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1、第二章 语音信号数字化和时分多路复用,本章学习要点：理解话音信号的数字化过程；了解各种量化方法对语音质量产生的不同影响掌握多种编码方式以及应用范围了解TDM和FDM的区别掌握时分多路复用的基本原理掌握PCM30/32路帧结构理解PCM高次群的意义,第二章 语音信号数字化和时分多路复用,2.1 时分多路复用概述2.2 PCM30/32路系统2.3 数字复接技术,2.1时分多路复用概述,1、复用的概念复用：为了提高信道利用率，使多路信号互不干扰地在同一信道上传输的方式称为多路复用。频分复用（FDM）多用于模拟信号的复用时分复用（TDM）多用于数字信号的复用波分复用（WDM）多用于光纤通信系统,2.
2、1时分多路复用概述,复用（Multiplexing）的历史 50年代起，在铜线线路上大量应用新的复用技术。包括明线的3路、12路,对绞铜线电缆的60路和小同轴电缆的300路及中同轴的10800路载波电话.当时都称为(频分复用FDM)。每路都是模拟电话，频带3003400Hz，各路载波频率相隔4kHz，在频谱上依次排列。,2.1时分多路复用概述,70年代，数字通信兴起。利用脉冲编码（PCM）技术，每路数字电话传输速率64kb/s，质量满意，而且进一步利用“时分复用（TDM）”技术，30路数字电话组成基群2Mb/s。光纤通信兴起。用TDM技术，数字传输速率可以从2Mb/s升高到8Mb/s、34Mb
3、/s、140Mb/s，相当于电话话路数从30路增到120路、480路、1920路，一根光纤在一个方向可以同时传输这么多的路数。传输方法是利用这么多路由TDM组成的数字电话群直接向光载波调制，送上光纤传输。,2.1时分多路复用概述,80年代后期，国际上开始设想利用一根光纤同时传输多个光载波，各受数字信号的调制。称“波分复用”（WDM,Wavelength Division Multiplexing）如果这些光载波的波长相互间有足够的间隔，则每路的数字信号同在一根光纤上传输，不会发生相互干扰。这就是光纤通信使用的复用技术。1995年开始，WDM技术的发展进入了快车道，特别是基于掺饵光纤放大器EDF
4、A的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。在2001年OFC会议上，NEC和Alcatel报道他们的WDM系统的传输容量分别达到10.92Tb/s（一根光纤1.7亿路64Kb/s的数字电话）和10.02Tb/s。,2.1时分多路复用概述,2、时分复用的概念各路信号在同一信道上轮流占用不同时间间隔进行通信。3、PCM时分多路通信的原理：时分多路通信的理论根据：抽样定理抽样定理告诉我们，一路连续的模拟话音信号S(t)的相邻样值之间有125s的时间空隙，这是时分复用的关键。如果信道仅用来传送一路话音，则有92%的时间是空闲着的。为了充分利用传输信道的带宽能力和提高通信系统的有效性.在125s
5、的抽样空闲时间内插入其它路的信号（样值信号），即利用一路信号采样的空隙，进行其余用户信号的采样。只要各路信号在时间上能区分开（不重叠），那么同一信道就能传送多路信号，达到了多路复用的目的。,2.1时分多路复用概述,使多个话路的抽样时间错开，也就是在不同时间分别对多个话路取样，而后把它们都送到一对线路上去传送，这就构成了多个话路在一对线路上传送的时分多路信号。在收信端，再设法按照接收的先后次序，将多个话路抽样序列分开，便能恢复各个话路的话音信号，从而完成通信。,2.1时分多路复用概述,2.1时分多路复用概述,4、PCM时分多路复用的实现（抽样脉冲错开）,时分多路复用通信原理示意图,2.1时分多路
6、复用概述,同步含义:一:保持双方旋转速度要完全相同。K1和K2均以抽样频率Fi=8000次/s的速度周期性地、同步地旋转。二.保证旋转开关起止位置一致。发端的旋转开关K1从接点1开始，按顺序、周期性地接入接点1，2N时，则K2也必须按发端相同的顺序从接点1开始，周期性地接入接点1，2N。以保证收发两端各路信号的轮流排队次序一致。否则收端将收不到本路信号，,2.1时分多路复用概述,为此在发端和收端都设有时钟电路来稳定抽样开关时间和速度帧同步:在发送端每周期各种样值信号排队的开头，送出一个已知的比任何其他抽样脉冲的幅度都大的脉冲，称为起始标志信号（即帧同步码）。在收端通过一个识别装置（把帧同步码从
7、码流中找出来），识别并取出标志信号，用来控制接收端的旋转开关K2（调整抽样开关时间和速度），以达到发送与接收双方的同步。,2.1时分多路复用概述,5、时隙和帧的概念：帧：抽样时各路每轮一次的总时间（即开关旋转一周的时间），也就是一个抽样周期称为1帧（125s），即每秒8000帧。时隙（路时隙）：合路的每个样值（PAM）信号所允许占的时间间隔（C=T/n）。位时隙：1位码元的时间。（n=c/)例，一帧内共划分为32个相等的时隙，用以传送一路信号的一个抽样值对应8位码。时隙（路时隙）=125 s/32=3.9us 位时隙=1/8*3.9us=0.488us,2.1时分多路复用概述,总结：TDM是将
8、传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道。每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的（125s）,如下图（a)所示。即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的。对于TDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多，其原理如下图（b)所示。,2.1时分多路复用概述,TDM子信道示意图,2.1时分多路复用概述,6、标准PCM时分复用系统 PCM编码有两种标准：A律和律，因此国际上对应有两种互不兼容的PCM时分复用系统：一种是对应A律的PCM3
9、032路时分复用系统在抽样周期Ti=125s，即帧周期内，可以安排32路时分复用信号。中国和欧洲各国使用。一种是对应律的PCM24路时分复用系统在一个抽样周期内，可安排24路时分复用信号。北美和日本使用。上述群路又称为基群和一次群。,2.2 PCM30/32路系统,1、帧结构及传输速率PCM30/32系统,在1帧125s时间内，共分为32个路时隙30个路时隙分别用来传送30路话音信号一个路时隙用来传送帧同步码一个路时隙用来传送 信令码,2.2 PCM30/32路系统,路时隙:125/32=3.9 s，传送某路信号的一个抽样值对应的8位码。位时隙:每个码元占用时间 1/83.9s=0.488s总
10、传输码率:Vb=(328)/125=2.048Mbit/s或 Vb=8000(帧/s)32(时隙/帧)8(bit/时隙)=2.048Mb/s。一般简记为2M，该速率也称PCM3032路基群传输速率。,2.2 PCM30/32路系统,说明：为保证电话通信的顺利进行，PCM通信系统除了完成话音信号的编、译码及传输外，还必须在交换机和用户之间以及交换机和交换机之间，迅速、准确地完成占用、拨号、振铃、应答等信号的传递和交换。PCM系统称上述信号为信令信号。,图3-22 PCM-30/32l路群的帧结构,CCITT建议G.732规定的帧结构,2.2 PCM30/32路系统,2、帧结构的安排 PCM303
11、2路系统中，每帧共有32个路时隙，分别用：TS0，TS1，TS2TS31来表示。30个话路时隙：TS1TS15分别传送第115路话音信号TS17TS31 分别传送第1630路话音信号 帧同步时隙：TS0用于传送帧同步码以实现帧同步,2.2 PCM30/32路系统,为保证收发两端各路信令码在时间上对准，也需要在第1帧信令码发送前发一个供识别用的标志码。为此在PCM3032路系统中又安排了一个帧，记为F0。复帧同步码:F0的TS16时隙传送的信令标志码称为复帧同步码。保证收发两端各路信令码在时间上对准。16个帧F0，F1，F2，F3F15组成了一个复帧，每个复帧占用16*125s=2.0ms的时间
12、。,2.3 数字复接技术,数字通信的优越性，推动了数字通信网的建立和发展。在通信网运行时，为了扩大传输容量和提高传输效率，可以采用复用的方式。为了进一步扩大系统容量，就需要把若干中低速数字信号（低次群）合并成一个高速数字信号（高次群），再通过高速信道传输，传到对方再分离还原为各个中低速数字信号。数字复接就是这样数字信号合并与分离的。随着微波通信、光纤通信的发展，这种技术在数字通信中显得越发重要了。,2.3 数字复接技术,数字复接概念PCM复用和数字复接PCM基群和高次群复接标准PDH准同步数字复接系列和SDH同步数字复接系列,2.3 数字复接技术,1、数字复接概念数字复接定义：将低速数字信号（
13、低次群）在确定的时间段内，按一定时间关系间插在一起，合成一个高速数字信号（高次群）的过程。完成此功能的设备为数字复接器，相应地接收端还有数字分接器。目的：进一步扩大系统容量。未时分复用：64kbit/s时分复用：64 32=2.048Mbit/s数字复接：如二次群（四个基群）2.048 4 8Mbit/s,2.3 数字复接技术,2、PCM复用和数字复接（形成高次群的方法）PCM复用：直接将多路信号编码复用，即直接将多路模拟语音信号按125s的周期分别进行抽样，然后合在一起统一编码形成多路数字信号。如PCM基群的形成。,2.3 数字复接技术,例如需要传送120路电话时，可将120路话音信号分别用
14、8kHz抽样频率抽样，然后对每个抽样值编8位码，其数码率Vb:8000(帧/s)120(时隙/帧)8(bits/时隙）=7680kbit/s。由于每帧时间为125微秒，每个路时隙的时间只有1微秒左右。这样每个抽样值编8位码的时间只有1微秒时间，其编码速度非常高，对编码电路及元器件的速度和精度要求很高，实现起来非常困难。,2.3 数字复接技术,数字复接：将几个低次群在时间空隙上迭加合成高次群。几个经PCM复用后的数字信号(例如4个PCM30/32系统)再进行时分复用，形成更多路的数字通信系统。显然，经过数字复接后的信号的数码率提高了，但是每一个基群编码速度没有提高，实现起来容易，目前广泛采用这种
15、方法提高通信容量。本质：与时分复用相同。所不同的是，对于数字复接设备参与处理和处理后的信号都是数字信号，而时分复用设备没有此要求。,2.3 数字复接技术,数字复接原理方框图,2.3 数字复接技术,3、PCM基群和高次群复接标准 关于将PCM数字电话数字复接成各种“群路”的方式，CCITT（现TTU-T）建议了两种标准：其一是我国和西欧各国主要采用的PCM-30/32路系列标准：该系列将PCM30/32路群，作为基群（或一次群），四个基群组成一个二次群，四个二次群组成一个三次群，四个三次群组成一个四次群等等；,2.3 数字复接技术,其二是日本和北美各国采用的24路系列标准，该系列标准规定：由24
16、个话路组成一个基群。四个基群组成一个二次群，五个或七个二次群组成一个三次群等等。,PCM数字电话的两种复接标准：,2.3 数字复接技术,注意:表中不同群次的速率不成整数倍关系。例如，30路系列的基群速率为2.048Mb/s，二次群的速率:4*2.048Mb/s=8.192Mb/s。（）4*2.048Mb/s+0.256 Mb/s=8.448 Mb/s。这样是因为在组成二次群时需要加入额外的填充码元。,2.3 数字复接技术,4、概念同步数字体系SDH（Synchronous Digital Hierarchy）准同步数字体系PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）：,
