语音信号数字化和时分多路复用.ppt

第二章 语音信号数字化和时分多路复用,本章学习要点： 理解话音信号的数字化过程； 了解各种量化方法对语音质量产生的不同影响 掌握多种编码方式以及应用范围 了解TDM和FDM的区别 掌握时分多路复用的基本原理 掌握PCM30/32路帧结构 理解PCM高次群的意义,第二章 语音信号数字化和时分多路复用,2.1 时分多路复用概述 2.2 PCM30/32路系统 2.3 数字复接技术,2.1时分多路复用概述,1、复用的概念 复用：为了提高信道利用率，使多路信号互不干扰地在同一信道上传输的方式称为多路复用。 频分复用（ FDM ）多用于模拟信号的复用 时分复用（ TDM ）多用于数字信号的复用 波分复用（ WDM ）多用于光纤通信系统,2.1时分多路复用概述,复用（Multiplexing）的历史 50年代起，在铜线线路上大量应用新的复用技术。 包括明线的3路、12路,对绞铜线电缆的60路和小同轴电缆的300路及中同轴的10800路载波电话.当时都称为(频分复用FDM)。 每路都是模拟电话，频带3003400Hz，各路载波频率相隔4kHz，在频谱上依次排列。,2.1时分多路复用概述,70年代，数字通信兴起。 利用脉冲编码（PCM）技术，每路数字电话传输速率64kb/s，质量满意，而且进一步利用“时分复用（TDM）”技术，30路数字电话组成基群2Mb/s。 光纤通信兴起。 用TDM技术，数字传输速率可以从2Mb/s升高到8Mb/s、34Mb/s、140Mb/s，相当于电话话路数从30路增到120路、480路、1920路，一根光纤在一个方向可以同时传输这么多的路数。 传输方法是利用这么多路由TDM组成的数字电话群直接向光载波调制，送上光纤传输。,2.1时分多路复用概述,80年代后期，国际上开始设想利用一根光纤同时传输多个光载波，各受数字信号的调制。称“波分复用”（WDM,Wavelength Division Multiplexing） 如果这些光载波的波长相互间有足够的间隔，则每路的数字信号同在一根光纤上传输，不会发生相互干扰。这就是光纤通信使用的复用技术。 1995年开始，WDM技术的发展进入了快车道 ，特别是基于掺饵光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。 在2001年OFC会议上，NEC和Alcatel报道他们的WDM系统的传输容量分别达到10.92Tb/s（一根光纤1.7亿路64Kb/s的数字电话）和10.02Tb/s。,2.1时分多路复用概述,2、时分复用的概念 各路信号在同一信道上轮流占用不同时间间隔进行通信。 3、PCM时分多路通信的原理： 时分多路通信的理论根据：抽样定理 抽样定理告诉我们，一路连续的模拟话音信号S(t)的相邻样值之间有125s的时间空隙，这是时分复用的关键。 如果信道仅用来传送一路话音，则有92%的时间是空闲着的。 为了充分利用传输信道的带宽能力和提高通信系统的有效性.在125s的抽样空闲时间内插入其它路的信号（样值信号），即利用一路信号采样的空隙，进行其余用户信号的采样。 只要各路信号在时间上能区分开（不重叠），那么同一信道就能传送多路信号，达到了多路复用的目的。,2.1时分多路复用概述,使多个话路的抽样时间错开，也就是在不同时间分别对多个话路取样，而后把它们都送到一对线路上去传送，这就构成了多个话路在一对线路上传送的时分多路信号。 在收信端，再设法按照接收的先后次序，将多个话路抽样序列分开，便能恢复各个话路的话音信号，从而完成通信。,2.1时分多路复用概述,2.1时分多路复用概述,4、PCM时分多路复用的实现（抽样脉冲错开）,时分多路复用通信原理示意图,2.1时分多路复用概述,同步含义: 一:保持双方旋转速度要完全相同。 K1和K2均以抽样频率Fi=8000次/s的速度周期性地、同步地旋转。 二. 保证旋转开关起止位置一致。 发端的旋转开关K1从接点1开始，按顺序、周期性地接入接点1，2N时，则K2也必须按发端相同的顺序从接点1开始，周期性地接入接点1，2N。以保证收发两端各路信号的轮流排队次序一致。否则收端将收不到本路信号，,2.1时分多路复用概述,为此在发端和收端都设有时钟电路来稳定抽样开关时间和速度 帧同步 : 在发送端每周期各种样值信号排队的开头，送出一个已知的比任何其他抽样脉冲的幅度都大的脉冲，称为起始标志信号（即帧同步码） 。 在收端通过一个识别装置（把帧同步码从码流中找出来），识别并取出标志信号，用来控制接收端的旋转开关K2（调整抽样开关时间和速度），以达到发送与接收双方的同步。,2.1时分多路复用概述,5、时隙和帧的概念： 帧：抽样时各路每轮一次的总时间（即开关旋转一周的时间），也就是一个抽样周期称为1帧 （125s），即每秒8000帧。 时隙（路时隙）：合路的每个样值（PAM）信号所允许占的时间间隔（ C=T/n）。 位时隙：1位码元的时间。（n= c/) 例，一帧内共划分为32个相等的时隙，用以传送一路信号的一个抽样值对应8位码。 时隙（路时隙）=125 s/32=3.9us 位时隙=1/8* 3.9us=0.488us,2.1时分多路复用概述,总结： TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道。 每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的（125s）,如下图（a)所示。即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的。 对于TDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多，其原理如下图（b)所示。,2.1时分多路复用概述,TDM子信道示意图,2.1时分多路复用概述,6、标准PCM时分复用系统 PCM编码有两种标准：A律和律，因此国际上对应有两种互不兼容的PCM时分复用系统： 一种是对应A律的PCM3032路时分复用系统 在抽样周期Ti=125s，即帧周期内，可以安排32路时分复用信号。 中国和欧洲各国使用。 一种是对应律的PCM24路时分复用系统 在一个抽样周期内，可安排24路时分复用信号。 北美和日本使用。 上述群路又称为基群和一次群。,2.2 PCM30/32路系统,1、帧结构及传输速率 PCM30/32系统,在1帧125s时间内，共分为32个路时隙 30个路时隙分别用来传送30路话音信号 一个路时隙用来传送帧同步码 一个路时隙用来传送 信令码,2.2 PCM30/32路系统,路时隙: 125/32=3.9 s ，传送某路信号的一个抽样值对应的8位码。 位时隙: 每个码元占用时间 1/83.9s=0.488s 总传输码率: Vb =(328)/125=2.048Mbit/s或 Vb =8000(帧/s) 32(时隙/帧) 8(bit/时隙) =2.048Mb/s。 一般简记为2M，该速率也称PCM3032路基群传输速率。,2.2 PCM30/32路系统,说明： 为保证电话通信的顺利进行，PCM通信系统除了完成话音信号的编、译码及传输外，还必须在交换机和用户之间以及交换机和交换机之间，迅速、准确地完成占用、拨号、振铃、应答等信号的传递和交换。PCM系统称上述信号为信令信号。,图3-22 PCM-30/32l路群的帧结构,CCITT建议G.732规定的帧结构,2.2 PCM30/32路系统,2、帧结构的安排 PCM3032路系统中，每帧共有32个路时隙，分别用：TS0，TS1，TS2TS31来表示。 30个话路时隙： TS1TS15分别传送第115路话音信号 TS17TS31 分别传送第1630路话音信号 帧同步时隙：TS0用于传送帧同步码以实现帧同步,2.2 PCM30/32路系统,为保证收发两端各路信令码在时间上对准，也需要在第1帧信令码发送前发一个供识别用的标志码。为此在PCM3032路系统中又安排了一个帧，记为F0 。 复帧同步码:F0的TS16时隙传送的信令标志码称为复帧同步码。 保证收发两端各路信令码在时间上对准。 16个帧F0，F1，F2，F3F15组成了一个复帧，每个复帧占用16*125s=2.0ms的时间。,2.3 数字复接技术,数字通信的优越性，推动了数字通信网的建立和发展。在通信网运行时，为了扩大传输容量和提高传输效率，可以采用复用的方式。 为了进一步扩大系统容量，就需要把若干中低速数字信号（低次群）合并成一个高速数字信号（高次群），再通过高速信道传输，传到对方再分离还原为各个中低速数字信号。数字复接就是这样数字信号合并与分离的。 随着微波通信、光纤通信的发展，这种技术在数字通信中显得越发重要了。,2.3 数字复接技术,数字复接概念 PCM复用和数字复接 PCM基群和高次群复接标准 PDH准同步数字复接系列和SDH同步数字复接系列,2.3 数字复接技术,1、数字复接概念 数字复接定义：将低速数字信号（低次群）在确定的时间段内，按一定时间关系间插在一起，合成一个高速数字信号（高次群）的过程。 完成此功能的设备为数字复接器，相应地接收端还有数字分接器。 目的：进一步扩大系统容量。 未时分复用：64kbit/s 时分复用：64 32=2.048Mbit/s 数字复接：如二次群（四个基群）2.048 4 8Mbit/s,2.3 数字复接技术,2、PCM复用和数字复接（形成高次群的方法） PCM复用： 直接将多路信号编码复用，即直接将多路模拟语音信号按125s的周期分别进行抽样，然后合在一起统一编码形成多路数字信号。如PCM基群的形成。,2.3 数字复接技术,例如需要传送120路电话时，可将120路话音信号分别用8kHz抽样频率抽样，然后对每个抽样值编8位码，其数码率Vb : 8000(帧/s)120(时隙/帧)8(bits/时隙）=7680kbit/s。 由于每帧时间为125微秒，每个路时隙的时间只有1微秒左右。这样每个抽样值编8位码的时间只有1微秒时间，其编码速度非常高，对编码电路及元器件的速度和精度要求很高，实现起来非常困难。,2.3 数字复接技术,数字复接： 将几个低次群在时间空隙上迭加合成高次群。 几个经PCM复用后的数字信号(例如4个PCM30/32系统)再进行时分复用，形成更多路的数字通信系统。 显然，经过数字复接后的信号的数码率提高了，但是每一个基群编码速度没有提高，实现起来容易，目前广泛采用这种方法提高通信容量。 本质：与时分复用相同。 所不同的是，对于数字复接设备参与处理和处理后的信号都是数字信号，而时分复用设备没有此要求。,2.3 数字复接技术,数字复接原理方框图,2.3 数字复接技术,3、PCM基群和高次群复接标准 关于将PCM数字电话数字复接成各种“群路”的方式，CCITT（现TTU-T）建议了两种标准： 其一是我国和西欧各国主要采用的PCM-30/32路系列标准： 该系列将PCM30/32路群，作为基群（或一次群）， 四个基群组成一个二次群， 四个二次群组成一个三次群， 四个三次群组成一个四次群等等；,2.3 数字复接技术,其二是日本和北美各国采用的24路系列标准，该系列标准规定： 由24个话路组成一个基群。 四个基群组成一个二次群， 五个或七个二次群组成一个三次群等等。,PCM数字电话的两种复接标准：,2.3 数字复接技