程控數(shù)字交換技術(shù)第2章PPT課件

1、第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 2.1 模擬信號的數(shù)字化處理模擬信號的數(shù)字化處理 2.2 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù) 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 2.1 模擬信號的數(shù)字化處理模擬信號的數(shù)字化處理 2.1.1 2.1.1 數(shù)字信號的調(diào)制數(shù)字信號的調(diào)制模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的過程叫做數(shù)字信號的調(diào)制。數(shù)字信號有各種調(diào)制方法，常用的有脈沖編碼調(diào)制(pcm)和增量調(diào)制(m)。圖2-1所示為脈沖編碼調(diào)制(pcm)的模型。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-1 脈沖編碼調(diào)制(pcm)的模型 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多

2、路復(fù)用技術(shù) 2.1.2 2.1.2 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(pcm)在發(fā)送端主要通過抽樣、量化和編碼工作完成ad轉(zhuǎn)換；在接收端主要通過譯碼和濾波工作完成da轉(zhuǎn)換。1. 1. 抽樣抽樣模擬信號變成數(shù)字信號的第一步工作就是要對初始信號進(jìn)行抽樣。抽樣的目的是使模擬信號在時間上離散化。其原理是通過抽樣脈沖按一定周期去控制抽樣器的開關(guān)電路，取出模擬信號的瞬時電壓值，從而將連續(xù)的原始話音信號變成間隔相等但幅度不等的離散電壓值，如圖2-2所示。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-2 話音信號抽樣 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 所抽取的每個幅度值為樣值，顯然，該樣值

3、可以看做是按幅度調(diào)制的脈沖信號，稱為脈沖調(diào)幅(pam)信號。pam信號的幅度取值是連續(xù)的，不能用有限數(shù)字來表示，我們認(rèn)為它仍然是模擬信號。 為了使抽樣信號不失真地還原為原始信號，抽樣頻率(fs)應(yīng)大于話音信號的最高頻率的兩倍，實際中fs取8000 hz，則抽樣周期t為1/8000，即125s。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 2. 2. 量化量化量化的目的是將抽樣得到的無數(shù)種幅度值用有限個狀態(tài)來表示，以減少編碼的位數(shù)。其原理是用有限個電平表示模擬信號的樣值。 量化方法大體上有舍去法(即將小于1 v的尾數(shù)舍去)、補足法(即將小于1 v的尾數(shù)補足為1 v)以及四舍五入法三種。四舍五入法

4、是將每個抽樣后的幅值用一個鄰近的“整數(shù)”值來近似。圖2-3所示為四舍五入量化方法的示意圖。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-3 四舍五入量化方法的示意圖(a) 抽樣；(b) 量化 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 需要注意的是，把無限多種幅值量化成有限的值必然會產(chǎn)生誤差。我們把量化值與信號值之間的差異稱做量化誤差。量化誤差是數(shù)字通信中的主要噪聲來源之一。減少信號的量化噪聲有以下兩種方法：(1) 增加量化級數(shù)。增加量化級數(shù)可減小量化誤差，但量化級數(shù)的增加會使編碼位數(shù)增加，要求存儲器容量加大，對編碼器的要求也會提高。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) (2)

5、采用非均勻量化的辦法。圖2-3所示為一種均勻量化。在均勻量化時，由于量化分級間隔是均勻的，對大信號和小信號量化階距相同，因而小信號時的相對誤差大，大信號時的相對誤差小。非均勻量化是一種在信號動態(tài)范圍內(nèi)，量化分級不均勻、量化階距不相等的量化。例如，若使小信號的量化分級數(shù)目多，則量化階距小；若使大信號的量化分級數(shù)目少，則量化階距大。這樣可保證信噪比高于26 db。非均勻量化叫做“壓縮擴張法”，簡稱壓擴法。其原理如圖2-4所示。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-4 非均勻量化的原理框圖 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 在發(fā)送端，首先將輸入信號送到壓縮器進(jìn)行壓縮，然后再送

6、到均勻量化器量化并編碼；在接收端，先將收到的數(shù)碼序列進(jìn)行譯碼，然后再通過與壓縮器特性相反的擴張器進(jìn)行擴張，恢復(fù)為原來的信號。非均勻量化就是非線性量化，其壓、擴特性采用的是近似于對數(shù)函數(shù)的特性。ccitt建議采用的壓縮律有兩種，分別叫做a律和 律。a律的壓縮系數(shù)(a)為87.6，用13折線來近似。歐洲各國、中國的pcm設(shè)備采用這種壓縮律。 律的壓縮系數(shù)()為255，用15折線來近似。北美各國的pcm設(shè)備采用這種壓縮律。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 3. 3. 編碼編碼編碼就是把量化后的幅值分別用代碼來表示。代碼的種類很多，采用二進(jìn)制代碼在通信技術(shù)中較常見。實際應(yīng)用中，通常用8位二

7、進(jìn)制代碼表示一個量化樣值。pcm信號的組成形式如圖2-5所示。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-5 pcm信號的組成形式 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 極性碼：由高1位表示，用以確定樣值的極性。幅度碼：由28位共7位碼表示(代表128個量化級)，用以確定樣值的大小。段落碼：由高24位表示，用以確定樣值的幅度范圍。段內(nèi)碼：由低58位表示，用以確定樣值的精確幅度。段落碼是指將13折線分為16個不等的段(非均勻量化)，其中，正、負(fù)極各8段，量化級為8，由3位二進(jìn)制碼表示。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 段內(nèi)碼是指將上述16個段的每段再平均分為16段(均勻

8、量化)，量化級為16 ，由4位二進(jìn)制碼表示。經(jīng)過編碼后的信號即為pcm信號。pcm信號在信道中是以每路一個抽樣值為單位傳輸?shù)?，因此單路pcm信號的傳輸速率為8 8000 = 64 kb/s。我們將速率為64 kb/s的pcm信號稱為基帶信號。pcm常用碼型有單極性不歸零(nrz)碼、雙極性歸零(ami)碼、三階高密度雙極性(hdb3)碼等。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 1) 單極性不歸零碼單極性不歸零(nrz)碼如圖2-6所示。 圖2-6 nrz碼 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) nrz碼具有如下特點：(1) 信號“1”表示有脈沖，信號“0”表示無脈沖。(2) 信號

9、中有直流分量(即平均分量)，直流信號衰耗大，不利于遠(yuǎn)距離傳輸。(3) 占用頻帶寬。因此，nrz碼一般不用于長途線路，主要用于局內(nèi)通信。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 2) 雙極性歸零碼雙極性歸零(ami)碼如圖2-7所示。 圖2-7 ami碼 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) ami碼具有如下特點：(1) “1”的極性交替變換，因此不存在直流分量。 (2) 與nrz碼相比，碼的寬度壓縮了一半，可有效利用信道。 在圖2-6所示的一組信碼中，有多個連續(xù)“0”出現(xiàn)，這樣會使中繼器長時間收不到信號而誤認(rèn)為是空號，進(jìn)而影響定時提取時鐘頻率的工作。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多

10、路復(fù)用技術(shù) 3) 三階高密度雙極性碼hdb3碼如圖2-8所示。圖2-8 hdb3碼 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) hdb3碼具有如下特點：一組信碼中，連“0”數(shù)限制在三個以下，當(dāng)出現(xiàn)第四個連“0”時，就自動加入一個“1”取代第四個“0”，從而解決了過多連續(xù)“0”的出現(xiàn)。被加入的這個“1”是人為加入的，稱為破壞點。為了使接收端能夠識別并去除破壞點，破壞點“1”應(yīng)與ami碼的極性交替規(guī)律相違背。hdb3碼適合遠(yuǎn)距離傳輸，常用于長途線路通信。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 4. 4. 解碼和重建解碼和重建在pcm通信的接收端，需要把數(shù)字信號恢復(fù)為模擬信號，這要經(jīng)過解碼和重

11、建兩個處理過程。 1) 解碼解碼就是把接收到的pcm代碼轉(zhuǎn)變成與發(fā)送端一樣的pam信號，如圖2-9所示。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-9 解碼示意圖 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 2) 重建在pam信號中包含原話音信號的頻譜，因此可將pam信號通過低通濾波器分離出所需要的話音信號，這一過程即為重建。pcm信號在傳輸中，為了減少由長途線路帶來的噪聲和失真積累，通常在達(dá)到一定傳輸距離處設(shè)置一個再生中繼器。再生中繼器用來完成輸入信碼的整形、放大等工作，以使信號恢復(fù)到良好狀態(tài)。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 2.2 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù) 2.2.1

12、 2.2.1 多路復(fù)用的概念多路復(fù)用的概念1. 1. 頻分復(fù)用頻分復(fù)用頻分復(fù)用(fdm)是指把傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻段，如圖2-10所示的信道1、信道2、信道n。每個子頻段可作為一個獨立的傳輸信道使用，每對用戶所占用的僅僅是其中的一個子頻段。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-10 頻分制示意圖第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 2. 2. 時分復(fù)用時分復(fù)用時分制是將信道的傳輸時間劃分成若干個時隙，每個被傳輸?shù)男盘柂毩⒄加闷渲械囊粋€時隙，各路信號輪流在自己的時隙內(nèi)完成傳輸，如圖2-11所示的信道1、信道2、信道n。由此可見，頻分制是按頻率劃分信道的，而時分制是

13、按時間劃分信道的；頻分制同一時間傳送多路信息，而時分制同一時間只傳送1路信息；頻分制的多路信息是并行傳輸?shù)模鴷r分制的多路信息是串行傳輸?shù)?；實際應(yīng)用中頻分制多用于模擬通信，而時分制多用于數(shù)字通信。目前，程控數(shù)字交換機采用的多路復(fù)用技術(shù)為時分復(fù)用(tdm)。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-11 時分制示意圖 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) r1 = n 64 (kb/s) (2.1) 2.2.2 pcm2.2.2 pcm信號的時分復(fù)用信號的時分復(fù)用為了提高信道的利用率，常對基帶pcm信號進(jìn)行時分復(fù)用的多路調(diào)制，如圖2-12所示。比較圖2-12(b)圖2-12(e)

14、我們發(fā)現(xiàn)，在125s抽樣周期內(nèi)，pam信道每傳送一個抽樣值，對應(yīng)基帶pcm傳送8 bit，而tdm pcm則可傳輸n 8 bit。因此，tdm pcm信號的碼元速率為 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-12 pcm信號的時分復(fù)用(a) 原始模擬語言信號；(b) 抽樣后形成的pam信號；(c) 基帶pcm編碼信號；(d) 多路基帶pcm信號調(diào)制后形成的tdm pcm信號；(e) 第2路基帶pcm信號 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 時分多路復(fù)用是利用一個高速開關(guān)電路(抽樣器)來實現(xiàn)的。高速開關(guān)電路使各路信號在時間上按一定順序輪流接通，以保證任一瞬間最多只有一路信號接在

15、公共信道上。具體地說，就是利用時鐘脈沖把信道按時間分成均勻的間隔，每一路信號的傳輸被分配在不同的時間間隔內(nèi)進(jìn)行，以達(dá)到互相分開的目的，如圖2-13所示。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-13 時間分割信道原理 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 所以就pcm時分制而言，就是把抽樣周期125s分割成多個時間小段，以供各個話路占用。若有n條話路，則每路占用的時間小段為125/n。顯然，路數(shù)越多，時間小段將越小。我們知道，每路信號經(jīng)pcm調(diào)制后，都是以8 bit抽樣值為一個信號單元傳送的，因此，每個8 bit所占據(jù)的時間稱為1個“時隙”(ts，time slot)，n個時隙

16、就構(gòu)成了一個幀。因此，一路基帶pcm在tdm pcm中周期地每幀占有1個時隙，如圖2-14所示。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-14 幀與時隙的關(guān)系圖 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 2.2.3 pcm2.2.3 pcm幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)目前國際上有兩種pcm體制：一種是由貝爾(bell)公司提出，主要在北美各國和日本采用的24路pcm(n = 24)；另一種是歐洲郵電管理協(xié)會(cept)提出，主要在歐洲各國和中國等國家采用的30/32路pcm(n = 32)。這兩種體制均已被ccitt采納為正式標(biāo)準(zhǔn)。兩種pcm體制的比較如表2.1所示。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理

17、與多路復(fù)用技術(shù) 表表2.1 bell 24路、路、cept 30/32路路pcm體制的比較體制的比較 項 目 cept 30/32 路 bell 24 路 抽樣速率/hz 8000 8000 比特數(shù)/抽樣 8 8 時隙/幀 32 24 pcm 話路/幀 30 24 輸出比特速率/(kb/s) 2048 1544 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 1. 30/321. 30/32路一次群幀結(jié)構(gòu)路一次群幀結(jié)構(gòu)30/32路一次群幀結(jié)構(gòu)如圖2-15所示。在圖2-15所示的30/32路一次群幀結(jié)構(gòu)中，1幀由32個時隙組成，編號為ts0ts31。第115話路的消息碼組依次在ts1ts15中傳送，

18、而第1630話路的消息依次在ts17ts31傳送。16個幀構(gòu)成1復(fù)幀，由f0f15組成。ts0用來做“幀同步”工作，而ts16則用來做“復(fù)幀同步”工作或傳送各話路的標(biāo)志信號碼(信令碼)。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) “幀同步”和“復(fù)幀同步”的工作意義是控制收、發(fā)兩端數(shù)字設(shè)備同步地工作。對于偶數(shù)幀(f0，f2，f4，)，ts0被固定地設(shè)置為10011011，第1位碼沒有利用，暫定為“1”，后7位碼“0011011”為幀同步字。幀同步字在偶數(shù)幀到來時，由發(fā)送端數(shù)字設(shè)備向接收端數(shù)字設(shè)備傳送。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 圖2-15 30/32路一次群幀結(jié)構(gòu) 第2章 模

19、擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 對于奇數(shù)幀(f1，f3，f5，)，ts0的第3位碼為幀失步告警碼。在消息傳送過程中，當(dāng)接收端的幀同步檢測電路在預(yù)定時刻檢測到輸入序列中與同步字(0011011)相匹配的信號段時，便認(rèn)為捕捉到了幀同步字，說明接收信號正常，此時由奇數(shù)幀ts0向發(fā)送端數(shù)字設(shè)備傳送的第3位碼為“0”；如果接收端幀同步檢測電路不能在預(yù)定時刻收到同步字(0011011)，就認(rèn)為系統(tǒng)失步，由奇數(shù)幀ts0向發(fā)送端數(shù)字設(shè)備傳送的第3位碼為“1”。通知對端局，本端接收信號已失步，需處理故障。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 為可靠起見，實際工作中，接收端的幀同步檢測電路需連續(xù)多次在所

20、期望的時刻(即每250s)收到同步字，才可確認(rèn)系統(tǒng)進(jìn)入了同步狀態(tài)。這樣做的目的是避免把消息中與同步字相同的序列段誤認(rèn)為同步字。 奇數(shù)幀ts0的第1位碼同樣沒有利用，暫定為“1”。第2位碼為監(jiān)視碼，固定為“1”，用于區(qū)分奇數(shù)幀和偶數(shù)幀，以便接收端把偶數(shù)幀與奇數(shù)幀區(qū)別開來(偶數(shù)幀ts0的第2位碼固定為“0”)。奇數(shù)幀ts0的第48位碼用來傳送其他信息，在未利用的情況下，暫定為“1”。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 在f0的ts16的8位碼中，前4位碼為復(fù)幀同步碼，編碼為“0000”。第6位碼為復(fù)幀失步告警碼，與幀失步告警碼一樣，復(fù)幀同步工作時這一位碼為“0”，失步時為“1”。f1f1

21、5的ts16用以傳送第130話路的標(biāo)志信號。由于標(biāo)志信號的頻率成分遠(yuǎn)沒有話音的頻率成分豐富，用4位碼傳送一個話路的標(biāo)志信號就足夠了，因此，每個ts16又分為前4 bit和后4 bit兩部分，前4 bit用來傳送一個話路的標(biāo)志信號，后4 bit用來傳送另一話路的標(biāo)志信號。具體規(guī)定是在1復(fù)幀中： 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) f1中ts16的前4 bit用來傳送第1話路的標(biāo)志信號；f2中ts16的前4 bit用來傳送第2話路的標(biāo)志信號；f3中ts16的前4 bit用來傳送第3話路的標(biāo)志信號；f15中ts16的前4 bit用來傳送第15話路的標(biāo)志信號。f1中ts16的后4 bit用來傳送第16話路的標(biāo)志信號；f2中ts16的后4 bit用來傳送第17話路的標(biāo)志信號；f3中ts16的后4 bit用來傳送第18話路的標(biāo)志信號；f15中ts16的后4 bit用來傳送第30話路的標(biāo)志信號。 第2章 模擬信號的數(shù)字化處理與多路復(fù)用技術(shù) 例如，某用戶摘機后占用第7條話路，那么，為其傳送話音信號的時隙是ts7，而為其傳送控制信號的時隙則應(yīng)是f7中ts16的前4 bit。 通過對30/32路一次群幀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，我們不難理解，一路基帶pcm信號一旦占用了一次群中的某個時隙，它隨后所有的8位編碼抽樣都將位于該時隙。因此，對于64 kb/s的基帶pcm源