第九章模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸Content1模擬信號(hào)的抽樣2模擬脈沖調(diào)制3抽樣信號(hào)的量化4脈沖編碼調(diào)制5差分脈沖編碼調(diào)制6增量調(diào)制7時(shí)分復(fù)用和復(fù)接§9.6差分脈沖編碼調(diào)制傳輸一路數(shù)字電話信號(hào)所需的速率要遠(yuǎn)大于傳輸一路模擬電話的速率。為了降低數(shù)字電話信號(hào)的比特率，改進(jìn)辦法——差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM，屬于預(yù)測(cè)編碼）預(yù)測(cè)編碼：每個(gè)抽樣值不是獨(dú)立地編碼，而是先根據(jù)前幾個(gè)抽樣值計(jì)算出一個(gè)預(yù)測(cè)值，再取當(dāng)前抽樣值和預(yù)測(cè)值之差，將此差值（預(yù)測(cè)誤差）編碼并傳輸。抽樣值3.153.965.006.386.806.42量化值345676編碼后011100101110111110§9.6差分脈沖編碼調(diào)制預(yù)測(cè)編碼若利用前面的幾個(gè)抽樣值的線性組合來預(yù)測(cè)當(dāng)前的抽樣值，則稱為線性預(yù)測(cè)，若僅用前面的一個(gè)抽樣值預(yù)測(cè)當(dāng)前的抽樣值，則成為差分脈沖編碼調(diào)制預(yù)測(cè)器的輸入輸出關(guān)系：預(yù)測(cè)器的輸入輸出關(guān)系：§9.6差分脈沖編碼調(diào)制預(yù)測(cè)編碼P:預(yù)測(cè)階數(shù)（predictionorder）

ai：預(yù)測(cè)系數(shù)（predictioncoefficient）式子表明預(yù)測(cè)值mk’是前面p個(gè)帶有量化誤差的抽樣信號(hào)值的加權(quán)和?！?.6差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制原理預(yù)測(cè)器的輸入輸出關(guān)系：P=1a1=1，此時(shí)預(yù)測(cè)器相當(dāng)于一個(gè)延遲電路?！?.6差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制原理延遲Ts為一個(gè)抽樣間隔時(shí)間為了改善ＤＰＣＭ的性能，引入自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制（ADPCM）§9.6差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制性能量化噪聲功率：當(dāng)預(yù)測(cè)誤差ek的范圍限制在（+σ，-σ）時(shí)，對(duì)信號(hào)的變化速度也有限制如果超過了此范圍，編碼器將發(fā)生過載（overload）即產(chǎn)生超過允許范圍的誤差?！?.6差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制性能為了分析輸入信號(hào)，保證不產(chǎn)生過載的前提下，信號(hào)的最大斜率（信號(hào)變化的速度）σ——預(yù)測(cè)誤差ek范圍是（+σ

，-σ

）T——抽樣點(diǎn)間隔當(dāng)輸入信號(hào)為一正弦波m(t)時(shí)，即§9.6差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制性能可得到信號(hào)功率為：由此，我們可以得到信號(hào)量噪比：結(jié)論：量噪比隨編碼位數(shù)N和抽樣頻率fs的增大而增加R§9.7增量調(diào)制增量調(diào)制簡(jiǎn)稱ΔM或DM。是另一種模擬信號(hào)數(shù)字化的方法；——預(yù)測(cè)編碼的一種，利用語音信號(hào)相鄰抽樣點(diǎn)之間都有一定的幅度關(guān)聯(lián)性。PCM與ΔM區(qū)別：在PCM中，用一個(gè)碼組來表示抽樣，碼組位數(shù)大于1；而ΔM僅使用一位碼組來表示抽樣；ΔM這位碼不是用來表示抽樣值的大小，而是表示抽樣的時(shí)刻波形變化的趨勢(shì)。——本質(zhì)區(qū)別

§9.7增量調(diào)制DM可以看成是一種最簡(jiǎn)單的DPCM，當(dāng)DPCM系統(tǒng)中的量化器的量化電平數(shù)為２時(shí)，此DPCM系統(tǒng)就成為增量調(diào)制系統(tǒng)?！?.7增量調(diào)制與PCM方式相比，其優(yōu)點(diǎn)：（1）在比特率較低時(shí)，增量調(diào)制的量化信噪比高于PCM（2）增量調(diào)制的抗誤碼性能好（3）增量調(diào)制編譯碼器簡(jiǎn)單§9.7增量調(diào)制所謂增量調(diào)制就是將信號(hào)瞬時(shí)值與前一個(gè)抽樣時(shí)刻的量化值之差進(jìn)行量化，而且只對(duì)這個(gè)差值的符號(hào)進(jìn)行編碼。顯然，數(shù)碼“1”和“0”只是表示信號(hào)相對(duì)于前一時(shí)刻的增減，而不代表信號(hào)值的大小。因此量化只限于正和負(fù)兩個(gè)電平，也就是說用一位碼來傳輸一個(gè)抽樣值。如果差值為正，則發(fā)“1”碼；如果差值為負(fù)，則發(fā)“0”碼?！?.7增量調(diào)制§9.7增量調(diào)制ΔM譯碼器的工作過程如下積分器遇到“1”碼(即有+σ脈沖電壓)，就以固定斜率上升一個(gè)σ；遇到“0”碼(即有—σ脈沖電壓)，就以固定斜率下降一個(gè)σ。由圖可以看到，積分器的輸出波形并不是階梯波形，而是一個(gè)斜變波形。但因ΔE=σ，故在所有抽樣時(shí)刻ti上斜變波形與階梯波形有完全相同的值。因而，斜變波形與原來的模擬信號(hào)相似。積分器輸出的斜變波經(jīng)低通濾波器之后就變得十分接近于信號(hào)S(t)。§9.7增量調(diào)制△M系統(tǒng)的過載噪聲△M系統(tǒng)的量化噪聲§9.7增量調(diào)制9.7.2增量調(diào)制系統(tǒng)中的量化噪聲當(dāng)信號(hào)頻率過高時(shí)，本地譯碼信號(hào)Sl(t)會(huì)跟不上信號(hào)的變化，稱為過載。

由于ΔM信號(hào)是按臺(tái)階△來量化的，因而也必然存在量化誤差eq(t)，也就是所謂的量化噪聲?！?.7增量調(diào)制σTS△M系統(tǒng)的過載噪聲△M系統(tǒng)的過載噪聲Sl(t)所能跟上的信號(hào)最大斜率為σ/Ts——稱為臨界過載情況下最大跟蹤斜率K

因此為避免斜率過載必須使△M系統(tǒng)的過載噪聲量化臺(tái)階σ大，則產(chǎn)生的量化噪聲大，σ小，則產(chǎn)生的噪聲?。徊捎么蟮摩夷軠p小過載噪聲，但σ的增大卻使得量化噪聲增加了。因此，σ值應(yīng)適當(dāng)選取

△M抽樣頻率要比PCM高的多（2倍以上）!△M系統(tǒng)的量化噪聲注意：上述量化噪聲功率并不是系統(tǒng)最終輸出的量化噪聲功率通常認(rèn)為量化噪聲的功率譜在量化噪聲功率譜為經(jīng)截止頻率為fm的低通濾波（LPF）后，輸出量化噪聲功率：內(nèi)均勻分布，即：△M系統(tǒng)的量化噪聲△M系統(tǒng)的量化噪聲下面來考慮信號(hào)的量噪比其斜率為：

輸入正弦信號(hào)：

其斜率最大值為：

為了不產(chǎn)生過載噪聲，則：

則不過載的臨界振幅為：

△M系統(tǒng)的量化噪聲臨界過載時(shí)△M最大量化信噪比：上式表明：△M的信噪比與抽樣頻率的三次方成正比，與信號(hào)頻率的平方成反比，所以在△M系統(tǒng)中，提高抽樣頻率將能顯著增大信號(hào)量噪比。PCM系統(tǒng)與△M系統(tǒng)性能比較（1）傳輸PCM信號(hào)所需的信道帶寬要寬得多（2）從設(shè)備的復(fù)雜程度來比較二者的性能ΔM系統(tǒng)最突出的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，特別是在單路應(yīng)用時(shí)不需要收發(fā)同步設(shè)備。因此，路數(shù)多時(shí)用PCM合適，路數(shù)少時(shí)用ΔM較合適。R§9.8時(shí)分復(fù)用和復(fù)接“復(fù)用”是一種將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號(hào)合并為一個(gè)可以在同一個(gè)信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號(hào)地方法。（復(fù)用技術(shù)也是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)）例：在電話系統(tǒng)中，傳輸?shù)恼Z音信號(hào)頻譜在300～3400Hz之間，為了使若干這種信號(hào)能在同一信道上傳輸，可以將他們的頻譜調(diào)制到不同的頻段，合并在一起而不致互相影響，并在接收端彼此分離開來。多路信息在同一信道中傳輸?shù)膹?fù)用技術(shù)，通常有三種形式：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。頻分復(fù)用：不同的基帶信號(hào)占據(jù)不同的頻率區(qū)間時(shí)分復(fù)用：不同的基帶信號(hào)占據(jù)不同的時(shí)間空間§9.8時(shí)分復(fù)用和復(fù)接TDM和FDM的差別：TDM在時(shí)域上是各路信號(hào)分割開來的，但在頻域上是各路信號(hào)混疊在一起的FDM在頻域上是各路信號(hào)分割開來的，但在時(shí)域上是各路信號(hào)混疊在一起的時(shí)分復(fù)用原理：時(shí)分復(fù)用的主要特點(diǎn)是利用不同的時(shí)隙來傳送各路不同信號(hào)。PAM時(shí)分復(fù)用§9.8時(shí)分復(fù)用和復(fù)接§9.8時(shí)分復(fù)用和復(fù)接上圖中，假定每路信號(hào)采用n比特編碼，各路時(shí)間上互不重疊，每一路的抽樣頻率必須符合抽樣定理要求！每一路占用的時(shí)間間隔寬度TC沒有具體限制，顯然，TC越小，則能傳輸?shù)穆窋?shù)越多12…n12…n12…n~~1路2路N路3路1路(Ts_抽樣間隔)TcPCM時(shí)分復(fù)用1、復(fù)用：TDM的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1、多路信號(hào)的匯合和分路都是數(shù)字電路，比FDM的模擬濾波器分路簡(jiǎn)單、可靠.2、信道的非線性會(huì)在FDM系統(tǒng)中產(chǎn)生交調(diào)失真與高次諧波，引起路間干擾，因此對(duì)信道的非線性要求很高，而TDM系統(tǒng)的非線性失真要求可降低.為了能正確識(shí)別出各路序號(hào)，需要在各幀內(nèi)加入同步信號(hào)__稱為幀同步幀結(jié)構(gòu)的概念：每個(gè)抽樣間隔Ts內(nèi)，各路信號(hào)依次抽樣一次，連通同步信號(hào)和控制信令按照某種固定方式排列起來的一組脈沖序列，叫做一幀一幀中相鄰兩路信息之間的時(shí)間間隔叫時(shí)隙，未被信息占用的時(shí)隙部分叫作防護(hù)時(shí)間§9.8時(shí)分復(fù)用和復(fù)接數(shù)字通信網(wǎng)中，把若干低速數(shù)字信號(hào)合并成一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)叫做數(shù)字復(fù)接數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)包括數(shù)字復(fù)接器和數(shù)字分配器，框圖如下：定時(shí)碼速調(diào)整復(fù)接支路復(fù)接器合路同步定時(shí)分接恢復(fù)支路分接器外時(shí)鐘數(shù)字復(fù)接器是把兩個(gè)或兩個(gè)以上的低速信號(hào)按照時(shí)分復(fù)用的方式合并成一個(gè)高速數(shù)字信號(hào)的設(shè)備數(shù)字分接器是把一個(gè)合路信號(hào)分解成相應(yīng)低速數(shù)字信號(hào)的設(shè)備2、復(fù)接：§9.8時(shí)分復(fù)用和復(fù)接時(shí)分制多路電話通信系統(tǒng)，有兩種數(shù)字體系：1、準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PlesiochronousDigitalHierarchy,PDH）：（E體系、T體系）2、同步數(shù)字體系(SynchronousDigitalHierarchy,SDH)：§9.8時(shí)分復(fù)用和復(fù)接在數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳送的信號(hào)都是數(shù)字化的脈沖序列。這些數(shù)字信號(hào)流在數(shù)字交換設(shè)備之間傳輸時(shí)，其速率必須完全保持一致，才能保證信息傳送的準(zhǔn)確無誤，這就叫做“同步”。系統(tǒng)在數(shù)字通信網(wǎng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都分別設(shè)置高精度的時(shí)鐘，這些時(shí)鐘的信號(hào)都具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)速率。盡管每個(gè)時(shí)鐘的精度都很高，但總還是有一些微小的差別。為了保證通信的質(zhì)量，要求這些時(shí)鐘的差別不能超過規(guī)定的范圍。因此，這種同步方式嚴(yán)格來說不是真正的同步，所以叫做“準(zhǔn)同步”。

1、準(zhǔn)同步數(shù)字體系控制信號(hào)控制信號(hào)碼速調(diào)整mfl同步復(fù)接

fh同步分離碼速恢復(fù)flm由系統(tǒng)框圖可知：每一個(gè)參與復(fù)接的碼流都先經(jīng)過一個(gè)單獨(dú)的碼速調(diào)整裝置，把準(zhǔn)同步碼流變成同步碼流，然后再進(jìn)入同步復(fù)接器進(jìn)行復(fù)接。在接收端：先實(shí)施同步分離，得到同步分接碼流，然后再各自經(jīng)過碼速恢復(fù)裝置，恢復(fù)成原來的準(zhǔn)同步支路碼流。fmCCITT推薦了兩種基群復(fù)接系統(tǒng)，即PCM30/32路（屬于2048Kb/s速率系列)，和PCM24路（屬于1544kb/s速率系列），這兩種系統(tǒng)都屬于同步復(fù)接，并以PCM字交織為基礎(chǔ)PCm30/32路基群復(fù)接系統(tǒng)參見P291圖9－32所示該系統(tǒng)使用32個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一幀（路），其中由2個(gè)時(shí)隙用于同步和信令，其他30個(gè)時(shí)隙分配給數(shù)字電話信道1、準(zhǔn)同步數(shù)字體系1、準(zhǔn)同步數(shù)字體系每路語音信道以fs＝8KHz的速率輪流抽樣，然后將樣值進(jìn)行A率，（A＝87.6）13折線8位非線性編碼，各路信號(hào)以TDM方式組合可見由于抽樣頻率fs＝8KHz,所以每幀長(zhǎng)度為Ts＝1/fs＝125us，每路時(shí)隙占時(shí)Ts/32=125/32=3.90625us,每位碼占Ts/(32*8)=488.28125ns1)幀結(jié)構(gòu)由圖可見系統(tǒng)由16幀組成一個(gè)復(fù)幀，編號(hào)從F0～F15，因此復(fù)幀周期為Ts×16＝2ms，頻率為500HZ（等于1/(Ts*16))TS0:在每幀中時(shí)隙TS0在偶數(shù)幀中用作幀定位信號(hào)，在奇數(shù)幀中用作幀定位丟失報(bào)警信號(hào)TS16：在F1～F15各幀中，時(shí)隙TS16用作傳遞30個(gè)電話信道的信令，每路4bit，a，b，c，d）在F0幀時(shí)隙TS16前四位碼用來傳遞復(fù)幀同步碼組（或叫定位碼組）0000，第六位用作對(duì)發(fā)端的信令，傳遞關(guān)于在一個(gè)傳輸方向上接收端同步信號(hào)丟失的信息。1、準(zhǔn)同步數(shù)字體系2）幀定位該系統(tǒng)的幀定位信號(hào)是偶數(shù)幀的時(shí)隙TS0的第二位到第8位碼型為0011011，第一位碼“×”保留作國際電話間通信用。幀同步的奇數(shù)幀時(shí)隙TS0的第二位固定為“1”，以避免接收端錯(cuò)誤識(shí)別為幀同步碼，第三位A用于遠(yuǎn)端告警，正常時(shí)為0?？鐕溌飞先珵?3）信令TS16可用于傳輸信令，但當(dāng)無需傳輸信令時(shí)，它也可以像其他30路一樣用于傳輸話音。1、準(zhǔn)同步數(shù)字體系共路信令隨路信令由于每幀的時(shí)隙TS16的8bit編碼都用于信令的傳輸3）信令1、準(zhǔn)同步數(shù)字體系隨路信令幀比特12345678F00000xyxxF1CH1CH16F2CH2CH17F3CH3CH18………F15CH15CH302、同步數(shù)字體系SONET——同步光網(wǎng)絡(luò)SDH——同步數(shù)字體系準(zhǔn)同步數(shù)字體系當(dāng)總比特率增高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的開銷，當(dāng)比特率更高時(shí)，就不采用這種準(zhǔn)同步數(shù)字體系，轉(zhuǎn)而采用同步數(shù)字體系（SDH）SDH——由STM（同步傳送模塊）傳送——由信息有效負(fù)荷（凈負(fù)荷）和段開銷（SOH）2、同步數(shù)字體系SDH的幀結(jié)構(gòu)2、同步數(shù)字體系2、同步數(shù)字體系SDH功能區(qū)整個(gè)幀結(jié)構(gòu)分為三個(gè)功能區(qū)一、段開銷區(qū)（SOH），是指STM結(jié)構(gòu)中為了保證信息正常運(yùn)轉(zhuǎn)而供網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理和維護(hù)所使用的附加字節(jié)。這些段開銷包括再生段開銷（RSOH）和復(fù)用段開銷（MSOH）二、凈負(fù)荷區(qū)：凈負(fù)荷區(qū)內(nèi)存放的是有效傳輸?shù)男畔?，它是由有效傳輸?shù)男畔⒓由喜糠钟糜谕ǖ辣O(jiān)視、管理和控制的通道開銷（POH），POH被視為凈負(fù)荷的一部分。并與之一起傳輸，直到接收端該凈負(fù)荷被分接。三、管理指針（AU－PTR）實(shí)際上是一組數(shù)碼，其值代表凈負(fù)荷中信息的起始字節(jié)的位置，這樣在接收端可以根據(jù)指針?biāo)傅奈恢谜_分解出有效傳輸信息。2、同步數(shù)字體系1．終端復(fù)用器（TM）終端復(fù)用器是將PDH支路信號(hào)或者將低速率的SDH信號(hào)復(fù)用進(jìn)高速率的SDH設(shè)備，主要應(yīng)用在PDH和SDH的邊界，將各類低速信號(hào)進(jìn)入高速線路的傳輸場(chǎng)合上。SDH傳輸網(wǎng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2、同步數(shù)字體系2．分插復(fù)用器（ADM）分插復(fù)用器是SDH中的重要設(shè)備，也是應(yīng)用最廣泛的設(shè)備。它實(shí)現(xiàn)了低速率信號(hào)靈活插入到高速率信號(hào)之中或者從高速率信號(hào)中分出的功能。2、同步數(shù)字體系3、首先每個(gè)