中兴接入网培训

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=2

3400Hz=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。

1.2.5

PCM 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

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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。TS0 用于传输帧同步码，TS16用于传输各路的线路信号（如占用、被叫摘机、主叫挂机、强拆等）。

在一个单帧中，PCM 30路系统的特征数据如下：话音频带 300-3400HZ,取样速率8000Hz帧周期125」s，每样值编码比特8bit，每话路速率64kbit/s ，每帧时隙数32,每帧比特数256,每帧PCM勺话路数30,每时隙宽度3.9」s，比特隙宽度0.488」s，总的数据速率2.048Mb/s，压缩规律A律A=87.6。

1.2.6线路编码

设备内部码型是非归零码（NRZ，不适于在局间有线线路中传输。线路编码的目的主要在于使发送的信码与信道能很为好地匹配，便于提取时钟信号，线

路编码信号要无直流，高低频分量均小，易提取基频分量，具有差错检测能力，误码少和实现简便。在数字交换机中，常用的线路码有AMI和HDB两种，我国

采用HDB。

下面介绍三个容易混淆的基本概念：

1.HW（ High Way）的概念是基于时分复用原理的多个同一类信号的复用，一般有

2M 8M的HV，属设备内部信号的概念，是 NRZ码型。

2. PCM勺概念是基于时分复用原理的设备间的数字中继，对于 32路时分复用，TSO 固定为同步信号，而其它时隙用于传送业务信号或控制信号。 PCM旨传输接口，符合

G.703规范，一般为HDB3或AMI码。对于局间N0.1信令，TS16 传送其线路信号（表示线路状态），记发器信号采取随路方式，故称随路信令。

对于局间N0.7信令或非标准信令，TS1-31的任一时隙可以传送业务信号或控制信号（信令），只要双方协商好。

3. E1接口的概念是时分复用体系的概念：中国及欧美采用2M （—次群）、8M （二次群）、34M （三次群）、139M（四次群）PDH系列，E1指2M （—次群）的32路时分复用。拉美、日本采用1.5M（—次群）、6.3M （二次群）、32M （三次群）、100M（四次群）PDH系列，T1指1.5M （一次群）的24路时分复用。

以上三个概念易混淆，且速率皆一样。

1.3 T 型数字交换网络（Digital Switching Network ）

交换是交换机所要完成最基本的任务，即不仅要能实现本局交换机的两用户之间的连接，而且还要实现任一用户与任一中继电路的连接。只有这样，才能

通过交换机不仅实现同一局的任一用户间的通信，而且可能实现本局用户与所有的可能达到的本地网、全国网、全球网的其他用户间的通信。数字交换网络是交换机中实现这种交换的关键。

对于一个大容量的程控数字交换机来说，进入数字交换网络的用户数字数据流，既有来自同一母线（HW上的数字复接的数据流，也有来自不同母线上数字复接的数据流。因此，一般组成数字交换网络的部件，不能只有一级交换网，要有多级。

在数字交换网络中，最常采用的交换部件有时间接线器（T-Switch ）、空间接线器（S-Switch ）及它们的组合，女口 TS ST T S T、STS、F，这里n=1-4。 T接线器一般可以单独构成数字交换网络，S接线器则只能与T接线器一起构成

数字交换网络。下面我们主要介绍T接线器，S接线器和TST交换网络不予介绍。因为，一是随着集成电路的飞速发展，大规模的数字交换芯片（单片交换能力达 2KTs 2KTs）推出很快，而大规模的空分交换芯片却很难突破；二是采用数字交换芯片用T网或TTT网很容易做到大规模交换网和分散控制，而空分交换很难；三是T接线器控制简单；四是采用数字交换容易实现保护或负荷分担。

首先看数字时分交换机的两个用户是怎样实现通话的， A用户摘机，为它分配1个时隙(例如2HW-3TS,它呼叫B用户，为B分配1个时隙(例如2HW-10TS，在数字交换网中

交换这2个时隙就可以实现通话。见图1.3-1所示。

首先说明，设备采用双向HW和统一时隙，即每个用户占用一条双向HW勺一个时隙，这样实现及控制简单。从图中看出，用户A说话的内容在上行HW勺TS3 中，经交换网络交换到下行 HW勺TS10中，A说的话B就能听到；反过来，用户 B说话的内容在上行HW勺TS10中，经交换网络交换到下行 HW勺TS3中，B说的话A就能听到；这样就能互相通话。

与TS1D内容互换

用户A 用尸￡

TS3 TS10

图1.3-1话音交换示意图

在图1.3-1中，实现了同一 HW线(通称母线)上的不同时隙(TS3? TS10) 的交换，不同HW线(通称母线)上的不同时隙(TS3? TS10)的交换的道理也一样。应该指出的是，为了简单起见，我们从现在起将仅以时隙序号表示各用户话路，而他们的话音数据交换仅表示为各时隙序号所对应的数据的交换。因此，通常称这种交换为时隙交换(Time Slot Switchi ng )。