[数字通信原理]教案

《数字通信原理》教案 第一章 概述

主要内容：

● 模拟信号与数字信号的特点 ● 模拟通信与数字通信 ● 数字通信的特点

● 数字通信系统的主要性能指标

一、模拟信号与数字信号的特点

连续信号

离散信号

二进码 多进码 连续信号

离散信号

● 数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上是否离散而定的。 ● 离散信号与连续信号的区别是根据时间取值上是否离散而定的。

二、模拟通信与数字通信

● 根据传输信道上传输信号的形式不同，通信可分为

模拟通信——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——以数字信号的形式传递消息（采用时分复用实现多路通信）。 ● 数字通信传输的主要对象是模拟话音信号等，而信道上传输的一般是二进制的数字信号。

所要解决的首要问题

模拟信号的数字化，即模／数变换（A/D变换）

● 数字通信系统的构成及各部分的作用

● 话音信号的基带传输系统模型

三、数字通信的特点

1、 抗干扰能力强，无噪声积累

对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限的离散值（通常取二个幅值），在传输过程中受到噪声干扰，当信噪比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，采用再生的方法，再生成已消除噪声干扰的原发送信号。由于无噪声积累，可实现长距离、高质量的传输。 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、小型化 5、占用频带较宽

四、数字通信系统的主要性能指标

● 有效性指标

·信息传输速率——定义、公式f B =f s ⋅n ⋅l 、物理意义 ·符号传输速率——定义、公式（N B =

1）、关系：R b =N B log 2M t B

·频带利用率——是真正用来衡量数字通信系统传输效率的指标（有效性）

η=

符号传输速率

Bd /Hz

频带宽度信息传输速率

bit /s /Hz

频带宽度

η=

● 可靠性指标

·误码率——定义 ·信号抖动

复 习 题

1、设信号码元时间长度为6⨯10s ，当（1）采用4电平传输时，求信息传输速率和符号传输速率。（2）若系统的带宽为2000kHz , 求频带利用率为多少bit /s /Hz 。 解：（1）符号传输速率为 N B =

-7

11

==1. 67⨯106Bd -7t B 6⨯10

数据传信速率为

R b =N B log 2M =1. 67⨯10⨯log 24=3. 34Mbit /s

6

信息传输速率3. 34⨯106

==1. 67bit /s /Hz （2）η=

频带宽度2000⨯103

2、接上题，若传输过程中2秒误1个比特，求误码率（误比特率）。 解：误码率（误比特率）＝差错比特数／传输总比特数 =

1-7

=1. 5⨯10 6

2⨯3. 34⨯10

第二章 语声信号数字化编码

主要内容：

● 语声信号数字化编码的基本概念 ● 脉冲编码调制(PCM)

● 自适应差值脉冲编码调制(ADPCM) ● 子带编码——SBC

第一节 语声信号数字化编码的基本概念

一、语声信号编码的概念

语声信号编码——模拟话音信号的数字化（信源编码）。

二、语声信号编码的分类

● 波形编码——根据语声信号波形的特点，将其转换为数字信号。 常见的有PCM 、DPCM 、ADPCM 、DM 等。

● 参量编码——是提取语声信号的一些特征参量，对其进行编码。 特点：编码速率低，但语声质量要低于波形编码。

LPC 等声码器属于参量编码。

● 混合编码——是介于波形编码和参量编码之间的一种编码，即在参量编码的基础上，引

入一定的波形编码的特征。 子带编码属于混合编码。

第二节 脉冲编码调制(PCM)

一、脉冲编码调制(PCM)通信系统的构成

● PCM 的概念——它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。

● PCM 通信系统的构成

PCM 通信系统由三个部分构成：

模／数变换——抽样、量化、编码

信道部分——包括传输线路及再生中继器 数/模变换——解码、低通

二、抽样

1、抽样的概念：模拟信号f (t ) 在时间上离散化 PAM信号f s (t ) 2、低通型信号（f 0

● 抽样定理 f s ≥2f M 留有一定宽度的防卫带 f s >2f M

● 不满足抽样定理的后果——不满足抽样定理的后果是PAM 信号产生折叠噪声，收端就无

法用低通滤波器准确地恢复原模拟话音信号。 ● 话音信号的抽样频率为f s ＝8000Hz ，T =125μs

● 抽样信号的频谱：频率成分有原始频带f 0∽f M ，nf s 的上、下边带。（排列顺序） 3、带通型信号（f 0≥B ）的抽样 ● 抽样定理

2f f 2f M

≤f s ≤0 n =(0) I n +1n B

[若n 次下边带、(n+1)次下边带与原始频带间隔相等——默认]

f s =

2(f 0+f M )

2n +1

● 抽样信号的频谱：频率成分有原始频带f 0∽f M ，nf s 的上、下边带。（排列顺序）

三、量化

量化的概念：PAM 信号（样值）

量化值

量化分为均匀量化

非均匀量化

1、 均匀量化[在量化区内（即从一U ～十U ）均分为N 等份] ● 均匀量化的特点——大小信号的量化间隔相等（∆=● 几个要点

•量化值的选取

•量化误差e (t ) ＝量化值一样值=u q (t ) -u (t ) （u q -u )

2U

） N

e max =e max

∆

(量化区）2

∆

>2

•均匀量化的缺点——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，而大信号的量化信噪比较大，远远满足要求

•为了解决这个问题，若仍采用均匀量化，不行。 原因：

S /N q ↑→量化误差↓→Δ↓→N ↑→l ↑→编码复杂

信道利用率下降 解决——采用非均匀量化

2、 非均匀量化

非均匀量化的宗旨——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。

● 非均匀量化的特点——小信号的量化间隔小，大信号的量化间隔大。 ● 实现非均匀量化的方法

·模拟压扩法——方框图

·直接非均匀编解码法——概念（一般采用） 3、量化信噪比 ● 定义式：

(S /N q ) dB =10lg

S

(dB ) N q

● 均匀量化信噪比（忽略过载区内的量化噪声功率）

(S /N q ) 均匀≈20lg N +20lg x e 曲线 ● 非均匀量化信噪比（忽略过载区内的量化噪声功率） •A 律压缩特性

oa+ab——A 律压缩特性

•A 律压缩特性的非均匀量化信噪比

(S /N q ) 非均匀=（S /N q ) 均匀+Q （Q =20lg

dy

信噪比改善量） dx

(S /N q ) 均匀=20lg ⨯N +20lg x (x =x e )

A 87. 6

=20lg =24 (20lg x ≤-39dB )

1+ln A 1+ln 87. 611

-20lg x =20-20lg x =-15-20lg x ab 段： Q =20lg

1+ln A 1+ln 87. 6

oa 段： Q =20lg

(-39dB

•A 的取值与Q 的关系：

在小信号区域，A 愈大，则斜率愈大，Q 愈大；

在大信号区域，A 愈大，则斜率愈小，Q 愈小。 一般取A=87.6

•A 律13折线压缩特性

四、编码与解码

1、 二进制码组及编码的基本概念 ● 二进制码组 一般二进制码

循环二进制码（格雷码） 特点 折叠二进制码

采用折叠二进码编码 ● 编码的基本概念

•编码的概念——编码是把模拟信号样值变换成对应的二进制码组。 •分类线性编码与解码——具有均匀量化特性的编码与解码

非线性编码与解码——具有非均匀量化特性的编码与解码

（根据A 律13折线非均匀量化间隔的划分直接对样值编码，收端再解码。） 2、A 律13折线的码字安排

● 各量化段的电平范围、起始电平、量化间隔

● 量化级数N

l

N =2l =8

N =2(正、负极性）⨯8(量化段）⨯16（段内等分数）=256 ● 码字安排

a 1 a 2a 3a 4 a 5a 6a 7a 8 （段落码与段内码合在一起称为幅度码） 极性码 段落码 段内码

（非线性码） （线性码） ● 段内码对应的权值

a 5 a 6 a 7 a 8

权值： 23∆i 22∆i 21∆i 20∆i 3、 A 律13折线编码方法

样值电流 i S （以i S 为例）

电压 u S

● 极性码● 幅度码 i S ≥0, a 1=1i S

, a 1=0

I S =i S U S =u S

I S ≥I Ri , a i =1I S

（i =2∽8）

•判定值的数目n R =•判定值的确定

N

-1=127(l =8) 2

段落码判定值的确定——以量化段为单位逐次对分，对分点电平依次为a 2∽a 4的判定

值。

段内码判定值的确定——以某量化段内量化级为单位逐次对分，对分点电平依次为a 5∽

a 8的判定值。

4、码字的对应电平

● 码字电平(编码电平) ——编码器输出的码字所对应的电平。

I C =I Bi +(a 5⨯23+a 6⨯22+a 7⨯21+a 8⨯20) ⨯∆i ● 解码电平 ——解码器的输出电平。

I D =I C +

∆i

2

● 编码误差 e C =I C -I S ● 解码误差 e D =I D -I S

5、逐次渐近型编码器

● 码字判决与码形成电路——编各位码 ● 本地解码器——产生判定值

（1）串／并变换记忆电路——将先行码（a 2～a 7）的状态反馈回来，并行输出M 2～M 8 。

M 2～M 8与反馈码的对应关系：

对于先行码(已编好的码) ：M i =a i 对于当前码(正准备编的码) ：M i =1 对于后续码(尚未编的码) ：M i =0

（2）7／11变换

● 7/11变换的作用——将7位非线性幅度码转换为11位线性幅度码B 1∽B 11。 ● 7/11变换的目的——为了产生判定值（若干个恒流源相加），要得到11个恒流源，所以

要7/11变换。 ● 7/11变换的方法——原则：（M 2～M 8看作a 2～a 8）

非线性幅度码对应的码字电平=11位线性幅度码B 1∽B 11对应的码字电平

M 2～M 8（看作a 2～a 8）对应的码字电平为：

I C =I Bi +23∆i ⨯a 5+22∆i ⨯a 6+21∆i ⨯a 7+20∆i ⨯a 8 B 1∽B 11对应的码字电平为：

I CL =1024∆⋅B 1+512∆⋅B 2+256∆⋅B 3+128∆⋅B 4+64∆⋅B 5+32∆⋅B 6

+16∆⋅B 7+8∆⋅B 8+4∆⋅B 9+2∆⋅B 10+∆⋅B 11 (第一段)

（3）11位线性解码网络——将B i =1所对应的权值(恒流源) 相加，以产生相应的判定值。 6、A 律13折线解码器 ●

M i =a i

● 7/12变换的目的——编码电平等于11个恒流源中的若干个恒流源相加, 为了保证收端解

码后的量化误差不超过

∆i ∆

，在收端应加入i 的补差项, 即解码电平等于编码电平加22

∆i ∆∆

。而第1、2两段的i 不在11个恒流源范围内，要增加一个恒流源B 12() ，所以

222

应进行7/12变换。

7/12变换的方法——在7/11变换的基础上增加一个“1” 。 ● A 律13折线解码器输出的是解码电平，它约等于PAM 信号。

第三节 自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)

一、差值脉冲编码调制(DPCM)

● DPCM 的概念——对相邻样值的差值进行量化、编码。

（实际上DPCM 是对样值与过去的样值为基础得到的估值之间的差值进行量

化编码的）

● DPCM 的缺点——在DPCM 系统中，为了实现容易，采用固定预测器。输入信号与预测信

号的差值大，从而造成误差增大，话音质量受影响。

二、自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)的原理

● ADPCM 的概念——在DPCM 的基础上增加自适应量化和自适应预测，由此发展成了ADPCM 。 ● ADPCM 的优点——由于采用了自适应量化和自适应预测，ADPCM 的量化失真、预测误差均

较小，因而它能在32kbit ／s 数码率的条件下达到PCM 系统64kbit ／s 数码率的话音质量要求。

第四节 子带编码——SBC

● 子带编码的概念

首先将输入信号频带分割成不同的频带分量(称为子带) ，然后再分别进行编码，这类编码方式称为频域编码。

复 习 题

1、一模拟信号频谱如下图所示，求其满足抽样定理时的抽样频率，并画出抽样信号的

频谱（设f s =2f M ）。

解： f 0=2kHz , f M =6kHz , B =f M -f 0=6-2=4kHz f 0

f s ≥2f M =2⨯6=12kHz

（一次下边带：f s -原始频带=12-（2∽6）=6∽10 一次上边带：f s +原始频带=12+（2∽6）=14∽18 二次下边带：2f s -原始频带=24-（2∽6）=18∽22 二次上边带：2f s +原始频带=24+（2∽6）=26∽30 ）

2、一模拟信号频谱如下图所示，求其满足抽样定理时的抽样频率，并画出抽样信号的 频谱。

解：

f 0=312kHz , f M =552kHz , B =f M -f 0=552-312=240kHz

f 0>B ∴此信号为带通型信号 n =(

f 0312) I =() I =1 B 240

满足抽样定理时，应有 f s =

2(f 0+f M ) 2(312+552)

==576kHz

2n +12⨯1+1

3、画出l =9的均匀量化信噪比曲线（忽略过载区内的量化噪声功率）。 解：

l =9, N =29=512

(S /N q ) 均匀=20lg ⨯N +20lg x e =20lg ⨯512+20lg x e =59+20lg x e

4、画出l =7, A =87. 6的A 律压缩特性的非均匀量化信噪比曲线（忽略过载区内的量化噪声功率）。 解：

l =7, N =128, A =87. 6

(S /N q ) 均匀=20lg ⨯N +20lg x =20lg ⨯128+20lg x =47+20lg x

A 87. 6

=20lg =24 (20lg x ≤-39dB )

1+ln A 1+ln 87. 611

Q =20lg -20lg x =20-20lg x =-15-20lg x

1+ln A 1+ln 87. 6Q =20lg

(-39dB

5、A 律13折线编码器，l =8，一个样值为i S =93∆，试将其编成相应的码字，并求其编码误差与解码误差。

[量化段 1 2 3 4 5 6 7 8 电平范围（∆）0∽16 16∽32 32∽64 64∽128 128∽256 256∽512 512∽1024 1024∽2048

I R 3 I R 4 I R 2

起始电平（∆） 0 16 32 64 128 256 512 1024 量化间隔（∆）∆1=1 ∆2=1 ∆3=2 ∆4=4 ∆5=8 ∆6=16 ∆7=32 ∆8=64] 解： i S =93∆>0 ∴a 1=1

I S =i S =93∆

I S

I S >I R 3=32∆ ∴a 3=1 I S >I R 4=64∆ ∴a 4=1

段落码为011，样值在第4量化段，I B 4=64∆, ∆4=4∆ I R 8

I B 4=64∆ I R 6 I R 7 I R 5 I

R 5=I B 4+8∆4=64∆+8⨯4∆=96∆

I S

I S >I R 6 ∴a 6=1

I R 7=I B 4+4∆4+2∆4=64∆+4⨯4∆+2⨯4∆=88∆

I S >I R 7 ∴a 7=1

I R 8=I B 4+4∆4+2∆4+∆4=64∆+4⨯4∆+2⨯4∆+4∆=92∆ I S >I R 8 ∴a 8=1

码字为10110111 编码电平：

I C =I B 4+(23⨯a 5+22⨯a 6+21⨯a 7+20⨯a 8) ⨯∆4

=64∆+(8⨯0+4⨯1+2⨯1+1⨯1) ⨯4∆

=92∆

编码误差：

e C =I C -I S =92∆-93∆=∆

解码电平：

I D =I C +

解码误差：

∆44∆=92∆+=94∆ 22

e D =I D -I S =94∆-93∆=∆

6、A 律13折线编码器，l =8，过载电压U =4096mV ，一个样值为u S =-796mV ，它相

当于多少∆？

解：U =2048∆=4096mV ∆=

4096mV

=2mV

2048

u S =

-796mV

=-398∆

2mV

(同学们自行练习将其编成相应的码字。方法同上，注意所有电流的符号改成电压的符号) 7、某7位非线性幅度码为1 1 0 1 0 1 0，将其转换为11位线性幅度码。

512∆

解：11位线性幅度码为

0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0

B2（512∆）

8、某11位线性幅度码为0 0 0 0 0

1 1 0 0 1 0，将其转换为7位非线性幅度码。

32∆

解：7位非线性幅度码为 0 1 0 1 0 0 1 (3)

9、某7位非线性幅度码为1 1 0 1 0 1 0，将其转换为12位线性幅度码。 解：12位线性幅度码为

0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0

第三章 时分多路复用及PCM30/32路系统

主要内容：

● 时分多路复用通信 ● PCM30/32路系统

第一节 时分多路复用通信

一、时分多路复用的概念

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。 二、PCM 时分多路复用通信系统的构成 ● PCM 时分多路复用通信的实现

（n 路复用原理类似）

● 发端低通滤波器的作用——将模拟信号的频带限制在0．3～3．4kHz 以内，即防止高于

3．4kHz 的信号通过，避免抽样后的PAM 信号产生折叠噪声。

● 保持的目的——由于编码需要一定的时间，为了保证编码的精度，要将样值展宽占

满整个时隙。

● 抽样门的作用——抽样、合路。 ● 分路门的作用——分路。

● 接收低通滤波器的作用——重建或近似地恢复原模拟话音信号。 ● 几个概念：1帧、路时隙(t c =

第二节 PCM30／32一、PCM30／32路系统帧结构 ● 几个标准数据:

帧周期125μs ，帧长度32×8＝256比特（l =8） 路时隙t c =3. 91μs 位时隙t B =0. 488μs 数码率f B =2048kbit /s

● 位同步的目的——保证收端正确识别每一位码元。 帧同步的目的——保证收发两端相应各话路要对准。

复帧同步的目的——保证收发两端各路信令码在时间上对准。 ● 各时隙的作用

● 帧同步码型及传输位置、复帧同步码型及传输位置、30路信令码的传输（标志信号的抽

样频率、抽样周期）

t T

) 、位时隙(t B =c ) n l

路系统

[标志信号抽样后，编4位码{abcd}]

信令码{abcd}不能同时编为0000码，否则就无法与复帧同步码区分开。

二、PCM30/32路定时系统

发端定时系统

时钟CP 、位脉冲、路脉冲、复帧脉冲的频率及作用 收端定时系统

对收端时钟的要求——收端时钟与发端时钟频率完全相同，且与接收信码同频同相。

满足 收端时钟的获得——定时钟提取

实现 位同步（时钟同步）

三、PCM30/32路帧同步系统

● 帧同步的实现方法——对于PCM30/32路系统，由于发端偶帧TS 0发帧同步码（奇帧TS 0

时隙发帧失步告警码），收端一旦识别出帧同步码，便可知随后的８位码为一个码字且是第一话路的，依次类推，便可正确接收每一路信号，即实现帧同步。 ● 对帧同步系统的要求

帧同步建立的时间要短

帧同步系统的稳定性要好

● 前、后方保护 （1）前方保护

·作用——为了防止假失步的不利影响。当连续m 次检测不出同步码后，才判为系统真

正失步，而立即进入捕捉状态，开始捕捉同步码。

·保护时间（公式）

T 前=(m -1) ⋅T s T s =250μs

·前提状态——同步状态 （2）后方保护

·作用——是为了防止伪同步的不利影响。在捕捉帧同步码的过程中，只有在连续捕捉

到n 次帧同步码后，才能认为系统已真正恢复到了同步状态。

·保护时间（公式） T 后=(n -1) ⋅T s

·前提状态——捕捉状态

● 帧同步系统的工作流程图 四种工作状态

● 帧同步码型选择原则——由于信息码而产生伪同步码的概率越小越好

四、PCM30/32路系统的构成

● 差动变量器(差动系统) 的作用——2/4线转换 ● 合路的PAM 信号样值的间隔

● 标志信号发输出的有：30路信令码、复帧同步码和复帧对告码

复习题

1、计算PCM30/32路系统（l =8）的路时隙、位时隙和数码率。 解：路时隙t c =

位时隙t B =

T 125μs ==3. 91μs n 32

t c 3. 91μs ==0. 488μs l 8

数码率f B =f s ⋅n ⋅l =8000⨯32⨯8=2048kbit /s

2、PCM30/32路系统（l =8）1帧有多少bit ？1帧的时间（帧周期）是多少？1秒传多少个

帧？假设l =7时，数码率f

B 为多少？

解：PCM30/32路系统（l =8）1帧有256bit

1帧的时间（帧周期）是125μs 1秒8000个帧

若l =7时，数码率f

B 为

f B =f s ⋅n ⋅l =8000⨯32⨯7=1792kbit /s

3、计算PCM30/32路系统（l =8）1路的速率。 解：基群的速率为2048kbit /s

1路的速率：

2048

=64kbit /s 32

4、PCM30/32路系统中，第23话路在哪一时隙中传输？第23路信令码的传输位置在什么地

方？

解：第23话路在帧结构中的传输位置为TS 24

第23路信令码在帧结构中的传输位置为F 8帧TS 16后4位码

5、PCM30/32路系统中，假设m =3，n =2，求前、后方保护时间分别为多少？ 解：T 前

=(m -1) ⋅T s =(3-1) ⨯250=500μs

T 后=(n -1) ⋅T s =(2-1) ⨯250=250μs

第四章 图像信号数字化

主要内容：

● 图像信号的基本概念 ● 模拟图像的数字化

第一节 图像信号的基本概念

● 图像的概念——就是指景物在某种成像介质上再现的视觉信息 ● 图像函数与强度

图像函数 I =f (x , y , λ, t ) 图像函数在某一点的值称为强度或灰度。 ● 图像的分类

黑白图像与彩色图像黑白静止图像的图像函数I =f (x , y ) 静止图像与运动图像 模拟图像与数字图像

在空间和灰度取值上都是离散的

在空间和灰度取值上都是连续的

第二节 模拟图像的数字化

一、模拟图像的数字化过程

● 概念——将模拟图像信号转换成数字图像信号的变换过程。

● 过程

采样——图像在空间上的离散化称为采样。

量化——对样本值的离散化过程称为量化。

(编码——用二进制表示样本值。)

二、、数字图像的特点

信息量大。

占用频带较宽。

图像中各个像素是不独立的，其相关性大。

处理后的数字图像需要人来进行观察和评价，因此受人的因素影响较大。

第五章

主要内容：

●

●

●

●

●

●

●

准同步数字体系（PDH ）和同步数字体系（SDH ） 数字复接的基本概念 同步复接与异步复接 PCM 零次群和PCM 高次群 SDH 的基本概念 SDH 的速率与帧结构 同步复用与映射方法 SDH 传送网

第一节 数字复接的基本概念

一、准同步数字体系（PDH ）

PCM 各次群的话路数及数码率

二、PCM 复用和数字复接

形成二以上的高次群的方法

● PCM 复用——直接将多路信号编码复用。（高次群的形成一般不用——原因)

● 数字复接——将几个低次群在时间的空隙上迭加合成高次群。

三、数字复接的实现

● 按位复接——优缺点：要求复接电路存储容量小，简单易行。但这种方法破坏了一个字 节的完整性，不利于以字节（即码字）为单位的信号的处理和交换。

● 按字复接——优缺点：要求有较大的存储容量，但保证了一个码字的完整性，有利于以

字节为单位的信号的处理和交换。

PDH 大多采用按位复接。

四、数字复接的同步

数字复接要解决两个问题：

·同步——不同步的后果：几个低次群复接后的数码就会产生重叠和错位。

·复接

五、数字复接的方法及系统构成

● 数字复接的方法

·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。

·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框图

第二节 同步复接与异步复接

一、同步复接（需要码速变换）

码速变换的概念——为插入附加码留下空位（复接时再插入附加码）且将码速由2048kbit ／

s 提高到2112kbit ／s 。

二、异步复接（需要码速调整）

1、 码速调整与恢复

● 码速调整方法——插入一些码元将各一次群的速率由2048kbit ／s 左右统一调整成

2112kbit ／s 。

● 码速恢复方法——通过去掉插入的码元，将各一次群的速率由2112kbit ／s 还原成

2048kbit／s 左右。

● 码速调整和码速变换的区别

·码速变换是在平均间隔的固定位置先留出空位，待复接合成时再插入脉冲（附加码）；

·码速调整插入脉冲要视具体情况，不同支路，不同瞬时数码率，不同的帧，可能插入，

也可能不插入脉冲（不插入脉冲时，此位置为原信息码），且插入的脉冲不携带信息。

2、异步复接二次群帧结构

● 异步复接二次群的帧周期为100．38μs

● 帧长度为

×205＝820bit （最少）为信息码

28bit 的插入码（最多）

表5．2 28bit插入码具体安排 插入码个数作 用

二次群帧同步码（1lll010000）

告警

备用

4bit（最多）码速调整用的插入码

4×3＝插入标志码

● 各一次群在100. 38 s 内插入码及信息码分配情况

各一次群（支路）：

码速调整之前（速率2048kbit ／s 左右）100.38μs 内约有205～206个码元

应插入6～7个码元

码速调整之后（速率为2112kbit ／s ）100．38μs 内应有212个码元（bit ）

第一个基群支路插入码及信息码分配情况如图5.11(a)所示。

其它基群支路插入码及信息码分配情况类似。

● 帧结构图

● 一次群码速调整后100.38μs 内插入码有6～7个

码速调整用的插入码有0～1个（最多1个）

插入标志码有3个

● 二次群1帧内插入码有24～28个（最多28个）

码速调整用的插入码有0～4个（最多4个）

插入标志码有12个

信息码最少为820个

● 插入标志码的作用——是用来通知收端第161位有无V i 插入，以便收端“消插”。 ● 每个支路采用三位插入标志码的目的——是为了防止由于信道误码而导致的收端错误判

决。“三中取二”，即当收到两个以上的“1”码时，认为有V i 插入，当收到两个以上的“0”码时，认为无V i 插入。

第三节 PCM零次群和PCM 高次群

一、PCM 零次群

● 概念——64kbit ／s 速率的复接数字信号。

● 用途——一既可传送话音亦可传送数据。

二、PCM 高次群

● PCM 高次群的形成

4个二次群 异步复接三次群

4个三次群 按位复接四次群

● 高次群的接口码型

PCM一、二、三次群的接口码型为HDB3码

PCM四次群的接口码型为CMI 码

第四节 SDH的基本概念

一、PDH 的弱点

没有世界统一的数字信号速率和帧结构标准；没有世界性的标准光接口规范；复用结构缺乏灵活性；大多采用按位复接，不利于以字节为单位的现代信息交换；复用信号的结构中OAM 比特很少等。

二、SDH 的概念及特点

● SDH 的概念——SDH 网是由一些SDH 的网络单元（NE ）组成的，在光纤上进行同步信息传

输、复用、分插和交叉连接的网络。(SDH网中无交换设备)

SDH 网的概念中包含几个要点：

（1）SDH 网有全世界统一的网络节点接口（NNI ）。

（2）SDH 网有一套标准化的信息结构等级，称为同步传递模块，并具有一种块状帧结构，

允许安排丰富的开销比特用于网络的OAM 。

（3）SDH 网有一套特殊的复用结构，允许现存准同步数字体系（PDH ）、同步数字体系和

B-ISDN 的信号都能纳入其帧结构中传输，即具有兼容性和广泛的适应性。

（4）SDH 网大量采用软件进行网络配置和控制。

（5）SDH 网有标准的光接口。

（6）SDH 网的基本网络单元有终端复用器（TM ）、分插复用器（ADM ）、再生中继器（REG ）

和同步数字交叉连接设备（SDXC ）等。

● SDH 的特点

（1）有全世界统一的数字信号速率和帧结构标准。

（2）采用同步复用方式，具有灵活的复用结构。

（3）SDH 帧结构中安排了丰富的开销比特，因而使得0AM 能力大大加强。

（4）具有标准的光接口。

（5）SDH 与现有的PDH 网络完全兼容。

（6）以字节为单位复用。

最核心的特点：

同步复用

标准的光接口

强大的网络管理能力

三、SDH 网的基本网络单元

● 终端复用器（TM ）的主要任务——是将低速支路信号纳入STM-1帧结构，并经电/光转换

成为STM-1光线路信号，其逆过程正好相反。

● 分插复用器（ADM ）的主要任务——将同步复用和数字交叉连接功能综合于一体，具有灵

活地分插任意支路信号的能力，在网络设计上有很大灵活性。（另外，ADM 也具有光/电、电/光转换功能。）

● 数字交叉连接设备（DXC ）的作用——实现支路之间的交叉连接。

再生中继器（REG ）的作用——再生中继器是光中继器，其作用是将光纤长距离传输后受到较大衰减及色散畸变的光脉冲信号转换成电信号后进行放大整形、再定时、再生为规划的电脉冲信号，再调制光源变换为光脉冲信号送入光纤继续传输，以延长传输距离。

第五节 SDH的速率与帧结构

一、同步数字体系的速率

表5．4 SDH标准速率

等 级 速率（Mbit/s）

二、SDH 帧结构

(N=1,4,16,64)

● 帧周期为125μs

● 帧长度为9×270×N 个字节或9×270×N ×8个比特

● STM-N 的速率=9⨯270⨯N ⨯8(Mbit /s ) 125

● 三个主要区域及作用

段开销（SOH ）区域——用于存放为了保证信息净负荷正常、灵活传送所必需的附加字节，

即供网络运行、管理和维护（OAM ）使用的字节。

净负荷区域——是帧结构中存放各种信息负载的地方。信息净负荷的第一个字节在

STM-N 帧中的位置不固定。

管理单元指针（AU-PTR ）区域——管理单元指针用来指示信息净负荷的第一个字节在

STM-N 帧中的准确位置，以便在接收端能正确的分解。

● SOH 、AU-PTR 等的容量（速率）

第六节

同步复用与映射方法 各种业务信号复用进STM-N 帧的过程都要经历映射、定位、和复用三个步骤。

第七节 SDH传送网

一、SDH 传送网的物理拓扑

线形、星形、树形、环形、网孔形

二、SDH 的自愈网

自愈网的概念——所谓自愈网就是无需人为干预，网络就能在极短时间内从失效故障中自动

恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络已出了故障。

● 自愈网的实现手段

线路保护倒换

环形网保护

DXC 保护

混合保护

● 线路保护倒换

线路保护倒换方式——1+1和1：1（1：n ）

线路保护倒换的特点

● 环形网保护

·自愈环的概念——采用环形网实现自愈的方式称为自愈环。

·自愈环的种类、保护方式

二纤单向通道倒换环——采用1+1方式

二纤双向通道倒换环——采用1+1方式和1：1方式（遵照APS 协议）

二纤单向复用段倒换环——采用1：1方式（遵照APS 协议）

四纤双向复用段倒换环——采用1：1方式（遵照APS 协议）

二纤双向复用段倒换环——采用1：1方式（遵照APS 协议）

复 习 题

1、为什么二次群的数码率不是一次群数码率的四倍？

解：四个一次群形成二次群时在125μs 内32个插入码，所以二次群的数码率不是一次群数码率的四倍。

2、 为什么说异步复接二次群一帧中最多有28个插入码？

解：因为各一次群码速调整之前（速率2048kbit ／s 左右）100.38μs 内约有205～206个码元，码速调整之后（速率为2112kbit ／s ）100．38μs 内应有212个码元（bit ），应插入6～7个码元，每个一次群最多插入7个码元，所以二次群一帧中最多有28个插入码。

3、计算二次群中一个二进制码元的时间间隔为多少？

解：因为二次群的数码率为8448kbit /s

所以一个二进制码元的时间间隔为

11't B ===0. 118μs 3f B 8448⨯10

4、画出第3个基群支路插入码及信息码分配情况。

解：

5：异步复接二次群帧结构中帧同步码和插入标志码的容量（速率）分别为多少？ 解：帧同步码的容量（速率）为

10=99621bit /s =99. 621kbit /s -6100. 38⨯10

插入标志码的容量（速率）为

12=119546bit /s =119. 546kbit /s -6100. 38⨯10

6、由STM-1帧结构计算出①STM-1的速率。②SOH 的速率。③AU-PTR 的速率。

解：①STM-1的帧周期为125μs

帧长度为9×270×8比特，

9⨯270⨯8=155. 520Mbit /s 125

②SOH 的速率为

8⨯9⨯8=4. 608Mbit /s 125

③AU-PTR 的速率为

9⨯8=0. 576Mbit /s 125

第六章 数字信号的传输

主要内容：

●

●

●

●

●

数字信号基带传输的基本理论 基带传输的线路码型 基带数字信号的再生中继传输 再生中继传输性能的分析 数字信号的频带传输

第一节 数字信号基带传输的基本理论

● 基带传输——未经调制变换的基带数字信号直接在电缆信道上传输。

● 数字信号的波形

第二节 基带传输的线路码型

一、对基带传输码型的要求

1、传输码型的功率谱中应不含直流分量，同时低频分量要尽量少

2、传输码型的功率谱中高频分量应尽量少

3、便于定时时钟的提取

4、传输码型应具有一定的检测误码能力

5、对信源统计依赖性最小

6、要求码型变换设备简单、易于实现

二、常见的传输码型

1、单极性不归零码（即NRZ 码）——不适合基带传输

2、单极性归零码（即RZ 码）——不适合基带传输

3、AMI 码

● AMI 码基本符合要求，适合作为基带传输码型。

● AMI 码的缺点——如果长连“0”过多，对定时钟提取不利。

为了克服这一缺点，引出了HDB3码。

● 二进码码

4、HDB3码

二进码码

● HDB3码码型变换规则：

（1）取代节的安排顺序是：先用000V ，当它不能用时，再用B00V 。

（2）000V 取代节的安排要满足以下两个要求：

①各取代节之间的V 码要极性交替出现。（先满足）

②V 码要与前一个传号码的极性相同。（后满足）

当上述两个要求能同时满足时，用000V(用000V+或000V-）；

当上述两个要求不能同时满足时，则改用B00V （B+00V+或B-00V-）

（3）HDB3码序列中的传号码（包括原始传号码“1”码、V 码和B 码）除V 码外要满足极性交替出现的原则。

● HDB3码码型反变换的原则：

·接收端当遇到连着3个“0”前后“1”码极性相同时，后边的“1”码（实际是V 码）还原成“0”；

·当遇到连着2个“0”前、后“1”码极性相同时，前、后2个“1”（前边的“1”是B 码，后边的“1”是V 码）均还原成“0”。

·另外，其他的±1一律还原为+1，其他的“0”不变。

5、CMI 码

二进码码

表6.1 CMI码变换规则

输入二元码码 1 00与11交替出现

三、传输码型的误码增殖

● 概念

● 分析AMI 码、HDB3码和CMI 码的误码增殖情况

● HDB3码作为PCM 一、二、三次群的接口码型

CMI 码则作为PCM 四次群的接口码型

第三节 基带数字信号的再生中继传输

一、基带传输信道特性

由于数字信号序列经过电缆信道传输后会产生波形失真，为了延长通信距离，每隔一定的距离加一个再生中继器，使已失真的信号经过整形后再向更远的距离传送。

二、再生中继系统

● 再生中继系统的构成

● 再生中继系统的特点 无噪声积累 有误码率的累积

三、再生中继器

1、三大组成部分及作用

均衡放大——将接收的失真信号均衡放大成宜于抽样判决的波形（均衡波形）

。 定时钟提取——从接收信码流中提取定时钟频率成份，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）一一对均衡波形进行抽样判决，并进行脉冲整形，形成 与发端一样的脉冲形状。 2、均衡放大

● 加均衡放大器的目的 ● 对均衡波形的要求

波形幅度大且波峰附近变化要平坦 相邻码间干扰尽量小

● 无码间干扰的条件

R (kT B ) =归一化值) k =0（本码判决点）

k ≠0（非本码判决点） ● 常见的均衡波形

升余弦波形——特点：没有码间干扰，均放特性不易实现。 有理函数均衡波形——特点：有码间干扰，均放特性容易实现。（实际一般采用） ● 码间干扰的衡量一一眼图 3、 再生中继器方框图

● 调谐电路的作用——只取2048kHz 的单频分量，滤掉其它频率成分。

第四节 再生中继传输性能的分析

一、误码率及误码率的累积

● 误码率

● 误码率的累积 P E

m

≈∑P ei 若各中继段的误码率均相同 P E ≈mP ei

i =1

（ 全程总误码率P E 以后习惯写成P e ） ● 误码率的指标

二、误码信噪比

(S /N e ) dB =20lg

11

+10lg +1. 6 c =U /u e

c P e

第五节 数字信号的频带传输

● 频带传输的概念——对基带数字信号进行调制，将其频带搬移到光波频段或微波频段上，

利用光纤、微波、卫星等信道传输数字信号。

● 数字信号的频带传输系统

光纤数字传输系统 数字微波传输系统 数字卫星传输系统

复 习 题

1、二进码序列如下，将其转换为AMI 码。 二进码序列： 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 解：

二进码序列： 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 AMI 码： +1-10+1 0-1 0 0+1-1+1 0-1 2、二进码序列如下，将其转换为HDB3码。

HDB3码：解：

二进码序列 HDB3码： ( 0 0 0V-)× ( 0 0 0V-)× 3、设接收到的HDB3码如下（不包括参考点），将其还原为二进码序列。 HDB3码：

+1 0 0 0+1 0-1+1 0 0-1 0 0 0-1+1 0 0+1 0-1

解：

HDB3码0 0 0+10–1+1 0 0–1 0 0 0–1+1 0 0+1 0-1

二进码序列4、 二进码序列如下，将其转换为CMI 码。 二进码序列： 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 解：

二进码序列 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 CMI 码 00 11 00 01 11 01 00 01 01 11 00 11 01 00

5、某CMI 码为[1**********]100，试将其还原为二进码（即NRZ 码）。 解：

CMI 码 11 00 01 01 11 01 00 二进码 1 1 0 0 1 0 1

6、原来的二进码序列及正确的HDB 3码序列如下所示，假设两个打“*”的码元误码，第一个打“*”的0误成-1，第二个打“*”的0误成+1，写出错误的HDB 3码序列和恢复的二进码序列，此HDB 3码序列发生了什么现象？

原来的二进码序列：* *

正确的HDB3码：0 0V+ -10 0 0V- B+0 0 V+0 0 0-1 解：

错误的HDB 3 +1 0-1 +1-10+1 -10+1 0-1 +1 0 0+10 0 0 -1 恢复的二进码序列：0 0 0 0 0 0 0 1 此HDB 3码序列发生了误码增殖现象。

mV , u e =204. 8mV , 求误码信噪比。 7、某再生中继系统已知误码率P e =10-5，U =4096

解：c =

U 4096

==20 u e 204. 8

11

(S /N e ) dB =20lg +10lg +1. 6

c P e

=20lg

11

+10lg -5+1. 6=25. 58dB 2010