第4章时分多路复用及PCM3032路系统

1/514.1时分多路复用通信4.2PCM30/32路系统第4章时分多路复用及PCM30/32路系统2/51本章主要内容数字通信在实现多路通信时是采用的时分制多路方式，如何实现时分制多路通信是非常重要的。本章对时分多路复用的基本概念、PCM30/32路系统的帧结构及帧同步系统的工作原理、PCM30/32路的系统构成进行了说明。3/514.1时分多路复用通信概念4.1.1时分多路复用概念1.多路复用的概念为了提高通信信道的利用率，使信号沿同一信道传输而不互相干扰，这种通信方式称为多路复用。时分多路复用方式用于数字通信，例如PCM通信。频分多路复用方式用于模拟通信，例如载波通信。4/514.1时分多路复用通信概念2、时分多路复用概念概念：利用多路信号在信道上占用不同时间间隔的特征来分开各路信号，每路占用的时间间隔称为路时隙，简称时隙。时分复用示意图5/51时分复用系统示意图正常工作条件：两开关必须同频同相（转速、起始位置相同）。术语：收、发端保持同步。6/51工作原理图中SA1和SA2为电子转换开关，它们在同步系统的控制下以同起点、同速度顺序同步旋转，以保证收、发两端同步工作。在发端，开关的旋转接点接于某路信源时，就相当于取出某路信源信号的离散时间的幅度数值。旋转接点按顺序旋转，就相当于按顺序取出各路信源信号在离散时间的幅度数值并合成，然后经模/数变换电路变为数字信号，再与同步信号合成即可送给信道传输。在接收端，首先分出同步信号，再进行数/模变换后即可由旋转开关分别送给相应的信息接收者。7/513路PCM时分复用系统组成LP1LP2LP2123m1(t)m2(t)m3(t)保持量化编码信道抽样合路低通滤波m1s(t)m2s(t)m3s(t)sT1(t)sT2(t)sT3(t)LP1LP2LP2m'1(t)m'2(t)m'3(t)解码分路低通滤波m1s(t)m2s(t)m3s(t)sT1(t)sT2(t)sT3(t)4.1.2PCM时分多路通信系统的组成以3路复用为例，说明PCM时分多路通信系统的组成。8/51工作原理：1．抗干扰，低通滤波，截止3.4kHz。2．采样周期T=125µs,fs=8000Hz,ST为抽样脉冲，各路依次错开，各路抽样信号在时间上分开，实现多路复用。3．编码需要时间，为了保证编码精度，展宽多路抽样值到整个时隙，将和路信号PAM送保持单元。4．经过量化成为PCM信号，一路PCM信号（码字）占用一个路时隙。5．解码还原和路PAM信号，有量化误差，一路码字到齐后开始解码，有延迟。6.分路、低通滤波重新恢复各路原始话音信号。9/51推广N路：PCM30/32路系统、PCM24路系统。几个基本概念：帧：重复出现的数字图案；帧周期就是各路信号的抽样周期，tF=T重复出现的数字图样路时隙：合路PAM信号每个样值所允许的时间，tC=T/N位时隙：一个码元占用的时间，tB=tC/l123同步码123同步码ts∑(t)帧…路路路路位帧10/514.1.3时分多路复用系统中的位同步1.帧同步的概念数字通信的同步：也称为定时，包括位同步和帧同步。位同步（码元同步、时钟同步）：是指收发两端时钟频率相等，相位一致。说明：位同步相当于开关旋转速度相同保证收发两端设在指定时间协调一致地工作，能正确区分，接收每一路信号。11/51位同步在数据通信中最基本的同步方式就是位同步(bitsynchronization)或比特同步。比特是数据传输的最小单位。位同步（比特同步）是指接收端时钟已经调整到和发送端时钟完全一样，因此接收端收到比特流后，就能够在每一位的中间位置进行判决（如下图所示）。位同步（比特同步）的目的是为了将发送端发送的每一个比特都正确地接收下来。这就要在正确的时刻（通常就是在每一位的中间位置）对收到的电平根据事先已约定好的规则进行判决。例如，电平若超过一定数值则为1，否则为0。12/51位同步示意图13/51要真正恢复数字信号必须进行整形判决，这就要求本地码元定时与发送端定时脉冲的重复频率相等，而且判决时刻必须在最佳点以保证对输入信号的最佳取样进行判决。如图所示发端101101收端信道001111××发端101101收端信道(a)(b)101101图判决时刻的选取(a)判决时刻选取不合适；(b)判决时刻选取适当14/51外同步法1插入位定时导频法fb(b)(a)fs(f)s(f)f00fb2fbfb/23fb/2图导频插入频谱导频提取的原理如图8-9所示，图8-9中利用锁相环的跟踪和窄带的特性来提取信号，而移相电路目的是为了抵消提取出的导频信号经窄带滤波器、限幅器和锁相环引起的相移。数字基带信号数字信号位同步信号接收信号解调相减移相锁相环限幅窄带滤波图插入导频的提取图8-8为导频插入频谱，其中图8-8(a)表示双极性不归零的基带信号插入导频的位置是fb=1/T(T为码元周期)；图8-8(b)表示经波形相关编码之后，基带信号中插入导频的位置为fb*1/2。15/56信号输出位同步dcba输入信号放大限幅微分整流脉冲形成移相窄带滤波11010010Tb0atb0td0t0ct(b)(a)图8-10微分整流滤波法方框图及各点波形(a)方框图；(b)各点波形。位定时脉冲2PSK包络检波脉冲形成窄带滤波0000cabtttt包络信号直流分量PSK()Stc=a-b(b)(a)图8-11包络检波法提取位定时信号(a)方框图；(b)波形图。自同步法16/51位同步系统的性能指标1.相位误差(精度)相位误差是指在码元建立后，接收端提取的位同步脉冲与接收到的码元(脉冲)之间出现的相位误差。2.同步建立时间同步建立时间即为系统从失步后开始到系统重新实现同步止所需要的最长时间。3.同步保持时间从含有位同步信息的接收信号消失或接收信号中的位同步信息消失开始，到位同步提取电路输出的正常位同步信号中断为止的这段时间，称为位同步保持时间。4.同步门限信噪比在保证一定的位同步质量的前提下，接收机输入端所允许的最小信噪比，称为同步门限信噪比。5.同步带宽同步带宽是指位同步频率与码元速率之差。17/51何为帧同步？但仅仅有位同步还不够。因为数据要以帧为单位进行发送。若某一个帧有差错，以后就重传这个出错的帧。因此一个帧应当有明确的界限，也就是说，要有帧定界符。接收端在收到比特流后，必须能够正确地找出帧定界符，以便知道哪些比特构成一个帧。接收端找到了帧定界符并确定帧的准确位置，就是完成了帧同步(framesynchronization)。18/51帧同步：是指收发两端相应的话路在时间上对准，以便接收端能够正确分路。说明：复用时多路信号构成一帧，并且附加帧起始标志（帧同步码），以便接收端识别。每一帧内信号位固定，若能识别出首尾，就可以正确区分每一路信号，实现帧同步，相当于开关起始位置相同。123同步码123同步码ts∑(t)帧…路路路路位帧4.1.4时分多路复用系统中的帧同步19/51两种帧同步方式20/51位同步和帧同步同步通信方式在电信网中使用得非常广泛，其中的一个重要特点是在发送端连续不断地发送比特流中，即使有的时隙没有被用户使用，但用于同步的时隙也要保留在时分复用帧中的相应位置上。在同步通信中帧同步的任务就是使接收端能够从收到的连续比特流中确定出每一个时分复用帧的位置。异步通信方式在计算机网络中使用得较多。我们可以注意到，数据帧在接收端出现的时间是不规则的。因此在接收端必须进行帧定界。但帧定界也常称为帧同步。因此，当我们看到帧同步时，应当弄清这是同步通信中的帧同步，还是异步通信中的帧定界。异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效率较低（因为开始位和停止位的开销所占比例较大）21/51位同步和帧同步这里我们要强调一下，在异步通信时，接收端即使找到了数据帧的开始处，也还必须将数据帧中的所有比特逐个接收下来。因此，接收端必须和数据帧中的各个比特进行比特同步（这就是异步通信中的同步问题）。试想：如果接收端不知道每一个比特要持续多长时间，那怎样能将一个个比特接收下来呢？因此，不管是同步通信还是异步通信，要想接收比特块中的每一个比特，就必须和比特块中的比特进行位同步（比特同步）。然而在异步通信中，位同步（比特同步）的方法和同步通信时并不完全一样。22/512.帧同步系统的工作原理PCM复用系统为了完成帧同步功能，在接收端还需要有两种装置：一是同步码识别装置，二是调整装置。同步码识别装置用来识别接收的PCM信号序列中的同步标志码位置；调整装置，当收、发两端同步标志码位置不对应时，需对收端进行调整以使其两者位置相对应。这些装置统称为帧同步电路。23/512.帧同步系统的工作原理作用：同步码识别、同步调整逐步移位法帧同步系统框图PCM入T1CH'CH1T2CH2cpcp0TnCHn时钟提取脉冲形成同步识别时隙时钟产生器本地帧码产生器分路解码T025/513.帧同步系统的保护措施由前述工作原理可以知道，帧同步系统总是处于检测和比较状态，即使系统是正常同步工作状态也要进行检测和比较。加入保护电路的同步系统原理框图如图所示。26/5127/513.帧同步系统的保护措施保护过程示意图1）帧同步系统的相关概念假失步：由于误码引起的失步；假同步：因信息码可能出现的与帧同步码型相同的码组而误判的同步。28/51前方保护的目的：避免出现假失步。后方保护目的：避免出现假同步。保护过程示意图失步状态同步状态同步状态前方保护时间后方保护时间同步捕捉时间29/51帧同步系统的要求：①同步性能稳定，具有一定的抗干扰能力；②同步识别效果好；（同步码组的长度要短,效果好)③同步引入时间要短；④构成系统的电路简单。4.帧同步系统的要求及有关问题的讨论30/511）帧同步码的插入方式集中插入：如PCM30/32路系统分散插入：如PCM24路系统帧码帧码31/512）帧码码型的选择帧码长度r的选择，需考虑以下几个因素。检定概率P1：发帧码，正确收的概率，大好漏检概率P2：发帧码，未检出的概率,小好,P1+P2=1假同步概率P3：未发帧码,识别为帧码的概率，小好非假同步概率P4：未发帧码，收未识别为帧码概率,大好P3+P4=1出现的矛盾：r小，P2小，P3大r大，P2大，P3小，同步码组太长，资源浪费解决此矛盾的方法：（1）提供后方保护，提高帧同步系统的稳定性；（2）选取最佳同步码码型，如临界点为１的码组。32/51概念：同步码邻接区：长度为r的帧码（同步码）码组，其前后各长为r-1位码的区域称为同步码邻接区。临界点为１的码组：在帧同步码邻接区内无假帧码的码组。＊＊＊＊＊＊００１１０１１＊＊＊＊＊＊同步码邻接区，r=733/513）帧同步码检出方式逐位比较方式码型检出方式４）同步引入方式逐步引入方式复位同步方式34/51帧同步码检出方式a.逐位比较方式：接收端产生一组与发送端插入的帧同步码组相同的本地帧码，在识别电路中使本地帧码与接收的PCM序列码逐位进行比较。b.码型检出方式：接收端设置一个移位寄存器，该寄存器的每级输出端的组合是按发送的帧同步码型设计的，当接收的PCM序列中帧同步码全部进入移存器时才能有识别检出脉冲。35/51复位同步方式36/51帧同步系统的性能指标通常用假失步概率、假同步概率和帧同步平均建立时间来衡量这些性能。1.假失步概率与假同步概率由于干扰的存在，接收的同步码组中可能出现一些错误码元，从而使识别器漏识别已发出的同步码组，误判为失步，出现这种情况的概率称为假失步概率。在接收的数字信号序列中，也可能在表示信息的码元中出现与同步码组相同的码组，它被识别器识别出来误认为是同步码组而形成假同步信号，出现这种情况的概率称为假同步概率。2.同步平均建立时间同步建立时间是指系统在开始工作或从确认失步开始搜捕起，一直到重新进入同步工作状态这段时间，其时间长短与同步检测的方式有关。37/514.2PCM30/32路系统说明：PCM30/32路系统，复用路数n=32，通常话音路数为30，另外两个时隙用于传送帧同步码和信令码。信令概念：信令是连接建立、拆除、控制及网管信息，分