PCM 30/32 時(shí)分多路復(fù)用通信系統(tǒng)

? ? 多路復(fù)用是為了提高信道利用率，使多路信號(hào)沿同一信道傳輸而互不干擾。根據(jù)復(fù)用方式可以分為頻分、時(shí)分、碼分多路復(fù)用。其中時(shí)分多路復(fù)用是利用各路信號(hào)在信道上占有不同的時(shí)間間隔的特征來(lái)區(qū)分各路信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，把時(shí)間分成均勻的時(shí)間間隔，將各路信號(hào)的傳輸時(shí)間分配在不同的時(shí)間間隔內(nèi)，以達(dá)到互相分開的目的。

? ? 各路樣值信號(hào)的信號(hào)周期性的出現(xiàn)在合路信號(hào)中，將合路信號(hào)進(jìn)行量化、編碼后進(jìn)行傳輸。接收端進(jìn)行解碼得到合路信號(hào)，然后進(jìn)行分路進(jìn)行低通得到各路信號(hào)。

1、PCM時(shí)分多路復(fù)用 基本概念

1）1幀
? ? 抽樣時(shí)，各路每輪一次的總時(shí)間，也就是一個(gè)抽樣周期。即 抽樣周期
T = T_{s}
其中，T=\frac{1}{f_{s}}表示抽樣周期125μs。在1幀內(nèi)，各路信號(hào)樣值都只傳一次。
2）幀長(zhǎng)度
? ? 一幀包含多少個(gè)信息比特。共有32路，1路8比特，則幀長(zhǎng)度為 32×8=256bit。
3）路時(shí)隙
? ? 在合路的PAM信號(hào)中，每個(gè)樣值所允許占的時(shí)間間隔，即在t_c內(nèi)將樣值展寬，占滿整個(gè)t_c。
t_c = \frac{T}{n}=\frac{125}{32}=3.91μs
其中，n為路數(shù)，T為1幀長(zhǎng)度即抽樣周期。
4）位時(shí)隙
? ? 一位碼所占用的時(shí)間。
t_{B} = \frac{t_{c}}{l} = \frac{3.91μs}{8}=0.488μs
其中，l 為編碼位數(shù)。如果一路為8位碼，則位時(shí)隙為\frac{t_{c}}{8}。
5）信息傳輸速率（數(shù)碼率）
? ? 一個(gè)二進(jìn)制碼元占用的時(shí)間為一個(gè)位時(shí)隙，則一秒鐘能夠傳輸?shù)亩M(jìn)制碼原元稱為數(shù)碼率。
f_{B} = \frac{1}{t_{B}} = \frac{l}{t_{c}}=\frac{l \cdot n}{T}=f_{s} \cdot n \cdot l =8000×32×8=2048kbit/s
6）一路的速率
\frac{2048}{32}=64kbit/s

2、PCM時(shí)分多路復(fù)用通信系統(tǒng)的構(gòu)成

iPCM時(shí)分多路復(fù)用通信系統(tǒng)框圖.png

各模塊的作用：

  • 發(fā)端低通濾波器（LP）的作用：帶限的作用，將模擬信號(hào)的頻帶限制在0.3~3.4kHz 以內(nèi)，避免抽樣后的 PAM 信號(hào)產(chǎn)生折疊噪聲。
  • 抽樣門的作用：對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行抽樣，以及得到合路之后的信號(hào)。
  • 分路門的作用：將合路信號(hào)進(jìn)行分路，得到各路的信號(hào)。
  • 保持的目：由于編碼需要一定的時(shí)間，為了保證編碼的精度，要將樣值展寬占滿整個(gè)時(shí)隙。

  • 接收低通的作用：重建或近似地恢復(fù)原模擬話音信號(hào)。


    PCM時(shí)分多路復(fù)用示意圖.png

3、PCM 30/32 路系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)

3.1、PCM 30/32 路系統(tǒng)的同步分類

  • 位同步：保證收端正確識(shí)別每一位碼元，也叫時(shí)鐘同步；
  • 幀同步：保證收發(fā)兩端相應(yīng)各話路要對(duì)準(zhǔn)，即可以識(shí)別一個(gè)幀的開始；
  • 復(fù)幀同步：16個(gè)幀稱為一個(gè)復(fù)幀，復(fù)幀同步是保證收發(fā)兩端各路信令碼在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)。
  • 信令碼：標(biāo)志信號(hào)起振鈴等作用，其抽樣頻率取 500 Hz（0.5kHz），抽樣周期為 125μs × 16 = 2ms 只編4位碼。即標(biāo)志信號(hào)的周期是話音信號(hào)周期的16倍，這意味話音信號(hào)是每幀抽樣一次，而標(biāo)志信號(hào)是16幀抽樣一次。

3.2、PCM 30/32 路系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)

? ? PCM 30/32 路系統(tǒng),表示復(fù)用路數(shù)為32 , 30代表復(fù)用的語(yǔ)音路數(shù)。ITU-T 建議的8kHz抽樣、抽樣周期為125μs，在125μs時(shí)間內(nèi)各路抽樣值所編成的PCM信碼順序傳送一次，這些PCM信碼所對(duì)應(yīng)的各個(gè)數(shù)字時(shí)隙有次序的組合稱為一幀。

PCM 30/32 路系統(tǒng) 幀結(jié)構(gòu).png

其中，
1）30個(gè)話路時(shí)隙：Ts1~Ts15 分別傳送115路（CH1CH15）話音信號(hào)，Ts17~Ts31 分別傳送1731路（CH17CH31）話音信號(hào)，每一路進(jìn)行8位編碼，即路時(shí)隙為3.9μs，共傳送30路話音信號(hào)。比如第7路話音信號(hào)在幀結(jié)構(gòu)中的傳輸位置為 TS_{7} , 第21路話音信號(hào)在幀結(jié)構(gòu)中的傳輸位置為 TS_{22}。
2）幀同步路 TS_{0}：實(shí)現(xiàn)幀同步，保證收發(fā)兩端各相應(yīng)話路要對(duì)準(zhǔn)。分為偶幀和奇幀，第一位保留給國(guó)際用（當(dāng)前固定為1）；第二位用于校驗(yàn)，對(duì)于偶幀為0奇幀為1；第三位為幀失步對(duì)告，用于告訴收端幀同步情況，當(dāng)A_{1} = 0時(shí)表示同步，當(dāng)A_{1} = 1時(shí)表示失步；第4位到第8位共5個(gè)比特用于傳送其它信息，不使用時(shí)固定為1。
3）信令與復(fù)幀同步時(shí)隙 TS_{16}：傳送信令信號(hào)及實(shí)現(xiàn)復(fù)幀同步，保證收發(fā)兩端各路信令信號(hào)在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)。信令碼{a,b,c,d} 不能同時(shí)編為{0,0,0,0}，否則無(wú)法與復(fù)幀同步碼區(qū)別開。由于TS_{16} 時(shí)隙的 幀 F_{1} ~F_{15} 的 前4位傳CH_{1}~CH_{15} 路話音信號(hào)的信令碼，后4位傳CH_{16}~CH_{30} 路話音信號(hào)的信令碼，故第8路話音信號(hào)的信令碼在F8幀 TS_{16} 時(shí)隙的前4位碼，第20路信令碼在幀結(jié)構(gòu)中的傳輸位置為F5幀 TS_{16} 時(shí)隙的后4位碼進(jìn)行傳輸。

4、PCM 30/32 路定時(shí)系統(tǒng)

4.1、PCM 30/32 路發(fā)端定時(shí)系統(tǒng)

? ? 定時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字通信系統(tǒng)中所需要的的各種定時(shí)脈沖。主要有：

  • 供抽樣與分路用的抽樣脈沖（也稱為路脈沖）
  • 供編碼與解碼用的位脈沖
  • 供標(biāo)志信號(hào)用的復(fù)幀脈沖等
發(fā)端定時(shí)系統(tǒng)方框圖.png

其中，各脈沖作用如下所示：

  • 時(shí)鐘脈沖：通過(guò)震蕩器將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能產(chǎn)生電信號(hào)CP。時(shí)鐘頻率=二進(jìn)制碼元的重復(fù)頻率，而時(shí)鐘標(biāo)稱頻率 f_{CP} = f_{B} = 2048kHz (因?yàn)镻CM 30/32系統(tǒng)的數(shù)碼率，即傳信率是2048kHz/s,一位碼的時(shí)間是0.488μs，故選擇和傳信率在數(shù)值上一樣的時(shí)鐘頻率)。時(shí)鐘頻率穩(wěn)定度，即波動(dòng)誤差，要求小于50×10^{-6}。即允許2048kHz的偏差在±100Hz以內(nèi)。
  • 位脈沖：D_{1}~D_{8} 用于編碼、解碼，還用于產(chǎn)生路脈沖、幀同步碼和標(biāo)志信號(hào)碼等。其由時(shí)鐘脈沖進(jìn)行8分頻后得到，數(shù)值上即為CP頻率除以8得到，頻率為256kHz=2048/8。
  • 路脈沖：由位脈沖32分頻后得到，用于各話路信號(hào)的抽樣和分路以及TS_{0}、TS_{16} 路時(shí)隙脈沖的形成等。共32個(gè)，由位脈沖頻率除以32得到，頻率為8kHz=256/32。
  • 復(fù)幀脈沖：F_{0}~F_{15} ,共16個(gè)復(fù)幀用來(lái)控制傳30路信令碼及復(fù)幀同步碼，頻率為0.5kHz=8/16。
i發(fā)端定時(shí)脈沖時(shí)間波形.png
發(fā)送端各定時(shí)脈沖對(duì)比匯總表.png

4.2、PCM 30/32 路收端定時(shí)系統(tǒng)

? ? 收端時(shí)鐘需要與發(fā)端時(shí)鐘頻率完全相同，且與接收信碼同頻同相。其獲取采用了時(shí)鐘提取方式，即從接收到的信息碼流中提取時(shí)鐘成分，這樣可做到收端時(shí)鐘與發(fā)端時(shí)鐘頻率完全相同，且與接收信碼同頻、同相，也就相當(dāng)于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了位同步----被動(dòng)式。
? ? 收端時(shí)鐘與發(fā)端定時(shí)系統(tǒng)相比，沒(méi)有主時(shí)鐘源，而是時(shí)鐘提取電路代替。但獲取時(shí)鐘以后產(chǎn)生位脈沖、路脈沖、復(fù)幀脈沖等方法和發(fā)端是一樣的。因?yàn)榻邮斩藶檎_判決或識(shí)別每一個(gè)碼元，要求再生判決脈沖與接收信碼頻率相同、相位對(duì)準(zhǔn)，而再生判決脈沖是由時(shí)鐘微分得到的，所以收端時(shí)鐘與發(fā)端時(shí)鐘頻率完全相同，且與接收信碼同頻同相，如下圖所示。


image.png

定時(shí)鐘提取電路一般采用諧振槽路方式，如下圖所示：


image.png

收端采用定時(shí)鐘提取的方式獲得時(shí)鐘，即可做到收端時(shí)鐘與發(fā)端時(shí)鐘頻率完全相同，且與接收信碼同頻、同相，也就相當(dāng)于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了位同步。

綜上，可得：
1）PCM 30/32 路定時(shí)系統(tǒng)在發(fā)端是主動(dòng)式的，由時(shí)鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生；在收端是被動(dòng)式的，其時(shí)鐘是采用定時(shí)鐘提取的方式獲得的，目的是實(shí)現(xiàn)位同步。
2）定時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的主要脈沖有：

  • 供編碼與解碼用的位脈沖，頻率為 256KHz， 相數(shù)為8。
  • 供抽樣與分路用的路脈沖，頻率為 8KHz， 相數(shù)為32；用于話路抽樣（收端分路）和 TS_{0}、TS_{16} 時(shí)隙脈沖的產(chǎn)生。
  • 供標(biāo)志信號(hào)用的復(fù)幀脈沖，頻率為0.5kHz，相數(shù)為16，用于傳送復(fù)幀同步碼和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)碼。

5、PCM 30/32 路系統(tǒng)的幀同步

? ?PCM 30/32 路系統(tǒng)利用接收幀同步碼實(shí)現(xiàn)幀同步。由于發(fā)端偶幀 TS0 發(fā)幀同步碼（奇幀 TS0 時(shí)隙發(fā)幀失步告警碼），收端一旦識(shí)別出幀同步碼，便可知隨后的8位碼為一個(gè)碼子且是第一話路的，一次類推，便可正確接收每一路信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)幀同步。幀同步有以下兩個(gè)要求：

  • 幀同步建立的時(shí)間要短。接收端要能夠盡快地找到幀同步碼，以不影響通信的正常進(jìn)行。
  • 幀同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好，能夠防止假失步和偽同步的不利影響。同步情況主要有以下幾種：
    1）真失步
    ? ? 收、發(fā)兩端幀結(jié)構(gòu)沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)（偶幀TS_{0}沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)），如下圖所示。若發(fā)生真失步，則立即進(jìn)入捕捉狀態(tài)，并在時(shí)鐘CP的控制下逐位捕捉同步碼。
    真失步示意圖.png

    2）假失步
    ? ? 由于信道誤碼使得同步碼誤當(dāng)成非同步碼。此種情況無(wú)需進(jìn)入捕捉狀態(tài)，而是通過(guò)前方保護(hù) 來(lái)防止假失步帶來(lái)的不利影響。其主要原理為，當(dāng)連續(xù)m次（m稱為前方保護(hù)計(jì)數(shù)）檢測(cè)不出同步碼后，才判斷系統(tǒng)為真正失步，而立即進(jìn)入捕捉狀態(tài)，開始捕捉同步碼。進(jìn)入前方保護(hù)的前提狀態(tài)是捕捉狀態(tài)。
    前方保護(hù)示意圖.png

    前方保護(hù)時(shí)間，為從第一個(gè)幀同步碼丟失起到系統(tǒng)進(jìn)入捕捉狀態(tài)為止的這段時(shí)間，可表示為：
    T_前 = (m-1) \cdot T_{s}
    其中，T_{s} = 250μs ,為一個(gè)同步幀（等于兩個(gè)幀）的時(shí)間。ITU-T的G.732建議規(guī)定m=3~4（一般取3）。
    3）真同步
    ? ? 捕捉到真正的同步碼，收、發(fā)兩端幀結(jié)構(gòu)已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)。
    4）偽同步
    ? ? 由于信道誤碼使信息碼誤成同步碼。為防止偽同步帶來(lái)的影響，采用后方保護(hù)。其工作原理為，在捕捉幀同步碼的過(guò)程中，只有在連續(xù)捕捉到n(n為后方保護(hù)計(jì)數(shù))次幀同步碼后，才能認(rèn)為系統(tǒng)已真正恢復(fù)到了同步狀態(tài)。
    后方保護(hù)示意圖.png

    ? ? 后方保護(hù)時(shí)間為，從捕捉到第一個(gè)真正的同步碼到系統(tǒng)進(jìn)入同步狀態(tài)這段時(shí)間，可表示為：
    T_后 = (n-1) \cdot T_{s}
    其中，T_{s} = 250μs ,為一個(gè)同步幀（等于兩個(gè)幀）的時(shí)間。ITU-T的G.732建議規(guī)定n=2。

? ? 則綜上，幀同步系統(tǒng)進(jìn)入捕捉狀態(tài)后在捕捉過(guò)程中，如果捕捉到的幀同步碼組具有以下規(guī)律：

  • 第N幀（偶幀）有幀同步碼；
  • 第 N+1 幀（奇幀） 無(wú)幀同步碼，而有對(duì)端告警碼；
  • 第 N+2 幀（偶幀）有幀同步碼；
    則認(rèn)為完成同步恢復(fù)。幀同步系統(tǒng)有4種工作狀態(tài)：幀同步狀態(tài)、前方保護(hù)狀態(tài)、捕捉狀態(tài)、后方保護(hù)狀態(tài)。
幀同步系統(tǒng)工作流程圖.png

其中，A 為幀同步狀態(tài)，B為前方保護(hù)狀態(tài)，C為捕捉狀態(tài)，D為后方保護(hù)狀態(tài)，Ps為幀同步碼標(biāo)志，Pc為收端產(chǎn)生的比較標(biāo)志。

6、PCM 30/32 路系統(tǒng)的幀同步性能近似分析

6.1、幀同步碼的選擇

? ?幀同步碼的選擇原則為，由信息碼產(chǎn)生偽同步碼的概率越小越好。則要求：

  • 幀同步碼型要特殊；
  • 幀同步碼位多（但信道利用率下降）；
    綜合考慮，ITU-T規(guī)定PCM 30/32 系統(tǒng)幀同步碼位為7位，碼型為 0011011。當(dāng)采用一種特殊的碼型時(shí)，有一段碼不會(huì)出現(xiàn)偽同步碼組，據(jù)此將信息碼流分成隨機(jī)區(qū) 和 覆蓋區(qū) 兩個(gè)區(qū)域。在覆蓋區(qū)內(nèi)除幀同步碼組本身外，沒(méi)有偽同步碼存在。這種幀同步碼組的結(jié)構(gòu)成為單極點(diǎn)碼組。
image.png

6.2、幀同步系統(tǒng)性能的近似分析

? ?衡量幀同步系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)有：
1）平均失步時(shí)間：指幀同步系統(tǒng)真正失步開始到確認(rèn)幀不同已建立所需要的時(shí)間。主要其包括

  • 失步檢出時(shí)間，系統(tǒng)從真正失步到判定系統(tǒng)為失步狀態(tài)所需要的時(shí)間
    \tau _{m}\approx \frac{m}{l-mp}T_{s}
    其中，m為前方保護(hù)計(jì)數(shù)； p = (\frac{1}{2})^{l} 為出現(xiàn)偽同步碼的概率，l為幀同步碼位數(shù)； T_{s} = 250μs 為同步幀周期。
  • 捕捉時(shí)間（失步檢出時(shí)間和捕捉時(shí)間是主要的）
    T_{捕}=(N_{s}-1)\tau +(N_{s}-L)(\frac{p}{1-p})T_{s}
    其中，N_{s} 為同步幀的碼位數(shù)，N_{s}=512比特；\tau為每一碼位的寬度，\tau=0.488μs；L為覆蓋區(qū)的長(zhǎng)度，此系統(tǒng)中為6+7+6=16 位； p 為出現(xiàn)偽同步碼的概率；T_{s} = 250μs 為同步幀周期。
  • 校核時(shí)間

2）誤失步平均時(shí)間間隔: 兩次因信道誤碼，而使幀同步系統(tǒng)發(fā)生誤失步的時(shí)間間隔的平均值。其取決于前方保護(hù)計(jì)數(shù)m、誤碼率、幀同步碼位數(shù)和同步幀周期。
T_{誤失步}=\frac{T_{s}}{（P_{e}l)^{m}}
其中，m為前方保護(hù)計(jì)數(shù)；P_{e}=10^{-6} 為信道誤碼率； l=7 為幀同步碼位數(shù)； T_{s}=250μs 為同步幀周期；
則 當(dāng)m=1時(shí)，有
T_{誤失步}=\frac{250×10^{-6}}{（10^{-6}×7)^{1}} \approx 36秒
即平均36s就會(huì)因?yàn)樾诺勒`碼發(fā)生一次誤失步，故采用前方保護(hù)是非常必要的，否則系統(tǒng)基本無(wú)法正常運(yùn)行。

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