呼叫控制分離以及呼叫控制與承載分離實現相對獨立的業務體系，允許業務和網絡分別提供和獨立發展，提供靈活有效的業務創建、業務應用和業務管理功能，支持不同帶寬的、實時的或非實時的各種媒體業務使用，使得業務和應用的提供有較大的靈活性，從而滿足用戶不斷發展更新的業務需求，也使得網絡具有可持續發展的能力和競爭力。（3）NGN通過網關設備

54、實現與現有網絡，例如PSTN、ISDN和GSM等的互通，同時NGN也支持現有終端和IP智能終端，包括模擬 、 機、ISDN終端、移動 、GPRS終端、SIP終端、 H.248終端、MGCP終端、通過PC的以太網 、線纜調制解調器等。 8/12/202285現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 下一代通信網（NGN） 目前ITU-T 對NGN 的定義是GII 的外延，并建議有關GII/NGN 的研究方向包括以下幾個方面：（1）第一層和第二層交換的研究。第一層指光網絡基礎設施引入光交換，第二層指引入MPLS 的交換。（2）IP選路的研究。（3）在網絡邊緣提供業務平臺的研究。（4）核心網絡技術與相

55、關協議體系結構的研究。8/12/202286現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 下一代通信網（NGN）（5）層間控制能力轉化的研究通常控制和管理的區別是有度的，例如交叉連接與交換的區別是用電路顆粒和反應時間來區別的，同樣底層的保護倒換和IP 層的動態選路之間的差別也有度，因此有必要研究層間功能的變化。 （6）網絡端到端業務的研究。QoS和帶寬控制和管理的融合研究，動態選路和保護倒換等。 （7）接入網的研究。研究新業務、新技術和新結構在接入網傳送分組數據和語音所需要的能力，和接入網支持不同QoS 業務的能力。NGN網絡結構8/12/202287現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 NGN的

56、網絡模型8/12/202288現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 ITU-T建議G.872定義了光傳送網OTN（Optical Transport Networks） ITU-T制定的新建議G.ason定義了自動交換光網絡（Automatic Switched Optical Network ASON） 在一般意義上，通常人們所說的光傳送網現在應該包括G.872的OTN和G.ason的ASON，或者統稱為是基于OTN的傳送網，也可以認為G.872的OTN構成ASON的傳送平面。 基于SDH和利用DWDM技術的光纖傳輸網是電信網絡基礎設施最重要的傳送平臺?；贠TN的傳送網的出現將使人們期望

57、的智能光網絡逐步變為現實，為網絡運營者和客戶提供安全可靠、價格有效、客戶無關、可管理、可操作、高效的新一代光傳送平臺。正如20世紀90年代初開始，核心網從基于PDH的傳送網演進到基于SDH傳送網一樣，核心網從現在的基于SDH的傳送網演進到未來基于OTN的傳送網是傳送網發展的必然趨勢。 OTN and ASON8/12/202289現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 4.4.2 交換技術 1. 信息交換方式 信息交換指信息在不同線路、終端或網路之間的切換過程或分發過程。信息交換主要有電路交換、報文交換、分組交換、異步轉移模式（ATM）、IP交換、MPLS等基本方式 8/12/202290現代

58、通信理論與技術 第四部分 數字通信 （1）電路交換 和用戶電報通信網采用的是電路交換方式。這種方式的特點是：當一個人或終端要與遠端的另一個人或終端通信時，就向交換機送入被叫端的用戶號碼，交換機根據這一號碼在主叫和被叫之間建立起一條電路，或指定時分線的某個時隙，主叫端的信息便立即傳送到被叫端，其時延僅僅是信息以光速傳播時引起的傳輸時延，主、被叫之間能實時對話交換信息。另外，在電路交換中，通信時建立的電路被一對用戶獨占，且一直保持到雙方掛機。 8/12/202291現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 （2）報文交換 公眾電報系統采用的是報文交換，一份被發送的報文傳送到交換中心后，先存儲起來，當

59、連接該交換機的中繼線空閑時，再將這份報文轉發到通信目的地通路上的另一個交換機存儲起來，這種“存儲轉發”的過程輾轉進行，直到報文到達目的地為止，所以這種交換方式又稱為“存儲轉發”交換方式。報文交換存在傳輸時延，不能實時對話。 8/12/202292現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 （3）分組交換與幀中繼 指將待傳送的報文或數據由交換機裝配成規定長度和格式的數據塊分組，讓這些分組獨立地以“存儲轉發”的方式并且可以由不同的路徑在網內傳輸，在接收端的交換機又重新把它們組裝成完整的報文或數據。分組交換的數據傳輸協議是X.25。 幀中繼是一種快速分組交換技術，數據傳輸的基本單元是幀。 8/12/20

60、2293現代通信理論與技術 第四部分 數字通信 （4）ATM異步轉移模式 ATM以異步時分復用技術為基礎。ATM的復用方式為標記復用。它把信道看成是由一個個等長的時隙構成，每個時隙內都正好裝載一個ATM信元。信元是ATM的基本傳遞單位，是一種極短（53字節）的固定長度的數據分組。每一信元包括一個信元頭和一個信息段。信元通過虛擬信道VC傳送，虛擬信道利用虛擬信道標記來表示，虛擬信道標記包含在信元頭之中。屬于同一虛擬信道的信元群擁有相同的虛擬信道標記，但占用的時隙可以出現在不同的位置。各虛擬信道的標記之間沒有固定關系。通過虛擬信道標記可以在用戶之間實現虛擬信道的動態分配，從而各虛擬信道可以具有不同