语音信号数字化和时分多路复用课件

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1、第二章 语音信号数字化和时分多路复用l2.1 时分多路复用概述时分多路复用概述l2.2 PCM30/32路系统路系统l2.3 数字复接技术数字复接技术2.1时分多路复用概述时分多路复用概述1、复用的概念、复用的概念l复用：为了提高信道利用率，使多路信号互不复用：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。干扰地在同一信道上传输的方式称为多路复用。l频分复用（频分复用（FDM）多用于模拟信号的复用）多用于模拟信号的复用l时分复用（时分复用（TDM）多用于数字信号的复用）多用于数字信号的复用l波分复用（波分复用（WDM）多用于光纤通信系统）多用于光纤通信系统2.1时

2、分多路复用概述时分多路复用概述l复用（复用（MultiplexingMultiplexing）的历史）的历史 l5050年代起年代起，在铜线线路上大量应用新的在铜线线路上大量应用新的复用技术。复用技术。l包括明线的包括明线的3 3路、路、1212路路,对绞铜线电缆的对绞铜线电缆的6060路和小同轴电缆的路和小同轴电缆的300300路及中同轴的路及中同轴的1080010800路载波电话路载波电话.当时都称为当时都称为(频分复用频分复用FDM)FDM)。l每路都是模拟电话，频带每路都是模拟电话，频带3003003400Hz3400Hz，各，各路载波频率相隔路载波频率相隔4kHz4kHz，在频谱上依

3、次排列。，在频谱上依次排列。2.1时分多路复用概述时分多路复用概述l7070年代年代，数字通信兴起。数字通信兴起。l利用脉冲编码（利用脉冲编码（PCMPCM）技术，每路数字电话传输速）技术，每路数字电话传输速率率64kb/s64kb/s，质量满意，而且进一步利用，质量满意，而且进一步利用“时分复时分复用（用（TDMTDM）”技术，技术，3030路数字电话组成基群路数字电话组成基群2Mb/s2Mb/s。l光纤通信兴起。光纤通信兴起。l用用TDMTDM技术，数字传输速率可以从技术，数字传输速率可以从2Mb/s2Mb/s升高到升高到8Mb/s8Mb/s、34Mb/s34Mb/s、140Mb/s140

4、Mb/s，相当于电话话路数从，相当于电话话路数从3030路增到路增到120120路、路、480480路、路、19201920路，一根光纤在一路，一根光纤在一个方向可以同时传输这么多的路数。个方向可以同时传输这么多的路数。l传输方法是利用这么多路由传输方法是利用这么多路由TDMTDM组成的数字电话群组成的数字电话群直接向光载波调制，送上光纤传输。直接向光载波调制，送上光纤传输。2.1时分多路复用概述时分多路复用概述l8080年代后期，国际上开始设想利用一根光纤同时传输多年代后期，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。称个光载波，各受数字信号的调制。称“波分复用波分复用

5、”（WDM,Wavelength Division MultiplexingWDM,Wavelength Division Multiplexing）l如果这些光载波的波长相互间有足够的间隔，则每路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。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。这就是光纤通信使用的复用技术。l19951995年开始，年开始，WDMWDM技术的发展进入了快车道技术的发展进入了快车道，特别是基特别是基于掺饵光纤放大器于掺饵光纤放大器EDFAEDFA的的1550nm1550nm窗口密集波分复用

6、窗口密集波分复用（DWDMDWDM）系统。）系统。l在在20012001年年OFCOFC会议上，会议上，NECNEC和和AlcatelAlcatel报道他们的报道他们的WDMWDM系统系统的传输容量分别达到的传输容量分别达到10.92Tb/s10.92Tb/s（一根光纤（一根光纤1.71.7亿路亿路64Kb/s64Kb/s的数字电话）和的数字电话）和10.02Tb/s10.02Tb/s。2.1时分多路复用概述时分多路复用概述2、时分复用的概念、时分复用的概念l各路信号在同一信道上轮流占用不同时间间隔进行通信。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

7、路通信的原理：l时分多路通信的理论根据：抽样定理时分多路通信的理论根据：抽样定理l抽样定理告诉我们，一路连续的模拟话音信号抽样定理告诉我们，一路连续的模拟话音信号S(t)S(t)的相邻样的相邻样值之间有值之间有125s125s的时间空隙，这是时分复用的关键。的时间空隙，这是时分复用的关键。l如果信道仅用来传送一路话音，则有如果信道仅用来传送一路话音，则有92%92%的时间是空闲着的。的时间是空闲着的。l为了充分利用传输信道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带宽能力和提高通信系统的有效性.在在125s的的抽样抽样空闲时间内插入其它路的信号（样值信号），空闲时间内插入其它路的信

8、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。即利用一路信号采样的空隙，进行其余用户信号的采样。l只要各路信号在时间上能区分开（不重叠）只要各路信号在时间上能区分开（不重叠），那么同一信道，那么同一信道就能传送多路信号，达到了多路复用的目的。就能传送多路信号，达到了多路复用的目的。2.1时分多路复用概述时分多路复用概述l使多个话路的抽样时间错开，也就是在不同时间分别对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，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。这就构成了多个话

9、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，从而完成样序列分开，便能恢复各个话路的话音信号，从而完成通信。通信。2.1时分多路复用概述时分多路复用概述2.1时分多路复用概述时分多路复用概述l4、PCM时分多路复用的实现（抽样脉冲错开）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时分多路复用通信原理示意图2.1时分多路复用概述时分多路复用概述l同步含义同步含义:l一一:保持双方旋转速度要完全相同。保持双方旋转速度要完全相同。l K1和和K2均以抽样频率均以

10、抽样频率Fi=8000次次/s的速度周的速度周期性地、同步地旋转。期性地、同步地旋转。l二二.保证旋转开关起止位置一致。保证旋转开关起止位置一致。l 发端的旋转开关发端的旋转开关K1从接点从接点1开始，按顺序、周开始，按顺序、周期性地接入接点期性地接入接点1，2N时，则时，则K2也必须按发也必须按发端相同的顺序从接点端相同的顺序从接点1开始，周期性地接入接点开始，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。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，队次序一致。否则收端将收不到本路信号，2.1时分多路复用概述时分多路复用概述l为此在发端和收端都设有为此在发

11、端和收端都设有时钟电路时钟电路来稳定抽样开关时间来稳定抽样开关时间和速度和速度l帧同步帧同步:l在发送端每周期各种样值信号排队的开头，送出一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，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（即称为起始标志信号（即帧同步码帧同步码）。l在收端通过一个识别装置（把帧同步码从码流中找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，用来控制接收端的出来），识别并取出标志信号，用来控制接收端的旋转开关旋转开关K2K2（调整抽样开关时间和速度），以达到（调整抽样开关时间和速度），以达

12、到发送与接收双方的同步。发送与接收双方的同步。2.1时分多路复用概述时分多路复用概述5、时隙和帧的概念：、时隙和帧的概念：l帧帧：抽样时各路每轮一次的总时间（即开关旋转一周的时间），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也就是一个抽样周期称为1帧帧（125s），即每秒），即每秒8000帧。帧。l时隙（路时隙）时隙（路时隙）：合路的每个样值（：合路的每个样值（PAM）信号所允许占的时）信号所允许占的时间间隔（间间隔（C=T/n）。）。l位时隙位时隙：1位码元的时间。（位码元的时间。（n=c/)例，一帧内共划分为例，一帧内共划分为3232个相等的时隙，用以传送一

13、路信号的一个抽样个相等的时隙，用以传送一路信号的一个抽样值对应值对应8 8位码。位码。时隙（路时隙）时隙（路时隙）=125 s/32=3.9us=125 s/32=3.9us 位时隙位时隙=1/8=1/8*3.9us=0.488us 3.9us=0.488us2.1时分多路复用概述时分多路复用概述l总结：总结：lTDMTDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，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。序号的时隙组成一个子信道。l每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所

14、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（占的时间也是相同的（125s125s）,如下图（如下图（a)a)所示。所示。即在同步即在同步TDMTDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间中，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。且各信号源的传输定时是同步的。l对于对于TDMTDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包，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（原理如下图（b)b)所示。所示。2.1时分多路复用概述时分多路复用概述可用频段频率时间图2.28 TDM子

15、信道示意图A BCD A BCD A BCD A BCD组成子信道A的时隙时分复用帧图2.29 TDM原理2多路复用器MUX源1源2源3源4源5源6多路复用器MUX目标1目标2目标3目标4目标5目标63 4 5 6 1 2 3 4 516 TDM子信道示意图子信道示意图 2.1时分多路复用概述时分多路复用概述6、标准、标准PCM时分复用系统时分复用系统 PCMPCM编码有两种标准：编码有两种标准：A A律和律和律，因此国际律，因此国际上对应有两种互不兼容的上对应有两种互不兼容的PCMPCM时分复用系统：时分复用系统：l一种是对应一种是对应A律的律的PCM3032路时分复用系统路时分复用系统l在

16、抽样周期在抽样周期Ti=125sTi=125s，即帧周期内，可以安排，即帧周期内，可以安排3232路路时分复用信号。时分复用信号。l中国和欧洲各国中国和欧洲各国使用。使用。l一种是对应一种是对应律的律的PCM24路时分复用系统路时分复用系统l在一个抽样周期内，可安排在一个抽样周期内，可安排2424路时分复用信号。路时分复用信号。l北美和日本北美和日本使用。使用。l上述群路又称为基群和一次群。上述群路又称为基群和一次群。2.2 PCM30/32路系统路系统1 1、帧结构及传输速率、帧结构及传输速率lPCM30/32系统系统,在在1 1帧帧125s时间时间内，内，共共分为分为32个路时隙个路时隙l

17、30个路时隙分别用来传送个路时隙分别用来传送30路话音信路话音信号号l一个路时隙用来传送一个路时隙用来传送帧同步码帧同步码l一个路时隙用来传送一个路时隙用来传送 信令码信令码2.2 PCM30/32路系统路系统l路时隙路时隙:125/32=3.9 s，传送某路信号的一传送某路信号的一个抽样值对应的个抽样值对应的8 8位码。位码。l位时隙位时隙:每个码元占用时间每个码元占用时间 1/83.9s=0.488sl总传输码率总传输码率:Vb=(328)/125=2.048Mbit/s或或 Vb=8000(帧帧/s)3232(时隙时隙/帧帧)8 8(bit/时隙时隙)=2.048Mb/s。l 一般简记为

18、一般简记为2M2M，该速率也称，该速率也称PCM30PCM303232路基群路基群传输速率传输速率。2.2 PCM30/32路系统路系统l说明：说明：l为保证电话通信的顺利进行，为保证电话通信的顺利进行，PCMPCM通信通信系统除了完成话音信号的编、译码及传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、应答等信号的传成占用、拨号、振铃、应答等信号的传递和交换。递和交换。PCMPCM系统称上述信号为系统称上述信号为信令信令信号信号。图图3-22 PCM-

19、30/32l路群的帧结构路群的帧结构lCCITT建议建议G.732规定的帧结构规定的帧结构2.2 PCM30/32路系统路系统2、帧结构的安排、帧结构的安排 PCM30PCM303232路系统中，每帧共有路系统中，每帧共有3232个路时隙，个路时隙，分别用：分别用：TS0，TS1，TS2TS31来表示。来表示。30个话路时隙：个话路时隙：lTS1TS15分别传送第分别传送第115路话音信号路话音信号lTS17TS31 分别传送第分别传送第1630路话音信号路话音信号 帧同步时隙：帧同步时隙：TS0用于传送帧同步码用于传送帧同步码以实现帧以实现帧同步同步2.2 PCM30/32路系统路系统为保证

20、收发两端各路信令码在时间上对准，也需为保证收发两端各路信令码在时间上对准，也需要在第要在第1 1帧信令码发送前发一个供识别用的标志帧信令码发送前发一个供识别用的标志码。为此在码。为此在PCM30PCM303232路系统中又安排了一个帧，路系统中又安排了一个帧，记为记为F F0 0 。l复帧同步码复帧同步码:F0的的TS16时隙传送的信令标志码时隙传送的信令标志码称称为复帧同步码为复帧同步码。l保证收发两端各路信令码在时间上对准。保证收发两端各路信令码在时间上对准。l16个帧个帧F0，F1，F2，F3F15组成了一个复帧，组成了一个复帧，每个复帧每个复帧占用占用16*125s=2.0ms的时间。

21、的时间。2.3 数字复接技术数字复接技术l数字通信的优越性，推动了数字通信网的建立数字通信的优越性，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，可以采用和提高传输效率，可以采用复用复用的方式。的方式。l为了进一步扩大系统容量，就需要把若干中低为了进一步扩大系统容量，就需要把若干中低速数字信号速数字信号（低次群）（低次群）合并成一个高速数字信合并成一个高速数字信号号（高次群），（高次群），再通过高速信道传输，传到对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。方再分离还原为各个中低速数字信号。数字复数字复接就

22、是这样数字信号合并与分离的。接就是这样数字信号合并与分离的。l随着微波通信、光纤通信的发展，这种技术在随着微波通信、光纤通信的发展，这种技术在数字通信中显得越发重要了。数字通信中显得越发重要了。2.3 数字复接技术数字复接技术l数字复接概念数字复接概念lPCM复用和数字复接复用和数字复接lPCM基群和高次群复接标准基群和高次群复接标准lPDH准同步数字复接系列和准同步数字复接系列和SDH同同步数字复接系列步数字复接系列2.3 数字复接技术数字复接技术1、数字复接概念数字复接概念l数字复接数字复接定义：定义：将低速数字信号（低次群）在将低速数字信号（低次群）在确定的时间段内，按一定时间关系间插在

23、一起，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。合成一个高速数字信号（高次群）的过程。l完成此功能的设备为完成此功能的设备为数字复接器数字复接器，相应地接收端还，相应地接收端还有有数字分接器数字分接器。l目的：进一步扩大系统容量。目的：进一步扩大系统容量。l未时分复用：未时分复用：64kbit/s64kbit/sl时分复用：时分复用：64 64 32=2.048Mbit/sl数字复接：如二次群（数字复接：如二次群（四个基群）四个基群）2.048 4 8Mbit/s2.3 数字复接技术数字复接技术2、PCM复用和数字复接（复用和数字复接（形成高次群形成高次群

24、的方法的方法）lPCM复用：复用：l直接将多路信号编码复用，即直接将多直接将多路信号编码复用，即直接将多路模拟语音信号按路模拟语音信号按125s的周期分别的周期分别进行抽样，然后合在一起进行抽样，然后合在一起统一编码统一编码形成形成多路数字信号。如多路数字信号。如PCM基群的形成。基群的形成。2.3 数字复接技术数字复接技术l例如需要传送例如需要传送120120路电话时，可将路电话时，可将120120路话音路话音信号分别用信号分别用8kHz8kHz抽样频率抽样，然后对每个抽样频率抽样，然后对每个抽样值编抽样值编8 8位码，其数码率位码，其数码率Vb:l8000(帧帧/s)120(时隙时隙/帧帧

25、)8(bits/时隙）时隙）=7680kbit/s。l由于每帧时间为由于每帧时间为125125微秒，每个路时隙的时间微秒，每个路时隙的时间只有只有1 1微秒微秒左右。这样左右。这样每个抽样值编每个抽样值编8 8位码的位码的时间只有时间只有1 1微秒时间微秒时间，其编码速度非常高，对，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，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。实现起来非常困难。2.3 数字复接技术数字复接技术l数字复接：数字复接：l将几个低次群在时间空隙上迭加合成高次群将几个低次群在时间空隙上迭加合成高次群。l几个经几个经PCMPCM复用后的数字信号复用后的

26、数字信号(例如例如4 4个个PCM30/32PCM30/32系统系统)再进行时分复用，形成更多路的数字通信系统。再进行时分复用，形成更多路的数字通信系统。l显然，经过数字复接后的信号的数码率提高了，显然，经过数字复接后的信号的数码率提高了，但但是每一个基群编码速度没有提高是每一个基群编码速度没有提高，实现起来容易，实现起来容易，目前广泛采用这种方法提高通信容量。目前广泛采用这种方法提高通信容量。l本质：与时分复用相同。本质：与时分复用相同。l所不同的是，对于所不同的是，对于数字复接设备数字复接设备参与处理和处理参与处理和处理后的信号都是数字信号，而后的信号都是数字信号，而时分复用设备时分复用设

27、备没有此没有此要求。要求。2.3 数字复接技术数字复接技术数字复接原理方框图数字复接原理方框图2.3 数字复接技术数字复接技术3、PCM基群和高次群复接标准基群和高次群复接标准 l关于将关于将PCM数字电话数字复接成各种数字电话数字复接成各种“群路群路”的方的方式，式，CCITT（现（现TTU-T）建议了两种标准：建议了两种标准：l其一是我国和西欧各国主要采用的其一是我国和西欧各国主要采用的PCM-30/32路系路系列标准：列标准：l该系列将该系列将PCM30/32路群，作为基群（或一次路群，作为基群（或一次群），群），l四个基群组成一个二次群，四个基群组成一个二次群，l四个二次群组成一个三次

28、群，四个二次群组成一个三次群，l四个三次群组成一个四次群等等；四个三次群组成一个四次群等等；2.3 数字复接技术数字复接技术l其二是日本和北美各国采用的其二是日本和北美各国采用的24路系列标路系列标准准，该系列标准规定：，该系列标准规定：l由由24个话路组成一个基群。个话路组成一个基群。l四个基群组成一个二次群，四个基群组成一个二次群，l五个或七个二次群组成一个三次群等等。五个或七个二次群组成一个三次群等等。PCM数字电话的两种复接标准：数字电话的两种复接标准：2.3 数字复接技术数字复接技术l注意注意:表中不同群次的速率不成整数倍关系。表中不同群次的速率不成整数倍关系。l例如，例如，30路系列的基群速率为路系列的基群速率为2.048Mb/s，l二次群的速率二次群的速率:l4*2.048Mb/s=8.192Mb/s。（。（）l4*2.048Mb/s+0.256 Mb/s=8.448 Mb/s。l这样是因为在组成二次群时需要加入额外的这样是因为在组成二次群时需要加入额外的填充码元。填充码元。2.3 数字复接技术数字复接技术4、概念、概念l同步数字体系同步数字体系SDH（Synchronous Digital Hierarchy）l准同步数字体系准同步数字体系PDH（Plesiochronous Digital Hierarchy）：）：