第2章话音信号的数字化基础.ppt

1,2,数字通信的关键是模数转换和数模转换。而模拟信号和数字信导之间的相互转换必须有一定的规律和方法，以便在发端模数转换后在收端按规律正确实行数模转换。模数转换有多种方法，其中PCM为最常用的一种。,为了使模拟的话音信号转换为PCM信号，要经过抽样、量化、编码三个过程。,PCM信号经过传输和交换后，在接收端将收到的PCM信号进行解码、低通滤波二个过程又恢复为模拟话音信号。一般称前者为模数(A/D)转换，称后者为数模(D/A)转换。,4,一、抽样,抽样的时间间隔不能拉得太长，不能长于要通话的最高频率的二倍的倒数。,5,根据CCITT(InternationalTelephoneandTelegraphConsultativeCommittee,国际电报电话咨询委员会）规定电话通信中话音信号的频带范围采用的是3003400Hz，依照抽样定理其抽样速率fs至少为6800Hz，目前PCM通信普遍采用的是8000Hz。,6,二、量化,量化就是将抽样信号幅度的最大变化范围划分为许多间隔，当某一抽样幅度值落在某一间隔内时，其数值则由此间隔内的某一固定值来表示。,7,1均匀量化,在划分间隔过程中，所有间隔都相等的量化称之为均匀量化。,8,在实际应用中，对于给定的量化器，量化电平数M和量化间隔v都是确定的，量化噪声Nq也是确定的。但是，信号的强度可能随时间变化（例如，语音信号）。当信号小时，信号量噪比也小。所以，这种均匀量化器对于小输入信号很不利。为了克服这个缺点，改善小信号时的信号量噪比，在实际应用中常采用非均匀量化。,9,2非均匀量化,非均匀量化的特点是信号幅度小时，量化间隔划分的小则量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，则量化误差也大。非均匀量化的实现方法，是使抽样信号先通过一个非线性电路，然后再进行均匀量化。,采用非均匀量化方式的PCM通信过程,10,压缩器特性如图所示，抽样信号经过压缩之后，使大、小信号的信噪比基本上相差不多。,非线性电路使得小信号的幅度得到放大，对大信号的幅度进行了压缩，称具有此特性的非线性电路为压缩器。,压缩器改变了大信号与小信号之间的比例关系。对经过非均匀量化的信号进行编码、然后经线路传输和收端局的译码后恢复的信号仍是被压缩了的信号。为恢复原信号幅度的比例关系，在接收端还要将译码输出信号经过一个与压缩特性相反特性的电路，该电路称为扩张器，它对小信号进行压缩，对大信号进行放大，如图所示。,12,采用非均匀量化方式的PCM通信过程,对电话通信中的PCM信号,国际电报电话咨询委员会(CCITT)建议了两种压扩特性：A律压扩特性和律压扩特性。我国规定采用A律压扩特性。,13,(1)A律压扩特性及其13折线近似：A律压扩特性用于PCM3032路系统。根据非均匀量化的概念，可以推出一种近似对数的压扩关系表达式：,称其为A律压缩函数。,14,A876,15,A876,16,17,1、将y抽01范围均匀划分成8个间隔，由于压缩特性，将x轴以1/2递减规律划分成8个不均匀的段。2、将相对应的各量化段在x-y平面上交点进行连线可得一条8段的折线，由于第、段的斜率相同，可合成一条直线。3、在x、y为负值范围-10内，同样也可得8段折线且靠近原点的两段折线、的斜率与、段折线相同。这样，靠近原点的四段就可成一段直线，因此，从-1+1的范围内形成的折线数是13段折线。,18,按照这样的分段方法所求得13段折线与A=87.6的A律压缩特性十分逼近。我们就用13段折线近似表示A87.6时的A律压缩特性，因此称之为A律13折线压缩特性。,19,(2)律压扩特性：律压扩特性适应于PCM24路系统。律压扩特性是用二极管的伏安特性推导出来的。其表达式如下：,其中x、y为压缩器的归一化输入、输出；为压缩参数，表示输出信号相对于输入信号的压缩程度律采用15折线近似的压缩特性。,20,3、编码,编码就是用n位的二进制码组来表示抽样量化后的信号。码组中码位的数量n和所能表示的量化值个数N的关系:N2n若量化间隔划分的愈小，量化值的个数增多，量化误差就愈小，通信质量也愈高，但相应编码位数也增多，这将增加设备的复杂程度。所以量化间隔要划分的适当。,21,22,目前，国际上普遍采用的是A律13折线编码。A律13折线编码是一种将非均匀量化和编码合起来进行的非线性编码。其八位码是这样安排的：,第一位码x1的取值“0”、“1”分别代表信号极性的正、负。,23,A律13折线的分段方法是在0+1范围内划分成8个不均匀的段，表示这8个不同的段落需要三位码(共有23=8种组合)，就是x2,x3,x4三位段落码。每个不均匀的段落又均匀分为16个小量化段，用x5,x6,x7,x8四位码(共有2416种组合)来表示，称为段内码。,24,由于13折线的8个不均匀分段是按1/2递减规律分段的，故各段所对应的信号范围是不同的：第一段的信号范围是01/128，第二段的信号范围是1/1281/64，而第八段的信号范围是1/21。,25,每个不均匀段又分为16个均匀段，第一段分成16个小段，其每一小段即最小量化间隔记为其值为：,第二段与第一段相同，第三段划分为16个小段，其每一小段最小量化间隔为2，依次类推，第八段划分为16个小段，每一小段最小量化间隔则是64。这就体现了非线性编码是对应于非均匀量化的，小信号时量化间隔小，大信号时量化间隔大。,26,A律13折线编码的各量化段的量化间隔如图所示。,27,A律13折线的编码过程如下:第一步：确定抽样值的极性,第二步：确定抽样值属于那个不均匀段落。设u为抽样值的归一化值，则x2,x3,x4的确定过程如图所示。,28,第三步：属于这个段落由16个小段的那一小段，即确定x5,x6,x7,x8。其方法与段落码的确定过程相同。,例：设抽样信号幅度的最大值为2048mV，将抽样值1000mV编为PCM码已知抽样信号幅度的最大值U2048mv，非归一化的u20481mv确定极性码：因为10000确定段落码：因为1000128故x2=1在第58段内因为1000512故x3=1在第7、8段内因为10001024故x4=0在第7段内,29,确定段内码：将第7个不均匀的段均匀分成16个小段，每一小段为32，如图所示,从此例可以看出，凡抽样值在之间的均编为1110111。,30,2.4传输码型,我们可以用不同电位或电流波形来表示数字码0或1，只要它的不同“电值”与数字码0,1存在一一对应关系即可。,31,一、选择传输码型的条件1.传输码型中不含有直流分量，且低频分量和过高频分量也不易太多，以减小传输失真；,（在传输线路中有再生中继站存在，它们需要远端供电，这样，中继器与线路之间就需要用变量器耦合传输，而且还要加装电容等将直流与信号分开，这些元件不能通过直流成分，对低频成份的阻抗也很大，会造成信号的严重畸变。过高频率成份的衰减则随距离的增加而增大。）,32,2.传输的码型要便于时钟提取，即从传输码型中简便而稳定地获得定时时钟信息；3.传输的码型具有一定的规律性，以便于检测误码；4.码型变换设备要简单，易于实现。,33,二、线路编码信号,1单极性归零波形单极性归零信号的0、1分别用0电位(0脉冲)和正电位(正脉冲）来表示，其占空比50%。但其脉冲波形的宽度只是码元长度的一部分，即每个脉冲总是要回归到零位。如图所示。这种波形的缺点是含有直流分量。,单极性归零波形,占空比：在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。例如：脉冲宽度1s，信号周期4s的脉冲序列占空比为0.25。,34,2单极性不归零波形单极性归零信号的0、1分别用0电位(0脉冲)和正电位(正脉冲）来表示，其占空比100%。但其脉冲波形的宽度是码元长度的全部，即每个脉冲不需要回归到零位。如图所示。这种波形的缺点也是含有直流分量。,35,2双极性归零波形双极性归零波形为，“1”用正电位(正脉冲)，而“0”用负电位(负脉冲)表示，其脉冲波形的宽度也只是码元长度的一部分。如图所示。,双极性归零波形,36,3极性交替转换波形(AMI码)，也叫双极性归零码极性交替转换波形是将单极性归零波形的所有正电位脉冲转换成正、负相互交替的脉冲，如图所示。,单极性归零波形,极性交替转换波形,37,若将极性交替转换波形用数字代码来表述，称其为AMI码。AMI码将按以下规则编码：“0”码时仍为0，“1”码时交替变为+1、-1、+1、-1、。,例：二进制单极性码：对应的AMI码：因这种波形是交替出现正负电位，故无直流分量，低频分量也较小。所以，这种波形比较适合在截直流特性的传输线路中传输。接收端的反变换也很简单，只需把“-1”码翻转为“+1”就变成单极性归零码，完成翻转的部件可用整流器。,38,但当传输波形为一串连零电位或称长串连“0”码时，相当于无信号发出，这样会给接收端提取时钟信息造成困难。为解决长连“0”问题，通常采用HDB3码，又称三阶高密度双极性码。,39,4三阶高密度双极性码(HDB3码)HDB3码是CCITT推荐的一种线路编码，它是一种连“0”抑制码。,40,2.5几个基本概念时隙和帧对每一个话路来说，每次抽样值经过量化以后可编成8位PCM码组进行传输,每路信号所占有的传输时间称时隙。32时隙合成一个“帧”，16帧合成一个“复帧”。数字信号传输速率,41,调制速率，又称波特率。单位为波特（BAUD），简写为Bd。设传送一个信元(对2进制调制,只有0或1两种信元或叫码元,对四进制,有4种信元)占时20毫秒,则数据率数据信号速率。单位为比特/秒（bit/s），简写为b/s或bps。它表示单位时间内能传输的代码个数,42,图中(a)数据率=50*log22=50bit/s图中(b)数据率=50*log24=100bit/s,43,2.1时间分割多路复用原理,一、时间分割多路复用原理为了提高传输通道的利用率，在传输过程中多采用复用方式多个信号在一条传输通道上传输，称多路复用。目前应用最广泛的是时分多路复用方式。时分多路复用就是利用各路信号在传输通道上占用不同的时间间隔。,44,每路所占有的时间间隔称路时隙，简称时隙。,45,第1路话音信号的一个抽样值经量化、编码后的8位码占用时隙1；第2路的一个抽样值经量化、编码后的8位码占用时隙2，依此类推，第n路的一个抽样值经量化、编码后的8位码占用时隙n。,46,每一个抽样值经量化、编码得到的码组称为码字。当所有各路都分配一次码字后，进行第二轮依时序分配各路码字，这样一直继续下去。每轮一次的总时间称为帧。,47,对模拟信号进行抽样处理后，使其在时间上产生一个空隙，在此空隙中安排其它路的话音信号，这样就可实现时分多路复用。由此可见，抽样定理是实现时分多路复用的理论基础。对话音信号来讲，抽样频率取fs8000Hz，抽样周期(即抽样时间间隔),48,如果是单路系统，则抽样周期Ts就等于它的路时隙，即在125微秒内传输一个码字。如果是n路复用系统，是将Ts125微秒的时间分成n个时隙，则每一路所占的时间即一个时隙为Tsn。设复用路数n32，则传输速率为：32X880002048kbits这里的bit即比特含义是：一位二进制码就为1位。,49,二、时分多路复用的电路结构,各路话音信号经低通滤波器LP1将其频带限制在3400Hz以内，然后通过依次抽样的电子开关K1，K1不断作匀速旋转，旋转一周的周期等于抽样周期Ts(一帧)，这样就达到对每一路信号每隔125us（微秒）抽样一次的目的。,50,将各路的抽样信号送到公用编码器，进行统一的量化编码转换为PCM信号，然后送至传输通道进行传输。在接收端首先进行统一解码，还原为PAM信号，然后由分路开关K2依次接通各路，再经过重建用的低通滤波器LP2把每一路的PAM信号恢复为模拟话音信导。,51,注意，旋转开关K2的旋转速度、起始位置必须和旋转开关K1的一致，即收发端必须保持同步，否则将会造成错路。为此，在发端要加入起始标志，接收端有识别起始标志的装置，这就是时分多路复用的帧同步。,52,2.632路PCM的帧结构,53,1基群概念PCM时分多路通信可组成若干路的复用，CCITT建议以两种PCM系统为基础。一种是PCM30/32路系统，可供传输30个话路，传输速率为2.048MbS，欧洲各国和我国均采用这种系统；另一种是PCM24路系统，可供传输24个话路，传输速率为1.544Mbs，美国、加拿大和日本等国采用。称这两种PCM系统为基群或一次群传输系统。,54,PCM3032路基群帧结构如图所示。PCM3032路基群每帧分为32个时隙。用Ts0Ts31表示，其中30个时隙传送话路，另外两个时隙传送帧同步码和信令码。,Ts1Ts15、Ts17Ts31共30个时隙供30个话路使用，称为话路时隙，每帧的Ts0时隙是帧同步时隙，Ts16时隙是信令时隙。32个时隙每一时隙均为8位码。,55,偶帧的Ts0时隙是传送帧同步码用，其8位码中，第1位码留给国际通信用，后7位码是帧同步码，其码型为0011011。,Ts0时隙：帧同步时隙,56,奇帧的Ts0时隙是传送帧同步对告码用。其第1位码仍保留结国际通信用，目前固定为1。其第2位码固定为1码，以便在接收端将偶帧和奇帧区别开来(偶帧的这一位为0码)。,57,其第3位码A1为帧失步对告码，当收端同步时，向发端传送的该位码为0码，当收端失步时，将送往发端的这一位码改为1码，以便告诉发端，收端已失步无法工作。其每48位码可供国内通信用。,58,在完成通话过程中，除了要传送话路信号外,还有信令信号，如摘机、应答、挂机等，以保证局间交换设备正常接续。PCM30/32路系统中的TS16时隙就是用于传送上述的信令信息码。,Ts16时隙：信令时隙,59,根据这些信令信号频率很低的特点，抽样频率取500Hz，即其抽样周期所以每个话路的信令信息码每隔16帧轮流传送一次就够了，为此规定每16帧(F0F15)构成一个复帧，每复帧长16125us2ms。,60,实际上，每个话路的信令信息码最多用4位码即可，用a、b、c、d来表示，而每个Ts16时隙有8位码，可传送两个话路的信令信息码，那么30个话路的信令信息码共用15个帧F1F15的TS16时隙。,61,为了保证收发两端各路信令信息码在时间上对齐，所以每隔16帧还需要送一个同步码，以保证信令码得到同步。称其为复帧同步。复帧同步安排在余下的F0帧的Ts16时隙中。,62,其前4位0000为复帧同步码，第6位为复帧失步对告码，它与帧失步对告码一样，复帧同步时A2为0码，复帧失步时A2为1码。余下的3位码可供传送其它信息用，如暂不用则固定为1码。,63,注意的是，30个话路的传令码a、b、c、d不能同时编为0000码，否则就无法与复帧同步码区别开来。,64,复帧周期：16125us2ms帧周期为：125us每一时隙所占时间为：125us/323.9us每位码(即每一比特)所占用的时间间隔为：3.9us/80.488us传输速率：32880002.048Mb