语音信号的数字化基础.ppt

1,第2章 语音信号的数字化基础,2.5 几个基本概念,2.4 传输码型,2.3 抽样信号的量化和编译码,2.1 时间分割多路复用原理,2.2 模拟信号的抽样和抽样定理,2.6 32路PCM的帧结构,2.7 PCM的高次群,2,2.1 时间分割多路复用原理,3,2.3时分多路复用,时分复用示意图,发送端,接收端,4,CH1,CH2,CH32,A,B,C,经过抽样门后的时分复用线,125us,3.91us,PAM,5,分路CH1,分路CH2,分路CH32,PAM,125US,3.91US,6,2.2 模拟信号和数字信号,信号的幅度取值离散，且不准确的与原信息对应的信号。,具有较强的抗干扰能力，可再生；保密性强；便于采用集成电路和超大规模集成电路；便于向ISDN发展,7,2.2 模拟信号的抽样和抽样定理,抽样定理：,抽取信号样值的过程，即用很窄的矩形脉冲按一定周期读取模拟信号的瞬时值。,抽样：,不得大于,8,模拟信号的抽样,9,2.2 模拟信号的抽样和抽样定理,模拟信号m(t),抽样信号,抽样信号,10,2.2 模拟信号的抽样和抽样定理,电话传输中，语声的频带限制在3003400Hz，故抽样频率选为8000Hz（大于6800Hz），抽样周期为125us。,分路门电路,对模拟信号的抽样由抽样门电路实现。,抽样门电路,在接受端，解码后各路重建的PAM信号要进行分离，分送到各路接收端，由分路门电路实现。,11,抽样门电路,稳压电路，驱动电路，抽样门电路,12,抽样脉冲,13,分路门电路,30个分路门分别在各自的收定时脉冲下，开通分路门，完成时分多路复用的任务。,14,2.3 抽样信号的量化和编译码,利用预先设定的有限个电平来表示每一个模拟抽样值的过程。即将信号的幅度取值限制在有限个离散值上。,量化：,取值连续的抽样,取值离散抽样,15,均匀量化,16,抽样信号的量化,输入信号的取值域按相等距离分隔的量化。,缺点：小信号量化噪声大。,解决方法：,减小量化间隔，或增加采样频率；缺点：更多位编码及更高的码速。采用非均匀量化分组；在小信号范围内提供较多的量化级，而在大信号范围内提供较少的量化级，规定量化级的总数不变，不需要增加传输带宽，又可以提高小信号信噪比。,“压扩法”,17,由量化噪声产生的信噪比=10lg信号功率/噪声功率为了保证通信质量，规定信号的动态范围大于40DB时，量化信噪比均大于26DB；既要求Vmax100*Vmin时，Vmin20V量化Vmax2000V量化如果均匀量化数字化，Vmax为11位。给传输及存储带来不便。二、非均匀量化：,18,19,压扩法基本思路,假如原抽样信号：,压缩器,A=0.4,B=6.5,A=3.6,B=7.625,动态范围,被压缩,A=0.375,B=6,0.375-6,被扩张,扩张器,20,A律的表达式：,Y=,A*X,1+lnA,(0=X=1/A),Y=,1+lnA*X,1+lnA,(1/AX=1),A值取87.6时，符合压扩特性要求,A律的十三折线近似：,21,压扩法基本原理,经压扩法，大信号压缩了，小信号扩大了。,结论,22,13折线压扩法（A律）步骤,假定输入输出信号的最大取值范围是(-11);,将X轴的区间(0,1)，不均匀的分成8段，每次以1/2取段，再把每段均匀分成16段，共128个量化级；,Y轴进行分段，将1均匀分成8段，再把每段均匀分成16段，共128个量化级。,把X和Y轴的相应交点连起来，得到13折线（其中正负轴的第一段和第二段折线斜率相等，合并为一条线段）。,23,2.3 抽样信号的量化和编译码,13折线压扩法,24,13折线压扩法编码,压扩法将整个量化区间共分成8段，每段又分为16个等份，共有816(128)个量化级，用8位比特码表示。,称为脉冲编码调制（PCM）信号,25,13折线压扩法编码,8位比特码编码如下：,极性,8段,16级/段,其中：,为正极性，表示样值在正半轴；,为负极性，表示样值在负半轴；,表示样值的大小在哪一个大段范围内；,（8个大段）,表示样值的大小在哪一个大段的哪一个小段范围内；（每个大段包含16个小段）,26,13折线压扩法编码,8大段：0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1,最小量化级差：=1/128/16=1/2048,端点值：0,16,32,64,128,2048,每段量化级差：,2,4,8,64.,编码采用：逐次比较反馈型编码原理,27,28,逐次比较反馈型编码步骤,X1 判断极性，正为1，负为0；,X2X4（段落码）与8个段落的起始点比较，看其落在哪一个大段内；,X5X8（段内电平码）与16个量化级起始电平比较，看其落在哪一个量化级；,29,13折线压扩法编码,设样值幅值：Vs=+594,怎样编码？,决定X1：X1=1;,决定X2：判断是在前四段还是后四段；前四段为0，后四段为1;,决定X3：判断四段中的前两段还是后两段；前两段为0，后两段为1;,决定X4：判断两段中的前一段还是后一段；前一段为0，后一段为1;,30,13折线压扩法编码,决定X5：以大段的中间值作为标准；前半段为0，后半段为1;,决定X6：以半段的中间值作为标准；前1/4段为0，后1/4段为1;,决定X7：以1/4段的中间值作为标准；前1/8段为0，后1/8段为1;,决定X8：以1/8段的中间值作为标准；前1/16段为0，后1/16段为1;,Vs=+594的编码为：11100010,31,例如：求PAM=+366的PCM编码 解：X1=1，PAM值在第五段，X2X3X4=101，起始电平256，量化级差16，（366-256）/16=6（X5X6X7X8=0110）编码只舍不入。,经过十三折线所得到的八位数字编码，我们称之为PCB编码。,32,解：X1=0，故为-X2X3X4=100，为第四段，起始电平128，量化电平8，故PAM值=-（128+8*10+4）=-212 解码加上所在段量化级差的一半。,又例如：已知PCM编码为01001010，求信号的PAM值。,33,34,逐次比较反馈型编码器,35,36,37,解 码,解码：,将二进制编码信号还原成离散的样值幅度信号，即把PCM信号还原成PAM信号。,为了减小量化误差，解码时，在接收端补加半个量化极差，即增加i/2,解码器中为7/12变换电路。,38,PCB解码的实现,39,PCB编解码芯片TP3067:美国国家半导体公司生产,5脚：模拟输出；7脚FSR：接受帧同步，8KHz的脉冲，启动接收；8脚：PCM输入；9脚：移位时钟BCLKR，由FSR前沿启动，频率2.048MHz。,40,对于编码：12脚：发送主时钟BCLKX，2.048MHz；14脚：发送帧同步脉冲输入，启动BCLKX；13脚：DX，PCM输出；18脚：输入模拟信号。,41,传输对码型的要求：无直流分量；低频及高频分量不宜太大；包含时钟；要有连零抑制功能；有误码检测能力；设备简单。,2.4 码型与码型变换,42,2.4 传输码型,单极性不归零（NRZ)码占空比100 单极性归零（RZ）码占空比50 双极性归零（AMI）码交替极性,存在直流分量,HDB3极性码（三级高密度双极性码）,优点：无直流分量，低频高频成份小；缺点：不含时钟，但可变换而得，无连零抑制。,无直流分量，低频、高频成分小，不含时钟。但可变换而得，加上连零抑制。,43,a.NRZ码，单极性非归零码。,0 1 1 0 1 0 0 1,一种简单的码型，数字交换机内部传输，NRZ码在计算机内容易存储和提取。其频谱为：,Ts,44,b.RZ码，单极性归零码。,0 1 1 0 1 0 0 1,单极性归零码的频谱：,Ts,45,C.AMI码，双极性归零码。由RZ码脉冲正负交替出现演变而来，其频谱为：无直流分量，低频、高频成分小，不含时钟。但可变换而得，无连零抑制。,46,HDB3极性码型转换,HDB3极性码步骤：,码型转换，即NRZRZAMI；依次将4个连续的“0”编为一组；每一组最后一个“0”用“1”取代，V和V，新加的V和V与前面一个“1”信号（B或B）同极性；两个相邻破坏点极性相反。相邻两个破坏点间有奇数个“1”，即在两个破坏点间遇到偶数个“1”时，中间加一个“1”，将前一个破坏点后面的连续“0”组中的第一个“0”改成B+或B-，其极性和前一个破坏点极性相反。,47,例如:二进制码为1001,0101,0000,1110,0001,0000,11NRZ码为:+100+1,0+10+1,0000,+1+1+10,000+1,0000,+1+1AMI码为:+100-1,0+10-1,0000,+1-1+10,000-1,0000,+1-1,48,AMI码为:+100-1,0+10-1,0000,+1-1+10,000-1,0000,+1-1HDB3码为：+100-1,0+10-1,000-1,+1-1+10,00+1-1,000-1,+1-1接收时:,49,又例如:AMI码为:+100-1,0000,+10-10,000+1,-1000,0+1HDB3码为:+100-1,000-1,+10-10,00-1+1,-1000,-10+1当两个V码间出现偶数个1时，破坏了V码交替出现的原则。应加附加脉冲。+100-1,000-1,+10-1+1,00+1-1,+1-100,-10+1,50,连零抑制原则:当出现四个连0时（0000）加V码，用000V或B00V替代，当两个相邻的V码间有奇数个传码时，用000V替代，V与前个传码同极性，当两个相邻的V码间有偶数个传码时，用B00V替代，为了保证V码正负交替出现，B与V同极性，B以后的传码反转，这样保证了V码交替出现，也保证了传码交替出现。,51,2.5 几个基本概念,时隙和帧 若抽样频率为8000Hz，帧周期为多少？若PCM30/32结构，每个时隙占用的时间？若采用PCM 8bit编码，每个比特占用的时间？数字信号传输速率 码元速率：单位时间内传输的信元；（Baud）信息速率：单位时间内传输的代码个数；(bit/s),52,问题：,若抽样频率为8000Hz，则1)每秒中传输多少帧？2)一帧占时间？3)一个复帧占时间？4)一时隙占时间？5)一比特占时间？6)调制率？7)总码率？8)每个话路码率？,答：,5）3.9us/8bit=488ns;6）32 8000帧/秒256kBd7）328比特8000帧/秒2048kbit/s8）88000帧/秒64kbit/s,1）8000帧；,2）1/8000帧125us；,3）125us16帧2ms；,4）125us/32=3.9us,53,2.6 32路PCM的帧结构,E体系的一次群帧结构：PCM30/32帧结构,【注】1复帧=16帧,54,2.6 32路PCM的帧结构,55,第0帧TS16=00001011，复帧标志前向：a=0，摘机，=1，挂机。b=0，正常，=1，故障。c=0,再振铃或强拆，1，未后向：a=0，被叫摘机，=1，被叫挂机。b=0，示闲；=1，占用。c:判断是否回振铃或到达呼叫,偶数帧TS0=X0011011奇数帧TS0=X1011111,TS0,TS16,56,2.7 PCM的高次群,我国使用的PCM系统，规定采用E体系：,话路数,57,1）编码：2132）译码：111010103）试讲二进制码0010000”变成HDB3码，找出TS1和TS2时隙，并计算出TS1和TS2的样值幅度。,习 题,