西电版程控交换课件

第2章模拟信号的数字化处理与多路复用技术,2.1模拟信号的数字化处理2.2多路复用技术,2.1模拟信号的数字化处理,2.1.1数字信号的调制模拟信号转变为数字信号的过程叫做数字信号的调制。数字信号有各种调制方法，常用的有脉冲编码调制(PCM)和增量调制(M)。图2-1所示为脉冲编码调制(PCM)的模型。,图2-1脉冲编码调制(PCM)的模型,2.1.2脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)在发送端主要通过抽样、量化和编码工作完成AD转换；在接收端主要通过译码和滤波工作完成DA转换。1.抽样模拟信号变成数字信号的第一步工作就是要对初始信号进行抽样。抽样的目的是使模拟信号在时间上离散化。其原理是通过抽样脉冲按一定周期去控制抽样器的开关电路，取出模拟信号的瞬时电压值，从而将连续的原始话音信号变成间隔相等但幅度不等的离散电压值，如图2-2所示。,图2-2话音信号抽样,所抽取的每个幅度值为样值，显然，该样值可以看做是按幅度调制的脉冲信号，称为脉冲调幅(PAM)信号。PAM信号的幅度取值是连续的，不能用有限数字来表示，我们认为它仍然是模拟信号。为了使抽样信号不失真地还原为原始信号，抽样频率(fs)应大于话音信号的最高频率的两倍，实际中fs取8000Hz，则抽样周期T为1/8000，即125s。,2.量化量化的目的是将抽样得到的无数种幅度值用有限个状态来表示，以减少编码的位数。其原理是用有限个电平表示模拟信号的样值。量化方法大体上有舍去法(即将小于1V的尾数舍去)、补足法(即将小于1V的尾数补足为1V)以及四舍五入法三种。四舍五入法是将每个抽样后的幅值用一个邻近的“整数”值来近似。图2-3所示为四舍五入量化方法的示意图。,图2-3四舍五入量化方法的示意图(a)抽样；(b)量化,需要注意的是，把无限多种幅值量化成有限的值必然会产生误差。我们把量化值与信号值之间的差异称做量化误差。量化误差是数字通信中的主要噪声来源之一。减少信号的量化噪声有以下两种方法：(1)增加量化级数。增加量化级数可减小量化误差，但量化级数的增加会使编码位数增加，要求存储器容量加大，对编码器的要求也会提高。,(2)采用非均匀量化的办法。图2-3所示为一种均匀量化。在均匀量化时，由于量化分级间隔是均匀的，对大信号和小信号量化阶距相同，因而小信号时的相对误差大，大信号时的相对误差小。非均匀量化是一种在信号动态范围内，量化分级不均匀、量化阶距不相等的量化。例如，若使小信号的量化分级数目多，则量化阶距小；若使大信号的量化分级数目少，则量化阶距大。这样可保证信噪比高于26dB。非均匀量化叫做“压缩扩张法”，简称压扩法。其原理如图2-4所示。,图2-4非均匀量化的原理框图,在发送端，首先将输入信号送到压缩器进行压缩，然后再送到均匀量化器量化并编码；在接收端，先将收到的数码序列进行译码，然后再通过与压缩器特性相反的扩张器进行扩张，恢复为原来的信号。非均匀量化就是非线性量化，其压、扩特性采用的是近似于对数函数的特性。CCITT建议采用的压缩律有两种，分别叫做A律和律。A律的压缩系数(A)为87.6，用13折线来近似。欧洲各国、中国的PCM设备采用这种压缩律。律的压缩系数()为255，用15折线来近似。北美各国的PCM设备采用这种压缩律。,3.编码编码就是把量化后的幅值分别用代码来表示。代码的种类很多，采用二进制代码在通信技术中较常见。实际应用中，通常用8位二进制代码表示一个量化样值。PCM信号的组成形式如图2-5所示。,图2-5PCM信号的组成形式,极性码：由高1位表示，用以确定样值的极性。幅度码：由28位共7位码表示(代表128个量化级)，用以确定样值的大小。段落码：由高24位表示，用以确定样值的幅度范围。段内码：由低58位表示，用以确定样值的精确幅度。段落码是指将13折线分为16个不等的段(非均匀量化)，其中，正、负极各8段，量化级为8，由3位二进制码表示。,段内码是指将上述16个段的每段再平均分为16段(均匀量化)，量化级为16，由4位二进制码表示。经过编码后的信号即为PCM信号。PCM信号在信道中是以每路一个抽样值为单位传输的，因此单路PCM信号的传输速率为88000=64kb/s。我们将速率为64kb/s的PCM信号称为基带信号。PCM常用码型有单极性不归零(NRZ)码、双极性归零(AMI)码、三阶高密度双极性(HDB3)码等。,1)单极性不归零码单极性不归零(NRZ)码如图2-6所示。,图2-6NRZ码,NRZ码具有如下特点：(1)信号“1”表示有脉冲，信号“0”表示无脉冲。(2)信号中有直流分量(即平均分量)，直流信号衰耗大，不利于远距离传输。(3)占用频带宽。因此，NRZ码一般不用于长途线路，主要用于局内通信。,2)双极性归零码双极性归零(AMI)码如图2-7所示。,图2-7AMI码,AMI码具有如下特点：(1)“1”的极性交替变换，因此不存在直流分量。(2)与NRZ码相比，码的宽度压缩了一半，可有效利用信道。在图2-6所示的一组信码中，有多个连续“0”出现，这样会使中继器长时间收不到信号而误认为是空号，进而影响定时提取时钟频率的工作。,3)三阶高密度双极性码HDB3码如图2-8所示。,图2-8HDB3码,HDB3码具有如下特点：一组信码中，连“0”数限制在三个以下，当出现第四个连“0”时，就自动加入一个“1”取代第四个“0”，从而解决了过多连续“0”的出现。被加入的这个“1”是人为加入的，称为破坏点。为了使接收端能够识别并去除破坏点，破坏点“1”应与AMI码的极性交替规律相违背。HDB3码适合远距离传输，常用于长途线路通信。,4.解码和重建在PCM通信的接收端，需要把数字信号恢复为模拟信号，这要经过解码和重建两个处理过程。1)解码解码就是把接收到的PCM代码转变成与发送端一样的PAM信号，如图2-9所示。,图2-9解码示意图,2)重建在PAM信号中包含原话音信号的频谱，因此可将PAM信号通过低通滤波器分离出所需要的话音信号，这一过程即为重建。PCM信号在传输中，为了减少由长途线路带来的噪声和失真积累，通常在达到一定传输距离处设置一个再生中继器。再生中继器用来完成输入信码的整形、放大等工作，以使信号恢复到良好状态。,2.2多路复用技术,2.2.1多路复用的概念1.频分复用频分复用(FDM)是指把传输信道的总带宽划分成若干个子频段，如图2-10所示的信道1、信道2、信道n。每个子频段可作为一个独立的传输信道使用，每对用户所占用的仅仅是其中的一个子频段。,图2-10频分制示意图,2.时分复用时分制是将信道的传输时间划分成若干个时隙，每个被传输的信号独立占用其中的一个时隙，各路信号轮流在自己的时隙内完成传输，如图2-11所示的信道1、信道2、信道n。由此可见，频分制是按频率划分信道的，而时分制是按时间划分信道的；频分制同一时间传送多路信息，而时分制同一时间只传送1路信息；频分制的多路信息是并行传输的，而时分制的多路信息是串行传输的；实际应用中频分制多用于模拟通信，而时分制多用于数字通信。目前，程控数字交换机采用的多路复用技术为时分复用(TDM)。,图2-11时分制示意图,R1=n64(kb/s),(2.1),2.2.2PCM信号的时分复用为了提高信道的利用率，常对基带PCM信号进行时分复用的多路调制，如图2-12所示。比较图2-12(b)图2-12(e)我们发现，在125s抽样周期内，PAM信道每传送一个抽样值，对应基带PCM传送8bit，而TDMPCM则可传输n8bit。因此，TDMPCM信号的码元速率为,图2-12PCM信号的时分复用(a)原始模拟语言信号；(b)抽样后形成的PAM信号；(c)基带PCM编码信号；(d)多路基带PCM信号调制后形成的TDMPCM信号；(e)第2路基带PCM信号,时分多路复用是利用一个高速开关电路(抽样器)来实现的。高速开关电路使各路信号在时间上按一定顺序轮流接通，以保证任一瞬间最多只有一路信号接在公共信道上。具体地说，就是利用时钟脉冲把信道按时间分成均匀的间隔，每一路信号的传输被分配在不同的时间间隔内进行，以达到互相分开的目的，如图2-13所示。,图2-13时间分割信道原理,所以就PCM时分制而言，就是把抽样周期125s分割成多个时间小段，以供各个话路占用。若有n条话路，则每路占用的时间小段为125/n。显然，路数越多，时间小段将越小。我们知道，每路信号经PCM调制后，都是以8bit抽样值为一个信号单元传送的，因此，每个8bit所占据的时间称为1个“时隙”(TS，TimeSlot)，n个时隙就构成了一个帧。因此，一路基带PCM在TDMPCM中周期地每帧占有1个时隙，如图2-14所示。,图2-14帧与时隙的关系图,2.2.3PCM帧结构目前国际上有两种PCM体制：一种是由贝尔(BELL)公司提出，主要在北美各国和日本采用的24路PCM(n=24)；另一种是欧洲邮电管理协会(CEPT)提出，主要在欧洲各国和中国等国家采用的30/32路PCM(n=32)。这两种体制均已被CCITT采纳为正式标准。两种PCM体制的比较如表2.1所示。,表2.1BELL24路、CEPT30/32路PCM体制的比较,1.30/32路一次群帧结构30/32路一次群帧结构如图2-15所示。在图2-15所示的30/32路一次群帧结构中，1帧由32个时隙组成，编号为TS0TS31。第115话路的消息码组依次在TS1TS15中传送，而第1630话路的消息依次在TS17TS31传送。16个帧构成1复帧，由F0F15组成。TS0用来做“帧同步”工作，而TS16则用来做“复帧同步”工作或传送各话路的标志信号码(信令码)。,“帧同步”和“复帧同步”的工作意义是控制收、发两端数字设备同步地工作。对于偶数帧(F0，F2，F4，)，TS0被固定地设置为10011011，第1位码没有利用，暂定为“1”，后7位码“0011011”为帧同步字。帧同步字在偶数帧到来时，由发送端数字设备向接收端数字设备传送。,图2-1530/32路一次群帧结构,对于奇数帧(F1，F3，F5，)，TS0的第3位码为帧失步告警码。在消息传送过程中，当接收端的帧同步检测电路在预定时刻检测到输入序列中与同步字(0011011)相匹配的信号段时，便认为捕捉到了帧同步字，说明接收信号正常，此时由奇数帧TS0向发送端数字设备传送的第3位码为“0”；如果接收端帧同步检测电路不能在预定时刻收到同步字(0011011)，就认为系统失步，由奇数帧TS0向发送端数字设备传送的第3位码为“1”。通知对端局，本端接收信号已失步，需处理故障。,为可靠起见，实际工作中，接收端的帧同步检测电路需连续多次在所期望的时刻(即每250s)收到同步字，才可确认系统进入了同步状态。这样做的目的是避免把消息中与同步字相同的序列段误认为同步字。奇数帧TS0的第1位码同样没有利用，暂定为“1”。第2位码为监视码，固定为“1”，用于区分奇数帧和偶数帧，以便接收端把偶数帧与奇数帧区别开来(偶数帧TS0的第2位码固定为“0”)。奇数帧TS0的第48位码用来传送其他信息，在未利用的情况下，暂定为“1”。,在F0的TS16的8位码中，前4位码为复帧同步码，编码为“0000”。第6位码为复帧失步告警码，与帧失步告警码一样，复帧同步工作时这一位码为“0”，失步时为“1”。F1F15的TS16用以传送第130话路的标志信号。由于标志信号的频率成分远没有话音的频率成分丰富，用4位码传送一个话路的标志信号就足够了，因此，每个TS16又分为前4bit和后4bit两部分，前4bit用来传送一个话路的标志信号，后4bit用来传送另一话路的标志信号。具体规定是在1复帧中：,例如，某用户摘机后占用第7条话路，那么，为其传送话音信号的时隙是TS7，而为其传送控制信号的时隙则应是F7中TS16的前4bit。通过对30/32路一次群帧结构的认识，我们不难理解，一路基带PCM信号一旦占用了一次群中的某个时隙，它随后所有的8位编码抽样都将位于该时隙。因此，对于64kb/s的基带PCM源而言，一次群系统等价于提供了32条独立的64kb/s信道，故30/32路一次群的位速率为,B=3264000=2048kb/s,2.数字复用PCM高次群目前PCM通信技术发展很快，应用很广泛，上述PCM一次群的容量和速率已远远不能满足通信要求。为了扩大信号传输的速率和交换容量，提高信道利用率，引入了数字复用高次群的概念。高次群由若干个低次群通过数字复接设备复用而成，如图2-16所示。,由图2-16可知，PCM系统的二次群由4个一次群复用而成，速率为8.448Mb/s，话路数为430=120话路；三次群由4个二次群复用而成，速率为34.386Mb/s，话路数为4120=480话路；四次群由4个三次群复用而成，速率为139.26