交換技術(shù)第2章

1、第第2章章 話音信號(hào)的數(shù)字化基礎(chǔ)話音信號(hào)的數(shù)字化基礎(chǔ) 2.1 多路復(fù)用的概念多路復(fù)用的概念 2.2 PCM的基本原理的基本原理 2.3 PCM的基本概念及其幀結(jié)構(gòu)的基本概念及其幀結(jié)構(gòu) 2.4 PCM高次群高次群 思考題思考題 2.1 多路復(fù)用的概念多路復(fù)用的概念 n信號(hào)：信號(hào)： n模擬信號(hào)：是數(shù)值上連續(xù)變化的信號(hào)。例如話音信號(hào)，模擬信號(hào)：是數(shù)值上連續(xù)變化的信號(hào)。例如話音信號(hào)， 圖象信號(hào)等。圖象信號(hào)等。 n數(shù)字信號(hào)：是離散的信號(hào)數(shù)字信號(hào)：是離散的信號(hào) n多路復(fù)用多路復(fù)用 n將多個(gè)信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)組合，并由一個(gè)信道傳輸，傳將多個(gè)信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)組合，并由一個(gè)信道傳輸，傳 輸中各信號(hào)之間彼此獨(dú)立輸中

2、各信號(hào)之間彼此獨(dú)立 n多路復(fù)用的基礎(chǔ)是分割原理，信號(hào)分割的依據(jù)是信號(hào)差多路復(fù)用的基礎(chǔ)是分割原理，信號(hào)分割的依據(jù)是信號(hào)差 異異 n復(fù)用的目的是為了節(jié)省介質(zhì)，提高線路利用率復(fù)用的目的是為了節(jié)省介質(zhì)，提高線路利用率 n根據(jù)不同的參量，多路復(fù)用的類型有根據(jù)不同的參量，多路復(fù)用的類型有 n頻分復(fù)用頻分復(fù)用FDM:各路信號(hào)頻率分開，時(shí)間重疊各路信號(hào)頻率分開，時(shí)間重疊 n時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用TDM:各路信號(hào)時(shí)間分開，頻率重疊各路信號(hào)時(shí)間分開，頻率重疊 n碼分復(fù)用碼分復(fù)用CDM:各路信號(hào)時(shí)間、頻率重疊，特征碼不同各路信號(hào)時(shí)間、頻率重疊，特征碼不同 FDM（）（） TDM 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 第第1路路 第第2路路

3、第第n路路 第第1路路 第第2路路 第第n路路 發(fā)送發(fā)送接收接收 時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用TDM（通常指同步時(shí)分復(fù)用）（通常指同步時(shí)分復(fù)用） n把傳輸信道按時(shí)間分割成若干時(shí)隙，以傳送若干路信號(hào)。把傳輸信道按時(shí)間分割成若干時(shí)隙，以傳送若干路信號(hào)。 n發(fā)送方，在抽樣脈沖的控制下，時(shí)隙發(fā)送方，在抽樣脈沖的控制下，時(shí)隙1時(shí)將第時(shí)將第1路信號(hào)路信號(hào) 打入信道，時(shí)隙打入信道，時(shí)隙2是將第是將第2路信號(hào)打入信道，路信號(hào)打入信道， 依此類推依此類推 n接收方，在發(fā)送方同步信號(hào)的作用下，在時(shí)隙接收方，在發(fā)送方同步信號(hào)的作用下，在時(shí)隙1時(shí)接收時(shí)接收 第第1路信號(hào)，時(shí)隙路信號(hào)，時(shí)隙2時(shí)接收第時(shí)接收第2路信號(hào)路信號(hào). 時(shí)分復(fù)

4、用原理時(shí)分復(fù)用原理 nTDM按幀結(jié)構(gòu)（固定時(shí)長(zhǎng)，時(shí)隙個(gè)數(shù)固定）傳送按幀結(jié)構(gòu)（固定時(shí)長(zhǎng)，時(shí)隙個(gè)數(shù)固定）傳送 n每個(gè)用戶分配固定時(shí)隙（在幀結(jié)構(gòu)中占固定位置）每個(gè)用戶分配固定時(shí)隙（在幀結(jié)構(gòu)中占固定位置） n每個(gè)用戶只能在自己的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)每個(gè)用戶只能在自己的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù) n當(dāng)某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，分配給該用戶的時(shí)隙只能處于當(dāng)某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，分配給該用戶的時(shí)隙只能處于 空閑狀態(tài)，不能作為他用空閑狀態(tài)，不能作為他用 n可能造成線路資源的浪費(fèi)可能造成線路資源的浪費(fèi) aa b c d b c a bb ccad 用戶用戶 A B C D t t t t #1#2#3#4 四個(gè)時(shí)分復(fù)用幀四個(gè)時(shí)分復(fù)用幀

5、時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用 t n時(shí)間分割多路復(fù)用原理：時(shí)間分割多路復(fù)用原理： TDM 在在TDM系統(tǒng)中，各信號(hào)在時(shí)域上是分開的，而在頻域上是系統(tǒng)中，各信號(hào)在時(shí)域上是分開的，而在頻域上是 混疊在一起的?；殳B在一起的。時(shí)分復(fù)用方式將提供給整個(gè)信道傳輸信息的時(shí) 間劃分成若干時(shí)間片（簡(jiǎn)稱時(shí)隙），并將這些時(shí)隙分配給每一并將這些時(shí)隙分配給每一 個(gè)信號(hào)源使用，每一路信號(hào)在自己的時(shí)隙內(nèi)獨(dú)占信道進(jìn)行數(shù)據(jù)個(gè)信號(hào)源使用，每一路信號(hào)在自己的時(shí)隙內(nèi)獨(dú)占信道進(jìn)行數(shù)據(jù) 傳輸。傳輸。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 時(shí)隙分配固定，便于調(diào)節(jié)控制，適于數(shù)字信息的傳輸；時(shí)隙分配固定，便于調(diào)節(jié)控制，適于數(shù)字信息的傳輸； 缺點(diǎn)缺點(diǎn): 是當(dāng)某信號(hào)源沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，

6、它所對(duì)應(yīng)的信道會(huì)出是當(dāng)某信號(hào)源沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，它所對(duì)應(yīng)的信道會(huì)出 現(xiàn)空閑，而其他繁忙的信道無法占用這個(gè)空閑的信道，因此會(huì)現(xiàn)空閑，而其他繁忙的信道無法占用這個(gè)空閑的信道，因此會(huì) 降低線路的利用率，但這一問題可以降低線路的利用率，但這一問題可以采用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用的方法 解決。解決。 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用原理統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用原理 nSTDM：Statistic TDM，統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用，又叫異步時(shí)分復(fù)用，統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用，又叫異步時(shí)分復(fù)用 n每個(gè)用戶不分配固定時(shí)隙，按需動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙每個(gè)用戶不分配固定時(shí)隙，按需動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙 nSTDM按幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳送，且?guī)L(zhǎng)度固定（不同系統(tǒng)幀長(zhǎng)可按幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳送，且?guī)L(zhǎng)度固定（

7、不同系統(tǒng)幀長(zhǎng)可 能不同）能不同） n組幀按收到數(shù)據(jù)的先后順序進(jìn)行組幀按收到數(shù)據(jù)的先后順序進(jìn)行 n一個(gè)用戶可以連續(xù)占用多個(gè)時(shí)隙一個(gè)用戶可以連續(xù)占用多個(gè)時(shí)隙 n能顯著提高信道的利用率能顯著提高信道的利用率 abbccad aa b c d b c 用戶用戶 A B C D t t t t #1#2#3 3個(gè)個(gè)STDM幀幀 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 t 2.2 PCM基本原理基本原理 PCM：Pulse Code Modulation 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制 PCM是一種將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)的編碼方式是一種將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)的編碼方式 PCM發(fā)送端包括：抽樣、量化和編碼發(fā)送端包括：抽樣、

8、量化和編碼 PCM 接收端包括：解碼、量化樣值解調(diào)接收端包括：解碼、量化樣值解調(diào) 模擬模擬 信源信源 低通低通 濾波器濾波器 量化量化 器器 抽樣抽樣 器器 編碼編碼 器器 解碼解碼 器器 低通低通 濾波器濾波器 模擬模擬 信宿信宿 發(fā)送端發(fā)送端 接收端接收端 PCM基本原理基本原理 抽樣 量化 1 2 3 45 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 編碼 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 將時(shí)間離散、將

9、時(shí)間離散、 幅度連續(xù)的抽樣信幅度連續(xù)的抽樣信 號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散、號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散、 幅度離散的數(shù)字信幅度離散的數(shù)字信 號(hào)。號(hào)。 將時(shí)間連續(xù)的模擬信將時(shí)間連續(xù)的模擬信 號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散、幅度號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散、幅度 連續(xù)的抽樣信號(hào)。連續(xù)的抽樣信號(hào)。 帶限信號(hào)連續(xù)抽樣，帶限信號(hào)連續(xù)抽樣， 要求抽樣頻率不小于所傳要求抽樣頻率不小于所傳 信號(hào)的最高頻率的信號(hào)的最高頻率的2倍。倍。 量化后的信號(hào)通量化后的信號(hào)通 過編碼器變成一過編碼器變成一 組碼元組碼元 量化級(jí)：對(duì)應(yīng)一個(gè)幅度等級(jí) 如：將08V范圍的模擬量分為8級(jí)，每級(jí)1V。即 01V為0級(jí)，12V為第1級(jí)用這8級(jí)的量去量化 輸入信號(hào)。 均勻分級(jí)量化方法:

10、舍去型、補(bǔ)足型、四舍五入型 量化前的值/V 量化后輸出值/V 舍去型補(bǔ)足型四舍五入型 6.6V 6.1V 0.1V 6 6 0 7 7 1 7 6 0 n均勻分級(jí)量化 量化誤差量化誤差：量化前、后信號(hào)幅度之間的差別 量化誤差產(chǎn)生的后果：量化噪聲 均勻量化均勻量化：絕對(duì)誤差相等、量化噪聲均勻，小信號(hào) 的信噪比小。 信噪比信噪比：衡量通信質(zhì)量的重要指標(biāo)，一般要求大于 26dB。 減少小信號(hào)時(shí)的量化噪聲減少小信號(hào)時(shí)的量化噪聲 解決方法解決方法： 將量化級(jí)分細(xì)，減少量化誤差從而減少量化噪聲。 量化級(jí)數(shù)多，要求有更多位編碼及更高的碼速， 要求更高的編碼器。 信噪比=10 信號(hào)/噪聲（單位：dB） l 采

11、用不均勻量化不均勻量化，（壓擴(kuò)法）-小信號(hào)的量化級(jí) 分細(xì)些，大信號(hào)量化級(jí)分粗些。使在保持原來的 量化級(jí)數(shù)下將信噪比做得高于26DB。兩種壓擴(kuò)律： u律和A律 A律：通用于歐洲，為30/32路PCM采用，E1線路 2.048Mb/s u律：通用于北美和日本，為24路PCM采用，T1線路 1.544Mb/s 我國(guó)采用A律 如果定義最小段如果定義最小段 長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為，則最，則最 大電平幅值為：大電平幅值為： 2048 2048 中國(guó)、歐洲采用中國(guó)、歐洲采用A A律律1313折線折線PCMPCM量化量化 信號(hào)幅值不均勻地分為八個(gè)大段，信號(hào)幅值不均勻地分為八個(gè)大段， 每個(gè)大段都平均地分為每個(gè)大段都平均地

12、分為1616個(gè)小段，故一共分為個(gè)小段，故一共分為8 8* *16=12816=128段，段， 在信號(hào)幅值的負(fù)半周量化方法相同，故共有在信號(hào)幅值的負(fù)半周量化方法相同，故共有128128* *2=2562=256個(gè)個(gè) 量化級(jí)量化級(jí) 日本、北美采用日本、北美采用律律1515折線折線PCMPCM量化量化 n編碼編碼 就是把量化后抽樣點(diǎn)的幅值分別用代碼來表示。就是把量化后抽樣點(diǎn)的幅值分別用代碼來表示。 編碼器輸出的碼型有：編碼器輸出的碼型有： n單極性不歸零碼（單極性不歸零碼（NRZ）：信號(hào)）：信號(hào)“1”有脈沖，有脈沖，“0”無脈沖。占空比無脈沖。占空比 100%。 n單極性歸零碼（單極性歸零碼（RZ）

13、：占空比）：占空比50%。 n雙極性歸零碼（雙極性歸零碼（AMI）：信號(hào)）：信號(hào)“0”由空號(hào)傳送，由空號(hào)傳送， “1”由由“+1”“-1” 交替?zhèn)魉?。交替?zhèn)魉汀?n三階高密度雙極性碼（三階高密度雙極性碼（HDB3）：）： 連零數(shù)限制在三個(gè)以下。連零數(shù)限制在三個(gè)以下。 11000111 編碼規(guī)則： 正電壓：“ 1 ” 零電壓：“ 0 ” 占空比：100% 編碼規(guī)則： 正電壓：“ 1 ” 零電壓：“ 0 ” 占空比：50% 11000111 特點(diǎn)： 適合短距離傳輸 存在直流分量和豐富的高頻分量，占用頻帶寬 多個(gè)連0可能引起失步 占用頻 占用頻 占用頻 編碼規(guī)則： 正、負(fù)電壓：“ 1 ” 零電壓：“

14、 0 ” 占空比：50% 11000111 特點(diǎn)： 基本不存在直流分量，高頻分量少 多個(gè)連0可能引起失步 歸零碼和不歸零碼、單極性碼和雙極性碼的特點(diǎn)歸零碼和不歸零碼、單極性碼和雙極性碼的特點(diǎn) 不歸零碼在傳輸中難以確定一位的結(jié)束和另一位 的開始，需要用某種方法使發(fā)送器和接收器之間 進(jìn)行定時(shí)或同步； 歸零碼的脈沖較窄，根據(jù)脈沖寬度與傳輸頻帶寬 度成反比的關(guān)系，因而歸零碼在信道上占用的頻 帶較寬。 單極性碼會(huì)積累直流分量，這樣就不能使變壓器 在數(shù)據(jù)通信設(shè)備和所處環(huán)境之間提供良好絕緣的 交流耦合，直流分量還會(huì)損壞連接點(diǎn)的表面電鍍 層； 雙極性碼的直流分量大大減少，這對(duì)數(shù)據(jù)傳輸是 很有利的 編碼規(guī)則：

15、正、負(fù)電壓表示“ 1 ”,且交替出現(xiàn) 零電壓表示“ 0 ” 占空比：50% 當(dāng)連零個(gè)數(shù)超過4時(shí)，作如下操作： 依次將4個(gè)連0編為一組，每組最后一個(gè)0用1取代，用V+或V-表 示，與前一個(gè)1（B+或B-）同極性。V稱作破壞點(diǎn)。 保證兩個(gè)破壞點(diǎn)之間有奇數(shù)個(gè)1。若為偶數(shù)個(gè)1，則在前一個(gè)破 壞點(diǎn)后面的連續(xù)0組中的第一個(gè)0改為B+或B-，其極性和前一個(gè) 破壞點(diǎn)相反。（保證B的極性交替） 后面的極性依次按上述原則改變。 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 0 1 0

16、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+ 單極性碼 AMI碼 HDB3碼 HDB3碼 HDB3碼 V- V+ V- u1、時(shí)隙和幀、時(shí)隙和幀 n時(shí)隙：每路話路抽樣所花的時(shí)間。時(shí)隙：每路話路

17、抽樣所花的時(shí)間。 n幀：每幀：每32個(gè)時(shí)隙組成一個(gè)幀。個(gè)時(shí)隙組成一個(gè)幀。 n復(fù)幀：復(fù)幀：16個(gè)幀合成一個(gè)復(fù)幀。個(gè)幀合成一個(gè)復(fù)幀。 u2、數(shù)字信號(hào)傳輸速率、數(shù)字信號(hào)傳輸速率 n調(diào)制速率，又稱波特率。單位為波特（調(diào)制速率，又稱波特率。單位為波特（BAUDBAUD），簡(jiǎn)寫為），簡(jiǎn)寫為BdBd n數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)信號(hào)速率。單位為比特?cái)?shù)據(jù)率數(shù)據(jù)信號(hào)速率。單位為比特/ /秒（秒（bit/sbit/s），簡(jiǎn)），簡(jiǎn) 寫為寫為b/sb/s或或bpsbps。它它表示單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)拇a個(gè)數(shù)表示單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)拇a個(gè)數(shù) 單位時(shí)間 信元數(shù) 波特率 n 2 log 單位時(shí)間 信元數(shù) 數(shù)據(jù)率 2.3 PCM的幀結(jié)構(gòu)的幀結(jié)構(gòu)

18、 01101 11 10 00 10 01 11 二電平調(diào)制四電平調(diào)制 32路路PCM的幀結(jié)構(gòu)的幀結(jié)構(gòu) 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

19、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復(fù)幀復(fù)幀=16幀幀 1幀幀=32時(shí)隙時(shí)隙 同步時(shí)隙同步時(shí)隙標(biāo)志信號(hào)時(shí)隙標(biāo)志信號(hào)時(shí)隙話路時(shí)隙話路時(shí)隙 F0 F1 F2 F15 a b c d a b c d a b c d a b c d 幀定位碼組幀定位碼組 偶幀偶幀 奇幀奇幀 區(qū)別偶幀區(qū)別偶幀 幀對(duì)告碼幀對(duì)告碼 保留保留 復(fù)幀復(fù)幀 定位碼組定位碼組 復(fù)幀復(fù)幀 對(duì)告碼和備用對(duì)告碼和備用 1路路16路路 2路路17路路 15路路30路路 局間線路信令局間線路信令 幀結(jié)構(gòu)描述幀結(jié)構(gòu)描述 n幀重復(fù)頻率抽樣頻率幀重復(fù)頻率抽樣頻率8kH

20、z n抽樣周期抽樣周期125us n時(shí)隙數(shù)時(shí)隙數(shù)32，時(shí)隙編號(hào)，時(shí)隙編號(hào)TS0TS31 n每路時(shí)隙每路時(shí)隙3.91us n每路時(shí)隙傳送每路時(shí)隙傳送8位碼組，位時(shí)間位碼組，位時(shí)間488ns n每幀傳送位數(shù)每幀傳送位數(shù)328=256 n每路數(shù)碼率每路數(shù)碼率8bit/125us64kbit/s n總碼率總碼率256bit/125us2048kbit/s 幀結(jié)構(gòu)描述幀結(jié)構(gòu)描述 n各時(shí)隙內(nèi)容各時(shí)隙內(nèi)容 nTS1TS15：話路時(shí)隙，傳送：話路時(shí)隙，傳送115路話音信號(hào)編碼路話音信號(hào)編碼 nTS17TS31：話路時(shí)隙，傳送：話路時(shí)隙，傳送1630路話音信號(hào)編碼路話音信號(hào)編碼 nTS0：幀同步時(shí)隙，傳送同步碼

21、組：幀同步時(shí)隙，傳送同步碼組 nTS16：信令時(shí)隙，傳送：信令時(shí)隙，傳送30路話路的信令碼和復(fù)幀碼路話路的信令碼和復(fù)幀碼 n信令時(shí)隙信令時(shí)隙TS16 n傳送信令信號(hào)（如摘機(jī)、掛機(jī)、振鈴等）傳送信令信號(hào)（如摘機(jī)、掛機(jī)、振鈴等） n一幀中只傳送一幀中只傳送8位碼組，每路占位碼組，每路占4位，每幀只能傳位，每幀只能傳2路路 n提高信道利用率，一個(gè)基群有提高信道利用率，一個(gè)基群有30個(gè)話路，一個(gè)信令信號(hào)控個(gè)話路，一個(gè)信令信號(hào)控 制制2個(gè)話路，故引入復(fù)幀概念個(gè)話路，故引入復(fù)幀概念 n信令信號(hào)必須按復(fù)幀傳送（信令信號(hào)必須按復(fù)幀傳送（16幀組成一個(gè)復(fù)幀）幀組成一個(gè)復(fù)幀） n信令信令4位碼組含義位碼組含義a、

22、b、c、d，目前只用了前，目前只用了前3位位 復(fù)幀結(jié)構(gòu)描述復(fù)幀結(jié)構(gòu)描述 n由由16幀組成一個(gè)復(fù)幀幀組成一個(gè)復(fù)幀 n復(fù)幀頻率復(fù)幀頻率8000Hz/16500Hz，周期，周期2ms n各幀信令各幀信令 nF0的的TS16 n前前4位為復(fù)幀同步碼位為復(fù)幀同步碼0000 n第第6位復(fù)幀失步告警碼，同步為位復(fù)幀失步告警碼，同步為0，失步為，失步為1 n其他位保留，暫定位其他位保留，暫定位1 nF1F15的的TS16 n前前4位依次傳送位依次傳送115路話路信令路話路信令 n后后4位依次傳送位依次傳送1630路的話路信令路的話路信令 2.4 PCM高次群高次群 北美北美 日本日本歐洲歐洲 中國(guó)中國(guó) 數(shù)碼率數(shù)碼率 Mbps 話路數(shù)話路數(shù) 數(shù)碼率數(shù)碼率 Mbps 話路數(shù)話路數(shù) 基群基群1.544242.04830 二次群二次群6.312968