ZXA10光纤接入网系统培训教材第一章通信基础知识1.1数字信号与模拟信号什么是数字信号？什么是模拟信号？一般来说， 数字信号必须满足在时间和 信号幅值上是离散的，相反模拟信号在幅值上是连续的1.2数字化模型图1.2-1是一个数字通信系统方框图图1.2-1 PCM 数字通信系统方框图模拟信号要变换成二进制数字信号一般必须经过取样、量化和编码三个处理 过程。
脉冲编码调制（PCM 也是如此。
取样（Sampling ）是将时间和幅度都连 续的模拟信号变换成时间离散的幅度连续的另一种模拟信号，这种模拟信号也称为脉冲幅度调制（PAM 信号。
为了使取样后的PAM 信号能在接收端完全无失真 地恢复为原始信号，取样周期应该满足奈奎斯特定理。
量化（ Quantization ）是 将幅度连续的样值进行幅度的离散化（又叫分层），使幅度连续的模拟PAM 言号的变换成为多进制的数字信号。
由于通常的数字通信系统和计算机中都采用二进 制信号，所以对多进制的数字信号再进行二进制编码， 使之最终成为二进制数字信号。
1.2.1取样---时间上的离散化图1.2-2是取样脉冲序列P （t ）对模拟信号S （ t ）进行采样、量化的原理框 图及有关部分波形数字信号HDB 3->N複拟信号数宇信号图i.i-i 模拟信号和数字信号波形示意图低 通数字信号线路译码4图1-2.2要从取样后的信号无失真地恢复出原始信号S ( t )，必须使取样频率f s满足如下奈奎斯特定理。
奈奎斯特定理：一个频带受限于BHz的信号S( t)可以唯一地用周期为1/f s 的样值系列确定，只要f s>2B即可。
也就是说，一个信号的取样值完全无失真地恢复原信号，抽样频率必须满足下列条件：f s>2B (Hz)或者 T S< 1/2B (秒)这里f s也称为奈奎斯特频率(Nyquist Frequency ) ,Ts称为Nyquist时间间隔。
在电话通信中，话音频带为 300-3400HZ,实际上取样频率f s取为8000Hz 2B=23400Hz=6800Hz=这样不仅可保证取样后的信号不会产生混叠现象而且在频谱上还有一定的防卫带。
对于一般人来说，话音频率300-3400Hz内的频率分量较大，超出此范围的频率分量明显减小(高低音歌唱演员除外)，所以用电话听歌的效果并不好。
1.2.2量化---幅度上的离散化如上所述，采样后的信号仍是模拟的PAM信号，要以数字方式进行传输，还必须对PAM言号进行幅度的离散。
图1.2-2也表示了量化的过程。
由图可见，量化的过程就是对模拟的取样信号的幅值四舍五入地取整的过程。
显然，这种四舍五入的处理结果必然会带来一定的误差，它就是所谓的量化误差(Qua ntization Error )。
这种量化误差在人耳中产生的影响也是一种的噪声。
这种噪声通常称之为量化噪声(Quantization Noise ) Nq (t )。
一般量化有均匀和非均匀量化两类。
均匀量化就是均匀地划分量化范围的量化。
由于对量化范围内的大小信号均采用相等的量化阶距进行量化，造成大信号的SNR言噪比有富俗，而小信号的SNR又嫌不足，而我们的话音多为小信号，SNF越大音质越好。
为了提高小信号的 SNR在实际电话话音取样值的量化过程中，都采用非均匀量化，即对大小信号分别采用不等大小的量化阶距，对小信号采用小的量化阶距，对大信号采用大的量化阶距，从而使大小信号具有基本相同的SNR 采用非均匀量化后，小信号时的量化噪声小，而大信号时的量化噪声大。
这对于人耳收听来说，并没有什么影响，因为SNF并没有变小。
图1.2-3压扩PCM专输系统在这里，非均匀量化的实现是使信号S(t)经过一个具有非线性特性的压缩器进行变换，使其小信号扩张，而大信号被压缩，从而得到压缩了的信号，再通过一个均匀量化器量化，这就等效于对取样后的信号进行非均匀量化。
在收端，量化后的信号经过具有与压缩器相反特性的扩张器，使得小信号得以压缩而大信号则被扩张，从而还原出原来的 PAM言号。
需要指出的是，量化过程是一种不可逆过程，也就是说，在量化过程中不仅会不可避免地引入上述的量化误差，而且这种误差不可能通过一种逆变换得以消除。
常用的压缩特性有A律(A=87.6)(欧洲和中国采用)和「律(」=255 ) (北美和日本采用)，它们都是对数压缩律。
当前国际上选A=87.6。
1.2.3A律折线法编码/译码实现上述连续压扩特性需无穷多个量化级，实际上无法加以实现，为此通常采用数字电路分段进行压扩。
这样不仅实现容易，而且成本低。
A律压缩采用的就是十三折线法，见图1.2-4。
A律压缩采用的就是十三折线法，一象限分 8段（在时间轴以1/2递减规律分成 8 大段，分段点是 1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128 ;幅度轴分8均匀段），1-8段斜率分别为1/4、1/2、1、2、4、8、16、16，7、8段斜率一样；一、三象限对称，故共13折线段。
A律13折线压缩编码规则：信号样值有正有负，要用一位码来表示，这一位码叫极性码。
正极性以比特“ 1”表示，负极性以比特“ 0”表示。
13折线压缩律在第一象限有8大段，每一段斜率不同，故需要用 3位码表示8个不同的段落，这3位叫段落码，它们也表示各段的起始电平。
图1.2-4 A律十三折线图示在每段落内再均匀分为16个小段。
由于各段长度均不同，均分后各段内的小段的长度也不等。
把第一段的一个等分作为一个最小的均匀量化间距厶。
在第1-8段内每小段依次应有〔△、〔△、2^……64^，如表1.2-1所示。
表每个话音信号样值编码码组格式如下:极性码段落码段内码如果输入信号动态范围为-2048mv?/FONT>+2048mv则可得到表1.2-2所示的各段幅度范围的详表。
例如编码器输入量化信号幅值为 +135mv和-1250mv,则根据编码规律和表1.2-2可直接写出它们的编码分别为 11000000和01110011。
实现PCM编码的编码器有多种，但通常采用的是逐次反馈比较编码器。
表1.2-2 PCM各段电压幅度范围编码后的波形见图1.2-2的D（t）信号，在采样间隔（采样频率 8000Hz时为125」s ）均匀分布8位串行数据。
为了从数字信号恢复原模拟信号，需要对数字信号进行译码和滤波。
译码是编码的逆过程，即将接收的 PCM编码信号转换成与发端一样的量化信号。
这可以根据码组中的段落码所对应的量化阶距值及四位段内码所对应的段序号值，求出原采样点对应的原量化值（绝对值）。
译码器是一个积分过程，其充电速度快放电速度慢，其输出是一个非平滑的模拟信号，用低通滤波器对其滤波，滤除其高频分量，可使其平滑成模拟信号。
尽管模拟信号的数字化（通常称为模数转换（A/D ））及其逆过程（通常称为模数转换（D/A ））可按上述步骤先后处理而得，但实际上模拟信号与数字信 号之间的转换处理却是同时实现的。
随着大规模集成技术的发展，现在一般将上 述各项处理过程集成于一片专用芯片中。
这类芯片有 Intel2914、TP3067和MC145567等。
图1.2-5是一个完整的信号变换过程。
图1.2-5完整的信号变换过程1.2.4 时分复用系统组成复用系统由复用器、复用线（Multiplexed Highway ）和去复用器组成，如 图1.2-6所示。
复用器和去复用器总是成对出现的，也就是说复用系统是一种可逆系统。
图1.2-7及图1.2-8给出了四个低速用户信号 速传输线的一个的时分多路复用系统图 时间段（称为时隙或TS-time slot ）图1.2-6复用系统组成无论何时，每个用户只能在分配给它的时隙内发送信息，用户无信息 发送时，他们的时隙就会处于空闲状态，别人也不能利用。
TDM 采用固定帧长结 构，它根据时隙在帧内的相对位置来识别用户信道，要求时隙周期地出现，因此需要有同步信号来进行时隙定位。
程控数字交换机中都采用数字时分复用技术， 即数字复接技术。
（称为支路信号）共享一条高TDM 复用器给每个用户分配一个固定的串行低速数据串行低速数据1.2-7四路信号复用过程示意图最基本的时分复用为32路时分复用(欧洲、中国体系)，称为一次群，速 率为2.048MHz 其对应的PDH 寸分复用系列速率为8.448 MHz 、34.368MHz 139.264 MHz 565.992 MHz 分别称为二次群、三次群、四次群和五次群。
其对 应的SDH 时分复用系列速率为155 MHz( STM-1、622MHz( STM-4和2.5 GHz (STM-16。
1.2.5PCM 基群格式PCM 基群系统是数字设备之间最基本的数字信号借口，它包含32个时隙，TS0作为帧同步时隙，其余为信令或话路时隙。
对于局间采用七号信令(共 路信令)时，TS1-31中的任意一个时隙可作为信令时隙，二个局之间要协商好。
对于局间采用一号信令(随路信令)时，TS16作为线路信号信令时隙，每路线路信号占用4bit 。
30个话路只有8bit 信令信息，这显然是不够的，为此采用复 帧结构，即由16个单帧组成一个复帧（Multi-frame ）。
这样安排就可以保证在 2ms时间内为每个llllllllllllll lllllll l llllllljinn uni num H IHII lllllllllllllll 1...... 1 ........... Allllllllllllll lllllll l lllllllllllllll limn IIII IIIIIIIIII llllll l llllll l tlllllll lllllllllllllll l llllll l lllllllllllllll limn IIIIIIIiiiiiiiliiii llllll l llllllllt IA川川llllll l lllllll lllllllllllllliiii iii11UHI. in it it II1ILL I llllll l— tllllllltI 1 11I 11 LItDI Cl Bl Al D2 器 B3 A2D1⑴屯t)st)Kt)I/UO64Kbit/64Kbit/s64KbiVs64Kbit/s256KbiVs窗1昭 四蹄信号Dl(t)、D2(t 卜D3(t) s %t)时分复用MD(t)图话路分配到4个信息比特。
随路信令PCM30/32基本的复帧、单帧格式见图1.2-9所示：图1.2-9随路信令PCMG2的帧结构从图可见，在125」s取样周期内，每一话路轮流传送 8bit话音码组一次，每个话路占用一个时隙。
30个话路加上同步和信令时隙共同组成一个单帧。
