程控数字交换的基本原理

3）确定 C5C6C7C8
1088 1270
∵ v8 26 v 1024
v8 64 v
∴ 1270 1024 3 54 样值落在第 3 量化级
64
∴ C5C6C7C8 = 0 0 1 1
∴ 码组：1 1 1 1 0 0 1 1
2048
4）确定 量化误差 ∵ 第 3 量化级的坐标为（1216，1280 ）
设 m( t ) 的参数：动态范围（- a , a )
量化级数为 M
∴ 量化间隔 Δv = 2a / M 量化区间 m i-1 = - a + ( i -1 ) Δv
mi = - a + i Δv 量化电平 qi = ( m i-1 + m i ) / 2
第 i 个量化区间的起点
第 i 个量化区间的终点
13 折线 A 率压缩。求 PCM 编码码组和量化误差。
解：1）确定 C1 ∵ + 1270 个量化单位 = + 1270 Δv > 0 ∴ C1 = 1
2）确定 C2C3C4 ∵ 第 8 段的起始电平为 1024
∴ 1024 < 1270 < 2048
样值落在第 8 段
∴ C2C3C4 = 1 1 1
自然抽样信号及其频谱
平顶抽样信号与产生原理
特点：⑴脉冲载波 ⑵用基带信号去改变脉冲的振幅
原理：抽样定理 ，用窄带脉冲串实现冲激序列
一、产生原理
m(t) ×
ms(t)
mH(t)
脉冲形成
1/H(ω)
ms(t)
m(t)
低通
δT(t)
二、PAM (Pulse Amplitude Modulation)波形及频谱
TS0 TS1 TS2
…...
TS16 TS17
…... TS30 TS31
TS0 …... TS31 称为路时隙 TS0 、 TS16 为信令 TS1 … TS15 、TS17 … TS31 为用户信号
PCM 30/32 路系统帧参数
路时隙的时间
TC
125 32
3.91
s
位时隙的时间
TB
125 32
1 8
0.488 s
数码率
fB
1 TB
fs n N 8000 32 8 2.048
Mb s
帧长度 32 8 256 bit
PCM 30/32 路系统复帧结构
16 个基本帧组成 1 个复帧 F0 F1
…...
F14 F15
TS0 TS1 TS2 …...
125 μs TS16 TS17 …...
在数字交换网络中对话音信号的交换实际 就是对时隙的交换。
时隙交换： 在交换网络的一侧，将某条电路 上的某个时隙内的8bit信号，通过交换网络， 转移到另一侧的某条电路上的某个时隙的 8bit位置。
每一帧都重复进行，从而实现话音电路的交换。
数字交换网络的功能是完成时隙交换，也就 是要完成任意PCM复用线上任意时隙之间的信 息交换。
第3章 程控数字交换的基本原理
▪ 3.1 程控交换机概述 ▪ 3.2 语音信号数字化的基本原理 ▪ 3.3 数字交换的基本原理
3.1 程控交换机概述
3.1.1 程控交换机的优点
1、灵活性大 2、便于维护管理，可靠性高 3、体积小，耗电低 4、便于向综合业务数字网发展
3.1.2 程控交换技术的发展趋势
数字通信 系统
译码
m（t）
{ ak }
{ ak }
低通
m（t）
任务： 模拟信号的数字化，形成数字基带信号 数字基带信号的无失真传输 从接收数字信号中完整无失真的还原模拟信号
时域图
m( t )
t T ( t )
Ts
t
ms( t )
频谱图
M( f )
- fm
fm
T ( f )
fs 2 fm
fs
0
fs f
TS30 TS31
偶帧 TS0
0011011
帧同步码 奇帧 TS0
1 A1 1 1 1 1 1
A1 ：帧失步对告
信令
0 0 0 0 1 A2 1 1 F0 复帧同步码 复帧对告码 a b c d a b c d F1
同步：A1 =0、A2 =0 失步：A1 =1、A2 =1
CH1
CH16
a b c d a b c d F15
0
16v 16
第一、二段 0
1
1 最小量化区间v v1
128 1
v2
128
64
32
64
第三段
1 64
v3 2 v
1 32
依此类推：v4 2 v3 22 v 4v
v5 2 v4 23 v 8v v6 2 v5 24 v 16v
v7 2 v6 25 v 32v v8 2 v7 26 v 64v
量化级数 M
动态范围（- a , a )
量化信噪比 Sq / Nq
ms( kTs ) 量化器 mq( kTs )
波形
量化过程及量化误差
均匀量化
定义：把输入信号 m( t ) 的值域按等距离分割的量化称为 均匀量化，其量化电平取量化区间的中点。
Δv 为常数
分析 量化信噪比(quantizing SNR)：
1
128 8 4
2
1x
13 折线 A 率压缩
13 折线分段时的 x 值与实际的 x 值比较
y
01
2
3
4
5
6
7
1
8
8
8
8
8
8
8
按折线分段的 x 0
1
1
1
1
1
128 64 32 16
8
1
1
1
4
2
实际 x 的计算值 0
1
1
1
1
1
1
1
1
128 60.6 30.6 15.4 7.79 3.93 1.98
段落
mˆ ( t )
信道 译码 低通 n( t )
常用名词
模拟信号：m( t )
量化区间：( mi-1 , mi )
样值信号：ms( t )
量化电平：q i
量化信号：mq( t ) 量化误差信号：( 量化噪声 )
eq( t ) = | ms( t ) - mq( t ) |
量化间隔 Δv = ( mi - mi-1 ) =2a / M
Ms( f )
t
0
f
讨论： fs 2 fm fs 2 fm
结论： fs 的值必须满足抽样定理
脉冲调制
脉冲调制就是时间上离散的脉冲串作为载波， 用模拟基带信号m(t)去控制脉冲串的某个参数，使 其按照m(t)的规律变化的调制方式。
脉冲参量 幅度 宽度 位置
脉冲调制 脉冲振幅调制PAM 脉冲宽度调制PDM 脉冲位置调制PPM
特点：复接后每位码元的宽度为原来的1/4
按码字复接：每次复接 8 bit ，循环周期长。 按帧复接：每次复接 256 bit ，利于信息交换，但需大容量存储器。
3.3 数字交换的基本原理
交换网络是交换机的重要组成部分，在程 控数字电话交换机中用计算机程序来控制交 换网络内话路时隙的交换。
3.3.1 时隙交换的概念 对于模拟信号，话音信号的交换就是物理
PCM 高次群
帧结构及参数
将 4 个基群复接成二次群，将 4 二次群复接成三次群
复接的目的：提高传输速率
群 路数 数码率 Mb/s
基群 30
2.048
二次群
三次群
四次群
4 120 4 480 4 1920
8.448
34.368
139.264
PCM 高次群的复接方法
PCM 30/32 路系统帧结构
125 μs ( F )
电路之间的交换，即在交换网络的输入与输 出端两条电路之间建立一个实际的连接。
在程控交换机中，首先将模拟话音信号变 换成PCM数字信号，然后再将多路数字话音信 号复用在一起构成一帧，最后送入交换网络。
一条物理电路上顺序传输多路话音信号， 每路信号占用一个时隙，要是实现信号交换， 就要对每一时隙进行交换。
思路：输入信号的特征是小信号出现的概率大，大信号出现 的概率小，因而重点要改善小信号的量化信噪比。
实现方法：将抽样值通过对数压缩(logarithm compress)再进行均匀量化
对数压缩方法： 15 折线μ率压缩 13 折线 A 率压缩
y
1
7 8
8
6 8
7
5 8
4 8
3 8
2 8
1 8
1 1 1
一个码组：C1C2C3C4C5C6C7C8 C1 ：极性码 C2C3C4：段落码 C5C6C7C8 ：段内码
PCM 编码方法
量化区间的划分
M = M0 M1 M2 = 21 23 24
非均匀量化： M1 = 8，分为 8 个段落
x
011
1
1
1 11
1
128 64
32
16
8 42
均匀量化： M2 = 16，每段分为 16 级
i = 1、2 …… M
量化误差绝对值≤0.5△；超出范围，称为过载或饱和。
量化信噪比：模拟输入信号的功率与量化噪声功率之比。
mi qi m i-1
m( t ) ms( t )
mq( t )
Δv
0 Ts
2Ts 3Ts 4Ts 5Ts 6Ts 7Ts 8Ts 9Ts 10Ts
t
非均匀量化
定义：Δv 不为常数
折叠码优点：1）只需对单极性信号进行，再增加最高位来表 示信号的极性。
2）小信号的抗噪性能强，大信号的抗噪性能弱。
码位数 N 的确定：
当输入信号动态范围一定，量化级数 M 越大，量化间隔Δv 越小， 量化噪声越小，但所需编码位数 N 越多。
定义： M 2N
PCM 信号参数
fs = 8 KHz、混合量化方法、二进制折叠码、M = 256、 N = 8
1、软硬件模块化设计 2、进一步加强有关智能网、综合业务功能
的开发 3、大力开发各种接口 4、加强网络管理功能，并为进入管理网做
好准备 5、积极研究异步转移技术（ATM）
3.2 语音信号数字化的基本原理
3.2.1 模拟信号数字化的基本原理
特点：用数字通信系统传输模拟信号
模拟 信息源
抽样 量化 编码
12345678
斜率
16 16 8 4 2 1 1 1
2
4
2 脉冲编码调制（PCM）的原理
定义：将模拟信号抽样量化，然后使已量化值变为代码。 属于信源编码
m( t )
A/D
抽样
量化
编码
ms( t )
mq( t )
mˆ ( t )
信道 译码 低通 n( t )
码型的选择
自然二进制码 折叠二进制码 格雷码
图示
m(t) M(ω)
0
t
S(t)
τ
T
t
PAM信号 ms(t)=m(t)*s(t)
平顶 PAM
-ωH
ωH
ω
|S(ω)|
ω |MS(ω)|
t
ω
PAM的波形及频谱
脉冲编码调制（PCM）的原理
定义：将模拟信号抽样量化，然后使已量化值变为代码。 属于信源编码
m( t )
A/D
抽样
量化
编码
ms( t )
mq( t )
∴ 量化电平
qi
1 ( 1216 1280 ) 2
1248
( 量化单位 )
∴ 量化误差 = 1270 - 1248 = 22 ( 量化单位 )
时分复用 ( TDM ) 的基本概念
多路复用(Multiplex)：使多路信号沿同一信道传输而互不干扰。 时分多路复用：使各路信号在信道上占有不同的时间间隔
同时传输而互不干扰。
帧(Frame)周期：抽样周期 Ts 。 路时隙(slot)：每路信号的一个样值占有的时间 TC 。 位时隙：码组中一个码元占有的时间 TB 。
第一路信号 第二路信号 复用信号
Ts
Ts
Ts
Ts
TC TC
t t
t
时分复用系统
特征：将各路信号的抽样时间错开 TDM 原理框图：
1
2
K1
两种基本功能：
（1）在一条复用线上进行不同时隙交换的功能。由于 这种时隙交换是在同一复用线上完成的，为“时分 交换”。
a b c d 的组合描述 各话路的空闲、忙、 主叫、被叫、摘机、 挂机等信息
CH15
CH30
复接方法
按位复接：每次复接 1 bit
基群 1
1 0 01 0 11
基群 2
1 1 01 0 01
基群 3
0 1 10 1 00
基群 4
0 0 10 1 10
二次群 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0
PAM、PDM、PPM信号波形
按照抽样后脉冲顶部的形状不同：
自然抽样脉冲幅度调制 平顶抽样脉冲幅度调制
抽样幅度（顶部）随被抽样信号m(t)变化，或者说 保持了m(t)的变化规律。
抽样信号中脉冲顶部不随被抽样信号变化，而且 都是保持平坦的形状，即平顶抽样是由矩形脉冲序列 构成的，矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。
3
量化
量化
编码 信道 编码
译码
译码
1
K2
2
3
要求：收、发两端开关K1 、K2 完全同步。 保证开关K1 、K2 旋转一圈的频率（即抽样频率）满足抽样 定理，既可实现收发一致。
时分多路数字电话系统
PCM 30/32 路复用系统
基群信号：包含 30 路用户信号和 2 路信令信号
每路信号的采样频率 fs = 8000 Hz 帧周期 Ts = 125μs
段落号
1
段落起点电平 0
2345678 16 32 64 128 256 512 1024
编码方法
段落号 8
段落码
C2C3C4
111
7
110
6
101
5
100
4
011
3
010
2
001
1
000
段内码
C5C6C7C8
1111
量化级 15
1110
14
例
…
…
1000
百度文库
8
0111
7
…
…
0001
1
0000
0
例：已知输入信号的一个抽样值为 +1270 个量化单位，采用