數(shù)字通信技術(shù)

第二章數(shù)字通信技術(shù)

第二章2.1信息碼2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.3差錯(cuò)控制編碼目錄CONTENT2.4時(shí)分多路復(fù)用信源編碼：信息或信號(hào)按一定的規(guī)則進(jìn)行數(shù)字化的過(guò)程。用信息碼表示文字、符號(hào)等，如ASCII碼、MORSE碼等；對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，如PCM編碼、ADPCM等；信道編碼：為了讓數(shù)字基帶信號(hào)能夠適應(yīng)傳輸信道的特性所進(jìn)行的碼型轉(zhuǎn)換，如HDB3碼、光纖通信中用到的mBnB碼等；差錯(cuò)控制編碼：為了讓誤碼所產(chǎn)生的影響降至最低所進(jìn)行的碼型變換。2.1信息碼數(shù)字通信系統(tǒng)中的編碼與解碼：2.1信息碼信源編碼：信息或信號(hào)按一定的規(guī)則進(jìn)行數(shù)字化的過(guò)程。信源編碼的兩種類(lèi)型：1、用信息碼表示文字、符號(hào)等，如ASCII碼、MORSE碼等；2、對(duì)模擬信號(hào)（語(yǔ)音、視頻等）進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，如PCM編碼、ADPCM等；信道編碼：為了讓數(shù)字基帶信號(hào)能夠適應(yīng)傳輸信道的特性所進(jìn)行的碼型轉(zhuǎn)換，如HDB3碼、光纖通信中用到的mBnB碼等；差錯(cuò)控制編碼：為了讓誤碼所產(chǎn)生的影響降至最低所進(jìn)行的碼型變換。信息碼：用來(lái)表示文字或符號(hào)，每一個(gè)文字或符號(hào)用一個(gè)等長(zhǎng)的信息碼組表示。信息碼組的長(zhǎng)度（B）與其所代表的符號(hào)的總數(shù)（N）如下關(guān)系：B

log2N[例]對(duì)26個(gè)英文字母進(jìn)行二進(jìn)制編碼時(shí)，Bmin=log226=4.7，因此可取B=5，也就是說(shuō)可以用5位的二進(jìn)制代碼來(lái)表示26個(gè)英文字母，其編碼效率

=4.7/5=94

?，F(xiàn)有的信息碼主要有：ASCII碼、Morse碼、EBCDIC碼、Baudot碼等。2.1信息碼請(qǐng)舉出幾個(gè)信息碼應(yīng)用的例子。2.1信息碼ASCII碼表涵蓋128種字符，含字母、數(shù)字及符號(hào)，第8位常作為校驗(yàn)碼。

字符二進(jìn)

制碼字符二進(jìn)

制碼字符二進(jìn)

制碼字符二進(jìn)

制碼字符二進(jìn)

制碼A1000001Q1010001g1100111w1110111“0100010B1000010R1010010h1101000x1111000#0100011C1000011S1010011i1101001y1111001$0100100D1000100T1010100j1101010z1111010%0100101E1000101U1010101k110101100110000&0100110F1000110V1010110l110110010110001‘

0100111G1000111W1010111m110110120110010（0101000H1001000X1011000n110111030110011）0101001I1001001Y1011001o110111140110100*0101010J1001010Z1011010p111000050110101+0101011K1001011a1100001q111000160110110，0101100L1001100b1100010r111001070110111-0101101M1001101c1100011s111001180111000.0101110N1001110d1100100t111010090111001/0101111O1001111e1100101u1110101sp0100000

P1010000f1100110v1110110！0100001

每一路信號(hào)編碼后的速率要低Lowbitrate由于量化而引入的噪聲（量化噪聲）要小Lowquantisationnoise要便于通信系統(tǒng)的多路復(fù)用Convenientformultiplex編碼與譯碼電路要簡(jiǎn)單Simplecircuit對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字編碼的要求：2.2模擬信源的數(shù)字編碼取樣（Sampling)將時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的信號(hào)量化(Quantisation)將狀態(tài)連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成狀態(tài)離散的信號(hào)編碼(Coding)將時(shí)間和狀態(tài)離散的信號(hào)用數(shù)字代碼表示說(shuō)明：實(shí)際電路中量化與編碼通常是不可分離的。模擬信號(hào)數(shù)字編碼的三個(gè)過(guò)程：2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.1波形編碼的基本原理取樣過(guò)程:2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.1波形編碼的基本原理取樣定理的頻域證明取樣定理：1.對(duì)于頻譜分量低于WHz的有限能量帶限信號(hào)來(lái)說(shuō)，可以用以1/2W秒為間隔的該信號(hào)的瞬時(shí)值來(lái)完全描述；2.對(duì)于頻譜分量低于WHz的有限能量帶限信號(hào)來(lái)說(shuō)，可以從取樣率為每秒2W的該信號(hào)的取樣值中完全地恢復(fù)。2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.1波形編碼的基本原理

量化編碼原理取樣值量化值2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.1波形編碼的基本原理均勻量化：各量化電平之間的間隔是固定的，這種量化被稱(chēng)為均勻量化，數(shù)學(xué)分析表明，量化噪聲功率與量化臺(tái)階的平方成正比。在信號(hào)最大取值范圍一定時(shí)，量化臺(tái)階越小，量化電平數(shù)越多，量化噪聲功率就越??；但是量化電平數(shù)越多，用以表示每一電平的二進(jìn)制代碼的位數(shù)也越多，要求通信系統(tǒng)的傳輸速率越高，頻帶利用率下降，設(shè)備也會(huì)變得更加復(fù)雜。2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.1波形編碼的基本原理量化：用有限個(gè)電平來(lái)表示信號(hào)取樣值的過(guò)程稱(chēng)為量化。量化可以有均勻量化和非均勻量化兩種。非均勻量化均勻量化存在的問(wèn)題是：小信號(hào)時(shí)信噪比太小，大信號(hào)時(shí)信噪比浪費(fèi)。信號(hào)電平量化信噪比要求的量化信噪比均勻量化的量化信噪比動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍非均勻量化的量化信噪比2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.1波形編碼的基本原理壓縮編碼解碼擴(kuò)張非均勻量化編碼的過(guò)程是：模擬信號(hào)經(jīng)壓縮后編碼，在接收端解碼后再擴(kuò)張恢復(fù)。主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單；主要缺點(diǎn)是收．發(fā)雙方的壓擴(kuò)特性不易做得一致，且溫度等因素的影響大。非均勻量化法之一：模擬壓擴(kuò)法2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.1波形編碼的基本原理2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.1波形編碼的基本原理非均勻量化法之二：數(shù)字壓擴(kuò)法壓縮編碼解碼擴(kuò)張111111101101110010111010100110000111011001010100001100100001000011111110110111001011101010011000011101100101010000110010000100001101110110111001011010100110001110110011010001000100010001111111011011100101110101001100001110110010101000011001000010000量化誤差均勻量化編碼數(shù)字壓縮數(shù)字解壓解碼數(shù)字式壓縮器與擴(kuò)張器分別置于編碼器之后和譯碼器之前。首先將信號(hào)取樣值進(jìn)行均勻量化編碼，每一取樣值用較多的二進(jìn)制碼表示，碼率較高。通過(guò)數(shù)字壓縮器將均勻量化碼轉(zhuǎn)換成碼元數(shù)目較少非均勻量化碼（如均勻量化的12比特，轉(zhuǎn)換成非均勻量化的8比特），然后送入傳輸系統(tǒng)。在接收端，擴(kuò)張器將收到的非均勻量化碼變換成均勻量化碼，再進(jìn)行譯碼，恢復(fù)原信號(hào)。2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.1波形編碼的基本原理每一個(gè)量化電平直接用一組代碼表示，雖然各相鄰碼組的碼距相同，但它所代表的量化電平的間隔卻不同。非均勻量化法之三：直接壓擴(kuò)法1101110110111001011010100110001110110011010001000100010001011101000111101012.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.1波形編碼的基本原理兩種壓擴(kuò)律A壓擴(kuò)律

壓擴(kuò)律2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.2脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制（PCM）是一種在通信領(lǐng)域用得較為普編的波形編碼方式標(biāo)準(zhǔn)是CCITTG.711在電信系統(tǒng)中，各交換機(jī)之間的數(shù)字話音信號(hào)均以PCM進(jìn)行編碼話音信號(hào)的頻率范圍被限制在300Hz～3400Hz內(nèi)，根據(jù)取樣定理，它的最低取樣頻率應(yīng)為2×3400Hz=6800HzCCITT建議的取樣頻率為8kHz每一個(gè)樣值用8位的二進(jìn)制代碼表示每一路話音信號(hào)的編碼率為8kHz×8=64kbps。2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.2脈沖編碼調(diào)制本地譯碼器比較器保持電路整流器取樣器110011001102.2模擬信源的數(shù)字編碼PCM編碼器的工作過(guò)程2.2.2脈沖編碼調(diào)制本地譯碼器比較器保持電路整流器取樣器12.2模擬信源的數(shù)字編碼PCM編碼器的工作過(guò)程2.2.2脈沖編碼調(diào)制本地譯碼器比較器保持電路整流器取樣器112.2模擬信源的數(shù)字編碼PCM編碼器的工作過(guò)程2.2.2脈沖編碼調(diào)制本地譯碼器比較器保持電路整流器取樣器PCM編碼器的工作過(guò)程1102.2模擬信源的數(shù)字編碼PCM編碼器的工作過(guò)程2.2.2脈沖編碼調(diào)制本地譯碼器比較器保持電路整流器取樣器11002.2模擬信源的數(shù)字編碼PCM編碼器的工作過(guò)程2.2.2脈沖編碼調(diào)制本地譯碼器比較器保持電路整流器取樣器110012.2模擬信源的數(shù)字編碼PCM編碼器的工作過(guò)程2.2.2脈沖編碼調(diào)制本地譯碼器比較器保持電路整流器取樣器1100112.2模擬信源的數(shù)字編碼PCM編碼器的工作過(guò)程2.2.2脈沖編碼調(diào)制本地譯碼器比較器保持電路整流器取樣器11001102.2模擬信源的數(shù)字編碼PCM編碼器的工作過(guò)程2.2.2脈沖編碼調(diào)制本地譯碼器比較器保持電路整流器取樣器110011002.2模擬信源的數(shù)字編碼PCM編碼器的工作過(guò)程2.2.2脈沖編碼調(diào)制本地譯碼器比較器保持電路整流器取樣器11001100112.2模擬信源的數(shù)字編碼PCM編碼器的工作過(guò)程2.2.2脈沖編碼調(diào)制本地譯碼器比較器保持電路整流器取樣器11001100112.2模擬信源的數(shù)字編碼PCM編碼器的工作過(guò)程2.2.2脈沖編碼調(diào)制2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.2脈沖編碼調(diào)制編碼流程圖2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.2脈沖編碼調(diào)制10245122561286432160128512102415361280115212161比較器*

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*本地譯碼器1*

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*11

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0

1*取樣信號(hào)起始脈沖一次編碼結(jié)束2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.2脈沖編碼調(diào)制PCM解調(diào)極性控制器從8位二進(jìn)制碼組中取出P0（極性碼）去控制極性轉(zhuǎn)換電路。譯碼電路在寫(xiě)入脈沖的作用下依次將后七位碼元輸入進(jìn)行譯碼，當(dāng)?shù)谄呶淮a元進(jìn)入譯碼器后在控制脈沖的作用下將譯碼結(jié)果輸出?？刂泼}沖由幀同步電路產(chǎn)生，它與編碼器取樣脈沖的周期相同，都是125

S。當(dāng)P0=1時(shí)，放大器同相放大，輸出正脈沖；P0=0時(shí)則反相放大，輸出負(fù)脈沖。譯碼輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)同相或反相放大后變成PAM信號(hào)，由低通濾波器濾除高頻分量后即得到恢復(fù)的模擬信號(hào)。2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.2脈沖編碼調(diào)制[例3-1]設(shè)一脈沖編碼調(diào)制器的最大輸入信號(hào)范圍為-2048mV～-+2048mV，試對(duì)一電平為+1270mV的取樣脈沖進(jìn)行編碼。解：設(shè)取樣脈沖電平為IS，且IS=+1270mV?！逫S＞0，∴P1=1；∵IS＞128mV，∴P2=1；∵IS＞512mV，∴P3=1；∵IS＞1024mV，∴P4=1；∵IS＜1536mV，∴P5=0；∵IS＜1280mV，∴P6=0；∵IS＞1152mV，∴P7=1；∵IS＞1216mV，∴P8=1；編碼器的輸出為11110011。2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.2脈沖編碼調(diào)制1100100100011111比較器積分器極性轉(zhuǎn)換極性轉(zhuǎn)換積分器低通濾波2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.3增量調(diào)制簡(jiǎn)單增量調(diào)制存在的問(wèn)題：譯碼器增量加大，量化誤差增加；增量減小，會(huì)出現(xiàn)過(guò)載失真。兩難!當(dāng)信號(hào)的幅度大同時(shí)頻率也高時(shí)，信號(hào)的斜率最大，容易出現(xiàn)過(guò)載失真。先對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分，再進(jìn)行增量調(diào)制可以避免這種現(xiàn)象；而在接收端則將信號(hào)解碼后再進(jìn)行微分。這種方式稱(chēng)這增量總和調(diào)制。2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.3增量調(diào)制增量總和調(diào)制2.2模擬信源的數(shù)字編碼2.2.3增量調(diào)制三誤碼的三種類(lèi)型：2.3差錯(cuò)控制編碼目的：減少因信碼出錯(cuò)而丟失信息的概率。噪聲與干擾必然存在數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生誤碼誤碼檢測(cè)與糾正技術(shù)作為輔助的控制手段編碼方法：將每一組信碼之后加一位監(jiān)督碼，使碼組中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)（奇校驗(yàn)）或偶數(shù)（偶校驗(yàn)）。檢錯(cuò)能力：接收機(jī)中的計(jì)數(shù)器對(duì)收到的碼組進(jìn)行檢驗(yàn)，可以判斷每一碼組是否有單數(shù)個(gè)碼元錯(cuò)誤的情況。應(yīng)用：在計(jì)算機(jī)中表示西文字符的碼組的長(zhǎng)度通常為8bit(1個(gè)字節(jié)），其中7位是ASCII碼，還有一位是校驗(yàn)碼。2.3差錯(cuò)控制編碼2.3.1奇偶校驗(yàn)檢錯(cuò)編碼二維奇偶監(jiān)督碼又稱(chēng)方陣碼，在奇偶校驗(yàn)碼的基礎(chǔ)上，再在若干碼組結(jié)束后加一組與信息碼組加監(jiān)督位等長(zhǎng)的監(jiān)督碼組。如果是奇校驗(yàn)，則所加的監(jiān)督碼必須使碼組內(nèi)1碼的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，且信息碼組與監(jiān)督碼組對(duì)應(yīng)位中1碼的總數(shù)也應(yīng)為奇數(shù)。在接收端，誤碼檢測(cè)器將接收到的碼組排列矩陣，逐行逐列進(jìn)行校驗(yàn)。有較強(qiáng)的檢錯(cuò)能力和一定的糾錯(cuò)能力。110100100101001110011010010010000011001101100000000000000000001112.3差錯(cuò)控制編碼2.3.1奇偶校驗(yàn)檢錯(cuò)編碼2.3.2恒比碼在恒比碼中，每個(gè)碼組均含有相同數(shù)目的“1”（和“0”）。“1”的數(shù)目與“0”的數(shù)目保持恒定。只要計(jì)算接收碼組中“1”的數(shù)目是否對(duì)，就知道有無(wú)錯(cuò)誤。2.3差錯(cuò)控制編碼2.3.3正反碼正反碼是一種簡(jiǎn)單的能夠糾正錯(cuò)碼的編碼碼型。其中的監(jiān)督位數(shù)目與信息位數(shù)目相同，監(jiān)督碼元與信息碼元是相同（信息碼的重復(fù)）還是相反（信息碼的反碼），則要根據(jù)信息碼中“1”的個(gè)數(shù)而定。電報(bào)通信用的碼字長(zhǎng)為10，其中前5位為信息位，后5位為監(jiān)督位。其編碼規(guī)則為：當(dāng)信息位中有奇數(shù)個(gè)“1”時(shí)，監(jiān)督位是信息碼的簡(jiǎn)單重復(fù)；當(dāng)住處位中有偶數(shù)個(gè)“1”時(shí)，監(jiān)督位是信息位的反碼。例如，若信息位是11001，則碼組為1100111001；若信息位為10001，則碼組為1000101110。2.3差錯(cuò)控制編碼處理突發(fā)差錯(cuò)的一個(gè)有效的辦法是對(duì)編碼數(shù)據(jù)實(shí)行交織，把短時(shí)間內(nèi)集中出現(xiàn)的錯(cuò)碼分散，使之成為隨機(jī)誤碼，再用差錯(cuò)控制編譯碼器對(duì)隨機(jī)誤碼進(jìn)行檢測(cè)與糾正，這樣可以用前面所介紹的各種抗干擾編碼就會(huì)產(chǎn)生最佳效果。2.3差錯(cuò)控制編碼2.3.4交織編碼A8A7A6A5A4A3A2A1B8B7B6B5B4B3B2B1C8C7C6C5C4C3C2C1D8D7D6D5D4D3D2D1E8E7E6E5E4E3E2E1F8F7F6F5F4F3F2F1G8G7G6G5G4G3G2G111001111000110011010011010100100000110010010110111101001在發(fā)端,數(shù)字代碼按行被依次送入存儲(chǔ)器2.3差錯(cuò)控制編碼2.3.4交織編碼然后,按列依次發(fā)送A8A7A6A5A4A3A2A1B8B7B6B5B4B3B2B1C8C7C6C5C4C3C2C1D8D7D6D5D4D3D2D1E8E7E6E5E4E3E2E1F8F7F6F5F4F3F2F1G8G7G6G5G4G3G2G1110011110001100110100110101001000001100100101101111010012.3差錯(cuò)控制編碼2.3.4交織編碼11001111000110★★★★★0011010100100000110010010110111101001在接收端,按列依次送入在存儲(chǔ)器A8A7A6A5A4A3A2A1B8B7B6B5B4B3B2B1C8C7C6C5C4C3C2C1D8D7D6D5D4D3D2D1E8E7E6E5E4E3E2E1F8F7F6F5F4F3F2F1G8G7G6G5G4G3G2G111001011000110★★★★★01110101001000001100100101101111010112.3差錯(cuò)控制編碼2.3.4交織編碼2.3.4交織編碼A8A7A6A5A4A3A2A1B8B7B6B5B4B3B2B1C8C7C6C5C4C3C2C1D8D7D6D5D4D3D2D1E8E7E6E5E4E3E2E1F8F7F6F5F4F3F2F1G8G7G6G5G4G3G2G111001111000110★★★★★0011010100100000110010010110111101001然后,數(shù)字代碼被按行依次送出存儲(chǔ)器2.3差錯(cuò)控制編碼基本要求理解幀和時(shí)隙的含義；了解經(jīng)過(guò)TDM后信號(hào)的波形與頻譜的變化；了解在30/32路PCM系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)TDM；能敘述30/32路PCM信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)；能畫(huà)出30/32路PCM組成框圖。2.4時(shí)分多路復(fù)用（TDM）為什么要進(jìn)行時(shí)分多路復(fù)用一個(gè)大型的數(shù)字通信系統(tǒng)具有較高的信息傳遞速率，而單個(gè)用戶(hù)所需要的碼率卻往往并不很高，因此在數(shù)字通信中有時(shí)要將多路信號(hào)復(fù)合，在同一個(gè)通信系統(tǒng)（或傳輸信道）中進(jìn)行傳輸。由于數(shù)字信號(hào)具有時(shí)間上離散的特點(diǎn)，因此可以將多路信號(hào)進(jìn)行分時(shí)傳送。什么是時(shí)分多路復(fù)用將信道的工作時(shí)間按一定的長(zhǎng)度分段，每一段稱(chēng)為一幀，一幀又分為若干個(gè)時(shí)隙。用戶(hù)的信號(hào)在每一幀中各自占用一個(gè)預(yù)先分配的時(shí)隙。這樣就可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)在同一個(gè)信道中的不同時(shí)間里進(jìn)行傳輸。2.4時(shí)分多路復(fù)用（TDM）2.4時(shí)分多路復(fù)用（TDM）2.4.1時(shí)分多路復(fù)用的基本概念寄存器寄存器10110010001101011011001010110010001101010011010101102.4時(shí)分多路復(fù)用（TDM）2.4.1時(shí)分多路復(fù)用的基本概念2.4時(shí)分多路復(fù)用（TDM）2.4.1時(shí)分多路復(fù)用的基本概念取樣門(mén)取樣門(mén)取樣門(mén)保持電路編碼器時(shí)鐘選通電路第一路取樣第一路保持第一路編碼第二路取樣第二路保持第二路編碼第三路取樣第三路保持第三路編碼第二幀開(kāi)始第一幀開(kāi)始2.4時(shí)分多路復(fù)用（TDM）在30/32路PCM系統(tǒng)中，每32個(gè)時(shí)隙內(nèi)只有30個(gè)時(shí)隙用于消息的傳送；第1個(gè)時(shí)隙（TS0）在偶幀時(shí)傳送同步碼，碼組固定為*0011011，其中*作為備用碼元，奇幀時(shí)傳送監(jiān)測(cè)告警信號(hào)；第十七個(gè)時(shí)隙（TS16）傳送信令，每個(gè)信令用4位碼組表示，每幀的TS16可以傳送兩個(gè)信令。每16幀構(gòu)成一個(gè)復(fù)幀，每個(gè)復(fù)幀的第16幀中的TS16的前4位碼組用來(lái)傳送復(fù)幀同步碼，碼組固定為0000。30/32路數(shù)字通信系統(tǒng)的總碼率為fA=8000

32

8=2048kbit/s2.4時(shí)分多路復(fù)用（TDM）2.4.2

30/32路PCM系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)與終端組成30/32路PCM