程控數字交換技術第2章PPT課件

1、第2章 話音信號的數字化基礎1第2章 話音信號的數字化基礎任課教師：李紅巖任課教師：李紅巖第2章 話音信號的數字化基礎2圖1-5 典型的電信通信網 本章內容在程控交換系統(tǒng)中的地位第2章 話音信號的數字化基礎3本章內容在程控交換系統(tǒng)中的地位第2章 話音信號的數字化基礎4第2章 話音信號的數字化基礎 本章學習內容： 話音信號的數字化處理方法 傳輸碼型 時分復用技術 本章學習目標： 理解基本概念和基本原理； 掌握話音信號的數字化方法PCM技術； 掌握傳輸碼型HDB3； 理解時分多路復用原理和 PCM 30/32路的幀結構。 本章內容結構： 2.1 話音信號的數字化處理 2.2 傳輸碼型1.2.3 多

2、路復用第2章 話音信號的數字化基礎52.1 話音信號的數字化處理 問題：問題： 什么是模擬信號？數字信號？什么是模擬信號？數字信號？ 話音信號數字化的一般步驟？話音信號數字化的一般步驟？ 什么是抽樣？抽樣頻率？抽樣的理論基礎是什么？什么是抽樣？抽樣頻率？抽樣的理論基礎是什么？話音信號的抽樣頻率是多少？話音信號的抽樣頻率是多少？ 什么是量化？均勻量化？非均勻量化？量化噪聲？什么是量化？均勻量化？非均勻量化？量化噪聲？A律壓擴法？A律13折線？什么是PCM編碼調制？如何實現A律律13折線折線PCM編編碼？碼？1.一路一路PCM話音信號的數據速率是多少？話音信號的數據速率是多少？第2章 話音信號的數

3、字化基礎61.什么是模擬信號？數字信號？什么是模擬信號？數字信號？ 模擬信號：模擬信號：取值取值連續(xù)變化的信號。連續(xù)變化的信號。 數字信號：取值離散且有限的信號。數字信號：取值離散且有限的信號。第2章 話音信號的數字化基礎72.話音信號數字化的一般步驟？話音信號數字化的一般步驟？ 抽樣抽樣時域離散化時域離散化 量化量化取值有限化取值有限化 編碼編碼取值二進制化取值二進制化第2章 話音信號的數字化基礎83.什么是抽樣？抽樣頻率？抽樣的理論基什么是抽樣？抽樣頻率？抽樣的理論基礎是什么？話音信號的抽樣頻率是多少？礎是什么？話音信號的抽樣頻率是多少？ 抽樣：用很窄的矩形脈沖按照一定周期抽樣：用很窄的矩

4、形脈沖按照一定周期讀取模擬信號的瞬時值。讀取模擬信號的瞬時值。 抽樣頻率：每秒鐘抽樣的次數。抽樣頻率：每秒鐘抽樣的次數。 抽樣定理：若抽樣頻率大于模擬信號帶抽樣定理：若抽樣頻率大于模擬信號帶寬的寬的2倍，則可以用離散的抽樣值恢復出倍，則可以用離散的抽樣值恢復出原始模擬信號。原始模擬信號。 話音信號的抽樣頻率：話音信號的抽樣頻率：8kHz第2章 話音信號的數字化基礎94.什么是量化？均勻量化？非均勻量化？什么是量化？均勻量化？非均勻量化？量化噪聲？量化噪聲？A律壓擴法？A律13折線？ 量化：將抽樣值用有限個量來表示。量化：將抽樣值用有限個量來表示。 均勻量化：量化分級均勻。均勻量化：量化分級均勻

5、。 非均勻量化：量化分級不均勻，小信號的量化非均勻量化：量化分級不均勻，小信號的量化區(qū)間小，大信號的量化區(qū)間大。區(qū)間小，大信號的量化區(qū)間大。 量化噪聲：量化后產生的誤差。量化噪聲：量化后產生的誤差。 A律壓擴法：CCITT規(guī)定的語音信號壓擴法之一。 A律13折線：用13段折線近似A律壓擴曲線，以便二進制編碼。第2章 話音信號的數字化基礎105.什么是PCM編碼調制？如何實現A律律13折線折線PCM編碼？編碼？ 模擬信號轉變?yōu)閿底中盘柕倪^程叫做模擬信號轉變?yōu)閿底中盘柕倪^程叫做數字信號的調制。數字。數字信號有各種調制方法，常用的有脈沖編碼調制信號有各種調制方法，常用的有脈沖編碼調制(PCM)和增量

6、調制和增量調制(M)。 調制技術是把基帶信號變換成傳輸信號的技術。數字調制是調制技術是把基帶信號變換成傳輸信號的技術。數字調制是將模擬信號抽樣量化后，以二進制數字信號將模擬信號抽樣量化后，以二進制數字信號“1”或或“0”對量化后的對量化后的數值進行脈沖編碼（數值進行脈沖編碼（PCM）。數字調制的優(yōu)點是抗干擾能力強，）。數字調制的優(yōu)點是抗干擾能力強，中繼時噪聲及色散的影響不積累，因此可實現長距離傳輸。中繼時噪聲及色散的影響不積累，因此可實現長距離傳輸。 圖圖2-1所示為所示為脈沖編碼調制(PCM)的模型。的模型。第2章 話音信號的數字化基礎11圖2-1 脈沖編碼調制(PCM)的模型 第2章 話音

7、信號的數字化基礎12脈碼調制示意圖脈碼調制示意圖第2章 話音信號的數字化基礎13脈沖編碼調制(PCM)在發(fā)送端主要通過抽樣、量化和編碼工作完成AD轉換；在接收端主要通過譯碼和濾波工作完成DA轉換。1. 1. 抽樣抽樣模擬信號變成數字信號的第一步工作就是要對初始信號進行抽樣。抽樣的目的是使模擬信號在時間上離散化。其原理是通過抽樣脈沖按一定周期去控制抽樣器的開關電路，取出模擬信號的瞬時電壓值，從而將連續(xù)的原始話音信號變成間隔相等但幅度不等的離散電壓值，如圖2-2所示。 第2章 話音信號的數字化基礎14圖2-2 話音信號抽樣 第2章 話音信號的數字化基礎15所抽取的每個幅度值為樣值，該樣值稱為脈沖調

8、幅(PAM)信號。PAM信號的幅度取值是連續(xù)的，不能用有限數字來表示，所以它仍然是模擬信號。 試驗證明，要正確的重發(fā)同樣的語音，則頻帶必須在808000Hz范圍。在電話傳輸中，為了減少頻帶，提高線路利用率，將語聲的頻帶限制在3003400Hz，便可保證能夠聽清講話內容和講話者的語音特征。 為了使抽樣信號不失真地還原為原始信號，抽樣頻抽樣頻率率(fs)應大于話音信號的最高頻率的兩倍，實際中fs取8000 Hz，則抽樣周期抽樣周期T為1/8000，即125微秒。 第2章 話音信號的數字化基礎162. 2. 量化量化量化的目的是將抽樣得到的無數種幅度值用有限個狀態(tài)來表示，以減少編碼的位數。其原理是用

9、有限個電平表示模擬信號的樣值。 量化方法大體上有舍去法舍去法(即將小于1 V的尾數舍去)、補足法補足法(即將小于1 V的尾數補足為1 V)以及四舍五入法四舍五入法三種。四舍五入法是將每個抽樣后的幅值用一個鄰近的“整數”值來近似。圖2-3所示為四舍五入量化方法的示意圖。 第2章 話音信號的數字化基礎17圖2-3 四舍五入量化方法的示意圖(a) 抽樣；(b) 量化 第2章 話音信號的數字化基礎18需要注意的是，把無限多種幅值量化成有限的值必然會產生誤差。我們把量化值與信號值之間的差異稱做量化量化誤差誤差。量化誤差是數字通信中的主要噪聲來源之一。減少信號的量化噪聲有以下兩種方法：(1) 增加量化級數

10、。增加量化級數。增加量化級數可減小量化誤差，但量化級數的增加會使編碼位數增加，要求存儲器容量加大，對編碼器的要求也會提高。 第2章 話音信號的數字化基礎19(2) 采用非均勻量化的辦法。采用非均勻量化的辦法。圖2-3所示為一種均勻量化。在均勻量化時，由于量化分級間隔是均勻的，對大信號和小信號量化階距相同，因而小信號時的相對誤差大，大信號時的相對誤差小。非均勻量化是一種在信號動態(tài)范圍內，量化分級不均勻、量化階距不相等的量化。例如，若使小信號的量化分級數目多，則量化階距小；若使大信號的量化分級數目少，則量化階距大。這樣可保證信噪比高于26 dB。非均勻量化叫做非均勻量化叫做“壓縮擴張法壓縮擴張法”

11、，簡稱壓擴法。，簡稱壓擴法。其原理如圖2-4所示。 第2章 話音信號的數字化基礎20圖2-4 非均勻量化的原理框圖 第2章 話音信號的數字化基礎21壓縮擴張?zhí)匦允疽鈭D壓縮擴張?zhí)匦允疽鈭D 543210輸 出壓 縮 曲 線線 性 變 換輸 入ABAB543210輸 出擴 張 曲 線輸 入ABAB(a) 壓 縮 器 輸 入 輸 出 示 意 圖(b) 擴 張 器 輸 入 輸 出 示 意 圖tttt要求壓縮特性與擴張?zhí)匦院铣珊笫且粭l直線對大信號壓縮對大信號擴張第2章 話音信號的數字化基礎22在發(fā)送端，首先將輸入信號送到壓縮器進行壓縮，然后再送到均勻量化器量化并編碼；在接收端，先將收到的數碼序列進行譯碼，

12、然后再通過與壓縮器特性相反的擴張器進行擴張，恢復為原來的信號。非均勻量化就是非線性量化，其壓、擴特性采用的是近似于對數函數的特性。CCITTCCITT建議采用的壓縮律有兩種，建議采用的壓縮律有兩種，分別叫做分別叫做A A律和律和 律。律。A律的壓縮系數律的壓縮系數(A)為為87.6，用，用13折線來近似。折線來近似。歐洲各國、中國的PCM設備采用這種壓縮律。 律的壓縮系數律的壓縮系數()為為255，用，用15折線來近似。折線來近似。北美各國的PCM設備采用這種壓縮律。 第2章 話音信號的數字化基礎23 兩種對數壓縮特性示意圖 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 壓 縮 特 性(b) 律 壓 縮 特 性此曲線只是壓縮特性的一半，另一半在第三象限第2章 話音信號的數字化基礎24對數壓縮特性的折線近似對數壓縮特性的折線近似 使用折線的好處：可以用數字電路實現使用折線的好處：可以用數字電路實現 A A律律1313折線折線律律1515折線折線第2章 話音信號的數字化基礎25A律律13折線示意圖折線示意圖 1.07/86/85/84/83/82/81/801/81/161/41/21.01/641/321/128yx0.2此曲線逼近A = 8

14、7.6的對數曲線8段第2章 話音信號的數字化基礎26A律13折線壓縮特性yx11/21/41/81/161/321/641/128 17/86/85/84/83/82/81/81/481/2716254483162161斜率段號各段斜率 1 2345 678A=87.6時的A律壓縮特性表2-2 A=87.6與13折線壓縮特性比較11214181161321641 128按13折線關系求得x111.9813.417.8115.4130.6160.61128按A=87.6關系求得x17868584838281 8 y x第2章 話音信號的數字化基礎27律律15折線示意圖折線示意圖 1.07/86/

15、85/84/83/82/81/8031/25515/25563/255127/2551.03/2557/2551/255yx0.2此曲線與A律13折線非常相近8段第2章 話音信號的數字化基礎283. 3. 編碼編碼編碼就是把量化后的幅值分別用代碼來表示。代碼的種類很多，采用二進制代碼在通信技術中較常見。實際應用中，通常用8位二進制代碼表示一個量化樣值。PCM信號的組成形式如圖所示。 第2章 話音信號的數字化基礎29 極性碼極性碼 段落碼段落碼 段內碼段內碼 C1 C2C3C4 C5C6C7C8 其中第1位碼C的數值“1”或“0”分別表示信號的正、負極性，稱為極性碼。 A律律13折線折線PCM編

16、碼編碼 在13折線編碼中，普遍采用8位二進制碼，對應有M=28=256個量化級，即正、負輸入幅度范圍內各有128個量化級。這需要將13折線中的每個折線段再均勻劃分16個量化級，由于每個段落長度不均勻，因此正或負輸入的8個段落被劃分成816=128個不均勻的量化級。按折疊二進碼的碼型，這8位碼的安排如下：第2章 話音信號的數字化基礎30yx11/21/41/81/161/321/641/128 17/86/85/84/83/82/81/8 1 2345 678C5 C6 C7 C8C2 C3C4C1段內碼段內碼段落碼段落碼幅度碼幅度碼極性碼極性碼碼位安排碼位安排每一量化段均勻分為16等分1024

17、8512725661285644323162161個數段號各各段段包包含含最最小小量量化化級級 的的個個數數正為1負為08個非均勻量化段每段內16個均勻量化級2048116128121 6432116218第2章 話音信號的數字化基礎31例2.1 設輸入信號抽樣值Is=+1270（為一個量化單位， 表示輸入信號歸一化值的1 / 2 0 4 8 ） ， 按 A 律 1 3 折 線 編 成 8 位 碼C1C2C3C4C5C6C7C8。 【解】 編碼過程如下： （1）確定極性碼C1：由于輸入信號抽樣值Is為正，故極性碼C1=1。 （2） 確定段落碼C2C3C4： 第2章 話音信號的數字化基礎32段落

18、碼C2C3C4表示抽樣值Is處于13折線中的第幾個段落。因12701024，落在第8段，所以段落碼C2C3C4=111。第2章 話音信號的數字化基礎33（3） 確定段內碼C5C6C7C8在1024和2048內有16個量化間隔，均勻劃分，起點依次為1024+n64，1024+364=1216 1270 1024+464=1280落在第三個量化間隔內，段內碼為0011?？偟木幋a結果為1,111,0011。對應的量化電平為1024+364+32=1248，量化誤差為 1270-1248=22。第2章 話音信號的數字化基礎344. 4. 解碼和重建解碼和重建在PCM通信的接收端，需要把數字信號恢復為模

19、擬信號，這要經過解碼和重建兩個處理過程。 1) 解碼解碼就是把接收到的PCM代碼轉變成與發(fā)送端一樣的PAM信號，如圖所示。 第2章 話音信號的數字化基礎352) 重建在PAM信號中包含原話音信號的頻譜，因此可將PAM信號通過低通濾波器分離出所需要的話音信號，這一過程即為重建。PCM信號在傳輸中，為了減少由長途線路帶來的噪聲和失真積累，通常在達到一定傳輸距離處設置一個再生中繼器。再生中繼器用來完成輸入信碼的整形、放大等工作，以使信號恢復到良好狀態(tài)。 第2章 話音信號的數字化基礎36753102.224.385.242.91量化電平數Tst2.224.385.242.912453精確抽樣值量化值編

20、碼O010100101011-tt-O單極性傳輸碼雙極性傳輸碼時隙一一路路語語音音信信號號的的數數字字化化過過程程示示意意圖圖 第2章 話音信號的數字化基礎37 問題： 什么是基帶傳輸？ 什么是傳輸碼型？ 傳輸碼型是如何影響數字傳輸系統(tǒng)性能的？ 交換機內部采用什么碼型？中繼線上呢？ HDB3碼的編碼規(guī)則？ 本節(jié)內容： 基帶傳輸的基本問題 碼型的設計標準1.基帶傳輸的常用碼型2.2 傳輸碼型第2章 話音信號的數字化基礎38一、數字信號的基帶傳輸 信號的傳輸方式： (1) 基帶傳輸 (2) 載波傳輸(調制傳輸)第2章 話音信號的數字化基礎39調制信道解調信窗信源載波傳輸信源信道信宿基帶傳輸第2章

21、話音信號的數字化基礎40基帶傳輸的基本問題：基帶傳輸的基本問題：(1) 什么樣的數字信號可傳？什么樣的數字信號可傳？(2) 數字信號的傳輸波形是什么？數字信號的傳輸波形是什么？通常數字信號的設計以碼通常數字信號的設計以碼(數字代碼數字代碼)的形的形式給出式給出，稱為傳輸碼型，稱為傳輸碼型。第2章 話音信號的數字化基礎41二、碼型的設計標準 用戶的角度 公司的角度 技術的角度第2章 話音信號的數字化基礎42碼型的設計標準：碼型的設計標準：1. 用戶的角度來講應滿足用戶的角度來講應滿足 (1) 信號的傳輸質量可以檢測信號的傳輸質量可以檢測 (2) 信息源到數字代碼的變換過程的信息源到數字代碼的變換

22、過程的透明性。透明性。第2章 話音信號的數字化基礎432. 公司設備上要盡量簡單公司設備上要盡量簡單 (1) 編譯碼器要盡量易設計編譯碼器要盡量易設計 (2)能量能量(能源能源) 節(jié)能，傳輸信號的節(jié)能，傳輸信號的碼型的頻譜中不含有直流分量。碼型的頻譜中不含有直流分量。第2章 話音信號的數字化基礎443. 技術上技術上 (1) 易從基帶信號中提取同步信息易從基帶信號中提取同步信息 (2) 傳輸信道的利用率要求提高傳輸信道的利用率要求提高 (信號占用的信道帶寬盡量窄信號占用的信道帶寬盡量窄) (3) 譯碼中應避免出現誤碼擴散譯碼中應避免出現誤碼擴散現象現象 。第2章 話音信號的數字化基礎45碼型選

23、擇原則碼型選擇原則無直流：無直流成分，低頻分量小；易產生：編譯碼設備簡單。有定時：有時鐘成分，便于從基帶信號中提取定時信息；能檢錯：具有內在檢錯能力，增加其抗干擾能力；帶寬?。赫紦膸捫。瑒t傳輸效率高；要透明：不受信息源統(tǒng)計特性的影響，能適應于信息源的變化；第2章 話音信號的數字化基礎46三、三、基帶傳輸的常用碼型：基帶傳輸的常用碼型：1、雙相碼、雙相碼Manchester2、密勒碼、密勒碼Miller3、傳號反轉碼、傳號反轉碼CMI4、傳號交替反轉碼、傳號交替反轉碼AMI5、三階高密度雙極性碼、三階高密度雙極性碼HDB3第2章 話音信號的數字化基礎471 1、雙相碼、雙相碼Manchest

24、erManchester 編碼規(guī)則：0碼用01兩位碼表示，1碼用10兩位碼表示；負方波表示消息代碼0，正方波表示消息代碼1。第2章 話音信號的數字化基礎48雙相碼的特點雙相碼的特點 兩電平碼（雙極性非歸零波形）； 無直流分量； 每碼元中間存在電平跳變，定時提取容易； 編譯碼電路簡單； 帶寬比原來碼元大一倍； 適用于數據終端設備近距離通信，如局域網。第2章 話音信號的數字化基礎49 延遲調制碼，雙相碼的一種變形。 編碼規(guī)則：消息代碼1用碼元中心點出現躍變來表示。 用10或01表示。消息代碼0有兩種情況： 單個0時，在碼元持續(xù)時間內不出現電平躍變，且與相鄰碼元的邊界處也不躍變； 連0時，在兩個0碼

25、的邊界處出現電平躍變，即00與11交替。2 2、密勒碼、密勒碼MillerMiller第2章 話音信號的數字化基礎50密勒碼舉例密勒碼舉例 用雙相碼的下降沿去觸發(fā)雙穩(wěn)電路，即可輸出密勒碼。第2章 話音信號的數字化基礎51密勒碼的特點密勒碼的特點 特點： Miller碼的功率譜能量主要集中在二分之一碼速以下的范圍，直流分量小； Miller碼的頻帶寬度約為雙相碼的一半； Miller碼最大寬度為2個碼元周期，而最小寬度為1個碼元周期，利用這一特點可進行宏觀檢錯。 應用：氣象衛(wèi)星、磁帶紀錄等。第2章 話音信號的數字化基礎523 3、傳號反轉碼、傳號反轉碼CMICMI 編碼規(guī)則：消息代碼消息代碼1

26、1交替用交替用1111和和0000兩位碼表示；兩位碼表示；消息代碼消息代碼0 0固定地用固定地用0101表示。表示。第2章 話音信號的數字化基礎53CMICMI碼的特點碼的特點 特點：編譯碼簡單，無直流；具有豐富的定時信息，便于定時信號提??；10為禁用碼組，且不會出現三個以上的連碼，具有一定的宏觀檢錯能力。 應用：PCM4次群數據傳輸碼型；低于8448Kbps光纖傳輸系統(tǒng)數據碼型。第2章 話音信號的數字化基礎544、傳號交替反轉碼AMI 編碼規(guī)則：消息碼的1(傳號)交替變換為+1和-1的歸零碼；消息碼的0(空號)保持不變，仍為0。 例如：AMI的波形是具有正、負、零三種電平的脈沖序列.第2章

27、話音信號的數字化基礎55AMI碼的特點 優(yōu)點：沒有直流成分，且高、低頻分量少；可以提取位定時分量；編譯碼電路簡單?？衫脗魈枠O性交替觀察誤碼情況； 缺點： 存在一個主要 問題是：連“0”碼出現時， 定時恢復難以實現。第2章 話音信號的數字化基礎565、三階高密度雙極性碼HDB3 編碼規(guī)則：檢查消息碼中0的個數，當連0數目小于等于3時，與AMI碼一樣，+1與-1交替；連0數目超過3時，將每4個連0化作一個破壞節(jié)B00V，其中V稱為破壞脈沖，而B稱為調節(jié)脈沖；V與前一個相鄰的非0脈沖的極性相同，并且相鄰的V碼之間極性必須交替，V的取值為+1或-1；B可選0、+1或-1，以使V滿足上述的兩個要求；V

28、碼后面的傳號碼極性也要交替。 第2章 話音信號的數字化基礎57HDB3編碼舉例HDB3碼二進制碼10000001110000010100001-1000000+1-1+100000-10+10000-1AMI碼第2章 話音信號的數字化基礎58HDB3譯碼譯碼 譯碼規(guī)則：從收到的符號序列中找到破壞點V，恢復4個連0碼；再將所有-1變成+1。二進制碼10000001110000010100001HDB3碼+100-1000-1+1-10+100+1-10+1-1000-1第2章 話音信號的數字化基礎59HDBHDB3 3碼的特點碼的特點 優(yōu)點：無直流成分，且高、低頻分量少；可利用傳號極性交替觀察誤

29、碼情況；連0個數不超過3個，便于提取位定時分量。 缺點：編碼電路較復雜，但譯碼電路簡單。第2章 話音信號的數字化基礎60碼型選擇原則： 能從中獲取定時信息； 避免含有直流分量； 占用的帶寬盡可能的窄； 不受信源統(tǒng)計特性的影響； 盡可能地提高傳輸碼型的傳輸效率； 具有內在的糾錯能力；（幾種碼型的功率譜分析，見下頁）常用碼型：傳號交替反轉碼AMI、三階高密度雙極性碼HDB3；雙相碼Manchester、差分雙相碼、密勒碼Miller、傳號反轉碼CMI.傳輸碼型小結傳輸碼型小結第2章 話音信號的數字化基礎61A0110TB2TBs(t)101t3TB4TB5TB6TBPS(t)0fB2fB3fB4f

30、Bf單極性不歸零碼及功率譜s(t)10110101TB2TB3TB4TB5TB6TBtPS(t)02fBfB3fB4fBf單極性歸零碼及功率譜 AMI碼及功率譜 A0 10TB2TBs(t)0t3TB4TB5TB6TBPS(t)0fB2fB3fB4fBt 1 1 1A第2章 話音信號的數字化基礎62HDB3編碼波形 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碼交換機內采用交換機內采用NRZ碼型碼型傳輸線路采用傳輸線路采用HDB3碼型碼型第2章 話音信號的數字化基礎63753102.224.385.242.91量化電平數T

31、st2.224.385.242.912453精確抽樣值量化值編碼O010100101011-tt-O單極性傳輸碼雙極性傳輸碼時隙一一路路語語音音信信號號的的數數字字化化過過程程示示意意圖圖 第2章 話音信號的數字化基礎64多路語音信號的復用示意圖多路語音信號的復用示意圖PCMPCM復用信號的基本數據單元復用信號的基本數據單元幀幀第2章 話音信號的數字化基礎65 問題： 什么是多路復用？多路復用的目的是什么？常用的復用技術有哪些？各種復用技術的效率如何？ 時分復用技術如何在接收端實現解復用？ 數字話音信號采用什么復用方式？ 話音信號的30/32路PCM幀結構如何？ 30/32路PCM一次群的復用

32、速率是多少？二、三、四次群呢？ 本節(jié)內容：2.3.1 多路復用技術簡介2.3.2 PCM信號的時分復用2.3.3 PCM幀結構2.3 多路復用技術第2章 話音信號的數字化基礎661. 什么是多路復用？多路復用的目的是什么？常用的復用技術有哪些？各種復用技術的效率如何？2.3.1 多路復用技術簡介 多路復用：將來自不同信息源的各路信息，：將來自不同信息源的各路信息，按某種方式合并成一個多路信號，然后通過成一個多路信號，然后通過同一個信道傳傳送給接收端。接收端再從該多路信號中送給接收端。接收端再從該多路信號中按相應方式分離出各路信號，分送給不同的用戶或終端。出各路信號，分送給不同的用戶或終端。 簡

33、而言之，多路復用是利用一條信道同時傳輸多路簡而言之，多路復用是利用一條信道同時傳輸多路信號的一種技術，可以解決在同一信道內同時傳送信號的一種技術，可以解決在同一信道內同時傳送多多路路信號的問題信號的問題. .第2章 話音信號的數字化基礎67 多路復用的好處：通過復用，可以把多路低速多路復用的好處：通過復用，可以把多路低速信號合并為一路高速信號進行傳輸，提高信道信號合并為一路高速信號進行傳輸，提高信道利用率。利用率。 多路復用的技術特點：為了在接收端將不同路多路復用的技術特點：為了在接收端將不同路的信號區(qū)分開來，必須使不同路的信號具有不的信號區(qū)分開來，必須使不同路的信號具有不同的特征。同的特征。

34、 常見的多路復用方式有常見的多路復用方式有 時分復用時分復用TDMTDM 頻分復用頻分復用FDMFDM 空分復用空分復用SDMSDM 碼分復用碼分復用CDMCDM 波分復用波分復用WDMWDM第2章 話音信號的數字化基礎68時分制是將信道的傳輸時間劃分成若干個時隙，每個被傳輸的信號獨立占用其中的一個時隙，各路信號輪流在自己的時隙內完成傳輸，如圖所示的信道1、信道2、信道n。時分復用時分復用(TDM)第2章 話音信號的數字化基礎69TDM復用原理復用原理第2章 話音信號的數字化基礎70TDM同步原理同步原理 TDM對信道中時鐘相位抖動及接收端與發(fā)送端的時鐘同步同步問題則提出了較高要求。 同步同步

35、是指接收端能正確地從數據流中識別各路序號。為此，必須在每幀內加上標志信號（稱為幀同步信號）。第2章 話音信號的數字化基礎71頻分復用(FDM)是指把傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻段，如圖所示的信道1、信道2、信道n。每個子頻段可作為一個獨立的傳輸信道使用，每對用戶所占用的僅僅是其中的一個子頻段。 頻分復用頻分復用(FDM)第2章 話音信號的數字化基礎72 應用應用FDM的前提條件是傳輸介質的總帶的前提條件是傳輸介質的總帶寬要大于子帶信道帶寬之和。寬要大于子帶信道帶寬之和。第2章 話音信號的數字化基礎73FDM復用復用頻域頻域第2章 話音信號的數字化基礎74FDM解復用解復用頻域頻域第2章 話

36、音信號的數字化基礎75頻分復用應用舉例頻分復用應用舉例 傳統(tǒng)的頻分復用典型的應用傳統(tǒng)的頻分復用典型的應用是是廣電廣電HFC網絡電視信號的傳輸，不管是模網絡電視信號的傳輸，不管是模擬電視信號還是數字電視信號都是如擬電視信號還是數字電視信號都是如此，因為對于數字電視信號而言，盡此，因為對于數字電視信號而言，盡管在每一個頻道（管在每一個頻道（8 MHz）以內是時）以內是時分復用傳輸的，但各個頻道之間仍然分復用傳輸的，但各個頻道之間仍然是以頻分復用的方式傳輸的。是以頻分復用的方式傳輸的。 第2章 話音信號的數字化基礎76由此可見，頻分制是按頻率劃分信道的，而時分制是按時間劃分信道的；頻分制同一時間傳送

37、多路信息，而時分制同一時間只傳送1路信息；從時間上講，頻分制的多路信息是并行傳輸的，而時分制的多路信息是串行傳輸的。程控數字交換機采用的多路復用技術為時分復用程控數字交換機采用的多路復用技術為時分復用(TDM)。 第2章 話音信號的數字化基礎77空分復用空分復用SDMSDM第2章 話音信號的數字化基礎78移動通信中的空分復用移動通信中的空分復用MIMOMIMO MIMOMIMO是指信號系統(tǒng)發(fā)射端和接收端，分別使用了多個是指信號系統(tǒng)發(fā)射端和接收端，分別使用了多個發(fā)射天線和接收天線，因而該技術被稱為多發(fā)送天線發(fā)射天線和接收天線，因而該技術被稱為多發(fā)送天線和多接收天線（簡稱多入多出）技術。和多接收天

38、線（簡稱多入多出）技術。MIMOMIMO的空時解的空時解碼系統(tǒng)利用數學算法拆開和恢復糾纏在一起的傳輸信碼系統(tǒng)利用數學算法拆開和恢復糾纏在一起的傳輸信號并將它們正確地識別出來。號并將它們正確地識別出來?？湛諘r時編編碼碼信信宿宿發(fā)射天線發(fā)射天線空空時時編編碼碼接收天線接收天線信信源源S SI I(K)(K)第2章 話音信號的數字化基礎79波分復用波分復用WDMWDM第2章 話音信號的數字化基礎80波分復用波分復用WDMWDM第2章 話音信號的數字化基礎81碼分復用碼分復用CDM 碼分復用碼分復用CDM 是另一種共享信道的方法。是另一種共享信道的方法。 Code Division Multiplex

39、ing 人們更常用的名詞是碼分多址人們更常用的名詞是碼分多址CDMA (Code Division Multiple Access) 每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。 由于由于各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，各碼型之各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，各碼型之間相互正交，因此雖然所有用戶同時占用一段頻譜，間相互正交，因此雖然所有用戶同時占用一段頻譜，但是不會互相干擾但是不會互相干擾。 碼分復用最初是用于軍事通信，因為這種系統(tǒng)發(fā)送的碼分復用最初是用于軍事通信，因為這種系統(tǒng)發(fā)送的信號信號有很強的抗干擾能力有很強的抗干擾能力，其頻譜

40、類似于白噪聲，不其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現易被敵人發(fā)現。第2章 話音信號的數字化基礎82多路復用技術小結多路復用技術小結 多路復用技術的基本概念多路復用技術的基本概念 FDM，同時（，同時（t） ，不同，不同頻（頻（f） TDM，同，同頻（頻（f），），不同不同時時（t） CDM，同時（，同時（t） ，又同，又同頻（頻（f） 假設假設8人（分成人（分成4組）在同一房間中說話組）在同一房間中說話 FDM：4組人在同一房間的不同角落用同樣的語言相互交談。組人在同一房間的不同角落用同樣的語言相互交談。 TDM：將一段時間分成：將一段時間分成4個時間片，個時間片，4組輪流交談。組輪流交談。 C

41、DM：4組同時分別用不同語言來交談。組同時分別用不同語言來交談。請問：復用技術的理論基礎是什么？請問：復用技術的理論基礎是什么？ 數字信號處理技術數字信號處理技術 將信號變換到不同域進行處理將信號變換到不同域進行處理 基本思路是利用信號的正交性基本思路是利用信號的正交性第2章 話音信號的數字化基礎832.2.3 3.2 PCM.2 PCM信號的時分復用信號的時分復用為了提高信道的利用率，常對基帶為了提高信道的利用率，常對基帶PCMPCM信號進行時分復信號進行時分復用，如用，如下下圖所示。圖所示。第2章 話音信號的數字化基礎84圖2-12 PCM信號的時分復用(a) 原始模擬語言信號；(b) 抽

42、樣后形成的PAM信號；(c) 基帶PCM編碼信號；(d) 多路基帶PCM信號調制后形成的TDM PCM信號；(e) 第2路基帶PCM信號 比較圖中(b)(e)可以發(fā)現，在125 s抽樣周期內，PAM信號每傳送一個抽樣值，對應基帶PCM傳送8 bit，而TDM PCM則可傳輸（n 8） bit因此，TDM PCM信號的碼元速率為 R1 = n 64 (kb/s) 第2章 話音信號的數字化基礎85PCMPCM時分多路復用是利用一個高速開關電路時分多路復用是利用一個高速開關電路(抽樣器抽樣器)來實現的。高速開關電路使各路信號在時間上按一定順序來實現的。高速開關電路使各路信號在時間上按一定順序輪流接通

43、，以保證任一瞬間最多只有一路信號接在公共信輪流接通，以保證任一瞬間最多只有一路信號接在公共信道上。具體地說，就是利用時鐘脈沖把信道按時間分成均道上。具體地說，就是利用時鐘脈沖把信道按時間分成均勻的間隔，每一路信號的傳輸被分配在不同的時間間隔內勻的間隔，每一路信號的傳輸被分配在不同的時間間隔內進行，以達到互相分開的目的，如圖所示。進行，以達到互相分開的目的，如圖所示。 第2章 話音信號的數字化基礎86就就PCMPCM時分制而言，就是把抽樣周期時分制而言，就是把抽樣周期125125s s分割成多個分割成多個時間小段，以供各個話路占用。若有時間小段，以供各個話路占用。若有n n條話路，則每路占用條話

44、路，則每路占用的時間小段為的時間小段為125/n125/n。顯然，路數越多，時間小段將越小。顯然，路數越多，時間小段將越小。每路信號經每路信號經PCM調制后，都是以調制后，都是以8 bit抽樣值為一個信號抽樣值為一個信號單元傳送的，因此，每個單元傳送的，因此，每個8 bit所占據的時間稱為所占據的時間稱為1個個“時時隙隙”(TS，Time Slot)，n個時隙就構成了一個個時隙就構成了一個幀幀。因此，一。因此，一路基帶路基帶PCM在在TDM PCM中周期地每幀占有中周期地每幀占有1個時隙，幀與個時隙，幀與時隙的關系如圖所示。時隙的關系如圖所示。 第2章 話音信號的數字化基礎872.2.3 3.

45、3 PCM.3 PCM幀結構幀結構目前國際上有兩種目前國際上有兩種PCM體制：一種是由貝爾體制：一種是由貝爾(BELL)公司提出，主要在北美各國和日本采用的公司提出，主要在北美各國和日本采用的24路路PCM(n = 24)；另一種是歐洲郵電管理協(xié)會另一種是歐洲郵電管理協(xié)會(CEPT)提出，主要在歐洲各國提出，主要在歐洲各國和中國等國家采用的和中國等國家采用的30/32路路PCM(n = 32)。這兩種體制均。這兩種體制均已被已被CCITT采納為正式標準。兩種采納為正式標準。兩種PCM體制的比較如表體制的比較如表2.1所示。所示。 第2章 話音信號的數字化基礎88表表2.1 BELL 24路、路

46、、CEPT 30/32路路PCM體制的比較體制的比較 項 目 CEPT 30/32 路 BELL 24 路 抽樣速率/Hz 8000 8000 比特數/抽樣 8 8 時隙/幀 32 24 PCM 話路/幀 30 24 輸出比特速率/(kb/s) 2048 1544 第2章 話音信號的數字化基礎891. 30/321. 30/32路一次群幀結構路一次群幀結構30/3230/32路一次群幀結構如圖路一次群幀結構如圖2 2.9.9所示。所示。在圖在圖2 2.9.9所示的所示的30/3230/32路一次群幀結構中，路一次群幀結構中，1 1幀由幀由3232個時個時隙組成，編號為隙組成，編號為TSTS0

47、0TSTS3131。第。第1 11515話路的消息碼組依次在話路的消息碼組依次在TSTS1 1TSTS1515中傳送，而第中傳送，而第16163030話路的消息依次在話路的消息依次在TSTS1717TSTS3131傳送。傳送。1616個幀構成個幀構成1 1復幀，由復幀，由F F0 0F F1515組成。組成。TS0用來做用來做“幀同步幀同步”工作，而工作，而TS16則用來做則用來做“復幀同復幀同步步”工作或傳送各話路的標志信號碼工作或傳送各話路的標志信號碼(信令碼信令碼)。 第2章 話音信號的數字化基礎90“幀同步幀同步”和和“復幀同步復幀同步”的工作意義是控制收、發(fā)的工作意義是控制收、發(fā)兩端

48、數字設備同步地工作。對于偶數幀兩端數字設備同步地工作。對于偶數幀(F0，F2，F4，)，TS0被固定地設置為被固定地設置為10011011，第，第1位碼沒有利用，暫定為位碼沒有利用，暫定為“1”，后，后7位碼位碼“0011011”為幀同步字。幀同步字在偶為幀同步字。幀同步字在偶數幀到來時，由發(fā)送端數字設備向接收端數字設備傳送。數幀到來時，由發(fā)送端數字設備向接收端數字設備傳送。 第2章 話音信號的數字化基礎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路時隙，路時隙，256 bit , 125微秒微秒16幀，幀，2.0ms00 00 1A21 1 1 1A111 1 1 1 1 1 1a bd a bcdcF1CH1CH16a bd a bcdcF2CH2CH17a bd a bcdcF15CH15CH30幀同步時幀同步時隙隙話路話路時隙時隙(CH1-CH15)信令時隙信令時隙話路話路時隙時隙(CH16-CH29)CH30幀同步信號幀同步信號復幀同復幀同步信號步信號備用備用比特比特3.91s保留給保留給國內通國內通信用信用復復幀幀結構結構幀幀

50、結構結構偶幀偶幀TS0奇幀奇幀TS0PCM基群幀結構基群幀結構第2章 話音信號的數字化基礎92對于奇數幀對于奇數幀(F1，F3，F5，)，TS0的第的第3位碼為幀失步位碼為幀失步告警碼。在消息傳送過程中，當接收端的幀同步檢測電路告警碼。在消息傳送過程中，當接收端的幀同步檢測電路在預定時刻檢測到輸入序列中與同步字在預定時刻檢測到輸入序列中與同步字(0011011)相匹配的相匹配的信號段時，便認為捕捉到了幀同步字，說明接收信號正常，信號段時，便認為捕捉到了幀同步字，說明接收信號正常，此時由奇數幀此時由奇數幀TS0向發(fā)送端數字設備傳送的第向發(fā)送端數字設備傳送的第3位碼為位碼為“0”；如果接收端幀同步

51、檢測電路不能在預定時刻收到同步字如果接收端幀同步檢測電路不能在預定時刻收到同步字(0011011)，就認為系統(tǒng)失步，由奇數幀，就認為系統(tǒng)失步，由奇數幀TS0向發(fā)送端數字向發(fā)送端數字設備傳送的第設備傳送的第3位碼為位碼為“1”。通知對端局，本端接收信號。通知對端局，本端接收信號已失步，需處理故障。已失步，需處理故障。 第2章 話音信號的數字化基礎93為可靠起見，實際工作中，接收端的幀同步檢測電路為可靠起見，實際工作中，接收端的幀同步檢測電路需連續(xù)多次在所期望的時刻需連續(xù)多次在所期望的時刻( (即每即每250250s)s)收到同步字，才收到同步字，才可確認系統(tǒng)進入了同步狀態(tài)。這樣做的目的是避免把消

52、息可確認系統(tǒng)進入了同步狀態(tài)。這樣做的目的是避免把消息中與同步字相同的序列段誤認為同步字。中與同步字相同的序列段誤認為同步字。 奇數幀奇數幀TS0的第的第1位碼同樣沒有利用，暫定為位碼同樣沒有利用，暫定為“1”。第。第2位碼為監(jiān)視碼，固定為位碼為監(jiān)視碼，固定為“1”，用于區(qū)分奇數幀和偶數幀，用于區(qū)分奇數幀和偶數幀，以便接收端把偶數幀與奇數幀區(qū)別開來以便接收端把偶數幀與奇數幀區(qū)別開來(偶數幀偶數幀TS0的第的第2位位碼固定為碼固定為“0”)。奇數幀。奇數幀TS0的第的第48位碼用來傳送其他信位碼用來傳送其他信息，在未利用的情況下，暫定為息，在未利用的情況下，暫定為“1”。 第2章 話音信號的數字化

53、基礎94在在F F0 0的的TSTS1616的的8 8位碼中，前位碼中，前4 4位碼為復幀同步碼，編碼為位碼為復幀同步碼，編碼為“0000”0000”。第。第6 6位碼為復幀失步告警碼，與幀失步告警碼一位碼為復幀失步告警碼，與幀失步告警碼一樣，復幀同步工作時這一位碼為樣，復幀同步工作時這一位碼為“0”0”，失步時為，失步時為“1”1”。F1F15的的TS16用以傳送第用以傳送第130話路的標志信號。由話路的標志信號。由于標志信號的頻率成分遠沒有話音的頻率成分豐富，用于標志信號的頻率成分遠沒有話音的頻率成分豐富，用4位位碼傳送一個話路的標志信號就足夠了，因此，每個碼傳送一個話路的標志信號就足夠了

54、，因此，每個TS16又又分為前分為前4 bit和后和后4 bit兩部分，前兩部分，前4 bit用來傳送一個話路的用來傳送一個話路的標志信號，后標志信號，后4 bit用來傳送另一話路的標志信號。具體規(guī)用來傳送另一話路的標志信號。具體規(guī)定是在定是在1復幀中：復幀中： 第2章 話音信號的數字化基礎95F F1 1中中TSTS1616的前的前4 bit4 bit用來傳送第用來傳送第1 1話路的標志信號；話路的標志信號；F F2 2中中TSTS1616的前的前4 bit4 bit用來傳送第用來傳送第2 2話路的標志信號；話路的標志信號；F F3 3中中TSTS1616的前的前4 bit4 bit用來傳送

55、第用來傳送第3 3話路的標志信號；話路的標志信號；F F1515中中TSTS1616的前的前4 bit4 bit用來傳送第用來傳送第1515話路的標志信號。話路的標志信號。F F1 1中中TSTS1616的后的后4 bit4 bit用來傳送第用來傳送第1616話路的標志信號；話路的標志信號；F F2 2中中TSTS1616的后的后4 bit4 bit用來傳送第用來傳送第1717話路的標志信號；話路的標志信號；F3中中TS16的后的后4 bit用來傳送第用來傳送第18話路的標志信號；話路的標志信號；F F1515中中TSTS1616的后的后4 bit4 bit用來傳送第用來傳送第3030話路的標

56、志信號。話路的標志信號。 第2章 話音信號的數字化基礎96 例如，某用戶摘機后占用第例如，某用戶摘機后占用第7 7條話路，那么，為其傳送條話路，那么，為其傳送話音信號的時隙是話音信號的時隙是TSTS7 7，而為其傳送控制信號的時隙則應是，而為其傳送控制信號的時隙則應是F F7 7中中TSTS1616的前的前4 bit4 bit。 通過對通過對30/32路一次群幀結構的認識，我們不難理解，路一次群幀結構的認識，我們不難理解，一路基帶一路基帶PCM信號一旦占用了一次群中的某個時隙，它隨信號一旦占用了一次群中的某個時隙，它隨后所有的后所有的8位編碼抽樣都將位于該時隙。因此，對于位編碼抽樣都將位于該時

57、隙。因此，對于64 kb/s的基帶的基帶PCM源而言，一次群系統(tǒng)等價于提供了源而言，一次群系統(tǒng)等價于提供了32條獨立的條獨立的64 kb/s信道，故信道，故30/32路一次群的位速率為路一次群的位速率為 B = 32 64 000 = 2048 kb/s 第2章 話音信號的數字化基礎972. 2. 數字復用數字復用PCMPCM高次群高次群目前目前PCMPCM通信技術發(fā)展很快，應用很廣泛，上述通信技術發(fā)展很快，應用很廣泛，上述PCMPCM一次一次群的容量和速率已遠遠不能滿足通信要求。為了擴大信號傳群的容量和速率已遠遠不能滿足通信要求。為了擴大信號傳輸的速率和交換容量，提高信道利用率，引入了數字復

58、用高輸的速率和交換容量，提高信道利用率，引入了數字復用高次群的概念。次群的概念。高次群由若干個低次群通過數字復接設備復用而成，如高次群由若干個低次群通過數字復接設備復用而成，如圖圖2.10所示。所示。 第2章 話音信號的數字化基礎98由圖2.10可知，PCM系統(tǒng)的二次群由4個一次群復用而成，速率為8.448 Mb/s，話路數為4 30 = 120話路；三次群由4個二次群復用而成，速率為34.386 Mb/s，話路數為4120=480話路；四次群由4個三次群復用而成，速率為139.264 Mb/s，話路數為4 480 = 1920話路；五次群則由4個四次群復用而成，速率為564.992 Mb/s

59、，話路數為4 1920 = 7680話路。數字復用時，由于要加入同步調整比特，因此高次群的傳輸碼率并不是低次群的四倍，而是要比它的四倍高一些，如二次群復用加入正碼速調整比特后，速率應為4 2112(標稱值) = 8448 kb/s。交換機接續(xù)常以一次群信號為單位。如果交換機接收到的是其他群次的信號，則必須通過接口電路將它們多路復接(或分接)成一次群，然后進行交換。 第2章 話音信號的數字化基礎99PCM高次群的形成 第2章 話音信號的數字化基礎1002.3.4 PCM終端設備簡介終端設備簡介 圖2-17 PCM多路系統(tǒng)終端設備的功能圖 第2章 話音信號的數字化基礎101擴展知識：多址技術多址技

60、術是指多個用戶終端的射頻信號在射頻是指多個用戶終端的射頻信號在射頻信道上的復用，以實現各個用戶終端之間的通信道上的復用，以實現各個用戶終端之間的通信。信。 多址技術的目的是多個用戶共享信道、動態(tài)分多址技術的目的是多個用戶共享信道、動態(tài)分配網絡資源。配網絡資源。常見的多址技術有頻分多址常見的多址技術有頻分多址(FDMA)(FDMA)，時分多址，時分多址(TDMA)(TDMA)，碼分多址，碼分多址(CDMA)(CDMA)，空分多址，空分多址(SDMA)(SDMA)。第2章 話音信號的數字化基礎102 多路復用和多址技術的相同點：多路復用和多址技術的相同點：都是為了共享通信資源。都是為了共享通信資源