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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。
图1.1-1模拟信号和数字信号波形示意图
1.2 数字化模型
图1.2-1是一个数字通信系统方框图.
图1.2-1PCM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信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。
图1-2.2模拟信号的抽样、量化、编码
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fs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/fs的样值系列确定,只要fs≥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：
fs≥2B（Hz）或者TS≤1/2B（秒）
这里fs也称为奈奎斯特频率（NyquistFrequency）,Ts称为Nyquist时间间隔。
在通信中，话音频带为300-3400Hz，实际上取样频率fs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X围的频率分量明显减小（高低音歌唱演员除外），所以用听歌的效果并不好。
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信号进行幅度的离散。
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（QuantizationError）。
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（QuantizationNoise）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X围的量化。
由于对量化X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信噪比有富俗，而小信号的SNR又嫌不足，而我们的话音多为小信号，SNR越大音质越好。
为了提高小信号的SNR，在实际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SNR并没有变小。
实现非均匀量化过程的原理示意图如图1.2-3所示。
图1.2-3压扩PCM传输系统
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X，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X器，使得小信号得以压缩而大信号则被扩X，从而还原出原来的PAM信号。
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XX用）和μ律（μ=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。
1.2.3 A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1.2-4A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△。
在第1-8段内每小段依次应有1△、1△、2△……64△，如表1.2-1所示。
表1.2-1各段内均匀量化级
各段折线序号
1
2
3
4
5
6
7
8
各段落长度
16
16
32
64
128
256
512
1024
各段内均匀量化级
△
△
2△
4△
8△
16△
32△
64△
每个话音信号样值编码码组格式如下：
D1
D2D3D4
D5D6D7D8
极性码段落码段内码
如果输入信号动态X围为-2048mv?
/FONT>+2048mv，则可得到表1.2-2所示的各段幅度X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1.2-2PCM各段电压幅度X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125μs）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（MultiplexedHighway）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（称为支路信号）共享一条高速传输线的一个的时分多路复用系统图。
TDM复用器给每个用户分配一个固定的时间段（称为时隙或TS-timeslot）。
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。
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时分复用系列速率为8.448MHz、34.368MHz、139.264MHz、565.992MHz，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155MHz（STM-1）、622MHz（STM-4）和2.5GHz（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:
从图可见，在125μs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，PCM30路系统的特征数据如下：
话音频带300-3400Hz，取样速率8000Hz，帧周期125μs，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的话路数30，每时隙宽度3.9μs，比特隙宽度0.488μs，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HDB3两种，我XX用HDB3。
下面介绍三个容易混淆的基本概念：
1．HW（HighWay）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HW，属设备内部信号的概念，是NRZ码型。
2．PCM的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，TS0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指传输接口，符合G.703规X，一般为HDB3或AMI码。
对于局间NO.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NO.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（一次群）、8M（二次群）、34M（三次群）、139M（四次群）PDH系列，E1指2M（一次群）的32路时分复用。
拉美、日本采用1.5M（一次群）、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（DigitalSwitchingNetwork）
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，如TS、ST、TSnT、SnTSn、Tn，，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的一个时隙，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的TS3中，经交换网络交换到下行HW的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的TS10中，经交换网络交换到下行HW的TS3中，B说的话A就能听到；这样就能互相通话。
在图1.3-1中，实现了同一HW线（通称母线）上的不同时隙（TS3ÖTS10）的交换，不同HW线（通称母线）上的不同时隙（TS3ÖTS10）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（TimeSlotSwitching）。
图1.3-2T接线器实现的原理框图
T接线器又称为时间接线器（T-Switch）。
它能实现不同时隙的话音数据的交换。
T接线器主要是由话音存储器（SM）和控制存储器（CM）两部分组成。
在时钟同步下把HW线上的串行数据转换成并行数据写入SM，接续的控制则是由CPU控制下的CM来实现。
T接线器实际实现的原理框图如图1.3-2所示。
图1.3-2中给出TS3与TS11两用户数据的交换所对应的各存储器中相应存储单元中的数据，实际上它们均是以二进制形式存储的，只是为了阅读方便才均以十进制数给出。
HW线速率一般有2M和8M，故T接线器存储器的容量分别为：
SM的容量的字节数为T接线器的入HW的总时隙数，每字节8位
CM的容量的字节数同SM，每字节为log2N=5位（N为CM的容量的字节数）
例如，对于MT8980T接线器，交换能力为256TS⨯256TS，即8条2M入HW，总时隙数256。
SM的容量为256字节，每字节8位。
CM的容量为256字节，每字节log2256=8位。
1.4 程控数字交换机概述
程控数字交换机由硬件和软件两大部分组成
1.4.1 程控数字交换机硬件系统
程控数字交换机硬件主要由以下部分组成：
接口电路、公共资源电路、数字交换网络（前已讨论，这里从略）时钟系统和控制系统，如图1.4-1所示。
交换机通过接口电路与外界连接，接口电路主要分为用户侧接口和中继侧接口两类。
用户侧接口接各类用户（包括模拟用户、数字用户、ISDN用户及其它用户），中继侧接口接到其它交换机。
时钟电路在外同步基准的同步下产生供各功能单元使用的统一时钟。
公共资源电路有局间信令处理器、用户电路DTMF收发号器和提供各种信号音的信号音产生电路。
前台控制处理器在后台操作终端的指令下对各功能单元进行控制。
图1.4-1数字程控交换机基本构成
1.4.2 程控数字交换机软件系统
程控数字交换机中的硬件动作由软件进行控制。
软件质量的好坏直接影响整个交换机的性能。
软件由程序和数据两大部组成。
程控数字交换机的软件系统是非常复杂和庞大的，它应具有如下特点：
1.规模大
大型局用程控数字交换机指令可每达十万条至上百万条，通常开发软件需数百人。
2.实时性强
尽管交换机中许多任务对时限要求不高，如话务统计、计费和打印输出等，但却有大量的实时性要求很强的任务，比如系统要求能及时监视收集、识别、分析、处理与用户的状态有关呼叫各种数据、对系统突发故障作出立即处理。
3.并发性、多重性强
由于同一时刻可能会有大量用户进行呼叫，且各个呼叫所处的阶段又不尽相同，而且处理机还得执行其它非呼叫的任务，这就要求交换机能够在同一时刻执行多种任务，因而要求软件具有并发性多重性。
4.可靠性要求很高
交换机的可靠性指标可从两方面来说：
一是要有99.98%的正确呼叫处理能力；二是40年内系统中断运行时间不超过2小时。
因此，要求在硬件或软件本身有故障的情况下，系统应仍能保持可靠运行，且在不影响系统运行前提下，使硬件或软件故障得以排除，并恢复正常工作。
5.可维护性好
这要求软件设计模块化、结构化、参数化；程序可读性好、易扩展、可移植。
大型局用程控数字交换机软件系统组成如图1.4-2。
1.4.2.2 程控数字交换机数据
在交换机中，所有有关交换机的信息都可通过数据来描述，如硬件配置、编号方案、运行环境、用户状态、系统资源、路由地址、时间资源等。
根据信息存在时间特性，相应的数据有半固定数据和动态数据之分。
图1.4-2程控数字交换机软件系统组成
1.动态数据
动态数据呼叫处理过程产生的且不断变化的数据，且仅存在于该项呼叫过程中的数据。
在呼叫过程中它们存于各种表格中。
这些表格有：
忙闲表（用户、收号器、中继线、交换网络链路等）、事件登记表（呼出、应答、挂机）、呼叫记录表、（收到的被叫）、设备信息表、（主叫设备号等）、各种分析和译码表及监视表输出登记表等等。
2.局数据
硬件设备配置、设备逻辑各物理名及编号、局向、路由及选择方案中继线群、信令方式、翻译规则、特服种类和线数、新业务种类及数据、话务量和接通率统计数据、计费数据、呼叫复原方式、可接非话终端种类及数据、软件表格配量。
它们通常也采用表格存放。
3.用户数据
用户资料（XX、地址、、设备号、用户等级、计费类型、费率、话机类型、各种用户状态数据）、用户线类别（专线、线、用户交换机中继线、话机类机）和服务类别（呼叫等级数及权限、新业务权限）。
1.4.2.3 程序
1.系统程序
系统程序包括操作系统、通信程序、资源管理程序和数据库管理。
操作系统要求很高，要采用实时多任务操作系统，基本功能包括系统初始化、程序加载、中继管理、任务调度、内存管理、时钟管理、I/O控制时限管理、系统负荷控制等。
通信程序要求高可靠性。
现代大容量局用数字交换机都是多级多处理机的控制系统，处理机之间通信任务，由通信程序完成。
资源管理程序包括交换网络管理、信号系统管理、多频信号收发器管理及其它资源管理。
数据库管理系统管理整个交换机系统的所有数据。
即上述各种数据的数据存取与组织，维护、更新、备份、恢复等。
2.应用程序
应用程序包括呼叫处理程序、维护管理、计费程序和多种统计程序。
呼叫处理程序包括交换状态管理、交换资源管理、交换业务管理、交换负荷管理等程序。
计费程序和多种统计程序包括计费、结算、报表与打印输出等程序。
维护管理包括计费话单管理、设备管理、告警管理、话务统计、故障诊断测试、呼叫接续过程跟踪、用户/中继线测试、过负荷管理、系统恢复程序、硬件故障检测与恢复、硬件切换、软件故障检测与恢复、设备状态管理等程序。
1.5 程控数字时分交换机的定义
在交换级上是数字信号且是程序控制的电路交换的交换机称为数字时分程控交换机，相反交换级上是模拟信号且是程序控制的交换机称为模拟程控交换机。
数字信号传输及交换的优点如下：
棗数字信号传输采用“0”、“1”二种信号传输，对应电信号的高（+5V）低（0V）电平,易判别，极少有误差。
棗数字信号采用时分复用技术，在2根线上可传输几万甚至几十万个通道的信号，省去了大量的铜缆，节约成本。
棗数字信号皆采用光传输，免受电干扰.
棗数字信号皆采用光传输,传输距离远（50KM-几千KM），不象模拟信号传输那样需几公里加中继器，节约成本。
棗数字信号传输不象模拟信号传输那样有误差积累，传输质量大大提高，误码率保证在10-9以下。
棗随着超大规模集成电路的发展，数字化使交换和传输设备体积大大减小，可靠性提高,功耗小,实现起来很容易。
棗数字信号提供非话音及宽带业务，如ISDN、DDN等，支持非电路交换。
附录:
实用的数字交换网络芯片MT8980。
目前，国外一些厂家陆续推出一些用于组成数字交换网络的芯片。
如加拿大Mitel公司的MT8980为8条2MHW的256时隙交换芯片，MT90820为8条8MHW的2048时隙交换芯片。
在中兴设备的单板中多采用MT8980，附图1是MT8980大规模集成电路单T数字交换网络示意图。
由图看出，该接线器有8条输入STi线和八条输出STo线。
每条STi均为32路话音信号，2048Kbit/s的串行数据自STi0-STi7输入，同样速率的串行数据从ST00－ST07输出。
STi线和STo线可分别称为HWi线和HWo线。
附图1中输入STi的串行数据经串/并变换后，以256Kb/s速率8线并行地存入与之对应的话音存储器中，话音存储器的总容量为256×8位，与8×32个输入信道相对应。
接续存储器的容量是256×11位，即每个接续存储器对应一个输出信道，共对应8×32个输出信道。
接续存储器每单元有11位，分成高3位和低8位两部分，各位的作用附图2所示。
MT8980信道可工作于交换模式或信息模式。
在交换方式下（B10＝1），接续存储器B7-B0的内容为话音存储器单元地址，其中B7-B5选择输入STi，B4-B0选择STi的信道。
按照该输出信道对应的接续存储器低8位所指示的地址（附图2），可将某输入信道的信息经并/串变换后交换到该输出信道，从而实现任意输入信道至任意输入信道的时隙交换。
当接续存储器的B10＝1时，该信道工作于信息方式。
B7-B0的信道允许输出，每帧重复一次。
B8是输出信道使能位，B8＝1时该信道允许输出，B8=0时该信道输出呈高阻态。
MT8980有一个8位控制寄存器，各位的作用如附图3所示。
控制寄存器的访问地址是A5＝0（A4－A0任意）。
当A5=1时，处理机通过控制寄存器的内容选择工作模式、访问存储器类型、ST总线号，并由A4－A0选择信道号。
模式控制由C7和C6两位决定。
当C7=1时，电路工作在信息方式，此时C4－C3不起控制作用。
处理机通过控制接口从话音存储器读数据，或向接续存储器低8位写数据，并从输出ST0的相应信道自动输出数据。
当C7＝0时，则由C4－C3选择存储器。
C6＝1时，256个信道全部工作在信息方式；C6＝0时，接续存储器的b10决定该信道的工作模式。
存储器类型选择由C4、C3实现：
00-未用，01-话音存储器，10接续存储器低
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