补充数字传输基本技术.ppt
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1、光纤通信与数字传输,南京邮电大学通信与信息工程学院,2,补充部分:光纤通信与数字传输,信源编码技术数字复用技术数字同步技术纠错编码技术,3,信源编码技术,信源编码的目的数字化模/数转换(A/D)数据压缩编码减少冗余度或集中能量 信源编码的步骤数字化过程抽样时间离散化量化幅度离散化编码量化幅度值 信源编码的信噪比(SNR)计算和分析,4,脉冲编码调制 PCM 实现原理,抽样,模拟信宿,模拟信源,低通,量化,编码,解码,再生,模数变换A/D发,数模变换D/A收,再 生中 继,数字信道,5,抽样定理,对模拟信号的抽样频率选取,由奈奎斯特(Nyquist)抽样定律给出fs2B或Ts1/2B上式中,B是
2、原始信号带宽,fs称为奈奎斯特频率,Ts为奈奎斯特间隔。,Harry Nyquist18891976,6,抽样信号的表示,公式分析:S S,7,信号抽样的过程分析,图形分析:信号离散条件频带受限理想冲击理想低通满足抽样定理,8,抽样和恢复的结果分析,当满足抽样定理时信号能正确地恢复产生(折叠噪声)失真的情况:当不满足抽样定理时恢复信号当采用非理想底通恢复滤波器时当被抽样信号不严格频带受限时结论:模拟信号数字化一定会引起信号质量下降.,9,孔径效应及补偿方法,信号抽样/恢复引起的高频失真:当抽样函数不是理想冲击序列时的情况采用1/Q的补偿函数修整,10,量化,量化是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离
3、散,也即利用一组规定的电平来近似表示瞬时的抽样值。经过抽样和量化后的信号,称为脉冲(幅度)调制信号PAM,表现为一组有限的数值。根据量化过程中量化的输入和输出的关系,可以有均匀量化和非均匀量化两种方式。,11,均匀量化器,12,量化误差,量化是用最接近的离散(量化)级的幅度来表示取样值,由于样值不一定正好等于量化值之一,这样就会存在一定偏差。这种由于量化造成的离散量化值与连续取样值间的误差即量化误差。量化误差产生的噪声叫量化噪声。一般地,原始信号幅度一定时,量化级越多即量化间隔越小,样值测定越精确误差越小,量化的失真噪声越小。,13,均匀量化器参数,量化间隔量化电平取各量化区间的中点,即(L为
4、量化级数)设量化器的量化范围为(-V,V),则量化级为:,14,均匀量化信噪比,量化误差函数:或量化噪声的均方误差为:或 量化信噪比:或 是输入信号x的均方差值,15,正弦信号的均匀量化信噪比(例1),正弦信号的峰值幅度为V,有效值为未过载量化噪声 功率信号功率 信噪比为:,16,语声信号的均匀量化信噪比(例2),幅度概率密度当过载电压V5x时对数表示,17,均匀量化信噪比曲线图,SNR随信号功率线性变化噪声功率恒定,18,非均匀量化器(对数量化器),模拟信号的幅度概率密度分布为p(x),则信号的平均功率为:或噪声功率为:信噪比为:,19,理想对数和实用特性曲线比较,20,A律与 律特性函数,
5、ITU-T制定的G.711建议给出了64Kb/s PCM的两种对数压缩特性标准 A律函数:律函数:0,21,A律特性的量化信噪比,A律压缩律的表述式为:,22,SNR工程估计公式推导(1),小信号函数:SNR为:,23,SNR工程估计公式推导(2),大信号函数:SNR:,24,SNR工程估计公式推导(3),统一的表达式:各项的物理意义:量化级为N=2n时,Xe=1(最大不过载值)时均匀量化SNR值。采用非均匀量化时,相对于同样N的均匀量化SNR的改善量。归一化输入信号的功率 特别当=1时,SNR的改善量为零,25,A律13折线量化信噪比(1),26,A律13折线量化信噪比(2),27,A律13
6、折线量化信噪比(3),28,编码,量化后的信号具有有限的幅度取值(数字信号形式),还必须用相应码字来代替才成为数字信号,即用码字表示每一固定的量化电平值,从而将离散的样值变换成二进制或多进制的数字代码的编码,最终成为数字码流信号。,29,补充部分:光纤通信与数字传输,信源编码技术数字复用技术数字同步技术纠错编码技术,30,多路复用基本概念,为了提高信道利用率,在传输过程中普遍采用复用技术,即多个信号在一条信道上传输。一般有:频分多路复用(FDM)时分多路复用(TDM)码分复用(CDM)等多种方法。,31,多路复用基本概念(续),频分多路复用是通过对信号进行处理使它们占据频率域中不同的频段,而在
7、时间上共用整个时间坐标 时分多路复用是各路占用信道的时刻各不相同,但因各样值都有无限宽的频谱,所以它们同时占据全部频域 码分复用以不同的、互成正交的码序列作为地址来区分用户,32,双工技术,通信终端和通信处理设备内部实现双向通信都是“四线通路”,信号的发送和接收是在两套独立的设备中进行。而信号的传输,对于接收和发送两个方向信号而言,可以在两对线上传输,称为“四线通路”,双向信号也可在一对线上同时传输,称为“二线通路”。传统上,用户线一般采用“二线通路”。在“二线通路”上能同时传递双向信号,称为二线全双工通信。,33,一种利用双绞线实现二线全双工通信的方法,34,二线数字双工传输,二线数字双工传
8、输,是指在二线用户环路上实现收、发双向数字传输,这是一种信道收发复用技术,最常用的有两种方法:频分双工和时分双工。频分双工是把信道的使用频带分为高、低两部分,收、发双向传输信号分别占用一部分;时分双工是把信道的使用时间分为若干个收、发周期,在每个收发周期内又分为收、发两个时隙,收、发双向传输信号在每个收、发周期内分别轮流占用一个时隙。,35,频分双工方法在二线用户环路上很少使用,这是因为其传输性能较差,且不便于实现电路集成化。目前,在二线用户环路上实现数字双工传输的常用方法有两种:一种是基于时分(TDM)双工原理的时间压缩法;另一种是传统模拟二线原理和数字信号处理技术为基础的回波抵消法。,二线
9、数字双工传输(续),36,光纤信道中的双工技术,双工技术是光纤通信中实现双向通信的基本技术。它包括空分双工(SDD)向分双工(DDD)波分双工(WDD)基于光电信号分割的时分双工(TDD)码分双工(CDD)频分双工(FDD),37,空分双工技术是使用两根光纤分别传输两个不同方向的光信号,对于每根光纤来说属于单工传输。这种技术是实现双向通信最简单的一种方法,其实质是把两个方向上传输的光信号在空间分开到两根光纤中,故称为空分双工。空分双工虽然简单,但与单纤双工传输方式相比,需要的光纤数量将加倍。这必然引起光纤的投资费用加大,另外,在施工建设中,敷设与连接光纤的费用也要相应增加。所以一般空分双工主要
10、应用于核心网和城域网,而在接入网环境中不适合。,空分双工,38,向分双工,这是使用定向耦合器实现单纤双工传输的一种技术,如图所示。图中,A、B两端分别使用一个定向耦合器,将发送光信号耦合进单根传输光纤中,同时从单根传输光纤中将接收信号提取出来。,39,波分双工(WDD),WDD是使用两个不同波长,来区分两个不同传输方向的一种单纤双工传输技术,如图所示。由图可知,波分双工是在向分双工的基础上,引入了两个光滤波器而实现的,利用光滤波器可以克服向分双工中发送信号对接收信号的干扰。,40,码分双工,这是在信号码域来分割双向传输电信号的一种单纤同波长双工传输技术。这种技术是先对两个不同传输方向的信号,分
11、别用相互正交的两个伪随机序列(即正交码)进行调制,然后再分别调制到同一波长的光源上,并馈入同一根光纤进行传输。收端先经光电变换恢复电信号,再经正交码相干解调提取接收信号。,41,频分双工(FDD),频分双工又称为副载波双工,它是将两个方向的电信号分别调制到指定的副载波上,然后再调制同一波长的光信号,送到同一根光纤传输。收端先进行光/电变换恢复电信号,再用滤波器选出接收载频,进而解调出接收信号。对于频分双工,一种简化方式是将一个传输方向的副载频指定为0,即这个方向的电信号采用基带传输。这样只需对一个方向的信号进行移频处理。,42,多址技术,利用双工和多路复用技术的多用户接入技术,称为多址技术。多
12、址方式允许许多用户同时共享有限的信道频谱。需要分配有效带宽(或者有效信道)给多个用户来获得高系统容量。在接入网和无线通信中得到了充分的发展。频分多址(FDMA),时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)是在通信系统中共享有效带宽的三个主要接入技术。,43,频分多址(FDMA),频分多址(FDMA)为每一个用户指定了特定信道。从图中可看出系统分配给每一用一个唯一的频段或信道。这些信道按要求分配给请求服务的用户。在呼叫的整个过程中,其他用户不能共享这一频段。,44,时分多址(TDMA),时分多址(TDMA)系统把无线频谱按时隙划分,并且在每一个时隙仅允许一个用户,要么接收要么发射。从图中可看到每
13、一个用户占用一个周期性重复的时隙,因此可以把一个信道看作每一个帧都会出现的特定时隙。N个时隙组成一帧。,45,码分多址(CDMA),在码分多址(CDMA)系统中,窄带信号被乘以叫作扩频信号的宽带信号。扩频信号是一个伪随机代码序列,此码速率比消息中的数据速率高若干数量级。从图中可看出,在CDMA系统中的所有用户使用同一载频,并且可以同时发射。,46,空分多址(SDMA),空分多址(SDMA)控制了用户的空间辐射能量。从图中可看出SDMA使用定向波束天线来服务于不同用户。相同的频率(在TDMA或CDMA系统中)或不同的频率(在FDMA系统中)可服务于被天线波束覆盖的这些不同区域。扇形天线可被看作是
14、SDMA的一个基本方式。,47,在 PCM 基础上的数字复用,即 TDM 技术是最基本、使用最为广泛的复用技术,尤其是在以光纤通信为基础的宽带大容量传输信道中得到了广泛的使用。数字信号首先必须通过 TDM 的复用,合成高速的数字流,再经适当的光调制,进入信道传输。现代通信网中,无论是语音、视频还是各种基于 IP 的多媒体业务,目前大多数都是借助于光纤通信系统提供的 TDM 信道进行传输的。因此,PCM 数字基群复用是传输系统的基础。,TDM 的典型应用:PCM 基群一次群,48,将若干路 PCM 数字信号统一安排,形成以帧为单位重复出现的信息分配形式,并规定帧时隙数量、排列位置顺序和内容,这就
15、是 PCM 基群系统。我国采用2048Kb/s速率标准的PCM30/32制式帧结构,符合G.732建议。在该系统中,因为抽样频率为8000Hz,抽样周期为 18000125s,称为一个“帧周期”。传送一个8位码组实际上只占用1/321253.9s,称为一个路时隙。,PCM 基群帧结构,49,PCM 时分多路复用基带传输系统,模拟信宿,线路,模拟信源,均衡再生,A/D变换,复用,码变换,D/A变换,解复用,码变换,发 定 时,收 同 步 与 定 时,同步检测和保护,主时钟,线路时钟,主时钟线路时钟,路脉冲主时钟,路脉冲位脉冲,路脉冲位脉冲,同步码信令,同步码信令,50,PCM30/32帧结构,5
16、1,PCM 30/32 基本参数,抽样频率 8000 Hz 帧周期:18000125 s 每时隙的时间:125 323.9 s 每位码的时间:3.9 80.488 s 复帧周期:125162 ms 每帧的比特数:328256 bit 总码速率:8000328 2048kbs 每话路速率:8000864 kbs,52,准同步数字体系 PDH,ITU-T G.702、G.703等建议定义的准同步数字系列(PDH)包括两类地区性的数字速率系列,保证了电接口标准的实现。两种PDH系列采用两种基础速率,对应数字系统的两种制式:一种是以1.544Mb/s为第一级基群的基础速率,如美国、日本采用的24路制式
17、,一种是以2.048Mb/s为第一级基群的基础速率,如欧洲标准采用的30路制式。,53,各国 PDH 复用体系,54,补充部分:光纤通信与数字传输,信源编码技术数字复用技术数字同步技术纠错编码技术,55,数字同步技术,数字通信系统是同步通信系统,因此定时与同步是数字通信的必要条件,必须采用较为完善的同步技术使数字同步系统高度可靠和稳定,以保证正常的数字通信。同步技术与信令技术和网络管理技术并称为现代通信网的三大支撑技术。,56,主要的同步分类,位同步:点对点传输时收发设备时钟同步比特判决 帧同步:收路时隙定位脉冲排列与接收码流帧时隙排列一致正确分路,57,对帧同步系统的要求,帧同步是通过在发端
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