课程名称：现代交换技术第周，第讲次摘要第二章语音信号的数字化基础：2.1时间分割多路复用原理授课题目（章节）2.2模拟信号的抽样和抽样定理2.3抽样信号的量化和编译码2.4传输码型2.5几个基本概念32路PCM的顿结构本讲目的要求及重点难点：【目的要求】通过本讲课程的学习，了解：1.时间多路复用原理：2.传输码型：3.时隙、顺、复顿的概念和32路PCM的顿结构。掌握：1.模拟信号的抽样和抽样定理：2.抽样信号的量化和编译码；【重点】模拟信号的抽样和抽样定理：抽样信号的量化和编译码。【难点1抽样信号的量化和编译码过程内容【本讲课程的引入】信号分为两大类：（1）模拟信号。数值上连续变化的信号。例如语音信号、图像信号等。（（2）数字信号。离散的信号，由许多脉冲组成。例如离散信号、电报信号、数据信号等。在数字电话通信中，我们说话的声音是模拟信号，另一方听到的声音也是模拟信号。所谓数字，只是指信号在传输的过程中采用的数字方式。数字信号有各种调制方法。常见的有以下两种。脉冲编码调制(简称脉码调制)，即PCM。最早出现，应用最广。S增量调制.即△M。优点是电路简单。缺点是在话音质量上不如PCM，也不如PCM用得普遍。下面将会较详细地介绍时分多路复用和PCM的基本原理。【本讲课程的内容】82.1时间分割多路复用原理早期的电话通信是一对线上只能有一对用户通话，因而传输线的利用率很低，随着信道复用技术的发展，一对线上可以同时有若干对用户进行通话，每对用户在这条线上所占用的仅仅是其中一段使用通道时间，各路话音信号在时间上错开的。时间分割多路复用原理可由如图2.1的示意图来说明。在该图中，需要通话的一对用户11
11 课程名称：现代交换技术 第 周，第 讲次 摘 要 授课题目（章,节） 第二章 语音信号的数字化基础： 2.1 时间分割多路复用原理 2.2 模拟信号的抽样和抽样定理 2.3 抽样信号的量化和编译码 2.4 传输码型 2.5 几个基本概念 32 路 PCM 的帧结构 本讲目的要求及重点难点： 【目的要求】通过本讲课程的学习，了解：1.时间多路复用原理； 2. 传输码型；3. 时隙、帧、 复帧的概念和 32 路 PCM 的帧结构。掌握：1. 模拟信号的抽样和抽样定理；2. 抽样 信号的量化和编译码； 【重 点】模拟信号的抽样和抽样定理；抽样信号的量化和编译码。 【难 点】抽样信号的量化和编译码过程 内 容 【本讲课程的引入】 信号分为两大类：（1）模拟信号。数值上连续变化的信号。例如语音信号、图像信号等。 （2）数字信号。离散的信号，由许多脉冲组成。例如离散信号、电 报信号、数据信号等。 在数字电话通信中，我们说话的声音是模拟信号，另一方听到的声音也是模拟信号。 所谓数字，只是指信号在传输的过程中采用的数字方式。 数字信号有各种调制方法。常见的有以下两种。 脉冲编码调制(简称脉码调制)，即 PCM。最早出现，应用最广。 增量调制．即 M 。优点是电路简单。缺点是在话音质量上不如 PCM，也不 如 PCM 用得普遍。 下面将会较详细地介绍时分多路复用和 PCM 的基本原理。 【本讲课程的内容】 §2.1 时间分割多路复用原理 早期的电话通信是一对线上只能有一对用户通话，因而传输线的利用率很低，随着 信道复用技术的发展，一对线上可以同时有若干对用户进行通话，每对用户在这条线上 所占用的仅仅是其中一段使用通道时间，各路话音信号在时间上错开的。 时间分割多路复用原理可由如图 2.1 的示意图来说明。在该图中，需要通话的一对用户
必须同时闭合自己的电子选择器，而其他电子选择器都应断开，各对话路在时间上按一定顺序轮流通断，以保证任一瞬间最多只有一对用户接在公共信道（传输系统）上，这种轮流占用一条信道的办法就可以实现许多用户通话斯通话的目的。第一路。第一路0第二路。专●第二路选择器选择器第三路。第三路发送浴接收咪图2.1时分多路复用原理S2.2模拟信号的抽样和抽样定理为了使模拟的话音信号数字化，可采用脉冲编码调制（PCM）方法。PCM是一种用二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。目前，数字化信号广泛应用于交换和传输。数字信号是通过对话音信号进行抽样、量化、编码而产生的，这一过程也称之为模/数（A/D）转换，即将模拟信号转换为数字信号。数字信号经过传输后，在接收端要转换为模拟信号。将数字信号转换为模拟信号成为数/模（D/A）转换。数/模转换是通过解码和低通滤波来实现的。数字通信简单模型如图所示：语音信号PCM信号PCM信话音信号低通取样量化编码信道解码一D/A转换→发送端接收端图2.2数字通信的简单模型1.抽样一一适意信号的离散化话音信号是连续的模拟信号，数字信号是离散信号。要使话音数字化，必须先使话音信号变为时间上是离散的，这一步骤是通过抽样来完成的。抽样定义：把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。具体实现：就是用很窄的矩形脉冲按一定周期读取模拟信号的瞬时值。对模拟信号的抽样是由抽样电路完成的。抽样每隔一定的时间间隔T，在抽样器上介入一个抽样脉冲，通过抽样脉冲控制抽样器的开关电路：如下图所示，通过抽样电路取出话音信号的瞬时电压值，即抽样值，抽样后的信号称为抽样信号。显然它是脉冲幅度调制（PAM）信号，其幅度的取值是连续的，不能用有限数字来表示，因此抽样信号仍是模拟信号，而不是数字信号。语音信号是抽样的，信号所占用的时间被压缩了，这就奠定了时分复用的基础，同12
12 必须同时闭合自己的电子选择器，而其他电子选择器都应断开，各对话路在时间上按一 定顺序轮流通断，以保证任一瞬间最多只有一对用户接在公共信道（传输系统）上，这 种轮流占用一条信道的办法就可以实现许多用户通话斯通话的目的。 §2.2 模拟信号的抽样和抽样定理 为了使模拟的话音信号数字化，可采用脉冲编码调制（PCM）方法。PCM 是一种 用二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。 目前，数字化信号广泛应用于交换和传输。数字信号是通过对话音信号进行抽样、 量化、编码而产生的，这一过程也称之为模/数（A/D）转换，即将模拟信号转换为数字 信号。数字信号经过传输后，在接收端要转换为模拟信号。将数字信号转换为模拟信号 成为数/模（D/A）转换。数/模转换是通过解码和低通滤波来实现的。 数字通信简单模型如图所示： 语音信号 PCM 信号 PCM 信号 话音信号 D/A 转换 发送端 接收端 图 2.2 数字通信的简单模型 1． 抽样——话音信号的离散化 话音信号是连续的模拟信号，数字信号是离散信号。要使话音数字化，必须先 使话音信号变为时间上是离散的，这一步骤是通过抽样来完成的。 抽样定义：把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。 具体实现：就是用很窄的矩形脉冲按一定周期读取模拟信号的瞬时值。 对模拟信号的抽样是由抽样电路完成的。抽样每隔一定的时间间隔 T，在抽样器上 介入一个抽样脉冲，通过抽样脉冲控制抽样器的开关电路；如下图所示，通过抽样电路 取出话音信号的瞬时电压值，即抽样值，抽样后的信号称为抽样信号。显然它是脉冲幅 度调制（PAM）信号，其幅度的取值是连续的，不能用有限数字来表示，因此抽样信号 仍是模拟信号，而不是数字信号。 语音信号是抽样的，信号所占用的时间被压缩了，这就奠定了时分复用的基础，同 取样 量化 编码 信道 解码 低通
时抽样后为数字化提供了条件。要使抽样后的PAM信号在接收端能不失真的恢复为原语音信号，必须满足抽样定理。m(0)原始模拟信号周期抽样脉冲抽样信号抽样信号语音信号的抽样抽样定理：传送限带连续信号时，只要传送信号的单个抽样值（脉冲）的序列就足够了。这样抽样值的幅度等于连续信号在该时刻的瞬时值，而重复频率至少等于所传信号最高频率的2倍。电话通信话音信号频率为300Hz~3.4kHz，则抽样频率必须不小于6.8kHz，目前，PCM通信通常采用的是8kHz的抽样频率，即每秒取样8000次，因此抽样周期为1/8000=125μs。S2.3抽样信号的量化和编译码1量化：将抽样值用有限个“量”来表示的过程就叫做量化。要对抽样信号进行编码，必须先对抽样信号进行量化，量化就是分层或分级，然后采用类似四舍五入的方法，将各级之间的样值用靠近它的级的值代替。在量化的示意图中，将信号归纳为0，1，2...7，共8级，并规定：小于0.5为0级：0.5~1.5之间为1级，大于6.5的为7级。这样抽样信号的每一个样值的幅度必须归纳到0，1，2...7级中的某一级。这样就完成了幅度的离散化。在这里的每一级称为量化级。量化方法通常有3种：舍去型、补足性、四舍五入型。（如书）2量化噪声和压扩特性量化后的信号与抽样的信号有一个差值，这个差值是由于量化过程所造成的误差，成为“量化误差”。对于语音这种随机信号，量化误差也是随机的，它像噪声一样影响通信质量，因此又称为“量化噪声”。量化间隔若是均匀的，则称为均匀量化，若是不均匀的，则称为非均匀量化。实践证明，如果采用均匀量化时。对幅度大的信号和幅度小的信号采用相同的量化级，因此当大的信号的信噪比达到要求时，对小信号就达不到要求。在这里介绍一下信噪比13
13 时抽样后为数字化提供了条件。要使抽样后的 PAM 信号在接收端能不失真的恢复为原 语音信号，必须满足抽样定理。 t t t 抽样信号 周期 T 原始模拟信号 抽样脉冲 抽样信号 m t( ) 语音信号的抽样 ▲抽样定理：传送限带连续信号时，只要传送信号的单个抽样值（脉冲）的序列就 足够了。这样抽样值的幅度等于连续信号在该时刻的瞬时值，而重复频率至少等于 所传信号最高频率的 2 倍。 电话通信话音信号频率为 300Hz~3.4kHz，则抽样频率必须不小于 6.8kHz，目前， PCM 通信通常采用的是 8kHz 的抽样频率，即每秒取样 8000 次，因此抽样周期为 1/8000=125µs。 §2.3 抽样信号的量化和编译码 1 量化：将抽样值用有限个“量”来表示的过程就叫做量化。 要对抽样信号进行编码，必须先对抽样信号进行量化，量化就是分层或分级， 然后采用类似四舍五入的方法，将各级之间的样值用靠近它的级的值代替。 在量化的示意图中，将信号归纳为 0，1，2.7，共 8 级，并规定：小于 0.5 为 0 级；0.5~1.5 之间为 1 级，.大于 6.5 的为 7 级。这样抽样信号的每一个样值的幅 度必须归纳到 0，1，2.7 级中的某一级。这样就完成了幅度的离散化。在这里的每 一级称为量化级。 量化方法通常有 3 种：舍去型、补足性、四舍五入型。（如书） 2 量化噪声和压扩特性 量化后的信号与抽样的信号有一个差值，这个差值是由于量化过程所造成的误差， 成为“量化误差”。对于语音这种随机信号，量化误差也是随机的，它像噪声一样影响 通信质量，因此又称为“量化噪声”。 量化间隔若是均匀的，则称为均匀量化，若是不均匀的，则称为非均匀量化。 实践证明，如果采用均匀量化时。对幅度大的信号和幅度小的信号采用相同的量化级， 因此当大的信号的信噪比达到要求时，对小信号就达不到要求。在这里介绍一下信噪比
的概念：信噪比是通信上用来衡量通信质量的一个重要指标。它是这样表示的：信噪比01g信号（单位：dB)。一般要求信噪比大于26dB。显然小信号由于量化噪声大而达不=10噪声到这个要求。因此要求减小小信号的量化噪声，可以采取两种方法：（1）将量化级差分得更细一点，这样可以减小量化误差，但它需要更多位的编码及更高的码速，且需要更高要求的编码器。这样做不太合算。(2）采用不均匀量化分组，就是说将小信号的量化级差分得更细一点，将大信号的量化级差分得粗一点。这样可以保证在原来的量化级数下将信噪比做的都高于26dB。这种方法叫做“压缩扩张法”，简称“压扩法”。非均匀量化是改善小信号信噪比的一种措施，它的原理如图所示：非均匀量化信道均匀编码低通量化压缩扩张(a)网网压缩特性压缩输出扩张输出B扩张特性BN压缩输入扩张输入AZ7ADZBEB(b)(c)非均匀量化的原理示意图非均匀量化的实现，是在均匀量化之前，先使抽样值经过一个压缩器，这一压缩器的输入输出特性是一个向上凸的特性曲线，这一压缩特性使得小信号的幅度得到较大的放大，见图（b），然后再去量化，这将使小信号的量化误差相对的减少，而使小信号的信噪比得到较大的改善，压缩是对大信号的幅度进行了压缩。因此经过压缩器后，大、小信号两者的相对值减小了，使信号在整个动态范围内的信噪比基本上相差不多。经过压缩、量化和编码后的PCM信号，在接收端需要经过扩张器。扩张器的扩张特性与压缩器特性相反，见图（c）。在实际应用中广泛采用两种对数形式的压缩特性：即A律和μ律。A律通用于欧洲，μ律通用于北美和日本。我国采用的是A律。A律特性如图所示，14
14 的概念：信噪比是通信上用来衡量通信质量的一个重要指标。它是这样表示的：信噪比 = 噪声 信号 10lg (单位：dB)。一般要求信噪比大于 26dB。显然小信号由于量化噪声大而达不 到这个要求。因此要求减小小信号的量化噪声，可以采取两种方法： （1） 将量化级差分得更细一点，这样可以减小量化误差，但它需要更多位的编码 及更高的码速，且需要更高要求的编码器。这样做不太合算。 （2） 采用不均匀量化分组，就是说将小信号的量化级差分得更细一点，将大信号 的量化级差分得粗一点。这样可以保证 在原来的量化级数下将信噪比做的 都高于 26 dB。这种方法叫做“压缩扩张法”，简称“压扩法”。非均匀量化 是改善小信号信噪比的一种措施，它的原理如图所示： 均匀 量化 编码 低通 压缩 扩张 非均匀量化 信道 （a） 压缩输入 压缩特性 压缩输出 A B 扩张输入 扩张特性 扩张输出 A B A A B B （b） （c） 非均匀量化的原理示意图 非均匀量化的实现，是在均匀量化之前，先使抽样值经过一个压缩器，这一压缩器 的输入输出特性是一个向上凸的特性曲线，这一压缩特性使得小信号的幅度得到较大的 放大，见图（b），然后再去量化，这将使小信号的量化误差相对的减少，而使小信号的 信噪比得到较大的改善，压缩是对大信号的幅度进行了压缩。因此经过压缩器后，大、 小信号两者的相对值减小了，使信号在整个动态范围内的信噪比基本上相差不多。经过 压缩、量化和编码后的 PCM 信号，在接收端需要经过扩张器。扩张器的扩张特性与压 缩器特性相反，见图（c）。 在实际应用中广泛采用两种对数形式的压缩特性：即 A 律和 µ 律。 A 律通用于欧洲，µ 律通用于北美和日本。我国采用的是 A 律。A 律特性如图所示
它由OC段和cd段组成，A律的输入电压u和输出电压μ,的关系如下式：Aux1（小信号）0≤H≤uy1+h AAIn A1≤μ≤1（大信号）μ,=1+nAA以上两式只表示位于第一象限的曲线，对于时的情况，只要把第一象限的曲线按原来对称的关系在第三象限画出即可。duA根据上述关系式，可计算得出在原点的斜率1+In Adu,若令斜率为16，则得出A=87.6，称之为A律的压扩常数。实际应用中的A律特性是用13折线近似来实现。图2.813折线压缩特性可以看出，对大信号的分段粗，对小信号的分段细，这样就提高了小信号时的信噪比，使其满足26dB的指标。μ律：压缩系数：μ=255，可用15折线来近似。北美的24路制式的PCM设备采用。3编码（对于PCM32系统中，采用8位码表示一个样值，最高位是极性码，剩下的7位对应128个量化级，由于抽样频率为8000Hz，每个抽样值编码为8位二进制码，所以传输速率为64kbit/s，这是程控数字交换机中的基本交换单位）编码就是量化后抽样点的幅值分别用相应的代码来表示。代码的种类很多，在通信技术中常见的编码就是用一组二进制码来代表量化后的样值、N位二进制码元能代表2N个数值，选择适当的N，总可以代表有限个数值。警如上图量化级为8级，用三位二进制码元来表示。15
15 它由 OC 段和 cd 段组成，A 律的输入电压 x 和输出电压 y 的关系如下式： A A x y 1+ ln = A x 1 0 （小信号） A A x y 1 ln ln + = 1 1 x A （大信号） 以上两式只表示位于第一象限的曲线，对于 时的情况，只要把第一象限的 曲线按原来对称的关系在第三象限画出即可。 根据上述关系式，可计算得出在原点的斜率 A A x y d d x 1 ln 0 + = = 若令斜率为 16，则得出 A=87.6，称之为 A 律的压扩常数。 实际应用中的 A 律特性是用 13 折线近似来实现。 图 2.8 13 折线压缩特性 可以看出，对大信号的分段粗，对小信号的分段细，这样就提高了小信号时的信噪比， 使其满足 26dB 的指标。 µ 律：压缩系数：µ=255，可用 15 折线来近似。北美的 24 路制式的 PCM 设备采用。 3 编码 （对于 PCM32 系统中，采用 8 位码表示一个样值，最高位是极性码，剩下的 7 位对 应 128 个量化级，由于抽样频率为 8000Hz，每个抽样值编码为 8 位二进制码，所以 传输速率为 64kbit/s，这是程控数字交换机中的基本交换单位） 编码就是量化后抽样点的幅值分别用相应的代码来表示。代码的种类很多，在 通信技术中常见的编码就是用一组二进制码来代表量化后的样值、N 位二进制码元 能代表 2 N 个数值，选择适当的 N，总可以代表有限个数值。譬如上图量化级为 8 级， 用三位二进制码元来表示