脈沖編碼調(diào)制的基本原理教學大綱

批準人：年月日第一講脈沖編碼調(diào)制基本原理教學提要課目專業(yè)基礎目的了解脈沖編碼調(diào)制的基本原理。內(nèi)容1、數(shù)的進制2．語音信號的數(shù)字化3．時分多路復用和PCM30/32系統(tǒng)方法課堂講解，電化教學。時間45分鐘要求1．遵守課堂紀律，專心聽講，做好筆記；2．勤于思考，積極發(fā)言，課后做好復習。器材保障教材、資料教學進程教學準備（5分鐘）1．清點人數(shù)，準備教學用具；宣布作業(yè)提要。教學實施（37分鐘）一、數(shù)的進制(一)二進制數(shù)(二)八進制數(shù)(三)十六進制數(shù)一、語音信號的數(shù)字化大家都知道，語音信號是模擬信號，而數(shù)字程控交換機內(nèi)部交換的卻是數(shù)字信號，那么如何使模擬的語音信號數(shù)字化，可采用脈沖編碼調(diào)制的方法，即PCM。我們知道，模擬信號數(shù)字化稱為模/數(shù)（A/D）變換，而把數(shù)字信號還原成模擬信號稱為數(shù)/模（D/A）變換，綜合A/D和D/A的一般步驟，圖1-3給出了PCM通信的簡單模型。抽樣抽樣量化編碼再生解碼低通語音信號語音信號發(fā)送端接收端A/D變換信道圖1-3PCM通信的簡單模型（一）抽樣語音信號在時間上是連續(xù)的，經(jīng)過抽樣后變成時間上離散的信號。簡單的說，抽樣就是將模擬信號在時間上離散的過程。抽樣上每隔一定的時間間隔T，在抽樣器上接入一個抽樣脈沖，通過抽樣的脈沖去控制抽樣器的開關(guān)電路，取出話音信號的瞬間電壓值，即樣值。如圖1-4所示，抽樣后的信號稱為抽樣信號，顯然，它可以看作按幅度調(diào)制的脈沖信號，即PAM信號，其幅度的取值仍是連續(xù)的，不能用有限個數(shù)字來表示，因此抽樣值仍是模擬信號。f(t)f(t)模擬信號000ttt抽樣脈沖抽樣信號１Ｔ２Ｔ３Ｔ４Ｔ５Ｔ６Ｔ取樣值１Ｔ２Ｔ３Ｔ４ＴD/A變換５Ｔ圖1-4語音信號的抽樣語音信號抽樣后信號所占用的時間被壓縮了，這是時分復用技術(shù)的必要條件。關(guān)于這一點將在本節(jié)課第三個內(nèi)容講解，但是，用抽樣信號代替原信號必須要滿足抽樣定理，否則樣值不能夠完全表征原信號。抽樣定理：對于一個具有有限帶寬的模擬信號f(t)，其最高頻率分量為fm,則當抽樣頻率fs≥2fm時，樣值可以完全表征原信號。我們的語音信號頻率在300-3400HZ之間，根據(jù)抽樣定理，抽樣頻率fs=2x3400=6800HZ，為了留一定的防衛(wèi)帶，ITU規(guī)定的抽樣頻率為：fs=8000HZ，抽樣周期為T=1/8000=125μs。（二）量化抽樣后的信號，其幅度的取值仍是無限多個，是連續(xù)的，在幅度上離散化抽樣信號，就是量化。簡單的說，量化就是將抽樣信號在幅度上離散化的過程。量化可以采用“四舍五入”的方法，使每個抽樣后的幅度值用一個鄰近的“整數(shù)”值來近似，圖1-5a就是這種量化方法的示意圖，圖中把信號歸納為0-7級，并規(guī)定，小于0.5的為0級；0.5-1.5之間為1級；依次類推，這樣經(jīng)過量化，連續(xù)的樣值被歸到了0-7級中的某一級，圖1-5b就是量化后的值，這里的每一級稱為量化級。001234567123456幅值t圖1-5a抽樣001234567123456幅值t354234圖1-5b量化需要注意的是，把無限多個幅度值量化成有限的量化級，必然會產(chǎn)生誤差，即量化誤差。小信號的量化誤差相對較大，為提高小信號量化后的信噪比，可以增加量化級數(shù)或采用不均勻量化分組，第一種方法要求更多的編碼位數(shù)及更高的碼速，也就對編碼器要求更高；第二種方法是講小信號的量化級分得更細些，將大信號的量化級分得粗略些，這種做法叫做“壓縮擴張法”，簡稱“壓擴法”。ITU建議的壓擴法特性叫做A律或μ律。A律用于歐洲和中國，30/32路PCM系統(tǒng)中采用A律；μ律用于北美和日本，24路PCM系統(tǒng)中采用μ律。（三）編碼簡單的說，編碼就是將量化后的幅度值用一定的代碼來表示。由于編碼后的數(shù)字信號攜帶著原始語音（模擬）信號信息，因此就如同將模擬信號“調(diào)制”到了代碼上，而代碼是由信號抽樣得到的脈沖序列再量化編碼后得到的，這就構(gòu)成了脈沖編碼調(diào)制通信，即我們通常所說的PCM通信。（四）再生、解碼、低通在PCM通信的接收端，需要將PCM信號還原成語音（模擬）信號，這需要再生、解碼、低通（或重建）幾個過程，再生就是將PCM信號進行放大，解碼就是把PCM信號轉(zhuǎn)換為與發(fā)送端相同的PAM信號，在PAM信號中包含原語音信號的頻譜，因此可以采用把PAM信號通過低通濾波器分離出所需要的語音信號，這一過程即為重建。二、時分多路復用和PCM30/32系統(tǒng)在通信網(wǎng)的建設中，線路設備的投資占較大比重，因此，如何提高線路利用率，在較少的硬件資源上傳輸更多的信號，實現(xiàn)多路復用，可采取頻分和時分兩種方法?，F(xiàn)有的有線電視信號傳送，就采用頻分的方法，即把多種頻段的信號混合在一起傳送，由接收機選頻來分離信號。時分多路復用就是利用各路信號在信道上占有不同時間間隙（即時隙）而把各路信號分開。具體來說就是，就是把時間分成均勻的時間間隔，將每一路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隔內(nèi)，以達到互相分開的目的，每路所占用的時間間隙稱為時隙（TS）。PCM通信是典型的時分多路通信系統(tǒng)，如圖1-6所示。PCMPCM編碼PCM譯碼同步控制信道1路2路3路1路2路3路如圖1-6由上圖可見，每一路信道在指定的時間內(nèi)接通，其它時間內(nèi)為別的信道接通，為了使發(fā)端與收端各路信道能夠協(xié)調(diào)一致的工作，在發(fā)送端需要傳送一個同步信號，利用同步控制信號來確保發(fā)端和收端協(xié)調(diào)工作。下面我們介紹PCM系統(tǒng)中時隙和幀的概念。前面已經(jīng)講過，對于語音信號傳送，抽樣頻率為8000HZ，即每125μs抽樣一次，每次抽樣后經(jīng)過量化和編碼成為8比特的碼串，傳送一路的8比特對應的時間長度就是一個時隙（TS）,在PCM32系統(tǒng)中，32條信息復用一條物理電路，因此，在125μs內(nèi)各路信號傳送一次，即32個時隙的碼串依次傳送一遍，就合成了一“幀”。并且，在采用隨路信令時，為了傳送各話路的標志信號，還引入了復幀的概念，將連續(xù)的16幀稱為一個復幀。ITU建議的PCM基本結(jié)構(gòu)包括32路系統(tǒng)和24路系統(tǒng)，我國和歐洲采用的是PCM32系統(tǒng)，關(guān)于這一點我們在前面已經(jīng)講過，因為通信中，由30個時隙作為話路使用，因此也稱為PCM30/32系統(tǒng)，其幀結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。TS31TS0同步時隙TS31TS0同步時隙F0F1F3F2F5F4F7F6F9F8F11F10F13F12F14F151復幀=16幀(2ms)TS0TS1TS16TS171幀=32時隙=256比特(125μs)TS15TS1-TS15話路時隙TS17-TS31話路時隙TS16標志信號時隙圖1-7PCM30/32系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)圖由上圖可見，每一幀對應的時間長度為125μs，每個時隙的大小是125μs/32=3.9μs，每一復幀的時間長度為16x125μs=2ms。32個時隙是這樣分配的，TS1-TS15、TS17-TS31為話路時隙，TS0用來傳送幀定位信號，保持發(fā)端與收端的同步工作。在局間采用隨路信令時，TS16用來傳送復幀同步碼和各話路的標志信號，當局間采用NO.7信令時，TS16可以作為信令鏈路使用，也可以作為話路使用。這里的隨路信令和NO.7信令我們將在以后的課程中陸續(xù)講到，這里不作詳細講解。注意！我們這里只講到了PCM一次群，因為數(shù)字程控交換只涉及到一次群，PCM高次群在這里不作講解?？偨Y(jié)同志們，我們利用三個課時對脈沖編碼調(diào)制的基本原理進行了學習，我們主要講了三個方面的內(nèi)容，模擬信號和數(shù)字信號，語音信號的數(shù)字化，時分多路復用和PCM30/32系統(tǒng)，其