脉冲编码调制的基本原理教学大纲

1 批准人 批准人 年 月 日 第一讲第一讲 脉冲编码调制基本原理脉冲编码调制基本原理 教教 学学 提提 要要 课目课目 专业基础 目的目的 了解脉冲编码调制的基本原理 内容内容 1 数的进制 2 语音信号的数字化 3 时分多路复用和 PCM30 32 系统 方法方法 课堂讲解 电化教学 时间时间 45 分钟 要求要求 1 遵守课堂纪律 专心听讲 做好笔记 2 勤于思考 积极发言 课后做好复习 器材保障器材保障 教材 资料 教教 学学 进进 程程 2 教学准备教学准备 5 5 分钟 分钟 1 清点人数 准备教学用具 2 宣布作业提要 教学实施教学实施 3737 分钟 分钟 一 一 数的进制 一 二进制数 二 八进制数 三 十六进制数 一 语音信号的数字化一 语音信号的数字化 大家都知道 语音信号是模拟信号 而数字程控交 换机内部交换的却是数字信号 那么如何使模拟的语音 信号数字化 可采用脉冲编码调制的方法 即 PCM 我 们知道 模拟信号数字化称为模 数 A D 变换 而把 数字信号还原成模拟信号称为数 模 D A 变换 综合 A D 和 D A 的一般步骤 图 1 3 给出了 PCM 通信的简单 模型 3 抽样 量化 编码 再生 解码 低通 语音 信号 语音 信号 发送端接收端 A D变换D A变换 信道 图 1 3 PCM 通信的简单模型 一 抽样 一 抽样 语音信号在时间上是连续的 经过抽样后变成时间 上离散的信号 简单的说 抽样就是将模拟信号在时间 上离散的过程 抽样上每隔一定的时间间隔 T 在抽样 器上接入一个抽样脉冲 通过抽样的脉冲去控制抽样器 的开关电路 取出话音信号的瞬间电压值 即样值 如 图 1 4 所示 抽样后的信号称为抽样信号 显然 它可 以看作按幅度调制的脉冲信号 即 PAM 信号 其幅度的 取值仍是连续的 不能用有限个数字来表示 因此抽样 4 值仍是模拟信号 f t 模拟信号 0 0 0 t t t 抽样脉冲 抽样信号 取样值 图 1 4 语音信号的抽样 语音信号抽样后信号所占用的时间被压缩了 这是 时分复用技术的必要条件 关于这一点将在本节课第三 个内容讲解 但是 用抽样信号代替原信号必须要满足 抽样定理 否则样值不能够完全表征原信号 抽样定理 对于一个具有有限带宽的模拟信号 f t 其最高频率分量为 fm 则当抽样频率 fs 2fm 时 样 值可以完全表征原信号 我们的语音信号频率在 300 3400HZ 之间 根据抽样 定理 抽样频率 fs 2x3400 6800HZ 为了留一定的防卫 5 带 ITU 规定的抽样频率为 fs 8000HZ 抽样周期为 T 1 8000 125 s 二 量化 二 量化 抽样后的信号 其幅度的取值仍是无限多个 是连 续的 在幅度上离散化抽样信号 就是量化 简单的说 量化就是将抽样信号在幅度上离散化的过程 量化可以 采用 四舍五入 的方法 使每个抽样后的幅度值用一 个邻近的 整数 值来近似 图 1 5a 就是这种量化方法 的示意图 图中把信号归纳为 0 7 级 并规定 小于 0 5 的为 0 级 0 5 1 5 之间为 1 级 依次类推 这样经 过量化 连续的样值被归到了 0 7 级中的某一级 图 1 5b 就是量化后的值 这里的每一级称为量化级 6 0 1 2 3 4 5 6 7 12 3 456 幅值 t 图 1 5a 抽样 0 1 2 3 4 5 6 7 12 3 456 幅值 t 3 5 4 2 3 4 图 1 5b 量化 7 需要注意的是 把无限多个幅度值量化成有限的量 化级 必然会产生误差 即量化误差 小信号的量化误 差相对较大 为提高小信号量化后的信噪比 可以增加 量化级数或采用不均匀量化分组 第一种方法要求更多 的编码位数及更高的码速 也就对编码器要求更高 第 二种方法是讲小信号的量化级分得更细些 将大信号的 量化级分得粗略些 这种做法叫做 压缩扩张法 简称 压扩法 ITU 建议的压扩法特性叫做 A 律或 律 A 律用于 欧洲和中国 30 32 路 PCM 系统中采用 A 律 律用于 北美和日本 24 路 PCM 系统中采用 律 三 编码 三 编码 简单的说 编码就是将量化后的幅度值用一定的代 码来表示 由于编码后的数字信号携带着原始语音 模 拟 信号信息 因此就如同将模拟信号 调制 到了代 码上 而代码是由信号抽样得到的脉冲序列再量化编码 后得到的 这就构成了脉冲编码调制通信 即我们通常 所说的 PCM 通信 四 再生 解码 低通 四 再生 解码 低通 8 在 PCM 通信的接收端 需要将 PCM 信号还原成语音 模拟 信号 这需要再生 解码 低通 或重建 几 个过程 再生就是将 PCM 信号进行放大 解码就是把 PCM 信号转换为与发送端相同的 PAM 信号 在 PAM 信号 中包含原语音信号的频谱 因此可以采用把 PAM 信号通 过低通滤波器分离出所需要的语音信号 这一过程即为 重建 二 时分多路复用和二 时分多路复用和 PCM30 32PCM30 32 系统系统 在通信网的建设中 线路设备的投资占较大比重 因此 如何提高线路利用率 在较少的硬件资源上传输 更多的信号 实现多路复用 可采取频分和时分两种方 法 现有的有线电视信号传送 就采用频分的方法 即 把多种频段的信号混合在一起传送 由接收机选频来分 离信号 时分多路复用就是利用各路信号在信道上占有不同时 间间隙 即时隙 而把各路信号分开 具体来说就是 就是把时间分成均匀的时间间隔 将每一路信号的传输 时间分配在不同的时间间隔内 以达到互相分开的目的 每路所占用的时间间隙称为时隙 TS 9 PCM 通信是典型的时分多路通信系统 如图 1 6 所示 PCM 编码 PCM 译码 同步 控制 信道 1路 2路 3路 1路 2路 3路 如图 1 6 由上图可见 每一路信道在指定的时间内接通 其 它时间内为别的信道接通 为了使发端与收端各路信道 能够协调一致的工作 在发送端需要传送一个同步信号 利用同步控制信号来确保发端和收端协调工作 下面我们介绍 PCM 系统中时隙和帧的概念 前面已 经讲过 对于语音信号传送 抽样频率为 8000HZ 即每 125 s 抽样一次 每次抽样后经过量化和编码成为 8 比 特的码串 传送一路的 8 比特对应的时间长度就是一个 时隙 TS 在 PCM32 系统中 32 条信息复用一条物理 电路 因此 在 125 s 内各路信号传送一次 即 32 个 时隙的码串依次传送一遍 就合成了一 帧 并且 10 在采用随路信令时 为了传送各话路的标志信号 还引 入了复帧的概念 将连续的 16 帧称为一个复帧 ITU 建议的 PCM 基本结构包括 32 路系统和 24 路系 统 我国和欧洲采用的是 PCM32 系统 关于这一点我们 在前面已经讲过 因为电话通信中 由 30 个时隙作为话 路使用 因此也称为 PCM30 32 系统 其帧结构如图 1 7 所示 F0F1F3F2F5F4F7F6F9F8F11F10F13F12F14 F15 1复帧 16帧 2ms TS0 TS1TS16 TS17 1帧 32时隙 256比特 125 s TS15 TS1 TS15话路时隙TS17 TS31话路时隙 TS16标志信号时隙 图 1 7 PCM30 32 系统帧结构图 由上图可见 每一帧对应的时间长度为 125 s 每 个时隙的大小是 125 s 32 3 9 s 每一复帧的时间长 度为 16x125 s 2ms 32 个时隙是这样分配的 TS1 TS15 TS17 TS31 为话路时隙 TS0 用来传送帧定位信号 保持发端与收端的同步工作 在局间采用随路信令时 TS0同步时隙 TS31 11 TS16 用来传送复帧同步码和各话路的标志信号 当局间 采用 NO 7 信令时 TS16 可以作为信令链路使用 也可 以作为话路使用 这里的随路信令和 NO 7 信令我们将在 以后的课程中陆续讲到 这里不作详细讲解 注意 我们这里只讲到了 PCM 一次群 因为数字程 控交换只涉及到一次群 PCM 高次群在这里不作讲解 总总 结结 同志们 我们利用三个课时对脉冲编码调制的基本 原理进行了学习 我们主要讲了三个方面的内容 模拟 信号和数字信号 语音信号的数字化 时分多路复用和 PCM30