数字通信基本原理与设备
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(t)就为零。
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。
经过量化后的=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(t)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。
2.2 时分复用(TDMA)原理
通常一路模拟话音信号的的频率范围为300Hz~3400Hz。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≧8000kHz,所对应的抽样间隔Ts=1/fs=125μs。如果每个样点的持续时间为25μs,则样值信号的相邻两个样点之间就有100μs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T≤125μs,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125μs,如果我们取最大值的话,则一个循环就是125μs。从传输时间上看,这125μs就是3路话音信号TDM的一个帧,或者说,一个帧是125μs。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125μs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。
2.3 PCM30/32路系统帧结构
2.3.1 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125s。 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(μ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μ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:
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l~15,17~3l共30个时隙用来作话路,传送话音信号,时隙0(TS0)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125μs),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2ms。一帧内要时分复用32 路,则每路占用的时隙为125/32=3.9μs;每时隙包含8位码组,每位码元占3.9μs/8=0.488μs。
从传码率上讲,也就是每秒钟能传送8000帧,而每帧包含32×8=256bit,因此,总码率为256比特/帧×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8×8000=64kb/s。 从时隙比特分配上讲,在话路比特中,第l比特为极性码,第2~4比特为段落码,第5~8比特为段内码。对于TS0和TS16时隙比特分配将分别予以介绍。
TS0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2~8码位,该时隙码元丢失将造成设备“帧失步”告警。在奇帧中,第l比特供国际通信用,不使用时发送“1”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”,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2~8码位出现假同步码组,第2位码规定为监视码,固定为“1”,第4~8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Fl~F15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“l”;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“l”。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l~15,17~3l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。
2.3.2 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4×30=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。
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。
2.3.3 PCM基群设备(BX06型PCM设备)
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 Laser Shutdown)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
设备前面板指示灯含义
名称 |
颜色 |
说明 |
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 |
总告警指示灯,常亮表示本端设备有告警,闪烁表示远端设备有告警。本端设备告警优先。 |
WORKA |
绿色 |
A光口工作状态指示灯,常亮表示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10-6。 |
E1 LOS1~8 |
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。 |
前面板控制开关和接口说明
名称 |
功能描述 |
R_ALM |
远端告警选择开关,“ON”表示显示远端告警。显示远端的告警信息有:NOP,LOF,E-3,E-6,E1 LOS1~8。 |
MASK |
E1支路消失告警屏蔽开关,“ON”表示屏蔽当前的E1支路消失告警。屏蔽后,新的E1信号消失事件仍可触发告警。 |
ALS |
ALS启动开关,“ON”表示启动ALS功能。 |
MUTE |
告警音屏蔽开关,“ON”表示屏蔽告警音。公务电话振铃功能不受此开关影响。 |
LOOP_FN |
本地或对端环回选择开关,“ON”表示对端环回,“OFF”表示本端环回。 |
E1-LOOP |
1-8条E1支路环回开关,“ON”表示E1支路环回。 |
PHONE |
公务电话接口。摘机后,无需拨号就可呼叫远端公务电话。 |
ETH |
1-4个以太网业务接口,采用RJ45连接方式,支持交叉和直通两种网线。 绿色指示灯亮,表示以太网建立了连接,闪烁表示正在收发数据; 黄色指示灯亮,表示以太网速率为100Mb/s,不亮表示速率为10Mb/s。 |
CONSOLE |
串行网管接口,采用RJ45连接方式,接线关系为:3是网管接口输入;5是网管接口输出;7是GND。波特率为9600b/s。 |
RS232 |
用户透明通道接口,采用RJ45连接方式,接线关系为:3是用户接口输入;5是用户接口输出;7是GND。波特率为115.2Kb/s。 |
POWER |
电源开关。开关处于“ I ”状态,表示电源接通;开关处于“O”状态,表示电源关闭。 |
后面板接口说明
标识 |
说明 |
100~240V AV |
交流~220V电源输入接口,电压输入范围:100~240VAC。 |
36~72V DC |
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 |
OPTICAL A OPTICAL B |
光接口A、B TX: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。 |
E1-120Ω |
1-4,5-8 E1支路接口,阻抗为120Ω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 RX |
1-4,5-8 E1支路接口,阻抗为75Ω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。 |
- 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:设备光口自环时必须连接光衰减器,否则会造成设备光接收机损坏)
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。 |
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-LOS 1~8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。 |
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