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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 4-1-2 PCM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3003400Hz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,Pulse Code Modulation)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: Pulse Code Modulation )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: 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; 抗干扰能力强,无噪声积累;便于加密处理; 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; 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; 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。,4-1-2 PCM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3003400Hz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。,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 = 24KHz = 8000 KHz 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=1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”2个值衡量。PCM量化范围为2048。 (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/2,而量化级数目越多,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折线律压扩标准; 我国的PCM 30/32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PCM 30/32路基群中。 15折线律主要用于美国、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 4-3 13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8KHz8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”: 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: =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),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:=Umax / 2048 = 4096mw / 2048 = 2mw (2)正负极判断:设PAM信号值为X,因X=1121mw 0,故 P1 =1 (3)段落码编码方式:XPAM=1121mw 128= 256mw 故 P2 =1 XPAM=1121mw 512 =1024mw , 故 P3 =1 XPAM=1121mw 1024= 2048mw , 故 P4 =0 (4)段内码编码方式: XPAM =1121mw 512(1+1/2)=1536mw, 故P5 =0 XPAM =1121mw 512(1+1/20+1/4)=1280mw , 故P6 =0 XPAM =1121mw512(1+1/20+1/40+1/8)=1152mw , 故P7 =0 XPAM =1121mw512(1+1/20+1/40+1/80+1/16=1088mw, 故P8=1 (5)编码结果:XPAM =1121mw =11100001(P1P8) (6)量化误差:XPAM =1121mw -1088mw =33mw,4-2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 4-2-4 PCM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(3003400 Hz)。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4 kHz的信道带宽,其中3 kHz用于话音,两个500 Hz用于防卫频带,12路基带话音信号经调制后每路占用60108 kHz带宽中的一个4 kHz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4.5 FDM原理示意图 (a) FDM信道划分;(b) FDM系统示意图,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4.6 TDM原理示意图 (a) TDM信道划分;(b) TDM系统示意图,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1.544 Mb/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2.048 Mb/s,两者相同之处在于都采用8000 Hz频率对话音信号进行采样,因此每帧时长都是125 s。 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传输体制:准同步数字体系PDH和同步数字体系SDH。,4波分复用传输(FDM)系统 波分复用传输系统是指在光纤上采用波长(频率)复用调制(WDM:Wavelength Division Multiplexing)技术的系统。WDM本质上是光域上的频分复用(FDM)技术,为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源, WDM将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道,每一信道占用不同的光波频率(或波长),在发送端采用波分复用器(合波器)将不同波长的光载波信号合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端,再由一波分复用器(分波器)将这些由不同波长光载波信号组成的光信号分离开来。由于不同波长的光载波信号可以看作是互相独立的(不考虑光纤非线性时),在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。,图4.7 DWDM传输系统结构,
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