程控数字交换技术第2章PPT课件

1、第2章 话音信号的数字化基础1第2章 话音信号的数字化基础任课教师：李红岩任课教师：李红岩第2章 话音信号的数字化基础2图1-5 典型的电信通信网 本章内容在程控交换系统中的地位第2章 话音信号的数字化基础3本章内容在程控交换系统中的地位第2章 话音信号的数字化基础4第2章 话音信号的数字化基础 本章学习内容： 话音信号的数字化处理方法 传输码型 时分复用技术 本章学习目标： 理解基本概念和基本原理； 掌握话音信号的数字化方法PCM技术； 掌握传输码型HDB3； 理解时分多路复用原理和 PCM 30/32路的帧结构。 本章内容结构： 2.1 话音信号的数字化处理 2.2 传输码型1.2.3 多

2、路复用第2章 话音信号的数字化基础52.1 话音信号的数字化处理 问题：问题： 什么是模拟信号？数字信号？什么是模拟信号？数字信号？ 话音信号数字化的一般步骤？话音信号数字化的一般步骤？ 什么是抽样？抽样频率？抽样的理论基础是什么？什么是抽样？抽样频率？抽样的理论基础是什么？话音信号的抽样频率是多少？话音信号的抽样频率是多少？ 什么是量化？均匀量化？非均匀量化？量化噪声？什么是量化？均匀量化？非均匀量化？量化噪声？A律压扩法？A律13折线？什么是PCM编码调制？如何实现A律律13折线折线PCM编编码？码？1.一路一路PCM话音信号的数据速率是多少？话音信号的数据速率是多少？第2章 话音信号的数

3、字化基础61.什么是模拟信号？数字信号？什么是模拟信号？数字信号？ 模拟信号：模拟信号：取值取值连续变化的信号。连续变化的信号。 数字信号：取值离散且有限的信号。数字信号：取值离散且有限的信号。第2章 话音信号的数字化基础72.话音信号数字化的一般步骤？话音信号数字化的一般步骤？ 抽样抽样时域离散化时域离散化 量化量化取值有限化取值有限化 编码编码取值二进制化取值二进制化第2章 话音信号的数字化基础83.什么是抽样？抽样频率？抽样的理论基什么是抽样？抽样频率？抽样的理论基础是什么？话音信号的抽样频率是多少？础是什么？话音信号的抽样频率是多少？ 抽样：用很窄的矩形脉冲按照一定周期抽样：用很窄的矩

4、形脉冲按照一定周期读取模拟信号的瞬时值。读取模拟信号的瞬时值。 抽样频率：每秒钟抽样的次数。抽样频率：每秒钟抽样的次数。 抽样定理：若抽样频率大于模拟信号带抽样定理：若抽样频率大于模拟信号带宽的宽的2倍，则可以用离散的抽样值恢复出倍，则可以用离散的抽样值恢复出原始模拟信号。原始模拟信号。 话音信号的抽样频率：话音信号的抽样频率：8kHz第2章 话音信号的数字化基础94.什么是量化？均匀量化？非均匀量化？什么是量化？均匀量化？非均匀量化？量化噪声？量化噪声？A律压扩法？A律13折线？ 量化：将抽样值用有限个量来表示。量化：将抽样值用有限个量来表示。 均匀量化：量化分级均匀。均匀量化：量化分级均匀

5、。 非均匀量化：量化分级不均匀，小信号的量化非均匀量化：量化分级不均匀，小信号的量化区间小，大信号的量化区间大。区间小，大信号的量化区间大。 量化噪声：量化后产生的误差。量化噪声：量化后产生的误差。 A律压扩法：CCITT规定的语音信号压扩法之一。 A律13折线：用13段折线近似A律压扩曲线，以便二进制编码。第2章 话音信号的数字化基础105.什么是PCM编码调制？如何实现A律律13折线折线PCM编码？编码？ 模拟信号转变为数字信号的过程叫做模拟信号转变为数字信号的过程叫做数字信号的调制。数字。数字信号有各种调制方法，常用的有脉冲编码调制信号有各种调制方法，常用的有脉冲编码调制(PCM)和增量

6、调制和增量调制(M)。 调制技术是把基带信号变换成传输信号的技术。数字调制是调制技术是把基带信号变换成传输信号的技术。数字调制是将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或或“0”对量化后的对量化后的数值进行脉冲编码（数值进行脉冲编码（PCM）。数字调制的优点是抗干扰能力强，）。数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。 图图2-1所示为所示为脉冲编码调制(PCM)的模型。的模型。第2章 话音信号的数字化基础11图2-1 脉冲编码调制(PCM)的模型 第2章 话音

7、信号的数字化基础12脉码调制示意图脉码调制示意图第2章 话音信号的数字化基础13脉冲编码调制(PCM)在发送端主要通过抽样、量化和编码工作完成AD转换；在接收端主要通过译码和滤波工作完成DA转换。1. 1. 抽样抽样模拟信号变成数字信号的第一步工作就是要对初始信号进行抽样。抽样的目的是使模拟信号在时间上离散化。其原理是通过抽样脉冲按一定周期去控制抽样器的开关电路，取出模拟信号的瞬时电压值，从而将连续的原始话音信号变成间隔相等但幅度不等的离散电压值，如图2-2所示。 第2章 话音信号的数字化基础14图2-2 话音信号抽样 第2章 话音信号的数字化基础15所抽取的每个幅度值为样值，该样值称为脉冲调

8、幅(PAM)信号。PAM信号的幅度取值是连续的，不能用有限数字来表示，所以它仍然是模拟信号。 试验证明，要正确的重发同样的语音，则频带必须在808000Hz范围。在电话传输中，为了减少频带，提高线路利用率，将语声的频带限制在3003400Hz，便可保证能够听清讲话内容和讲话者的语音特征。 为了使抽样信号不失真地还原为原始信号，抽样频抽样频率率(fs)应大于话音信号的最高频率的两倍，实际中fs取8000 Hz，则抽样周期抽样周期T为1/8000，即125微秒。 第2章 话音信号的数字化基础162. 2. 量化量化量化的目的是将抽样得到的无数种幅度值用有限个状态来表示，以减少编码的位数。其原理是用

9、有限个电平表示模拟信号的样值。 量化方法大体上有舍去法舍去法(即将小于1 V的尾数舍去)、补足法补足法(即将小于1 V的尾数补足为1 V)以及四舍五入法四舍五入法三种。四舍五入法是将每个抽样后的幅值用一个邻近的“整数”值来近似。图2-3所示为四舍五入量化方法的示意图。 第2章 话音信号的数字化基础17图2-3 四舍五入量化方法的示意图(a) 抽样；(b) 量化 第2章 话音信号的数字化基础18需要注意的是，把无限多种幅值量化成有限的值必然会产生误差。我们把量化值与信号值之间的差异称做量化量化误差误差。量化误差是数字通信中的主要噪声来源之一。减少信号的量化噪声有以下两种方法：(1) 增加量化级数

10、。增加量化级数。增加量化级数可减小量化误差，但量化级数的增加会使编码位数增加，要求存储器容量加大，对编码器的要求也会提高。 第2章 话音信号的数字化基础19(2) 采用非均匀量化的办法。采用非均匀量化的办法。图2-3所示为一种均匀量化。在均匀量化时，由于量化分级间隔是均匀的，对大信号和小信号量化阶距相同，因而小信号时的相对误差大，大信号时的相对误差小。非均匀量化是一种在信号动态范围内，量化分级不均匀、量化阶距不相等的量化。例如，若使小信号的量化分级数目多，则量化阶距小；若使大信号的量化分级数目少，则量化阶距大。这样可保证信噪比高于26 dB。非均匀量化叫做非均匀量化叫做“压缩扩张法压缩扩张法”

11、，简称压扩法。，简称压扩法。其原理如图2-4所示。 第2章 话音信号的数字化基础20图2-4 非均匀量化的原理框图 第2章 话音信号的数字化基础21压缩扩张特性示意图压缩扩张特性示意图 543210输 出压 缩 曲 线线 性 变 换输 入ABAB543210输 出扩 张 曲 线输 入ABAB(a) 压 缩 器 输 入 输 出 示 意 图(b) 扩 张 器 输 入 输 出 示 意 图tttt要求压缩特性与扩张特性合成后是一条直线对大信号压缩对大信号扩张第2章 话音信号的数字化基础22在发送端，首先将输入信号送到压缩器进行压缩，然后再送到均匀量化器量化并编码；在接收端，先将收到的数码序列进行译码，

12、然后再通过与压缩器特性相反的扩张器进行扩张，恢复为原来的信号。非均匀量化就是非线性量化，其压、扩特性采用的是近似于对数函数的特性。CCITTCCITT建议采用的压缩律有两种，建议采用的压缩律有两种，分别叫做分别叫做A A律和律和 律。律。A律的压缩系数律的压缩系数(A)为为87.6，用，用13折线来近似。折线来近似。欧洲各国、中国的PCM设备采用这种压缩律。 律的压缩系数律的压缩系数()为为255，用，用15折线来近似。折线来近似。北美各国的PCM设备采用这种压缩律。 第2章 话音信号的数字化基础23 两种对数压缩特性示意图 00.20.40.60.81.0yxA 87.6A 10A 11.0

13、0.80.60.40.200.20.40.60.81.0yx 255 30 01.00.80.60.40.2(a) A律 压 缩 特 性(b) 律 压 缩 特 性此曲线只是压缩特性的一半，另一半在第三象限第2章 话音信号的数字化基础24对数压缩特性的折线近似对数压缩特性的折线近似 使用折线的好处：可以用数字电路实现使用折线的好处：可以用数字电路实现 A A律律1313折线折线律律1515折线折线第2章 话音信号的数字化基础25A律律13折线示意图折线示意图 1.07/86/85/84/83/82/81/801/81/161/41/21.01/641/321/128yx0.2此曲线逼近A = 8

14、7.6的对数曲线8段第2章 话音信号的数字化基础26A律13折线压缩特性yx11/21/41/81/161/321/641/128 17/86/85/84/83/82/81/81/481/2716254483162161斜率段号各段斜率 1 2345 678A=87.6时的A律压缩特性表2-2 A=87.6与13折线压缩特性比较11214181161321641 128按13折线关系求得x111.9813.417.8115.4130.6160.61128按A=87.6关系求得x17868584838281 8 y x第2章 话音信号的数字化基础27律律15折线示意图折线示意图 1.07/86/

15、85/84/83/82/81/8031/25515/25563/255127/2551.03/2557/2551/255yx0.2此曲线与A律13折线非常相近8段第2章 话音信号的数字化基础283. 3. 编码编码编码就是把量化后的幅值分别用代码来表示。代码的种类很多，采用二进制代码在通信技术中较常见。实际应用中，通常用8位二进制代码表示一个量化样值。PCM信号的组成形式如图所示。 第2章 话音信号的数字化基础29 极性码极性码 段落码段落码 段内码段内码 C1 C2C3C4 C5C6C7C8 其中第1位码C的数值“1”或“0”分别表示信号的正、负极性，称为极性码。 A律律13折线折线PCM编

16、码编码 在13折线编码中，普遍采用8位二进制码，对应有M=28=256个量化级，即正、负输入幅度范围内各有128个量化级。这需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化级，由于每个段落长度不均匀，因此正或负输入的8个段落被划分成816=128个不均匀的量化级。按折叠二进码的码型，这8位码的安排如下：第2章 话音信号的数字化基础30yx11/21/41/81/161/321/641/128 17/86/85/84/83/82/81/8 1 2345 678C5 C6 C7 C8C2 C3C4C1段内码段内码段落码段落码幅度码幅度码极性码极性码码位安排码位安排每一量化段均匀分为16等分1024

17、8512725661285644323162161个数段号各各段段包包含含最最小小量量化化级级 的的个个数数正为1负为08个非均匀量化段每段内16个均匀量化级2048116128121 6432116218第2章 话音信号的数字化基础31例2.1 设输入信号抽样值Is=+1270（为一个量化单位， 表示输入信号归一化值的1 / 2 0 4 8 ） ， 按 A 律 1 3 折 线 编 成 8 位 码C1C2C3C4C5C6C7C8。 【解】 编码过程如下： （1）确定极性码C1：由于输入信号抽样值Is为正，故极性码C1=1。 （2） 确定段落码C2C3C4： 第2章 话音信号的数字化基础32段落

18、码C2C3C4表示抽样值Is处于13折线中的第几个段落。因12701024，落在第8段，所以段落码C2C3C4=111。第2章 话音信号的数字化基础33（3） 确定段内码C5C6C7C8在1024和2048内有16个量化间隔，均匀划分，起点依次为1024+n64，1024+364=1216 1270 1024+464=1280落在第三个量化间隔内，段内码为0011。总的编码结果为1,111,0011。对应的量化电平为1024+364+32=1248，量化误差为 1270-1248=22。第2章 话音信号的数字化基础344. 4. 解码和重建解码和重建在PCM通信的接收端，需要把数字信号恢复为模

19、拟信号，这要经过解码和重建两个处理过程。 1) 解码解码就是把接收到的PCM代码转变成与发送端一样的PAM信号，如图所示。 第2章 话音信号的数字化基础352) 重建在PAM信号中包含原话音信号的频谱，因此可将PAM信号通过低通滤波器分离出所需要的话音信号，这一过程即为重建。PCM信号在传输中，为了减少由长途线路带来的噪声和失真积累，通常在达到一定传输距离处设置一个再生中继器。再生中继器用来完成输入信码的整形、放大等工作，以使信号恢复到良好状态。 第2章 话音信号的数字化基础36753102.224.385.242.91量化电平数Tst2.224.385.242.912453精确抽样值量化值编

20、码O010100101011-tt-O单极性传输码双极性传输码时隙一一路路语语音音信信号号的的数数字字化化过过程程示示意意图图 第2章 话音信号的数字化基础37 问题： 什么是基带传输？ 什么是传输码型？ 传输码型是如何影响数字传输系统性能的？ 交换机内部采用什么码型？中继线上呢？ HDB3码的编码规则？ 本节内容： 基带传输的基本问题 码型的设计标准1.基带传输的常用码型2.2 传输码型第2章 话音信号的数字化基础38一、数字信号的基带传输 信号的传输方式： (1) 基带传输 (2) 载波传输(调制传输)第2章 话音信号的数字化基础39调制信道解调信窗信源载波传输信源信道信宿基带传输第2章

21、话音信号的数字化基础40基带传输的基本问题：基带传输的基本问题：(1) 什么样的数字信号可传？什么样的数字信号可传？(2) 数字信号的传输波形是什么？数字信号的传输波形是什么？通常数字信号的设计以码通常数字信号的设计以码(数字代码数字代码)的形的形式给出式给出，称为传输码型，称为传输码型。第2章 话音信号的数字化基础41二、码型的设计标准 用户的角度 公司的角度 技术的角度第2章 话音信号的数字化基础42码型的设计标准：码型的设计标准：1. 用户的角度来讲应满足用户的角度来讲应满足 (1) 信号的传输质量可以检测信号的传输质量可以检测 (2) 信息源到数字代码的变换过程的信息源到数字代码的变换

22、过程的透明性。透明性。第2章 话音信号的数字化基础432. 公司设备上要尽量简单公司设备上要尽量简单 (1) 编译码器要尽量易设计编译码器要尽量易设计 (2)能量能量(能源能源) 节能，传输信号的节能，传输信号的码型的频谱中不含有直流分量。码型的频谱中不含有直流分量。第2章 话音信号的数字化基础443. 技术上技术上 (1) 易从基带信号中提取同步信息易从基带信号中提取同步信息 (2) 传输信道的利用率要求提高传输信道的利用率要求提高 (信号占用的信道带宽尽量窄信号占用的信道带宽尽量窄) (3) 译码中应避免出现误码扩散译码中应避免出现误码扩散现象现象 。第2章 话音信号的数字化基础45码型选

23、择原则码型选择原则无直流：无直流成分，低频分量小；易产生：编译码设备简单。有定时：有时钟成分，便于从基带信号中提取定时信息；能检错：具有内在检错能力，增加其抗干扰能力；带宽小：占据的带宽小，则传输效率高；要透明：不受信息源统计特性的影响，能适应于信息源的变化；第2章 话音信号的数字化基础46三、三、基带传输的常用码型：基带传输的常用码型：1、双相码、双相码Manchester2、密勒码、密勒码Miller3、传号反转码、传号反转码CMI4、传号交替反转码、传号交替反转码AMI5、三阶高密度双极性码、三阶高密度双极性码HDB3第2章 话音信号的数字化基础471 1、双相码、双相码Manchest

24、erManchester 编码规则：0码用01两位码表示，1码用10两位码表示；负方波表示消息代码0，正方波表示消息代码1。第2章 话音信号的数字化基础48双相码的特点双相码的特点 两电平码（双极性非归零波形）； 无直流分量； 每码元中间存在电平跳变，定时提取容易； 编译码电路简单； 带宽比原来码元大一倍； 适用于数据终端设备近距离通信，如局域网。第2章 话音信号的数字化基础49 延迟调制码，双相码的一种变形。 编码规则：消息代码1用码元中心点出现跃变来表示。 用10或01表示。消息代码0有两种情况： 单个0时，在码元持续时间内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变； 连0时，在两个0码

25、的边界处出现电平跃变，即00与11交替。2 2、密勒码、密勒码MillerMiller第2章 话音信号的数字化基础50密勒码举例密勒码举例 用双相码的下降沿去触发双稳电路，即可输出密勒码。第2章 话音信号的数字化基础51密勒码的特点密勒码的特点 特点： Miller码的功率谱能量主要集中在二分之一码速以下的范围，直流分量小； Miller码的频带宽度约为双相码的一半； Miller码最大宽度为2个码元周期，而最小宽度为1个码元周期，利用这一特点可进行宏观检错。 应用：气象卫星、磁带纪录等。第2章 话音信号的数字化基础523 3、传号反转码、传号反转码CMICMI 编码规则：消息代码消息代码1

26、1交替用交替用1111和和0000两位码表示；两位码表示；消息代码消息代码0 0固定地用固定地用0101表示。表示。第2章 话音信号的数字化基础53CMICMI码的特点码的特点 特点：编译码简单，无直流；具有丰富的定时信息，便于定时信号提取；10为禁用码组，且不会出现三个以上的连码，具有一定的宏观检错能力。 应用：PCM4次群数据传输码型；低于8448Kbps光纤传输系统数据码型。第2章 话音信号的数字化基础544、传号交替反转码AMI 编码规则：消息码的1(传号)交替变换为+1和-1的归零码；消息码的0(空号)保持不变，仍为0。 例如：AMI的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列.第2章

27、话音信号的数字化基础55AMI码的特点 优点：没有直流成分，且高、低频分量少；可以提取位定时分量；编译码电路简单。可利用传号极性交替观察误码情况； 缺点： 存在一个主要 问题是：連“0”码出现时， 定时恢复难以实现。第2章 话音信号的数字化基础565、三阶高密度双极性码HDB3 编码规则：检查消息码中0的个数，当连0数目小于等于3时，与AMI码一样，+1与-1交替；连0数目超过3时，将每4个连0化作一个破坏节B00V，其中V称为破坏脉冲，而B称为调节脉冲；V与前一个相邻的非0脉冲的极性相同，并且相邻的V码之间极性必须交替，V的取值为+1或-1；B可选0、+1或-1，以使V满足上述的两个要求；V

28、码后面的传号码极性也要交替。 第2章 话音信号的数字化基础57HDB3编码举例HDB3码二进制码10000001110000010100001-1000000+1-1+100000-10+10000-1AMI码第2章 话音信号的数字化基础58HDB3译码译码 译码规则：从收到的符号序列中找到破坏点V，恢复4个连0码；再将所有-1变成+1。二进制码10000001110000010100001HDB3码+100-1000-1+1-10+100+1-10+1-1000-1第2章 话音信号的数字化基础59HDBHDB3 3码的特点码的特点 优点：无直流成分，且高、低频分量少；可利用传号极性交替观察误

29、码情况；连0个数不超过3个，便于提取位定时分量。 缺点：编码电路较复杂，但译码电路简单。第2章 话音信号的数字化基础60码型选择原则： 能从中获取定时信息； 避免含有直流分量； 占用的带宽尽可能的窄； 不受信源统计特性的影响； 尽可能地提高传输码型的传输效率； 具有内在的纠错能力；（几种码型的功率谱分析，见下页）常用码型：传号交替反转码AMI、三阶高密度双极性码HDB3；双相码Manchester、差分双相码、密勒码Miller、传号反转码CMI.传输码型小结传输码型小结第2章 话音信号的数字化基础61A0110TB2TBs(t)101t3TB4TB5TB6TBPS(t)0fB2fB3fB4f

30、Bf单极性不归零码及功率谱s(t)10110101TB2TB3TB4TB5TB6TBtPS(t)02fBfB3fB4fBf单极性归零码及功率谱 AMI码及功率谱 A0 10TB2TBs(t)0t3TB4TB5TB6TBPS(t)0fB2fB3fB4fBt 1 1 1A第2章 话音信号的数字化基础62HDB3编码波形 VVVV1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0NRZ码交换机内采用交换机内采用NRZ码型码型传输线路采用传输线路采用HDB3码型码型第2章 话音信号的数字化基础63753102.224.385.242.91量化电平数T

31、st2.224.385.242.912453精确抽样值量化值编码O010100101011-tt-O单极性传输码双极性传输码时隙一一路路语语音音信信号号的的数数字字化化过过程程示示意意图图 第2章 话音信号的数字化基础64多路语音信号的复用示意图多路语音信号的复用示意图PCMPCM复用信号的基本数据单元复用信号的基本数据单元帧帧第2章 话音信号的数字化基础65 问题： 什么是多路复用？多路复用的目的是什么？常用的复用技术有哪些？各种复用技术的效率如何？ 时分复用技术如何在接收端实现解复用？ 数字话音信号采用什么复用方式？ 话音信号的30/32路PCM帧结构如何？ 30/32路PCM一次群的复用

32、速率是多少？二、三、四次群呢？ 本节内容：2.3.1 多路复用技术简介2.3.2 PCM信号的时分复用2.3.3 PCM帧结构2.3 多路复用技术第2章 话音信号的数字化基础661. 什么是多路复用？多路复用的目的是什么？常用的复用技术有哪些？各种复用技术的效率如何？2.3.1 多路复用技术简介 多路复用：将来自不同信息源的各路信息，：将来自不同信息源的各路信息，按某种方式合并成一个多路信号，然后通过成一个多路信号，然后通过同一个信道传传送给接收端。接收端再从该多路信号中送给接收端。接收端再从该多路信号中按相应方式分离出各路信号，分送给不同的用户或终端。出各路信号，分送给不同的用户或终端。 简

33、而言之，多路复用是利用一条信道同时传输多路简而言之，多路复用是利用一条信道同时传输多路信号的一种技术，可以解决在同一信道内同时传送信号的一种技术，可以解决在同一信道内同时传送多多路路信号的问题信号的问题. .第2章 话音信号的数字化基础67 多路复用的好处：通过复用，可以把多路低速多路复用的好处：通过复用，可以把多路低速信号合并为一路高速信号进行传输，提高信道信号合并为一路高速信号进行传输，提高信道利用率。利用率。 多路复用的技术特点：为了在接收端将不同路多路复用的技术特点：为了在接收端将不同路的信号区分开来，必须使不同路的信号具有不的信号区分开来，必须使不同路的信号具有不同的特征。同的特征。

34、 常见的多路复用方式有常见的多路复用方式有 时分复用时分复用TDMTDM 频分复用频分复用FDMFDM 空分复用空分复用SDMSDM 码分复用码分复用CDMCDM 波分复用波分复用WDMWDM第2章 话音信号的数字化基础68时分制是将信道的传输时间划分成若干个时隙，每个被传输的信号独立占用其中的一个时隙，各路信号轮流在自己的时隙内完成传输，如图所示的信道1、信道2、信道n。时分复用时分复用(TDM)第2章 话音信号的数字化基础69TDM复用原理复用原理第2章 话音信号的数字化基础70TDM同步原理同步原理 TDM对信道中时钟相位抖动及接收端与发送端的时钟同步同步问题则提出了较高要求。 同步同步

35、是指接收端能正确地从数据流中识别各路序号。为此，必须在每帧内加上标志信号（称为帧同步信号）。第2章 话音信号的数字化基础71频分复用(FDM)是指把传输信道的总带宽划分成若干个子频段，如图所示的信道1、信道2、信道n。每个子频段可作为一个独立的传输信道使用，每对用户所占用的仅仅是其中的一个子频段。 频分复用频分复用(FDM)第2章 话音信号的数字化基础72 应用应用FDM的前提条件是传输介质的总带的前提条件是传输介质的总带宽要大于子带信道带宽之和。宽要大于子带信道带宽之和。第2章 话音信号的数字化基础73FDM复用复用频域频域第2章 话音信号的数字化基础74FDM解复用解复用频域频域第2章 话

36、音信号的数字化基础75频分复用应用举例频分复用应用举例 传统的频分复用典型的应用传统的频分复用典型的应用是是广电广电HFC网络电视信号的传输，不管是模网络电视信号的传输，不管是模拟电视信号还是数字电视信号都是如拟电视信号还是数字电视信号都是如此，因为对于数字电视信号而言，尽此，因为对于数字电视信号而言，尽管在每一个频道（管在每一个频道（8 MHz）以内是时）以内是时分复用传输的，但各个频道之间仍然分复用传输的，但各个频道之间仍然是以频分复用的方式传输的。是以频分复用的方式传输的。 第2章 话音信号的数字化基础76由此可见，频分制是按频率划分信道的，而时分制是按时间划分信道的；频分制同一时间传送

37、多路信息，而时分制同一时间只传送1路信息；从时间上讲，频分制的多路信息是并行传输的，而时分制的多路信息是串行传输的。程控数字交换机采用的多路复用技术为时分复用程控数字交换机采用的多路复用技术为时分复用(TDM)。 第2章 话音信号的数字化基础77空分复用空分复用SDMSDM第2章 话音信号的数字化基础78移动通信中的空分复用移动通信中的空分复用MIMOMIMO MIMOMIMO是指信号系统发射端和接收端，分别使用了多个是指信号系统发射端和接收端，分别使用了多个发射天线和接收天线，因而该技术被称为多发送天线发射天线和接收天线，因而该技术被称为多发送天线和多接收天线（简称多入多出）技术。和多接收天

38、线（简称多入多出）技术。MIMOMIMO的空时解的空时解码系统利用数学算法拆开和恢复纠缠在一起的传输信码系统利用数学算法拆开和恢复纠缠在一起的传输信号并将它们正确地识别出来。号并将它们正确地识别出来。空空时时编编码码信信宿宿发射天线发射天线空空时时编编码码接收天线接收天线信信源源S SI I(K)(K)第2章 话音信号的数字化基础79波分复用波分复用WDMWDM第2章 话音信号的数字化基础80波分复用波分复用WDMWDM第2章 话音信号的数字化基础81码分复用码分复用CDM 码分复用码分复用CDM 是另一种共享信道的方法。是另一种共享信道的方法。 Code Division Multiplex

39、ing 人们更常用的名词是码分多址人们更常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access) 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。 由于由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，各码型之各用户使用经过特殊挑选的不同码型，各码型之间相互正交，因此虽然所有用户同时占用一段频谱，间相互正交，因此虽然所有用户同时占用一段频谱，但是不会互相干扰但是不会互相干扰。 码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号信号有很强的抗干扰能力有很强的抗干扰能力，其频谱

40、类似于白噪声，不其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现易被敌人发现。第2章 话音信号的数字化基础82多路复用技术小结多路复用技术小结 多路复用技术的基本概念多路复用技术的基本概念 FDM，同时（，同时（t） ，不同，不同频（频（f） TDM，同，同频（频（f），），不同不同时时（t） CDM，同时（，同时（t） ，又同，又同频（频（f） 假设假设8人（分成人（分成4组）在同一房间中说话组）在同一房间中说话 FDM：4组人在同一房间的不同角落用同样的语言相互交谈。组人在同一房间的不同角落用同样的语言相互交谈。 TDM：将一段时间分成：将一段时间分成4个时间片，个时间片，4组轮流交谈。组轮流交谈。 C

41、DM：4组同时分别用不同语言来交谈。组同时分别用不同语言来交谈。请问：复用技术的理论基础是什么？请问：复用技术的理论基础是什么？ 数字信号处理技术数字信号处理技术 将信号变换到不同域进行处理将信号变换到不同域进行处理 基本思路是利用信号的正交性基本思路是利用信号的正交性第2章 话音信号的数字化基础832.2.3 3.2 PCM.2 PCM信号的时分复用信号的时分复用为了提高信道的利用率，常对基带为了提高信道的利用率，常对基带PCMPCM信号进行时分复信号进行时分复用，如用，如下下图所示。图所示。第2章 话音信号的数字化基础84图2-12 PCM信号的时分复用(a) 原始模拟语言信号；(b) 抽

42、样后形成的PAM信号；(c) 基带PCM编码信号；(d) 多路基带PCM信号调制后形成的TDM PCM信号；(e) 第2路基带PCM信号 比较图中(b)(e)可以发现，在125 s抽样周期内，PAM信号每传送一个抽样值，对应基带PCM传送8 bit，而TDM PCM则可传输（n 8） bit因此，TDM PCM信号的码元速率为 R1 = n 64 (kb/s) 第2章 话音信号的数字化基础85PCMPCM时分多路复用是利用一个高速开关电路时分多路复用是利用一个高速开关电路(抽样器抽样器)来实现的。高速开关电路使各路信号在时间上按一定顺序来实现的。高速开关电路使各路信号在时间上按一定顺序轮流接通

43、，以保证任一瞬间最多只有一路信号接在公共信轮流接通，以保证任一瞬间最多只有一路信号接在公共信道上。具体地说，就是利用时钟脉冲把信道按时间分成均道上。具体地说，就是利用时钟脉冲把信道按时间分成均匀的间隔，每一路信号的传输被分配在不同的时间间隔内匀的间隔，每一路信号的传输被分配在不同的时间间隔内进行，以达到互相分开的目的，如图所示。进行，以达到互相分开的目的，如图所示。 第2章 话音信号的数字化基础86就就PCMPCM时分制而言，就是把抽样周期时分制而言，就是把抽样周期125125s s分割成多个分割成多个时间小段，以供各个话路占用。若有时间小段，以供各个话路占用。若有n n条话路，则每路占用条话

44、路，则每路占用的时间小段为的时间小段为125/n125/n。显然，路数越多，时间小段将越小。显然，路数越多，时间小段将越小。每路信号经每路信号经PCM调制后，都是以调制后，都是以8 bit抽样值为一个信号抽样值为一个信号单元传送的，因此，每个单元传送的，因此，每个8 bit所占据的时间称为所占据的时间称为1个个“时时隙隙”(TS，Time Slot)，n个时隙就构成了一个个时隙就构成了一个帧帧。因此，一。因此，一路基带路基带PCM在在TDM PCM中周期地每帧占有中周期地每帧占有1个时隙，帧与个时隙，帧与时隙的关系如图所示。时隙的关系如图所示。 第2章 话音信号的数字化基础872.2.3 3.

45、3 PCM.3 PCM帧结构帧结构目前国际上有两种目前国际上有两种PCM体制：一种是由贝尔体制：一种是由贝尔(BELL)公司提出，主要在北美各国和日本采用的公司提出，主要在北美各国和日本采用的24路路PCM(n = 24)；另一种是欧洲邮电管理协会另一种是欧洲邮电管理协会(CEPT)提出，主要在欧洲各国提出，主要在欧洲各国和中国等国家采用的和中国等国家采用的30/32路路PCM(n = 32)。这两种体制均。这两种体制均已被已被CCITT采纳为正式标准。两种采纳为正式标准。两种PCM体制的比较如表体制的比较如表2.1所示。所示。 第2章 话音信号的数字化基础88表表2.1 BELL 24路、路

46、、CEPT 30/32路路PCM体制的比较体制的比较 项 目 CEPT 30/32 路 BELL 24 路 抽样速率/Hz 8000 8000 比特数/抽样 8 8 时隙/帧 32 24 PCM 话路/帧 30 24 输出比特速率/(kb/s) 2048 1544 第2章 话音信号的数字化基础891. 30/321. 30/32路一次群帧结构路一次群帧结构30/3230/32路一次群帧结构如图路一次群帧结构如图2 2.9.9所示。所示。在图在图2 2.9.9所示的所示的30/3230/32路一次群帧结构中，路一次群帧结构中，1 1帧由帧由3232个时个时隙组成，编号为隙组成，编号为TSTS0

47、0TSTS3131。第。第1 11515话路的消息码组依次在话路的消息码组依次在TSTS1 1TSTS1515中传送，而第中传送，而第16163030话路的消息依次在话路的消息依次在TSTS1717TSTS3131传送。传送。1616个帧构成个帧构成1 1复帧，由复帧，由F F0 0F F1515组成。组成。TS0用来做用来做“帧同步帧同步”工作，而工作，而TS16则用来做则用来做“复帧同复帧同步步”工作或传送各话路的标志信号码工作或传送各话路的标志信号码(信令码信令码)。 第2章 话音信号的数字化基础90“帧同步帧同步”和和“复帧同步复帧同步”的工作意义是控制收、发的工作意义是控制收、发两端

48、数字设备同步地工作。对于偶数帧两端数字设备同步地工作。对于偶数帧(F0，F2，F4，)，TS0被固定地设置为被固定地设置为10011011，第，第1位码没有利用，暂定为位码没有利用，暂定为“1”，后，后7位码位码“0011011”为帧同步字。帧同步字在偶为帧同步字。帧同步字在偶数帧到来时，由发送端数字设备向接收端数字设备传送。数帧到来时，由发送端数字设备向接收端数字设备传送。 第2章 话音信号的数字化基础91488nsF0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9F10F11F12F13F14F15001 1 0 1 1 1 1TS01 2 3 4 5 6 7 8 9 101112

49、131415161719202122 1 1 232425262728 1 1 2930311832路时隙，路时隙，256 bit , 125微秒微秒16帧，帧，2.0ms00 00 1A21 1 1 1A111 1 1 1 1 1 1a bd a bcdcF1CH1CH16a bd a bcdcF2CH2CH17a bd a bcdcF15CH15CH30帧同步时帧同步时隙隙话路话路时隙时隙(CH1-CH15)信令时隙信令时隙话路话路时隙时隙(CH16-CH29)CH30帧同步信号帧同步信号复帧同复帧同步信号步信号备用备用比特比特3.91s保留给保留给国内通国内通信用信用复复帧帧结构结构帧帧

50、结构结构偶帧偶帧TS0奇帧奇帧TS0PCM基群帧结构基群帧结构第2章 话音信号的数字化基础92对于奇数帧对于奇数帧(F1，F3，F5，)，TS0的第的第3位码为帧失步位码为帧失步告警码。在消息传送过程中，当接收端的帧同步检测电路告警码。在消息传送过程中，当接收端的帧同步检测电路在预定时刻检测到输入序列中与同步字在预定时刻检测到输入序列中与同步字(0011011)相匹配的相匹配的信号段时，便认为捕捉到了帧同步字，说明接收信号正常，信号段时，便认为捕捉到了帧同步字，说明接收信号正常，此时由奇数帧此时由奇数帧TS0向发送端数字设备传送的第向发送端数字设备传送的第3位码为位码为“0”；如果接收端帧同步

51、检测电路不能在预定时刻收到同步字如果接收端帧同步检测电路不能在预定时刻收到同步字(0011011)，就认为系统失步，由奇数帧，就认为系统失步，由奇数帧TS0向发送端数字向发送端数字设备传送的第设备传送的第3位码为位码为“1”。通知对端局，本端接收信号。通知对端局，本端接收信号已失步，需处理故障。已失步，需处理故障。 第2章 话音信号的数字化基础93为可靠起见，实际工作中，接收端的帧同步检测电路为可靠起见，实际工作中，接收端的帧同步检测电路需连续多次在所期望的时刻需连续多次在所期望的时刻( (即每即每250250s)s)收到同步字，才收到同步字，才可确认系统进入了同步状态。这样做的目的是避免把消

52、息可确认系统进入了同步状态。这样做的目的是避免把消息中与同步字相同的序列段误认为同步字。中与同步字相同的序列段误认为同步字。 奇数帧奇数帧TS0的第的第1位码同样没有利用，暂定为位码同样没有利用，暂定为“1”。第。第2位码为监视码，固定为位码为监视码，固定为“1”，用于区分奇数帧和偶数帧，用于区分奇数帧和偶数帧，以便接收端把偶数帧与奇数帧区别开来以便接收端把偶数帧与奇数帧区别开来(偶数帧偶数帧TS0的第的第2位位码固定为码固定为“0”)。奇数帧。奇数帧TS0的第的第48位码用来传送其他信位码用来传送其他信息，在未利用的情况下，暂定为息，在未利用的情况下，暂定为“1”。 第2章 话音信号的数字化

53、基础94在在F F0 0的的TSTS1616的的8 8位码中，前位码中，前4 4位码为复帧同步码，编码为位码为复帧同步码，编码为“0000”0000”。第。第6 6位码为复帧失步告警码，与帧失步告警码一位码为复帧失步告警码，与帧失步告警码一样，复帧同步工作时这一位码为样，复帧同步工作时这一位码为“0”0”，失步时为，失步时为“1”1”。F1F15的的TS16用以传送第用以传送第130话路的标志信号。由话路的标志信号。由于标志信号的频率成分远没有话音的频率成分丰富，用于标志信号的频率成分远没有话音的频率成分丰富，用4位位码传送一个话路的标志信号就足够了，因此，每个码传送一个话路的标志信号就足够了

54、，因此，每个TS16又又分为前分为前4 bit和后和后4 bit两部分，前两部分，前4 bit用来传送一个话路的用来传送一个话路的标志信号，后标志信号，后4 bit用来传送另一话路的标志信号。具体规用来传送另一话路的标志信号。具体规定是在定是在1复帧中：复帧中： 第2章 话音信号的数字化基础95F F1 1中中TSTS1616的前的前4 bit4 bit用来传送第用来传送第1 1话路的标志信号；话路的标志信号；F F2 2中中TSTS1616的前的前4 bit4 bit用来传送第用来传送第2 2话路的标志信号；话路的标志信号；F F3 3中中TSTS1616的前的前4 bit4 bit用来传送

55、第用来传送第3 3话路的标志信号；话路的标志信号；F F1515中中TSTS1616的前的前4 bit4 bit用来传送第用来传送第1515话路的标志信号。话路的标志信号。F F1 1中中TSTS1616的后的后4 bit4 bit用来传送第用来传送第1616话路的标志信号；话路的标志信号；F F2 2中中TSTS1616的后的后4 bit4 bit用来传送第用来传送第1717话路的标志信号；话路的标志信号；F3中中TS16的后的后4 bit用来传送第用来传送第18话路的标志信号；话路的标志信号；F F1515中中TSTS1616的后的后4 bit4 bit用来传送第用来传送第3030话路的标

56、志信号。话路的标志信号。 第2章 话音信号的数字化基础96 例如，某用户摘机后占用第例如，某用户摘机后占用第7 7条话路，那么，为其传送条话路，那么，为其传送话音信号的时隙是话音信号的时隙是TSTS7 7，而为其传送控制信号的时隙则应是，而为其传送控制信号的时隙则应是F F7 7中中TSTS1616的前的前4 bit4 bit。 通过对通过对30/32路一次群帧结构的认识，我们不难理解，路一次群帧结构的认识，我们不难理解，一路基带一路基带PCM信号一旦占用了一次群中的某个时隙，它随信号一旦占用了一次群中的某个时隙，它随后所有的后所有的8位编码抽样都将位于该时隙。因此，对于位编码抽样都将位于该时

57、隙。因此，对于64 kb/s的基带的基带PCM源而言，一次群系统等价于提供了源而言，一次群系统等价于提供了32条独立的条独立的64 kb/s信道，故信道，故30/32路一次群的位速率为路一次群的位速率为 B = 32 64 000 = 2048 kb/s 第2章 话音信号的数字化基础972. 2. 数字复用数字复用PCMPCM高次群高次群目前目前PCMPCM通信技术发展很快，应用很广泛，上述通信技术发展很快，应用很广泛，上述PCMPCM一次一次群的容量和速率已远远不能满足通信要求。为了扩大信号传群的容量和速率已远远不能满足通信要求。为了扩大信号传输的速率和交换容量，提高信道利用率，引入了数字复

58、用高输的速率和交换容量，提高信道利用率，引入了数字复用高次群的概念。次群的概念。高次群由若干个低次群通过数字复接设备复用而成，如高次群由若干个低次群通过数字复接设备复用而成，如图图2.10所示。所示。 第2章 话音信号的数字化基础98由图2.10可知，PCM系统的二次群由4个一次群复用而成，速率为8.448 Mb/s，话路数为4 30 = 120话路；三次群由4个二次群复用而成，速率为34.386 Mb/s，话路数为4120=480话路；四次群由4个三次群复用而成，速率为139.264 Mb/s，话路数为4 480 = 1920话路；五次群则由4个四次群复用而成，速率为564.992 Mb/s

59、，话路数为4 1920 = 7680话路。数字复用时，由于要加入同步调整比特，因此高次群的传输码率并不是低次群的四倍，而是要比它的四倍高一些，如二次群复用加入正码速调整比特后，速率应为4 2112(标称值) = 8448 kb/s。交换机接续常以一次群信号为单位。如果交换机接收到的是其他群次的信号，则必须通过接口电路将它们多路复接(或分接)成一次群，然后进行交换。 第2章 话音信号的数字化基础99PCM高次群的形成 第2章 话音信号的数字化基础1002.3.4 PCM终端设备简介终端设备简介 图2-17 PCM多路系统终端设备的功能图 第2章 话音信号的数字化基础101扩展知识：多址技术多址技

60、术是指多个用户终端的射频信号在射频是指多个用户终端的射频信号在射频信道上的复用，以实现各个用户终端之间的通信道上的复用，以实现各个用户终端之间的通信。信。 多址技术的目的是多个用户共享信道、动态分多址技术的目的是多个用户共享信道、动态分配网络资源。配网络资源。常见的多址技术有频分多址常见的多址技术有频分多址(FDMA)(FDMA)，时分多址，时分多址(TDMA)(TDMA)，码分多址，码分多址(CDMA)(CDMA)，空分多址，空分多址(SDMA)(SDMA)。第2章 话音信号的数字化基础102 多路复用和多址技术的相同点：多路复用和多址技术的相同点：都是为了共享通信资源。都是为了共享通信资源