現(xiàn)代通信概論第二章

2.1電話通信

2.2光纖通信計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院通信工程系第2章有線通信上次課內(nèi)容回顧：什么是交換？簡述電路交換（舉例）的基本過程？什么是報(bào)文交換（舉例）？分組交換（舉例）與報(bào)文交換有什么區(qū)別？電路交換和分組交換的主要區(qū)別有哪些？2.1電話通信電話通信發(fā)展電話通信基礎(chǔ)電話機(jī)常用部件語音信號(hào)數(shù)字化附：電話機(jī)的發(fā)展概況自1876年貝爾在美國波士頓發(fā)明了世界上第一部電話機(jī)以來，已有100多年的歷史。這100多年里，出現(xiàn)了各種各樣的電話機(jī)。電話機(jī)的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：人工、機(jī)械、電子式

附：電話機(jī)的發(fā)展概況1．人工電話機(jī)—第一代電話機(jī)人工電話機(jī)一般指無撥號(hào)裝置的電話機(jī)，它需要與人工交換機(jī)配合使用，其接線、拆線過程由話務(wù)員手工完成。電話通話過程需要有直流電源來供電，按電源供給方式分為磁石式和共電式兩種。附：電話機(jī)的發(fā)展概況（1）磁石式電話機(jī)磁石式電話機(jī)是一種比較古老的人工電話機(jī)，我國在二十世紀(jì)七十年代之前廣泛使用這一機(jī)種型。該話機(jī)主要由送話器、受話器、手搖發(fā)電機(jī)、電鈴、干電池（3V）組成。因手搖發(fā)電機(jī)上有兩塊永久磁鐵而得名。磁石式電話機(jī)是利用機(jī)內(nèi)的手搖發(fā)電機(jī)向人工交換機(jī)發(fā)出呼叫信號(hào)的，而通話時(shí)，送話器所需直流是由機(jī)中的3V（2個(gè)1.5V干電池）提供的。（2）共電式電話機(jī)所謂“共電”，即通話用電源統(tǒng)一由交換機(jī)集中提供，也是人工式電話機(jī)，仍屬第一代產(chǎn)品。它與磁石式話機(jī)的不同之處在于，共電話機(jī)取消了機(jī)內(nèi)手搖發(fā)電機(jī)和外接電池，而其內(nèi)部電路與磁石的基本相同。附：電話機(jī)的發(fā)展概況附：電話機(jī)的發(fā)展概況2．撥號(hào)盤式電話機(jī)----第二代電話機(jī)3．全自動(dòng)電話機(jī)——第三代電話機(jī)脈沖按鍵式電話機(jī)音頻按鍵式電話機(jī)，全稱雙音多頻（DTMF）電話機(jī)，也稱雙音頻電話機(jī)。是從50年代起為配合程控交換機(jī)而發(fā)展起來的一種新型話機(jī)。脈沖／音頻兼容按鍵式電話機(jī)，在話機(jī)側(cè)面設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)（P／T）作為選擇2.1.1電話通信基礎(chǔ)一、簡單電話通信系統(tǒng)二、聲學(xué)基礎(chǔ)及人類的聽覺特性1．聲音的產(chǎn)生

聲音是由振動(dòng)著的物體產(chǎn)生的。人發(fā)聲是由于聲帶振動(dòng)的結(jié)果；受話器（聽筒）能發(fā)出聲音，是由于受話器內(nèi)有一膜片2.1.1電話通信基礎(chǔ)2．聲音的描述振動(dòng)的振幅、周期和頻率聲波的振幅越大，聽到的聲音也就越大反映在聽覺上，頻率高的聲音則音調(diào)高，頻率低的聲音則音調(diào)低。三、語聲信號(hào)的特性1.語聲信號(hào)的頻譜和能量

①語聲的頻率范圍人的說話聲音是復(fù)音，一般話音的頻率范圍為80Hz～8kHz。歌唱家的頻譜要寬的多，大概為82～10KHz各種樂器發(fā)聲的頻譜范圍一般要到20～20KHz2.1.1電話通信基礎(chǔ)話音頻率包括基頻及較基頻為高的各種頻率成分（諧波成分）。通?；l部分表征信息，而由音色則可辨認(rèn)每一種聲音。正因?yàn)椴煌曉从胁煌囊羯?，所以人們才能辨別出不同樂器等聲音。2.1.1電話通信基礎(chǔ)②能量分布(P21)語聲的能量用dB表示

語聲信號(hào)低頻部分包含的能量大，高頻部分包含能量小.2.1.1電話通信基礎(chǔ)并且通過實(shí)驗(yàn)可以得出：若除去語聲信號(hào)中500HZ以下頻率成分，語聲的平均能量下降60%；若除去1500HZ以上頻率成分，語聲的平均能量只減少12%（但此時(shí)信號(hào)就不夠清楚了）。2.1.1電話通信基礎(chǔ)2.語聲信號(hào)幅度分布特性（P22)語聲信號(hào)幅度分布特性，該表達(dá)式稱高斯分布：其中：x為信號(hào)瞬時(shí)幅度值，p(x)表示信號(hào)幅度大小出現(xiàn)的概率。語聲信號(hào)小信號(hào)出現(xiàn)概率大，大信號(hào)出現(xiàn)概率小。特別是x=0時(shí)，p(x)值最大，這主要是由于通話過程中的停頓和聽對(duì)方說話的時(shí)間內(nèi)不發(fā)音所致。

2.1.1電話通信基礎(chǔ)3.語聲信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍（p22）通常我們把波形的最大幅值與最小幅值之比定義為語聲信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍一般是將上述比值求對(duì)數(shù)后用分貝dB表示

要使語聲比較生動(dòng)，動(dòng)態(tài)范圍不能太小。通常電話通信考慮到各種因素的影響后，設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)滿足不小于40dB。交響樂、戲劇等聲音的動(dòng)態(tài)范圍可高達(dá)60～80dB2.1.1電話通信基礎(chǔ)4.對(duì)語聲還原的評(píng)價(jià)①清晰度(可懂度)：②自然度：2.1.1電話通信基礎(chǔ)5.電話系統(tǒng)中的語聲傳輸頻帶(P23)兼顧清晰度和能量兩個(gè)方面，又考慮到提高線路利用率和簡化通信設(shè)備1938年國際電聯(lián)的前身國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（CCITT）建議采用300～3400Hz的頻帶范圍。因該頻段為低頻信號(hào)部分，包含的能量大，且清晰度可達(dá)到90％。從此以后，這一建議被世界各國普遍采用，我國各種制式的電話機(jī)，工作頻帶均采用300Hz～3400Hz。

2.1.1電話通信基礎(chǔ)2.2.2

電話機(jī)的專用部件

電話機(jī)要想正常工作，必須有送話器、受話器進(jìn)行電信號(hào)與語音的互相轉(zhuǎn)換。打電話時(shí)需要撥號(hào)盤，接電話時(shí)要有振鈴器，當(dāng)然還有一些叉簧、開關(guān)、接插件和線繩等輔助器件。一、送話器：在聲波的作用下，能按照聲壓變化規(guī)律，產(chǎn)生相應(yīng)的變化電流，是一種把聲能轉(zhuǎn)換成電能的聲電轉(zhuǎn)換器。最早送話器是炭精送話器。目前在按鍵電話機(jī)中常用的送話器:駐極體送話器、動(dòng)圈式送話器、電磁式送話器和壓電陶瓷送話器。

2.2.2

電話機(jī)的專用部件

（1）炭精送話器（P24）2.2.2

電話機(jī)的專用部件

（2）駐極體送話器(p26)駐極體也叫永電體，它是一種永久帶電的物體。駐極體送話器的關(guān)鍵部件為駐極體振動(dòng)膜。它是從70年代開始發(fā)展起來的一種新型聲／電轉(zhuǎn)換器。2.2.2

電話機(jī)的專用部件

將一片已經(jīng)極化帶電的振動(dòng)膜放到電話機(jī)的話筒中，它和話筒的金屬底座板之間就構(gòu)成了一只電容器。根據(jù)靜電感應(yīng)原理與駐極體振動(dòng)膜相對(duì)峙的金屬底座板就會(huì)感應(yīng)出大小相等方向相反的電荷。2.2.2

電話機(jī)的專用部件

二、受話器：電/聲轉(zhuǎn)換部件。受話器按能量轉(zhuǎn)換原理可分為：電磁式受話器、壓電式受話器和動(dòng)圈式受話器三種。我國最早開發(fā)生產(chǎn)的受話器是電磁式受話器，后來發(fā)展了壓電式受話器，近幾年來國內(nèi)許多廠家正在大力發(fā)展高質(zhì)量的動(dòng)圈式受話器。下面主要以早期最普遍使用的電磁式受話器為例，介紹一下受話器的工作原理。2.2.2

電話機(jī)的專用部件

（1）電磁式受話器(P27)它亦是由四部分組成：永久磁鐵、線圈、電磁鐵及振動(dòng)膜片。2.2.2

電話機(jī)的專用部件

（2）動(dòng)圈式受話器（P28）動(dòng)圈式受話器的特點(diǎn)是線圈和振動(dòng)膜片連在一起，且線圈是套于永久磁鐵與極靴的間隙中。2.2.2

電話機(jī)的專用部件

三、撥號(hào)盤撥號(hào)盤又稱發(fā)號(hào)器或選呼設(shè)備。撥號(hào)盤就是電話機(jī)發(fā)出呼叫信號(hào)的接口部件。按送出選擇信號(hào)方式的不同，撥號(hào)盤可分為兩種，一種是機(jī)械旋轉(zhuǎn)式撥號(hào)盤，另一種是按鍵式撥號(hào)盤。目前普遍使用的撥號(hào)盤是按鍵式撥號(hào)盤2.2.2

電話機(jī)的專用部件

（1）旋轉(zhuǎn)式撥號(hào)盤電流每斷續(xù)一次就送出一個(gè)斷續(xù)電流稱為直流撥號(hào)脈沖，從而將由交換機(jī)供給電話機(jī)的直流電流變成與撥號(hào)數(shù)字相對(duì)應(yīng)的撥號(hào)脈沖，達(dá)到把對(duì)方電話號(hào)碼告訴交換機(jī)的目的。（P35）這種以脈沖個(gè)數(shù)表示對(duì)方電話號(hào)碼的撥號(hào)方式稱為脈沖撥號(hào)方式。脈沖撥號(hào)方式2.2.2

電話機(jī)的專用部件

（2）按鍵式撥號(hào)盤旋轉(zhuǎn)式撥號(hào)盤由于是機(jī)械旋轉(zhuǎn)，存在著兩個(gè)主要問題：一是容易出故障，撥號(hào)盤因卡住不轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)速度不合標(biāo)準(zhǔn)常常出現(xiàn)錯(cuò)號(hào)；二是回轉(zhuǎn)需要一段時(shí)間，尤其是撥8、9、0等高位號(hào)碼時(shí)，更費(fèi)時(shí)間。這樣，占用了線路，降低了電話交換設(shè)備的有效利用率。2.2.2

電話機(jī)的專用部件

按鍵撥號(hào)盤也稱電子號(hào)盤，由按鍵開關(guān)和電子線路組成。它所發(fā)出的信號(hào)目前為：雙音多頻信號(hào)每當(dāng)用戶按一個(gè)數(shù)字鍵時(shí)，電話機(jī)便向線路送出兩個(gè)音頻正弦信號(hào)(雙音)組合成的混合信號(hào)。程控交換機(jī)根據(jù)頻率數(shù)字分離技術(shù)接收鑒別后便能得知用戶所撥電話號(hào)碼，如圖2-15所示。2.2.2

電話機(jī)的專用部件

按鍵上的每一個(gè)數(shù)字鍵（0－9）和符號(hào)鍵（＃、*）均分別用高、低兩個(gè)正弦波單音頻組合信號(hào)來代表

兩個(gè)音頻信號(hào)分別從4個(gè)低頻組的頻率和3個(gè)高頻組的頻率中選擇兩個(gè)組成的,簡言之“七中取二”。該種撥號(hào)方式稱為雙音多頻式撥號(hào)方式，簡稱DTMF（DualToneMultipleFrequency）方式。2.2.2

電話機(jī)的專用部件

具體話機(jī)的按鍵和相應(yīng)頻率的關(guān)系如圖2-10所示：表中高、低頻率共組合成16個(gè)雙音碼作為撥號(hào)信號(hào)，其中A、B、C、D是備用碼。DTMF方式2.2.2

電話機(jī)的專用部件

四、輔助器件⒈振鈴器(P31)電子振鈴器是以電子元件組成的電子振鈴器，又稱音調(diào)振鈴器或電子鈴。如新式電子電話機(jī)中的振鈴器多為音調(diào)式振鈴器。音調(diào)振鈴器是由振鈴集成電路、電/聲換能器件及外圍電子器件組成。振鈴集成電路的功能是把25Hz振鈴電壓轉(zhuǎn)換為幾百到上千赫的兩種音頻，并且按一定周期（如10次每秒）輪流送出。2.2.2

電話機(jī)的專用部件

2．叉簧完成通話電路和振鈴電路與外線的接通、斷開轉(zhuǎn)換功能，它實(shí)際上也是一種開關(guān)。通話回路由“斷開”到“閉合”的狀態(tài)改變，能被交換機(jī)掃描識(shí)別。于是以這種方式，便可通知交換機(jī)相應(yīng)用戶要打電話。2.2.2

電話機(jī)的專用部件

3．手柄、開關(guān)、接插件、線繩手柄又叫聽柄，它是裝送、受話器的地方。手柄用線繩與機(jī)座連為一體，完成通話任務(wù)。新式電話機(jī)使用了多種開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)功能和性能的轉(zhuǎn)換。這些開關(guān)體積小，便于安裝。電話機(jī)中常用的開關(guān)有撥動(dòng)式和按壓式兩種。接插件在電話機(jī)中完成各種部件之間的連接。線繩有兩條，分別稱為Ⅱ線繩和Ⅳ線繩，2.2.2

電話機(jī)的專用部件

語音信號(hào)數(shù)字化1、數(shù)字通信系統(tǒng)的組成(1)非電/電轉(zhuǎn)換和電／非電轉(zhuǎn)換器非電／電轉(zhuǎn)換：若信源發(fā)出的信息是連續(xù)的模擬信息，如語聲，經(jīng)非電/電(聲/電)轉(zhuǎn)換，連續(xù)變化的語聲就變成了模擬語音電信號(hào)，而后進(jìn)入一次編碼器。電／非電轉(zhuǎn)換器：模擬信號(hào)經(jīng)電／非電(電/聲)轉(zhuǎn)換后，恢復(fù)成語聲。（2）一次編碼/一次譯碼（信源編/譯碼）一次編碼：A/D變換，把模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。一次譯碼：D/A變換，把模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。（3）加密器\解密器：有時(shí)通信需要保密，則對(duì)一次編碼輸出的數(shù)字信號(hào)，可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行加密處理，加密器：把密電碼通過加密器加到信息碼流中去，改變?cè)瓉硇糯a流碼元排列順序，所以加密器又叫擾亂器或搗亂器。解密器：即去掉密碼恢復(fù)原來信碼流碼元順序。（4）二次編碼/二次譯碼（信道編/譯碼）完成自動(dòng)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，即差錯(cuò)控制編譯碼的功能。

由于信道傳輸特性的不理想和噪聲的影響，數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中往往會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)，即誤碼（“1”誤成“0”，或“0”誤成“1”）現(xiàn)象。這種差錯(cuò)，原則上是可以控制的，它是通過差錯(cuò)控制編碼等手段來實(shí)現(xiàn)的。差錯(cuò)控制基本原理：舉例發(fā)：明天14：00~16：00開會(huì)收：明天10：00~16：00開會(huì)收到這個(gè)錯(cuò)誤通知后由于無法判斷其正確與否發(fā)：明天下午14：00~16：00開會(huì)

收：明天下午10：00~16：00開會(huì)

即可判斷出其中“10：00”發(fā)生了錯(cuò)誤。這時(shí)，收者可以告訴發(fā)端再發(fā)一次通知，這就是檢錯(cuò)重發(fā)。發(fā)：明天下14：00~16：00兩個(gè)小時(shí)開會(huì)收：明天下10：00~16：00兩個(gè)小時(shí)開會(huì)

不但能判斷出錯(cuò)誤，同時(shí)還能糾正錯(cuò)誤。差錯(cuò)控制編碼的基本原理：

為了能判斷傳送的信息是否有誤（檢錯(cuò)），又能糾正錯(cuò)誤（糾錯(cuò)），可以在傳送時(shí)增加必要的附加判斷數(shù)據(jù)（冗余碼）；（這些附加數(shù)據(jù)在不發(fā)生誤碼的情況之下是完全多余的，但）如果發(fā)生誤碼，即可利用被傳信息數(shù)據(jù)與附加數(shù)據(jù)之間的特定關(guān)系來實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。說明：無論檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，都有一定的識(shí)別范圍如上例中，若開會(huì)時(shí)間錯(cuò)為“16：00--18：00”，則無法實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)與糾錯(cuò)，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間也同樣滿足附加數(shù)據(jù)的約束條件，這就應(yīng)當(dāng)增加更多的附加數(shù)據(jù)(即冗余)。具體講：

為了使信源代碼具有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力，應(yīng)當(dāng)按一定的規(guī)則在信源編碼的基礎(chǔ)上增加一些冗余碼元(又稱監(jiān)督碼)，使這些冗余碼元與被傳送信息碼元之間建立一定的關(guān)系，發(fā)信端完成這個(gè)任務(wù)的過程就稱為誤碼或差錯(cuò)控制編碼。在收信端，根據(jù)信息碼元與監(jiān)督碼元的特定關(guān)系，實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)或糾錯(cuò)，輸出原信息碼元，完成這個(gè)任務(wù)的過程就稱誤碼控制譯碼(或解碼)。為此，在發(fā)送端需要增加一個(gè)二次編碼器，而在接收端相應(yīng)地需要一個(gè)二次解碼器。所以二次編碼又稱差錯(cuò)控制編碼，是為防止傳輸中產(chǎn)生誤碼而采取的差錯(cuò)控制編碼方法。

總結(jié)：差錯(cuò)控制編碼根據(jù)功能不同可分為：

檢錯(cuò)碼：只能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)糾錯(cuò)碼：既能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)也能自動(dòng)糾正差錯(cuò)糾刪碼：具備識(shí)別錯(cuò)碼和糾正錯(cuò)碼的功能，而且當(dāng)錯(cuò)碼超過糾正范圍時(shí)可把無法糾錯(cuò)的信息刪除。信源編碼和信道編碼在數(shù)字通信中，根據(jù)不同的目的，編碼分為信源編碼和信道編碼兩大類。為了提高數(shù)字信號(hào)的有效性以及為了使模擬信號(hào)數(shù)字化而采用的編碼稱為有效性編碼或信源編碼；為了提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼稱為可靠性編碼或信道編碼。所以上述一次編碼屬于信源編碼范疇；二次編碼屬于信道編碼的范疇。（4）調(diào)制器/解調(diào)器

調(diào)制：將輸入數(shù)字信號(hào)變換成適合于信道傳輸?shù)男问剑剐盘?hào)能較好的通過信道到達(dá)接收端。

例：信源所發(fā)出的原始信號(hào)（基帶信號(hào)），一般為低頻率的信號(hào)低頻信號(hào)要以無線電方式進(jìn)行通信，必須要通過調(diào)制將其加載到更高頻率的載波上，才能有效地發(fā)往天空。說明：具體的數(shù)字通信系統(tǒng)并非一定要按上圖所示那樣包括所有的方框，應(yīng)視具體情況而定。若信息源發(fā)出的信號(hào)已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)，則無需A/D和D/A轉(zhuǎn)換；不需要保密時(shí)，就不用加密器和解密器。傳輸話音信息時(shí)，既使有少量誤碼，也不影響通信質(zhì)量，一般不需加二次編解碼在某些有線信道中，特別是傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下，不需要調(diào)制和解制部分。1、信源編/譯碼模擬信號(hào)數(shù)字化技術(shù)：將信源輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。例如：語音、圖像（語音信號(hào)是一維的，圖像信號(hào)是多維的）語音編碼：語音信號(hào)數(shù)字化；脈沖編碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制（△M）被廣泛應(yīng)用。圖像編碼：圖像信號(hào)數(shù)字化。幅度和時(shí)間離散化外，還須在空間上也同時(shí)離散化（隱含在時(shí)間離散化中）。對(duì)于彩色圖像，還需要將給定色度空間的三基色（或三原色，如紅，綠，藍(lán)）值也進(jìn)行離散化。上次課內(nèi)容回顧：語音信號(hào)還原的評(píng)價(jià)。（兩個(gè)指標(biāo)）電話語音信號(hào)的頻率范圍。（CCITT）簡單點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電話通信系統(tǒng)組成框圖及各部分作用。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)組成框圖及各部分作用。差錯(cuò)控制基本原理：舉例發(fā)：明天14：00--16：00開會(huì)收：明天10：00--16：00開會(huì)收到這個(gè)錯(cuò)誤通知后由于無法判斷其正確與否發(fā)：明天下午14：00--16：00開會(huì)

收：明天下午10：00--16：00開會(huì)

即可判斷出其中“10：00”發(fā)生了錯(cuò)誤。這時(shí)，收者可以告訴發(fā)端再發(fā)一次通知，這就是檢錯(cuò)重發(fā)。發(fā)：明天下14：00--16：00兩個(gè)小時(shí)開會(huì)收：明天下10：00--16：00兩個(gè)小時(shí)開會(huì)

不但能判斷出錯(cuò)誤，同時(shí)還能糾正錯(cuò)誤。1、基本概念脈沖編碼調(diào)制（PCM）：

PulseCodeModulation

對(duì)模擬信號(hào)的瞬時(shí)抽樣值量化、編碼，以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的方法。PCM過程包含采樣、量化、編碼三個(gè)步驟。語音信號(hào)數(shù)字化方法：脈沖編碼調(diào)制（PCM）2、PCM系統(tǒng)的組成（1）模／數(shù)變換

抽樣：把模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化。即使模擬信號(hào)變?yōu)槌闃用}沖序列又稱脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號(hào)。

量化：將抽樣得到的信號(hào)在幅度上離散化；即把PAM信號(hào)在幅度上離散化，變?yōu)榱炕担ü灿蠳個(gè)量化值）。

編碼：用相應(yīng)的二進(jìn)碼來表示N個(gè)量化值。（2）信道部分：包括傳輸線及再生中繼器（3）數(shù)／模變換解碼：編碼反過程，解碼后還原為PAM信號(hào)。低通：由PAM信號(hào)恢復(fù)或重建原模擬信號(hào)。PCM單路抽樣、量化、編碼波形圖：Step1抽樣

模擬信號(hào)數(shù)字化的第一步：抽樣將模擬信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行離散化的過程。在語音信號(hào)的波形范圍內(nèi)，以一定的時(shí)間間隔提取模擬信號(hào)瞬時(shí)幅度值。

這樣就把連續(xù)的話音信號(hào)變成了一個(gè)個(gè)分離的、等距離的電脈沖，即時(shí)間上連續(xù)的模擬語音信號(hào)處理成了在時(shí)間上離散的信號(hào)。抽樣后所得出的一系列在時(shí)間上離散的抽樣值被稱為樣值序列，或PAM信號(hào)。Step1抽樣1.抽樣的描述連續(xù)信號(hào)在時(shí)間上離散化的抽樣過程如圖所示：抽樣過程具體描述：對(duì)于某一時(shí)間連續(xù)信號(hào)f(t)，僅取?(to)、?(t2)、?(t3)、……?(tn)等樣值。于是信號(hào)?(t)就變成了時(shí)間離散信號(hào)?S(t)，完成了對(duì)?(t)信號(hào)的抽樣過程。

Step1抽樣抽樣是由抽樣門完成圖中用脈沖（開關(guān)）信號(hào)sT(t)（等間隔的幅度為1的脈沖信號(hào)）來控制開關(guān)K—抽樣門的通斷。每間隔△T時(shí)間控制開關(guān)閉合一次，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)f(t)的抽樣。模擬信號(hào)m(t)時(shí)間上離散化

樣值序列s(t)Step1抽樣2.抽樣的具體實(shí)現(xiàn)在電路上可通過乘法器來實(shí)現(xiàn)，如圖所示。用數(shù)學(xué)公式可描述為：fs(t)＝f(t)×sa(t)。

3.抽樣定理抽樣的可行性：若在發(fā)送端要把一段模擬語聲信號(hào)傳到對(duì)方，不一定要傳信號(hào)上的每一點(diǎn)抽樣的原則：保證接收端從樣值序列不失真地恢復(fù)出原始信號(hào)。時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)通過抽樣變成了時(shí)間上離散的信號(hào)，為保證信息的正確傳遞，則要求離散后的樣值序列不能丟失原來信號(hào)的信息；換句話說把f(t)變成fs(t)，要求對(duì)fs(t)作適當(dāng)處理后，能無失真恢復(fù)原信號(hào)f(t)。

Step1抽樣奈奎斯特準(zhǔn)則（抽樣定理）

設(shè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)f(t)，其最高截止頻率為fm，若用時(shí)間間隔Ts≤1/(2*fm)的開關(guān)信號(hào)s(t)對(duì)f(t)抽樣，則f(t)可被抽樣后的離散信號(hào)fs(t)唯一地確定。抽樣定理告訴我們：只要按抽樣定理的周期進(jìn)行抽樣，就能由離散樣值序列重建原始模擬信號(hào)。

Step1抽樣4．語音信號(hào)抽樣周期語聲信號(hào)的頻率為300--3400Hz，則最高截止頻率fm=3400Hz。

根據(jù)抽樣定理，抽樣周期：TS≤1/(2fm)=1/(2*3400)≈1/(2*4000)=125μs（為計(jì)算方便）。抽樣頻率：?S=1/TS=1/125μs=8KHz的抽樣頻率（即抽樣頻率）

對(duì)300--3400Hz的電話語聲信號(hào)8000次/s抽樣，則抽樣后的樣值序列可完整的恢復(fù)原來的語聲信號(hào)。

Step1抽樣Step2量化

量化：把幅度連續(xù)變化的樣值序列變換為幅度取值為有限個(gè)的離散樣值序列的過程就是量化。1.量化的必要性模擬信號(hào)經(jīng)抽樣后得到了樣值序列。各抽樣值沿時(shí)間坐標(biāo)軸t是離散分布的，但每個(gè)抽樣值沿幅度坐標(biāo)軸的變化是隨原模擬信號(hào)幅度連續(xù)變化的。因此，它很難用有限位數(shù)的數(shù)字信號(hào)來表示，為此需要對(duì)樣值序列進(jìn)一步處理，使它成為在幅度上是有限種取值的離散樣值序列。Step2量化2.量化方法：用分層方法可實(shí)現(xiàn)量化。把信號(hào)變化的動(dòng)態(tài)范圍劃分為若干個(gè)區(qū)間（層），只要某樣值信號(hào)落在某個(gè)區(qū)間內(nèi)，就取該區(qū)間內(nèi)預(yù)先規(guī)定的某個(gè)參考電平（如該區(qū)間的中間值）作為量化值。Step2量化劃分的區(qū)間有多少個(gè)，量化值就有多少個(gè)。于是就用近似的方法將無限個(gè)樣值變成了有限個(gè)量化值。問題：量化級(jí)N＝8的量化器，量化值總共有多少種？劃分的區(qū)間有多少個(gè)，量化值就有多少個(gè)

幾個(gè)概念量化級(jí)：量化區(qū)間稱為量化級(jí)，或量化間隔。()量化電平：區(qū)間內(nèi)預(yù)先規(guī)定的某個(gè)參考電平，也稱量化值。量化誤差：抽樣值與量化值之差，也稱為量化噪聲。Step2量化相對(duì)量化誤差：量化誤差/量化值最大相對(duì)量化誤差：最大量化誤差/量化值量化信噪比：衡量量化噪聲對(duì)信號(hào)影響的指標(biāo)。S/D（dB）=10lg(信號(hào)平均功率/量化噪聲功率）（dB）說明：量化中分級(jí)的多少可根據(jù)要求而定，因?yàn)榱炕Y(jié)果與樣值的實(shí)際情況總會(huì)有偏差，級(jí)數(shù)分得越多量化誤差越小，通信質(zhì)量越高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)和電路就越復(fù)雜，目前大多分為256級(jí)。

（話音信號(hào)傳輸要求，要求量化信噪比≥26dB）Step2量化Step2量化3、量化的分類：均勻量化：量化間隔相等的量化。非均勻量化：量化間隔不相等的量化。（1）均勻量化：量化間隔相等例如：某信號(hào)f(t)的幅度變化范圍為0.5--8.5V，采樣10次，其值分別為f(t0)--f(t9)Step2量化Step2量化由上表可知，對(duì)于均勻量化，在量化區(qū)內(nèi)，因?yàn)榇笮⌒盘?hào)的量化間隔相同（△u＝1），信號(hào)無論大小其最大量化誤差相同均為：＝0.5v，不會(huì)因信號(hào)幅度的改變而改變。信號(hào)樣值幅度越大，相對(duì)量化誤差越小，量化信噪比越大；信號(hào)樣值幅度越小，相對(duì)量化誤差越大，量化信噪比越小。均勻量化的特點(diǎn)：小信號(hào)的量化信噪比小，大信號(hào)的量化信噪比大。Step2量化均勻量化的缺點(diǎn)：均勻量化方式對(duì)傳輸大信號(hào)極為有利，對(duì)傳輸小信號(hào)不利。語聲信號(hào)的幅度分布特性為：大信號(hào)出現(xiàn)的概率小，小信號(hào)出現(xiàn)的概率大；因此，均勻量化對(duì)傳輸語聲信號(hào)是不利的。具體表現(xiàn)是通話時(shí)聲音越小時(shí)，傳到對(duì)方越小甚至被噪聲所淹沒。解決上述問題的方法減小量化間隔，增大量化級(jí)數(shù)將量化區(qū)間分得更細(xì)一些，即△u要小，量化分層數(shù)N要多。于是編碼位數(shù)就會(huì)相應(yīng)增加，結(jié)果將導(dǎo)致編碼及編碼器復(fù)雜，信道利用率降低。編碼復(fù)雜信道利用率下降非均勻量化Step2量化Step2量化（2）非均勻量化①非均勻量化的目的、思想目的：減小小信號(hào)時(shí)的量化誤差，提高小信號(hào)時(shí)的量化信噪比?！?使信噪比趨于一致。由最大相對(duì)量化誤差公式：產(chǎn)生均勻量化的“小信號(hào)量化信噪比小”現(xiàn)象的原因：是由均勻量化時(shí)的量化間隔△u是固定值，它不隨信號(hào)幅度的變化而變化。小信號(hào)相對(duì)量化誤差大，大信號(hào)相對(duì)量化誤差小。思想：信號(hào)幅度區(qū)間小時(shí)，量化間隔△u小些，即分層細(xì)一些；信號(hào)幅度區(qū)間大時(shí)，量化間隔△u大些，即分層粗一些；以使大小信號(hào)相對(duì)量化誤差（量化信噪比）趨于一致。②非均勻量化的實(shí)現(xiàn)方法：采用壓縮擴(kuò)張技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)抽樣信號(hào)非均勻量化。Step2量化由最大相對(duì)量化誤差公式：為達(dá)到使大小信號(hào)量化信噪比趨于一致的目的，可采取一種等效途徑：首先通過人為變換，對(duì)樣值進(jìn)行處理χ→y，即y=f(x)以增大小信號(hào)樣值，減小大信號(hào)的樣值。然后再對(duì)處理后的y樣值區(qū)間進(jìn)行均勻量化以保證量化間隔△u′一致（△u變?yōu)椤鱱′）。

達(dá)到大小信號(hào)量化信噪比趨于一致的目的。目前國際上有兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)：A律十三折13折線A律主要用于英、法、德等歐洲各國的PCM設(shè)備中，我國也采用A律13折線。μ律十五折線15折線μ律主要用于美國、日本和加拿大等國的PCM設(shè)備中。Step2量化13折線A律壓擴(kuò)曲線Step2量化Step2量化A律13折線的生成：13折線A律是從非均勻量化的基點(diǎn)出發(fā)，設(shè)法用許多折線來逼近A律對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性的。設(shè)在直角坐標(biāo)系中，x軸和y軸分別表示輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，并假定輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的最大取值范圍都是＋1～－1，即都是歸一化的。歸一化的壓縮器輸入電壓

x=壓縮器的輸入電壓/壓縮器可能的最大輸入電壓歸一化的壓縮器輸出電壓y=壓縮器的輸出電壓/壓縮器可能的最大輸出電壓Step2量化段號(hào)輸入信號(hào)x=（-1～1）區(qū)間長度LX87654321[1/2，1][1/4，1/2][1/8，1/4][1/16，1/8][1/32，1/16][1/64，1/32][1/128，1/64][0，1/128]1/21/41/81/161/321/641/1281/128

為達(dá)到非均勻量化的目的，A律13折線分兩步生成：

第一步，把x軸的區(qū)間［－1，1］不均勻地分成16大段，正半軸8大段，負(fù)半軸8大段。Step2量化Step2量化

第二步，將以上8個(gè)不均勻大段的每一段，再均勻地分成16等份，每一等份代表一個(gè)量化級(jí)。Step2量化

因此，將x軸的0～1的變化域分成了16×8＝128個(gè)非均勻量化級(jí)，以使輸入信號(hào)的抽樣值進(jìn)行非均勻量化；另外，對(duì)-x軸也作同樣的分段處理，則x軸坐標(biāo)共有256個(gè)非均勻量化級(jí)。

對(duì)于y（或-y）軸的0～1的變化域被均勻地分成8大段，每大段再均勻地分成16等份，故y軸同樣也被分成128×2＝256個(gè)等份段號(hào)

輸出信號(hào)Ｙ=（-1～1）區(qū)間長度Lｙ87654321[7/8，1][6/8，7/8][5/8，6/8][4/8，5/8][3/8，4/8][2/8，3/8][1/8，2/8][0，1/8]1/81/81/81/81/81/81/81/8Step2量化Step2量化將x軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)作以上分段處理后，再將相應(yīng)大段的坐標(biāo)交點(diǎn)連接起來，得到16段折線段，由于正方向1、2段與負(fù)方向1、2段具有相同的斜率，因此可連在一起作為一段，于是16段折線從形狀上變成了13段折線段號(hào)輸入信號(hào)x=（-1～1）區(qū)間長度LX輸出信號(hào)Ｙ=（-1～1）區(qū)間長度Lｙ斜率k段號(hào)87654321[1/2，1][1/4，1/2][1/8，1/4][1/16，1/8][1/32，1/16][1/64，1/32][1/128，1/64][0，1/128]1/21/41/81/161/321/641/1281/128[7/8，1][6/8，7/8][5/8，6/8][4/8，5/8][3/8，4/8][2/8，3/8][1/8，2/8][0，1/8]1/81/81/81/81/81/81/81/81/41/21248161612345612345678[0，-1/128][-1/128，-1/64][-1/64，-1/32][-1/32，-1/16][-1/16，-1/8][-1/8，-1/4][-1/4，-1/2][-1/2，-1]1/1281/1281/641/321/161/81/41/2[0，-1/8][-1/8，-2/8][-2/8，-3/8][-3/8，-4/8][-4/8，-5/8][-5/8，-6/8][-6/8，-7/8][-7/8，-1]1/81/81/81/81/81/81/81/8161684211/21/489101112137Step2量化該折線被稱為A律13折線。Step2量化Step3編碼圖3-3中，量化級(jí)共有6級(jí)，所以可用“3”位二進(jìn)制“0”和“1”的不同組合來表示。編碼：是用相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)碼組表示模擬信號(hào)的量化的抽樣值的過程。常用編碼方法:常用的編譯碼是根據(jù)A律13折線非均勻量化間隔的劃分直接對(duì)樣值編碼，稱為非均勻編碼（在編碼過程中實(shí)現(xiàn)了非均勻量化），接收端再進(jìn)行非均勻解碼，即直接非均勻編解碼法。Step3編碼譯碼：與編碼的作用相反，是把數(shù)字信號(hào)碼組還原成對(duì)應(yīng)模擬信號(hào)的量化的抽樣值過程。編碼由編碼器完成，譯碼由譯碼器完成。Step3編碼1.編碼的位數(shù)和碼位的安排編碼后的一個(gè)碼組中需要有幾位二進(jìn)制碼，與量化時(shí)的級(jí)數(shù)有關(guān)。所以現(xiàn)在使用的PCM系統(tǒng)中，編碼位數(shù)的選擇取決于PCM量化級(jí)數(shù)。例：通過上述A律13折線的生成可知，A律13折線正軸有8個(gè)大的量化段，每個(gè)量化段又均勻分成16等份，每一份稱為一個(gè)量化級(jí)。對(duì)-x軸也作同樣的分段處理。量化級(jí)數(shù)N＝2（正負(fù)極性）×8（段）×16（等份）＝256，所以需8位二進(jìn)制碼。第1位二進(jìn)制碼a1：稱為極性碼，表示樣值信號(hào)極性的正負(fù)（如“1”表示正，“0”表示負(fù)）3位二進(jìn)制碼a2a3a4：稱為段落碼，表示8大段落4位二進(jìn)制碼a5a6a7a8：稱為段內(nèi)碼，表示每一大段的16等份a1，a2a3a4，a5a6a7a8

極性碼段落碼段內(nèi)碼Step3編碼Step3編碼2.編碼的碼型編碼碼型:編碼的碼型指的是把模擬信號(hào)抽樣值量化后的所有量化級(jí)，按其量化值的大小次序排列起來，并列出各自對(duì)應(yīng)的碼組，這個(gè)整體稱為碼型。PCM通常采用二進(jìn)制碼進(jìn)行編碼，利用二進(jìn)制碼組編碼時(shí)，常用的碼型有三種：一般二進(jìn)碼循環(huán)碼(格雷碼)折疊碼

上述將模擬信號(hào)取樣、量化、再將量化所得離散幅值用一組二進(jìn)制碼表示（即編碼）的過程，就是所謂脈沖編碼調(diào)制（PCM）過程。在PCM通信系統(tǒng)中，一路帶寬為4kHz的模擬語音信號(hào)是如何變成64kbit/s的數(shù)字語音信號(hào)的？抽樣：8kHz速率的取樣；非均勻量化：每個(gè)樣值又非均勻量化為256個(gè)不同量化級(jí)中的一個(gè)；編碼：每個(gè)量化值再編碼為8位折疊二進(jìn)制碼碼速為：8000×8=64kbit/sStep3編碼上次課內(nèi)容回顧：PCM含義、過程。抽樣定理（Nyquist奈奎斯特準(zhǔn)則）。量化的目的。非均勻量化的思想、目的、實(shí)現(xiàn)方法。4kHz模擬語音信號(hào)經(jīng)過PCM數(shù)字化后碼速率是多少？如何得來的？數(shù)字傳輸技術(shù)數(shù)字基帶傳輸數(shù)字頻帶傳輸數(shù)字傳輸技術(shù)數(shù)字信號(hào)：數(shù)字終端設(shè)備直接產(chǎn)生（如計(jì)算機(jī)、電傳機(jī)等）A/D轉(zhuǎn)換后不同的信道具有不同的頻率特性。數(shù)字信號(hào)在信道中的表現(xiàn)形式取決于信道，不同的信道要求的信號(hào)形式不同。無線信道：（自由空間），只能傳輸較高頻率的信號(hào)。有線信道：（電纜或光纖信道），能傳輸?shù)男盘?hào)是從零頻開始的。通常數(shù)字信號(hào)的傳輸方法有兩種：基帶傳輸頻帶傳輸（又稱載波傳輸、調(diào)制傳輸）。1.數(shù)字基帶信號(hào)從波形上看，數(shù)字信號(hào)一般是由不同電壓極性（如＋5V或－5V）表示的矩形脈沖(其頻率成分從零頻開始一直擴(kuò)展到很高頻率）矩形脈沖的固有頻寬稱做基本頻帶，即基帶，上述數(shù)字信號(hào)又統(tǒng)稱為數(shù)字基帶信號(hào)。（如PCM等）數(shù)字基帶傳輸2.基帶傳輸將未經(jīng)調(diào)制變換的基帶信號(hào)直接送往信道中傳輸?shù)膫鬏敺绞胶唵握f來，就是將數(shù)字信號(hào)1或0直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。如在某些有線信道中，特別是傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下，可以讓基帶信號(hào)直接進(jìn)行傳輸。如短距離的脈沖編碼調(diào)制（PCM）局間中繼、局域網(wǎng)計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)傳送常采用基帶傳輸方式。