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1、第 1 页,第二章 话音信号的数字化,2.1 模拟信号的数字化 2.2 时分多路复用 2.3 线路的传输码型 2.4 数字通信中的常用基本物理量,第 2 页,2.1 模拟信号的数字化,一、模拟信号和数字信号1.在通信系统中，任何信号都可以归结为模拟信号和数字信号两大类。模拟信号：幅度取值为连续的信号。连续模拟信号：时间和幅度都是连续的信号。语音信号 离散模拟信号：时间离散而幅度连续的信号。PAM信号数字信号：幅度取值是不连续的信号。（幅度离散）2.模拟、数字通信的优缺点 模拟通信的优点是直观且容易实现，缺点主要有两条：1)保密性差；2)抗干扰能力弱,第 3 页,一、模拟信号和数字信号,数字通信
2、优点：具有较强的抗干扰能力：数字信号；检错纠错重发机制。保密性强：容易由处理机实现加密算法。小型化、重量轻、耗电省、成本低：采用大规模和超大规模集成电路。由于话音信息和非话音信息均可进行数字化，这样可使各种业务都纳入综合业务数字ISDN中。数字通信缺点：占用频带宽：模拟话音4KHz，数字话音2060KHz。技术复杂，尤其是同步技术要求高。模数转换，带来量化误差。,第 4 页,一、模拟信号和数字信号,3.数字化过程A/D转换（编码）将语音变成模拟电信号；(使用话筒）对模拟信号进行滤波（3003400Hz）防止抽样频谱混叠；对模拟电信号抽样（8000Hz），变成模拟PAM信号；对PAM信号量化，生
3、成PCM信号。D/A转换（解码）将PCM信号变成PAM信号；通过低通滤波（4000Hz）恢复成模拟音频信号。,第 5 页,二、抽样、复用及分路,在数字交换机系统中始终走的是PCM数字信号，PCM通信系统的模型如下：,二、抽样、复用及分路 抽样定理 要保证传输的话音清晰可懂，同时尽量节省频带宽度，需要传送3003400Hz范围内的信号，这需要带通滤波。根据奈奎斯特抽样定理，抽样频率应满足fs2fMAX6800HZ，为了留出一定的频带间隔，选取fs8000Hz,第 6 页,二、抽样、复用及分路,即抽样间隔Ts=125us 抽样门和分路门电路 抽样门电路 在发送端，对模拟信号的抽样是由抽样门电路完成
4、的，PCM30/32路系统用来传输30路用户的时分复用抽样话音信号，所以不仅需要抽样，同时还需完成复用功能。每路用户信号都是每隔125us抽样一次，并且不同用户的抽样值都要交错开。电路组成如下图:分路门电路 在接收端，对复用的PCM信号解码后，信号需要分路，把生成的PAM信号分别送到各路的接收端，这是由分路门电路完成的。电路组成如下图:,第 7 页,时分复用及解复用原理图,第 8 页,抽样门电路框图,BG2的夹断电压为-9V-4V，G点是低电平BG2截止,+2v,第 9 页,分路门电路框图,G点是低电平BG2截止,第 10 页,抽样脉冲S(t)的波形,第 11 页,三、量化,三、量化量化：就是
5、将抽样后时间离散幅值连续的模拟PAM信号变成幅 值离散的数字信号的过程。,量化的方法通常有两种：均匀量化，非均匀量化均匀量化 设信号变化范围是-V+V，将输入信号的变化范围分成N等份，其量化间隔是相等的V=2V/N。例：信号的变化范围是08V，均匀量化成8级，量化间隔V=1V，判决值是0，1，28V，每级的量化值分别是0.5，1.5，2.57.5V。见下图。,第 12 页,均匀量化图示,第 13 页,均匀量化图示,第 14 页,量化误差,量化误差 ERR=VOVI，,小信号时信噪比比较小；大信号时信噪比比较大,第 15 页,三、量化,信噪比跟量化误差有关，由图可知，信号功率小时，信噪比低；信号
6、功率大时，信噪比高。为了保证通信质量，在动态范围大于40dB的要求下，信噪比不得低于26dB。由于语音信号大部分是小信号，这就使均匀量化的整体信噪比较低。解决方法有两条：增加量化级数，加长编码长度。减小量化间隔V=2V/N=MAX(ERR)，为了达到这一目标，需要量化等级数N2048，即编码长度n11;采用非均匀量化。使小信号时量化间隔也比较小，提高小信号的信噪比；大信号时量化间隔大一些，适当降低大信号的信噪比，这样在不增加编码长度的条件下，使总的信噪比提高。,第 16 页,三、量化,非均匀量化 量化间隔不等，大信号区的量化间隔大些，小信号区的量化间隔小些。实现原理：发送时先对小信号进行高增益
7、放大，对大信号则增益很小，然后再进行均匀量化及编码。这样做使输入信号的动态范围变小，所以完成这一功能的部件叫做“压缩器”。接收时刚好相反，先解码，然后需要经过“扩张器”使信号复原。这种方法称作“压缩扩张法”，简称“压扩法”。,第 17 页,压缩扩张过程图示,第 18 页,三、量化,两种压扩特性：A律和u律，指数型特性，A律主要用于欧洲和中国，u律主要用于北美和日本。A律压扩特性：y输出，x输入,2)u律压扩特性：y输出，x输入,图示请见课本p30图2-14,一般A取87.6,一般u取255,第 19 页,三、量化,电路实现这样的曲线特性非常复杂，实际中A律采用近似于A律函数特性的13折线的压扩
8、特性，u律采用近似于u律函数特性的15折线的压扩特性.3)A律压扩特性的13折线近似（A87.6）,正负折线一共16段，但是其中4段斜率是一样的：-1/128-1/64，-1/1280，01/128，1/1281/64故而实际上是一共13段。,第 20 页,13折线图,第 21 页,三、量化,由图可见：第两段的斜率为16，为无压缩时的16倍，即量化间隔为均匀量化时的1/16，因此压缩后的小信号的量化噪声将提高20lg16=24dB；第段的斜率为1/4，其量化间隔为均匀量化时的4倍，因此压缩后的大信号的量化噪声将下降20lg4=12dB。由于语音信号大部分是小信号，小信号的信噪比升高，大信号的信
9、噪比降低，这样就可以均衡整个动态范围内的信噪比。,第 22 页,四、编码,四、编码 编码是将量化后的信号电平值转换成二进制码组，完成PAM信号到PCM信号的转变。编码需要完成压缩功能，将输入信号动态范围变小后再编码。从A律13折线压扩图中可见，量化共分为8段，每段又可以进一步分为16个等份，这样就共有816=128量化级，因此可用8bit编码。,信号负，X1=0信号正，X1=1,8bit的非均匀编码器可以达到11bit均匀编码器的量化水平(1/2048)。信号越小分段越细（1/20481），信号越大分段越粗（1/3264），,第 23 页,编码示意图,第 24 页,四、编码,具体做法是：（见课
10、本p34及p35图2-19）首先根据样本值正负确定极性码X1，然后用段落码的3位组合所表示的8个段落的起始点电平与样本值幅度进行比较，看其落在哪一个大段内，从而确定X2 X4，最后用其他4位码所代表的本大段内16种可能的电平与样本值比较，来确定X5 X8。,例：样值幅度Vs=+594，按A律13折线编码。,确定极性：Vs正，故X1=1确定段落码：Vs128，故X2=1,Vs512，故X3=1 Vs1024，故X4=0,第 25 页,四、编码,确定段内码：Vs512+(640-512)/2=576，故X7=1Vs576+(640-576)/2=608，故X8=0所以样值594的编码为111000
11、10,第 26 页,五、解码,五、解码 解码是编码的逆变换，是将二进制编码信号还原成离散样值信号的过程，即将PCM信号还原成PAM信号。解码需要完成扩张功能使之还原成原来的信号。在编码时，为了减少码位数，量化时采用了只舍不入的办法，就是用量化级的起始电平代表该级的量化值，造成误差较大为一个量化误差i。为了减小误差，解码时在接收端补加半个量化级i/2，使量化误差减少一半。框图见下页,第 27 页,13折线权电流梯型解码网络图,第 28 页,五、解码,各段编码和所表示幅值之间的关系：（参考编码示意图）例：第8段编码：1111010代表幅值(10241064 32)第7段编码：1101010代表幅值
12、(512103216)第6段编码：1011010代表幅值(2561016+8)第2段编码：0011010代表幅值(16101+0.5)第1段编码：0001010代表幅值(01010.5)输出电平为：,i/2,第 29 页,2.2 时分多路复用,一、时分多路复用多路复用：指多路信号在同一传输线上进行互不干扰的传输。它是提高传输线利用率，降低成本的有效途径。常见复用方式：频分多路复用，多用于模拟通信 时分多路复用，多用于数字通信话音频带：3003400Hz，由抽样定理，抽样频率8000Hz 在125us的抽样周期内可以同时传输多路信号的样本值。例如传30路信号，每信号抽样值占用一个时间片断（称为时
13、隙TS：Time Slot），为了数字传输控制，还需要传同步信息和信令码，就又需要占用2个时隙，所以，每个125us内一共有32个时隙(TS0TS31)，其中TS0用来传输同步码，TS16用,第 30 页,一、时分多路复用,来传信令码，剩下的30个时隙(TS1TS15，TS17TS31)用来传用户话音信息，称为话路，用CH表示（CH1CH15分别与TS1TS15对应，CH16CH30 分别与TS17TS31对应），每个时隙内可以传输一个PAM抽样值，或8bit的PCM编码。时分复用原理见课本p44图2-27 常见的PCM基群数字时分复用系统有北美、日本采用的PCM24路系统和我国及西欧采用的P
14、CM30/32路系统。,第 31 页,二、PCM30/32路系统的帧结构,二、PCM30/32路系统的帧结构 PCM30/32路系统是使用A律13折线进行量化和编码的。其抽样频率fs=8000Hz，帧周期TS=125us，每帧32个时隙（称作路时隙），其中30个时隙用来当话路CH，两个时隙传同步码和信令码，每时隙占用3.906us，每时隙传8bit，每bit占用0.488us，即488ns，称作位时隙。每话路速率为：8bit8000/s64kbit/sPCM30/32路系统码速率为：64kbit/s32=2.048Mbit/s,第 32 页,PCM30/32路系统帧结构,第 33 页,三、PC
15、M30/32路时分复用系统结构,第 34 页,四、PCM的一次群和高次群,四、PCM的一次群和高次群 PCM30/32路系统采用A律13折线量化编码，其传输速率为2.048Mbit/s，称作基群信号或一次群信号。能够传输PCM30/32路信号的线路称作E1线路。在采用u律15折线量化编码的国家里，一次群的话路数是24路，即一帧24分成时隙，每时隙可传8bit，另外每帧另有1bit用于传同步码，称作PCM24路系统，故一次群速度是：8000/s(824+1)bit=1.544Mbit/s，能够传输PCM24路信号的线路称作T1线路。随着通信系统的发展，基群系统的速率已经不能满足使用要求了，从而发
16、展出二次群、三次群、四次群等高次群系统。其发展情况如下表。,第 35 页,PCM高次群复接系列,第 36 页,2.3 线路的传输码型,在交换机内部传输的码型是单极性的非归零码（NRZ：Non Return to Zero)，占空比50%，含有丰富的直流和低频分量，在线路中传输会造成严重畸变。,一、对线路中传输码型的要求在传输的码型中无直流成分，且低频和过高的高频成分较小：隔直电容，耦合变量器，分布电感在传输的码型中应含有时钟信息：收发端同步不受信息源的统计特性影响：连0连1抑制，时钟提取 具有一定的检错能力：发现误码 尽可能的提高传输码型的传输效率：信息传输速率高 码型转换设备易于实现。,第
17、37 页,二、基带信号的频谱特性,设一个二进制的随机脉冲序列s(t)，分别用脉冲g1(t)和g2(t)表示符号0和1，Ts为每一码元的宽度。在序列中0和1（也即g1(t)和g2(t)）的出现概率分别为P和1-P，且0和1出现是统计独立的，则s(t)的功率谱密度Ps(f)为：,fs:码元频率P:g1(t)或0出现的概率1-P:g2(t)或1出现的概率,G1(f):g1(t)的频谱函数G2(f):g2(t)的频谱函数,第 38 页,二、基带信号的频谱特性,由图可见，随机序列的功率谱包含两部分：连续频谱和离散频谱,第 39 页,三、常见码型,单极性非归零码（NRZ：Non Return to Zer
18、o）脉冲持续时间和码元周期Ts相等，占空比等于1。,有直流成分，信号能量大部分集中在低频；提取时钟fs困难：频谱中不含fs，且容易连0连1；无检测误码能力：传输码型无规律。不适合在电缆中直接传输。,1,1,1,1,0,0,0,A,0,T,s,7,T,s,6,T,s,5,T,s,4,T,s,3,T,s,2,T,s,t,f,1fs,3,f,s,2,f,s,4,f,s,0,S(t),Ps(f),第 40 页,2.单极性归零码,单极性归零码（RZ：Return to Zero）脉冲持续时间是码元周期Ts的1/2，占空比50。,含直流成分，低频较多，含时钟频率fs，仍然不适宜在线路中传输。,0,0,0,
19、A,0,T,s,7,T,s,6,T,s,5,T,s,4,T,s,3,T,s,2,T,s,t,P,s,(,f,),f,S,(,t,),f,s,3,f,s,2,f,s,4,f,s,0,1,1,1,1,第 41 页,3.双极性传号交替反转码,双极性传号交替反转码（AMI:Alternate Mark Inversion）占空比50%，当传送“0”时，用0v表示，当传送“1”时，则交替的用Av脉冲和Av脉冲表示,优点：无直流成分，低频分量少，有利于采用变量器。,0,0,0,A,0,T,s,7,T,s,6,T,s,5,T,s,4,T,s,3,T,s,2,T,s,t,S,(,t,),-,A,P,s,(,f
20、,),f,f,s,3,f,s,2,f,s,4,f,s,0,1,1,1,1,第 42 页,3.双极性传号交替反转码,高频成分少，节省带宽，减少电磁感应引起的串话。码型功率谱中虽无fs时钟频率成分，但经过全波整流可将AMI码变成RZ码，就含有fs时钟成分。具有一定的检错能力，若收端码违反了极性反转的规律则说明有误码。缺点：如果信息码中有连0，则AMI码中也会出线长连0，不利于时钟提取。,第 43 页,4.隔位反转码,隔位反转码（ADI：Alternate Digital Inversion）在偶数位进行反转，0变1，1变0，再用AMI码发。消除连0：0000000001010101但有时会出问题：
21、01010101 00000000 当信号中主要是小信号时比较有效。,三阶高密度双极性码（HDB3：High Density Bipolar of Order 3）HDB3是一种连0抑制码，不但保留了AMI码的所有优点，而且还将连0抑制在3个以内，克服AMI码连0过多对时钟提取不利的缺点。HDB3码的功率谱跟AMI码类似。,第 44 页,5.三阶高密度双极性码,HDB3码的编码规则：（B或V都代表“1”）首先将NRZ码转换成AMI码，“1”分别用B+或B-表示；依次将4个连续“0”变为一组，每组最后一个“0”用“1”取代，以V+或V-表示，新加上的V+或V-和前面的一个“B”（B+或B-）同极
22、性。这样就破坏了原来“”“”交替的规律，将V+或V-叫做“破坏点。为保证线路中没有直流分量，要求相邻两个破坏点的极性不一样，这可以通过使两个破坏点间保证有奇数个“1”来达到。也就是在两个破坏点间遇到偶数个“1”时，就将后一个破坏点所在连“0”组中的第一个“0”变成“1”（B+或B-），其极性和前一个“B”的极性相反，然后再调整其后的“B”或“V”的极性。（B交替反转，V和前一个B同极性）,第 45 页,HDB3码的编码图,第 46 页,HDB3解码规则,解码：根据极性，找出破坏点：如果同极性的码位间有2或3位“0”，则后一个同极性码是破坏点V，如果“0”的个数小于2个大于3个，则说明有误码；将
23、破坏点和之前的3位码还原成4个“0”；将其他所有的V都还原成“1”。,第 47 页,6.传号反转码,传号反转码（CMI：Code Mark Inversion）编码规则为：原信息中的“0”用“01”表示，“1”用“00”和“11”交替表示。“10”作为禁字不准出线，一旦查到“10”，则判为误码。不含直流，低频分量少，最大连“0”连“1”数被限制不超过3。带宽加倍。,第 48 页,常用码型功率谱比较图,HDB3码主要用于一、二、三次群，四次群以上用CMI码,s,P,(,f,),s,N,R,Z,第 49 页,2.4 数字通信中的常用基本物理量,1.信息量的单位 事件的信息量I用事件出现的概率P来衡
24、量：I=loga(1/P)a2时，信息量的单位为“比特”（bit）a10时，信息量的单位为“哈特莱”（Hartley）ae时，信息量的单位为“奈特”（Nat）2.码元和码元长度 码元：用来表示数字信息的电信号波形，一般每个码元的电信号波形占据时间相等。码元长度：每个码元电信号所占据的时间间隔。,第 50 页,2.4 数字通信中的常用基本物理量,3.信息传输速率信息传输速率：每秒传输的信息量称为信息传输速率，单位为比特/秒（bit/s）或千比特/秒（kb/s），兆比特/秒（Mb/s）。反映信道的传输效率。波特率：每秒传输的码元数称为码元速率或波特率，单位是码元/秒，用Baud表示。对二进制信号，信息传输速率码元速率对N进制信号，信息传输速率码元速率log2N4.信道的误码率 误码率Pe=传错的码元数/传输的总码元数 用来衡量信道的传输质量或可靠性。,第 51 页,2.4 数字通信中的常用基本物理量,5.信道的频带利用率 指单位频带所能传输的码元速率uB或信息速率ub，用来反映传输效率的高低。uB=码元速率/信道带宽 B/Hz ub=信息速率/信道带宽 b/sHz,
