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1、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、。 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
3、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。
4、“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
5、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
6、”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
7、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
8、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
9、： （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，
10、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+1/1
11、6=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）
12、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
13、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
14、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
15、。,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
16、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,
