数字通信基本原理与设备.docx

数字通信基本原理与设备2.1抽样脉冲编码原理(PCM)现代通信技术主要以数字通信技术为主，通过“0”和“1" z 组合的二进制码组传递信息，而现实中声音和图像主要以模拟信 号形式存在。因此，在将信源通过数字通信系统传递，必须经过 模数转换(A/D转换)。即首先将模拟信号离散化，对模拟信号 按一定的时间间隔进行抽样；然后再将无限个可能的抽样值变成 有限个可能取值，称之为量化；最后对量化后的抽样值用二进制 (或多进制)码元进行编码，就可得到所需要的数字信号。所谓 编码就是用一组符号(码组)取代或表示另外一组符号(码组或 数字)的过程。这种将模拟信号经过抽样、量化、编码三个处理 步骤变成数字信号的A/D转换方式称为脉冲编码调制(PCM,Pulse Code Modulation)。PCM过程可分为抽样、量化和编码等三步，第一步是对模拟 信号进行信号抽样。所谓抽样就是不断地以固定的时间间隔采集 模拟信号当时的瞬时值。假设一个模拟信号f(t)通过一个开关，则开关的输出与开关的状态有关。当开关处于闭合状态，开关的输出就是输入，即 y(t)=f(t)；若开关处在断开位置，输出y(。就为零。BX06综合业务接入设备具有丰富的模拟接口和多种数据接 口（如摩尔斯电码、V.35 （NX64K）、G.703（同向 64K）、10Base-T、 RS232/485等）。灵活的信令设置功能使BX06通过2M与其它厂 家PCM设备互通，亦能实现“哈里斯”、“爱立信”“飞利浦”交换机 的单端接入。BX06是讯风通信最为成熟的一款PCM产品，运行稳定。该 设备采用纯硬件设计，无需网管软件（也可选用网管软件）即可正 常运维，适合无人值守的恶劣环境及军队公安等特殊行业。2.3.4 PCM高次群设备（PDH光端机）PDH光端机主要用于近距离和小容量通信传输，通信容量分 为8M、34M和140M型。PDH光端机一般以音频数量命名，如 PDH-120系统表示8M光端机，BX-480系统表示34M光端机。 也有以基群数命名的光端机，如TBC-6240 8E1系统。新型PDH 传输系统一般还会混合100M以太网数据传输。我们以Optical Multiplexer PDH光端机为例，其余各类PDH光端机可以对照说 明书参照此方法进行掌握。Optical Multiplexer PDH光端是一款性能优越的小型PDH光 传输设备，采用超大规模ASIC设计，以简洁的单板形式实现了 4/8路E1和4路100Mb/s以太网数据的混合复用及传输，同时提 供1路公务电话和1路RS-232用户通道，设备具有完善的告警监 控功能，集成度高、功耗低、工作稳定、使用方便。（一）主要特点(1)光线路速率为150Mb/s,常规传输距离不低于40Km；(2)支持1 + 1光口自动保护倒换，支持ALS (Auto LaserShutdown)激光自动关断功能；(3)提供4/8路E1的透明传输，E1接口码型为HDB3码;(4)可提供1路100Mb/s的以太网通道，端口可工作于自协 商模式；(5)具有完备的本端和对端告警功能，提供指示灯告警和声 音告警；(6)可选远端设备断电检测(RPD)及串口网管功能；(7)支持E1支路远端环回功能，便于设备开通和管理；(8)可与集中型设备组成星型网；(9)提供1路波特率最高达115.2Kb/s的RS-232用户透明 数据通道；(10)整机为单板设计，体积小巧，标准1U高度，功耗低。(二)组网运用(三)设备开设? Ms i, < o o 3 r a » o o 90 o - -o o - 3 0设备前面板指示灯含义PWR绿色电源指示灯，常亮表示供电正常。RPD黄色远端设备断电指示灯，常亮表示远端设备断电。LOF红色光线路帧失步告警指示灯,常亮表示检测到光信号帧失 步。该告警将屏蔽E-3和E-6告警。ALM红色总告警才旨下灯，常亮表示本端设备有告警，闪烁表示迹 端设备有告警。本端设备告警优先。WORKA绿色A光口工作状态才旨不灯，常凫表小A光口处于工作状 态。WORKB绿色B光口工作状态指示灯，常亮表示B光口处于工作状 态。NOPA红色A光口收无光告警指示灯，常亮表示检测到A光口无 光信号输入。该告警将屏蔽LOF、E-3和E-6告警。【注】对端ALS功能启动后，NOPA闪烁。NOPB红色B光口收无光告警指示灯，常亮表示检测到B光口无 光信号输入。该告警将屏蔽LOF、E-3和E-6告警。【注】对端ALS功能启动后，NOPB闪烁。ALE3红色光线路误码大于10-3告警指示灯，常亮表示检测到光 线路误码大于10-3。该告警将屏蔽E-6告警。ALE6红色光线路误码大于10-6告警指示灯，常亮表示检测到光 线路误码大于103E1L0S1 8红色E1支路信号消失告警指示灯，常亮表示检测到对应的E1支路信号消失。名称颜色说明功能描述AVI名称后面板接口说明标识说明100-240VAV交流220V电源输入接口，电压输入范围：100240VAC。36-72VDC直流-48V电源输入接口，电压输入范围：-36-72VDC。 “PGND”：设备保护地输入端子+”：工作地输入端子-48V输入端子表E-MASK日支告ALSALMUTE告铃LOOP_FN本 表E1-LOOP1PHONE公ETH1 和 绿 发 黄 率CONSOLE串 网 96RS232用 是 为POWER电 状OPTICAL AOPTICAL BE1-120Q光接DA、BTX：光发送端口； RX：光接收端口。采用FC接口，将光纤头对准定位缺口拧紧即可；采用SC接 口，将光纤头直接插入即可。1-4, 5-8E1支路接口，阻抗为120Q平衡式。采用RJ45连接方式，接线方法为：1为发送正，2为发送负,4为接收正，5为接收负。E1-TX RX1-4, 5-8E1支路接口，阻抗为75Q非平衡式。上排标TX的为发送端口，下排标RX为接收端口。接地输入孔。（四）设备维护设备出现故障时，首先判断是设备本身故障还是线路故障。判断方法：将设备光口自环，如果设备的故障依然存在，则 基本可以确定为设备本身的故障，可以按照下表的检查方法判断 和处理。（注意：设备光自环时必须连接光衰减器，否则会造 成设备光接收机损坏）常见故障分析及处理方法故障现 象故障原因处理方法NOP亮接收不到光信号原因：1 .对端可能没有开机；2 .接收光纤断；3 .光接口松动；4 .光接头有污染；5 .设备的光器件或电路损 坏。1 .确认对端状态；2 .检查光接口连接；3 .清洁光接口；4 .利用光功率计检查接收方向光 纤，确定是否有光进入设备。确 定有光后，自环光路，再行判断， 如果确认光器件损坏，应该联系 供应商予以解决。LOF亮光线路接收帧失步 原因：1 .光接头有污染；2 .光线路衰耗过大；3 .本端光器件接收灵敏度 偏低或对端的发光功率偏 低。1 .清洁光接口；2 .确认光纤线路的长度是否在光 器件能力范围之内，如果超过范 围，应该联系供应商，更换长距 离设备；3 .如果属于设备问题，应该联系 供应商予以解决。故障现 象故障原因处理方法ALE3 亮光线路出现大的误码 原因：1 .原因同“ LOF亮”；2 .设备有故障。1 .处理方法同“LOF亮”；2 .如果属于设备问题，应该联系 供应商予以解决。ALE6 亮光线路出现小的误码 原因：1 .原因同“ LOF亮”；2 .设备有故障。处理方法同"ALE3亮”。E1-L0S 18亮E1支路信号消失原因：1. E1支路没有使用；2. E1支路输入输出接反；3. E1电缆故障；4. 设备内部E1电路损坏。1 .通过MASK开关屏蔽空闲E1 支路的告警；2 .检查E1接口的输入方向；3 .检查E1电缆的做线质量；4 .如果属于设备问题，应该联系 供应商予以解决。LINK 不 亮以太网接口不通原因：1 .以太网接口没有使用；2 .以太网接口松动；3 .以太网对端设备失效。1 .检查以太网连接；2 .调换设备。抽样结果可以有无穷个可能的取值。为了把无穷个可能取值变成有限个，必须对k(t)的取值进行量化。量化是在纵向坐标Y轴离散化的过程，经过量化k(t)的取值为有限个样本值。11111 0. 01010100 0Xx0中x2 x3x4 x5 x6 x(7 x8幽 不 噂磬怒_编码输出一5打模拟信号输入幅度经过量化后的二k(t)已经变成数字信号，但还不是实际应用中 的二进制数字信号。因此，对m用二进制码元进行编码就从而 完成了 A/D转换，实现了脉冲编码调制。Icm oiolon ioo I ioi I noIno|ioo oiolooil I II I II II II i . ill Ji ill hi(c) PCW 通信农民工 但 0:80388387时分复用(TDMA)原理通常一路模拟话音信号的的频率范围为300Hz3400Hz。为 了提高话音通信质量，一般设置其频率上限为fH=4000Hz。若对 话音信号进行PCM,为了确保最高点和最低点抽样值，则根据奈 奎斯特抽样定理，取抽样频率fs工8000kHz,所对应的抽样间隔Ts=l/fs=125 us。如果每个样点的持续时间为25us,则样值信号 的相邻两个样点之间就有100 us的空闲时间。若一个信道只传输 一路这样的PCM信号，则每一秒就有0.8秒被白白浪费掉了，如 果进行长途传输，其信道利用率之低，传输成本之高是人们难以 容忍的。为此，提出了时分复用的概念。所谓时分复用就是对欲传输的多路信号分配以固定的传输时 隙（时间），以统一的时间间隔依次循环进行断续传输。假设收、发信端各有3人要通过一个实信道（一条电缆）同 时打电话，我们把他们分成甲、乙、丙三对，并配以固定的传输 时隙以一定的顺序分别传输他们的信号，比如第一时刻开关拨在 甲位传输甲对通话者的信号，第二时刻开关拨在乙位传输乙对通 话者的信号，第三时刻开关拨在丙位传输丙对通话者的信号，第 四时刻又循环到传送甲对信号，周而复始，直到通话完毕。时分复用的特点是，各路信号在频谱上是互相重叠的，但在 传输时彼此独立，任一时刻，信道上只有一路信号在传输。在上 述通信过程的描述中，需要注意两个问题，一是传输时间间隔必 须满足抽样定理，即各路样值信号分别传输一次的时间TC125 us,但每一路信号传输时所占用的时间（时隙）没有限制，显然， 一路信号占用的时间越少，则可复用的信号路数就越多。第二个 问题就是收信端和发信端的转换开关必须同步动作，否则信号传 输就会发生混乱。这里需要引入“帧”的概念。所谓“帧”就是传输一段具有固定数据格式数据所占用的时 间。这里面包含两个意思，第一，“帧”是一段时间（不同应用 或不同场合的帧其时间长短是不同的），每一帧中的数据格式是 一样的；第二，“帧”是一种数据格式，一般来说同一种应用每 一帧的时间长度和数据格式是一样的，但每一帧的数据内容可以 不同。因此，在讲到帧时，要么是强调传输时间的长短，要么是 强调数据格式的结构。比如，上面讲的话音信号复用时，每一个 传输循环必须小于等于125PS,如果我们取最大值的话，则一个 循环就是125 口 s。从传输时间上看，这125us就是3路话音信号 TDM的一个帧，或者说，一个帧是125us。而数据格式就是各 路信号在一个帧中的安排方式（结构）。上例中，如果把125口 s 四等分，前三个等分按甲、乙、丙的顺序分别传输3路话音信号， 第四个等分传输一路控制信号，每个样值用8位二进制码编码， 那么这种数据安排方式就是数据格式或帧结构。PCM30/32路系统帧结构2.2.1 PCM基群帧结构话音信号根据CCITT建议采用8KHz抽样，抽样周期为125s, 在125s时间内各路抽样值所编成的PCM信码顺序传送一次，这 些PCM信息码所对应的各个数字时隙有次序的组合称为一帧， 显然，PCM帧周期就是125so在帧中除了要传送各路PCM信码 以外，还要传送帧同步码以及信令码。一帧码流中含有帧同步码、 复帧同步码、各路信息码、信令码以及告警码等。对于多路数字电话系统，国际上已建议的有两种标准化制式, 即PCM 30/32路（A律压扩特性）制式和PCM 24路（四律压扩特性） 制式，并规定国际通信时，以A律压扩特性为准（即以30/32路制 式为准），凡是两种制式的转换，其设备接口均由采用四律特性 的国家负责解决。因此，我国规定采用PCM 30/32路制式，其帧 和复帧结构所示：1*第2ms用阳|国丐旧|丹|为历战|玛|旺0闲吃忸亦4出5132 胃隙 256Ht. 112 3 4 5 6 7 8 9】。12 3 4 5 6 7 8 9】。2122理耳2,0T帧定位时隙下2用于礴。1。1。1。1。】71I,复帧复顿对 赢叫告和备 码想用比特同小网TSi , TS3用于扇性落内码码码31则年对告码 匝懦识别码保g给国际用 (目前甑为D6回小回4讣同第1路例1岭；上第2跖以17胡±1±1±E kl第 isS&pl 叫冯信/1三一 irI ilz.OUOO在PCM 30/32路的制式中，一个复帧由16帧组成；一帧由 32个时隙组成；一个时隙为8位码组。时隙115, 1731共30 个时隙用来作话路，传送话音信号，时隙O(TSO)是“帧定位码组”， 时隙16(TS16)用于传送各话路的标志信号码。从时间上讲，由 于抽样重复频率为8000Hz(周期为125 口 s),这也就是PCM 30/32 的帧周期。一复帧由16个帧组成，这样复帧周期为2mso 一帧内 要时分复用32路，则每路占用的时隙为125/32=3.9 us；每时隙 包含8位码组，每位码元占3.9 u s/8=0.488 u s。从传码率上讲，也就是每秒钟能传送8000帧，而每帧包含32x8 = 256bit,因此，总码率为256比特/帧义8000帧/秒= 2048kb/s。对于每个话路来说，每秒钟要传输8000个时隙，每个时隙为8bit, 所以可得每个话路数字化后信息传输速率为8x8000 = 64kb/so从时隙比特分配上讲，在话路比特中，第1比特为极性码，第2 4比特为段落码，第58比特为段内码。对于TSO和TS16时隙 比特分配将分别予以介绍。TSO时隙比特分配，为了使收发两端严格同步，每帧都要传 送一组特定标志的帧同步码组或监视码组。帧同步码组为 “0011011”，占用偶帧TS0的第28码位，该时隙码元丢失将造 成设备“帧失步”告警。在奇帧中,第1比特供国际通信用，不 使用时发送'T'码。第2位为奇偶校验码，校验正常时填入“1”，校验出错时填入“0”校验出错时填入“0”设备产生误码告警。第3位为指示对端告警用，对端正常时送“0”码，对端告警时送“1”码。为避免奇TS0 的第28码位出现假同步码组，第2位码规定为监视码，固定为1"，第48位码为国内通信用，目前暂定为“1”。TS16时隙用于传送各话路的标志信号码，标志信号按复帧传 输，即每隔2ms传输一次，一个复帧有16个帧，即有16个“TS16 时隙”（8位码组）。除了 F0之外，其余F1F15用来传送30个话 路的标志信号。每帧8位码组可以传送2个话路的标志信号，每 路标志信号占4个比特，以a、b、c、d表示。TS16时隙的F0 为复帧定位码组，其中第一至第四位是复帧定位码组本身，编码 为“0000”，第六位用于复帧失步告警指示，失步为“1”；同步为“0”, 该时隙码组若全部丢失，将造成设备“复帧失步告警”。其余3 比特为备用比特，如不用则为“1”。需要说明的是标志信号码a、b、c、d不能为全“0”，否则就会和复帧定位码组混淆了。时隙115,1731共30个时隙用来作话路，传送话音信号。 当信号内容全部丢失时，为了防止长时间信号无脉冲导致设备下 游接收无法同步，发送设备会自动为下游接收设备的全部时隙填 入“1”信号，下游接收设备收到全“1”信号时产生设备全“1” 告警。2.2.2 PCM的高次群目前我国和欧洲等国采用PCM系统，以2048kb/s传输30/32 路话音、同步和状态信息作为一次群。为了能使如电视等宽带信 号通过PCM系统传输，就要求有较高的码率。而上述的PCM基 群（或称一次群）显然不能满足要求，因此，出现了 PCM高次群系 统。在时分多路复用系统中，高次群是由若干个低次群通过数字 复用设备汇总而成的。对于PCM 30/32路系统来说，其基群的速 率为2048kb/s。其二次群则由4个基群汇总而成，速率为8448kb/s, 话路数为4x30=120话路。对于速率更高、路数更多的三次群以 上的系统，目前在国际上尚无统一的建议标准。作为一个例子， 下图介绍了欧洲地区采用的各个高次群的速率和话路数。我国邮 电部也对PCM高次群作了规定，基本上和图中相似，区别只是 我国只规定了一次群至四次群，没有规定五次群。384bit1 tfl 96bu - fl fil %bit ID 蛆 96bi1、1 -ii “6E11234 969798,192193)94288289290291 3ftF4 Fa Fj 信息码 Qi 信息码 | Cc 信息码 。M门）二次群码速倒整后码位安揖示意图一倍息研插入标志码信息码S89 . 768 769 770 771 772 773115295 x 4 - 38095 x 4 - 380插入标志码码速四O用 插入码旧布息码95x4-3804-侑息叼1153 1154 11551156115711581159116()1161-IS36Cu Qj Q> Qj I V： V2 V, V4 94X4-376 (b)三次群帧结构PCM系统所使用的传输介质和传输速率有关。基群PCM的传输介质一般采用市话对称电缆或同轴线传输，也可以在市郊长 途电缆上传输。基群PCM可以传输电话、数据或1MHz可视电 话信号等。二次群速率较高，需采用对称平衡电缆，低电容电缆 或微型同轴电缆。二次群PCM可传送可视电话、会议电话或电 视信号等。三次群以上的传输需要采用同轴电缆或毫米波波导等, 它可传送彩色电视信号。2.2.3 PCM基群设备（BX06型PCM设备）