第5章数字光纤通信系统

第5章数字光纤通信系统5.15.2系统的性能指标5.3系统的设计返回主目录预备知识——数字通信基本原理¤数字通信的基本概念¤脉冲编码调制（ＰＣＭ）¤时分多路复用及PCM30/32路系统¤数字复接技术——准同步数字体系（PDH）一、数字通信的基本概念（1）模拟信号和数字信号模拟信号：信息随波形的变化而变化，其幅度是连续的。电话、传真、电视信号数字信号：幅值被限制在有限个数值之内，不是连续的，是离散的。电报信号、数据信号从以上分析可知：数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上是否离散而定的。虽然模拟信号与数字信号有明显区别，但二者之间，在一定条件下是可以互相转换的。(2)数字通信的概念通信的目的是传递或交换信息。根据在信道上传输的信号形式的不同，可分为两类通信方式：模拟通信和数字通信。模拟通信：以模拟信号的形式传递消息，采用频分复用实现多路通信。数字通信：以数字信号的形式传递消息，采用时分复用实现多路通信。（3）数字通信系统的构成数字通信系统的构成模型如图0一4所示。信源:被变换成原始电信号的原始信息。常见的信源有产生模拟信号的电话机、话筒、摄像机和输出数字信号的电子计算机、各种数字终端设备等。信源编码：把模拟信号变换成数字信号，即完成模数变换的任务。如果信源产生的已经是数字信号，可省去信源编码部分。信道编码：完成自动检错或纠错功能传输过程中由于信道中存在噪声干扰，使得传输的数字信号产生差错——误码。为了在接收端能自动进行检错或纠正差错，在信源编码后的信息码元中，按一定的规律，附加一些监督码元，形成新的数字信号。接收端可按数字信号的规律性来检查接收信号是否有差错或纠正错码。调制：将基带数字信号搬移到适合于信道传输的频带上。将基带数字信号直接送到信道传输的方式称为基带传输；将基带数字信号经过调制后再送到信道传输的方式称为频带传输。信道：是指传输信号的通道。根据传输媒介可分为有线信道(明线、电缆、光缆信道)与无线信道(短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继信道)。信宿：接收信息的人或各种终端设备。对于具体的数字通信系统，其方框图并非都与图0一4方框图完全一样，例如：①若信源是数字信息时，则信源编码或信源解码可去掉，这样就构成数据通信系统。②若通信距离不太远，且通信容量不太大时，信道一般采用市话电缆，即采用基带传输方式，这样就不需要调制和解调部分。③传送话音信息时，即使有少量误码，也不影响通信质量，一般不加信道编、解码。④在对保密性能要求比较高的通信系统中，可在信源编码与信道编码之间加人加密器；同时在接收端加入解密器。2．数字通信的特点(1)抗干扰能力强，无噪声积累在模拟通信中，为了提高信噪比，需要及时对传输信号进行放大(增音)，但与此同时，串扰进来的噪声也被放大。由于模拟信号的幅值是连续的，难以把传输信号与干扰噪声分开。随着传输距离的增加，噪声累积越来越大，将使传输质量严重恶化。对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限的离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中受到噪声干扰，当信噪比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，采用再生的方法，再生成已消除噪声干扰的原发送信号。由于无噪声积累，可实现长距离、高质量的传输。(2)便于加密处理信息传输的安全性和保密性越来越显得重要。数字通信的加密处理比模拟通信容易得多。以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密和解密处理。(3)采用时分复用实现多路通信时分复用是利用各路信号在信道上占有不同的时间间隙，同在一条信道上传输，并且互不干扰。(4)设备便于集成化、微型化数字通信采用时分多路复用，不需要昂贵的、体积较大的滤波器。由于设备中大部分电路都是数字电路，可以用大规模和超大规模集成电路实现，这样功耗也较低。(5)占用信道频带宽一路数字电话的频带为64kHz，而一路模拟电话所占频带仅为4kHz，前者是后者的16倍。然而随着微波、卫星、光缆信道的大量利用(其信道频带非常宽)，以及频带压缩编码器的实现和大量使用，数字通信占用频带宽的矛盾正逐步减小3．数字通信系统的主要性能指标衡量数字通信系统性能好坏的指标是有效性和可靠性两项（1）有效性指标有效性指标具体包括以下三项内容。①信息传输速率(R)信息传输速率简称传信率，也叫数码率(常用fb表示)。它的定义是：每秒所传输的信息量。信息传输速率的定义也可以说成是：一秒所传输的二进制码元数，其单位为bit／s。其中fs为抽样频率，n是复用的路数，l是编码的码位数。lnffsB②符号速率(N)符号速率也叫码元速率，它的定义是：1秒所传输的码元数目(这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的)，其单位为“波特”(Bd)。一个符号要用log2M个代码来表示(M为进制数或电平数)。可见，二进制码元传输时，信息传输速率与符号速率相等。③频带利用率真正用来衡量数字通信系统传输效率的指标(有效性)应当是单位频带内的传输速率MNR2log)/HzBd（频带宽度符号速率)./Hzsbit（频带宽度信息传输速率(2)可靠性指标反映数字通信系统可靠性的主要指标是误码率。误码率的定义为：在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元之比。二、脉冲编码调制(PCM)由于数字通信是以数字信号的形式来传递消息的，而话音信号是幅度、时间取值均连续的模拟信号，所以数字通信所要解决的首要问题是模拟信号的数字化，即模／数变换(A／D变换)。1．脉冲编码调制通信系统的构成脉冲编码调制是对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以将模拟信号转化为数字信号。若模／数变换的方法采用PCM，由此构成的数字通信系统称为PCM通信系统。采用基带传输的PCM通信系统构成方框图如图0—7所示。由图中可以看出，PCM通信系统由三个部分构成：(1)模／数变换相当于信源编码部分的A／D变换，具体包括抽样、量化、编码三步。抽样—是把模拟信号在时间上离散化，变为脉冲幅度调制(PAM)信号。量化—是把PAM信号在幅度上离散化，变为量化值(共有N个量化值)。编码—是用二进码来表示N个量化值，每个量化值编l位码，则有N=2l。(2)信道部分信道部分包括传输线路及再生中继器。由前面介绍的内容可知再生中继器可消除噪声干扰，所以数字通信系统中每隔一定的距离加一个再生中继器以延长通信距离。(3)数／模变换接收端首先利用再生中继器消除数字信号中的噪声干扰，然后进行数／模变换。数／模变换包括解码和低通两部分。解码——是编码的反过程，解码后还原为PAM信号(假设忽略量化误差——量化值与PAM信号样值之差)。低通——收端低通的作用是恢复或重建原模拟信号。2.抽样(1)抽样的概念话音信号不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间上也是连续的。要使话音信号数字化，首先要在时间上对话音信号进行离散化处理，这一处理过程是由抽样来完成的。所谓抽样就是每隔一定的时间间隔T抽取模拟信号的一个瞬时幅度值(样值)。抽样是由抽样门来完成的，在抽样脉冲ST(t)的控制下，抽样门闭合或断开，如图O一8所示。(2)理想抽样的频谱采用理想的单位冲激脉冲序列作为抽样脉冲(即用冲激脉冲近似表示有一定宽度的抽样脉冲)时，称为理想抽样。理想抽样样值序列S(t)的频谱S(ω)与原始模拟话音信号m(t)的频谱M(ω)对比图为了避免产生折叠噪声，对频带为０～fmHz的话音信号，其抽样频率fs必须满足下列条件：fs-fm≥fm所以fs≥2fm或T≤1/(2fm)即：“一个频带限制在fmHz以下的连续信号m(t)，可以惟一地用时间每隔丁≤1/(2fm)秒的抽样值序列来确定。这就是著名的抽样定理。话音信号的最高频率限制在3400Hz，这时满足抽样定理的最低的抽样频率应为fmin=6800Hz，为了留有一定的防卫带，原CCITT规定话音信号的抽样频率为fs=8000Hz，这样就留出了8000—6800=1200Hz作为滤波器的防卫带。注意：抽样频率fs不是越高越好，fs太高时，将会降低信道的利用率。3．量化将时间域上幅度连续的样值序列变换为时间域上幅度离散的样值序列信号。量化分为均匀量化和非均匀量化两种。(1)均匀量化话音信号的概率密度分布曲线如图０一11所示。均匀量化是在量化区内(即从一U～+U)均匀等分N个小间隔。N称为量化级数，每一小间隔称为量化间隔△。由此可得：△=2U/N当N=8时可以看出，在量化区，其最大量化误差(指绝对值)不超过半个量化间隔等，但在过载区，量化误差将会超过。即emax(t)=△/2(量化区)emax(t)△/2(过载区)量化误差相当于一个噪声叠加在原来的信号上起干扰作用，这种噪声称为量化噪声。均匀量化的特点是：１）在量化区内，大、小信号的最大量化误差相同，所以小信号的量化信噪比小，大信号的量化信噪比大。２）当量化级数N一定时，均匀量化小信号的量化信噪比太小，不满足要求(数字通信系统中要求量化信噪比≥26dB)，而大信号的量化信噪比较大，远远满足要求。(2)非均匀量化宗旨：在不增大量化级数Ｎ的前提下，利用降低大信号的量化信噪比来提高小信号的量化信噪比。措施：为了达到这一目的，非均匀量化大、小信号的量化间隔不同。信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。实现非均匀量化的方法有两种，即模拟压扩法和直接非均匀编解码法。①模拟压扩法在发端，抽样后的样值信号(u)首先经过压缩器处理后(压缩器对小信号放大，大信号压缩)变为v，再对v进行均匀量化成vq,然后编码。收端解码后恢复为编码之前的vq,，为了进行还原，将vq,送人扩张器，扩张特性与压缩特性正好相反(扩张器对小信号压缩，大信号放大)，扩张器的输出为uq。要求：当输入u=0时，输出v=0；当输入u=U(过载电压)时，输出v=U。而且要求扩张特性要严格地与压缩特性相反，以使压缩——扩张的总传输系数为1，否则会产生失真。②直接非均匀编解码法实现非均匀量化的方法，目前一般采用直接非均匀编解码法。所谓直接非均匀编解码法就是：发端根据非均匀量化间隔的划分直接将样值编码(非均匀编码)，收端进行非均匀解码。(3)A律l3折线压缩特性为了便于编码，便于数字化实现，希望非均匀量化间隔的划分严格地成2的倍数关系。4．编码与解码这里的编码指的是根据A律13折线非均匀量化间隔的划分直接对样值编码，称为非均匀编码，接收端再进行非均匀解码，即直接非均匀编解码法。说明：①编码时所采用的是折叠二进码。折叠二进码的特点是：样值为正时，极性码(第1位码)为“1，样值为负时，极性码为“O；正负样值的绝对值相等时，其幅度码(后几位码)相等。②A律13折线正的有8个量化段，为了尽量减少编码误差，每个量化段又均分为16等份，每一份称为一个量化级。③量化级数．N＝2(正负极性)×8(段)×16(等分)=256，根据码字位数l与量化级数N的关系(即N=2l)，当N=256时，l=8，即每个样值编8位码(称为一个码字)。信号正、负极性用a1表示；幅度为正(或负)的8个非均匀量化段用三位码a2，a3，a4表示，称段落码(非线性码)；每一量化段内均匀分成16个量化级，用a5，a6，a7，a8四位码表示，称段内码(线性码)。三、时分多路复用及PCM30／32路系统1．时分多路复用通信(1)时分多路复用①多路复用为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传输而互不干扰，称多路复用。目前多路复用的方法用得最多的有两大类：频分多路复用(FDM)和时分多路复用(TDM)。频分多路复用用于模拟通信(例如载波通信)；时分多路复用用于数字通信。②时分多路复用的概念所谓时分多路复用(即时分制)是利用各路信号在信道上占有不同时间间隔的特征来分开各路信号的。(2)PCM时分多路复用通信系统的构成各路信号先经低通滤波器(截止频率为3．4kHz)LP将频带限制在0.3-3.4kHz以内，即防止高于3.4kHz的信号通过，避免抽样后的PAM信号产生折叠噪声。抽样间隔均为T=125us(fs=8kHz)。抽样合路分路几个基本概念：·1帧——抽样时各路每轮一次的总时间(即开关旋转一周的时间)，也就是一个抽样周期。·路时隙(时隙)——路时隙