数字通信原理07-电话通信系统课件

第第7章章 电话通通信信系系统 电话通信是利用电的方法传送人的语言并完成远距离语音电话通信是利用电的方法传送人的语言并完成远距离语音通信的过程。一般使用的固定电话为模拟电话终端，通过通信的过程。一般使用的固定电话为模拟电话终端，通过用户线连接到交换机，交换机之间中继线传输的是数字信用户线连接到交换机，交换机之间中继线传输的是数字信号。号。电话通信过程要经过模拟信号与数字信号之间的转换，电电话通信过程要经过模拟信号与数字信号之间的转换，电话通信过程包括发送端的模话通信过程包括发送端的模/数（数（A/D）变换、信道传输和）变换、信道传输和接收端的数接收端的数/模（模（D/A）变换三部分。）变换三部分。7.17.1电话通信系统概述电话通信系统概述7.1.1 PCM7.1.1 PCM电话通信系统电话通信系统第7章 电话通信系统 电话通信是利用电的方法传送人的语言并完采用采用PCM脉冲编码调制技术将模拟信号转换脉冲编码调制技术将模拟信号转换为数字信号的固定电话通信系统结构如图为数字信号的固定电话通信系统结构如图7-1所示。所示。采用PCM脉冲编码调制技术将模拟信号转换为数字信号的固定电话1信信源源和和信信宿宿信源是信息的发送者，信宿是信息的接收者，信源是信息的发送者，信宿是信息的接收者，电话通信中的信源和信宿就是通话的双方或电话通信中的信源和信宿就是通话的双方或多方，终端设备就是各式各样的电话机。多方，终端设备就是各式各样的电话机。1信源和信宿信源是信息的发送者，信宿是信息的接收者，电话通2非非电/电转换和和电/非非电转换在发送端，通过电话机的受话器将信源发出在发送端，通过电话机的受话器将信源发出的声音信号转换为电信号，送到用户线进行的声音信号转换为电信号，送到用户线进行传输，这就是非电传输，这就是非电/电转换或者声电转换或者声/电转换。电转换。在接收端，通过电话机的送话器将收到的电在接收端，通过电话机的送话器将收到的电信号转换为声音信号，送给信宿，这就是电信号转换为声音信号，送给信宿，这就是电/非电转换或者电非电转换或者电/声转换。声转换。2非电/电转换和电/非电转换在发送端，通过电话机的受话器将3信信源源编码和和信信源源译码由于话音信号为模拟信号，要经过由于话音信号为模拟信号，要经过A/D变换变换成数字信号。经过抽样将时间上连续的信号成数字信号。经过抽样将时间上连续的信号变成时间上离散的信号，然后经过量化和编变成时间上离散的信号，然后经过量化和编码，将信号的幅值也离散化，也就变成了数码，将信号的幅值也离散化，也就变成了数字信号，这实际上是信源编码的过程，在电字信号，这实际上是信源编码的过程，在电话通信中，信源编码一般采用的是话通信中，信源编码一般采用的是PCM编码。编码。在接收端，需要将数字信号经在接收端，需要将数字信号经D/A变换成模变换成模拟信号，这是信源译码的过程，具体如下。拟信号，这是信源译码的过程，具体如下。（1）再生、解码）再生、解码（2）低通滤波（平滑）低通滤波（平滑）3信源编码和信源译码由于话音信号为模拟信号，要经过A/D变4码型型正正变换和和反反变换PCM编码器输出的信号码型含有较多的直流编码器输出的信号码型含有较多的直流和低频成分，而通信电路中有很多的电感性和低频成分，而通信电路中有很多的电感性原件，不利于长距离传输，所以需要通过码原件，不利于长距离传输，所以需要通过码型变换转换成适合信道传输的线路码型。接型变换转换成适合信道传输的线路码型。接收端收到数字信号后，首先经整形再生，然收端收到数字信号后，首先经整形再生，然后将线路码型反变换为终端设备处理的码型，后将线路码型反变换为终端设备处理的码型，送至解码电路。送至解码电路。4码型正变换和反变换PCM编码器输出的信号码型含有较多的直5调制制与与解解调PCM编码后的信号为基带信号，如果信道为编码后的信号为基带信号，如果信道为基带传输媒介时，则可以直接传输，不需要基带传输媒介时，则可以直接传输，不需要调制，如果信道为频带传输媒介时，在发送调制，如果信道为频带传输媒介时，在发送端，需要将基带信号调制变成频带信号送往端，需要将基带信号调制变成频带信号送往信道进行传输。到达接收端，将频带信号解信道进行传输。到达接收端，将频带信号解调恢复出基带信号。调恢复出基带信号。5调制与解调PCM编码后的信号为基带信号，如果信道为基带传6信信道道传输与与再再生生中中继数字信号在信道上传输的过程中会受到衰减数字信号在信道上传输的过程中会受到衰减和噪声干扰的影响，使得波形失真。而且随和噪声干扰的影响，使得波形失真。而且随着通信距离的加长，接收信噪比下降，误码着通信距离的加长，接收信噪比下降，误码增加，通信质量下降。因此，在信道上每隔增加，通信质量下降。因此，在信道上每隔一段距离就要对数字信号波形进行一次一段距离就要对数字信号波形进行一次“修修整整”，再生出与原发送信号相同的波形，然，再生出与原发送信号相同的波形，然后再进行传输。后再进行传输。6信道传输与再生中继数字信号在信道上传输的过程中会受到衰减7.1.2 PCM30/32基基群群传输我国采用的是我国采用的是30/32路路PCM基群结构，每一基群结构，每一路信号占用不同的时间位置，我们称为时隙，路信号占用不同的时间位置，我们称为时隙，用用TS0，TS1，TS2TS31表示。表示。TS0用于传同步码、监视码、对端告警码组用于传同步码、监视码、对端告警码组（简称对告码）；（简称对告码）；TS16用于传信令码；用于传信令码；TS1TS15传前传前15个话路的语音数字码，个话路的语音数字码，TS17TS31传后传后15个话路的语音数字码。个话路的语音数字码。在在32个时隙中只有个时隙中只有30个时隙用于传输语音，个时隙用于传输语音，称为称为30话路，记作话路，记作PCM30/32。7.1.2 PCM30/32基群传输我国采用的是30/32路PCM30/32路系统帧结构中时隙分配如图路系统帧结构中时隙分配如图7-2所示。所示。PCM30/32路系统帧结构中时隙分配如图7-2所示。PCM30/32的每一帧占用的时间是的每一帧占用的时间是125s，每，每帧的频率为帧的频率为8000帧帧/秒。一帧包含秒。一帧包含32个时隙，个时隙，则每一路时隙所占用的时间为则每一路时隙所占用的时间为3.9s，包含，包含8bit，则，则PCM30/32路系统的总数码率路系统的总数码率fb=8000帧帧/秒秒32路时隙路时隙/帧帧8比特比特/路时隙路时隙 2048kbit/s=2.048Mbit/s而每一路的数码率则为而每一路的数码率则为8bit8000/s=64kbit/sPCM30/32的每一帧占用的时间是125s，每帧的频率为为了使收发两端严格同步，每帧都要传送一组特定标志的帧同步码组或为了使收发两端严格同步，每帧都要传送一组特定标志的帧同步码组或监视码组。帧同步码组为监视码组。帧同步码组为“0011011”，占用偶帧，占用偶帧TS0的第的第28码位。码位。第第l比特供国际通信用，不使用时发送比特供国际通信用，不使用时发送“1”码。在奇帧中，第码。在奇帧中，第3位为帧位为帧失步告警用，同步时送失步告警用，同步时送“0”码，失步时送码，失步时送“1”码。为避免奇码。为避免奇TS0的第的第28码位出现假同步码组，第码位出现假同步码组，第2位码规定为监视码，固定为位码规定为监视码，固定为“1”，第，第48位码为国内通信用，目前暂定为位码为国内通信用，目前暂定为“1”。TS16时隙用于传送各话路的标志信号码，标志信号按复帧传输，即每时隙用于传送各话路的标志信号码，标志信号按复帧传输，即每隔隔2ms传输一次，一个复帧有传输一次，一个复帧有16个帧，即有个帧，即有16个个TS16时隙时隙（8位码组）。位码组）。除了除了F0之外，其余之外，其余FlF15用来传送用来传送30个话路的标志信号。每帧个话路的标志信号。每帧8位码位码组可以传送组可以传送2个话路的标志信号，每路标志信号占个话路的标志信号，每路标志信号占4个比特，以个比特，以a、b、c、d表示。表示。TS16时隙的时隙的F0为复帧定位码组，其中第一至第四位是复帧定位为复帧定位码组，其中第一至第四位是复帧定位码组本身，编码为码组本身，编码为“0000”，第六位用于复帧失步告警指示，失步为，第六位用于复帧失步告警指示，失步为“l”；同步为；同步为“0”，其余，其余3bit为备用比特，如不用则为为备用比特，如不用则为“l”。需要。需要说明的是标志信号码说明的是标志信号码a、b、c、d不能为全不能为全“0”，否则就会和复帧定位，否则就会和复帧定位码组混淆了。码组混淆了。为了使收发两端严格同步，每帧都要传送一组特定标志的帧同步码组集中编码方式集中编码方式PCM30/32路系统端机结构如路系统端机结构如图图7-3所示。所示。集中编码方式PCM30/32路系统端机结构如图7-3所示。7.1.3 数数字字复复接接数字复接是将几个经数字复接是将几个经PCM复用后的数字信号复用后的数字信号再进行时分复用，形成更多路的数字通信系再进行时分复用，形成更多路的数字通信系统。统。目前国际上有两种标准系列与速率，我国和目前国际上有两种标准系列与速率，我国和欧洲等国采用欧洲等国采用PCM30/32路，路，2.048Mbit/s作作为一次群；日本、美国采用为一次群；日本、美国采用24路，路，1.544Mbit/s作为一次群；然后，分别以一次作为一次群；然后，分别以一次群为基础，构成更高速率的二、三、四群，群为基础，构成更高速率的二、三、四群，如表如表7-1所示。所示。7.1.3 数字复接数字复接是将几个经PCM复用后的数字信号表7-1 两种数字复接标准表表7-1 两种数字复接标准表复接方法有按位复接、按字节复接和按路复接三种方式，复接方法有按位复接、按字节复接和按路复接三种方式，如图如图7-4所示。所示。按字复接是每次复接各低次群（支路）的一个码字形成高按字复接是每次复接各低次群（支路）的一个码字形成高次群。次群。按帧复接是每次复接一个支路的一个帧（一帧含有按帧复接是每次复接一个支路的一个帧（一帧含有256bit。复接方法有按位复接、按字节复接和按路复接三种方式，如图7-4从复接信号时钟是否相同的角度，数字复接分为同步复接和异步复接。从复接信号时钟是否相同的角度，数字复接分为同步复接和异步复接。如果被复接支路的时钟都是由同一个主振荡源所供给的，这时的复接就如果被复接支路的时钟都是由同一个主振荡源所供给的，这时的复接就是同步时钟复接。是同步时钟复接。异步时钟复接也叫准同步复接，指的是参与复接的各支路码流时钟不是异步时钟复接也叫准同步复接，指的是参与复接的各支路码流时钟不是出于同一时钟源。对异源基群信号的复接首先要解决的问题就是使被复出于同一时钟源。对异源基群信号的复接首先要解决的问题就是使被复接的各基群信号在复接前有相同的数码率，这一过程叫做码速调整，如接的各基群信号在复接前有相同的数码率，这一过程叫做码速调整，如图图7-5所示。所示。从复接信号时钟是否相同的角度，数字复接分为同步复接和异步复接7.2 电话通通信信系系统的的编码调制制技技术语音信号编码的目的是以数字信号的形式来语音信号编码的目的是以数字信号的形式来传递消息。传递消息。电话通信中的信源编码采用的是电话通信中的信源编码采用的是PCM编码，编码，经过抽样、量化和编码实现经过抽样、量化和编码实现A/D变换，关于变换，关于PCM的知识参见第五章编码部分内容。的知识参见第五章编码部分内容。PCM编码后的码型为单极性不归零码，不利编码后的码型为单极性不归零码，不利于信道传输。现有的数字电话系统属于基带于信道传输。现有的数字电话系统属于基带系统，系统，PCM信源编码后采用信源编码后采用AMI码、码、HDB3码、码、CMI码进行基带传输，码进行基带传输，PCM的接口码型的接口码型如表如表7-2所示。所示。7.2 电话通信系统的编码调制技术语音信号编码的目的是以数字表7-2 PCM接口码型一览表表7-2 PCM接口码型一览表7.3电话通通信信系系统的的同同步步技技术 7.3.1 定定时系系统1 1定时脉冲定时脉冲PCM基群发定时系统提供的脉冲主要有：供编码与解码基群发定时系统提供的脉冲主要有：供编码与解码用的位脉冲、供抽样与分路用的抽样脉冲、供标志信号用用的位脉冲、供抽样与分路用的抽样脉冲、供标志信号用的复帧脉冲等，具体的如表的复帧脉冲等，具体的如表7-3所示。所示。表表7-3 PCM30/32路系统发端定时脉冲表路系统发端定时脉冲表7.3电话通信系统的同步技术7.3.1 定时系统1定时脉（1）时钟脉冲）时钟脉冲时钟频率的频率稳定度一般要求小于时钟频率的频率稳定度一般要求小于50106，即允许，即允许2048kHz的误差的误差应在应在100kHz以内，其占空比为以内，其占空比为50，即脉冲宽度占重复周期的一半。，即脉冲宽度占重复周期的一半。（2）位脉冲）位脉冲位脉冲用于编码、解码以及产生路脉冲、帧同步码和标志信号码等。位脉冲用于编码、解码以及产生路脉冲、帧同步码和标志信号码等。（3）路脉冲）路脉冲路脉冲是用于各话路信号的抽样和分路以及路脉冲是用于各话路信号的抽样和分路以及TS0、TS16路时隙脉冲的形路时隙脉冲的形成等。成等。（）路时隙与复帧脉冲（）路时隙与复帧脉冲TS0路时隙脉冲用来传送帧同步码；路时隙脉冲用来传送帧同步码；TS16路时隙脉冲用来传送标志信号路时隙脉冲用来传送标志信号码。码。TS0、TS16路时隙脉冲的重复频率为路时隙脉冲的重复频率为kHz，脉宽为，脉宽为bit，0.488s8=3.91s。（1）时钟脉冲2.发定定时系系统发定时脉冲可由振荡器产生，如图发定时脉冲可由振荡器产生，如图7-6所示，所示，也可以跟随外部基准时钟。也可以跟随外部基准时钟。2.发定时系统发定时脉冲可由振荡器产生，如图7-6所示，也可3.收收定定时系系统接收端定时系统与发送端定时系统基本相同，接收端定时系统与发送端定时系统基本相同，不同之处是它没有主时钟源（晶体震荡器），不同之处是它没有主时钟源（晶体震荡器），而是由时钟提取电路代替，如图而是由时钟提取电路代替，如图7-7所示。所示。3.收定时系统接收端定时系统与发送端定时系统基本相同，不同之7.3.2 同同步步系系统为了保证在接收端能正确地接收或者能正确为了保证在接收端能正确地接收或者能正确地区分每一路语音信号，时分多路复用系统地区分每一路语音信号，时分多路复用系统中的接收端和发送端要做到同步，这种同步中的接收端和发送端要做到同步，这种同步主要包括位同步（即时钟同步）和帧同步。主要包括位同步（即时钟同步）和帧同步。7.3.2 同步系统为了保证在接收端能正确地接收或者能正确地1位位同同步步位同步就是比特同步，是数字通信中最基本的同步，也是位同步就是比特同步，是数字通信中最基本的同步，也是实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发两端的定实现帧同步的前提。位同步的基本含义是收、发两端的定时系统时钟频率必须同频同相，这样接收端才能正确接收时系统时钟频率必须同频同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个比特，否则接收到的信号中会和判决发送端送来的每一个比特，否则接收到的信号中会产生滑动，形成误码，影响收发双方信息的一致性。产生滑动，形成误码，影响收发双方信息的一致性。位同步解决了接收端始终与接收信码之间的同频同相问题，位同步解决了接收端始终与接收信码之间的同频同相问题，这样就能使收到的信码获得正确的判决。但是正确判决后这样就能使收到的信码获得正确的判决。但是正确判决后的信码流是一串无头无尾的信码流，接收端无法判断出收的信码流是一串无头无尾的信码流，接收端无法判断出收到的信码流中某一位码是第几个话路的第几位码，即不能到的信码流中某一位码是第几个话路的第几位码，即不能正确恢复发送端送来的语音信号。正确恢复发送端送来的语音信号。1位同步位同步就是比特同步，是数字通信中最基本的同步，也是2帧同同步步在在PCM30/32路系统中，在一个抽样周期内，要依次发送出路系统中，在一个抽样周期内，要依次发送出CH1CH30路的语音信号，构成一帧。为了在接收端能够路的语音信号，构成一帧。为了在接收端能够辨认出每一帧的起止位置，在发送端必须提供每帧的起止辨认出每一帧的起止位置，在发送端必须提供每帧的起止标志，这就是帧同步。帧同步的目的是要求接收端与发送标志，这就是帧同步。帧同步的目的是要求接收端与发送端相应的话路在时间上要对准，就是要从收到的信码流中端相应的话路在时间上要对准，就是要从收到的信码流中分辨出哪分辨出哪8位是一个样值的码字，以便正确地解码；还要能位是一个样值的码字，以便正确地解码；还要能分辨出这分辨出这8位码是哪一个话路以便正确分路。位码是哪一个话路以便正确分路。为了做到帧同步，要求在每个帧的第一个时隙位置安排标为了做到帧同步，要求在每个帧的第一个时隙位置安排标志码，即帧同步码，以使接收端能识别判断帧的开始位置志码，即帧同步码，以使接收端能识别判断帧的开始位置是否与发送端的位置相对应。因为每一帧内各信号的位置是否与发送端的位置相对应。因为每一帧内各信号的位置是固定的，如果能把每帧的首尾辨别出来，就可以正确区是固定的，如果能把每帧的首尾辨别出来，就可以正确区分每一路信号，即实现帧同步。分每一路信号，即实现帧同步。2帧同步在PCM30/32路系统中，在一个抽样周期内，要依偶帧偶帧F0，F2，F14的的TS0用于传送帧同用于传送帧同步码，其码型为步码，其码型为0011011。奇帧。奇帧TS0时隙时隙码型为码型为1A1SSSSS，其中，其中A1是对端告警码，是对端告警码，A1=0时表示帧同步，时表示帧同步，A1=1时表示帧失步；时表示帧失步；S为备用比特，可用来传送业务码。为备用比特，可用来传送业务码。TS16为信为信令时隙，用于传送复帧同步信号、复帧失步令时隙，用于传送复帧同步信号、复帧失步对告及各路的信令（挂机、拨号、占用等）对告及各路的信令（挂机、拨号、占用等）信号。信号。偶帧F0，F2，F14的TS0用于传送帧同步码，其码型为PCM复用系统为了完成帧同步功能，在接收端还需要有两复用系统为了完成帧同步功能，在接收端还需要有两种装置：一是同步码识别装置，二是调整装置。种装置：一是同步码识别装置，二是调整装置。同步码识别装置用来识别接收的同步码识别装置用来识别接收的PCM信号序列中的同步标信号序列中的同步标志码位置；调整装置，当收、发两端同步标志码位置不对志码位置；调整装置，当收、发两端同步标志码位置不对应时，需对接收端进行调整以使其两者位置相对应。这些应时，需对接收端进行调整以使其两者位置相对应。这些装置统称为帧同步电路，如图装置统称为帧同步电路，如图7-8所示。所示。PCM复用系统为了完成帧同步功能，在接收端还需要有两种装置：3.帧同同步步系系统中中的的保保护电路路为了减少系统工作中出现假失步的现象，避为了减少系统工作中出现假失步的现象，避免误判，一般系统中并不是将一次比较结果免误判，一般系统中并不是将一次比较结果就作为是否失步的判决依据，而是连续观察就作为是否失步的判决依据，而是连续观察几次比较结果，如果几次都不能对准信号序几次比较结果，如果几次都不能对准信号序列中的同步码时才确认为失步。将多次比较列中的同步码时才确认为失步。将多次比较结果作为判决依据是通过保护电路来实现的，结果作为判决依据是通过保护电路来实现的，帧同步系统中的保护电路分为前方保护和后帧同步系统中的保护电路分为前方保护和后方保护两种。方保护两种。3.帧同步系统中的保护电路为了减少系统工作中出现假失步的现（1）前方保护）前方保护PCM30/32路系统的帧同步码是采用集中插入方式实现的，路系统的帧同步码是采用集中插入方式实现的，前方保护是为了防止假失步。前方保护是为了防止假失步。（2）后方保护）后方保护后方保护是为防止伪同步，从捕捉到第一个真正的同步码后方保护是为防止伪同步，从捕捉到第一个真正的同步码到系统进入同步状态这段时间称为后方保护时间。到系统进入同步状态这段时间称为后方保护时间。ITU-T的的G.732建议规定：在捕捉过程中捕捉到的帧同步码要具有以建议规定：在捕捉过程中捕捉到的帧同步码要具有以下规律。下规律。在第在第n帧帧TS0时隙检测到帧同步码；时隙检测到帧同步码；在第在第n+1帧帧TS0时隙无帧同步码，但该时隙无帧同步码，但该TS0时隙时隙的第的第2位为位为“1”；在第在第n+2帧帧TS0时隙再次检测到帧同步码。时隙再次检测到帧同步码。（1）前方保护7.4电话通通信信系系统仿仿真真在将语音信号进行在将语音信号进行A/D转换时，除了利用脉转换时，除了利用脉冲编码调制（冲编码调制（PCM）技术，另外还会用到增）技术，另外还会用到增量调制（量调制（M或或DM）。）。PCM 中，代码表示样值本身的大小，所需中，代码表示样值本身的大小，所需码位数较多，导致编译码设备复杂；而在码位数较多，导致编译码设备复杂；而在M中，它只用一位编码表示相邻样值的相中，它只用一位编码表示相邻样值的相对大小，从而反映抽样时刻波形的变化趋势，对大小，从而反映抽样时刻波形的变化趋势，而与样值本身的大小无关。编译码设备简单、而与样值本身的大小无关。编译码设备简单、低比特率时的量化信噪比高，以及抗误码特低比特率时的量化信噪比高，以及抗误码特性好等优点。性好等优点。增量调制仿真模型如图增量调制仿真模型如图7-9所示。所示。7.4电话通信系统仿真在将语音信号进行A/D转换时，除了利用数字通信原理07-电话通信系统课件表表7-4 增量增量调制仿真模型制仿真模型图中各中各图符参数符参数设置表置表表7-4 增量调制仿真模型图中各图符参数设置表增量调制波形如图增量调制波形如图7-10所示。所示。增量调制波形如图7-10所示。7.5实做做项目目与与教教学学情情境境实做项目一：实做项目一：用用SystemView软件仿真软件仿真HDB3码。码。目的要求：通过仿真，理解码型的形成和特点。目的要求：通过仿真，理解码型的形成和特点。实做项目二：用实做项目二：用SystemView软件进行电话通信系统仿真。软件进行电话通信系统仿真。目的要求：通过软件仿真，直观了解电话通信信号流程，目的要求：通过软件仿真，直观了解电话通信信号流程，理解电话通信原理。理解电话通信原理。7.5实做项目与教学情境实做项目一：用SystemView