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1、第二章第二章 数字调度通信系统数字调度通信系统（1）语音信号数字化）语音信号数字化（2）数字交换）数字交换（3）区段通信中的数字共线和数字交叉）区段通信中的数字共线和数字交叉连接连接第一节第一节 数字通信基本知识数字通信基本知识一、PCM（脉冲编码调制）n脉冲编码调制原理 q 模拟信号的数字化亦称脉冲编码调制（PCM），属于信源编码。q 脉冲编码调制系统主要完成A/D、D/A转换。即发端经限带、抽样、量化和编码后，将模拟信号转换为二进制数字信号（A/D）；收端进行反变换（ D/A ）。 n抽样的概念抽样的概念 q 抽样是模拟信号数字化的第一步。抽样就是以一定时间间隔，取出连续抽样是模拟信号数字
2、化的第一步。抽样就是以一定时间间隔，取出连续的模拟信号的瞬时值，即是将时间连续的模拟信号转化为时间离散的模拟信的模拟信号的瞬时值，即是将时间连续的模拟信号转化为时间离散的模拟信号号n 抽样定理（低通信号）抽样定理（低通信号） q 限带为限带为 fm 的连续模拟信号的连续模拟信号f(t) ，若以抽样速率，若以抽样速率 进行均进行均匀抽样，则抽样后的信号经低通滤波器后能无失真恢复原信号。匀抽样，则抽样后的信号经低通滤波器后能无失真恢复原信号。n 有关抽样定理的讨论有关抽样定理的讨论 q 抽样后的信号频谱为抽样后的信号频谱为 ， 即是以抽样速率为即是以抽样速率为间隔的原信号频谱（加权系数间隔的原信号
3、频谱（加权系数fs）的无穷拓展，因此利用一个低通滤波器即可恢复原）的无穷拓展，因此利用一个低通滤波器即可恢复原信号信号q 我们把最小的速率我们把最小的速率 称为柰氏速率。考虑到低通滤波器的特性不是完全称为柰氏速率。考虑到低通滤波器的特性不是完全理想的，所以通常选取抽样速率理想的，所以通常选取抽样速率q 例：以话音信号来说，频带限制在例：以话音信号来说，频带限制在3003400Hz之内，抽样频率选为之内，抽样频率选为8000Hz（8000Hz6800Hz）, ,抽样周期抽样周期 v量化与编码的基本概念v均匀量化v非均匀量化vPCM编码方法n量化的概念q 量化是模拟信号数字化的第二步。q 量化就是
4、将抽样样值幅度连续的模拟信号变成样值幅度取值离散的数字信号（即利用有限个电平数M来表示模拟抽样值）。包括均匀量化与非均匀量化 q 量化后的信号与原信号相比有误差，称为量化误差，或量化噪声q 量化后信号与原信号的近似程度常用量化信噪比来衡量n编码的概念q 编码是模拟信号数字化的第三步。q 编码是将量化后的信号电平转换成二进制码组。q 二元码PCM可以有几种编码方式：自然二进制码、格雷码（在图像通信中是个典型应用 ）、折叠二进制码（广泛用于PCM通信系统）n A律13折线非均匀量化方案（数字压扩法）A律压扩特性是连续曲线，实际中往往采用近似于A律函数规律的13折线（）的压扩特性，实际电路中，抽样，
5、量化，编码是一次完成的，可用数字电路实现。wA律13折线（欧洲标准，我国的PCM电话系统采用），通常取 w律15折线（北美、日本标准），通常取（1）先对x轴上输入信号归一化取值范围按1/2递减规律分为8段，分段点依次为1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64，1/128。再对y轴上压缩输出的归一优取值范围均匀地分成8段，即每段长为1/8。然后把x轴和y轴的相应分段线的交点连接起来，共得到8段斜线。负向8段斜线按同样方法得到。由于负向第1、2段与正向第1、2段斜率相同，因此可将它们连成一条折线。这样共得到13段折线。这13段折线是逼近A律压缩特性的，通常称之为A87.613折线律压缩
6、特性。非均匀量化带来的量化信噪比改善PCM编码码型nPCM系统中采用二进制编码。编码码型有：n自然二进码、反射二进码（格雷码）和折叠二进码。n自然二进码：由n位自然二进码组成的码字an-1，an-2，a0，所对应的电平值为：V= an-12n-1+ an-22n-2+ an2n。n反射二进码：亦称格雷（Gray）码。n反射二进码的特点是：任何两个相邻码字之间只有一位码不同，即相邻码的码距为1。样值脉冲极性量化级自然二进码反射二进码折叠二进码正极性部分1511111000111114111010011110131101101111011211001010110011101111101011101
7、0101111101091001110110018100011001000负极性部分70111010000006011001010001501010111001040100011000113001100100100200100011010110001000101100000000000111n折叠二进码：其编码规律为：除去左边第一位，其余部分以电平序号中部呈上下对称（折叠）关系，即上半部分自下而上与自然二进码相同，下半部分则自上而下与自然二进码相同。而左边第一位码在上半部分全为1，在下半部分全为0。n折叠二进码用来对双极性信号进行编码尤为方便。最左边一位用来表示信号极性，其余码位用来表示信号的
8、绝对值大小。从而对双极性信号可以采用单极性编码方法，使编码和解码设备节省。n折叠二进码的另一个优越性是：折叠二进码在传输过程中如果出现误码，对小信号影响较小，对大信号影响很大。因为话音信号小幅度出现的概率比大幅度出现的概率高。因此折叠二进码在信号低电平范围内误码噪声功率比另二种码都小。nPCM系统编码器中多采用折叠二进码。n码位数的选择，它不仅关系到通信质量的好坏，而且还涉及到设备的复杂程度。码位数的多少，决定了量化分层（量化级）的多少。反之，若信号量化分层数一定，则编码位数也被确定。可见，在输入信号变化范围一定时，用的码位数越多，量化分层越细，量化噪声就越小，通信质量当然就更好、但码位数多了
9、，总的传输码率增加，这样将会带来一些新的问题。n一般从话音信号的可懂度来说，采用34位非线性编码即可，但由于量化级数少，量化误差大，通话中量化噪声较为显著。当编码位数增加到78位时。通信质量就比较理想了。码位安排：在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序。n在13折线律编码方法中，无论输入信号的采样值是正还是负，都是对其量化采样值的绝对值按8个段落进行分段编码，而另外用一位码表示采样值的正负极性。n用8位折叠二进码进行编码时，其中左边第一位码用来表示信号采样值的极性，称作极性码，用C1表示。第二至第四位码用来表示量化采样值所在段落的序号（第一段至第八段），称
10、作段落码，用C2C3C4表示。第五至第八位码用来表示每一段落内的16个均匀量化级，称作段内码，用C5C6C7C8表示。这样编码所得出的码组可表示为C1C2C3C4C5C6C7C8。n为了说明编码及解码过程，将八个段落的序号、各段的量阶（量化级间隔）、起始电平、段落长度、段内码的位值（或权值）等列在下表中。13折线编码折线编码二、时分多路复用的概念n时隙交换时隙交换分路发分路发分路发分路发分路收分路收分路收分路收分路发分路发分路发分路发分路收分路收分路收分路收B BTS2TS2A ATS1TS1TS1TS1B BA ATS2TS2TS1TS1B BA ATS2TS2群路发群路发群路发群路发群路收
11、群路收群路收群路收数字数字数字数字交换交换交换交换网络网络网络网络A A用户用户用户用户B B用户用户用户用户三、数字交换的基本原理n硬件系统硬件系统 q话路系统话路系统 n交换网络交换网络(Switching Fabric)n接口设备接口设备(I/O)q控制系统控制系统(Control Unit)n软件系统软件系统a ab bc cT接线器的原理n如何实现时隙交换？如何实现时隙交换？q例如：例如：A用户用户TS1，B用户用户TS5。（一条基群。（一条基群PCM线上）线上）q两个时隙互相错开，两个用户要交换信息，只能采取两个时隙互相错开，两个用户要交换信息，只能采取“暂存暂存”的方法的方法 n
12、 采用存储器存储话音采用存储器存储话音话音存储器。话音存储器。TS1-TS5A用户信息在用户信息在TS1送出，存入送出，存入存储器中的一个单元，假存储器中的一个单元，假定定1#单元；当单元；当TS5来时，来时，从从1#单元取出，送至输出单元取出，送至输出端，则端，则B听到听到A的语音。的语音。TS5-TS1： B用户信息在用户信息在TS5送出，存送出，存入存储器中的一个单元，入存储器中的一个单元，假定假定5#单元；当单元；当TS1来时，来时，从从5#单元取出，送至输出单元取出，送至输出端，则端，则B听到听到A的语音。的语音。B BA AA AB BA AB B0 01 15 53131TS5T
13、S5TS1TS1TS5TS5TS1TS1HWHW入入入入HWHW出出出出SMSM如何控制输如何控制输出端读取适出端读取适当的存储器当的存储器单元？单元？采用控采用控制存储器制存储器B BA AA AB BA AB B0 01 15 53131TS5TS5TS1TS1TS5TS5TS1TS1HWHW入入入入HWHW出出出出SMSMCMCM1 15 50 01 15 53131T接线器的结构n话音存储器（话音存储器（Speech Memory, SM）qRAMn控制存储器（控制存储器（Control Memory, CM）qRAMT接线器的工作方式n根据根据CM对对SM的控制方式的控制方式q输出控
14、制方式（读出控制）输出控制方式（读出控制）nSM的写入受定时脉冲控制的写入受定时脉冲控制n读出受读出受CM控制（顺序写入，控制读出）控制（顺序写入，控制读出）q输入控制方式（写入控制）输入控制方式（写入控制）nSM的写入受的写入受CM控制控制n读出受定时脉冲控制（控制写入，顺序读出）读出受定时脉冲控制（控制写入，顺序读出）0 01 125253131SMSM。CMCM0 01 125253131。A AB BA AB BTS25TS25TS1TS1TS25TS25TS1TS1HWHW入入入入HWHW出出出出B BA A1 12525输出控制方式n例：例：A、B两用户两用户分别占用分别占用TS1
15、、TS25两时隙。两时隙。qAB方向交换方向交换qBA方向交换方向交换计数器计数器TPTPCPUCPU写写写写地地地地址址址址控制写入控制写入控制写入控制写入顺序写入顺序写入顺序写入顺序写入顺序读出顺序读出顺序读出顺序读出控制读出控制读出控制读出控制读出读读读读地地地地址址址址控制关系nSMq顺序（顺序（TP）写入写入q控制（控制（ CM）读出读出nCMq控制写入（控制写入（ CPU）q顺序读出（顺序读出（ TP）q单元地址对应输单元地址对应输出出时隙号时隙号q单元内容对应输单元内容对应输入入时隙号时隙号工作步骤n在在CPUCPU控制下控制下, , 按交换要求将按交换要求将输入时隙输入时隙号号
16、写入写入CMCM各单元各单元n在在TPTP的控制下，顺序将输入各时隙的的控制下，顺序将输入各时隙的话音信息写入话音信息写入SMSM相应单元相应单元n按时隙顺序读取按时隙顺序读取CMCM各单元内容作为读各单元内容作为读SMSM的地址，读取的地址，读取SMSM的内容送输出端的内容送输出端 输入控制方式0 01 125253131SMSM。CMCM0 01 125253131。A AB BA AB BTS25TS25TS1TS1TS25TS25TS1TS1HWHW入入入入HWHW出出出出A AB B1 12525计数器计数器TPTPCPUCPU写写写写地地地地址址址址控制写入控制写入控制写入控制写入控制写入控制写入控制写入控制写入顺序读出顺序读出顺序读出顺序读出顺序读出顺序读出顺序读出顺序读出读读读读地地地地址址址址n例：A、B两用户分别占用TS1、TS25两时隙。qAB方向交换qBA方向交换控制关系(输入控制方式)nSMq控制控制（ CM）写入写入q顺序顺序（TP）读出读出nCMq控制写入（控制写入（ CPU）q顺序读出（顺序读出（ TP）q单元地址对应输单元地址对应输入入时隙时隙号号q单
