程控?cái)?shù)字交換技術(shù)-第二章話音信號的數(shù)字化

1、第二章 話音信號數(shù)字化基礎(chǔ)第一節(jié) 抽樣定理 一、時分多路復(fù)用原理（就是將連續(xù)的時間分隔成一個一個的時隙，利用人在視覺和聽覺上的暫留現(xiàn)象來傳送信號）傳輸發(fā)送端接收端第一路第二路第三路第三路第二路第一路選擇器選擇器復(fù)用波形見P13圖2.2二、模擬信號的抽樣模擬信號和數(shù)字信號信號的幅度取值不受任何限制且與原信息準(zhǔn)確對應(yīng)，這種信號稱模擬信號信號的幅度取值只能在有限個離散值上取值，且不準(zhǔn)確地與原信息相對應(yīng)，這種信號稱數(shù)字信號通常所稱的數(shù)字信號是用二進(jìn)制代碼表示的取樣幅度的信號信號具有最高頻率，其最高頻率，若抽樣頻率時，抽樣后的信號經(jīng)低通濾波器后可恢復(fù)成原信號三、抽樣定理：一個頻帶受限于BHz的信號可以唯

2、一地用周期為的樣值系列確定,只要fs2B。話音信號頻率范圍為300-3400Hz，國際統(tǒng)一規(guī)定取樣頻率為8KHz，抽樣周期。一般在抽樣前，必須經(jīng)帶通濾波器濾波。抽樣出來的脈沖是經(jīng)過脈沖調(diào)制過的信號，稱脈沖幅度調(diào)制信號PAM，易受干擾，不適合傳輸?shù)诙?jié) 抽樣信號的量化和編譯碼一、抽樣（理想、自然、平頂）采樣波形(b) 采樣波形Sq(t)S(t)Sp(t)5.3 10.2 7.6 2.1 5.0 8.1 13.6 14.2 7.5 5 10 8 2 5 8 14 14 8 &(t)(a) 實(shí)現(xiàn)原理圖取樣量化Sp(t)&(t)S(t)Sq(t)信號從連續(xù)信號來，幅值可無限，所以是模擬

3、信號二、量化：就是對取樣后的PAM信號的幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字的過程（即把輸入端連續(xù)變化的有無限種幅度的模擬量變成在輸出端有限種幅度的數(shù)字量）。量化產(chǎn)生量化噪聲，具體有舍去型、補(bǔ)足型、四舍五入型量化的種類分均勻量化和非均勻量化。1、均勻量化：由于對量化范圍內(nèi)的大小信號均采用相等的量化階距進(jìn)行量化，其量化噪聲也是均勻的，造成大信號的信噪比SNR（信號功率與量化噪聲功率之比）有富俗，而小信號的SNR又嫌不足（ SNR值越大，音質(zhì)越好）。2、為了提高小信號的SNR，采用非均勻量化，即對大小信號分別采用不等的量化階距，對小信號采用小的量化階距，對大信號采用大的量化階距，從而使大小信號具有基本相同的SNR。通信

4、系統(tǒng)中要求SNR>26dB。（在動態(tài)范圍大于40dB條件下）輸入信號輸出信號A/DD/A被壓縮數(shù)字比特流壓縮均勻PCM均勻PCM擴(kuò)張編碼器譯碼器要增大小信號的SNR，增加量化級差，減少量化誤差，則意味著需要更多位的編碼及更高的碼速，導(dǎo)致設(shè)備成本上升；不均勻量化3、非均勻量化的實(shí)現(xiàn): 是使信號S(t)經(jīng)過一個具有非線性特性的壓縮器進(jìn)行變換，使其小信號擴(kuò)張，而大信號被壓縮, 從而得到壓縮了的信號,再通過一個均勻量化器量化，這就等效于對取樣后的信號進(jìn)行非均勻量化。在收端，量化后的信號經(jīng)過具有與壓縮器相反特性的擴(kuò)張器，使得小信號得以壓縮而大信號則被擴(kuò)張， 從而還原出原來的PAM信號。4、常用的壓

5、縮特性有A律30/32路PCM（歐洲和中國采用）和m律24路PCM（北美和日本采用）對數(shù)壓縮。實(shí)現(xiàn)上述連續(xù)壓擴(kuò)特性需無窮多個量化級, 實(shí)際上無法加以實(shí)現(xiàn), 為此通常采用數(shù)字電路分段進(jìn)行壓擴(kuò)。這樣，不僅實(shí)現(xiàn)容易, 而且成本低。A律壓縮采用的就是十三折線法，一象限分8段（在橫坐標(biāo)上輸入幅度以1/2遞減規(guī)律分成8大段，分段點(diǎn)是1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128；在縱坐標(biāo)上幅度分8均勻段），1-8段斜率分別為1/4、1/2、1、2、4、8、16、16，7、8段斜率一樣；一、三象限對稱，故共13折線段。A律壓擴(kuò)特性13折線近似圖A律的輸入電壓和輸出為：對小信號求斜率：由

6、圖中可以得出斜率為16，則A=87.6（A律壓擴(kuò)常數(shù)）即在和時的斜率為16小結(jié)：量化話音信號的抽樣值量化后，要產(chǎn)生量化誤差，量化誤差=真實(shí)值-量化值。由量化誤差引起量化噪聲，量化噪聲功率與量化間隔的大小有關(guān)衡量線路的傳輸質(zhì)量一般用信噪比來表示信噪比=或信噪比=1、 均勻量化由于量化間隔相等，故噪聲功率固定，從而使小的信噪比低，大的信噪比高，而小信號出現(xiàn)的概率大，因此均勻量化的信噪比低2、 通路的要求是在動態(tài)范圍大于40dB條件下，因此，均勻量化的量化級數(shù)需2048級才能達(dá)到要求，即每個樣值需用11位二進(jìn)制碼進(jìn)行編碼，需要占據(jù)較寬的頻寬，通路利用率大大降低，不經(jīng)濟(jì)3、 非均勻量化的量化間隔是不均

7、勻的，小信號的量化間隔小，大信號的量化間隔大，實(shí)現(xiàn)的方法是將信號先進(jìn)行非線性處理，使小信號得到較大的增益，大信號得到較小的增益，再送入均勻量化器進(jìn)行均勻量化，使得信噪比大幅度提高，量化級數(shù)只需256級即可達(dá)到通路信噪比的要求，故用8位二進(jìn)制編碼即可4、 非均勻量化的壓擴(kuò)特性有律和A律，國際間通信規(guī)定采用A律，A律13折線近似可用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。將整個非過載區(qū)正極性部分和負(fù)極性部分分成8大段，在x軸上每段間隔以1/2遞減規(guī)律進(jìn)行分段，每段內(nèi)又均勻分成16段，每一小段的最低電平即作為判決值和量化值三、編碼：就是把量化的幅度信號變成二進(jìn)制數(shù)據(jù)的過程，中國采用A律13折線壓縮編碼，規(guī)則如下:信號樣值有正

8、有負(fù), 要用一位碼來表示，這一位碼叫極性碼。正極性以比特“1”表示，負(fù)極性以比特“0”表示。13折線壓縮律在第一象限有8大段，每一段斜率不同，故需要用3位碼表示8個不同的段落，這3位叫段落碼，它們也表示各段的起始電平。每段落內(nèi)再均勻分為16個小段，這4位叫段內(nèi)碼。由于各段長度均不同，均分后各段內(nèi)的小段的長度也不等。 D1 D2D3D4 D5D6D7D8 極性碼 段落碼 段內(nèi)碼D(t)S(t)取樣速率8KHz，每路信號編碼后速率64KHz在整個量化范圍內(nèi)，其最小的量化級差是，故令，（若均勻量化需211，即11位二進(jìn)制碼）則各段的端點(diǎn)值為：各段內(nèi)級差為：編碼過程（逐次反饋比較型）例：設(shè)樣值幅度決定

9、X1：極性判別，正極性，X1=1決定X2：判定樣值幅度在前4段或后4段，以為界，X2=1決定X3：以為界，X3=1決定X4：以為界，X4=0該樣值落在第7段決定X5：以第7段內(nèi)的中間值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較 X5=0決定X6：以第7段內(nèi)的前1/2中間值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較 X6=0決定X7：以第7段內(nèi)的前1/4中間值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較 X7=1決定X8：以576640中間值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較 X8=0編碼為11100010四、譯碼：為了從數(shù)字信號恢復(fù)原模擬信號，需要對數(shù)字信號進(jìn)行譯碼和濾波。 譯碼是編碼的逆過程，即將接收的PCM編碼信號轉(zhuǎn)換成與發(fā)端一樣的量化信號。這可以根據(jù)碼組中的段落碼所對應(yīng)的量化階距值及四位段內(nèi)

10、碼所對應(yīng)的段序號值，求出對應(yīng)的原量化值（絕對值）。 譯碼器是一個積分過程，其充電速度快放電速度慢，其輸出是一個非平滑的模擬信號，用低通濾波器對其濾波，濾除其高頻分量，可使其平滑成模擬信號。為減少量化誤差，在接收端增加半個量化級差，使量化值在每個段落中間，量化誤差減少到半個誤差之內(nèi)。利用量化間隔，例：碼組為1101010，段落碼為110，第7大段，其中i=2,3,8，在第1段和第2大段均記為i=2，I=1024對于本題1101010，則盡管模擬信號的數(shù)字化及其逆過程經(jīng)過很多步驟但實(shí)現(xiàn)起來很簡單。隨著大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，一片芯片可完成上述功能。這類芯片有Intel2914、TP3067和MC14

11、5567等。第三節(jié) 傳輸碼型 編碼器的輸出碼型：1、單極性不歸零碼NRZ，占空比為100%，用在交換機(jī)設(shè)備內(nèi)部傳輸2、單極性歸零碼RZ，占空比為50%以上兩種碼型只適合與機(jī)架內(nèi)部或鄰近機(jī)架間的短距離傳輸，因?yàn)樗鼈兇嬖谥绷鞣至亢洼^豐富的高頻分量，占用頻帶寬3、雙極性歸零碼AMI（交替極性倒置碼），此碼不存在直流分量，高頻分量也較少，從而頻帶寬度減少。但無法在線路上區(qū)分是沒有信號還是傳送連“0”信號。4、三階高密度雙極性碼HDB3：為解決過多連“0”的問題。CCITT建議G.703提出的轉(zhuǎn)換過程為：將NRZ碼變?yōu)锳MI碼依次將4個連續(xù)的0編為一組每組最后一個0用1代替，以V+或V-表示為保證線路中

12、沒有直流分量，要求兩個相鄰破壞點(diǎn)的極性不一樣即所有的信碼B正負(fù)交替，所有的破壞碼V也正負(fù)交替。0100100000100100001110000010原碼NRZ碼AMI碼HDB3碼0 0 0 V- B4 0 0 V+ 0 0 0 V-一、幾個基本概念 1、時隙：抽樣重復(fù)頻率為8000Hz，即125s抽樣一次（采樣周期為125s），對每一個話路，每次抽樣經(jīng)過量化以后可編為8位PCM碼組，在30/32路PCM系統(tǒng)中，即125s有32個時隙，一個時隙占125/32=3.9 s2、幀： 125s范圍內(nèi)由32個時隙合成一個幀復(fù)幀：16幀合成一個復(fù)幀（見P21圖2.9）二、32路PCM的幀結(jié)構(gòu)1、PCM基

13、群系統(tǒng) 是數(shù)字復(fù)接的最基本的系統(tǒng),它由30話路組成。構(gòu)成的基群幀結(jié)構(gòu)包含32個時隙，通常將TS0作為幀同步時隙。2、中國一號信令：TS1-15、TS17-31為話路時隙，TS16作為本基群線路信號時隙，30個話路只有8bit線路信號,這顯然是不夠的。為此采用復(fù)幀結(jié)構(gòu)，即由16個單幀組成一個復(fù)幀（Multi-frame）這樣安排就可以保證在2ms時間內(nèi)為每個話路分配到4個信息比特，即信令速率為2Kb/s, 這就是30/32PCM 復(fù)幀結(jié)構(gòu)中的隨路信令的線路信號速率。 1 0 0 1 1 0 1 116幀,125ms×16=2msF0F15 0 1 15 16 17 30 3132時隙,

14、256bit,125ms,1幀保留給國際用(目前固定為1)同步時隙話路時隙TS1-TS15話路時隙TS17-TS31F0幀同步碼D1 D2 D3D4 D5 D6 D7D8偶幀奇幀幀失步對告碼A1：F1a b c d a b c d話路16信令碼話路1信令碼 1 1 A1 1 1 1 1 1保留給國際用(目前固定為1)F15a b c d a b c d話路15信令碼話路30信令碼同步:A1=0; A2=0失步:A1=1; A2=10 0 0 0 1 A2 1 1復(fù)幀同步碼復(fù)幀對步碼PCM幀結(jié)構(gòu)3、七號信令：信令與話路分開傳輸，在一條專用的數(shù)據(jù)鏈路上傳送信令。波特率=信元數(shù)單位時間三、數(shù)字信號傳

15、輸速率調(diào)制速率（波特率）單位：波特BAUD數(shù)據(jù)率=信元數(shù)單位時間×log2n數(shù)據(jù)率（數(shù)據(jù)信號速率）單位比特/秒例：設(shè)一個信元占時20ms，即1秒鐘有50個信元，-V+V0001101001二電平調(diào)制四電平調(diào)制解：波特率：二電平=50/1=50Bd 四電平=50/1=50Bd數(shù)據(jù)率：二電平= 四電平= 思考題：1、 為什么將抽樣后的信號仍稱之為模擬信號？如果抽樣后的信號經(jīng)過量化后仍是模擬信號嗎？2、 二進(jìn)制數(shù)字信號具有那些優(yōu)點(diǎn)？3、 奈奎斯特抽樣率是什么？語音信號的抽樣率是多少？為什么？4、 非均勻量化為什么比均勻量化優(yōu)越？使信噪比提高，而又使量化級數(shù)減少，是靠什么實(shí)現(xiàn)的？5、 在反饋

16、型編碼器中為什么要采用記憶碼？為什么要進(jìn)行7/11變換？6、 在解碼網(wǎng)絡(luò)中為什么要加入？7、 二進(jìn)制信息量的單位是什么？傳輸速率的單位是什么？波特和比特有什么區(qū)別？8、 為什么RZ碼中含有時鐘頻率成分，而在NRZ碼中就沒有時鐘頻率成分？9、 AMI（雙極性傳號交替反轉(zhuǎn)）碼有那些優(yōu)缺點(diǎn)？ （無時鐘成分）10ADI（隔位反轉(zhuǎn)）碼有那些優(yōu)缺點(diǎn)？11HDB3碼有那些優(yōu)缺點(diǎn)？如何變換？如何識別？12在PCM端機(jī)中，接收端在什么情況下提取時鐘頻率？ HDB3AMIRZ從中提取時鐘頻率NRZ13為什么TS0的幀同步碼和TS16的信令碼不進(jìn)行隔位反轉(zhuǎn)，也不進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)？作業(yè)：1、 試用編碼原理將樣值幅度按A律13折線進(jìn)行編碼（11011000）2、 根據(jù)A律13折線，求出編碼11011001的樣值幅度。（+508）3、 試將二進(jìn)制碼100100001100001010100000變換成AMI和HDB3碼（HDB3碼+100-1+100+1-1+1-100-1+1