2.4 模拟传输与数字传输 2.4.1 模拟传输系统 n目前实际上大多数国家的主干通信线路已实现 了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下 从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公 里长的用户线上。因此，目前的情况是模拟传 输和数字传输并存。 n在长途干线上使用的是四线制，而在市话线路 上采用的是二线制。所以当市话线路和长途线 路相连时，在交换机里就会进行二线四线转换 。 2.4.2 调制解调器 n数据经过模拟传输系统后会出现差错。 出现差错 010010100 还原后 的数据 t 接收到的 失真信号 010011100 t 发送的 基带信号 t 采样时刻 调制解调器的作用 n调制解调器(modem)包括： n调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频 率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电 话用户线上传送。 n解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模 拟信号转换为数字信号。 n本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模 拟话路（3.1 kHz 的标准话路带宽）上的调制解 调器。 n问题：数据经过模拟传输系统后会出现差错是 使用modem的根本原因吗？ 调制解调器的作用（续） n调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基 带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输 的波形 n解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调 制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号 。 n若识别不正确，则产生误码。 n在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。 调制解调器的速率 n目前调制解调器的信息传输速率（56K） 已很接近于香农的信道容量极限了。 n要提高信息传输速率，只能设法提高信噪 比。 n在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟 到数字的模数转换所带来的量化噪声。 产生量化噪声的地方 （经过 A/D 变化的地方） A 2/4 A/D A/DD/A D/A 数字信号 数字信号 交换机 1交换机 2 V.34 33.6 kb/s 调制解调器 B D/A A/D 4/2 V.34 33.6 kb/s 调制解调器 产生量化噪声 产生量化噪声 使用 V.34 调制解调器（33.6 kb/s） 产生量化噪声 产生量化噪声 用户环路 模拟信号 用户环路 模拟信号 产生量化噪声的地方（续） （经过 A/D 变化的地方） 使用 V.90 调制解调器（56 kb/s） A 2/4 A/D A/D 交换机因特网服务提供者 V.90 56 kb/s 调制解调器 D/A V.90 56 kb/s 调制解调器 数字信号 数字信号 至因特网 （数字信号） 用户环路 模拟信号 仅在此处 产生量化噪声 仅在此处 产生量化噪声 调制解调器使用异步通信方式 n数据通信可分为同步通信和异步通信两大类： n同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。 发送端发送连续的比特流。 n异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送 端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送 下一个字节。 n异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价 的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。 同步通信异步通信 n当收发双方的时钟不是精确同步时，在接收端 对接收的码元进行判决的时间就会逐渐向前或 向后移动。当接收端的判决点移动的时间超过 码元宽度的一半时，就会产生差错（重读或漏 读）。同步通信要求准的时钟。 n异步通信将数据以字节（8bit）为单位进行封 装，对每个字节增加一个起始位，一个停止位 ，共10bit，发送出去。接收段即使和发送端时 钟有差异，但只接收10bit，还造不成误码。 2.5 信道复用技术 n复用的作用：十个用户的数据集中在一条主 干线上传输，且互不干扰。 n2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 n频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的 带宽资源。早期的手机就是采用频分复用技术 。 n时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的 频带宽度。GSM手机用的是时分复用技术。 频分复用 频率 时间 频率 1 频率 2 频率 3 频率 4 频率 5 时分复用 频率 时间 B C DB C DB C DB C DAAAA 在 TDM 帧中的位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 时分复用 频率 时间 C DC DC DAAAABBBB C D 在 TDM 帧中的 位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 时分复用 频率 时间 BDBDBDAAAA BCCCC D 在 TDM 帧中的 位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 时分复用 频率 时间 B CB CB CAAAA B CDDDD 在 TDM 帧中的 位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 数字传输系统的PCM体制 n现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation)体制。 采样周期 T t 信号 t 采样 10010011 1100 0010 t 编码 t 解码 t 还原 时分复用 n为了有效地利用传输线路，可将多个话路的 PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后 发送到线路上。 n中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。 n美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一 次群。 E1 的时分复用帧 2.048 Mb/s 传输线路 CH0 CH16 CH17 CH15CH15 CH16 CH17 CH31 CH31 CH0 CH1CH1 时分复用帧 T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH0 8 bit t 时分复用帧时分复用帧 T = 125 us 15 个话路15 个话路 E1 的时分复用帧 nE1的一个分时复用帧（其长度为125us）共分 为32个相同的时隙，为CH1CH31。时隙CH0 做帧同步用，时隙CH16用来传送信令（如用户 的拨号信令），共30个时隙用做话路，每个时 隙8bit。整个32个时隙共256bit，每秒8000帧 ，因此E1一次群的数据率为2.048Mb/s。四个 一次群组成一个二次群。由于二次群还要在一 次群的基础上加一些信息，所以二次群的数据 率略大与四个一次群。 nT1一次群的数据率为1.544Mb/s。 典型同步时分复用的例子： CCITT指定标准： n把24路语音信号利用PCM和 TDM复用在一个介质中 n（7+1）24+1=193位 n 组成一个帧，用125 s 传输 n 193位/125 s=1.544Mbps n 1.544Mbps/24路=64kbps/路 nT1载波的速率是1.544Mbps T1T1载波：北美、日本载波：北美、日本E1E1载波：欧洲、中国载波：欧洲、中国 把30路语音信号利用PCM和 TDM复用在一个介质中，加2 路控制，即32个时隙组成一帧 （7+1）（30+2）=256位 组成一个帧，用125 s 传输 256位/125 s=2.048Mbps 2.048Mbps/32路=64kbps/路 E1的速率是2.048Mbps n频分复用更适合于模拟信号的复用。如 一路模拟信号的带宽为4KHz，那么若有 1000个用户进行频分复用，则复用后的 带宽为4MHz。 n时分复用更适合于数字信号的复用。如 每一个用户的帧长度为125us，若有 1000个这样的用户复用信到，则每个用 户分配到的时隙为0.125us。 时分复用可能会造成 线路资源的浪费 A B C D a ab b c d b ca t t t t t 4 个时分复用帧 #1 a c b cd 时分复用 #2#3#4 用户 统计时分复用 STDM 用户 A B C D a b c d t t t t t 3 个 STDM 帧 #1 a c b ab bcacd #2#3 统计时分复用 统计时分复用的优缺点 n统计时分复用帧不是固定的分配时隙，而是按 需动态的分配时隙，因此提高了线路的利用率 。 n但是，在输出线路上，某一用户所占时间并不 是周期地出现，因此统计时分复用又称为异步 时分复用。由于统计时分复用中的时隙并不是 固定分配给某个用户，因此在每个时隙中还必 须有用户的地址信息，这样统计时分复用必须 要有一些开销。 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7 0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.5.2 波分复用 WDM n波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s 1310 nm 20 Gb/s 复 用 器 分 用 器 EDFA 120 km 码分复用 CDM n1977年，库帕等首先提出利用扩频技术实现码 分多址（code-division multiple access 简称 CDMA）方案，以使蜂窝移动通信系统的频谱 效率提高25倍。这一成果的发表引起了极大 的轰动。自从1989年以来，美国欲将CDMA方 式在移动通信中实用化。美国Qualcomm公司 发展的CDMA系统采用直接序列扩频技术，在 数字蜂窝系统、无绳电话系统和个人通信中充 分发挥了技术优势，使人耳目一新。 n作为一个简单的例子，下图示出了两个时限实 信号s1(t),s2(t)。 n由图容易看出，这两个信号在时域和频域都是 重叠的。但是，这两个信号的互相关等于零。 即信号s1(t)与s2(t)正交。 TT n设用户发送的信息码bi+1,-1。则二用户多 址通信系统的设计是简单的：当用户i发送的 信息码bi=+1时就发射时间间隔为T的信号si(t) ，而当时bi=-1 ，就发射-si(t),即发送bisi(t) 。 n不考虑噪声的影响，接收机实际观测到的数据 就是b1s1(t)与b2s2(t)之和： n r(t)=b1s1(t)+b2s2(t) n我们可以使用匹配滤波器得到用户所发码。用 户1的匹配滤波器直接求每个比特间隔内接收 波形r(t)与s1(t)的积分。若积分结果为正或负 ，则检测输出为+1或-1。 n由于信号正交，无论用户1和用户2信号之间的 相对强度如何，用户1的相关器一点也不会受 用户2的影响。因此，可以得到结论：虽然两 个用户发射的信号在时域和频域都有重叠，但 该通信系统的误码率宛如两个发射在单独信道 的信号一样。 n上面介绍的只是码分多址(CDMA)系统的一个最 简单的例子。在CDMA系统中，分配给各个用户 的特征波形是近似正交的。从特征波形的角度 讲，正交CDMA的一个特例是使用时域无重叠的 特征波形，这就是TDMA系统的特征波形。 2.5.3 码分复用 CDM 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。 n每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。 n如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 n如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 n例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 n发送比特 1 时，就发送序列 00011011， n发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 nS 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 码片序列的正交关系 n令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示 其他任何站的码片向量。 n两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的规格