现代通信新技术

*,*,Communication,现代通信新技术,通知：下周停课一次（顺延）,2024/9/21,1,第二章：信息处理技术基础,语音处理和交换,语音数字化处理,程控数字交换机,语音的压缩处理,通知：下周停课一次（顺延）,2024/9/21,2,音频信息主要是指由自然界中各种音源发出的可闻声和由计算机通过专门设备合成的语音或音乐。,音频信号,2024/9/21,3,音频信号特性,音频信号是随时间变化的,连续媒体,，对音频信号的处理要求有比较强的,时序性,，即较小的延时和时延抖动。,不同类型的发声体其声音信号的,频谱,分布各不相同。语音的主要能量分布较窄，大概为,100Hz,5kHz,；歌唱声的频谱要宽的多，大概为,82Hz,10kHz,；各种乐器发声的频谱范围一般要到,20,20kHz,。,声音信号的,强度,在一个范围内随时随刻发生着改变，声音信号的动态范围：语音信号大概有,20,40,分贝的动态范围；交响乐、戏剧等声音的动态范围可高达,60,80,分贝。,音频信号,2024/9/21,4,人的听觉特性,人对声音强弱的感觉,人对声音频率的感觉,人类听觉的频响特性,人类听觉的掩蔽效应,音频信号,2024/9/21,5,普通电话业务,普通电话业务是发明最早和应用最为普及的一种通信业务，它在基于电路交换原理的电话交换网络支持下，提供人们最基本的点到点语音（,300-3400Hz,）通信功能。,根据通信距离和覆盖范围电话业务可分为市话业务、国内长途业务和国际长途业务。,现在还可以为用户提供来电显示、三方通话、转移呼叫、会议电话、短消息收发等增值功能。还可以提供传真、互联网拨号接入等功能。,智能网业务,IP,电话,音频业务,2024/9/21,6,话音业务将成为标准化的廉价日用品,2009,年（？），所有技术（,PSTN/VOIP/,移动）所有距离的话音业务都将是标准价，不限时的包月制语音价格将是,PSTN,和,VOIP,的标准模式,话音业务走向无线化,2009,年（？），,75,的呼出分钟由移动发起（,04,年为,20,）,2009,年（？），,35,目前的消费类,PSTN,用户（,4,亿）将停止使用传统的固话，而只要靠移动或,VOIP,业务,话音业务收入将继续下降,2009,年（？），消费类,PSTN,业务收入将降低,40,2010,年前，低成本话音将是,3G,的主要驱动力,2010,年，,3G,话音价格将比主导的,2G,语音便宜,50%,话音业务的命运,音频业务,2024/9/21,7,语音数字化,的目的：便于,传输,或,存储,音频信号的数字化,对传输的语音数字化通常采用,PCM,方法：,PCM:,脉冲编码调制（,Pulse Coded Modulation,） ，简称脉码调制，指一种利用一系列数字采样来表示音频信号的方法。,2024/9/21,8,PCM,过程包括：,抽样、量化、编码,语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：,1,）采样,按一定间隔对语音信号进行采样,2,）量化,对每个样本舍入到量化级别上,3,）编码,对每个舍入后的样本进行编码,脉冲编码调制,(PCM),的原理,模拟话音,采样时钟,PAM,信号,PCM,信号,抽样电路,量化和编码,数字化声音,2024/9/21,9,3.2,3.9,2.8,3.4,1.2,4.2,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,100,原始信号,PAM,脉冲,PCM,脉冲,（有量化误差）,1001100,PCM,输出,脉冲编码调制,(PCM),的原理,2024/9/21,10,脉冲编码调制,(PCM),基本原理,奈奎斯特定理（采样定理）：,如果连续变化的模拟信号最高频率为,F,，若以,2F,的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。,-话音信道带宽 2倍话音最大频率),-量化级数：256级 (8位二进制码表示),-数据率：8000次/s*8bit = 64Kb/s,每路PCM信号的速率 = 64Kbps,模拟话音,采样时钟,PAM,信号,PCM,信号,抽样电路,量化和编码,数字化声音,2024/9/21,11,对小信号采用小的量化间隔，对大信号采用大的量化间隔，这样可以用较少的位数编码。,对大信号来说，虽然绝对量化误差较大，但是因为：（,1,）大信号出现的机会不多，（,2,）信噪比（相对误差）与小信号是一致的，所以对总的话音质量影响不大。,非均匀量化也是一种压缩,*PCM,非均匀量化,2024/9/21,12,A,律：,13,折线,u,律：,15,折线,*,PCM,折线近似,2024/9/21,13,*,PCM,编码规则,2024/9/21,14,A,律,(A-Law),压扩,(G.711),主要用在欧洲和,中国大陆,等地区的数字电话通信中,律,(,-Law),压扩,(G.711),主要用在北美和日本等地区的数字电话通信中。,对于采样频率为,8 kHz,，样本精度为,13,位、,14,位或者,16,位的输入信号，使用,m,律压扩编码或者使用,A,律压扩编码，经过,PCM,编码器之后每个样本的精度为,8,位，输出的数据率为,64 kb/s,。这个数据就是,CCITT,推荐的,G.711,标准。,*PCM,非均匀量化的应用,2024/9/21,15,量化图示,*,曾量调制,-,音乐保真,2024/9/21,16,*,A,律,PCM 30/32,基群帧结构,速率,：,X,Y,2048Kb/s,2.048Mb/s,2024/9/21,17,*,PCM,数字复接的应用,2024/9/21,18,制式,等级,律,A,律,信息速率,kb/s,路 数,信息速率,kb/s,路 数,基 群,1544,24,2048 (2M),30,二次群,6312,96,8448 (8M),120,三次群,32064,或,44736,480,或,670,34368 (34M),480,四次群,97728,或,274176,1440,或,4032,139264 (140M),1920,STM-1,R,b,=,155520,kb/s,（,155.520Mb/s,，,通称,155M,）,STM-4,622080,STM-16,2488320,STM-64,9953280 (,简称,10Gb/s),STM-256,39813120 (,简称,40Gb/s,), STM-N,为第,N,级同步传输模块,基群，二次群，三次群，四次群属于准同步数字系列,*PCM,数字复接系列,著名的,E1,接口,2024/9/21,19,语音数字化,程控交换机,语音的压缩处理,2024/9/21,20,长途网,四级 、 二级,本地网,汇接局,端局,支局,远端模块,电话网结构,C1,C2,C3,C4,C5,长途网,本地网,2024/9/21,21,*,电话网的编号计划,国际长途字冠国家号码长途区号本地号码,00,86 10 62281173,2024/9/21,22,数字程控电话交换机的功能,(1),能及时发现哪一个用户有呼叫请求；,(2),要记录被叫用户的号码；,(3),能判别被叫用户当前的使用状态；,(4),若被叫用户空闲，则交换机应选择一条空闲链将主叫和被叫用户连通，使双方进入通话状态；,(5),通话结束时，必须及时进行拆线释放处理；,交换机的功能（,通用,）,2024/9/21,23,1,遇忙自动回铃,呼叫听忙音时，挂机等待，当被叫闲时系统自动通知您。,2,不应答自动回铃,呼叫长时间听回铃音，无人应答，当被叫下次通话后系统自动通知您。,3,穿梭,在通话的过程中，可暂时与第三方通话，然后返回。,4,遇忙呼叫转移,设置此功能的分机忙时，则呼叫它的电话转至预设置的另一分机。,5,不应答遇忙转移,设置此功能的分机久不应答呼叫时，电话转至预设的另一分机。,6,公共应答紧急服务,当发生重大时间时，通过电铃或汽笛发出信号，任何用户可在任一分机上应答呼叫。,数字程控电话交换机的功能,交换机的功能（,可选,）,2024/9/21,24,7,特服分机,呼叫特服分机,(,如火警，匪警,),时，特服分机持续振铃，直到对方应答为止。,8,三方会议,可实现三方用户同时通话，相互讨论,9,公共缩位拨号,为保密或方便起见，把某些常用号码定义一个缩位码,10,个人缩位拨号,普通分机可把经常使用的电话号码自编一个代码。,11,恶意电话跟踪,当您确认某次呼叫怀有恶意时，可锁定该电话位置。,12,跟我来（,Follow me,）,凡打到设置了该功能的电话的呼叫，均转至定义的另一分机,数字程控电话交换机的功能,2024/9/21,25,13,音乐保持（,music on hold,）,在电话转接过程中，呼叫方听音乐。,14,热线（,hot line,）,摘机直接与某预定义的某分机通话。,15,经理秘书功能,a.,通过通道码相互呼叫,b.,呼叫转移，呼叫经理分机忙或缺席时，呼叫转到秘书分机上。呼叫经理,/,秘书不应答，呼叫转至目的分机。,c.,强插，当经理,/,秘书呼叫遇忙时，经理或秘书可拨强插代码，插入对方通话。,d.,自动回叫。,e.,出入自由，经理,/,秘书可自由退出,/,返回经理,/,秘书组。,数字程控电话交换机的功能,2024/9/21,26,16,搜寻组,a.,组内搜寻闲分机振铃。,b.,代接电话。,c.,出入自由。,17,强插,具有该功能的分机，呼叫某分机时遇忙，则可强插进对方通话。,18,免打扰,设置免打扰功能后，所有呼叫该分机的电话将转至话务台。,19.,一号通,数字程控电话交换机的功能,2024/9/21,27,数字电路交换技术,的演进,电路交换系统分类,人工交换系统,自动交换系统,模拟交换系统,机电式交换系统,空分全电子,数字交换系统,程控数字交换系统,发展方向,2024/9/21,28,程控交换系统基本结构图,2024/9/21,29,硬件功能结构,2024/9/21,30,话路子系统,-,用户电路,用户电路：模拟话机与交换网络的接口电路,功能：,BORSCHT,七项功能,馈电,B(Battery Feeding),过压保护,O(Over Voltage Protection),振铃,R(Ringing),监视,S(Supervision),编译码和滤波,C(CODEC & Filters),混合电路,（二,/,四线转换）,H(Hybrid Circuit),测试,T(Test),2024/9/21,31,话路子系统,-,用户电路,2024/9/21,32,交换网络,-,时间接线器,19,19,3,TS3 TS19,2024/9/21,33,数字空分接线器,(S,接线器,),2M,间时隙交换,0 1 2,0 1 2,0 1 2,TS12 TS8,TS12 TS8,0,8,12,127,2,TS8,TS8,输入控制方式,1,TS12,TS12,2,0,2024/9/21,34,时分交换和空分交换综合应用,中间时隙,终端,A,终端或线路,B,2024/9/21,35,市话接续的信令传送流程,挂机,2024/9/21,36,移动台（,MS,）主叫,:,振铃,摘机,MS,MSC/VLR,BSS,呼叫请求,呼叫请求确认,连接,业务通信,连接确认,信令连接建立,PSTN,连接请求,呼叫信息,分配命令,分配完成,回铃,铃停,开始记费,连接,Hello,Hello,移动电话的信令传送流程,2024/9/21,37,虚拟,专用网,800,300,神州行,预付费,PSTN,ISDN,GSM,CDMA,Internet,ATM,业务传输,/,交换,与业务处理分开,-,集中提供业务,业务生成与,业务处理分开,-,快速提供业务,上网呼,叫等待,移动智能网,智能网,呼叫控制与业务处理分离,=,智能网,智能网,2024/9/21,38,VoIP,2024/9/21,39,电话网结构,NGN,2024/9/21,40,内容,语音数字化,程控交换机,*语音的压缩处理,2024/9/21,41,数据量大，存储处理和传输难：,对,CD,音质的信号来讲，每秒要,44100,次的采样，每个样值是,16,比特的量化，而立体声,CD,音质信号，它每秒的码流是,44.1K1621.4Mbit/S,。,人耳对声音的生理感受不同：,人耳对各频率的灵敏度不同。在,2K4K,频段，很低的电平就能被人耳听到，其他频段时，相对要高一点的电平才能听到，这就是说在听觉阈值以下的电平可以去掉，相当于压缩了数据。,频率之间的掩蔽效应，其实就是指人耳接收信号时，不同频率之间的相互干扰。当电平高的频率点和电平相对来说较低的不同频率点同时出现时，电平低的频率点的声音将听不到。,第三个特点是指短暂掩蔽效应。指在一个强信号之前或之后的弱信号，也会被遮蔽掉。,压缩是对瞬间的频谱功率进行了重新分配，这就为音频的数据压缩提供了依据。,为什么要压缩,2024/9/21,42,幅度非均匀分布,样本之间的相关性,周期之间的相关性,基音之间的相关性,静止系数（话音间隙）,长期相关性（,long term correlation,）,语音信号的冗余度,“,哥，,咱,妈,在单位,上班呢。”,2024/9/21,43,话音压缩编码（,Speech Coding,）,话音识别（,Speech Recognition,）,文本话音转换（,Text To Speech,）,话音技术的研究热点,2024/9/21,44,话音压缩的原理框图,2024/9/21,45,语音编码器,波形编码器,参量编码器,频域,时域,非差分,子带编码,自适应变换域编码,差分,PCM,DPCM,M,连续可变斜率,M,ADPCM,APC,线性预测编码,声码器,信道声码器,共振峰声码器,倒频谱声码器,语音激励声码器,多脉冲激励,LPC,码本激励,LPC,矢量和激励,LPC,语音编码分类,2024/9/21,46,波形编码：,编码速率较高，,16k64k,包括：,PCM,，,ADPCM,，,M,，,CVSDM,，,APC,等,占用较高带宽，适合有线,参量编码：,基于人类语音的产生机理建立数学模型，根据输入语音得出模型参数并传输，在收端恢复。,编码速率较低，,1.24.8 kbps,包括各种线形预测编码,(LPC),方法和余弦声码器,语音质量中等，不满足商用要求,混合编码：,波形编码,+,参量编码,(LPAS),(GSM,和,CDMA,中使用）,包括,GSM,的,RPE-LPC,编码和,VSELP,编码,语音编码分类,2024/9/21,47,极低速率语音编码，,600bps,高保真语音编码,自适应多速率语音编码,新的编码分析技术：,非线形预测,多精度时频分析技术,(,子波分析技术,),高阶统计分析技术,语音编码的发展,2024/9/21,48,语音模型的建立：,1.,产生激励，,2.,响应,模型参数：基音，共振峰频率及强度，清浊音判决,低码率编码,码率降低有限,合成的语音波形失去了自然度和音质,周期脉冲发生器,随机噪声发生器,G,时变数字滤波器,清,/,浊音开关,声道参数,基音周期,语音合成模型,2024/9/21,49,MP3,是目前使用用户最多的,有损,压缩,数字音频格式。,它的全称是,MPEG,(MPEG,：,Moving Picture Experts Group) Audio Layer-3,。,1993,年由德国夫朗和费研究院和法国汤姆生公司合作发展成功。刚出现时只像一个编码标准框架。,早期的,MP3,编码采用的的是固定编码率的方式（,CBR,），,128KBPS,就是代表它是以,128KBPS,固定数据速率编码。最高可以到,320KBPS,，音质会更好，但文件的体积会相应增大。,例：,MP3,2024/9/21,50,作业,变声器的原理,变声器的应用,市场调查,2024/9/21,51,一、脉冲编码调制,(PCM),基本原理,二、交换的原理,三、语音的压缩编码,通知：下周停课一次（顺延）,小结,2024/9/21,52,