现代数字信号通信原理

第4章现代数字信号通信原理4-1模拟信号脉冲编码（PCM)调制原理4-2数字信号多路复用系统4-3数字信号同步传输（SDH)原理4-4数字信号时分交换原理4-5电话话务量与服务质量的衡量4.1模拟信号的脉冲编码调制（PCM）原理•4-1-1模拟信号与数字信号•4-1-2PCM编码调制过程（信号的模/数转换）•4-1-3数字信号编码的过程•4-1-4例题选讲4-1-1模拟信号与数字信号1.模拟信号：人的话音（声波）信号经电话机变换成300—3400Hz范围的电波信号，其振幅的形状，与声波振幅形状相同，称为“调幅模拟信号”，每个话路标准频率带宽为4KHz。2．我国PCM数字标准信号：每路模拟信号经“脉冲编码调制”（PCM，PulseCodeModulation）后变成64Kbit/s的数字信号流，我国采用A律13折线编码方式，基群（一次群）速率为2048Kbit/s。3。数字化调制：分为脉冲编码（PCM：PulseCodeModulation）调制和参量调制两种：PCM调制，指对信号的“幅度值”进行数字化后变成64Kb/s的数字信号流。参量调制，对信号的某种参数进行数字化处理。•（3）数字通信信号的特点：•①与计算机信号一致，便于使用IP等分组交换通信技术，统一传输、统一处理；•②抗干扰能力强，无噪声积累；便于加密处理；•③采用时分复用，便于实现多路复用通信：因为数字信号在时间上是离散的；•④设备便于集成、小型化：采用微电子（大规模集成电路）技术，系统设备体积小，集成度高；•⑤占用频带宽：模拟信号：一路模拟电话所占频带仅为4KHz；数字信号：一路数字电话频带一般为64KHz；但随着光纤数字信号多路复用技术的发展，该缺点的影响已可忽略不计。4-1-2PCM编码调制过程（信号的模/数转换）•脉冲编码调制，就是在信号发送端，将300—3400Hz范围的模拟话音信号经过“抽样、量化和编码”三个基本过程，变换为二进制数码。通过数字通信系统进行传输后，在接收端进行相反的变换，由译码和低通滤波器完成，把数字信号恢复为原来的模拟信号。“抽样-量化-编码”系统组成如图4.1所示。抽样量化编码数字通信系统译码低通A/D(模数转换)D/A(数模转换)xs(t)s(t){x(kTs)}x(t)xq(t)xq(kTs){sk}{sk}xq(kTs)＾x(t)模拟信号数字信号周期方波信号脉冲信号模拟信号图4-1模拟信号“抽样、量化和编码”系统组成示意图1.抽样的过程是标准的周期抽样脉冲信号与话音模拟信号相“与”而形成脉冲调幅信号（PAM）的过程；•“奈奎斯特”抽样定理：当标准抽样脉冲信号的频率大于被调制模拟信号的频率的2倍时，则原模拟信号成分可被无失真的保留在调制信号中；故1路电话信号的抽样脉冲的频率如下:•FH=2×4KHz=8000KHz•即1路4KHz带宽的电话信号每秒钟需要抽样8000次。•“抽样”是对模拟信号进行周期性的扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息，即能无失真地恢复出原模拟信号。•“量化”是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即按规定的电平标准值，把抽样值用最接近的电平表示。•“编码”是用二进制码组表示有固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的。图1-5是PCM单路抽样、量化、编码波形示意图。信号的抽样-量化转换示意图三种抽样信号:2.量化原理：分为以下4点：•（1）量化的过程：取定某个量化级单位（如1mW=1Δ为1级），将脉冲信号编为某个数量级的过程；以”量化范围”和”量化级Δ”2个值衡量。PCM量化范围为±2048Δ。•（2）量化性能分析：均匀量化时获得的“信噪比”随信号的幅度的变化而变化：大信号得到较好的信噪比，小信号得到较差的信噪比。•（3）非均匀量化的提出：为解决量化编码中信号的“信噪比”随幅度变化的问题，实现话音信号的幅度大小变化时，信噪比为恒定值的要求，采用“非均匀量化”的方法：对小信号先进行放大，对大信号先进行缩小的“压扩均衡”的过程。（4）量化误差：量化值xq与实际的信号抽样值x之间的误差称为量化误差，根据量化原则，量化误差最大不超过±Δ/2，而量化级数目越多，Δ值越小，量化误差也越小。量化误差一旦形成，在接收端无法去掉，它与传输距离、转发次数无关，又称为量化噪声。3.（非均匀量化）编码的过程•CCITT建议G.711规定2种数字非均匀量化的方法为国际标准，一种是13折线A律压扩标准；•另一种是15折线μ律压扩标准；•我国的PCM30/32路基群采用A律13折线压缩律；该标准还用于英、法、德等欧洲各国的PCM30/32路基群中。•15折线μ律主要用于美国、加拿大和日本等国的PCM-24路基群中。•CCITT建议G.711规定上述两种折线近似压缩律为国际标准，且在国际间数字系统相互联接时，要以A律为标准。因此这里仅介绍13折线A律压缩特性。图4-313折线信号压扩均衡示意图大信号,得到小的放大倍数(dy/dx)小信号,得到大的放大倍数(dy/dx)折线以原点为对称点该图完整地反映了PCM编码A律13折线压扩编码方程的情况：对小信号，曲线（近似折线）的斜率较高（16倍），随着信号的不断增大，折线的斜率不断递减；这样，就形成了对小信号“放大”，对大信号“压缩”的作用。•编码的过程：概念上，采用“逐次反馈比较”型编码器，利用“中值比较判别法”，将PCM信号编为8位码；由于抽样频率是8KHz，故每话路的速率为8KHz×8位码=64kbit/s。•根据上述编码原则，将8位码分成三部分：•P1：极性码，判断码位的正负极性；•P2-P4：段落码，判断码位的段落；共8段；•P5-P8：段内码，确定码位在16级段落内的实值。4.1.3数字信号量化编码的过程编码原则•PCM信号输出电平逐次反馈比较型编码原则：•（1）首先确定编码信号的“量化范围”和“量化级Δ”：•量化范围：信号变化的最大范围，即-U至+U的变化范围；•量化级：Δ=Umax/2048•（2）正负极判断：对PAM信号，编码时首先判断其正负极，确定P1=1/0；•（3）段落码与段内码的编码方式：设PAM信号值为X，则：PCM编码规则一览表(P2-P8码)段落码码位P2-P8码位判断方法P2X128Δ，P2=0X≥128Δ，P2=1P3X32Δ，P3=0X≥32Δ，P3=1X512ΔP3=0X≥512ΔP3=1P4X16ΔP4=0X≥16ΔP4=1X64ΔP4=0X≥64ΔP4=1X256ΔP4=0X≥256ΔP4=1X1024ΔP4=0X≥1024ΔP4=1段内码P5比较电平=起始电平（1+1/2）Δ，X≥比较电平，则P5=1；X比较电平，则P5=0P6比较电平=起始电平（1+1/2P5+1/4）Δ，P6判断同上。P7比较电平=起始电平（1+1/2P5+1/4P6+1/8）Δ，P7判断同上。P8比较电平=起始电平（1+1/2P5+1/4P6+1/8P7+1/16）Δ，P8判断同上。[例题]：已知某PCM编码电路的量化范围为±4096mw，求XPAM=1121mw的PCM编码值及实际编码量化误差值。[解]：（1）求量化级：Δ=Umax/2048=4096mw/2048=2mw（2）正负极判断：设PAM信号值为X，因X=1121mw0，故P1=1•（3）段落码编码方式：XPAM=1121mw128Δ=256mw故P2=1•XPAM=1121mw512Δ=1024mw，故P3=1•XPAM=1121mw1024Δ=2048mw，故P4=0•（4）段内码编码方式：•XPAM=1121mw＜512（1+1/2）Δ=1536mw，故P5=0•XPAM=1121mw＜512（1+1/2×0+1/4）Δ=1280mw，故P6=0•XPAM=1121mw＜512（1+1/2×0+1/4×0+1/8）Δ=1152mw，•故P7=0•XPAM=1121mw＞512（1+1/2×0+1/4×0+1/8×0+1/16Δ=1088mw，•故P8=1••（5）编码结果：XPAM=1121mw=11100001（P1～P8）•（6）量化误差：XPAM=1121mw-1088mw=33mw4-2数字信号多路复用系统•4-2-1信号多路复用系统概述•4-2-2数字多路复用系统和主要参数•4-2-3数字中继器与信道编码•4-2-4PCM数字多路复用原理与帧结构•4-2-5数字多路复用通信系统4-2-1信号多路复用系统概述•现代通信传输系统，分为：•基带传输系统；•频分复用系统；•时分复用系统；•（光纤）波分复用系统四类。•下面，分别予以叙述：•1．基带传输系统•基带传输系统是指在短距离内（6km）直接在传输介质上传输模拟基带信号的系统。目前电信网中，只在传统双绞线电话电缆上采用该方式。这里的“基带”特指话音信号占用的频带(300～3400Hz)。另外由于设备的简单性，在局域网中基带方式也被广泛使用，构成“话音+ADSL（宽带）”综合接入系统。基带传输的优点是线路设备简单；缺点是传输媒介的带宽利用率不高，不适于在长途线路上使用。•2．频分复用传输系统（FDM）•频分复用传输系统是指在传输介质上采用频率划分复用（FDM）技术的系统，FDM是利用传输介质的带宽高于单路信号的带宽这一特点，将多路信号经过高频载波信号调制后在同一介质上传输的复用技术。为防止各路信号之间相互干扰，要求每路信号要调制到不同的载波频段上，而且各频段之间要保持一定的间隔,这样各路信号通过占用同一介质不同的频带实现了复用。•ITU-T标准的话音信号频分多路复用的策略如下：为每路话音信号提供4kHz的信道带宽，其中3kHz用于话音，两个500Hz用于防卫频带，12路基带话音信号经调制后每路占用60～108kHz带宽中的一个4kHz的子信道。这样12路信号构成的一个单元称为一个群。在电话通信的FDM体制中，五个群又可以构成一个超群（Supergroup），还可以构成复用度更高的主群（Mastergroup）。图4.5FDM原理示意图(a)FDM信道划分；(b)FDM系统示意图带通滤波器f1s1解调器f1m1带通滤波器f2s2解调器f2m2…带通滤波器fnsn解调器fnmns1m1s2m2snmn调制器f1调制器f2调制器fn………∑信道1信道2…信道n时间频率f1f2…fnfFDM信号(b)(a)•FDM传输系统主要的缺点是：传输的是模拟信号，需要模拟的调制解调设备，成本高且体积大，由于难以集成，因此工作的稳定度也不高。另外由于计算机难以直接处理模拟信号，导致在传输链路和节点之间过多的模数转换，从而影响传输质量。目前FDM技术主要用于光纤、微波链路和铜线介质上，在光纤介质上该方式更习惯被称为波分复用。•3．时分复用传输（TDM）系统•时分复用传输系统是指在传输介质上采用TDM技术的系统，TDM将模拟信号经过PCM调制后变为数字信号，然后进行时分多路复用的技术。它是一种数字复用技术，TDM中多路信号以时分的方式共享一条传输介质，每路信号在属于自己的时间片中占用传输介质的全部带宽。图4.6是TDM多路复用原理示意图。图4.6TDM原理示意图(a)TDM信道划分；(b)TDM系统示意图s1m1s2m2snmnPCM编码……∑…时间(b)(a)PCM编码PCM编码复用s1m1s2m2snmnPCM解码……PCM解码PCM解码分路12…nm帧12…nm＋1帧信道1信道2信道n时隙TDM信道信号频率•国际上主要的TDM标准有2种：一种是北美地区使用的T时分复用方式，一次群信号T1每帧24时隙，速率为1.544Mb/s；另一种是国际电联标准E时分复用方式，一次群信号E1每帧32时隙,速率为2.048Mb/s，两者相同之处在于都采用8000Hz频率对话音信号进行采样，因此每帧时长都是125μs。•相对于频分复用传输系统，时分复用传输系统可以利用数字技术的全部优点：差错率低，安全性好，数字电路的高集成度，以及更高的带宽利用率。它已成为传输系统的主流技术，目前主要有两种时分数字