第5章数字光纤通信系统解析

1、第5章数字光纤通信系统5. 1两种传输体制5. 2系统的性能指标5. 3系统的设计返回主目录预备知识一数字通信基本原理a数字通信的基本概念a脉冲编码调制（P CM）a时分多路复用及PCM30/32路系统 a 数字复接技术一一准同步数字体系（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。S(r)(b)抽样信号图0-1模拟信号电话、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。3一 3131 - 134110 010 21r-一 1-2-(G二进码_3(b)多进码图0-2数字信兮电报信号、数据信号 从以上分析可

2、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。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04所示。发送端噪声貢II接收端一图0-4数字通信系统构成模型信源: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

3、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

4、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04 方框图完全一样，例如： 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。 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。 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。 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

5、. 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

6、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。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

7、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（D有效性指标有效性指标具体包括以下三项内容。信息传输速率（R）信息传输速率简称传信率，也叫数码率（常用仇表示）。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/rF是复用的路数，I是编码的码位数。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）oR = Nlog2M一个符号要用log2M个代码来表示（

8、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。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符号速率 频帯宽度CBd/Hz)信息传输速率频带宽度(.bit Is.Hz)（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

9、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。WO 7 PCM迪信系统（甚带传输）由图中可以看岀，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。 描样一是把模拟信号在时间上离散化，变为脉冲幅度调制（PAM）信号。 量化一是把PAM信号在幅度上离散化，变为量化值（共有N个量化值）。 编码一是用二进码来表示N个量化值，每个量化值编I位码，则有225（2）信道部分信道部分包括传输线

10、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

11、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0 8所示。袖样门冲 ST(O图08抽样过丹(2)理想抽样的频谱丁一抽样周期A-|抽样频率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 (3)与原始模拟话音信号m (t) 的频谱M(3)对比图为了避免产生折叠噪声，对频带为0的话音信号， 其抽样频率化必须满足下列条件：所以化 M 2件或TW 1/( 2fm)BP： “一个频带限制在fz以下的连续信号m(t),可 以惟一地用时间每隔丁

12、W 1/( 2你)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二8000 Hz,这 样就留出了 80006800二1200Hz作为滤波器的防卫带。s(r)卫(b)几2几时抽样倍号的頻谱图0-】0抽样/)的影响注意：抽样频率代不 是越咼越好，化太咼 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 1

13、1所示。图0-11话音信号的概率密度分布曲线数，勢熾隸牆摘懿嵩黯匀等分个小间隔。二 2U/NN称为量化级fil化电平U =44535 2 5 5 3 2 10过载区非过载区 (量化区)-05厶 a -15A -24 -254-3Q -354 U = 4d77777 77 7 7k7 7/ z过箴区样值1.8a4.4d33A2.2A 0M- 1 8a-28A23A化值15a3.5a3.542. SA 0.5a- 1.5-25Q253量化误養d20r111117To厂2T3T4T5T6TT2可以看岀，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（t

14、） = /?（量化区）e林住） （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N26dB）, 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

15、 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。模拟压扩法1V均匀MS XII解码扩张人辰花1ZI发竭图013 模拟压扩法方框图在发端，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S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f ,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。（a）压缩為特性（b）扩张犒待性国0-14压缩器、斬张器特性要求：当输入u=0时，输出v=0；当输入u=U（过载电压）时，输出 v=Uo而且

16、要求扩张特性要严格地与压缩特性相反，以使压 缩一一扩张的总传输系数为1,否则会产生失真。直接非均匀编解码法实现非均匀量化的方法，目前一般采川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。衰0-35折线压缩特性橫坐标化间隔的划分及輪码安排味化何隔（）折袂二进码/ = 3）2-41 1 11-21 1 0正0.5-11 0 10-0.51 0 00- -0.50 0 0tn-0.5- - 10 0 1 1 * -20 ! 0-2 * 40 1 1（3律1 3折线压 缩特性为了便于编 码，便于数字化 实现，希望非均

17、匀量化间隔的划 分严格地成2的倍 数关系。图0-15 A律13折线压细待性4. 编码与解码这里的编码指的是根据A律1 3折线非均匀量化问隔的划分 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：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“0；正负样值的绝对值相等时，其幅度码（后几位码）相等。A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1 6等份，每一份称为一个量化级。量化级数.N = 2（正负极性）X8（段）X16（等分）=256, 根据码字位数I与量化级数N的关

18、系（即N二29 ,当N二256时， I二8,即每个样值编8位码（称为一个码字）。信号正、负极 性用引表示；幅度为正（或负）的8个非均匀量化段用三位 码a?, a3,引表示，称段落码（非线性码）；每一量化段内 均匀分成16个量化级，用引，a6, a7,引四位码表示，称 段内码（线性码）。表0-48位码的安排极性码段落砂段内网fl2 fl3a$ 6 a? a.估号为正时.0! = 1傅号为负时畋=0三、时分多路复用及PCM30 / 32路系统1.时分多路复用通信（1）时分多路复用義和/）多路复用时河仃）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

19、 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。时分多路复用的概念图016时分制示意图所谓时分多路复用（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。PCM时分多路复用通信系统的构成LP 金路 FA竺” 唱峠汁旳 S“ (t)?n(“3 路|3车寸53()St!)图0-17 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将频带限制在抽样合路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

20、噪声。抽样间隔均为T二125（化二8kHz）。样值保持1路2路2路3路1路3跄分路图0-19时分多路复用示您图几个基本概念: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（J）是合路的PAM信号每个样值所允许占的 时间间隔（tc=T/n） o位时隙I位码的时间（tB=tc/l） O由此可推导岀数码率的公式为：（3）时分多路复用系统中的位同步为了保证在接收端能正确接收或者说能正确区分每一路 信号，时分多路复用系统中收、发两端应做到同步，主要包 括位同步（即时钟同步）和帧同步。数字通信是时分制多路通信，各类信号的传输与处理都 是在规定的时间内进行

21、的，所以收、发两端都有时钟信号进 行统一的控制。所谓时钟同步是使收端的时钟频率与发端的时钟频率相 同（时钟频率与二进制数字信号的数码率数值一样）。时钟同 步保证收端正确识别每一位码元（所以时钟同步也叫位同步）， 这相当于图019中两端旋转开关的旋转速度相同。（4）时分多路复用系统中的帧同步帧同步是保证收发两端相应各话路要对准，即在接 收端正确接收（区分）每一路信号。这相当于图019中 旋转开关的起始位置相同。为了做到帧同步，要在每个帧的第一个时隙安排标 志码（即帧同步码），以便接收端识别判断帧的开始位置 是否与发端的相对应。因为每帧内各路信号的位置是固 定的，如果能把每帧的首尾辨别岀来，就可正

22、确区分每 -路信号，即实现帧同步。2. PCM30 / 32路系统（1 ）PCM30 / 32路系统（称为基群或一次榔）的帧结构图。祯同步路F2?5（125m532个略时冰265比待路时療3.9ms卄8比笛| 话路话路|伯令路话路|IS15談失步对告保留给国内用 （BJttJffl 定为 1）码垃 12 3 4 5 6 7 88比待TTSI6阴 dmngnnCH1 佰令玛CH16 1ns Mp|6|al山1小1CHISCH30信令码F1 恤IIE 0-20 PCM3O/32 路系统*结沟同步:A1 =0: A2 - 0 夫步；Al = I; A2 = l2. PCM30 / 32路系统（DPC

23、M30 / 32路系统帧结构图0-20是PCM30 / 32路系统（称为基群，也叫一次群）的帧结构图。前面已知，话音信号根据原CCITI、建议采用8kHz抽样，抽样周期为 125us,所以一帧的时间（即帧周期）T=125uso每一帧由32个路时隙组成（每 个时隙对应一个样值，一个样值编8位码），其中：30个话路时隙（TS|TS TS门TSGTS,-TSI5分别传送第115路（CHCH|5）话音信号，TSTS31分别传送第 1630路（CH 16CH30）话音信号。帧同步时隙（隅）为了实现帧同步：偶帧TS。发送帧同步码0011011:偶帧TS。的8位码中第1位保留给国 际用，暂定为1,后7位为帧

24、同步码。奇帧TS发送帧失步告警码。奇帧TS。的8位码中第1位也 保留给国际用，暂定为1。其第2位码固定为1码，以便在接 收端用以区别是偶帧还是奇帧（因为偶帧的第2位码是0码）。第3位码A1为帧失步时向对端发送的告警码（简称对告码）。 当帧同步时，A1为0码；帧失步时A1码为1码。以便告诉对端, 收端已经出现帧失步，无法工作。其第48位码可供传送其他信息（如业务联络等）。这几位码未使用时，固定为 1码。这样，奇帧TS。时隙的码型为1 1 A1 1 1 1 1 1o信令与复帧同步时隙（TSI6）为了起各种控制件用，每一路话咅信号都有相应的信令信号，即要传 信令信号。由于信令信号频率很低，其抽样频率

25、取5OOHz,即其抽样周期为 而1=125usX16=16 T（丁二125s）,而且只编4位码（称为信令码或标志信号 码，实际一般只需要3位码），所以对于每个话路的信令码，只要每隔16帧 轮流传送一次就够了。将每一帧的TSm传送两个话路信令码（前四位码为一 路，后四位码为另一路），这样15个帧（斤戸5）的TSn可以轮流传送30个话 路的信令码（具体情况参见图0-20） o而F。帧的TS传送复帧同步码和复帧 失步告警码。16个帧称为一个复帧（F。F15）o为了保证收、发两端各路信令码在时 间上对准，每个复帧需要送出一个复帧同步码，以保证复帧得到同步。复 帧同步码安排在F。帧的TSg时隙中的前四位

26、，码型为00001,另外F。帧TSw 时隙的第6位A2为复帧失步对告码。复帧同步时，A2码为0码，复帧失步时 则改为1码。第5, 7, 8位码也可供传送其他信息用。如暂不用时，则固定 为1码。需要注意的是信令码b，b, c, d不能同时编成0码，否则就无法 与复帧同步码区别。对于PCM30 / 32路系统，可以算岀以下几个标准数据：(a) 帧周期125us,帧长度32 X 8=256比特(1=8)(b) 路时隙tc=T/n=125us/32=3. 9us(c) 位时隙厲=tc /l= 3. 9us/8二0. 488us(d) 数码率 f b二 fs-n-l =8000 X32X 8二2048kb it / s(2)PCM30 / 32路系统的构成桩图某本构成包括抽样.帚:化.编解码及时分多路复用等，如图所示。标志信号发合路S02分路分跄门放大低通编码分离发衮廉道匸帧岡步码