第2章 话音信号的数字化基础 2.1 多路复用的概念 2.2 PCM的基本原理 2.3 PCM的基本概念及其帧结构 2.4 PCM高次群 思考题 2.1 多路复用的概念 n信号： n模拟信号：是数值上连续变化的信号。例如话音信号， 图象信号等。 n数字信号：是离散的信号 n多路复用 n将多个信号源发出的信号组合，并由一个信道传输，传 输中各信号之间彼此独立 n多路复用的基础是分割原理，信号分割的依据是信号差 异 n复用的目的是为了节省介质，提高线路利用率 n根据不同的参量，多路复用的类型有 n频分复用FDM:各路信号频率分开，时间重叠 n时分复用TDM:各路信号时间分开，频率重叠 n码分复用CDM:各路信号时间、频率重叠，特征码不同 FDM（） TDM 传输介质 第1路 第2路 第n路 第1路 第2路 第n路 发送接收 时分复用TDM（通常指同步时分复用） n把传输信道按时间分割成若干时隙，以传送若干路信号 。 n发送方，在抽样脉冲的控制下，时隙1时将第1路信号打 入信道，时隙2是将第2路信号打入信道， 依此类推 n接收方，在发送方同步信号的作用下，在时隙1时接收 第1路信号，时隙2时接收第2路信号. 时分复用原理 nTDM按帧结构（固定时长，时隙个数固定）传送 n每个用户分配固定时隙（在帧结构中占固定位置） n每个用户只能在自己的时隙内发送数据 n当某用户无数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于 空闲状态，不能作为他用 n可能造成线路资源的浪费 aa b c d b c a bb ccad 用户 A B C D t t t t #1#2#3#4 四个时分复用帧 时分复用 t n时间分割多路复用原理： TDM 在TDM系统中，各信号在时域上是分开的，而在频域上是 混叠在一起的。时分复用方式将提供给整个信道传输信息的时 间划分成若干时间片（简称时隙），并将这些时隙分配给每一 个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据 传输。 优点: 时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输； 缺点: 是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出 现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会 降低线路的利用率，但这一问题可以采用统计时分复用的方法 解决。 统计时分复用原理 nSTDM：Statistic TDM，统计时分复用，又叫异步时分复用 n每个用户不分配固定时隙，按需动态分配时隙 nSTDM按帧结构进行传送，且帧长度固定（不同系统帧长可能 不同） n组帧按收到数据的先后顺序进行 n一个用户可以连续占用多个时隙 n能显著提高信道的利用率 abbccad aa b c d b c 用户 A B C D t t t t #1#2#3 3个STDM帧 统计时分复用 t 2.2 PCM基本原理 PCM：Pulse Code Modulation 脉冲编码调制 PCM是一种将模拟信号变换成数字信号的编码方式 PCM发送端包括：抽样、量化和编码 PCM 接收端包括：解码、量化样值解调 模拟 信源 低通 滤波器 量化 器 抽样 器 编码 器 解码 器 低通 滤波器 模拟 信宿 发送端 接收端 PCM基本原理 抽样 量化 1 2 3 45 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 编码 1 011 2 010 001 000 3 4 5 000 6 7 8 001 010 011 9 100 10 101 110 111 11 12 13 111 14 15 16 110 101 100 将时间离散、 幅度连续的抽样信 号转换成时间离散 、幅度离散的数字 信号。 将时间连续的模拟信 号转换成时间离散、幅度 连续的抽样信号。 带限信号连续抽样， 要求抽样频率不小于所传 信号的最高频率的2倍。 量化后的信号通 过编码器变成一 组码元 量化级：对应一个幅度等级 如：将08V范围的模拟量分为8级，每级1V。即 01V为0级，12V为第1级用这8级的量去量化 输入信号。 均匀分级量化方法:舍去型、补足型、四舍五入型 量化前的值/V 量化后输出值/V 舍去型补足型四舍五入型 6.6V 6.1V 0.1V 6 6 0 7 7 1 7 6 0 n均匀分级量化 量化误差：量化前、后信号幅度之间的差别 量化误差产生的后果：量化噪声 均匀量化：绝对误差相等、量化噪声均匀，小信号 的信噪比小。 信噪比：衡量通信质量的重要指标，一般要求大于 26dB。 减少小信号时的量化噪声 解决方法： 将量化级分细，减少量化误差从而减少量化噪声。 量化级数多，要求有更多位编码及更高的码速， 要求更高的编码器。 信噪比=10 信号/噪声（单位：dB） l 采用不均匀量化，（压扩法）-小信号的量化级 分细些，大信号量化级分粗些。使在保持原来的 量化级数下将信噪比做得高于26DB。两种压扩律： u律和A律 A律：通用于欧洲，为30/32路PCM采用，E1线路 2.048Mb/s u律：通用于北美和日本，为24路PCM采用，T1线路 1.544Mb/s 我国采用A律 如果定义最小段 长度为，则最 大电平幅值为： 2048 中国、欧洲采用A律13折线PCM量化 信号幅值不均匀地分为八个大段， 每个大段都平均地分为16个小段，故一共分为8*16=128段 ，在信号幅值的负半周量化方法相同，故共有128*2=256个 量化级 日本、北美采用律15折线PCM量化 n编码 就是把量化后抽样点的幅值分别用代码来表示。 编码器输出的码型有： n单极性不归零码（NRZ）：信号“1”有脉冲，“0”无脉冲。占空比 100%。 n单极性归零码（RZ）：占空比50%。 n双极性归零码（AMI）：信号“0”由空号传送， “1”由“+1”“-1”交替 传送。 n三阶高密度双极性码（HDB3）： 连零数限制在三个以下。 11000111 编码规则： 正电压：“ 1 ” 零电压：“ 0 ” 占空比：100% 单极性归零码单极性归零码 编码规则： 正电压：“ 1 ” 零电压：“ 0 ” 占空比：50% 11000111 单极性不归零码单极性不归零码 特点： 适合短距离传输 存在直流分量和丰富的高频分量，占用频带宽 多个连0可能引起失步 占用频 占用频 占用频 双极性归零码（双极性归零码（AMI-Alternate Mark InversionAMI-Alternate Mark Inversion交替极性倒置）交替极性倒置） 编码规则： 正、负电压：“ 1 ” 零电压：“ 0 ” 占空比：50% 11000111 特点： 基本不存在直流分量，高频分量少 多个连0可能引起失步 归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点 不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位 的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间 进行定时或同步； 归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽 度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频 带较宽。 单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器 在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的 交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀 层； 双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是 很有利的 HDB3HDB3（High Density Bipolar of Order 3High Density Bipolar of Order 3）码码 编码规则： 正、负电压表示“ 1 ”,且交替出现 零电压表示“ 0 ” 占空比：50% 当连零个数超过4时，作如下操作： 依次将4个连0编为一组，每组最后一个0用1取代，用V+或V-表 示，与前一个1（B+或B-）同极性。V称作破坏点。 保证两个破坏点之间有奇数个1。若为偶数个1，则在前一个破 坏点后面的连续0组中的第一个0改为B+或B-，其极性和前一个 破坏点相反。（保证B的极性交替） 后面的极性依次按上述原则改变。 0 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 00 HDB3HDB3（High Density Bipolar of Order 3High Density Bipolar of Order 3）码码 1 1 0 0 0 0010 0 0 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 00 1 1 0 0 0 0010 0 0 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 00 1 1 0 0 0 0010 0 B+ B- B+ B- B+ B+ B- B+ B- B+V+ V-V- 0 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 00 1 1 0 0 0 0010 0 B+ B- B+ B- B+V+ V- V+B+ B- V- 0 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 00 1 1 0 0 0 0010 0 B+ B- B+ B- B+V- V+ V-B- B- B+V+ 单极性码 AMI码 HDB3码 HDB3码 HDB3码 V- V+ V- u1、时隙和帧 n时隙：每路话路抽样所花的时间。 n帧：每32个时隙组成一个帧。 n复帧：16个帧合成一个复帧。 u2、数字信号传输速率 n调制速率，又称波特率。单位为波特（BAUD），简写为Bd n数据率数据信号速率。单位为比特/秒（bit/s），简 写为b/s或bps。它表示单位时间内能传输的代码个数 2.3 PCM的帧结构 01101 11 10 00 10 01 11 二电平调制四电平调制 32路PCM的帧结构 F0F1F2F3F13F12F4F5F6F7F8F9F10 F11F14 F15 TS 0 TS 1 TS 2 TS 3 TS 4 TS 5 TS 6 TS 7 TS 8 TS 9 TS 10 TS 11 TS 12 TS 13 TS 14 TS 15 TS 16 TS 17 TS 18 TS 19 TS 20 TS 21 TS 22 TS 23 TS 24 TS 25 TS 26 TS 27 TS 28 TS 29 TS 30 TS 31 1 0 0 1 1 0 1 10 0 0 0 1 0/1 1 11 2 3 4 5 6 7 8 1 1 0/1 1 1 1 1 1 a b c d a b c d 1复帧=16帧 1帧=32时隙 同步时隙标志信号时隙话路时隙 F0 F1 F2 F15 a b c d a b c d a b c d a b c d 帧定位码组 偶帧 奇帧 区别偶帧 帧对告码 保留 复帧 定位码组 复帧 对告码和备用 1路16路 2路17路 15路30路 局间线路信令 帧结构描述 n帧重复频率抽样频率8kHz n抽样周期125us n时隙数32，时隙编号TS0TS31 n每路时隙3.91us n每路时隙传送8位码组，位时间488ns n每帧传送位数328=256 n每路数码率8bit/125us64kbit/s n总码率256bit/125us2048kbit/s 帧结构描述 n各时隙内容 nTS1TS15：话路时隙，传送115路话音信号编码 nTS17TS31：话路时隙，传送1630路话音信号编码 nTS0：帧同步时隙，传送同步码组 nTS16：信令时隙，传送30路话路的信令码和复帧码 n信令时隙TS16 n