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ZXA10光纤接入网系统培训教材第一章通信基础知识1.1数字信号与模拟信号什么是数字信号？什么是模拟信号？一般来说，数字信号必须满足在时间和信号幅值上是离散的，相反模拟信号在幅值上是连续的。图1.1-1模拟信号和数字信号波形示意图1.2数字化模型图1.2-1是一个数字通信系统方框图.图1.2-1PCM数字通信系统方框图模拟信号要变换成二进制数字信号一般必须经过取样、量化和编码三个处理过程。脉冲编码调制（PCM）也是如此。取样（Sampling）是将时间和幅度都连续的模拟信号变换成时间离散的幅度连续的另一种模拟信号，这种模拟信号也称为脉冲幅度调制（PAM）信号。为了使取样后的PAM信号能在接收端完全无失真地恢复为原始信号，取样周期应该满足奈奎斯特定理。量化（Quantization）是将幅度连续的样值进行幅度的离散化（又叫分层），使幅度连续的模拟PAM信号的变换成为多进制的数字信号。由于通常的数字通信系统和计算机中都采用二进制信号，所以对多进制的数字信号再进行二进制编码，使之最终成为二进制数字信号。1.2.1取样---时间上的离散化图1.2-2是取样脉冲序列P(t)对模拟信号S（t）进行采样、量化的原理框图及有关部分波形。图1-2.2模拟信号的抽样、量化、编码要从取样后的信号无失真地恢复出原始信号S（t），必须使取样频率fs满足如下奈奎斯特定理。奈奎斯特定理：一个频带受限于BHz的信号S（t）可以唯一地用周期为1/fs的样值系列确定,只要fs≥2B即可。也就是说，一个信号的取样值完全无失真地恢复原信号，抽样频率必须满足下列条件：fs≥2B（Hz）或者TS≤1/2B（秒）这里fs也称为奈奎斯特频率（NyquistFrequency）,Ts称为Nyquist时间间隔。在电话通信中，话音频带为300-3400Hz，实际上取样频率fs取为8000Hz2B=23400Hz=6800Hz。这样不仅可保证取样后的信号不会产生混叠现象而且在频谱上还有一定的防卫带。对于一般人来说，话音频率300-3400Hz内的频率分量较大，超出此范围的频率分量明显减小（高低音歌唱演员除外），所以用电话听歌的效果并不好。1.2.2量化---幅度上的离散化如上所述,采样后的信号仍是模拟的PAM信号，要以数字方式进行传输，还必须对PAM信号进行幅度的离散。图1.2-2也表示了量化的过程。由图可见，量化的过程就是对模拟的取样信号的幅值四舍五入地取整的过程。显然，这种四舍五入的处理结果必然会带来一定的误差，它就是所谓的量化误差（QuantizationError）。这种量化误差在人耳中产生的影响也是一种的噪声。这种噪声通常称之为量化噪声（QuantizationNoise）Nq（t）。一般量化有均匀和非均匀量化两类。均匀量化就是均匀地划分量化范围的量化。由于对量化范围内的大小信号均采用相等的量化阶距进行量化，造成大信号的SNR信噪比有富俗，而小信号的SNR又嫌不足，而我们的话音多为小信号，SNR越大音质越好。为了提高小信号的SNR，在实际电话话音取样值的量化过程中，都采用非均匀量化，即对大小信号分别采用不等大小的量化阶距，对小信号采用小的量化阶距，对大信号采用大的量化阶距，从而使大小信号具有基本相同的SNR。采用非均匀量化后，小信号时的量化噪声小，而大信号时的量化噪声大。这对于人耳收听来说，并没有什么影响，因为SNR并没有变小。实现非均匀量化过程的原理示意图如图1.2-3所示。图1.2-3压扩PCM传输系统在这里,非均匀量化的实现是使信号S(t)经过一个具有非线性特性的压缩器进行变换，使其小信号扩张，而大信号被压缩,从而得到压缩了的信号，再通过一个均匀量化器量化，这就等效于对取样后的信号进行非均匀量化。在收端，量化后的信号经过具有与压缩器相反特性的扩张器，使得小信号得以压缩而大信号则被扩张，从而还原出原来的PAM信号。需要指出的是，量化过程是一种不可逆过程，也就是说，在量化过程中不仅会不可避免地引入上述的量化误差，而且这种误差不可能通过一种逆变换得以消除。常用的压缩特性有A律（A=87.6）（欧洲和中国采用）和律（=255）（北美和日本采用），它们都是对数压缩律。当前国际上选A=87.6。1.2.3A律折线法编码/译码实现上述连续压扩特性需无穷多个量化级，实际上无法加以实现，为此通常采用数字电路分段进行压扩。这样不仅实现容易，而且成本低。A律压缩采用的就是十三折线法，见图1.2-4。A律压缩采用的就是十三折线法，一象限分8段（在时间轴以1/2递减规律分成8大段，分段点是1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128；幅度轴分8均匀段），1-8段斜率分别为1/4、1/2、1、2、4、8、16、16，7、8段斜率一样；一、三象限对称，故共13折线段。A律13折线压缩编码规则：信号样值有正有负,要用一位码来表示，这一位码叫极性码。正极性以比特“1”表示，负极性以比特“0”表示。13折线压缩律在第一象限有8大段，每一段斜率不同，故需要用3位码表示8个不同的段落，这3位叫段落码，它们也表示各段的起始电平。图1.2-4A律十三折线图示在每段落内再均匀分为16个小段。由于各段长度均不同，均分后各段内的小段的长度也不等。把第一段的一个等分作为一个最小的均匀量化间距△。在第1-8段内每小段依次应有1△、1△、2△……64△，如表1.2-1所示。表1.2-1各段内均匀量化级各段折线序号12345678各段落长度161632641282565121024各段内均匀量化级△△2△4△8△16△32△64△每个话音信号样值编码码组格式如下：D1D2D3D4D5D6D7D8极性码段落码段内码如果输入信号动态范围为-2048mv?/FONT+2048mv，则可得到表1.2-2所示的各段幅度范围的详表。例如编码器输入量化信号幅值为+135mv和-1250mv，则根据编码规律和表1.2-2可直接写出它们的编码分别为11000000和01110011。实现PCM编码的编码器有多种，但通常采用的是逐次反馈比较编码器。表1.2-2PCM各段电压幅度范围编码后的波形见图1.2-2的D（t）信号，在采样间隔（采样频率8000Hz时为125s）均匀分布8位串行数据。为了从数字信号恢复原模拟信号，需要对数字信号进行译码和滤波。译码是编码的逆过程，即将接收的PCM编码信号转换成与发端一样的量化信号。这可以根据码组中的段落码所对应的量化阶距值及四位段内码所对应的段序号值，求出原采样点对应的原量化值（绝对值）。译码器是一个积分过程，其充电速度快放电速度慢，其输出是一个非平滑的模拟信号，用低通滤波器对其滤波，滤除其高频分量，可使其平滑成模拟信号。尽管模拟信号的数字化（通常称为模数转换（A/D））及其逆过程（通常称为模数转换（D/A））可按上述步骤先后处理而得，但实际上模拟信号与数字信号之间的转换处理却是同时实现的。随着大规模集成技术的发展，现在一般将上述各项处理过程集成于一片专用芯片中。这类芯片有Intel2914、TP3067和MC145567等。图1.2-5是一个完整的信号变换过程。图1.2-5完整的信号变换过程1.2.4时分复用系统组成复用系统由复用器、复用线（MultiplexedHighway）和去复用器组成，如图1.2-6所示。复用器和去复用器总是成对出现的，也就是说复用系统是一种可逆系统。图1.2-7及图1.2-8给出了四个低速用户信号（称为支路信号）共享一条高速传输线的一个的时分多路复用系统图。TDM复用器给每个用户分配一个固定的时间段（称为时隙或TS-timeslot）。图1.2-6复用系统组成无论何时，每个用户只能在分配给它的时隙内发送信息，用户无信息发送时，他们的时隙就会处于空闲状态，别人也不能利用。TDM采用固定帧长结构，它根据时隙在帧内的相对位置来识别用户信道，要求时隙周期地出现，因此需要有同步信号来进行时隙定位。程控数字交换机中都采用数字时分复用技术，即数字复接技术。1.2-7四路信号复用过程示意图最基本的时分复用为32路时分复用（欧洲、中国体系），称为一次群，速率为2.048MHz。其对应的PDH时分复用系列速率为8.448MHz、34.368MHz、139.264MHz、565.992MHz，分别称为二次群、三次群、四次群和五次群。其对应的SDH时分复用系列速率为155MHz（STM-1）、622MHz（STM-4）和2.5GHz（STM-16）。1.2.5PCM基群格式PCM基群系统是数字设备之间最基本的数字信号借口，它包含32个时隙，TS0作为帧同步时隙，其余为信令或话路时隙。对于局间采用七号信令（共路信令）时，TS1-31中的任意一个时隙可作为信令时隙，二个局之间要协商好。对于局间采用一号信令（随路信令）时，TS16作为线路信号信令时隙，每路线路信号占用4bit。30个话路只有8bit信令信息,这显然是不够的，为此采用复帧结构，即由16个单帧组成一个复帧（Multi-frame）。这样安排就可以保证在2ms时间内为每个话路分配到4个信息比特。随路信令PCM30/32基本的复帧、单帧格式见图1.2-9所示:从图可见，在125s取样周期内，每一话路轮流传送8bit话音码组一次，每个话路占用一个时隙。30个话路加上同步和信令时隙共同组成一个单帧。TS0用于传输帧同步码，TS16用于传输各路的线路信号（如占用、被叫摘机、主叫挂机、强拆等）。在一个单帧中，PCM30路系统的特征数据如下：话音频带300-3400Hz，取样速率8000Hz，帧周期125s，每样值编码比特8bit，每话路速率64kbit/s，每帧时隙数32，每帧比特数256，每帧PCM的话路数30，每时隙宽度3.9s，比特隙宽度0.488s，总的数据速率2.048Mb/s，压缩规律A律A=87.6。1.2.6线路编码设备内部码型是非归零码（NRZ），不适于在局间有线线路中传输。线路编码的目的主要在于使发送的信码与信道能很为好地匹配，便于提取时钟信号，线路编码信号要无直流，高低频分量均小，易提取基频分量，具有差错检测能力，误码少和实现简便。在数字交换机中，常用的线路码有AMI和HDB3两种，我国采用HDB3。下面介绍三个容易混淆的基本概念：1．HW（HighWay）的概念是基于时分复用原理的多个同一类信号的复用，一般有2M、8M的HW，属设备内部信号的概念，是NRZ码型。2．PCM的概念是基于时分复用原理的设备间的数字中继，对于32路时分复用，TS0固定为同步信号，而其它时隙用于传送业务信号或控制信号。PCM指传输接口，符合G.703规范，一般为HDB3或AMI码。对于局间NO.1信令，TS16传送其线路信号（表示线路状态），记发器信号采取随路方式，故称随路信令。对于局间NO.7信令或非标准信令，TS1-31的任一时隙可以传送业务信号或控制信号（信令），只要双方协商好。3．E1接口的概念是时分复用体系的概念：中国及欧美采用2M（一次群）、8M（二次群）、34M（三次群）、139M（四次群）PDH系列，E1指2M（一次群）的32路时分复用。拉美、日本采用1.5M（一次群）、6.3M（二次群）、32M（三次群）、100M（四次群）PDH系列，T1指1.5M（一次群）的24路时分复用。以上三个概念易混淆，且速率皆一样。1.3T型数字交换网络（DigitalSwitchingNetwork）交换是交换机所要完成最基本的任务,即不仅要能实现本局交换机的两用户之间的连接，而且还要实现任一用户与任一中继电路的连接。只有这样，才能通过交换机不仅实现同一局的任一用户间的通信，而且可能实现本局用户与所有的可能达到的本地网、全国网、全球网的其他用户间的通信。数字交换网络是交换机中实现这种交换的关键。对于一个大容量的程控数字交换机来说，进入数字交换网络的用户数字数据流，既有来自同一母线（HW）上的数字复接的数据流，也有来自不同母线上数字复接的数据流。因此，一般组成数字交换网络的部件，不能只有一级交换网