语音信号数字化和时分多路复用

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 语音信号数字化和时分多路复用,本章学习要点：,理解话音信号的数字化过程；,了解各种量化方法对语音质量产生的不同影响,掌握多种编码方式以及应用范围,了解TDM和FDM的区别,掌握时分多路复用的基本原理,掌握PCM30/32路帧结构,理解PCM高次群的意义,1,第二章 语音信号数字化和时分多路复用,2.1 时分多路复用概述,2.2 PCM30/32路系统,2.3 数字复接技术,2,2.1时分多路复用概述,1、复用的概念,复用：为了提高信道利用率，使多路信号互不干扰地在同一信道上传输的方式称为多路复用。,频分复用（ FDM ）多用于模拟信号的复用,时分复用（ TDM ）多用于数字信号的复用,波分复用（ WDM ）多用于光纤通信系统,3,2.1时分多路复用概述,复用（Multiplexing）的历史,50年代起,，,在铜线线路上大量应用新的复用技术。,包括明线的3路、12路,对绞铜线电缆的60路和小同轴电缆的300路及中同轴的10800路载波电话.当时都称为,(频分复用FDM),。,每路都是模拟电话，频带300,3400Hz，各路载波频率相隔4kHz，在频谱上依次排列。,4,2.1时分多路复用概述,70年代,，,数字通信兴起。,利用脉冲编码（PCM）技术，每路数字电话传输速率64kb/s，质量满意，而且进一步利用“时分复用（TDM）”技术，30路数字电话组成基群2Mb/s。,光纤通信兴起。,用TDM技术，数字传输速率可以从2Mb/s升高到8Mb/s、34Mb/s、140Mb/s，相当于电话话路数从30路增到120路、480路、1920路，一根光纤在一个方向可以同时传输这么多的路数。,传输方法是利用这么多路由TDM组成的数字电话群直接向光载波调制，送上光纤传输。,5,2.1时分多路复用概述,80年代后期，国际上开始设想利用一根光纤同时传输多个光载波，各受数字信号的调制。称“波分复用”（WDM,Wavelength Division Multiplexing）,如果这些光载波的波长相互间有足够的间隔，则每路的数字信号同在一根光纤上传输，不会发生相互干扰。这就是光纤通信使用的复用技术。,1995年开始，WDM技术的发展进入了快车道,，,特别是基于掺饵光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。,在2001年OFC会议上，NEC和Alcatel报道他们的WDM系统的传输容量分别达到10.92Tb/s（一根光纤1.7亿路64Kb/s的数字电话）和10.02Tb/s。,6,2.1时分多路复用概述,2,、时分复用的概念,各路信号在同一信道上轮流占用不同时间间隔进行通信。,3、PCM时分多路通信的原理：,时分多路通信的理论根据：抽样定理,抽样定理告诉我们，一路连续的模拟话音信号S(t)的相邻样值之间有125s的时间空隙，这是时分复用的关键。,如果信道仅用来传送一路话音，则有92%的时间是空闲着的。,为了充分利用传输信道的,带宽能力和提高通信系统的有效性.,在,125,s,的,抽样,空闲时间内插入其它路的信号（样值信号），即利用一路信号采样的空隙，进行其余用户信号的采样。,只要各路信号在时间上能区分开（不重叠）,，那么同一信道就能传送多路信号，达到了多路复用的目的。,7,2.1时分多路复用概述,使多个话路的抽样时间错开，也就是在不同时间分别对多个话路取样，而后把它们都送到一对线路上去传送，这就构成了多个话路在一对线路上传送的时分多路信号。在收信端，再设法按照接收的先后次序，将多个话路抽样序列分开，便能恢复各个话路的话音信号，从而完成通信。,8,2.1时分多路复用概述,9,2.1时分多路复用概述,4、PCM时分多路复用的实现（抽样脉冲错开）,时分多路复用通信原理示意图,10,2.1时分多路复用概述,同步含义:,一:保持双方旋转速度要完全相同。,K1和K2均以抽样频率Fi=8000次/s的速度周期性地、同步地旋转。,二. 保证旋转开关起止位置一致。,发端的旋转开关K1从接点1开始，按顺序、周期性地接入接点1，2N时，则K2也必须按发端相同的顺序从接点1开始，周期性地接入接点1，2N。以保证收发两端各路信号的轮流排队次序一致。否则收端将收不到本路信号，,11,2.1时分多路复用概述,为此在发端和收端都设有,时钟电路,来稳定抽样开关时间和速度,帧同步 :,在发送端每周期各种样值信号排队的开头，送出一个已知的比任何其他抽样脉冲的幅度都大的脉冲，称为起始标志信号（即,帧同步码,） 。,在收端通过一个识别装置（把帧同步码从码流中找出来），识别并取出标志信号，用来控制接收端的旋转开关K2（调整抽样开关时间和速度），以达到发送与接收双方的同步。,12,2.1时分多路复用概述,5、时隙和帧的概念：,帧,：,抽样时各路每轮一次的总时间（即开关旋转一周的时间），也就是一个抽样周期称为1帧 （125,s），即每秒8000帧。,时隙（路时隙）,：合路的每个样值（PAM）信号所允许占的时间间隔（,C,=T/n）。,位时隙,：,1位码元的时间。（,n,=,c,/,),例，一帧内共划分为32个相等的时隙，用以传送一路信号的一个抽样值对应8位码。,时隙（路时隙）=125 s/32=3.9us,位时隙=1/8* 3.9us=0.488us,13,2.1时分多路复用概述,总结：,TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道。,每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的（125s）,如下图（a)所示。即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的。,对于TDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多，其原理如下图（b)所示。,14,2.1时分多路复用概述,TDM子信道示意图,15,2.1时分多路复用概述,6、标准PCM时分复用系统,PCM编码有两种标准：A律和律，因此国际上对应有两种互不兼容的PCM时分复用系统：,一种是对应A律的PCM3032路时分复用系统,在抽样周期Ti=125s，即帧周期内，可以安排32路时分复用信号。,中国和欧洲各国,使用。,一种是对应律的PCM24路时分复用系统,在一个抽样周期内，可安排24路时分复用信号。,北美和日本,使用。,上述群路又称为基群和一次群。,16,2.2 PCM30/32路系统,1、帧结构及传输速率,PCM30/32系统,在1帧,125,s时间,内，,共分为32个路时隙,30个路时隙分别用来传送30路话音信号,一个路时隙用来传送,帧同步码,一个路时隙用来传送,信令码,17,2.2 PCM30/32路系统,路时隙:,125/32=3.9,s ，,传送某路信号的一个抽样值对应的8位码。,位时隙:,每个码元占用时间,1/83.9s=0.488s,总传输码率:,V,b,=(32,8)/125=,2.048Mbit/s,或,V,b,=8000(帧/s),32,(时隙/帧),8,(bit/时隙) =,2.048Mb/s,。,一般简记为,2M,，该速率也称,PCM3032路基群传输速率,。,18,2.2 PCM30/32路系统,说明：,为保证电话通信的顺利进行，PCM通信系统除了完成话音信号的编、译码及传输外，还必须在交换机和用户之间以及交换机和交换机之间，迅速、准确地完成占用、拨号、振铃、应答等信号的传递和交换。PCM系统称上述信号为,信令信号,。,19,图3-22 PCM-30/32l路群的帧结构,CCITT建议G.732规定的帧结构,20,2.2 PCM30/32路系统,2、帧结构的安排,PCM3032路系统中，每帧共有32个路时隙，分别用：,TS0，TS1，TS2TS31,来表示。,30个话路时隙：,TS,1,TS,15,分别传送第115路话音信号,TS,17,TS,31,分别传送第1630路话音信号,帧同步时隙：,TS,0,用于传送帧同步码,以实现帧同步,21,2.2 PCM30/32路系统,为保证收发两端各路信令码在时间上对准，也需要在第1帧信令码发送前发一个供识别用的标志码。为此在PCM3032路系统中又安排了一个帧，记为F,0,。,复帧同步码:F,0,的TS,16,时隙传送的信令标志码,称为复帧同步码,。,保证收发两端各路信令码在时间上对准。,16个帧F,0,，,F,1,，,F,2,，,F,3,F,15,组成了一个复帧，每个复帧,占用,16*125,s=2.0ms,的时间。,22,2.3 数字复接技术,数字通信的优越性，推动了数字通信网的建立和发展。在通信网运行时，为了扩大传输容量和提高传输效率，可以采用,复用,的方式。,为了进一步扩大系统容量，就需要把若干中低速数字信号,（低次群）,合并成一个高速数字信号,（高次群），,再通过高速信道传输，传到对方再分离还原为各个中低速数字信号。,数字复接就是这样数字信号合并与分离的。,随着微波通信、光纤通信的发展，这种技术在数字通信中显得越发重要了。,23,2.3 数字复接技术,数字复接概念,PCM复用和数字复接,PCM,基群和高次群复接标准,PDH,准同步数字复接系列和,SDH,同步数字复接系列,24,2.3 数字复接技术,1、,数字复接概念,数字复接,定义：,将低速数字信号（低次群）在确定的时间段内，按一定时间关系间插在一起，合成一个高速数字信号（高次群）的过程。,完成此功能的设备为,数字复接器,，相应地接收端还有,数字分接器,。,目的：进一步扩大系统容量。,未时分复用：64kbit/s,时分复用：64 ,32=2.048Mbit/s,数字复接：如二次群（,四个基群）,2.048,4,8Mbit/s,25,2.3 数字复接技术,2、PCM复用和数字复接（,形成高次群的方法,）,PCM复用：,直接将多路信号编码复用，即直接将多路模拟语音信号按125,s的周期分别进行抽样，然后合在一起,统一编码,形成多路数字信号。如PCM基群的形成。,26,2.3 数字复接技术,例如需要传送120路电话时，可将120路话音信号分别用8kHz抽样频率抽样，然后对每个抽样值编8位码，其数码率,V,b,:,8000(,帧,/s),120,(,时隙,/,帧,),8,(bits/,时隙）,=,7680kbit/s。,由于每帧时间为125微秒，每个路时隙的时间只有,1微秒,左右。这样,每个抽样值编8位码的时间只有1微秒时间,，其编码速度非常高，对编码电路及元器件的速度和精度要求很高，实现起来非常困难。,27,2.3 数字复接技术,数字复接：,将几个低次群在时间空隙上迭加合成高次群,。,几个经PCM复用后的数字信号(例如4个PCM30/32系统)再进行时分复用，形成更多路的数字通信系统。,显然，经过数字复接后的信号的数码率提高了，,但是每一个基群编码速度没有提高,，实现起来容易，目前广泛采用这种方法提高通信容量。,本质：与时分复用相同。,所不同的是，对于,数字复接设备,参与处理和处理后的信号都是数字信号，而,时分复用设备,没有此要求。,28,2.3 数字复接技术,数字复接原理方框图,29,2.3 数字复接技术,3、PCM,基群和高次群复接标准,关于将,PCM,数字电话数字复接成各种“群路”的方式，,CCITT（现TTU-T）,建议了两种标准：,其一是我国和西欧各国主要采用的,PCM-30/32,路系列标准：,该系列将,PCM30/32,路群，作为基群（或一次群），,四个基群组成一个二次群，,四个二次群组成一个三次群，,四个三次群组成一个四次群等等；,30,2.3 数字复接技术,其二是日本和北美各国采用的,24,路系列标准,，该系列标准规定：,由,24,个话路组成一个基群。,四个基群组成一个二次群，,五个或七个二次群组成一个三次群等等。,31,32,PCM数字电话的两种复接标准：,33,2.3 数字复接技术,注意:表中不同群次的速率不成整数倍关系。,例如，,30,路系列的基群速率为,2.048Mb/s,，,二次群的速率:,4*2.048Mb/s=8.192Mb/s,。（,）,4*2.048Mb/s+0.256 Mb/s=8.448 Mb/s,。,这样是因为在组成二次群时需要加入额外的填充码元。,34,2.3 数字复接技术,4、概念,同步数字体系SDH （Synchronous Digital Hierarchy）,准同步数字体系PDH （Plesiochronous Digital Hierarchy）：,35,