通信技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）課件全套 第1-7章 通信系統(tǒng)-通信系統(tǒng)仿真

1.1通信的基本概念1.2通信系統(tǒng)的組成和分類1.3通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.1通信的基本概念人類在生產(chǎn)和社會活動中總是伴隨著信息的傳遞和交換,通常把這種信息的傳遞和交換過程稱為通信。從傳統(tǒng)意義上說,通信克服了距離上的障礙,能迅速而準(zhǔn)確地實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息傳輸?，F(xiàn)階段,通信已成為現(xiàn)代文明的標(biāo)志之一,對人們的日常生活和社會活動及發(fā)展起著日益重要的作用。通信的目的是傳遞和交換信息,那么什么是信息呢?1.信息信息就是對客觀事物的反映。從本質(zhì)上看,信息是對社會、自然界的事物特征、現(xiàn)象、本質(zhì)及規(guī)律的描述。信息所描述的內(nèi)容通常用信號來表示和傳遞。2.信號信號是信息的載體,可以在介質(zhì)中傳輸。根據(jù)信號的表現(xiàn)形式不同,常見的信號有語音、符號、文字、數(shù)據(jù)、圖像等。信號可以用表達(dá)式來表示,也可以用波形圖來表示。描述信號特征的物理參量有幅度、頻率、相位、時間等。按幅度取值不同,信號可以分為模擬信號和數(shù)字信號,如圖1—1所示。(1)模擬信號的特點是幅度取值隨時間連續(xù)變化,如圖1—1(a)所示。連續(xù)的含義是在某一取值范圍內(nèi)幅度可以取無限個值。(2)數(shù)字信號的特點是幅度取值是離散變化的,如圖1—1(b)所示。離散的含義是幅度取值是有限個值,如二進(jìn)制數(shù)字信號的幅度取值只有兩個,四進(jìn)制數(shù)字信號的幅度取值可以有四個等。按時間取值不同,信號可以分為連續(xù)信號和離散信號。連續(xù)信號的特點是時間連續(xù),如圖1—2(a)所示;離散信號的特點是時間斷開,如圖1—2(b)所示。1.2通信系統(tǒng)的組成和分類1.2.1通信系統(tǒng)的組成通信是將信息從一端傳到另一端。完成通信任務(wù)所需要的各種技術(shù)設(shè)備和傳輸介質(zhì)構(gòu)成的總體稱為通信系統(tǒng)。典型的通信系統(tǒng)由信源、變換器、信道、反變換器、信宿等五個基本部分組成,其模型框圖如圖1—3所示。1.信源信源是指發(fā)出信息的信息源,或簡單地說是信息的發(fā)出者。信源可以是人,也可以是機(jī)器。例如,電話通信時,人發(fā)出語音;數(shù)據(jù)通信時,計算機(jī)發(fā)出二進(jìn)制代碼。2.變換器變換器的功能是把信源發(fā)出的信息變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘枴＠?電話通信系統(tǒng)中,變換器就是送話器,它把語音信號變成電信號送入雙絞銅線中傳輸;光纖通信中,光發(fā)送器也是變換器,它把電信號變成光信號送到光纖中傳輸。3.信道信道是指傳輸信號的通道。目前,信道主要有兩種類型:一種是有線信道,如雙絞線、同軸電纜、光纖光纜等;另一種是無線信道,如可以傳輸電磁信號的自由空間等。由于信道的固有特性,信號在信道中傳輸時會存在衰減,也會產(chǎn)生時延,還會存在各種噪聲和干擾。4.反變換器反變換器具有與變換器相反的功能,即從信道中接收信號,并把帶有干擾的信號正確恢復(fù),然后轉(zhuǎn)換為信宿能接收的信號格式。5.信宿信宿是指信息傳送的終點,也就是信息接收者。6.噪聲源噪聲源不是一個人為實現(xiàn)的實體,但在實際通信系統(tǒng)中又是客觀存在的,它直接影響信號在信道中的傳輸質(zhì)量。實際上,從信源到信宿的每個位置都可能存在干擾和噪聲,為分析方便,在模型中以集中形式將噪聲源加在信道上。2.按信道中傳輸?shù)男盘栴愋头诸惏葱诺乐袀鬏數(shù)男盘栴愋筒煌?通信系統(tǒng)可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩大類。模擬通信系統(tǒng)是指在信道中傳輸模擬信號的通信系統(tǒng)。典型的模擬通信系統(tǒng)為傳統(tǒng)的模擬電話通信系統(tǒng),如圖14所示。數(shù)字通信系統(tǒng)是指在信道中傳輸數(shù)字信號的通信系統(tǒng)。典型的數(shù)字通信系統(tǒng)為數(shù)字電話通信系統(tǒng),如圖1—5所示。1.2.2通信系統(tǒng)的分類通信過程中傳輸?shù)男畔⒎N類繁多,表現(xiàn)形式也多種多樣,如聲音、圖像、文字、數(shù)據(jù)和符號等。根據(jù)信號的特征不同、通信業(yè)務(wù)的種類不同、傳輸所用的媒介不同等,可將通信系統(tǒng)分成許多不同的種類,下面從不同的角度討論通信系統(tǒng)的分類。1.按所傳業(yè)務(wù)分類按所傳業(yè)務(wù)不同,通信系統(tǒng)可分為電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以及圖像通信系統(tǒng)等。由于電話通信網(wǎng)最發(fā)達(dá)、最普及,因此其他消息常常通過公共的電話通信網(wǎng)傳送。在數(shù)字通信系統(tǒng)中,信號在信道中傳輸時雖然也會出現(xiàn)衰減,也要疊加噪聲,但由于數(shù)字信號是以脈沖有無的組合來表示信息的(以二進(jìn)制為例),只要噪聲的大小不影響接收端的正確判決,利用再生電路就可以將接收到的信號再生成原發(fā)送的信號,如圖1—6(b)所示,因此數(shù)字通信方式可以做到無噪聲積累,可實現(xiàn)長距離、高質(zhì)量的傳輸。對比圖1—4和圖1—5可以看出,數(shù)字通信系統(tǒng)中多了模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換電路。與模擬通信系統(tǒng)相比,數(shù)字通信系統(tǒng)有如下優(yōu)點:(1)抗干擾能力強(qiáng),無噪聲積累。信號在傳輸過程中,由于信道不理想,且存在衰減和各種噪聲的干擾,會使波形產(chǎn)生失真,出現(xiàn)信號幅度下降、波形變差等現(xiàn)象。在模擬通信系統(tǒng)中,為保證接收信號有一定的幅度,需要及時將傳輸信號放大,與此同時疊加于信號上的噪聲也被放大,如圖1—6(a)所示。由于模擬信號是利用信號幅度來攜帶信息的,因此很難把疊加在幅度上的噪聲分開。隨著傳輸距離的增加,噪聲積累也越來越多,將使傳輸質(zhì)量嚴(yán)重惡化。(2)可靠性高。數(shù)字信號通過差錯控制編碼,可采用糾錯和檢錯技術(shù)提高通信的可靠性。(3)智能化程度高。因為數(shù)字通信傳輸一般采用二進(jìn)制碼,所以可使用計算機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行處理,實現(xiàn)復(fù)雜的、遠(yuǎn)距離的、大規(guī)模的自動控制系統(tǒng)和自動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),實現(xiàn)以計算機(jī)為中心的通信網(wǎng)。(4)保密性強(qiáng)。當(dāng)前,信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄允艿皆絹碓蕉嗟闹匾?數(shù)字信號可采用高保密性能的數(shù)字加密技術(shù),易于加密處理。(5)設(shè)備便于集成化。數(shù)字通信系統(tǒng)中大部分電路是由數(shù)字電路實現(xiàn)的,微電子技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字通信系統(tǒng)可使用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路來實現(xiàn)。、數(shù)字通信系統(tǒng)有以下兩方面的缺點:(1)數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜,同步要求較高。數(shù)字通信系統(tǒng)及設(shè)備一般都比較復(fù)雜,要準(zhǔn)確地恢復(fù)信號,接收端需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)。(2)占用的頻帶寬,頻帶利用率不高。一路數(shù)字電話頻帶一般為64kHz,而一路模擬電話所占的頻帶僅為4kHz,前者是后者的16倍。然而隨著光纖通信的飛速發(fā)展,帶寬已不成問題。3.按傳輸媒介分類按傳輸媒介不同,通信系統(tǒng)可分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)兩大類。有線通信系統(tǒng)中所用的傳輸媒介主要有兩大類:一類是銅線,另一類是光纖。目前,通信中常用的銅線有雙絞線和同軸電纜。光纖由于具有損耗小、容量大、保密性能好、資源豐富等優(yōu)點逐漸代替銅線在通信網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。為了使讀者對通信中所使用的傳輸媒介有所了解,下面將常用傳輸媒介及其主要用途列于表1—1中,供參考。1)單工通信在單工通信方式中,信號只能向一個方向傳輸,任何時候都不能改變信號的傳輸方向。如圖1—7所示,信息總是從發(fā)送端A傳輸?shù)浇邮斩薆。這種情況與無線電廣播相似,信號只在一個方向上傳播,電臺發(fā)送,收音機(jī)接收。2)半雙工通信如圖1—8所示,在半雙工通信方式中,信號可以雙向傳送,但必須交替進(jìn)行,同一時間只能向一個方向傳送。3)全雙工通信全雙工能同時在兩個方向上進(jìn)行通信,即有兩個信道,如圖1—9所示。信號同時在兩個方向流動,它相當(dāng)于把兩個相反方向的單工通信組合起來。顯然,全雙工通信效率高,但構(gòu)建系統(tǒng)的造價也高。4.按通信方式分類對于點對點之間的通信,按信息輸送的方向與時間的關(guān)系,通信方式可分為單工通信、半雙工通信及全雙工通信三種,對應(yīng)的通信系統(tǒng)有單工通信系統(tǒng)、半雙工通信系統(tǒng)和全雙工通信系統(tǒng)。5.按調(diào)制方式分類按是否采用調(diào)制,可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶傳輸兩種?；鶐鬏斒菍⑽唇?jīng)調(diào)制的信號直接傳輸,如傳統(tǒng)的電話通信等;頻帶傳輸是對各種信號進(jìn)行調(diào)制后再傳輸。一般通信線路在遠(yuǎn)距離傳輸時,只適合傳輸頻帶信號,不適合傳輸基帶信號,如光纖通信、衛(wèi)星通信、移動通信、廣播等都屬于頻帶傳輸系統(tǒng)。一個完整的數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)框圖如圖110所示。1.3通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)各種通信系統(tǒng)都有各自的技術(shù)性能指標(biāo),且互不相同。一般衡量任何通信系統(tǒng)的優(yōu)劣都是以有效性和可靠性為基礎(chǔ)的,但這兩個指標(biāo)互相矛盾,通常是在滿足一定可靠性指標(biāo)的前提下,盡量提高通信系統(tǒng)的有效性;或者,在滿足一定有效性指標(biāo)的前提下,使消息傳輸質(zhì)量盡可能地提高。1.3.1模擬通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.有效性對于模擬通信來說,信號傳輸?shù)挠行酝ǔ？捎糜行鬏旑l帶來衡量,即在指定信道帶寬內(nèi)允許同時傳輸?shù)淖疃嗤窋?shù)。每一路信號的有效帶寬與模擬調(diào)制方式有關(guān),在相同條件下,每路所占頻帶越窄,則允許同時傳輸?shù)耐窋?shù)就越多。2.可靠性模擬通信系統(tǒng)的可靠性一般用接收端接收設(shè)備輸出的信噪比來度量,記作且有在相同條件下,信噪比越大,通信質(zhì)量越高,可靠性越好。1.3.2數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.有效性在數(shù)字通信中,有效性可用三個指標(biāo)來說明,即碼元(符號)速率、信息速率和頻帶利用率。1)碼元速率RB碼元速率通常又稱為符號速率,指單位時間(每秒鐘)內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)目,單位為波特(Baud),可簡寫為Bd。每個碼元都占有均等的時間間隔,這個時間間隔稱為碼元長度。當(dāng)碼元長度為T時,碼元速率為碼元可以是二進(jìn)制,也可以是多進(jìn)制。2)信息速率Rb信息速率又稱為傳信率、比特率等,用每秒鐘所傳輸信息量的多少來衡量,單位是比特/秒,或?qū)懽鱞/s。信息量是信源發(fā)出的每一個消息所包含的信息多少的一種度量,消息的不確定性程度越大,信息量越大,二者之間的關(guān)系可表示為其中,p為消息發(fā)生的概率;I為信息量,單位為比特(b)。對于M進(jìn)制碼元,若每一個符號以等概率出現(xiàn),則每個碼元攜帶的信息量為因此,對于M進(jìn)制碼元,信息速率與碼元速率的關(guān)系是3)頻帶利用率

在比較不同通信系統(tǒng)的有效性時,只看它們的傳輸速率是不夠的,還應(yīng)看在這樣的傳輸速率下所占的信道的頻帶寬度。通常傳輸速率越高,所占用的信道頻帶越寬。因此,能夠真正體現(xiàn)出有效性的指標(biāo)應(yīng)該是頻帶利用率,即單位頻帶內(nèi)的傳輸速率,其計算公式為或?qū)τ诙M(jìn)制碼元,信息速率和碼元速率的數(shù)值相等;對于多進(jìn)制碼元,信息速率的數(shù)值大于碼元速率的數(shù)值,即多進(jìn)制系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⑺俾矢摺?.可靠性衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的主要指標(biāo)是誤碼率和信號抖動。1)誤碼率誤碼率又稱為碼元差錯率,是指接收端錯誤接收的碼元數(shù)與所接收的總碼元數(shù)之比。更嚴(yán)格地講,誤碼率就是碼元在系統(tǒng)傳輸過程中傳錯的概率。誤碼率是一個統(tǒng)計平均值,所以這里指的是平均誤碼率,其計算公式為誤碼率的大小由傳輸系統(tǒng)特性、信道質(zhì)量及系統(tǒng)噪聲等因素決定。如果傳輸系統(tǒng)特性、信道質(zhì)量都很好,且噪聲較小,則系統(tǒng)的誤碼率就較低,反之,則系統(tǒng)的誤碼率就會較高。在一個多中繼段的傳輸鏈路中,經(jīng)多次再生中繼后的總誤碼率是以一定方式累積的,近似等于各段誤碼率之和。

2)信號抖動

在數(shù)字通信系統(tǒng)中,信號抖動是指數(shù)字信號相對于標(biāo)準(zhǔn)位置的隨機(jī)偏移,其示意圖如圖111所示。圖中,實線表示接收端標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號,虛線表示從數(shù)字信號中實時提取的時鐘信號。信號抖動的定量值也是統(tǒng)計平均值,它同樣與傳輸系統(tǒng)特性、信道質(zhì)量及噪聲等有關(guān)。在多中繼段鏈路傳輸時,信號抖動也具有累積效應(yīng)。

從可靠性角度而言,誤碼率和信號抖動都直接反映了通信質(zhì)量。例如,在對語音信號進(jìn)行數(shù)字化傳輸時,誤碼和抖動都會對數(shù)/模轉(zhuǎn)換后的語音質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。1.3.3傳輸信道的容量信道容量是指信道傳輸信息的最大能力。在信息論中,稱信道無差錯傳輸信息的最大信息速率為信道容量,記為C,單位是b/s。信道容量的大小受信道質(zhì)量和可使用時間的影響,當(dāng)信道質(zhì)量較差時,實際傳輸速率將降低。1.模擬信道容量香農(nóng)(Shannon)定理指出:在信號平均功率受限的高斯白噪聲信道中,信道每秒傳送的最大可能信息量(即信道容量)C為其中,C為信道容量,B為信道帶寬,S為信號功率,N為噪聲功率。2.數(shù)字信道容量奈奎斯特(Nyquist)準(zhǔn)則指出:帶寬為BHz的信道,所能傳送的信號的最高碼元速率為2B波特。無噪聲數(shù)字信道的信道容量C可表示為

，其中,M為碼元的進(jìn)制,B為信道帶寬。2.1脈沖編碼調(diào)制2.2差值脈沖編碼調(diào)制2.3增量調(diào)制2.1脈沖編碼調(diào)制2.1.1PCM系統(tǒng)的組成脈沖編碼調(diào)制(PCM)是實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的一種方式,原理如圖2—1所示。發(fā)送端完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換),即信源編碼,它包括抽樣、量化、編碼等主要部分,在一般情況下,量化和編碼是同時完成的。抽樣是將模擬信號在時間上進(jìn)行離散化的過程,即把模擬信號用時間域上離散時間點的振幅值來表示,抽樣后的信號幅度取值還是無限個,所以還是模擬信號。量化是將模擬信號在幅度上進(jìn)行離散化的過程,即把取值連續(xù)的樣值用離散的幅度值來近似表示。編碼是將每個量化后的樣值轉(zhuǎn)換為抗干擾能力強(qiáng)的二進(jìn)制數(shù)字信號。接收端完成與發(fā)送端相反的工作,即進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換(D/A轉(zhuǎn)換)。主要步驟是解碼和低通濾波。解碼是把接收到的數(shù)字信號還原為樣值脈沖。低通濾波是去除樣值脈沖中的高頻分量,將樣值信號還原為模擬信號。連接發(fā)送端和接收端,實現(xiàn)信號傳送的部分稱為傳輸系統(tǒng),包括傳輸媒介和相應(yīng)的信號處理電路。當(dāng)數(shù)字信號在信道中傳輸時,由于信道特性不理想、周圍環(huán)境干擾、電子設(shè)備性能變化及信道間的相互干擾等因素的影響,信號會產(chǎn)生幅度下降和波形展寬等失真現(xiàn)象,而且失真現(xiàn)象會隨著距離的增加而越來越嚴(yán)重,最終會產(chǎn)生誤碼,影響通信質(zhì)量。為了提高通信質(zhì)量,減小失真的影響,并延長通信距離,可在PCM系統(tǒng)中每隔一定距離增設(shè)一臺再生中繼器,使信號得到放大再生。同樣,為了減小最后一段信道對傳輸信號的影響,接收端首先也要對接收到的信號進(jìn)行再生后再解碼還原。2.1.2抽樣1.抽樣的概念抽樣是在時間上對模擬信號進(jìn)行離散化處理,即將時間上連續(xù)的信號處理成時間上離散的信號,這一過程稱為抽樣。2.抽樣的實現(xiàn)實現(xiàn)抽樣的電路稱為抽樣門,抽樣門模型及抽樣過程實現(xiàn)示意圖如圖2—2所示。圖2—2(a)中s(t)稱為抽樣脈沖,是周期性矩形脈沖序列,控制開關(guān)動作。當(dāng)s(t)=1時,開關(guān)閉合,輸出fs(t)=f(t);當(dāng)s(t)=0時,開關(guān)斷開,輸出fs(t)=0。抽樣門電路也可表示為一個相乘器模型,如圖2—2(b)所示,且有3.抽樣的分類按抽樣脈沖及處理方式不同,抽樣分為三種形式:理想抽樣、自然抽樣和平頂抽樣。當(dāng)抽樣脈沖寬度τ→0時,矩形脈沖序列就變成了沖激脈沖序列,此時的抽樣稱為理想抽樣。理想抽樣很難實現(xiàn),一般用自然抽樣取代。自然抽樣可以看作曲頂抽樣,在抽樣脈沖的時間內(nèi),抽樣信號的“頂部”變化是隨m(t)變化的,即在頂部保持了m(t)變化的規(guī)律。而對于平頂抽樣,在每個抽樣脈沖時間里,其“頂部”形狀為平的。自然抽樣和平頂抽樣如圖2—3所示。4.樣值信號頻譜分析下面用理想抽樣分析樣值信號的頻譜包含哪些成分,看看能否用離散信號代替連續(xù)信號。沖激脈沖序列函數(shù)可表示為設(shè)f(t)、s(t)和fs(t)的頻譜分別為F(ω)、S(ω)和Fs(ω),由傅里葉變換可知:根據(jù)頻域卷積定理可知:式(24)表明:樣值信號的頻譜是原模擬信號頻譜平移±nωs(n=0,1,2,…)后的總和,即樣值信號頻譜包含原始信號頻譜和一系列的上、下邊帶,頻譜被展寬了。由于樣值信號中包含原始信號頻率成分,若我們能從樣值信號頻譜中分離出原來的信號成分,就可以用離散信號代替原來的連續(xù)信號。為了能從離散的抽樣序列中不失真地恢復(fù)出原來的模擬信號,要求原始信號頻帶和各上、下邊帶不發(fā)生重疊,在接收端用濾波器就可取出原信號成分。

模擬信號抽樣過程及頻譜如圖2—4所示。從圖2—4可看出,只要ωs-ωH≥ωH,原始信號與1次下邊帶就不會重疊,那么我們用截止頻率在ωH~ωs-ωH范圍內(nèi)的低通濾波器就可以把原信號頻率成分從樣值信號頻譜中分離出來。對于不同的信號,我們該如何選擇合適的抽樣頻率呢?著名的奈奎斯特抽樣定理解決了這個問題,奈奎斯特抽樣定理成為模擬信號數(shù)字傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)。5.抽樣定理根據(jù)模擬信號是低通型信號還是帶通型信號,抽樣定理可分為低通型抽樣定理和帶通型抽樣定理。設(shè)信號最低頻率為fL,最高頻率為fH,則帶寬為B=fH-fL。當(dāng)fL<B時,該信號稱為低通型信號;當(dāng)fL≥B時,該信號稱為帶通型信號。1)低通型抽樣定理低通型抽樣定理在時域上可以表述為:對于一個最高截止頻率為fH的低通型模擬信號f(t),如果用時間間隔為

的開關(guān)信號對其進(jìn)行抽樣,則f(t)就可被所得到的樣值信號來唯一地表示?；蛘哒f,要從樣值序列無失真地恢復(fù)原時間連續(xù)信號,其抽樣頻率應(yīng)選為fs≥2fH。理論上,理想的抽樣頻率為信號最高頻率的2倍,但在實際工程中,限帶信號不會嚴(yán)格限帶,而且濾波器特性也并不是理想的,所以抽樣時要留有一定帶寬的防衛(wèi)帶。通常抽樣頻率取(2.5~5)fH,以避免失真。抽樣頻率并不是越高越好,如果抽樣頻率太高,就會降低信道的利用率,相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備就會變得更復(fù)雜,因此只要能滿足抽樣定理,并留有一定的頻率防衛(wèi)帶即可。例如,話音信號的頻率限制在300~3400Hz左右,取2fH=6800Hz,為了留有一定的防衛(wèi)帶,實際抽樣頻率通常取8000Hz(CCITT建議取8000Hz),也就是說留出1200Hz作為濾波器的防衛(wèi)帶。2)帶通型抽樣定理對于帶通型信號,抽樣頻率fs如仍按fs≥2fH選取,雖然仍能滿足樣值序列頻譜不產(chǎn)生頻譜重疊的要求,但所選取的抽樣頻率太高,將會降低信道傳輸效率。從提高傳輸效率考慮應(yīng)盡量降低抽樣頻率。對于最高截止頻率為fH、最低截止頻率為fL的帶通型信號,適當(dāng)降低fs取值,使抽樣后產(chǎn)生的n次下邊帶移至0~fL區(qū)域內(nèi),只要滿足抽樣后的樣值序列頻譜不產(chǎn)生重疊即可。帶通型信號抽樣后樣值序列頻譜如圖2—5所示。抽樣頻率的選取應(yīng)滿足下述條件:故其中,n為fL/B的最大整數(shù)。為了保證原始信號與其相鄰的邊帶間隔相等,fs一般取值為實際應(yīng)用中,帶通型信號的抽樣頻率也可由下式?jīng)Q定:其中,B=fH-fL為信號帶寬,m為fH/B的整數(shù)部分,k為fH/B的小數(shù)部分。應(yīng)該注意的是,當(dāng)fH=mB時,無論帶通型信號的fL和fH為何值,只需將抽樣頻率設(shè)定在2B,理論上就不會發(fā)生抽樣后的頻譜重疊,而不像低通抽樣定理要求的必須為上限頻率的2倍以上。2.1.3量化1.量化的概念量化是模擬信號數(shù)字化的重要步驟,就是把信號在幅度域上連續(xù)取值變?yōu)榉扔蛏想x散取值的過程。抽樣后的信號是脈沖幅度調(diào)制信號(PAM),該信號在時間域上是離散的,但在幅度域上取值仍然是連續(xù)的,所以還是模擬信號,無法用有限位數(shù)的二進(jìn)制碼組表示,因此還需要對該模擬信號的幅度進(jìn)行離散化處理,即量化。2.量化的過程第一步,先確定信號的最大范圍(-U~+U),區(qū)間內(nèi)稱為量化區(qū),區(qū)間外稱為過載區(qū)。第二步,在量化區(qū)內(nèi)將幅度劃分為若干間隔,該間隔稱為量化間隔,所劃分的間隔數(shù)叫量化級數(shù)。按量化間隔劃分不同,量化可分為均勻量化和非均勻量化兩種方式。第三步,將落在每一量化間隔內(nèi)的信號用一個特殊的值來表示,這個特殊的值叫量化值,一般可取量化間隔的最大值或最小值,也可取中間值。量化實質(zhì)上是一個近似表示的過程,即將無限個數(shù)值的模擬信號用有限個數(shù)值的離散信號近似表示。這一近似表示的過程一定會產(chǎn)生誤差,稱為量化誤差。量化示意圖如圖2—6所示。3.均勻量化均勻量化也稱為線性量化,是指在量化區(qū)間內(nèi)量化間隔大小相等。均勻量化的輸出uo(t)與輸入ui(t)之間的關(guān)系是一個均勻的階梯關(guān)系,如圖2—7(a)所示。量化誤差等于量化后的樣值與原始值的差。對于不同的輸入范圍,量化誤差顯示出兩種不同的特性,如圖2—(b)所示。(1)在量化區(qū),量化誤差的絕對值

。(2)在過載區(qū),量化輸出不隨輸入信號的變化而變化,而是保持在最大量化值上不變,

量化誤差

。過載區(qū)的誤差特性是線性增長的,因而過載誤差比量化誤差大,對重建信號有很壞的影響。在設(shè)計量化器時,應(yīng)考慮輸入信號的幅度范圍,使信號幅度不進(jìn)入過載區(qū),或者只能以極小的概率進(jìn)入過載區(qū)。量化誤差的大小依賴于量化級數(shù)及量化值的選取,量化級數(shù)越大,量化間隔越小,量化誤差越小。量化誤差一旦形成,就無法消除。由量化誤差產(chǎn)生的噪聲稱為量化噪聲,量化噪聲對通信的影響可用量化信噪比來衡量。量化信噪比越大,量化性能越好。量化信噪比定義為下面分析一下語音信號采用均勻量化時的量化信噪比變化。語音信號是隨機(jī)信號,因此計算量化噪聲功率時應(yīng)考慮語音信號的統(tǒng)計特性。根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果,語音信號的幅度概率分布特性是:幅值越小,出現(xiàn)的概率越大;幅值越大,出現(xiàn)的概率越小,其概率密度分布服從指數(shù)規(guī)律,如圖2—8所示。為簡化計算,忽略過載區(qū)的影響,并設(shè)在量化區(qū)內(nèi)劃分N個間隔,則量化間隔為若j為第j個間隔,量化值取中間值uj,則在第j間隔內(nèi)的量化噪聲功率為一般來說,量化間隔數(shù)N很大,量化間隔Δ很小,因而可認(rèn)為信號概率密度p(u)在Δ內(nèi)不變,用p(uj)表示,信號幅度值落在Δ內(nèi)的概率為pj,則有假設(shè)各層之間的量化噪聲相互獨立,則總的量化噪聲功率為各間隔量化噪聲功率之和,即

由式(2—11)可知,不過載時均勻量化的量化噪聲功率Nq僅與Δ有關(guān),而與信號大小及信號的統(tǒng)計特性無關(guān),一旦量化間隔Δ給定,無論抽樣值多大,均勻量化噪聲功率Nq都是相同的。

信號功率:

信噪比:

其中,x=u/U為歸一化信號幅度值,量化間隔數(shù)N=2n,n為二進(jìn)制碼的位數(shù)。從式(212)可知,均勻量化信噪比與信號大小、量化間隔數(shù)成正比。小信號信噪比低,大信號信噪比高;如果量化間隔數(shù)N增加,則信噪比提高,每增加一位碼,信噪比提高6dB。均勻量化器廣泛應(yīng)用于線性A/D轉(zhuǎn)換接口中,如計算機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換、遙測遙控系統(tǒng)、儀表及圖像信號的數(shù)字化接口等,都使用均勻量化器。但在語音信號數(shù)字化通信中,均勻量化則有明顯的不足。

為保證通信質(zhì)量,對通信系統(tǒng)提出如下要求:在動態(tài)范圍≥40dB的條件下,量化信噪比不應(yīng)低于26dB。按這一要求,由式(2—12)可得

4.8+6n-40≥26即

n≥10.2

因此PCM編碼位數(shù)至少取11位。

若每個樣值均用11位碼傳輸,則信道利用率較低;若減少編碼位數(shù),則量化信噪比不能滿足要求。為了解決這一矛盾,實際通信中往往采用非均勻量化。

4.非均勻量化

非均勻量化采用了量化間隔的大小隨輸入信號電平的大小而改變的思路。對輸入信號進(jìn)行量化時,大的輸入信號采用大的量化間隔,量化誤差也大,則量化噪聲功率增大,信號不變時,使量化信噪比降低;小的輸入信號采用小的量化間隔,量化誤差也小,則量化噪聲功率變小,信號不變時,使量化信噪比提高。非均勻量化的輸出uo(t)與輸入ui(t)之間的關(guān)系是一個非均勻的階梯關(guān)系,其關(guān)系曲線如圖29所示。

實現(xiàn)非均勻量化的方法之一是采用壓縮擴(kuò)張技術(shù),其工作原理如下:在發(fā)送端首先對輸入信號進(jìn)行壓縮處理,改變大、小信號的比例關(guān)系,大信號放大倍數(shù)小,小信號放大倍數(shù)大;再把壓縮處理后的信號進(jìn)行均勻量化,等效的結(jié)果就是對原信號進(jìn)行了非均勻量化;再對量化后的信號進(jìn)行編碼,傳輸?shù)綄Ψ?接收、解碼恢復(fù)為壓縮后的信號;最后,在接收端再將接收到的壓縮信號進(jìn)行擴(kuò)張?zhí)幚磉€原成原始信號。擴(kuò)張功能和壓縮功能正好相反,非均勻量化的基本原理如圖2—10所示。目前在PCM系統(tǒng)中主要采用兩種壓擴(kuò)特性:一種是以μ作為參量的壓擴(kuò)特性,叫作μ律壓擴(kuò)特性,簡稱μ律特性;另一種是以A作為參量的壓擴(kuò)特性,叫作A律壓擴(kuò)特性,簡稱A律特性。μ律特性主要在北美和日本等國家的PCM24路系統(tǒng)中采用,A律特性主要在英國、法國、德國等歐洲國家及我國的PCM30/32路系統(tǒng)中采用。1)μ律壓擴(kuò)特性μ律壓擴(kuò)特性表示式為式中,y表示壓縮器的輸出信號,x表示壓縮器的輸入信號,這兩個值都是以臨界過載值U進(jìn)行歸一化的量,即-1≤x≤1,-1≤y≤1,sgn(x)為x的極性。μ為確定壓縮量的參數(shù),反映最大量化間隔與最小量化間隔之比。當(dāng)μ=0時,y=x,屬于均勻量化,未壓縮,因此要求μ>0。隨著μ增大,小幅度信號的壓擴(kuò)特性明顯,μ一般取值為100~500。不同的μ值的壓縮特性如圖2—11所示。2)A律壓擴(kuò)特性A律壓擴(kuò)特性表示式為式中,A是壓縮參數(shù)。當(dāng)A=1時,y=x,輸出與輸入呈線性關(guān)系,屬于均勻量化;當(dāng)A>1時,隨著A增大,壓縮特性越明顯。由式(2—14)可知,在

范圍內(nèi),y是直線段;在

范圍內(nèi),y是一條對數(shù)曲線,如圖2—12所示。

3)A律13折線壓擴(kuò)特性

上述的μ律特性和A律特性都是用模擬器件實現(xiàn)的,要保證擴(kuò)張?zhí)匦耘c壓縮特性嚴(yán)格互逆,是很難實現(xiàn)的。隨著集成電路和數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)字壓擴(kuò)技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛。利用數(shù)字集成電路,可以用多段折線來近似壓縮特性曲線。

在實際中采用的壓擴(kuò)特性主要有15折線μ律(μ=255)特性和13折線A律(A=87.6)特性等。下面以13折線A律特性為例來說明具體的實現(xiàn)方法。

在x軸0~1(歸一化)范圍內(nèi),以

遞減規(guī)律分成8個不均勻段,其分段點是在y軸0~1(歸一化)范圍內(nèi),以均勻分段方式分成8個均勻段,其分段點是

在x—y平面上找到x軸和y軸對應(yīng)的分段線相交點,相鄰兩點連線,就可得到斜率不同的8段折線,如圖2—13所示。

由式(2—14)可知,在范圍內(nèi),A律特性是直線段,要使之與圖2—13所示的折線近似,此直線斜率必須與折線的第1段斜率相等,可得出A=87.6。

將A=87.6代入式(214)可以計算出不同x取值時y的取值。將A=87.6的A律特性曲線與13折線對比列于表2—1。

由表2—1可以看出,對應(yīng)同一y值,兩種情況計算所得x值基本上相等,說明兩種壓縮特性十分接近。

同理,對-1~0范圍內(nèi)的信號同樣可以得到8段折線。正、負(fù)雙向合起來共16段折線。從折線的各段斜率計算可知,-1~+1范圍內(nèi)第1段與第2段的斜率都是16,兩者相等,所以靠近零點附近的4段折線實際上是一段直線,因此在-1~+1范圍內(nèi)就形成了總數(shù)為13段的折線,簡稱為A律13折線。采用A律13折線特性進(jìn)行非均勻量化后的量化信噪比與均勻量化信噪比的關(guān)系為

式中,ki為13折線各段斜率,20lgki稱為信噪比改善量,不同段落的信號信噪比改善量不同。

對于動態(tài)范圍為40dB的語音信號,為達(dá)到信噪比要求,應(yīng)有編碼位數(shù)n≥6.2,所以最小碼位數(shù)為n=7。

可見對于同樣的動態(tài)范圍,采用非均勻量化只需7位碼,采用均勻量化則需要11位碼。非均勻量化有效提高了小信號的信噪比。

2.1.4編碼與解碼

編碼是把量化后的樣值信號用二進(jìn)制碼組表示,目前電話通信中,語音信號通常采用8位二進(jìn)制代碼表示每個樣值。8位二進(jìn)制碼元總共組成256個不同的碼字,可以表示256個量化值?，F(xiàn)在結(jié)合A律13折線特性來說明編碼方法。

A律13折線特性的編碼方法是對信號樣值采用歸一化處理后,在0~1范圍內(nèi)先進(jìn)行非均勻量化分段再進(jìn)行編碼。

1.非均勻量化分段方案

(1)以遞減規(guī)律將0~1范圍分成8個大段,其分段點分別是(2)分別把8個大段均勻量化成16個小段,共分128段,考慮正、負(fù)雙極性,則共計256個量化段,編碼時需要8位二進(jìn)制碼。其中,最小量化間隔為2.碼字安排采用A律13折線編碼時所需要的8位二進(jìn)制碼由1位極性碼和7位非線性幅度碼組成,具體安排如下。(1)a1:極性碼。a1=1,表示正極性;a1=0,表示負(fù)極性。(2)a2a3a4:段落碼。共有8種組合000~111,分別表示對應(yīng)的8個大段。(3)a5a6a7a8:段內(nèi)碼。共有16種組合0000~1111,分別表示每大段內(nèi)的16個小段。段落碼與8個段落的對應(yīng)關(guān)系如表2—2所示。段內(nèi)碼與16個量化級的對應(yīng)關(guān)系如表2—3所示。8個大段的電平量化值與碼字的對應(yīng)關(guān)系如表2—4所示。3.編碼過程現(xiàn)實中常采用逐次比較反饋型編碼方法完成A律13折線編碼。逐次比較是指每編一位碼就要進(jìn)行一次比較;反饋是指每編出的一位碼,除了向外輸出,還需要反饋回編碼器用來控制后續(xù)工作。上述編碼方法是把壓縮、量化和編碼合為一體的方法。該編碼方法的關(guān)鍵是比較時參考值的確定,在A律13折線編碼中常采用段落對分的原則確定參考值,編碼過程分兩步來進(jìn)行。第一步,確定極性碼。極性碼根據(jù)輸入信號的極性來確定,比較編碼時參考值為零。當(dāng)is≥0時,a1=“1”碼;當(dāng)is<0時,a1=“0”碼。第二步,確定幅度碼。幅度碼由樣值信號的絕對大小來確定,編碼時所需的參考值以量化段為單位,逐次對分,對分點的電平值即是參考值IRi。當(dāng)Is≥IRi時,ai=“1”碼;當(dāng)Is<IRi時,ai=“0”碼。1)段落碼參考值的確定段落碼參考值采用段落對分原則確定,如圖214所示。第一次參考值為第1~4段和5~8段的分界點,即IRi=128Δ。

第二次參考值由a2結(jié)果決定。當(dāng)a2=0時,表示信號處于1~4段,對分點為1~2段和3~4段的分界點,即IR3=32Δ;當(dāng)a2=1時,表示信號處于5~8段,對分點為5~6段和7~8段的分界點,IR3=512Δ。

第三次參考值由a2a3的結(jié)果來決定。當(dāng)a2a3=00時,表示信號處于1~2段,對分點為第1段和第2段的分界點,即IR3=16Δ;當(dāng)a2a3=01時,表示信號處于3~4段,對分點為第3段和第4段的分界點,即IR3=64Δ;當(dāng)a2a3=10時,表示信號處于5~6段,對分點為第5段和第6段的分界點,即IR3=256Δ;當(dāng)a2a3=11時,表示信號處于7~8段,對分點為第7段和第8段的分界點,即IR3=1024Δ。2)段內(nèi)碼參考值的確定段內(nèi)碼參考值的確定同樣采用段落對分原則,由已編的碼決定后一位碼的判斷參考值,即IR5=IBi+8Δi;IR6=IBi+8Δi·a5+4Δi;IR7=IBi+8Δi·a5+4Δi·a6+2Δi;IR8=IBi+8Δi·a5+4Δi·a6+2Δi·a7+Δi。4.逐次比較反饋型編碼器逐次比較反饋型編碼器由兩大部分組成:比較判決和碼形成電路、參考值的提供電路(本地解碼)。逐次比較反饋型編碼器的原理框圖如圖2—15所示。

經(jīng)抽樣保持的PAM信號分成兩路,一路送入極性判決電路,在D1時刻進(jìn)行判決,產(chǎn)生極性碼a1,信號為正極性時a1=1,信號為負(fù)極性時a1=0。

另一路經(jīng)全波整流后送入幅度碼形成電路,與本地解碼器產(chǎn)生的參考值進(jìn)行比較,產(chǎn)生幅度碼a2…a8,其比較是按時序脈沖D2…D8逐位進(jìn)行的。D1…D8脈沖的時序關(guān)系如圖2—16所示。

本地解碼器的作用是將極性碼以外的a2…a7各位碼逐位反饋,經(jīng)串/并變換,并記憶為M2…M8,再將M2…M8(7位非線性碼)經(jīng)7/11變換電路變換為相應(yīng)的11位線性碼,最后經(jīng)11位線性解碼網(wǎng)絡(luò)解碼,即可輸出相應(yīng)的判決用的參考值IR或UR。7/11變換的碼組對應(yīng)關(guān)系應(yīng)是等值的。7位非線性碼對應(yīng)的電平值可按下式進(jìn)行計算:11位線性碼各碼位對應(yīng)的電平值如表2—5所示。11位線性碼的碼字電平為5.碼字電平碼字電平是指采用A律13折線編碼方法編出的碼字所對應(yīng)的電平值,即量化時所取的量化值,也稱為編碼電平,用下面公式可計算出該電平值:6.解碼解碼是編碼的反過程,即將二進(jìn)制碼字轉(zhuǎn)換為PAM樣值信號。根據(jù)接收到的二進(jìn)制碼字情況,分析該碼字所代表的信號極性,再判斷信號所屬的量化段,最后求出對應(yīng)的電平大小。A律13折線解碼器的原理框圖如圖2—17所示。接收到的PCM串行碼經(jīng)過串/并變換記憶電路變?yōu)椴⑿写a,并由記憶電路記憶,通過7/12變換、寄存讀出和12位線性解碼網(wǎng)絡(luò)輸出相應(yīng)的PAM信號。當(dāng)采用A律13折線編碼方法時,為了使電路實現(xiàn)簡單,量化值都取量化間隔的下限,這樣所產(chǎn)生的量化誤差|ei|≤Δi,合理的量化值應(yīng)是每一量化間隔的中間值,這時的量化誤差是|ei|≤Δi/2。為了保證接收端解碼后的量化誤差不超過Δi/2,在接收端加入Δi/2的補(bǔ)差項,這樣可得出解碼電平值計算公式為解碼誤差為2.2差值脈沖編碼調(diào)制

從語音信號的相關(guān)性分析可知,當(dāng)以一定的時間間隔對語音信號進(jìn)行抽樣時,相鄰樣值之間都存在著很強(qiáng)的相關(guān)性。PCM編碼沒有考慮這些相關(guān)性,直接對每一個樣值信號獨立進(jìn)行編碼,所以編碼所得到的信號中會含有一定的冗余信息,使編碼信號的速率有一些不必要的增加,從而降低了傳輸效率。由此可見,利用語音信號的相關(guān)性降低編碼速率是實現(xiàn)語音信號高效編碼的有效方法之一。DPCM就是考慮利用語音信號的相關(guān)性,找出可反映信號變化特征的一個差值進(jìn)行量化和編碼,根據(jù)相關(guān)性原理,這一差值的幅度范圍一定小于原信號幅度的范圍。因此,在保持相同量化誤差的前提條件下,量化電平數(shù)量可以減少,編碼位數(shù)相應(yīng)減少,編碼速度降低,也就是壓縮了編碼速率。一般地,人們把編碼后碼速率低于64kb/s的編碼方式稱為語音壓縮編碼。

2.2.1DPCM系統(tǒng)原理

差值脈沖編碼調(diào)制(DPCM)是一種對樣值信號的差值進(jìn)行量化和編碼的通信方式,一般是以預(yù)測的方式來實現(xiàn)的。預(yù)測是指當(dāng)知道了有相關(guān)性信號的一部分時,就可對其余部分進(jìn)行推斷和估值。具體地說,如果知道了一個信號在某一時刻以前的狀態(tài),就可對它的后來值進(jìn)行估計。

1.DPCM編碼

這種脈沖編碼調(diào)制方式在發(fā)送端首先對模擬的語音信號進(jìn)行抽樣,然后求取樣值的差值信號,再對樣值的差值信號進(jìn)行量化和編碼,編碼得到的數(shù)字信號通過信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端。其中求取差值所需要的前一相鄰時刻樣值由預(yù)測器產(chǎn)生,預(yù)測器一般由延遲一個周期的記憶電路實現(xiàn)。DPCM系統(tǒng)的原理框圖如圖218所示。

設(shè)樣值序列為S(0),S(1),S(2),S(3),…,S(n),樣值的差值d(i)是本時刻樣值與前一相鄰時刻樣值之間的差值,d(i)=S(i)-Sp(i),其中,Sp(i)=S'(i-1)為預(yù)測值。在t=0時刻,設(shè)前一相鄰時刻的樣值是0,則有d(0)=S(0),量化值為d'(0)。DPCM原理示意如圖2—19所示。2.DPCM解碼接收端與發(fā)送端的功能相反,通過解碼還原出樣值的差值信號,再經(jīng)過相加器得到恢復(fù)的近似樣值信號,最后經(jīng)過低通濾波器的平滑作用,恢復(fù)和重建原始模擬信號。其中,接收端的預(yù)測器與發(fā)送端的相同,即由上述分析可知:恢復(fù)的信號樣值等于過去到現(xiàn)在的所有差值信號的累積。量化誤差為2.2.2ADPCM系統(tǒng)原理

自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)是在DPCM編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在通信過程中,由于語音信號隨時都會發(fā)生變化,為了能在相當(dāng)寬的動態(tài)變化范圍內(nèi)得到最佳的性能,進(jìn)一步提高通信質(zhì)量,可在DPCM系統(tǒng)中增加自適應(yīng)系統(tǒng),這種DPCM系統(tǒng)稱為自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制(ADPCM),它是語音壓縮編碼方法中復(fù)雜程度較低的一種,它能在32kb/s數(shù)碼率的條件下達(dá)到符合64kb/s數(shù)碼率的語音質(zhì)量。自適應(yīng)包括自適應(yīng)預(yù)測和自適應(yīng)量化兩方面的含義,圖220為ADPCM系統(tǒng)的原理框圖。從圖220中可以看出,ADPCM系統(tǒng)的編碼和解碼電路結(jié)構(gòu)基本和DPCM系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)相同,不同的是在DPCM的基礎(chǔ)上加上了兩部分電路———自適應(yīng)量化和自適應(yīng)預(yù)測,使編碼系統(tǒng)的性能得到了很大程度的優(yōu)化。1.自適應(yīng)量化自適應(yīng)量化是指量化器的量化級差隨著輸入差值電平d(n)的改變而自動改變。輸入差值電平大的時候,量化級差也大;輸入差值電平小的時候,量化級差也小?？衫眠@—特性來減小量化噪聲。量化部分電路主要是量化尺度適配器,它是由定標(biāo)因子自適應(yīng)和自適應(yīng)速度控制兩部分電路組成的。編碼器中量化器的自適應(yīng)受量化尺度適配器中的定標(biāo)因子控制,為了適應(yīng)語音信號、帶內(nèi)數(shù)據(jù)、信令等信號的不同統(tǒng)計特性,一般定標(biāo)量化器采用雙模式自適應(yīng)方式。CCITT的建議如下:(1)快速定標(biāo)因子用于語音等信號,這類信號產(chǎn)生波動大的差值信號。(2)慢速定標(biāo)因子用于帶內(nèi)數(shù)據(jù)、單頻等信號,這類信號產(chǎn)生波動小的差值信號。自適應(yīng)的速度受快速和慢速定標(biāo)因子的組合控制,這種控制由量化尺度適配器中的自適應(yīng)速度控制電路來完成,控制參數(shù)通過對輸出ADPCM碼流的濾波獲得。2.自適應(yīng)預(yù)測為了獲得最大的預(yù)測增益,通常采用自適應(yīng)預(yù)測方式,預(yù)測系數(shù)在預(yù)測過程中實時調(diào)整。差值在累加時的預(yù)測系數(shù)隨著樣值S(n)的變化而自動變化,以精確地逼近樣值信號,從而達(dá)到減小差值信號d(n)的目的。它的基本思想是使預(yù)測系數(shù)的改變與輸入信號的幅度值相匹配,從而使預(yù)測誤差為最小值,這樣預(yù)測的編碼范圍可減小,在相同的編碼位數(shù)下可提高信噪比。自適應(yīng)預(yù)測可比固定預(yù)測多獲得3dB左右的預(yù)測增益。常用的自適應(yīng)預(yù)測算法主要有以下兩種。(1)前向自適應(yīng)預(yù)測算法。如前所述,前向自適應(yīng)預(yù)測算法根據(jù)短時間的相關(guān)特性求短時的最小預(yù)測系數(shù),運算量大,延遲時間長,不能用于高速系統(tǒng)。(2)后向自適應(yīng)預(yù)測算法。這種算法是在d(n)最小的情況下找出最佳預(yù)測系數(shù),采用不斷修正預(yù)測系數(shù){ai(k)}的方法來減小瞬時平方差d2(n),使ai不斷接近最佳預(yù)測系數(shù)。自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制同時利用了差分量化、自適應(yīng)量化和自適應(yīng)預(yù)測的基本技術(shù)。差分量化是對實際樣值與根據(jù)相關(guān)性所做出的預(yù)測值之差進(jìn)行量化和編碼,以降低編碼速率;自適應(yīng)量化則是利用輸入信號方差自適應(yīng)地調(diào)整量化間隔的大小,從而改善量化的質(zhì)量;為了進(jìn)一步有效地克服語音通信中的不平穩(wěn)性,還需要考慮自適應(yīng)預(yù)測,采用預(yù)測器自適應(yīng)地匹配語音信號的瞬時變化,這時預(yù)測系數(shù)不再是固定的,而是隨時都可以預(yù)測的。2.3增量調(diào)制

前面我們介紹了脈沖編碼調(diào)制(PCM),可以看出它的編譯碼電路較復(fù)雜,且每個樣值的碼字都要收、發(fā)保持同步,為此,人們研究了許多改進(jìn)方法,增量調(diào)制就是其中之一。增量調(diào)制是差值脈沖編碼調(diào)制(DPCM)的一個特例,它的編譯碼電路簡單,且在單路時不需要同步。當(dāng)DPCM系統(tǒng)中量化器的量化電平數(shù)為2,且預(yù)測器仍是延遲一個周期T的電路時,DPCM系統(tǒng)就稱作增量調(diào)制(ΔM)系統(tǒng)。實際上,增量調(diào)制編碼每次取樣只編一位碼,這一位編碼并不是表示信號抽樣值的大小,而是表示抽樣幅度的增量,即采用一位二進(jìn)制數(shù)碼“1”或“0”來表示信號在抽樣時刻的值相對于前一個抽樣時刻的值是增大還是減小,增大則輸出“1”碼,減小則輸出“0”碼。輸出的“1”“0”只是表示信號相對于前一個時刻的增減,不表示信號的幅度。2.3.1增量調(diào)制的編碼

增量調(diào)制的編碼規(guī)則為:當(dāng)相鄰兩個樣值的差值大于等于0時,編為“1”碼;當(dāng)相鄰兩個樣值的差值小于0時,編為“0”碼,編碼過程示意圖如圖2—21所示。2.3.2增量調(diào)制的解碼增量調(diào)制在解碼時,用±Δ來表示信號的變化幅度。當(dāng)碼字為“1”時,樣值增加Δ;當(dāng)碼字為“0”時,樣值減少Δ。最后通過低通濾波器對波形進(jìn)行平滑,得到輸出波形。解碼過程示意圖如圖2—22所示。從圖2—21和圖2—22可見,增量調(diào)制編碼簡單,但誤差較大,為了減小誤差,可增加抽樣頻率,減小抽樣間隔,這樣可使差值減少;幅度間隔Δ也可取得小些,當(dāng)幅度間隔足夠小時,解碼輸出的信號就可以接近原信號。3.1多路復(fù)用的概念和種類3.2頻分多路復(fù)用(FDM)3.3時分多路復(fù)用(TDM)3.4統(tǒng)計時分多路復(fù)用(STDM)3.5數(shù)字復(fù)接3.1多路復(fù)用的概念和種類為了提高通信信道的利用率,現(xiàn)代通信系統(tǒng)中常采用多路復(fù)用技術(shù),將多路信號同時沿同一媒介互不干擾地傳輸。3.1.1多路復(fù)用的概念多路復(fù)用技術(shù)就是一種將若干個輸入信號按照一定的方法和規(guī)則合并成一路信號輸出,并在一條公用信道上進(jìn)行傳輸,到達(dá)接收端后再進(jìn)行分離的技術(shù)。它包括復(fù)合、傳輸、分離三個過程。多路復(fù)用技術(shù)的原理框圖如圖3—1所示。圖3—1中各部分功能如下。(1)多路復(fù)用器:在發(fā)送端將n個輸入信號組合成一個單獨的傳輸流。(2)多路解復(fù)用器:在接收端將傳輸流接收并分解成原來的n個獨立信號流,送給對應(yīng)的接收設(shè)備。(3)通路:指一條物理鏈路。(4)信道:指通路中用來完成一路信號傳輸?shù)膯挝?也稱通道。一條通路可以有多條信道。3.1.2多路復(fù)用的種類目前常用的多路復(fù)用技術(shù)有頻分多路復(fù)用(FDM)、時分多路復(fù)用(TDM)、碼分多路復(fù)用(CDM)、波分多路復(fù)用(WDM)及統(tǒng)計時分多路復(fù)用(STDM)。1.頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用是以頻率為標(biāo)記,多路信號各占不同的頻段進(jìn)行傳輸,但在時間上各路信號是重疊的。發(fā)送端通過調(diào)制電路完成頻率的搬移,接收端按頻段不同用濾波器將各路信號分開。一條同軸電纜同時傳輸80多套電視節(jié)目就是頻分多路復(fù)用技術(shù)應(yīng)用的實例。頻分多路復(fù)用技術(shù)主要用于模擬通信系統(tǒng),頻分多路復(fù)用示意圖如圖3—2(a)所示。2.時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用是以時間為標(biāo)記,不同信號占不同的時間片,但在頻域上各路信號可以處于同一頻段內(nèi)。發(fā)送端通過抽樣門電路來分配時間片,接收端通過分路門電路將各路信號分開,從而完成多路通信。時分多路復(fù)用技術(shù)主要用于數(shù)字通信系統(tǒng),時分多路復(fù)用示意圖如圖3—2(b)所示。3.碼分多路復(fù)用碼分多路復(fù)用是以碼組為標(biāo)記,發(fā)送端用各不相同的、相互(準(zhǔn))正交的擴(kuò)頻碼調(diào)制發(fā)送信號,接收端利用碼型正交性,通過解擴(kuò),從混合信號中解調(diào)出相應(yīng)的信號。碼分多路復(fù)用原理如圖3—3所示。設(shè)發(fā)送端有n個用戶,它們發(fā)送的信息數(shù)據(jù)和其對應(yīng)的擴(kuò)頻碼相乘(即模2加)后,對載波進(jìn)行調(diào)制,然后經(jīng)過功率放大器從天線發(fā)送。接收端首先將信號解調(diào),恢復(fù)出所有擴(kuò)頻碼與相應(yīng)信息碼相乘的數(shù)字基帶信號之和,然后將本地產(chǎn)生的用戶擴(kuò)頻碼與該信號相乘,就能還原該路的原始數(shù)據(jù)信息。下面以4個用戶為例,闡述碼分多路復(fù)用的原理。為敘述和作圖方便,假設(shè)系統(tǒng)同步(碼分多路復(fù)用不一定要求同步),并忽略噪聲的影響。由于調(diào)制與解調(diào)完成信號的透明傳輸,因此接收端R處的解調(diào)信為

。將本地用戶擴(kuò)頻碼與該信號相乘,若本地用戶擴(kuò)頻碼為W2,則得到

,由于W1、W2、W3、W4正交,因此由此,可從混合信號中解調(diào)出所需的信號。上述4個用戶的碼分多路復(fù)用過程也可用波形圖3—4表示。碼分多路復(fù)用是所有用戶使用同一載波,占用相同的帶寬,各用戶可以同時發(fā)送或接收信號,所以各用戶發(fā)送的信號在時間和頻率上都是互相重疊的。碼分多路復(fù)用不同于頻分多路復(fù)用和時分多路復(fù)用,不能用濾波和定時來區(qū)分各路信號,它區(qū)分各路信號是利用擴(kuò)頻碼的正交性。因此,碼分多路復(fù)用的路數(shù)取決于正交碼的個數(shù)。碼分多路復(fù)用主要用于無線信號傳輸和有線局域網(wǎng)。4.波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用是光纖通信中常用的復(fù)用技術(shù),多路信號以波長為標(biāo)記,不同信號使用不同的波長在同一根光纖中互不干擾地傳輸,發(fā)送端通過合波器完成合路功能,接收端采用分波器來分離信號。波分多路復(fù)用系統(tǒng)原理如圖3—5所示。3.2頻分多路復(fù)用(FDM)頻分多路復(fù)用(FDM)是指按照頻率的不同來復(fù)用多路信號的技術(shù)。下面介紹頻分多路復(fù)用的基本原理及相關(guān)特點。圖3—6頻分多路復(fù)用原理3.2.1頻分多路復(fù)用的基本原理圖3—6顯示了頻分多路復(fù)用的原理圖,多路模擬信號經(jīng)過FDM過程到達(dá)同一傳輸媒介上。各路信號先被載波經(jīng)調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制,接著將調(diào)制的模擬信號疊加起來,由此而產(chǎn)生了復(fù)合信號。每一路信號的頻譜被搬遷到了以fi為中心的位置上。為了實現(xiàn)這種機(jī)制,必須選擇不同的載波頻率fi,以使不同信號的帶寬之間不會有重疊,否則就不可能恢復(fù)出原始信號。在接收端,復(fù)合信號先通過以fi為中心的帶通濾波器被分離成多路狀態(tài),然后經(jīng)過解調(diào)器后恢復(fù)為原始多路信號。3.2.2頻分多路復(fù)用的處理過程1.復(fù)用過程頻分多路復(fù)用是一個模擬過程,多用于模擬信號的傳輸。圖3—7說明了如何使用FDM將3個廣播信號通道復(fù)用在一起。每個廣播信號的頻率廣播信號范圍都是相近的。在復(fù)用器中,這些相似的信號被調(diào)制到不同的載波頻率(f1,f2,f3)上。然后,將調(diào)制后的信號合成為一個復(fù)用信號并通過寬頻帶的傳輸媒介傳送出去。注意圖3—7中水平坐標(biāo)軸表示頻率,而不是時間。另外,調(diào)制后的復(fù)合信號帶寬要大于每個輸入信號帶寬的3倍,因為通道之間要有相應(yīng)的保護(hù)頻帶。保護(hù)頻帶的寬度是根據(jù)CCITT的有關(guān)建議選定的。2.解復(fù)用過程解復(fù)用過程是復(fù)用過程的逆過程。解復(fù)用器采用濾波器將復(fù)合信號分解成各個獨立信號。然后,每個信號再被送往解調(diào)器將它們與載波信號分離。最后,將傳輸信號送給接收方處理。圖3—8顯示了解復(fù)用過程。3.2.3頻分多路復(fù)用的特點1.FDM的優(yōu)點(1)系統(tǒng)效率較高,充分利用了傳輸媒介的帶寬。

(2)技術(shù)比較成熟,實現(xiàn)起來比較容易。2.FDM的缺點(1)信道的非線性失真會造成嚴(yán)重的串音和交叉調(diào)制的干擾。(2)載波量大,設(shè)備隨著輸入信號的增多而增多,設(shè)備繁雜,不易小型化。(3)本身不提供差錯控制功能,不便于性能監(jiān)測。因此,在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中,頻分多路復(fù)用技術(shù)適用于傳輸模擬信號的頻分制信道,主要用于無線廣播、移動通信和有線電視(CATV)。3.3時分多路復(fù)用(TDM)時分多路復(fù)用(TDM)是以時間作為信號分隔的參量,即多路信號在時間位置上是分開的,但它們所占用的頻帶是重疊的。3.3.1時分多路復(fù)用的基本原理時分多路復(fù)用是通過各路信號在信道上占有不同的時間間隙來進(jìn)行通信。由抽樣定理可知,抽樣是將時間上連續(xù)的模擬信號變成時間上離散的模擬信號,即空出一些時間間隔,留給其他通路傳送信息。這樣在時間上達(dá)到互相分開、互不干擾的目的。下面以話音信號為例來說明時分多路復(fù)用過程,其原理圖如圖3—9所示。各路話音信號分別經(jīng)低通濾波器LP,將頻帶限制在3400Hz以內(nèi),以防止產(chǎn)生折疊噪聲。然后,分別接入快速旋轉(zhuǎn)的電子開關(guān)S1,開關(guān)不斷重復(fù)地做勻速旋轉(zhuǎn),每旋轉(zhuǎn)一周的時間等于抽樣周期Ts,這就達(dá)到對每一路信號每隔Ts時間抽樣的目的?？梢?發(fā)送端抽樣門不僅起到抽樣的作用,同時還起到復(fù)用合路的作用。合路后的PAM信號送到編碼器進(jìn)行量化、編碼,然后送往信道,傳送到對方。在接收端將從發(fā)送端送來的各路PCM信號進(jìn)行解碼,還原后的PAM信號由接收端旋轉(zhuǎn)開關(guān)S2依次送入每一路。分路后的PAM信號再分別經(jīng)低通濾波器重建每路話音信號。接收端的分路門起到分路作用。要注意的是,為保證正常通信,收、發(fā)端旋轉(zhuǎn)開關(guān)S1與S2必須同頻、同相。同頻是指S1與S2的旋轉(zhuǎn)速度要完全相同;同相是指發(fā)送端旋轉(zhuǎn)開關(guān)S1連接第一路信號時,接收端旋轉(zhuǎn)開關(guān)S2也必須連接第一路,否則接收端將收不到本路信號,為此要求收、發(fā)雙方必須保持嚴(yán)格的同步,這樣才能保證收、發(fā)話路是一一對應(yīng)的,不至于造成干擾和串話。下面介紹幾個基本概念。(1)幀:由多路復(fù)用原理可知,幀指的是所有信號抽樣一次所對應(yīng)的總時間(即開關(guān)旋轉(zhuǎn)一周的時間),也就是一個抽樣周期tF=T。(2)路時隙:指合路的PAM信號每個樣值所允許的時間間隔tc,tc=T/n,其中,n是輸入的路數(shù)。(3)位時隙:指1位碼占用的時間tB,tB=tC/l,其中,l是每個樣值編碼的位數(shù)。3.3.2時分多路復(fù)用中的同步技術(shù)時分多路復(fù)用中的同步技術(shù)主要包括位同步(時鐘同步)和幀同步,這是數(shù)字通信的又一個重要特點。位同步是最基本的同步,是實現(xiàn)幀同步的前提。位同步的基本含義是收、發(fā)兩端的時鐘頻率必須同頻、同相,這樣接收端才能正確接收和判決發(fā)送端送來的每一個碼元。幀同步是為了保證收、發(fā)兩端各對應(yīng)的話路在時間上保持一致,這樣接收端就能正確接收發(fā)送端送來的每一個話路信號,當(dāng)然這必須是在位同步的前提下實現(xiàn)。為了建立收、發(fā)系統(tǒng)的幀同步,需要在每一幀(或幾幀)中的固定位置插入具有特殊碼型的幀同步碼。這樣只要接收端能正確識別出這些幀同步碼,就能正確辨別出每一幀的首尾,從而正確區(qū)分出發(fā)送端送來的各路信號。同步也是一種信息,按照傳輸同步信息方式的不同,可分為外同步法和自同步法。由發(fā)送端發(fā)送專門的同步信息,接收端把這個專門的同步信息檢測出來作為同步信號的方法,稱為外同步法。發(fā)送端不發(fā)送專門的同步信息,接收端設(shè)法從收到的信號中提取同步信息的方法,稱為自同步法。由于外同步法需要傳輸獨立的同步信號,因此,要付出額外的功率和頻帶。在實際應(yīng)用中,兩者都采用。在PCM系統(tǒng)中,為了達(dá)到收、發(fā)端頻率同頻、同相,在設(shè)計傳輸碼型時,一般要考慮傳輸?shù)拇a型中應(yīng)含有發(fā)送端的時鐘頻率成分。這樣接收端從接收到的PCM碼中提取出發(fā)送端的時鐘頻率來控制接收端時鐘,就可做到位同步。同步系統(tǒng)性能的降低,會直接導(dǎo)致通信質(zhì)量的降低,甚至使通信系統(tǒng)不能工作?？梢哉f,在同步通信系統(tǒng)中,“同步”是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤帷Ｍ郊夹g(shù)的優(yōu)劣,主要由以下四項指標(biāo)來衡量,好的同步技術(shù)也應(yīng)具備以下幾點:同步誤差小,相位抖動小,同步建立時間短,同步保持時間長。因此,在通信同步系統(tǒng)中,要求同步信息傳輸?shù)目煽啃愿哂谛盘杺鬏數(shù)目煽啃浴?.3.3PCM系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)對于多路數(shù)字電話系統(tǒng),國際上已建議的有兩種標(biāo)準(zhǔn)化制式,即PCM30/32路(A律壓擴(kuò)特性)制式和PCM24路(μ律壓擴(kuò)特性)制式,并規(guī)定國際通信時,以A律壓擴(kuò)特性為準(zhǔn),凡是有兩種制式的轉(zhuǎn)換的情況時,其設(shè)備接口均由采用μ律特性的國家負(fù)責(zé)解決。1.PCM30/32路系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)PCM30/32路系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)反映了在一個取樣周期Ts時間內(nèi)各路信號的時分復(fù)用情況。我國采用的就是PCM30/32路系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu),如圖310所示。從圖310中可以看到,在PCM30/32路制式中,一個復(fù)幀由16幀組成,一幀由32個路時隙組成,一個路時隙包括8位碼。TS1~TS15、TS17~TS31共30個時隙為話路時隙,用來傳送30個話路的話音信號;TS0時隙為幀同步時隙,用來傳送幀同步碼和監(jiān)視告警碼;TS16時隙為信令時隙,用來傳送30個話路的信令信號碼。從時間上講,由于抽樣重復(fù)頻率為8000Hz,因此,抽樣周期為125μs,這也就是PCM30/32的幀周期;一幀內(nèi)要時分復(fù)用32路,則每路占用的時隙為3.9μs;每時隙包含8位碼組,因此,每位碼元占488ns。從傳碼率上講,也就是每秒鐘能傳送8000幀,而每幀包含32×8=256bit,因此,總碼率為256bit/幀×8000幀/s=2048kb/s。對于每個話路來說,每秒鐘要傳輸8000個時隙,每個時隙為8bit,所以每個話路數(shù)字化后信息傳輸速率為8×8000=64kb/s。從時隙比特分配上講,在話路時隙中,第1bit為極性碼,第2~4bit為段落碼,第5~8bit為段內(nèi)碼。為了使收、發(fā)兩端嚴(yán)格同步,每幀TS0時隙都要傳送一組特定標(biāo)志的幀同步碼組或監(jiān)視碼組。TS0時隙比特分配是:偶幀TS0的第2~8位碼傳送幀同步碼組“0011011”,第1比特供國際通信用,不使用時發(fā)送“1”碼;在奇幀中,第3位為幀失步告警用,同步時發(fā)送“0”碼,失步時發(fā)送“1”碼;為避免奇幀TS0的第2~8位碼出現(xiàn)假同步碼組,第2位碼規(guī)定為監(jiān)視碼,固定為“1”,第4~8位碼為國內(nèi)通信用,目前暫定為“1”。

TS16時隙用于傳送各話路的信令信號碼,信令信號按復(fù)幀傳輸,即每隔2ms傳輸一次,一個復(fù)幀有16個幀,即有16個“TS16時隙”(8位碼組)。除了F0之外,其余F1~F15用來傳送30個話路的信令信號。每幀8位碼組可以傳送2個話路的信令信號,每路信令信號占4個比特,以a、b、c、d表示。F0的TS16時隙為復(fù)幀定位碼組,其中第1~4位是復(fù)幀定位碼組本身,編碼為“0000”,第6位用于復(fù)幀失步告警指示,失步為“1”,同步為“0”,其余3比特為備用比特,如不用則為“1”。需要說明的是,標(biāo)志信號碼a、b、c、d不能為全“0”,否則就會和復(fù)幀定位碼組混淆了。

PCM通信的基本傳送單位是64kb/s,即一個話路的編碼,稱為零次群。為了能綜合利用PCM信道,PCM話路不僅用來傳送話音,也用來傳送數(shù)據(jù)信號。數(shù)據(jù)信號在PCM信道中傳輸,稱為數(shù)據(jù)數(shù)字傳輸(DDN)。數(shù)據(jù)信號速率一般都比話音信號速率低,為了能使這些低速率信號在64kb/s的信道中傳輸,就要將這些低速率的數(shù)據(jù)信號復(fù)接起來,以64kb/s的速率在PCM信道中傳輸,所以稱64kb/s速率的復(fù)接數(shù)字信號為零次群復(fù)接。PCM64kb/s的信道可以復(fù)用5路9.6kb/s的數(shù)據(jù)信號或10路4.8kb/s的數(shù)據(jù)信號。

2.PCM24路系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

PCM24路系統(tǒng)又稱T1。一條T1信道多路復(fù)用24條數(shù)字話音信道。T1幀結(jié)構(gòu)如圖3—11所示。每幀有24個時隙,每個時隙有8bit,然后在24時隙前面加1bit的同步信號,同步碼采用1、0交替型,這樣一共是193bit,這193bit在125μs時間內(nèi)傳輸,相當(dāng)于傳輸速率為1.544Mb/s。PCM24路系統(tǒng)重要參數(shù)如下:(1)每秒鐘傳送8000幀,每幀125μs。(2)12幀組成1復(fù)幀(用于同步)。(3)每幀由24個時間片(信道)和1位同步位組成。(4)每個信道每次傳送8位代碼,1幀有24×8+1=193bit。(5)數(shù)據(jù)傳輸率為8000×193=1544kb/s。(6)每一個話路的數(shù)據(jù)傳輸率為8000×8=64kb/s。3.4統(tǒng)計時分多路復(fù)用(STDM)3.4.1統(tǒng)計時分多路復(fù)用的基本原理在時分多路復(fù)用系統(tǒng)中,每幀的時隙都采用固定分配的方案,當(dāng)某些設(shè)備沒有數(shù)據(jù)傳送時,所分配的時隙就空閑下來,浪費了系統(tǒng)資源。為了提高時隙利用率,一般采用按需分配時隙的技術(shù),即動態(tài)分配時隙的技術(shù),這種技術(shù)稱為統(tǒng)計時分多路復(fù)用(STDM)技術(shù)。1.基本原理在統(tǒng)計時分多路復(fù)用系統(tǒng)中,復(fù)用器一側(cè)接低速輸入線路,每一條低速線路都有一個與之相聯(lián)系的緩沖區(qū),另一側(cè)是高速復(fù)用線路。復(fù)用器掃描各個輸入信號,輸入設(shè)備有數(shù)據(jù)傳送就分配時間片,沒有數(shù)據(jù)傳送則繼續(xù)掃描下一條線路而不分配時間片,循環(huán)往復(fù)直到掃描完所有的輸入線路。將輸入數(shù)據(jù)組成STDM幀,由于每條輸入線路并非一直有數(shù)據(jù)輸入,因此STDM幀的時隙數(shù)通常總小于各條低速線路的總和,STDM利用同樣速率的數(shù)據(jù)鏈路,因此可比TDM復(fù)接更多的低速線路。STDM幀的長度可以不固定,同時時間片的位置也不是固定不變的,接收端要正確分離各路數(shù)據(jù),就必須使每一路時隙都帶有地址信息。2.幀結(jié)構(gòu)統(tǒng)計時分多路復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)如圖312所示。在統(tǒng)計時分多路復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)中,統(tǒng)計復(fù)用子幀中有兩種格式:每幀一源的格式和每幀多源的格式。每幀一源的格式:幀中只包含一個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)及其地址信息。每幀多源的格式:幀中包含多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)及其地址信息。使用相對尋址的方法就可以減少地址字段和長度字段的長度。該方法中每個地址表示的是當(dāng)前數(shù)據(jù)源相對于前一個數(shù)據(jù)源的編號,數(shù)據(jù)源的總數(shù)為模,字段長度中的數(shù)值表示字節(jié)數(shù)。3.實例圖3—13顯示了統(tǒng)計時分復(fù)用器如何管理三種情況下的數(shù)據(jù)傳輸。在本例中幀的大小是3個時間片,復(fù)用器按照1到5的順序掃描輸入設(shè)備,發(fā)現(xiàn)有待發(fā)送的數(shù)據(jù)就填入幀內(nèi)。下面就這三種情況下的數(shù)據(jù)傳輸分別進(jìn)行介紹。1)2條輸入線路發(fā)送數(shù)據(jù)在這種情況下,5條輸入線路只有2條有數(shù)據(jù)發(fā)送,如圖313(a)所示。復(fù)用器從1到5掃描設(shè)備,第一次掃描結(jié)束后,一幀并沒有填滿(只含有設(shè)備1和3的數(shù)據(jù))。此時復(fù)用器并不發(fā)送該幀而是回到設(shè)備1的第二部分?jǐn)?shù)據(jù),繼續(xù)進(jìn)行第二次掃描,直到將該幀填滿后才發(fā)送出去。然后繼續(xù)將掃描到的設(shè)備3的第二部分?jǐn)?shù)據(jù)填入下一個數(shù)據(jù)幀,再回到頂端的設(shè)備1繼續(xù)填充,以此類推。前兩幀被數(shù)據(jù)填滿后,只剩下設(shè)備1有數(shù)據(jù)傳輸了,此時復(fù)用器取出設(shè)備1的字符A,然后掃描其他的輸入線路,沒有發(fā)現(xiàn)任何數(shù)據(jù),再回到設(shè)備1將最后一個字符A填入幀中,然后再也沒有可以發(fā)送的數(shù)據(jù)了,于是復(fù)用器將只填充了兩個時間片的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。2)3條輸入線路發(fā)送數(shù)據(jù)在這種情況下,3條活躍的輸入線路分別對應(yīng)每幀內(nèi)的3個時間片,如圖3—13(b)所示。對于最初的3幀,輸入信號對稱地分布在所有的通信設(shè)備上。到了第四幀,設(shè)備5結(jié)束了自身的數(shù)據(jù)傳輸,但設(shè)備1和設(shè)備3仍然有兩個字符待發(fā)送。復(fù)用器先取出設(shè)備1中的字符A和設(shè)備3中的字符C,然后掃描剩下的輸入線路,但沒有發(fā)現(xiàn)任何數(shù)據(jù),于是又回到設(shè)備1,從中取出最后一個字符A。此后再也沒有數(shù)據(jù)可以用來填寫了。在此情況下,如果采用同步TDM技術(shù),將需要發(fā)送5個數(shù)據(jù)幀,每幀5個時間片,總計需要25個時間片。但是其中只有12個時間片中有數(shù)據(jù)傳輸,而超過一半的時間片都處于空閑狀態(tài)。但圖3—13(b)中顯示的STDM方式?jīng)]有一個時間片是空閑的,在整個傳輸時間內(nèi)鏈路的整個容量都被使用了。3)4條輸入線路發(fā)送數(shù)據(jù)在這種情況下,有數(shù)據(jù)發(fā)送的線路比每幀時間片的數(shù)量多了1個,如圖3—13(c)所示。此時,當(dāng)復(fù)用器從1到5進(jìn)行掃描時,還沒有掃描完所有的輸入線路,一幀就填滿了。因此第一幀載有設(shè)備1、3和4的數(shù)據(jù),沒有設(shè)備5的數(shù)據(jù)。該幀發(fā)送后,復(fù)用器繼續(xù)進(jìn)行掃描,將設(shè)備5中的第一部分?jǐn)?shù)據(jù)填入下一幀的第一個時間片,此時第一輪掃描結(jié)束。然后回到線路頂端的設(shè)備1開始第二輪掃描任務(wù)。復(fù)用器將設(shè)備1的第二部分?jǐn)?shù)據(jù)填入第二幀的第二個時間片,將設(shè)備3的數(shù)據(jù)填入第三個時間片,以此類推。由此可見,當(dāng)活躍線路的數(shù)目不等于幀內(nèi)時間片的數(shù)量時,時間片不是對稱填充的。3.4.2統(tǒng)計時分多路復(fù)用與時分多路復(fù)用的比較1.時間片的比較

與時分多路復(fù)用一樣,統(tǒng)計時分多路復(fù)用也允許將許多較低速率的輸入線路復(fù)用到一條較高速率的線路上。在同步系統(tǒng)中,如果有N條輸入線路,幀內(nèi)就至少有N個固定的時間片。在統(tǒng)計系統(tǒng)中,如果有N條輸入線路,幀內(nèi)就至少有M個固定的時間片,其中M小于N。2.效率的比較

時分多路復(fù)用技術(shù)既便宜又可靠,并能降低通信費用,但是它的通信效率較低。從幾個典型的同步TDM系統(tǒng)實際運行中收集到的數(shù)據(jù)表明:在通信過程中,實際用于傳輸有效信息的時間只占用了可用時間的5%。實際統(tǒng)計表明,與時分復(fù)用器相連接的用戶終端設(shè)備連續(xù)地以最大速率發(fā)送數(shù)據(jù)的情況較少,所有用戶終端同時處于繁忙的情況更少,有很多用戶往往總是間斷地發(fā)送信息。因此在固定分配時間片的TDM方式中,時隙的利用率較低。

與TDM相比,由于統(tǒng)計時分多路復(fù)用系統(tǒng)采用了動態(tài)分配時間片的方法,因而具有較高的傳輸效率。但這種方法也存在一定的局限性:一方面,由于數(shù)據(jù)到達(dá)復(fù)用器的速率可能會超過復(fù)用器把數(shù)據(jù)發(fā)送到鏈路的速率,在這種情況下就需要一個緩沖區(qū)來緩存數(shù)據(jù);另一方面,由于解復(fù)用器無法判斷時間片和輸出線路的對應(yīng)關(guān)系,因此每個時間片必須攜帶一個地址來告訴解復(fù)用器如何為其中的數(shù)據(jù)定向,這樣在每個時間片增加的地址就增加了STDM系統(tǒng)的開銷,并在一定程度上影響了它的潛在效率。3.復(fù)用過程的比較

圖3—14對TDM和STDM的復(fù)用過程作了對比。圖3—14中有3個數(shù)據(jù)源,并在4個不同的時刻出現(xiàn)數(shù)據(jù)。在使用傳統(tǒng)TDM時,每個數(shù)據(jù)源都在TDM幀中占有固定位置的時間片,如圖3—14(a)所示。在復(fù)用器傳輸?shù)牡谝粠镏挥袛?shù)據(jù)源A和B占用時間片,其他時間片處于空閑狀態(tài);第二幀只有數(shù)據(jù)源B和C占有時間片;第三幀只有數(shù)據(jù)源A和C占有時間片;第四幀也只有數(shù)據(jù)源A和C占有時間片。與此不同的是STDM使用了動態(tài)分配時隙的方法,根據(jù)需要傳送數(shù)據(jù)的線路數(shù)目來確定時間片的數(shù)量。因此第一幀、第二幀、第三幀和第四幀都包含兩個時間片,如圖3—14(b)所示。3.5數(shù)字復(fù)接PCM復(fù)用是直接將多路信號編碼復(fù)用的技術(shù),即多路模擬信號經(jīng)過抽樣、量化、編碼后合到一起形成多路數(shù)字信號。數(shù)字復(fù)接是把兩個或兩個以上的支路數(shù)字信號按時分多路復(fù)用方式合并成單一的合路數(shù)字信號的過程,該實現(xiàn)設(shè)備稱為數(shù)字復(fù)接器。在接收端把一路復(fù)合數(shù)字信號分離成各路信號的過程稱為數(shù)字分接,其實現(xiàn)設(shè)備稱為數(shù)字分接器。3.5.1數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)字復(fù)接器、數(shù)字分接器和傳輸信道共同構(gòu)成數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)。圖315所示為數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)框圖。從圖315中我們可以看出,數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)的核心是數(shù)字復(fù)接器和數(shù)字分接器。1.數(shù)字復(fù)接器數(shù)字復(fù)接器主要由定時、碼速調(diào)整和復(fù)接三個基本單元組成。定時單元給設(shè)備提供唯一的、統(tǒng)一的基準(zhǔn)時間信號,復(fù)接器的時鐘信號可以從內(nèi)部產(chǎn)生,也可以由外部提供。四個支路中都有各自的碼速調(diào)整單元,其作用是對各輸入支路信號的速率進(jìn)行調(diào)整,使它們成為同步信號。復(fù)接單元的作用是把幾個低次群合成高次群,所以復(fù)接器的整體功能就是把四個支路低次群合成為一個高次群。2.數(shù)字分接器數(shù)字分接器主要由同步、定時、分接和恢復(fù)四個基本單元組成。同步單元的功能是從接收信碼中提取與接收信碼同步的碼元時鐘信號。定時單元的功能是通過同步單元提取時鐘信號,產(chǎn)生分接設(shè)備所需要的各定時信號,如幀同步信號、時序信號。分接單元的功能是把復(fù)接信號進(jìn)行分離,形成同步支路數(shù)字信號。恢復(fù)單元的功能是把被分離的同步支路數(shù)字信號恢復(fù)成原始的支路信號。一般情況下,幀同步提取有時會出現(xiàn)漏同步和假同步現(xiàn)象。3.5.2數(shù)字復(fù)接方法按照數(shù)字復(fù)接時碼位安排的情況,數(shù)字復(fù)接方法主要有按位復(fù)接、按字復(fù)接和按幀復(fù)接三種。1.按位復(fù)接按位復(fù)接也叫比特復(fù)接,即復(fù)接時每次對各支路信號復(fù)接一個比特。按位復(fù)接示意圖如圖3—16所示。按位復(fù)接方法簡單易行,設(shè)備簡單,存儲容量小,但碼字不完整,不利于信號交換。準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)復(fù)接方式多采用按位復(fù)接方法,這樣便于插入控制比特、幀同步比特和用于速率調(diào)整的插入比特。2.按字復(fù)接按字復(fù)接是以字為單位,即復(fù)接時取各支路一個字節(jié)依次輪流復(fù)接。按字復(fù)接示意圖如圖3—17所示。按字復(fù)接方法保持了樣值的完整性,有利于信號處理和交換,但要求存儲單位容量大,并存在一定的復(fù)接抖動。同步數(shù)字系列(SDH)大多采用這種方法。3.按幀復(fù)接按幀復(fù)接是指在復(fù)接的時候每次復(fù)接一個支路的一幀數(shù)據(jù),復(fù)接以后的碼順序為:第1路的F0、第2路的F0、第3路的F0、第4路的F0、第1路的F1、第2路的F1、第3路的F1、第4路的F1,后面依次類推。也就是說,各路的第F0依次取過來,再循環(huán)取以后的各幀數(shù)據(jù)。這種復(fù)接方法的特點是每次復(fù)接一個支路信號的一幀,因此復(fù)接時不破壞原來各個幀的結(jié)構(gòu),有利于信息的交換處理。但是它的循環(huán)周期變得更長了,這就需要更大的存儲容量和更加復(fù)雜的設(shè)備。3.5.3數(shù)字復(fù)接方式按照復(fù)接時各支路信號時鐘的情況,復(fù)接方式可分為同步復(fù)接、準(zhǔn)同步復(fù)接與異步復(fù)接三種。同步復(fù)接指被復(fù)接的各個輸入支路信號在時鐘上必須是同步的,即各個支路的時鐘頻率完全相同。為了使接收端能夠正確接收各支路信碼及分接的需要,各支路在復(fù)接時,需插入一定數(shù)量的幀同步碼、告警碼及信令等,PCM基群就是這樣復(fù)接起來的。準(zhǔn)同步復(fù)接是在同步復(fù)接的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,參與復(fù)接的各個輸入支路信號采用各自的時鐘源,它們有相同的標(biāo)稱頻率和相同的頻率偏差值,但瞬時頻率不同步。所以,準(zhǔn)同步復(fù)接相對于同步復(fù)接增加了碼速調(diào)