教學(xué)活動(dòng) 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(dòng) 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(hào)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(shí)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(lèi)，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(lái)傳輸模擬語(yǔ)音信號(hào)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(jiǎn)要介紹時(shí)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(guó)工程師Alec Reeres 最早出來(lái)的。1946年美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)PCM數(shù)字電話終端機(jī)。 1962年，晶體管PCM終端機(jī)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(kuò)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(guò)抽樣、量化和編碼三個(gè)步驟。 抽樣：時(shí)間離散化 量化：幅度離散化 編碼：轉(zhuǎn)換為二進(jìn)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(gè)頻帶限制在(0，fH)內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)x(t)

4、，如果以不大于（1/2fH)秒的間隔對(duì)它進(jìn)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(hào)：最高頻率f H ，限帶(0，f H)描述。 無(wú)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(wú)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(huì)出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象；（3） XS (ω) 中n = 0時(shí)

5、的成分是 X (ω)/T ，因此只要用一個(gè)帶寬B 滿(mǎn)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(hào)變化的一種調(diào)制方式。,12,三、模擬信號(hào)的量化 量化：用有限個(gè)電平來(lái)表示模擬信號(hào)抽樣值被 稱(chēng)為量化。 量化誤差:

6、量化后的信號(hào)和原來(lái)信號(hào)存在誤差， 這種誤差被稱(chēng)為量化誤差。 均勻量化：把原來(lái)信號(hào)的值域按等幅值分割的 量化過(guò)程被稱(chēng)為均勻量化。量化階的Q 值越大， 用以表述的二進(jìn)制碼組越長(zhǎng)，得到的量化信噪比 越大，信號(hào)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(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)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(hào)時(shí)的量化信噪比，適當(dāng)減小大信號(hào)時(shí)的信噪功率比。優(yōu)點(diǎn)： 適合于非均勻分布信號(hào)情況；量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大致相同，即改善了小 信號(hào)時(shí) 的量化信噪比。,15,四、編碼和譯碼 編碼、譯碼： 把量化后的信號(hào)電平值變換成二進(jìn)制碼組的過(guò)程稱(chēng)為編碼，逆過(guò)程稱(chēng)為解碼。  量化與編碼的組合稱(chēng)為模/數(shù)變換器(A/D變換器), 譯碼與低通濾波的組合稱(chēng)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(gè)模擬信號(hào)x(t)，我們用一時(shí)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(chēng)作量階， Δt=Ts稱(chēng)為抽樣間隔。,17,用階梯或鋸齒波逼近模擬信號(hào),18,二、譯碼的基本思想 收到“1”碼上升一

9、個(gè)量化階，收到“0”碼下降一個(gè)量化階，這樣就可以把二進(jìn)制代碼經(jīng)過(guò)譯碼變成 這樣的階梯波。,三、簡(jiǎn)單增量調(diào)制系統(tǒng)框圖,判決器是用來(lái)比較 x(t)與 x0(t) 大小，在定時(shí)抽樣時(shí)刻如果 x(t)-x0(t)＞0輸出’1’； x(t)-x0(t) ＜0輸出’0’。,19,三、簡(jiǎn)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(diǎn)的調(diào)制方法進(jìn)行編碼，這種編碼方式

10、被簡(jiǎn)稱(chēng)為脈碼增量調(diào)制。,21,2.4 時(shí)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(gè)信道上同時(shí)傳輸多個(gè)話音信號(hào)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(shí)分復(fù)用以及碼分復(fù)用等。一、 PAM時(shí)分復(fù)用原理,22,23,3 路時(shí)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(shí)分復(fù)用的PCM系統(tǒng),25,時(shí)分復(fù)用PCM系統(tǒng) FLASH演示,

11、26,帶寬設(shè)計(jì)： TDM—PCM的信號(hào)代碼在每一個(gè)抽樣周期內(nèi)有Nk個(gè)，這里N表示復(fù)用路數(shù)，k表示每個(gè)抽樣值編碼的二進(jìn)制碼元位數(shù)。 在32路PCM系統(tǒng)中，只計(jì)話音信息碼，它有30路，當(dāng) fs=8k，k＝8時(shí)，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(gè)話路。帶寬為2MHz。,27,三、 32路PCM的幀結(jié)構(gòu),28,從時(shí)

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(gè)幀組成，復(fù)幀周期為2ms； 一幀內(nèi)要時(shí)分復(fù)用32路，每時(shí)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(shí)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(shí)分復(fù)用32路，每路占用的時(shí)隙為13.9 μs，稱(chēng)為一個(gè)時(shí)隙。 因此一幀有32個(gè)時(shí)隙，按順序編號(hào)為T(mén)S0、TS1、……、 TS31。 時(shí)隙的使用分配為: ① TS1~TS15, TS17~TS31為30個(gè)話路時(shí)隙。  ② TS0為幀同步碼，監(jiān)視碼時(shí)隙。  ③ TS16為信令(振鈴、

14、占線、摘機(jī)……等各種標(biāo)志信號(hào))時(shí)隙。,30,話路比特的安排。 每個(gè)話路時(shí)隙內(nèi)要將樣值編為8位二元碼，每個(gè)碼元占488 ns，稱(chēng)為一比特。TS0時(shí)隙比特分配。 為了使收發(fā)兩端嚴(yán)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(shí)隙的比特分配。 若將TS16時(shí)隙的碼位按時(shí)間順序分配給各話路傳送信令，需要用16幀組成一個(gè)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(hào): 來(lái)自數(shù)據(jù)終端的原始數(shù)據(jù)信號(hào)，這些信號(hào)往往包含豐富的低頻分量，甚至直流分量。如計(jì)算機(jī)輸出的二進(jìn)制序列，電傳機(jī)輸出的代碼，或者是來(lái)自模擬信號(hào)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(hào) 。,33,數(shù)字頻帶傳輸： 數(shù)字

16、基帶信號(hào)必須經(jīng)過(guò)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(chēng)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(hào)變換成適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)，這種變換主要是通過(guò)碼型變換和波形變換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。信道：它是允許基帶信號(hào)通過(guò)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(duì)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(shí)刻對(duì)接收濾波器的輸出波形進(jìn)行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號(hào)。 基帶系統(tǒng)的各點(diǎn)波形示意圖 ：,36,(a)輸入的基帶信號(hào)，這是最常見(jiàn)的單極性非歸零信號(hào)；(b)進(jìn)行碼型變換后的波形；(c)對(duì)(a)而言進(jìn)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(hào)，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(shí)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(hào)碼型,基帶信號(hào)的要求主要有兩點(diǎn)：（1）對(duì)各種代碼的要求，期望將原始信息符號(hào)編制成適合于傳輸用的碼型；（2）對(duì)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(jì)數(shù)字基帶信號(hào)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(shí)信息 ;（4）碼型具有一定檢錯(cuò)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(jiǎn)單。,39,數(shù)字基帶信號(hào)的常用碼型,40,1、單極性非歸零（NRZ）碼 二進(jìn)制符號(hào)“1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正電平和零電平，在整個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間電平保持不變。 單極性NRZ碼的主要特點(diǎn)： 有直流分量，無(wú)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(shí)需一端接地。,41,2、雙極性不歸零（NRZ）碼 “1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)電平，其特點(diǎn)為： 直流分量小。當(dāng)二進(jìn)制符號(hào)“1”、“0”等可能出現(xiàn) 時(shí)，無(wú)直流成分； 接收端判決門(mén)限為0，容易設(shè)置并且穩(wěn)定，因此抗 干擾能力強(qiáng)； 可以在電纜等無(wú)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(gè)脈沖都回到零電平。 優(yōu)點(diǎn)是可以直接提取同步信號(hào)，它是其它碼型提取同步信號(hào)需采用的一個(gè)過(guò)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(qiáng)及碼中不含直流成分的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。,43,5. AMI碼 這種碼型實(shí)際上把二進(jìn)制脈沖序列變?yōu)槿娖降姆?hào)序列，其優(yōu)點(diǎn)如下： 在“1”、“0”碼不等概率情況下，也無(wú)直流成分，

22、對(duì)具有變壓器或其它交流隅合的傳輸信道來(lái)說(shuō)， 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(gè)重要缺點(diǎn)，即它可能出現(xiàn)長(zhǎng)的連0串，會(huì)造成提取定時(shí)信號(hào)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(gè)或4個(gè)以上連0碼時(shí)進(jìn)行處理，即引 入破

23、壞碼V和補(bǔ)信碼 ；原來(lái)的二進(jìn)制碼元 序列中所有的“1”碼稱(chēng)為信碼，用符號(hào)B表示。,45,信碼B與破壞符號(hào)V的正負(fù)必須滿(mǎn)足如下兩個(gè)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(méi)有直流成分； ② V碼必須與前一個(gè)碼（信碼B）同極性，以便和正常的AMI碼區(qū)分開(kāi)來(lái)。如果這個(gè)條件得不到滿(mǎn)足，那么應(yīng)該在四個(gè)連“0”碼的第一個(gè)“0”碼位置上加一個(gè)與V碼同極性的補(bǔ)信碼，用符號(hào)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(bǔ)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(jiǎn)單，同時(shí)它對(duì)定時(shí)信號(hào)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(shí)驗(yàn)方法宏觀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能。眼圖的概念： 眼圖是指利用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)和改善（通過(guò)調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時(shí)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(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度。,48,1. 無(wú)噪聲時(shí)的眼圖,49,眼圖的“眼睛”張開(kāi)的大小反

26、映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱。“眼睛”張的越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越?。环粗硎敬a間串?dāng)_越大。 2. 存在噪聲時(shí)的眼圖 當(dāng)存在噪聲時(shí)，觀察到的眼圖的線跡會(huì)變得模糊不清。若同時(shí)存在碼間串?dāng)_，“眼睛”將張開(kāi)得更小。與無(wú)碼間串?dāng)_時(shí)的眼圖相比，原來(lái)清晰端正的細(xì)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(cè)仿真圖,51,