时分复用的PCM系统

1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。2020/6/182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32.1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(ΔM)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。4脉冲编码调制的概念是1937年，由法国工程师AlecReeres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。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。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52.2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：转换为二进制码模拟信息源抽样量化编码数字通信系统译码低通x(t)模拟随机信号tTtxstxqksksˆtxqˆtxˆA/D模数转换D/A数模转换图6-1模拟信号的数字传输6PCM单路抽样、量化、编码波形图7一、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fS≥2fH)，则x(t)将被所得到的抽样值完全确定。信号：最高频率fH，限带(0，fH)描述。无失真恢复条件：2sHff8HfHfXTsXsfsf2sfsf2Hfsfsf2sfsf2HfsT1(a)(b)(c)抽样定理FLASH演示9关于抽样的结论：（1）XS(ω)具有无穷大的带宽；（2）只要抽样频率fS≥2fH，XS(ω)中n值不同的频谱函数就不会出现重叠的现象；（3）XS(ω)中n=0时的成分是X(ω)/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。HsHffBf抽样定理仿真演示10二、脉冲振幅调制(PAM)t0txt0基带信号PAMt0PDMtt0PPM11txstxts(a)ttxtstxs(b)(c)(d)XSSX22HH5H5sTH4H4tt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。12三、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。13信号的实际值信号的量化值量化误差m6m5m4m3m2m1Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Tsmq(6Ts)m(6Ts)t7m6x5x4x3x2x1xtxtxq14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。15四、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162.3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Δt，幅度差为±σ的阶梯波形x′(t)去逼近它，如图所示。只要Δt足够小，即抽样频率fs=1/Δt足够高，且σ足够小，则x′(t)可以相当近似于x(t)。我们把σ称作量阶，Δt=Ts称为抽样间隔。17用阶梯或锯齿波逼近模拟信号18二、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’。19三、简单增量调制系统框图¡Æ判决器(比较器)消息信号£«£­e(t)积分器脉冲发生器发送端编码器抽样定时增量调制信号输出脉冲发生器积分器E£­E低通滤波器消息信号接收端译码器tx0tx0ˆtxtxˆtptpˆ增量调制系统仿真演示20bR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。定时脉冲x(t)相减器量化器脉幅调制器DPCM代码PCM编码器e(t)eq(t)积分器xq(t)(a)译码积分器低通(PCM译码器)(b)212.4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22传输系统旋转开关112233低通x2(t)低通x1(t)x3(t)低通低通x2(t)低通x1(t)x3(t)低通tx1tx2tx3tSTST2ST3ST4ST5txs1txs2txs3233(a)第1路；(b)第2路；(c)第3路；(d)3路合成的波形24二、时分复用的PCM系统放大和低通滤波x1(t)取样发定时(1路)话音1放大和低通滤波x2(t)取样发定时(2路)话音2放大和低通滤波x3(t)取样发定时(3路)话音3量化和编码码型变换去信道发端定时1路2路3路(a)xs3(t)xs2(t)xs1(t)码型反变换译码来自信道分离放大和低通滤波收定时(1路)分离放大和低通滤波收定时(2路)分离放大和低通滤波收定时(3路)1路输出2路输出3路输出(b)收端定时1路2路3路25时分复用PCM系统FLASH演示放大和低通滤波x1(t)取样发定时(1路)话音1放大和低通滤波x2(t)取样发定时(2路)话音2放大和低通滤波x3(t)取样发定时(3路)话音3量化和编码码型变换去信道发端定时1路2路3路(a)xs3(t)xs2(t)xs1(t)码型反变换译码来自信道分离放大和低通滤波收定时(1路)分离放大和低通滤波收定时(2路)分离放大和低通滤波收定时(3路)1路输出2路输出3路输出(b)收端定时1路2路3路26带宽设计：TDM—PCM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，k＝8时，话音信息的码元速率为：30×8×8000＝1920千波特。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。27三、32路PCM的帧结构12340TS5678910111213141516171819202122232425262728293031F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F1516帧、2ms32时隙256bit、125μs10011011000011111010111111帧定位时隙复帧定位码组保留给国际用(目前固定为1)保留给国内用奇帧识别码帧对告码奇帧TS0偶帧TS0TS1～TS15用于话路标志信号时隙x1x2x3x4x5x6x7x8段内码极性码复帧定位码组复帧对告和备用比特abcdabcd第1路第16路abcdabcd第2路第17路abcdabcd………第15路第30路F15F2F1F0段落码TS17～TS30用于话路TS31用于话路(目前固定为1)28从时间上讲：抽样频率为8KHz，抽样周期125µS，这也就是PCM30/32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32×8＝256bit，总码率为256比特/帧×8000帧/秒＝2048kb/s。29时隙分配:在PCM30/32路的制式中抽样周期为125μs，125μs为一帧。一帧内要时分复用32路，每路占用的时隙为13.9μs，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:①TS1~TS15,TS17~TS31为30个话路时隙。②TS0为帧同步码，监视码时隙。③TS16为信令(振铃、占线、摘机……等各种标志信号)时隙。30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488ns，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。31四、PCM的高次群30430路2.048Mb/s120路8.448Mb/s16480路34.386Mb/s1920路139.264Mb/s7680路565Mb/s444基群二次群三次群四次群五次群32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，ΔM序列等等都是数字信号。33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所示发送滤波器信道接收滤波器抽样判决输入{dk}噪声n(t)脉冲形成器同步提取电路码元再生输出{dk'}d(t)gT(t)cp定时脉冲y(t)yr(t)34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。353.1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：36(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373.1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。38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。39数字基带信号的常用码型10100110+E0（a（（（（NRZ（+E-E（b）（（（NRZ（+E0（c）（（（RZ（+E-E（d）（（（RZ（+E-E（e）（（（（f）AMI（+E-E（g（（（（+E-E（h（CMI（+E-E401、单极性非归零（NRZ）码二进制符号“1”和“0”