单元一话音在光纤通信系统中的传输任务话音在数字基带系课件

单元一 话音在光纤通信系统中的传输 任务2话音在数字基带系统中的传输 教学活动 学习数字基带系统组成、功能和应用。 1 第二章 模拟信号的数字化传输 2.1 引言 2.2 脉冲编码调制 2.3 增量调制 2.4 时分复用和多路数字电话系统 *2 2.1 引言 通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信 系统两类，本章在介绍抽样定理和脉冲振幅调制 的基础上，将着重讨论用来传输模拟语音信号常 用的脉冲编码调制(PCM)和增量调制(M)原理及 性能，并简要介绍时分复用与多路数字电话系统 原理的基本概念。 3 u 脉冲编码调制的概念是1937年，由法国工程师 Alec Reeres 最早出来的。1946年美国Bell实验室实现 了第一台PCM数字电话终端机。 u 1962年，晶体管PCM终端机大量应用于市话网 中 局间 中继线，使市话电缆传输电话路数扩大24 30倍。 u 70年代后期，超大规模集成电路的PCM编、解 码器的出现，使光纤通信、数字微波通信、卫星通信 获得了更广泛的应用 4 2.2 脉冲编码调制 模数转换要经过抽样、量化和编码三个步骤。 抽样：时间离散化 量化：幅度离散化 编码：转换为二进制码 5 PCM单路抽样、量化、编码波形图 6 一、抽样定理 抽样定理的具体内容如下： 一个频带限制在(0，fH)内的时间连续信号 x(t)，如果以不大于（1/2fH)秒的间隔对它进行等 间隔抽样(也就是fS2fH )，则x(t)将被所得到的抽 样值完全确定。 信号：最高频率f H ，限带(0，f H)描述。 无失真恢复条件： 7 抽样定理FLASH演示 8 关于抽样的结论： （1） XS ()具有无穷大的带宽； （2）只要抽样频率 fS2fH ， XS () 中n值不同的频谱 函数就不会出现重叠的现象； （3） XS () 中n = 0时的成分是 X ()/T ，因此只要用 一个带宽B 满足的理想低通滤器， 就可以取出的成分，以 不失真地恢复x(t)的波形。 抽样定理仿真演示 9 二、脉冲振幅调制(PAM) 10 脉幅调制的工作原理： 就是脉冲载波的幅度随 基带信号变化的一种调 制方式。 11 三、模拟信号的量化 量化：用有限个电平来表示模拟信号抽样值被 称为量化。 量化误差: 量化后的信号和原来信号存在误差， 这种误差被称为量化误差。 均匀量化：把原来信号的值域按等幅值分割的 量化过程被称为均匀量化。量化阶的Q 值越大， 用以表述的二进制码组越长，得到的量化信噪比 越大，信号的逼真度 就越好。 12 13 非均匀量化: 非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化 间隔的。对于信号取值小的区间， 其量化间隔也小 ，反之，量化间隔就大。这样可以提高小信号时的 量化信噪比，适当减小大信号时的信噪功率比。 优点： 适合于非均匀分布信号情况；量化噪声对大、 小信号的影响大致相同，即改善了小 信号时 的量化 信噪比。 14 四、编码和译码 编码、译码： 把量化后的信号电平值变换成二进制码组的过 程称为编码，逆过程称为解码。 量化与编码的组合称为模/数变换器(A/D变换 器), 译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A变 换器)。 PCM编译码系统仿真演示 15 2.3 增量调制 一、编码的基本思想 假设一个模拟信号x(t)，我们用一时间间隔为t ，幅度差为的阶梯波形x(t)去逼近它， 如图所示。 只要t足够小，即抽样频率fs=1/t足够高， 且足够 小，则x(t)可以相当近似于x(t)。我们把称作量阶， t=Ts称为抽样间隔。 16 用阶梯或锯齿波逼近模拟信号 17 二、译码的基本思想 收到“1”码上升一个量化阶，收到“0”码下降一 个量化阶，这样就可以把二进制代码经过译码变成 这样的阶梯波。 三、简单增量调制系统框图 判决器是用来比较 x(t)与 x0(t) 大小，在定时抽 样时刻如果 x(t)-x0(t)0输出1； x(t)-x0(t) 0输 出0。 18 三、简单增量调制系统框图 增量调制系统仿真演示 19 四、脉码增量调制(DPCM) 综合了增量调制和脉冲编码调制两者特点的调 制方法进行编码，这种编码方式被简称为脉码增量 调制。 20 2.4 时分复用和多路数字电话系统 多路复用通信方式定义： 在一个信道上同时传输多个话音信号的技术。复 用技术有多种工作方式，例如频分复用、时分复用 以及码分复用等。 一、 PAM时分复用原理 21 22 3 路时分复用波形 (a) 第 1 路； (b) 第 2 路； (c) 第 3 路； (d) 3路合成的波形 23 二、 时分复用的PCM系统 24 时分复用PCM系统 FLASH演示 25 带宽设计： TDMPCM的信号代码在每一个抽样周期内 有Nk个，这里N表示复用路数，k表示每个抽样值 编码的二进制码元位数。 在32路PCM系统中，只计话音信息码，它有30 路，当 fs=8k，k8时，话音信息的码元速率为： 30880001920千波特。但是，当考虑振铃码 和同步码后2048千波特，也就是相当于32个话路。 带宽为2MHz。 26 三、 32路PCM的帧结构 27 从时间上讲： 抽样频率为8KHz，抽样周期125S，这也就是 PCM 30/32的帧周期； 一复帧由16个帧组成，复帧周期为2ms； 一帧内要时分复用32路，每时隙包含8位码组。 从传码率上讲： 每秒钟传送8000帧，每帧328256bit，总码率 为256比特/帧8000帧/秒2048kb/s。 28 时隙分配: 在PCM 30/32路的制式中抽样周期为125s，125 s为一帧。 一帧内要时分复用32路，每路占用的时隙为13.9 s，称为一个时隙。 因此一帧有32个时隙，按顺序编号为TS0、TS1 、 TS31。 时隙的使用分配为: TS1TS15, TS17TS31为30个话路时隙。 TS0为帧同步码，监视码时隙。 TS16为信令(振铃、占线、摘机等各种标志 信号)时隙。 29 话路比特的安排。 每个话路时隙内要将样值编为8位二元码，每个码 元占488 ns，称为一比特。 TS0时隙比特分配。 为了使收发两端严格同步，每帧都要传送一组特 定标志的帧同步码组或监视码组。帧同步码组为 “0011011”。 TS16时隙的比特分配。 若将TS16时隙的码位按时间顺序分配给各话路传 送信令，需要用16帧组成一个复帧，分别用F0、F1、 F15表示。 30 四、 PCM的高次群 31 第三章 数字基带与频带传输 3.1 数字基带传输系统 3.1.1 数字基带传输概述 数字基带信号: 来自数据终端的原始数据信号，这些信号往往包 含丰富的低频分量，甚至直流分量。如计算机输出 的二进制序列，电传机输出的代码，或者是来自模 拟信号经数字化处理后的PCM码组，M序列等等 都是数字信号 。 32 数字频带传输： 数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬 移到高载处才能在信道中传输，我们把这种传 输称为数字频带（调制或载波）传输。 数字基带传输系统的基本结构如图3-1所示 33 数字基带传输系统各部分的作用： 脉冲形成器：就是把原始基带信号变换成适合于信道 传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波 形变换来实现的。 信道：它是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信 道，如市话电缆、架空明线等。 接收滤波器：是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使 输出的基带波形有利于抽样判决。 34 3.1 数字基带传输系统 抽样判决器：它是在传输特性不理想及噪声背景下， 在规定时刻对接收滤波器的输出波形进行抽样判决， 以恢复或再生基带信号。 基带系统的各点波形示意图 ： 35 (a)输入的基带信号，这是最常 见的单极性非归零信号； (b)进行码型变换后的波形； (c)对(a)而言进行了码型及波形 的变换，是一种适合在信道中 传输的波形； (d)信道输出信号，显然由于信 道频率特性不理想，波形发生 失真并叠加了噪声； (e)为接收滤波器输出波形, 与 (d)相比，失真和噪声减弱； (f)位定时同步脉冲； (h)恢复的信息 36 3.1 数字基带传输系统 3.1.2数字基带信号码型 基带信号的要求主要有两点： （1）对各种代码的要求，期望将原始信息符号编制 成适合于传输用的码型； （2）对所选的码型的电波形的要求，期望电波形适 宜于在信道中传输。 37 设计数字基带信号码型应考虑以下原则： （1）码型中应不含直流或低频分量尽量少 ; （2）码型中高频分量尽量少 ; （3）码型中应包含定时信息 ; （4）码型具有一定检错能力 ; （5）低误码增殖; （6）高的编码效率； （7）编译码设备应尽量简单。 38 数字基带信号的常用码型 39 1、单极性非归零（NRZ）码 二进制符号“1”和“0”分别对应正电平和零电平 ，在整个码元持续时间电平保持不变。 单极性NRZ码的主要特点： 有直流分量，无法使用一些交流耦合的线路和 设备； 不能直接提取位同步信息； 抗噪性能差； 传输时需一端接地。 40 2、双极性不归零（NRZ）码 “1”和“0”分别对应正、负电平，其特点为： 直流分量小。当二进制符号“1”、“0”等可能出 现 时，无直流成分； 接收端判决门限为0，容易设置并且稳定，因此抗 干扰能力强； 可以在电缆等无接地线上传输。 41 3. 单极性归零（RZ）码 归零码是指它的有电脉冲宽度比码元宽度窄， 每个脉冲都回到零电平。 优点是可以直接提取同步信号，它是其它码型 提取同步信号需采用的一个过渡码型。 4. 双极性归零（RZ）码 双极性归零码具有双极性不归零码的抗干扰能 力强及码中不含直流成分的优点，应用比较广泛。 42 5. AMI码 这种码型实际上把二进制脉冲序列变为三电平的 符号序列，其优点如下： 在“1”、“0”码不等概率情况下，也无直流成分， 对具有变压器或其它交流隅合的传输信道来说， 不易受隔直特性的影响。 若接收端收到的码元极性与发送端的完全相反， 也能正确判决。 便于观察误码情况。 43 6. HDB3码 AMI码有一个重要缺点，即它可能出现长的连 0串，会造成提取定时信号的困难。 HDB3码的编码规则为： （1）先把消息代码变成AMI码； （ 2）当出现4个或4个以上连0码时进行处理，即引 入破坏码V和补信码 ；原来的二进制码元 序列中所有的“1”码码称为信码，用符号B表示。 44 信码B与破坏符号V的正负必须满足如下两个 条件： B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的 规律，以便确保编好的码中没有直流成分； V码必须与前一个码（信码B）同极性，以便 和正常的AMI码区分开来。如果这个条件得不到满 足，那么应该在四个连连“0”码码的第一个“0”码码位置上 加一个与V码同极性的补信码，用符号表示，并做 调整。 45 例如： (a)代码： 0 1 0000 1 1000 0 0 101 (b) AMI码：0 +1 0000 -1+1000 0 0 -10+1 (c)加V： 0 +1000V+-1+1000 V+0 -10+1 (d)加补信码 0 +1000V+-1+1 B 0 0 V-0+10 -1 (e) HDB3： 0+1000+11+1-1 0 0-1 0+10 1 HDB3码的译码却比较简单，同时它对定时信 号的恢复是极为有利的。HDB3是CCITT推荐使用 的码之一。 46 3.1.3 眼图 眼图就是用实验方法宏观监测系统的性能。 眼图的概念： 眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调 整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形 。 从“眼图图”上可以观察出码间串扰和噪声的影 响，从而估计系统优劣程度。 47 1. 无噪声时的眼图 48 眼图的“眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强 弱。“眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串 扰越小；反之表示码间串扰越大。 2. 存在噪声时的眼图 当存在噪声时，观察到的眼图的线迹会变得模 糊不清。若同时存在码间串扰，“眼睛”将张开得更 小。与无