教學(xué)活動 學(xué)習(xí)數(shù)字基帶系統(tǒng)組成、功能和應(yīng)用。

1、1,單元一 話音在光纖通信系統(tǒng)中的傳輸任務(wù)2話音在數(shù)字基帶系統(tǒng)中的傳輸 教學(xué)活動 學(xué)習(xí)數(shù)字基帶系統(tǒng)組成、功能和應(yīng)用。,2024/3/17,2,第二章 模擬信號的數(shù)字化傳輸,2.1 引言 2.2 脈沖編碼調(diào)制 2.3 增量調(diào)制 2.4 時分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng),3,2.1 引言,通信系統(tǒng)可以分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩類，本章在介紹抽樣定理和脈沖振幅調(diào)

2、制的基礎(chǔ)上，將著重討論用來傳輸模擬語音信號常用的脈沖編碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制(ΔM)原理及性能，并簡要介紹時分復(fù)用與多路數(shù)字電話系統(tǒng)原理的基本概念。,4,脈沖編碼調(diào)制的概念是1937年，由法國工程師Alec Reeres 最早出來的。1946年美國Bell實驗室實現(xiàn)了第一臺PCM數(shù)字電話終端機。 1962年，晶體管PCM終端機大量應(yīng)用于市話網(wǎng)中 局間 中繼線，使市話電纜傳輸電話路數(shù)擴大24－30倍。 70年代

3、后期，超大規(guī)模集成電路的PCM編、解碼器的出現(xiàn)，使光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信獲得了更廣泛的應(yīng)用,5,2.2 脈沖編碼調(diào)制,模數(shù)轉(zhuǎn)換要經(jīng)過抽樣、量化和編碼三個步驟。 抽樣：時間離散化 量化：幅度離散化 編碼：轉(zhuǎn)換為二進制碼,6,PCM單路抽樣、量化、編碼波形圖,7,一、抽樣定理,抽樣定理的具體內(nèi)容如下： 一個頻帶限制在(0，fH)內(nèi)的時間連續(xù)信號x(t)

4、，如果以不大于（1/2fH)秒的間隔對它進行等間隔抽樣(也就是fS≥2fH )，則x(t)將被所得到的抽樣值完全確定。 信號：最高頻率f H ，限帶(0，f H)描述。 無失真恢復(fù)條件：,8,抽樣定理FLASH演示,9,關(guān)于抽樣的結(jié)論： （1） XS (ω)具有無窮大的帶寬；（2）只要抽樣頻率 fS≥2fH ， XS (ω) 中n值不同的頻譜函數(shù)就不會出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象；（3） XS (ω) 中n = 0時

5、的成分是 X (ω)/T ，因此只要用一個帶寬B 滿足的理想低通濾器，就可以取出的成分，以 不失真地恢復(fù)x(t)的波形。,抽樣定理仿真演示,10,二、脈沖振幅調(diào)制(PAM),,11,脈幅調(diào)制的工作原理：就是脈沖載波的幅度隨基帶信號變化的一種調(diào)制方式。,12,三、模擬信號的量化 量化：用有限個電平來表示模擬信號抽樣值被 稱為量化。 量化誤差:

6、量化后的信號和原來信號存在誤差， 這種誤差被稱為量化誤差。 均勻量化：把原來信號的值域按等幅值分割的 量化過程被稱為均勻量化。量化階的Q 值越大， 用以表述的二進制碼組越長，得到的量化信噪比 越大，信號的逼真度 就越好。,13,14,非均勻量化: 非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。對于信號取值小的區(qū)間， 其量化間隔也小，反之，量化間隔就大。這樣

7、可以提高小信號時的量化信噪比，適當(dāng)減小大信號時的信噪功率比。優(yōu)點： 適合于非均勻分布信號情況；量化噪聲對大、小信號的影響大致相同，即改善了小 信號時 的量化信噪比。,15,四、編碼和譯碼 編碼、譯碼： 把量化后的信號電平值變換成二進制碼組的過程稱為編碼，逆過程稱為解碼。  量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器(A/D變換器), 譯碼與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變換器(

8、D/A變 換器)。,PCM編譯碼系統(tǒng)仿真演示,16,2.3 增量調(diào)制,一、編碼的基本思想,假設(shè)一個模擬信號x(t)，我們用一時間間隔為Δt，幅度差為±σ的階梯波形x′(t)去逼近它， 如圖所示。只要Δt足夠小，即抽樣頻率fs=1/Δt足夠高， 且σ足夠小，則x′(t)可以相當(dāng)近似于x(t)。我們把σ稱作量階， Δt=Ts稱為抽樣間隔。,17,用階梯或鋸齒波逼近模擬信號,18,二、譯碼的基本思想 收到“1”碼上升一

9、個量化階，收到“0”碼下降一個量化階，這樣就可以把二進制代碼經(jīng)過譯碼變成 這樣的階梯波。,三、簡單增量調(diào)制系統(tǒng)框圖,判決器是用來比較 x(t)與 x0(t) 大小，在定時抽樣時刻如果 x(t)-x0(t)＞0輸出’1’； x(t)-x0(t) ＜0輸出’0’。,19,三、簡單增量調(diào)制系統(tǒng)框圖,增量調(diào)制系統(tǒng)仿真演示,20,四、脈碼增量調(diào)制(DPCM) 綜合了增量調(diào)制和脈沖編碼調(diào)制兩者特點的調(diào)制方法進行編碼，這種編碼方式

10、被簡稱為脈碼增量調(diào)制。,21,2.4 時分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng),多路復(fù)用通信方式定義： 在一個信道上同時傳輸多個話音信號的技術(shù)。復(fù)用技術(shù)有多種工作方式，例如頻分復(fù)用、時分復(fù)用以及碼分復(fù)用等。一、 PAM時分復(fù)用原理,22,23,3 路時分復(fù)用波形(a) 第 1 路； (b) 第 2 路； (c) 第 3 路； (d) 3路合成的波形,24,二、 時分復(fù)用的PCM系統(tǒng),25,時分復(fù)用PCM系統(tǒng) FLASH演示,

11、26,帶寬設(shè)計： TDM—PCM的信號代碼在每一個抽樣周期內(nèi)有Nk個，這里N表示復(fù)用路數(shù)，k表示每個抽樣值編碼的二進制碼元位數(shù)。 在32路PCM系統(tǒng)中，只計話音信息碼，它有30路，當(dāng) fs=8k，k＝8時，話音信息的碼元速率為：30×8×8000＝1920千波特。但是，當(dāng)考慮振鈴碼和同步碼后2048千波特，也就是相當(dāng)于32個話路。帶寬為2MHz。,27,三、 32路PCM的幀結(jié)構(gòu),28,從時

12、間上講： 抽樣頻率為8KHz，抽樣周期125µS，這也就是PCM 30/32的幀周期； 一復(fù)幀由16個幀組成，復(fù)幀周期為2ms； 一幀內(nèi)要時分復(fù)用32路，每時隙包含8位碼組。 從傳碼率上講： 每秒鐘傳送8000幀，每幀32×8＝256bit，總碼率為256比特/幀×8000幀/秒＝2048kb/s。,29,時隙分配: 在PCM

13、 30/32路的制式中抽樣周期為125μs，125 μs為一幀。 一幀內(nèi)要時分復(fù)用32路，每路占用的時隙為13.9 μs，稱為一個時隙。 因此一幀有32個時隙，按順序編號為TS0、TS1、……、 TS31。 時隙的使用分配為: ① TS1~TS15, TS17~TS31為30個話路時隙。  ② TS0為幀同步碼，監(jiān)視碼時隙。  ③ TS16為信令(振鈴、

14、占線、摘機……等各種標(biāo)志信號)時隙。,30,話路比特的安排。 每個話路時隙內(nèi)要將樣值編為8位二元碼，每個碼元占488 ns，稱為一比特。TS0時隙比特分配。 為了使收發(fā)兩端嚴格同步，每幀都要傳送一組特定標(biāo)志的幀同步碼組或監(jiān)視碼組。幀同步碼組為“0011011”。 TS16時隙的比特分配。 若將TS16時隙的碼位按時間順序分配給各話路傳送信令，需要用16幀組成一個復(fù)幀，分別用F0、F1、

15、……F15表示。,31,,四、 PCM的高次群,32,第三章 數(shù)字基帶與頻帶傳輸3.1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),3.1.1 數(shù)字基帶傳輸概述數(shù)字基帶信號: 來自數(shù)據(jù)終端的原始數(shù)據(jù)信號，這些信號往往包含豐富的低頻分量，甚至直流分量。如計算機輸出的二進制序列，電傳機輸出的代碼，或者是來自模擬信號經(jīng)數(shù)字化處理后的PCM碼組，ΔM序列等等都是數(shù)字信號 。,33,數(shù)字頻帶傳輸： 數(shù)字

16、基帶信號必須經(jīng)過載波調(diào)制，把頻譜搬移到高載處才能在信道中傳輸，我們把這種傳輸稱為數(shù)字頻帶（調(diào)制或載波）傳輸。 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示,34,數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)各部分的作用： 脈沖形成器：就是把原始基帶信號變換成適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?，這種變換主要是通過碼型變換和波形變換來實現(xiàn)的。信道：它是允許基帶信號通過的媒質(zhì)，通常為有線信道，如市話電纜、架空明線等。接收濾波器：是濾除帶外噪聲，對信道特性

17、均衡，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決。,35,3.1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),抽樣判決器：它是在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時刻對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號。 基帶系統(tǒng)的各點波形示意圖 ：,36,(a)輸入的基帶信號，這是最常見的單極性非歸零信號；(b)進行碼型變換后的波形；(c)對(a)而言進行了碼型及波形的變換，是一種適合在信道中傳輸?shù)牟ㄐ危?d)信道輸出信號，顯然由于信道頻率

18、特性不理想，波形發(fā)生失真并疊加了噪聲；(e)為接收濾波器輸出波形, 與(d)相比，失真和噪聲減弱；(f)位定時同步脈沖；(h)恢復(fù)的信息,37,3.1 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) 3.1.2數(shù)字基帶信號碼型,基帶信號的要求主要有兩點：（1）對各種代碼的要求，期望將原始信息符號編制成適合于傳輸用的碼型；（2）對所選的碼型的電波形的要求，期望電波形適宜于在信道中傳輸。,38,設(shè)計數(shù)字基帶信號碼型應(yīng)考慮以下原則： （1）碼型

19、中應(yīng)不含直流或低頻分量盡量少 ;（2）碼型中高頻分量盡量少 ;（3）碼型中應(yīng)包含定時信息 ;（4）碼型具有一定檢錯能力 ;（5）低誤碼增殖; （6）高的編碼效率；（7）編譯碼設(shè)備應(yīng)盡量簡單。,39,數(shù)字基帶信號的常用碼型,40,1、單極性非歸零（NRZ）碼 二進制符號“1”和“0”分別對應(yīng)正電平和零電平，在整個碼元持續(xù)時間電平保持不變。 單極性NRZ碼的主要特點： 有直流分量，無法使用一些交流耦合的線路

20、和 設(shè)備； 不能直接提取位同步信息； 抗噪性能差； 傳輸時需一端接地。,41,2、雙極性不歸零（NRZ）碼 “1”和“0”分別對應(yīng)正、負電平，其特點為： 直流分量小。當(dāng)二進制符號“1”、“0”等可能出現(xiàn) 時，無直流成分； 接收端判決門限為0，容易設(shè)置并且穩(wěn)定，因此抗 干擾能力強； 可以在電纜等無接地線上傳輸。,42,3. 單極性歸零（RZ）碼

21、歸零碼是指它的有電脈沖寬度比碼元寬度窄，每個脈沖都回到零電平。 優(yōu)點是可以直接提取同步信號，它是其它碼型提取同步信號需采用的一個過渡碼型。 4. 雙極性歸零（RZ）碼 雙極性歸零碼具有雙極性不歸零碼的抗干擾能力強及碼中不含直流成分的優(yōu)點，應(yīng)用比較廣泛。,43,5. AMI碼 這種碼型實際上把二進制脈沖序列變?yōu)槿娖降姆栃蛄?，其?yōu)點如下： 在“1”、“0”碼不等概率情況下，也無直流成分，

22、對具有變壓器或其它交流隅合的傳輸信道來說， 不易受隔直特性的影響。 若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端的完全相反， 也能正確判決。 便于觀察誤碼情況。,44,6. HDB3碼 AMI碼有一個重要缺點，即它可能出現(xiàn)長的連0串，會造成提取定時信號的困難。 HDB3碼的編碼規(guī)則為： （1）先把消息代碼變成AMI碼；（ 2）當(dāng)出現(xiàn)4個或4個以上連0碼時進行處理，即引 入破

23、壞碼V和補信碼 ；原來的二進制碼元 序列中所有的“1”碼稱為信碼，用符號B表示。,45,信碼B與破壞符號V的正負必須滿足如下兩個條件： ① B碼和V碼各自都應(yīng)始終保持極性交替變化的規(guī)律，以便確保編好的碼中沒有直流成分； ② V碼必須與前一個碼（信碼B）同極性，以便和正常的AMI碼區(qū)分開來。如果這個條件得不到滿足，那么應(yīng)該在四個連“0”碼的第一個“0”碼位置上加一個與V碼同極性的補信碼，用符號表

24、示，并做調(diào)整。,46,,例如：(a)代碼： 0 1 0000 1 1000 0 0 101(b) AMI碼：0 +1 0000 -1+1000 0 0 -10+1(c)加V： 0 +1000V+-1+1000 V+0 -10+1(d)加補信碼 0 +1000V+-1+1 B 0 0 V-0+10 -1(e) HDB3： 0+1000+1–1+1-1 0 0-1 0+1

25、0 –1 HDB3碼的譯碼卻比較簡單，同時它對定時信號的恢復(fù)是極為有利的。HDB3是CCITT推薦使用的碼之一。,47,3.1.3 眼圖,眼圖就是用實驗方法宏觀監(jiān)測系統(tǒng)的性能。眼圖的概念： 眼圖是指利用實驗的方法估計和改善（通過調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時在示波器上觀察到的一種圖形。 從“眼圖”上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，從而估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度。,48,1. 無噪聲時的眼圖,49,眼圖的“眼睛”張開的大小反

26、映著碼間串?dāng)_的強弱。“眼睛”張的越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越??；反之表示碼間串?dāng)_越大。 2. 存在噪聲時的眼圖 當(dāng)存在噪聲時，觀察到的眼圖的線跡會變得模糊不清。若同時存在碼間串?dāng)_，“眼睛”將張開得更小。與無碼間串?dāng)_時的眼圖相比，原來清晰端正的細線跡，變成了比較模糊的帶狀線，而且不很端正。噪聲越大，線跡越寬，越模糊；碼間串?dāng)_越大，眼圖越不端正。,眼圖形成原理演示,50,3. 眼圖的模型,眼圖觀測仿真圖,51,