第2章话音信号的数字化基础

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1、1,第2章 话音信号的数字化基础,2,3,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。,5,一、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。,6,根据CCITT(Internation

2、al Telephone and Telegraph Consultative Committee,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。,7,二、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。,8,1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。,9,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

3、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。,10,2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,11,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

4、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。,13,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。,14,(1)A律压扩特性及其13折线近似：A律压扩特性用于PCM 3032路系统。根据非均匀量化的概念，可以推出一种近似对数

5、的压扩关系表达式：,称其为A律压缩函数。,15,A876,16,A876,17,18,1、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。,19,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

6、缩特性，因此称之为A律13折线压缩特性。,20,(2) 律压扩特性： 律压扩特性适应于 PCM 24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。,21,3、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。,22,23,目前，国际上普遍采用的

7、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。,24,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。,25,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

8、，而第八段的信号范围是1/21。,26,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。,27,A律13折线编码的各量化段的量化间隔如图所示。,28,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。,29,第三步：属于这个

9、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1000 0确定段落码： 因为 1000 128 故x2=1在第58段内 因为 1000 512 故x3=1在第7、8段内 因为 1000 1024 故x4=0在第7段内,30,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。,31,2.4 传输码型,我们可以用

10、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。,32,一、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。）,33,2.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

11、换设备要简单，易于实现。,34,二、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。,35,2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

12、。如图所示。这种波形的缺点也是含有直流分量。,36,2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,37,3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,38,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

13、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。,39,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。,40,4三阶高密度双极性码(HDB3码) HDB3码是CCITT推荐的一种线路编码，它是一种连“0”抑制码。,41,2.5 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

14、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,42,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,43,图中(a) 数据率=50*log22=50bit/s图中(b) 数据率=50*log24=100bit/s,44,2.1 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

15、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。,45,每路所占有的时间间隔称路时隙，简称时隙。,46,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。,47,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。,48,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),