程控数字交换技术-第二章话音信号的数字化

1、第二章 话音信号数字化基础第一节 抽样定理 一、时分多路复用原理（就是将连续的时间分隔成一个一个的时隙，利用人在视觉和听觉上的暂留现象来传送信号）传输发送端接收端第一路第二路第三路第三路第二路第一路选择器选择器复用波形见P13图2.2二、模拟信号的抽样模拟信号和数字信号信号的幅度取值不受任何限制且与原信息准确对应，这种信号称模拟信号信号的幅度取值只能在有限个离散值上取值，且不准确地与原信息相对应，这种信号称数字信号通常所称的数字信号是用二进制代码表示的取样幅度的信号信号具有最高频率，其最高频率，若抽样频率时，抽样后的信号经低通滤波器后可恢复成原信号三、抽样定理：一个频带受限于BHz的信号可以唯

2、一地用周期为的样值系列确定,只要fs2B。话音信号频率范围为300-3400Hz，国际统一规定取样频率为8KHz，抽样周期。一般在抽样前，必须经带通滤波器滤波。抽样出来的脉冲是经过脉冲调制过的信号，称脉冲幅度调制信号PAM，易受干扰，不适合传输第二节 抽样信号的量化和编译码一、抽样（理想、自然、平顶）采样波形(b) 采样波形Sq(t)S(t)Sp(t)5.3 10.2 7.6 2.1 5.0 8.1 13.6 14.2 7.5 5 10 8 2 5 8 14 14 8 &(t)(a) 实现原理图取样量化Sp(t)&(t)S(t)Sq(t)信号从连续信号来，幅值可无限，所以是模拟

3、信号二、量化：就是对取样后的PAM信号的幅值转换成数字的过程（即把输入端连续变化的有无限种幅度的模拟量变成在输出端有限种幅度的数字量）。量化产生量化噪声，具体有舍去型、补足型、四舍五入型量化的种类分均匀量化和非均匀量化。1、均匀量化：由于对量化范围内的大小信号均采用相等的量化阶距进行量化，其量化噪声也是均匀的，造成大信号的信噪比SNR（信号功率与量化噪声功率之比）有富俗，而小信号的SNR又嫌不足（ SNR值越大，音质越好）。2、为了提高小信号的SNR，采用非均匀量化，即对大小信号分别采用不等的量化阶距，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。通信

4、系统中要求SNR>26dB。（在动态范围大于40dB条件下）输入信号输出信号A/DD/A被压缩数字比特流压缩均匀PCM均匀PCM扩张编码器译码器要增大小信号的SNR，增加量化级差，减少量化误差，则意味着需要更多位的编码及更高的码速，导致设备成本上升；不均匀量化3、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，使其小信号扩张，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张器，使得小信号得以压缩而大信号则被扩张， 从而还原出原来的PAM信号。4、常用的压

5、缩特性有A律30/32路PCM（欧洲和中国采用）和m律24路PCM（北美和日本采用）对数压缩。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，一象限分8段（在横坐标上输入幅度以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；在纵坐标上幅度分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律压扩特性13折线近似图A律的输入电压和输出为：对小信号求斜率：由

6、图中可以得出斜率为16，则A=87.6（A律压扩常数）即在和时的斜率为16小结：量化话音信号的抽样值量化后，要产生量化误差，量化误差=真实值-量化值。由量化误差引起量化噪声，量化噪声功率与量化间隔的大小有关衡量线路的传输质量一般用信噪比来表示信噪比=或信噪比=1、 均匀量化由于量化间隔相等，故噪声功率固定，从而使小的信噪比低，大的信噪比高，而小信号出现的概率大，因此均匀量化的信噪比低2、 通路的要求是在动态范围大于40dB条件下，因此，均匀量化的量化级数需2048级才能达到要求，即每个样值需用11位二进制码进行编码，需要占据较宽的频宽，通路利用率大大降低，不经济3、 非均匀量化的量化间隔是不均

7、匀的，小信号的量化间隔小，大信号的量化间隔大，实现的方法是将信号先进行非线性处理，使小信号得到较大的增益，大信号得到较小的增益，再送入均匀量化器进行均匀量化，使得信噪比大幅度提高，量化级数只需256级即可达到通路信噪比的要求，故用8位二进制编码即可4、 非均匀量化的压扩特性有律和A律，国际间通信规定采用A律，A律13折线近似可用数字电路实现。将整个非过载区正极性部分和负极性部分分成8大段，在x轴上每段间隔以1/2递减规律进行分段，每段内又均匀分成16段，每一小段的最低电平即作为判决值和量化值三、编码：就是把量化的幅度信号变成二进制数据的过程，中国采用A律13折线压缩编码，规则如下:信号样值有正

8、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。每段落内再均匀分为16个小段，这4位叫段内码。由于各段长度均不同，均分后各段内的小段的长度也不等。 D1 D2D3D4 D5D6D7D8 极性码 段落码 段内码D(t)S(t)取样速率8KHz，每路信号编码后速率64KHz在整个量化范围内，其最小的量化级差是，故令，（若均匀量化需211，即11位二进制码）则各段的端点值为：各段内级差为：编码过程（逐次反馈比较型）例：设样值幅度决定

9、X1：极性判别，正极性，X1=1决定X2：判定样值幅度在前4段或后4段，以为界，X2=1决定X3：以为界，X3=1决定X4：以为界，X4=0该样值落在第7段决定X5：以第7段内的中间值为标准进行比较 X5=0决定X6：以第7段内的前1/2中间值为标准进行比较 X6=0决定X7：以第7段内的前1/4中间值为标准进行比较 X7=1决定X8：以576640中间值为标准进行比较 X8=0编码为11100010四、译码：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

10、码所对应的段序号值，求出对应的原量化值（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。为减少量化误差，在接收端增加半个量化级差，使量化值在每个段落中间，量化误差减少到半个误差之内。利用量化间隔，例：码组为1101010，段落码为110，第7大段，其中i=2,3,8，在第1段和第2大段均记为i=2，I=1024对于本题1101010，则尽管模拟信号的数字化及其逆过程经过很多步骤但实现起来很简单。随着大规模集成技术的发展，一片芯片可完成上述功能。这类芯片有Intel2914、TP3067和MC14

11、5567等。第三节 传输码型 编码器的输出码型：1、单极性不归零码NRZ，占空比为100%，用在交换机设备内部传输2、单极性归零码RZ，占空比为50%以上两种码型只适合与机架内部或邻近机架间的短距离传输，因为它们存在直流分量和较丰富的高频分量，占用频带宽3、双极性归零码AMI（交替极性倒置码），此码不存在直流分量，高频分量也较少，从而频带宽度减少。但无法在线路上区分是没有信号还是传送连“0”信号。4、三阶高密度双极性码HDB3：为解决过多连“0”的问题。CCITT建议G.703提出的转换过程为：将NRZ码变为AMI码依次将4个连续的0编为一组每组最后一个0用1代替，以V+或V-表示为保证线路中

12、没有直流分量，要求两个相邻破坏点的极性不一样即所有的信码B正负交替，所有的破坏码V也正负交替。0100100000100100001110000010原码NRZ码AMI码HDB3码0 0 0 V- B4 0 0 V+ 0 0 0 V-一、几个基本概念 1、时隙：抽样重复频率为8000Hz，即125s抽样一次（采样周期为125s），对每一个话路，每次抽样经过量化以后可编为8位PCM码组，在30/32路PCM系统中，即125s有32个时隙，一个时隙占125/32=3.9 s2、帧： 125s范围内由32个时隙合成一个帧复帧：16帧合成一个复帧（见P21图2.9）二、32路PCM的帧结构1、PCM基

13、群系统 是数字复接的最基本的系统,它由30话路组成。构成的基群帧结构包含32个时隙，通常将TS0作为帧同步时隙。2、中国一号信令：TS1-15、TS17-31为话路时隙，TS16作为本基群线路信号时隙，30个话路只有8bit线路信号,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，即信令速率为2Kb/s, 这就是30/32PCM 复帧结构中的随路信令的线路信号速率。 1 0 0 1 1 0 1 116帧,125ms×16=2msF0F15 0 1 15 16 17 30 3132时隙,

14、256bit,125ms,1帧保留给国际用(目前固定为1)同步时隙话路时隙TS1-TS15话路时隙TS17-TS31F0帧同步码D1 D2 D3D4 D5 D6 D7D8偶帧奇帧帧失步对告码A1：F1a b c d a b c d话路16信令码话路1信令码 1 1 A1 1 1 1 1 1保留给国际用(目前固定为1)F15a b c d a b c d话路15信令码话路30信令码同步:A1=0; A2=0失步:A1=1; A2=10 0 0 0 1 A2 1 1复帧同步码复帧对步码PCM帧结构3、七号信令：信令与话路分开传输，在一条专用的数据链路上传送信令。波特率=信元数单位时间三、数字信号传

15、输速率调制速率（波特率）单位：波特BAUD数据率=信元数单位时间×log2n数据率（数据信号速率）单位比特/秒例：设一个信元占时20ms，即1秒钟有50个信元，-V+V0001101001二电平调制四电平调制解：波特率：二电平=50/1=50Bd 四电平=50/1=50Bd数据率：二电平= 四电平= 思考题：1、 为什么将抽样后的信号仍称之为模拟信号？如果抽样后的信号经过量化后仍是模拟信号吗？2、 二进制数字信号具有那些优点？3、 奈奎斯特抽样率是什么？语音信号的抽样率是多少？为什么？4、 非均匀量化为什么比均匀量化优越？使信噪比提高，而又使量化级数减少，是靠什么实现的？5、 在反馈

16、型编码器中为什么要采用记忆码？为什么要进行7/11变换？6、 在解码网络中为什么要加入？7、 二进制信息量的单位是什么？传输速率的单位是什么？波特和比特有什么区别？8、 为什么RZ码中含有时钟频率成分，而在NRZ码中就没有时钟频率成分？9、 AMI（双极性传号交替反转）码有那些优缺点？ （无时钟成分）10ADI（隔位反转）码有那些优缺点？11HDB3码有那些优缺点？如何变换？如何识别？12在PCM端机中，接收端在什么情况下提取时钟频率？ HDB3AMIRZ从中提取时钟频率NRZ13为什么TS0的帧同步码和TS16的信令码不进行隔位反转，也不进入交换网络？作业：1、 试用编码原理将样值幅度按A律13折线进行编码（11011000）2、 根据A律13折线，求出编码11011001的样值幅度。（+508）3、 试将二进制码100100001100001010100000变换成AMI和HDB3码（HDB3码+100-1+100+1-1+1-100-1+1