第9章模拟信号的数字传输4

第九章模拟信号的数字传输Content1模拟信号的抽样2模拟脉冲调制3抽样信号的量化4脉冲编码调制5差分脉冲编码调制6增量调制7时分复用和复接§9.6差分脉冲编码调制传输一路数字电话信号所需的速率要远大于传输一路模拟电话的速率。为了降低数字电话信号的比特率，改进办法——差分脉冲编码调制（DPCM，属于预测编码）预测编码：每个抽样值不是独立地编码，而是先根据前几个抽样值计算出一个预测值，再取当前抽样值和预测值之差，将此差值（预测误差）编码并传输。抽样值3.153.965.006.386.806.42量化值345676编码后011100101110111110§9.6差分脉冲编码调制预测编码若利用前面的几个抽样值的线性组合来预测当前的抽样值，则称为线性预测，若仅用前面的一个抽样值预测当前的抽样值，则成为差分脉冲编码调制预测器的输入输出关系：预测器的输入输出关系：§9.6差分脉冲编码调制预测编码P:预测阶数（predictionorder）

ai：预测系数（predictioncoefficient）式子表明预测值mk’是前面p个带有量化误差的抽样信号值的加权和。§9.6差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制原理预测器的输入输出关系：P=1a1=1，此时预测器相当于一个延迟电路。§9.6差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制原理延迟Ts为一个抽样间隔时间为了改善ＤＰＣＭ的性能，引入自适应差分脉码调制（ADPCM）§9.6差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制性能量化噪声功率：当预测误差ek的范围限制在（+σ，-σ）时，对信号的变化速度也有限制如果超过了此范围，编码器将发生过载（overload）即产生超过允许范围的误差。§9.6差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制性能为了分析输入信号，保证不产生过载的前提下，信号的最大斜率（信号变化的速度）σ——预测误差ek范围是（+σ

，-σ

）T——抽样点间隔当输入信号为一正弦波m(t)时，即§9.6差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制性能可得到信号功率为：由此，我们可以得到信号量噪比：结论：量噪比随编码位数N和抽样频率fs的增大而增加R§9.7增量调制增量调制简称ΔM或DM。是另一种模拟信号数字化的方法；——预测编码的一种，利用语音信号相邻抽样点之间都有一定的幅度关联性。PCM与ΔM区别：在PCM中，用一个码组来表示抽样，码组位数大于1；而ΔM仅使用一位码组来表示抽样；ΔM这位码不是用来表示抽样值的大小，而是表示抽样的时刻波形变化的趋势。——本质区别

§9.7增量调制DM可以看成是一种最简单的DPCM，当DPCM系统中的量化器的量化电平数为２时，此DPCM系统就成为增量调制系统。§9.7增量调制与PCM方式相比，其优点：（1）在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于PCM（2）增量调制的抗误码性能好（3）增量调制编译码器简单§9.7增量调制所谓增量调制就是将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化，而且只对这个差值的符号进行编码。显然，数码“1”和“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减，而不代表信号值的大小。因此量化只限于正和负两个电平，也就是说用一位码来传输一个抽样值。如果差值为正，则发“1”码；如果差值为负，则发“0”码。§9.7增量调制§9.7增量调制ΔM译码器的工作过程如下积分器遇到“1”码(即有+σ脉冲电压)，就以固定斜率上升一个σ；遇到“0”码(即有—σ脉冲电压)，就以固定斜率下降一个σ。由图可以看到，积分器的输出波形并不是阶梯波形，而是一个斜变波形。但因ΔE=σ，故在所有抽样时刻ti上斜变波形与阶梯波形有完全相同的值。因而，斜变波形与原来的模拟信号相似。积分器输出的斜变波经低通滤波器之后就变得十分接近于信号S(t)。§9.7增量调制△M系统的过载噪声△M系统的量化噪声§9.7增量调制9.7.2增量调制系统中的量化噪声当信号频率过高时，本地译码信号Sl(t)会跟不上信号的变化，称为过载。

由于ΔM信号是按台阶△来量化的，因而也必然存在量化误差eq(t)，也就是所谓的量化噪声。§9.7增量调制σTS△M系统的过载噪声△M系统的过载噪声Sl(t)所能跟上的信号最大斜率为σ/Ts——称为临界过载情况下最大跟踪斜率K

因此为避免斜率过载必须使△M系统的过载噪声量化台阶σ大，则产生的量化噪声大，σ小，则产生的噪声小；采用大的σ能减小过载噪声，但σ的增大却使得量化噪声增加了。因此，σ值应适当选取

△M抽样频率要比PCM高的多（2倍以上）!△M系统的量化噪声注意：上述量化噪声功率并不是系统最终输出的量化噪声功率通常认为量化噪声的功率谱在量化噪声功率谱为经截止频率为fm的低通滤波（LPF）后，输出量化噪声功率：内均匀分布，即：△M系统的量化噪声△M系统的量化噪声下面来考虑信号的量噪比其斜率为：

输入正弦信号：

其斜率最大值为：

为了不产生过载噪声，则：

则不过载的临界振幅为：

△M系统的量化噪声临界过载时△M最大量化信噪比：上式表明：△M的信噪比与抽样频率的三次方成正比，与信号频率的平方成反比，所以在△M系统中，提高抽样频率将能显著增大信号量噪比。PCM系统与△M系统性能比较（1）传输PCM信号所需的信道带宽要宽得多（2）从设备的复杂程度来比较二者的性能ΔM系统最突出的优点是设备简单，特别是在单路应用时不需要收发同步设备。因此，路数多时用PCM合适，路数少时用ΔM较合适。R§9.8时分复用和复接“复用”是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个可以在同一个信道上传输的复合信号地方法。（复用技术也是现代通信系统中的关键技术）例：在电话系统中，传输的语音信号频谱在300～3400Hz之间，为了使若干这种信号能在同一信道上传输，可以将他们的频谱调制到不同的频段，合并在一起而不致互相影响，并在接收端彼此分离开来。多路信息在同一信道中传输的复用技术，通常有三种形式：频分复用、时分复用和码分复用。频分复用：不同的基带信号占据不同的频率区间时分复用：不同的基带信号占据不同的时间空间§9.8时分复用和复接TDM和FDM的差别：TDM在时域上是各路信号分割开来的，但在频域上是各路信号混叠在一起的FDM在频域上是各路信号分割开来的，但在时域上是各路信号混叠在一起的时分复用原理：时分复用的主要特点是利用不同的时隙来传送各路不同信号。PAM时分复用§9.8时分复用和复接§9.8时分复用和复接上图中，假定每路信号采用n比特编码，各路时间上互不重叠，每一路的抽样频率必须符合抽样定理要求！每一路占用的时间间隔宽度TC没有具体限制，显然，TC越小，则能传输的路数越多12…n12…n12…n~~1路2路N路3路1路(Ts_抽样间隔)TcPCM时分复用1、复用：TDM的两个优点：1、多路信号的汇合和分路都是数字电路，比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠.2、信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真与高次谐波，引起路间干扰，因此对信道的非线性要求很高，而TDM系统的非线性失真要求可降低.为了能正确识别出各路序号，需要在各帧内加入同步信号__称为帧同步帧结构的概念：每个抽样间隔Ts内，各路信号依次抽样一次，连通同步信号和控制信令按照某种固定方式排列起来的一组脉冲序列，叫做一帧一帧中相邻两路信息之间的时间间隔叫时隙，未被信息占用的时隙部分叫作防护时间§9.8时分复用和复接数字通信网中，把若干低速数字信号合并成一个高速数字信号进行传输的技术叫做数字复接数字复接系统包括数字复接器和数字分配器，框图如下：定时码速调整复接支路复接器合路同步定时分接恢复支路分接器外时钟数字复接器是把两个或两个以上的低速信号按照时分复用的方式合并成一个高速数字信号的设备数字分接器是把一个合路信号分解成相应低速数字信号的设备2、复接：§9.8时分复用和复接时分制多路电话通信系统，有两种数字体系：1、准同步数字体系（PlesiochronousDigitalHierarchy,PDH）：（E体系、T体系）2、同步数字体系(SynchronousDigitalHierarchy,SDH)：§9.8时分复用和复接在数字通信系统中，传送的信号都是数字化的脉冲序列。这些数字信号流在数字交换设备之间传输时，其速率必须完全保持一致，才能保证信息传送的准确无误，这就叫做“同步”。系统在数字通信网的每个节点上都分别设置高精度的时钟，这些时钟的信号都具有统一的标准速率。尽管每个时钟的精度都很高，但总还是有一些微小的差别。为了保证通信的质量，要求这些时钟的差别不能超过规定的范围。因此，这种同步方式严格来说不是真正的同步，所以叫做“准同步”。

1、准同步数字体系控制信号控制信号码速调整mfl同步复接

fh同步分离码速恢复flm由系统框图可知：每一个参与复接的码流都先经过一个单独的码速调整装置，把准同步码流变成同步码流，然后再进入同步复接器进行复接。在接收端：先实施同步分离，得到同步分接码流，然后再各自经过码速恢复装置，恢复成原来的准同步支路码流。fmCCITT推荐了两种基群复接系统，即PCM30/32路（属于2048Kb/s速率系列)，和PCM24路（属于1544kb/s速率系列），这两种系统都属于同步复接，并以PCM字交织为基础PCm30/32路基群复接系统参见P291图9－32所示该系统使用32个时隙构成一帧（路），其中由2个时隙用于同步和信令，其他30个时隙分配给数字电话信道1、准同步数字体系1、准同步数字体系每路语音信道以fs＝8KHz的速率轮流抽样，然后将样值进行A率，（A＝87.6）13折线8位非线性编码，各路信号以TDM方式组合可见由于抽样频率fs＝8KHz,所以每帧长度为Ts＝1/fs＝125us，每路时隙占时Ts/32=125/32=3.90625us,每位码占Ts/(32*8)=488.28125ns1)帧结构由图可见系统由16帧组成一个复帧，编号从F0～F15，因此复帧周期为Ts×16＝2ms，频率为500HZ（等于1/(Ts*16))TS0:在每帧中时隙TS0在偶数帧中用作帧定位信号，在奇数帧中用作帧定位丢失报警信号TS16：在F1～F15各帧中，时隙TS16用作传递30个电话信道的信令，每路4bit，a，b，c，d）在F0帧时隙TS16前四位码用来传递复帧同步码组（或叫定位码组）0000，第六位用作对发端的信令，传递关于在一个传输方向上接收端同步信号丢失的信息。1、准同步数字体系2）帧定位该系统的帧定位信号是偶数帧的时隙TS0的第二位到第8位码型为0011011，第一位码“×”保留作国际电话间通信用。帧同步的奇数帧时隙TS0的第二位固定为“1”，以避免接收端错误识别为帧同步码，第三位A用于远端告警，正常时为0。跨国链路上全为13）信令TS16可用于传输信令，但当无需传输信令时，它也可以像其他30路一样用于传输话音。1、准同步数字体系共路信令随路信令由于每帧的时隙TS16的8bit编码都用于信令的传输3）信令1、准同步数字体系随路信令帧比特12345678F00000xyxxF1CH1CH16F2CH2CH17F3CH3CH18………F15CH15CH302、同步数字体系SONET——同步光网络SDH——同步数字体系准同步数字体系当总比特率增高时，会产生很大的开销，当比特率更高时，就不采用这种准同步数字体系，转而采用同步数字体系（SDH）SDH——由STM（同步传送模块）传送——由信息有效负荷（净负荷）和段开销（SOH）2、同步数字体系SDH的帧结构2、同步数字体系2、同步数字体系SDH功能区整个帧结构分为三个功能区一、段开销区（SOH），是指STM结构中为了保证信息正常运转而供网络运行、管理和维护所使用的附加字节。这些段开销包括再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）二、净负荷区：净负荷区内存放的是有效传输的信息，它是由有效传输的信息加上部分用于通道监视、管理和控制的通道开销（POH），POH被视为净负荷的一部分。并与之一起传输，直到接收端该净负荷被分接。三、管理指针（AU－PTR）实际上是一组数码，其值代表净负荷中信息的起始字节的位置，这样在接收端可以根据指针所指的位置正确分解出有效传输信息。2、同步数字体系1．终端复用器（TM）终端复用器是将PDH支路信号或者将低速率的SDH信号复用进高速率的SDH设备，主要应用在PDH和SDH的边界，将各类低速信号进入高速线路的传输场合上。SDH传输网的典型拓扑结构2、同步数字体系2．分插复用器（ADM）分插复用器是SDH中的重要设备，也是应用最广泛的设备。它实现了低速率信号灵活插入到高速率信号之中或者从高速率信号中分出的功能。2、同步数字体系3、首先每个