【正文】 ZXA10光纖接入網(wǎng)系統(tǒng)培訓(xùn)教材第一章 通信基礎(chǔ)知識(shí) 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào) 什么是數(shù)字信號(hào)？什么是模擬信號(hào)？一般來說，數(shù)字信號(hào)必須滿足在時(shí)間和信號(hào)幅值上是離散的，相反模擬信號(hào)在幅值上是連續(xù)的。 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)波形示意圖 數(shù)字化模型 . PCM數(shù)字通信系統(tǒng)方框圖模擬信號(hào)要變換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)一般必須經(jīng)過取樣、量化和編碼三個(gè)處理過程。脈沖編碼調(diào)制（PCM）也是如此。取樣（Sampling）是將時(shí)間和幅度都連續(xù)的模擬信號(hào)變換成時(shí)間離散的幅度連續(xù)的另一種模擬信號(hào)，這種模擬信號(hào)也稱為脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號(hào)。為了使取樣后的PAM 信號(hào)能在接收端完全無失真地恢復(fù)為原始信號(hào)，取樣周期應(yīng)該滿足奈奎斯特定理。量化（Quantization）是將幅度連續(xù)的樣值進(jìn)行幅度的離散化（又叫分層），使幅度連續(xù)的模擬PAM信號(hào)的變換成為多進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)。由于通常的數(shù)字通信系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)中都采用二進(jìn)制信號(hào)，所以對多進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行二進(jìn)制編碼，使之最終成為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。 取樣時(shí)間上的離散化 (t)對模擬信號(hào)S（t）進(jìn)行采樣、量化的原理框圖及有關(guān)部分波形。 模擬信號(hào)的抽樣、量化、編碼　要從取樣后的信號(hào)無失真地恢復(fù)出原始信號(hào)S（t），必須使取樣頻率fs滿足如下奈奎斯特定理。奈奎斯特定理：一個(gè)頻帶受限于BHz的信號(hào)S（t）可以唯一地用周期為1/fs的樣值系列確定,只要fs≥2B即可。也就是說，一個(gè)信號(hào)的取樣值完全無失真地恢復(fù)原信號(hào)，抽樣頻率必須滿足下列條件：fs≥2B（Hz） 或者 TS≤1/2B（秒）這里fs也稱為奈奎斯特頻率（Nyquist Frequency）,Ts稱為Nyquist時(shí)間間隔。在電話通信中，話音頻帶為3003400Hz，實(shí)際上取樣頻率fs取為8000Hz 2B=2180。 3400Hz=6800Hz。這樣不僅可保證取樣后的信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生混疊現(xiàn)象而且在頻譜上還有一定的防衛(wèi)帶。對于一般人來說，話音頻率3003400Hz內(nèi)的頻率分量較大，超出此范圍的頻率分量明顯減?。ǜ叩鸵舾璩輪T除外），所以用電話聽歌的效果并不好。 量化幅度上的離散化 如上所述, 采樣后的信號(hào)仍是模擬的PAM 信號(hào)，要以數(shù)字方式進(jìn)行傳輸，還必須對PAM信號(hào)進(jìn)行幅度的離散。由圖可見，量化的過程就是對模擬的取樣信號(hào)的幅值四舍五入地取整的過程。顯然，這種四舍五入的處理結(jié)果必然會(huì)帶來一定的誤差，它就是所謂的量化誤差（Quantization Error）。這種量化誤差在人耳中產(chǎn)生的影響也是一種的噪聲。這種噪聲通常稱之為量化噪聲（Quantization Noise）Nq（t）。 一般量化有均勻和非均勻量化兩類。均勻量化就是均勻地劃分量化范圍的量化。由于對量化范圍內(nèi)的大小信號(hào)均采用相等的量化階距進(jìn)行量化，造成大信號(hào)的SNR信噪比有富俗，而小信號(hào)的SNR 又嫌不足，而我們的話音多為小信號(hào)，SNR越大音質(zhì)越好。為了提高小信號(hào)的SNR，在實(shí)際電話話音取樣值的量化過程中，都采用非均勻量化，即對大小信號(hào)分別采用不等大小的量化階距，對小信號(hào)采用小的量化階距，對大信號(hào)采用大的量化階距，從而使大小信號(hào)具有基本相同的SNR。采用非均勻量化后，小信號(hào)時(shí)的量化噪聲小，而大信號(hào)時(shí)的量化噪聲大。這對于人耳收聽來說，并沒有什么影響，因?yàn)镾NR并沒有變小。 在這里, 非均勻量化的實(shí)現(xiàn)是使信號(hào)S(t)經(jīng)過一個(gè)具有非線性特性的壓縮器進(jìn)行變換，使其小信號(hào)擴(kuò)張，而大信號(hào)被壓縮, 從而得到壓縮了的信號(hào)，再通過一個(gè)均勻量化器量化，這就等效于對取樣后的信號(hào)進(jìn)行非均勻量化。在收端，量化后的信號(hào)經(jīng)過具有與壓縮器相反特性的擴(kuò)張器，使得小信號(hào)得以壓縮而大信號(hào)則被擴(kuò)張，從而還原出原來的PAM信號(hào)。需要指出的是，量化過程是一種不可逆過程，也就是說，在量化過程中不僅會(huì)不可避免地引入上述的量化誤差，而且這種誤差不可能通過一種逆變換得以消除。常用的壓縮特性有A律（A=）（歐洲和中國采用）和m 律（m =255）（北美和日本采用），它們都是對數(shù)壓縮律。當(dāng)前國際上選A=。 A律折線法編碼/譯碼 實(shí)現(xiàn)上述連續(xù)壓擴(kuò)特性需無窮多個(gè)量化級(jí)，實(shí)際上無法加以實(shí)現(xiàn)，為此通常采用數(shù)字電路分段進(jìn)行壓擴(kuò)。這樣不僅實(shí)現(xiàn)容易，而且成本低。A律壓縮采用的就是十三折線法。A律壓縮采用的就是十三折線法，一象限分8段（在時(shí)間軸以1/2遞減規(guī)律分成8大段，分段點(diǎn)是1/1/1/1/11/31/61/128；幅度軸分8均勻段），18段斜率分別為1/1/116，8段斜率一樣；一、三象限對稱，故共13折線段。A律13折線壓縮編碼規(guī)則：信號(hào)樣值有正有負(fù), 要用一位碼來表示，這一位碼叫極性碼。正極性以比特“1”表示，負(fù)極性以比特“0”表示。13折線壓縮律在第一象限有8大段，每一段斜率不同，故需要用3位碼表示8個(gè)不同的段落，這3位叫段落碼，它們也表示各段的起始電平。 A律十三折線圖示　在每段落內(nèi)再均勻分為16個(gè)小段。由于各段長度均不同，均分后各段內(nèi)的小段的長度也不等。把第一段的一個(gè)等分作為一個(gè)最小的均勻量化間距△。在第18段內(nèi)每小段依次應(yīng)有1△、1△、2△……64△。 各段內(nèi)均勻量化級(jí)各段折線序號(hào)12345678各段落長度161632641282565121024各段內(nèi)均勻量化級(jí)△△2△4△8△16△32△64△每個(gè)話音信號(hào)樣值編碼碼組格式如下：D1D2D3D4D5D6D7D8極性碼 段落碼 段內(nèi)碼如果輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為2048mv?/FONT+2048mv。例如編碼器輸入量化信號(hào)幅值為+135mv和1250mv， 可直接寫出它們的編碼分別為11000000和01110011。實(shí)現(xiàn)PCM 編碼的編碼器有多種，但通常采用的是逐次反饋比較編碼器。 PCM各段電壓幅度范圍（t）信號(hào)，在采樣間隔（采樣頻率8000Hz時(shí)為125m s）均勻分布8位串行數(shù)據(jù)。為了從數(shù)字信號(hào)恢復(fù)原模擬信號(hào)，需要對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行譯碼和濾波。譯碼是編碼的逆過程，即將接收的PCM 編碼信號(hào)轉(zhuǎn)換成與發(fā)端一樣的量化信號(hào)。這可以根據(jù)碼組中的段落碼所對應(yīng)的量化階距值及四位段內(nèi)碼所對應(yīng)的段序號(hào)值，求出原采樣點(diǎn)對應(yīng)的原量化值（絕對值）。譯碼器是一個(gè)積分過程，其充電速度快放電速度慢，其輸出是一個(gè)非平滑的模擬信號(hào)，用低通濾波器對其濾波，濾除其高頻分量，可使其平滑成模擬信號(hào)。盡管模擬信號(hào)的數(shù)字化（通常稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D））及其逆過程（通常稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換（D/A））可按上述步驟先后處理而得，但實(shí)際上模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換處理卻是同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。隨著大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在一般將上述各項(xiàng)處理過程集成于一片專用芯片中。這類芯片有Intel291TP3067和MC145567等。 完整的信號(hào)變換過程 時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)組成 復(fù)用系統(tǒng)由復(fù)用器、復(fù)用線（Multiplexed Highway）和去復(fù)用器組成。復(fù)用器和去復(fù)用器總是成對出現(xiàn)的，也就是說復(fù)用系統(tǒng)是一種可逆系統(tǒng)。（稱為支路信號(hào)）共享一條高速傳輸線的一個(gè)的時(shí)分多路復(fù)用系統(tǒng)圖。TDM 復(fù)用器給每個(gè)用戶分配一個(gè)固定的時(shí)間段（稱為時(shí)隙或TStime slot）。 復(fù)用系統(tǒng)組成 無論何時(shí)，每個(gè)用戶只能在分配給它的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送信息，用戶無信息發(fā)送時(shí)，他們的時(shí)隙就會(huì)處于空閑狀態(tài)，別人也不能利用。TDM 采用固定幀長結(jié)構(gòu)，它根據(jù)時(shí)隙在幀內(nèi)的相對位置來識(shí)別用戶信道，要求時(shí)隙周期地出現(xiàn)，因此需要有同步信號(hào)來進(jìn)行時(shí)隙定位。程控?cái)?shù)字交換機(jī)中都采用數(shù)字時(shí)分復(fù)用技術(shù)，即數(shù)字復(fù)接技術(shù)。 四路信號(hào)復(fù)用過程示意圖最基本的時(shí)分復(fù)用為32路時(shí)分復(fù)用（歐洲、中國體系），稱為一次群。 MHz、 MHz、 MHz，分別稱為二次群、三次群、四次群和五次群。其對應(yīng)的SDH時(shí)分復(fù)用系列速率為155 MHz（STM1）、622MHz（STM4） GHz（STM16）。 PCM 基群格式 PCM基群系統(tǒng)是數(shù)字設(shè)備之間最基本的數(shù)字信號(hào)借口，它包含32個(gè)時(shí)隙，TS0作為幀同步時(shí)隙，其余為信令或話路時(shí)隙。對于局間采用七號(hào)信令（共路信令）時(shí)，TS131中的任意一個(gè)時(shí)隙可作為信令時(shí)隙，二個(gè)局之間要協(xié)商好。對于局間采用一號(hào)信令（隨路信令）時(shí)，TS16作為線路信號(hào)信令時(shí)隙，每路線路信號(hào)占用4bit。30個(gè)話路只有8bit信令信息,這顯然是不夠的，為此采用復(fù)幀結(jié)構(gòu)，即由16個(gè)單幀組成一個(gè)復(fù)幀（Multiframe）。這樣安排就可以保證在2ms時(shí)間內(nèi)為每個(gè)話路分配到4個(gè)信息比特。隨路信令PCM30/32基本的復(fù)幀、:從圖可見，在125m s取樣周期內(nèi)，每一話路輪流傳送8bit話音碼組一次，每個(gè)話路占用一個(gè)時(shí)隙。30個(gè)話路加上同步和信令時(shí)隙共同組成一個(gè)單幀。TS0用于傳輸幀同步碼，TS16用于傳輸各路的線路信號(hào)（如占用、被叫摘機(jī)、主叫掛機(jī)、強(qiáng)拆等）。在一個(gè)單幀中，PCM 30路系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)如下：話音頻帶3003