数字通信系统课件.ppt

1、本章知识简介（1）基于双绞线的数据传输系统（2）数字无线电通信系统（3）卫星通信系统（4）光纤通信系统基本要求（1）理解双绞线的数据传输的原理，了解模拟电话用户线、数字用 户线进行数据传输的过程；（2）理解无线电通信系统的组成，了解无线信道中电波的传输特性；（3）掌握无线电发送和接收设备的组成和各部分的功能；（4）理解卫星通信系统的组成；了解卫星通信线路计算、卫星通信的频段选择、卫星转发器；了解多址联接技术；（5）了解光纤的构成及分类、光缆及其连接；理解光纤通信系统、光发射机、光接收机的组成；了解波分复用技术。数字通信系统用于实现数字信号（数据）数字通信系统用于实现数字信号（数据）在两地之间的

2、传输与交换。在两地之间的传输与交换。在有些资料中，数字通信系统含有网络与交换的内容，本章所介绍的数字通信系统严格地说是数字传输系统，主要内容是DCE与DCE之间的信号传输，在整个通信网络中它被看作是一条通信链路（Link）。数字通信系统的构成包括各种收发设备、数字通信系统的构成包括各种收发设备、信道以及为保障系统正常运行所必要的规信道以及为保障系统正常运行所必要的规程和协议。程和协议。在数字通信系统中，信道对系统的特性影响在数字通信系统中，信道对系统的特性影响是决定性的。是决定性的。各种收发设备的设计目标从某种意义上说是为了实现数字终端设备与信道的匹配、发挥信道最大的传输效率并确保有最高的传输

3、可靠性。由于可用于信号传输的信道有多种，如双绞线信道、无线信道、同轴电缆信道、光纤信道等，因此数字通信系统相应地也有基于双绞线的数字传输系统、数字无线电通信系统、卫星通信系统以及光纤通信系统等。5.1基于双绞线的数据传输系统 目前世界上最长的通信线路（不只是一简单的加）数字化终端（如计算机、传真机、数字电话机、互联网等）利用现有的双绞线进行数字终端的接入。目前基于双绞线的数据传输系统大致有三类：目前基于双绞线的数据传输系统大致有三类：不改变电话网的结构，在用户终端之间引入不改变电话网的结构，在用户终端之间引入modemmodem将数据信号转化将数据信号转化为与话音信号类似的模拟信号（频率范围限

4、制在为与话音信号类似的模拟信号（频率范围限制在300Hz300Hz3400Hz3400Hz）；）；利用现有的双绞线，对端局交换机的用户电路部分作一些改造，数利用现有的双绞线，对端局交换机的用户电路部分作一些改造，数据信号以数字方式在线路中传输，典型的例子是据信号以数字方式在线路中传输，典型的例子是xDSLxDSL、ISDNISDN；用于局域网（用于局域网（LANLAN）内各终端之间的数据传输。）内各终端之间的数据传输。5.1.1双绞线 双绞线(TP:Twisted Pair wire)是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相

5、绞在一起,可降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。双绞线的性能取决于双绞线的各种参数，EIA/TIA-568-A（商用楼布线标准）将双绞线分为两种类型：屏蔽双绞线（STP,Shielded Twisted Pair）与非屏蔽双绞线（UTP,Unshielded Twisted Pair）。屏 蔽 箔屏 蔽 双 绞 线非 屏 蔽 双 绞 线 双绞线虽不是最好的传输介质，但它价格低廉价格低廉且已被广泛应用。用于数据传输的双绞线一般是四对封装成一条电缆（一条电话电缆会包容更多对的双绞线），每对双绞线的特征阻抗都是100。双绞线的频带宽度与线规、线类及长度有关，

6、3类线100m的传输带宽为16MHz，而5类线的100m传输带宽为100MHz。5.1.2利用模拟电话用户线进行数据传输电话网与模拟电话用户线电话网与模拟电话用户线 电话网通过交换机（exchange）和通信链路实现多个电话用户的相互通信。中继线 用户 用户线 端局 交换机 汇接 交换机 与用户直接相连的交换机称为市话交换机与用户直接相连的交换机称为市话交换机或端局交换机或端局交换机 。电话网可以通过增加端局交换机来扩大服电话网可以通过增加端局交换机来扩大服务区域务区域，各交换机之间可以互连形成网型网或用汇接交换机连接形成星型网。汇接交换机是交换机的交换机，当距离很汇接交换机是交换机的交换机，

7、当距离很远时汇接交换机也称为长途交换机。远时汇接交换机也称为长途交换机。交换机之间的线路称为中继线交换机之间的线路称为中继线，一般采用同轴电缆或光纤作为传输介质。电话用户线是从普通电话用户到电信网端局交换机之间传送模拟信号的通信线路，它以双绞线为传输介质，受交换机中用户电路的限制，模拟电话用户线所能传输的信号频率范围为3003400Hz。用户电话机用一对双绞线（双线）接入用户电话机用一对双绞线（双线）接入电话网，另外用两对线（四线）分别与话筒电话网，另外用两对线（四线）分别与话筒和耳机相连，因此在同一对双绞线上必须传和耳机相连，因此在同一对双绞线上必须传送双向同频的话音信号。送双向同频的话音信

8、号。在电话机中有一个混合回路（也称为“二四”线转换器）用于实现出入信号的合路与分路。2模拟电话用户线中的数据传输 利用模拟电话用户线进行数据传输时，首先必须将数据信号转换成频率范围为3003400Hz的模拟信号，这个过程由调制解调器（Modem）完成。（PSTN）IDN I Internet Modem模拟用户线 端局交换机 PSTN各交换机之间已完全实现了信号的数字化传输与处理，这部分称为综合数字网络（IDN），它包含了各种数字交换设备、数字通信链路（局间中继线路）；IDN与模拟用户线相连的部分是这个通信网中端局交换机与模拟用户线的接口电路，具有滤波、PCM编解码等各种功能；数据终端是指用户

9、的数字化终端，如计算机、传真机等。5.1.3利用数字用户线进行数据传输用户线的数字化已成为近年来的热门技术，也是实现用户端到端的全用户线的数字化已成为近年来的热门技术，也是实现用户端到端的全数字式多媒体通信的关键。数字式多媒体通信的关键。与干线通信网不同的是，由于每个用户要承担各自用户线的费用，因此降低成本、提高传输速率、扩展新业务等都是在用户环路数字化过程中必须考虑的问题。数字用户线路（数字用户线路（DSLDSL）是以双绞线为传输介质的传输技术组合，它包）是以双绞线为传输介质的传输技术组合，它包括非对称数字用户线（括非对称数字用户线（ADSLADSL）、高速数字用户线（）、高速数字用户线（H

10、DSLHDSL）、对称数字）、对称数字用户线（用户线（SDSLSDSL）等，一般称之为）等，一般称之为xDSLxDSL。它们主要的区别就是体现在信它们主要的区别就是体现在信号传输速度和距离的不同以及上行速率和下行速率对称性的不同这两号传输速度和距离的不同以及上行速率和下行速率对称性的不同这两个方面。个方面。对称DSL技术对称对称DSLDSL技术主要用于替代传统技术主要用于替代传统T1/E1T1/E1接入接入技术技术，与传统的T1/E1接入相比，DSL技术具有对线路质量要求低、安装调试简便等特点，而且通过复用技术，还可以提供语音、视频与数据多路传送等服务。目前，对称目前，对称DSLDSL技术主要

11、技术主要HDSLHDSL、SDSLSDSL、MVLMVL及及IDSLIDSL等几种。等几种。HDSLHDSL（高比特率DSL）是目前众多DSL技术中较为成熟的一种，并已得到了一定程度的应用。这种技术的特点是利用两对双绞线实现数据传输，特点是利用两对双绞线实现数据传输，支持支持N N64kbps64kbps各种速率，最高可达各种速率，最高可达E1E1速率。速率。HDSL无需借助放大器即可实现3.6公里以内的正常数据传输。与传统T1/E1技术相比，HDSL最突出的优势是部署成本低廉、安装简便，是T1/E1较为理想的替代技术之一。SDSLSDSL（单线（单线DSLDSL）是）是HDSLHDSL的单线

12、版本，的单线版本，可提供双向高速可变比特率连接，速率范围从160kbps到2.084Mbps。SDSL利用单对双绞线，可支持最高达E1速率的多种连接速率，在0.4mm双绞线上的最大传输距离可达3公里以上。与与HDSLHDSL相比，相比，SDSLSDSL可节省一对双绞线，因而部署更为简单方便。可节省一对双绞线，因而部署更为简单方便。MVLMVL（多路虚拟（多路虚拟DSLDSL）是Paradyne公司开发的低成本DSL传输技术，能够利用一对双绞线实现高速数据接入，部署成本及功耗都相对较低，并可进行高密度安装，能够利用与ISDN技术相同的频率段，有效传输距离可达7公里左右。IDSLIDSL（ISDN

13、ISDN数字用户线）数字用户线）通过在用户端使用ISDN终端适配器和在另一端使用与ISDN兼容的接口卡，IDSL可以提供128kbps的服务。它与ISDN的最大区别在于IDSL的数据交换不通过交换机。非对称性DSL技术非对称非对称DSLDSL技术适用于对双向带宽要求不一技术适用于对双向带宽要求不一致的应用，致的应用，诸如Web浏览、多媒体点播及信息发布等，非对称DSL技术主要有ADSL、RADSL及VDSL等。ADSLADSL（非对称（非对称DSLDSL）能够在现有电话双绞线上提供高达8Mbps的高速下行速率，及1Mbps的上行速率，有效传输距离可达3至5公里。ADSL能够充分利用现有PSTN

14、电话网络，只须在线路两端加装ADSL设备即可为用户提供高速宽带服务，无需重新布线，因而可极大地降低服务成本。RADSLRADSL（速率自适应（速率自适应DSLDSL）允许服务供应商根据实际带宽需求情况调整连接带宽，并较好地克服了传输距离与传输质量限制。主要特点是可利用一对双绞线实现数据传输，能够支持同步与异步传输，并具有速率自适应性能。RADSL的下行传输速率在640kbps到12Mbps之间，上行传输速率则在128kbps到1Mbps之间，并能够支持同时数据与语音传输。VDSLVDSL（超高速（超高速DSLDSL）目前仍处于研发之中，它可以在相对短的距离上实现极高的数据传输速率，最高可以实现

15、58Mbps 的传输速率。在用户回路长度小于5000英尺的情况下，可提供13Mbps或更高的接入速率。从技术角度而言，VDSL实际上可视作ADSL的下一代技术，其平均传输速率可比ADSL高出5至10倍。另外，根据市场或用户的实际需求，VDSL可以设置成是对称的，也可以设置成不对称的。为了解决NRZ波形含有直流分量、丢直流分量、丢失同步信息、高频分量大等一系列问题失同步信息、高频分量大等一系列问题，数字用户线上的用户终端侧和交换机侧的设备中都有成对出现的信道编解码器（如AMI码、2B1Q码形成器）、均衡器、波形形成滤波器等电路。双工技术时分双工（TDD,Time Division Duplex）

16、又称时分法和时间压缩复用方式，即采用时分复用技术把从电话终端或数据终端送来的数字信号进行时间压缩和速率变换，变成高速窄脉冲串，利用中间空隙时间周期性地在一对线上交替传递，犹如打乒乓一样。在接收端，这些高速的窄脉冲被扩展恢复成原来的数字比特流。用户端 交换机端 TDDTDD回波抑制（回波抑制（Echo-cancellation）又称单频双向方式，即采用2/4线混合网络，如同二线模拟传输一样，另加装发送信号回波抵消器，以防信号反射。电话线路中的回波主要是由2/4线混合电路阻抗不匹配产生的近端回波和由于传输线路存在的阻抗不匹配产生的远端回波合成的总回波干扰。回波抑制器采用自适应滤波器和加法器组成。自

17、适应滤波器根据输入端的信号合成回波的估计值，在输出端将该估计值减去以达到回波抑制的目的。用户网络接口 发送 自适应滤波器 接收+混合回路 混合回路 自适应滤波器 发送 接收+用户网络接口用户线 回波抑制法 利用回波抑制技术，就可以实现回利用回波抑制技术，就可以实现回波抑制方式的二线全双工数字传输。波抑制方式的二线全双工数字传输。采用回波抑制技术的用户线传输系统技术上较为复杂，但采用这种传方式时可达到的传输距离，要比采用乒乓传输法的传输距离长。在采用0.4mm线径时，一般传输距离为4km；采用0.5mm的线径时，传输距离可达56km。非对称数字用户线(ADSL,Asymmetric Digita

18、l Subscriber Line)电话网中每一路电话通道的带宽约为电话网中每一路电话通道的带宽约为4kHz4kHz，这个带宽是通过交换机模拟接口电路中的滤波器形成的，仅就双绞线本身而言，其带宽可能达到几百kHz以上，与线径、长度等因素有关。ADSL正是利用了双绞线的这个特点，它允许在同一双绞线上，在不影响现有的普通电话业务的情况下，进行上下速率不同的非对称性高速数据传输，系统中包含了从网络到用户的高速下行信道和从用户到网络的低速上行信道。因此，在用户环路上就存在了个信道（或频谱段）4kHz0线上功率f上行数据频带上行数据频带ISDN POTS ADSL系统的频率分配下行数字信道：下行数字信道

19、：传输高速数据，速率1.69.2Mbps的高速下行通道，用于用户下载信息；上行数字信道：上行数字信道：传输控制及反向应答信道，速率可达384kpbs或以上。普通电话服务普通电话服务POSTPOST信道：信道：用于传输普通电话业务，即使ADSL连接不成功，这个信道也不受影响，换言之，ADSL保留了独立的普通电话业务。ADSL标准ADSL标准的编号为T1.413。此标准规定，ADSL将提供下列多种传输通道：高速单工通道高速单工通道，此通道提供DS2速率（一般为6Mbps）的下行数据率。该通道可分成4个1.5Mbps通道，两个3Mbps通道或1.5Mbps的任意倍数。64kbps64kbps双工数据

20、传输通道，双工数据传输通道，可配合高速通道使用，可在用户和业务提供者之间进行交互式控制和信息传输。全双工通道，全双工通道，根据业务需要提供160kbps和576kbps速率。例如，用户以384kbps的速率连接ISDN（综合业务数字网）的基本速率或以576kbps的速率接入高速链路。ADSL在宽带网络上的作用 目前暂时还没有使用光纤系统、光纤同轴电缆混合系统、无线系统或其它宽带传输系统的地方，使用使用ADSLADSL系统可为系统可为推广宽带业务提供一种经济实用的手段，推广宽带业务提供一种经济实用的手段，以满足商业发展的需要和用户对通信的迫以满足商业发展的需要和用户对通信的迫切需求。切需求。随着

21、光纤在用户接入网中的应用增加，从端局或从光纤网络单元至用户的距离会越来越短，在这段线路上ADSL的传送速率可进一步提高。ADSL系统结构 ATU-RATU-CADSLmodemADSLmodem接线盒电话交换机InternetADSL的编码技术 当前 ADSL调制解调设备多采用 3种线路编码技术，分别称为抑载波幅度和相位(carrier-less amplitude and phase,CAP),离散多音复用(discrete multitone,DMT)，以及离散小波多音复用(discrete wavelet multitone,DWMT)。CAP的基础是正交幅度调制的基础是正交幅度调制(Q

22、AM)，在，在CAP中，中，数据被调制到单数据被调制到单一载波之上；一载波之上；在在DMT中，数据被调制到多个载波之上，每个载波上的数据使用中，数据被调制到多个载波之上，每个载波上的数据使用QAM进行调制。进行调制。DMT中使用为大家熟知的快速傅里叶变换算法做数中使用为大家熟知的快速傅里叶变换算法做数字信号处理，字信号处理，在在DWMT中中，则用近年来新兴的小波变换算法代替快速傅里叶变换。，则用近年来新兴的小波变换算法代替快速傅里叶变换。目前使用最广泛的是目前使用最广泛的是DMTDMT线码。线码。DMTDMT实际上是一种实际上是一种FDMFDM方式。方式。输入的数据流被分配到N个有相同带宽但中

23、心频率不同的子信道中，各信道之间相互独立，每个信道单独采用QAM调制；在噪声与干扰环境下，每个子信道几乎都能达到理论上的信道容量极限；ADSL调制解调器对每一个子信道都要进行测试，以获得最佳的传输效果。标准的标准的ADSLADSL系统有系统有256256个下行子信道，个下行子信道，3232个上行子信道，每个信道的带个上行子信道，每个信道的带宽均为宽均为4.3125kHz4.3125kHz，各子信道之间的中心频率差也为，各子信道之间的中心频率差也为4.3125kHz4.3125kHz。ADSLADSL系统的帧结构可以按系统的帧结构可以按32kbps32kbps递增方式分配下行或上行信号。递增方式

24、分配下行或上行信号。ADSL系统既可以适应传统的同步数字系统传送速率，如DS0（64kbps）、T1（1.54Mbps）或E1（2.048Mbps），还可以适应基于ATM的传输方式，如同步光纤网（SONET）。与普通拨号 Modem及N-ISDN的比较比起普通拨号 Modem的最高56kbps速率，ADSL的速率优势速率优势是不言而喻的。与普通拨号 Modem相比，ADSL更为吸引人的地方是：它在同一铜线上分别传送数据和语音信号，数据信号并不通过电话交换机设备，减轻了电话交换机的负载，并且不需要拨号，一直在线，属于专线上网方式，这意味着使用使用ADSLADSL上网并不需要缴付上网并不需要缴付另

25、外的电话费另外的电话费。高速率数字用户线（HDSL）HDSL是在现有市话电缆基础上实现高速率数字传输的一种较成熟的技术，与ADSL不同的是，它的上行带宽与下行带宽它的上行带宽与下行带宽是相同的是相同的，它支持速率高达1.168Mbps的全双工2B1Q信号传输，特别适合于在对接入传输速率尚不高的现阶段使用。HDSL与宽带接入网技术中的ADSL、混合光纤-同轴电缆（HFC）相比，最大的优势在于实现起来较为简单，设备也不复杂，投资小。目前HDSL设备广泛应用在会议电视ISDN基群接入、专用数据网传输、Internet高速接入等场合。HDSL的核心技术HDSLHDSL的核心技术包括以下三种：线路编码、

26、的核心技术包括以下三种：线路编码、全双工传输、自适应线路均衡。全双工传输、自适应线路均衡。它采用2B1Q编码技术，用一位四进制码元代表2bit信息，在同样的信息传递速率下信号的带宽减小了一半。HDSLHDSL在一对双绞线上采用回波抑制法实现在一对双绞线上采用回波抑制法实现全双工传输全双工传输，这种方式与TDD相比，在同样的传信率下，信号的衰减大大减少。例如，1.544Mbps的T1信号在每千米标准电缆上衰减22.4dB。用同样电缆的HDSL线路，信号衰减只会达到11.2dB。HDSL系统构成 标准的HDSL接口由六部分组成。AFEAFE指的是模拟前端，它完成的功能是将双绞线上的2B1Q传送信号

27、进行模拟放大和滤波等。ADCADC将模拟的接收信号转换成数字信号。HDSLHDSL收发器收发器的接收单元完成线性回波抵消、均衡、信号量化以及接收的时钟恢复；其发送单元则主要完成编码输出信号的脉冲定形和数模转换。HDSLHDSL信道单元信道单元则是完成HDSL组解帧、多路HDSL信号复用至一路PCM信号以及相应的分解功能。T1/E1T1/E1接口单元接口单元完成PCM帧信号与T1/E1信号的转换。线路 接口（T1）T1/E1接口单元 HDSL信道单元 HDSL收发器 ADC AFE1 HDSL收发器 ADC AFE2 HDSL结构原理图 HDSL的帧结构 每个信道都有其单独的HDSL环路收发器。

28、与E1标准兼容的HDSL接口还可选用三个线对结构。但无论何种制式的结构中，HDSL的帧长度都为6ms。故为使HDSL双向环与原始T1/E1信号保持同步，我们启动某种特定的比特填充2Q。是否填充取决于HDSL环路与先前PCM信道的定时。我国所用的ETSI标准所规定的HDSL帧结构如图5-9所示。HDSL开销（HOH）=23Q，时隙数=48，一个时隙=72.5Q，SQN=填充字节，发送速率（每 路）=（7 2.5 Q+2 3/4 8 Q）/125s=584kB=1168kbps。同步码头 HDSL 帧结构示意图 H0H B01 B02 B12 H0H B13 B14 B24 H0H B25 B36

29、 H0H B37 B48 SQ1 SQ2 7q 1q 870q 5q 870q 5q 870q 5q 870q 0.2q Z1 CH1 CH3 CH35 Z1 CH2 CH4 CH36 本节内容总结：复习双绞线的相关特性复习双绞线的相关特性利用模拟电话进行的数据传输系统（理解利用模拟电话进行的数据传输系统（理解能够说明工作原理）能够说明工作原理）利用数字用户线进行数据传输利用数字用户线进行数据传输 （1 1）数字用户线的发展（了解）数字用户线的发展（了解）（2 2）双工技术（理解，能够说明工作原）双工技术（理解，能够说明工作原理）理）（3 3）ADSLADSL（掌握原理并能对应用实例进（掌握原理并能对应用实例进行分析）行分析）（4 4）HDSLHDSL（理解，能够说明工作原理）（理解，能够说明工作原理）