城市轨道交通电话系统基础知识

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1 语音信号数字化
语音信号是模拟信号，其频 率为300 Hz～3.4 kHz。原始 语音信号如图2-1所示。要将 语音信号在数字传输系统中 进行传递，就必须使模拟的 语音信号数字化。语音信号 数字化是进行数字化交换和 传输的基础。
1 语音信号数字化
语音信号数字化的方法有很多，用得最多的是PCM。PCM是将模拟信号数字化的 取样技术，它可将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。
1 语音信号数字化
3. 编码
PCM过程中语音信号的编码是将时域波形变换为数字代码序列。编 码通常是将量化后的脉冲值转换成n位二进制码组。二进制码的位数 n与量化等级L的关系满足n=log2L。如图2-3所示，语音信号的量化 等级为128，采用7位二进制编码表示，再使用1个比特作为符号位， 所以一个数字用8位码来表示。例如，量化值127转换为二进制编码 11111111。经过编码的信号就是PCM信号。
1 语音信号数字化
4. 解码
解码是用特定的方法将数字语音信号还原成它所代表的原始模拟语音信号（信 息、数据等）的过程。解码是编码的反变换，在接收端将收到的PCM码组还原 为PAM信号，这个过程又称数模变换（D/A变换）。 在PCM解码中，首先将输入串行的PCM码变成并行的PCM码，然后变成PAM 码，最后经过低通滤波器平滑地恢复为与发送端一样的PAM信号，如图2-5所示。
在PCM传输系统中，发送端的模拟语音信号经声/电转换成模拟电信号，根据采样 定理（采样过程所应遵循的规律，又称抽样定理、取样定理）对模拟电信号进行取 样，取样之后进行幅度量化，最后进行二进制编码。经过抽样、量化和编码3个模 数变换（A/D）过程，模拟电信号变成一连串二进制PCM数字语音信号，进入传输 线路进行传输，传输至接收端后，PCM数字语音信号经过模数反变换（D/A）还原 为模拟信号，再由低通滤波器恢复出原始的模拟语音信号，就完成了语音信号的数 字化传输，如图2-2所示。 PCM过程的各阶段语音信号波形如图2-3所示。
1 语音信号数字化
1 语音信号数字化
1 语音信号数字化
抽样 量化 编码 解码
1 语音信号数字化
1. 抽样
抽样又称采样，是指在时间轴上等距离地在各取样点取出原始模拟信号的幅度值。 1928年，美国电信工程师H.奈奎斯特（H.Nyquist）提出了采样定理。采样定理 说明了采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。采样定 理为采样频率建立了一个足够的条件，该采样频率允许离散采样序列从有限带宽 的连续时间信号中捕获所有信息。 （1） 奈奎斯特采样定理。在进行模/数转换过程中，当采样频率fs大于或等于信 号中最高频率fmax的2倍时，采样之后的数字信号会完整保留原始信号的全部信息。 一般实际应用中保证fs为fmax的2.56～4倍。 （2） 语音信号抽样。由采样定理可知，当满足奈奎斯特采样定理条件时，在接收 端只需经过一个低通滤波器就能够还原成原模拟信号。这一过程称为脉冲振幅调 制(pulse amplitude modulation，PAM)。取样后的信号称为脉冲振幅调制信号。
1 语音信号数字化
2. 量化
抽样后得到的PAM信号的幅度仍为连续值，为了将这个连续值离散化就要对它进 行量化。所谓量化，就是指把经过抽样得到的瞬时值的幅度离散，即用一组规定的 电平值将瞬时抽样值用最接近的电平值来表示，从而实现用有限个数字来表示一个 无限多取值的信号。 典型的量化过程是将PAM信号可能取值的范围划分成若干级，每个PAM信号按四 舍五入的原则就近取某级的值。如图2-3所示，对抽样后的语音信号幅值进行量化， 从+127至-127设置量化等级，其抽样值为31.7的抽样点量化后为32，其抽样值为 127.2的抽样点量化后为127。 由于量化是一种近似取值的表示方法，因此接收端的信号在恢复时会产生一些失真。 这些失真所造成的影响类似于混入的噪声，因此把由于量化而产生的噪声称为量化 噪声，量化噪声的大小完全取决于所表示的值与准确值之间的差别，可以通过缩小 量化级间隔来减小量化误差，但由此带来的问题是语音编码的位数会增加。
2 时分复用
多路复用是指将多路信号在同一传输线上进行互不干扰的传输。多路复用是提 高传输线利用率、降低成本的有效途径。目前，多路复用的方法有多种，如频 分 复 用 （ frequency division multiplexing ， FDM ） 、 时 分 复 用 （ time division multiplexing，TDM）、空分复用（space division multiplexing， SDM）、波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）和码分复 用（code division multiplexing，CDM）等。其中，频分复用方法多用于模 拟通信，而时分复用方法多用于数字通信。
本模块将对电话系统的基础知识进行介绍，对程控数字交换系统进行概 括性的阐述，对公务电话系统和专用电话系统的相关知识、日常维护及 故障处理方法进行讲述。
电话系统基础知识
城市轨道交通电话系统通过用户线将终端设备与中继设备连接起来，通过中继线将 交换设备连接起来，从而构成电话通信系统。城市轨道交通电话系统中使用的数字 程控电话交换机以时分复用的方式工作，对经PCM后的数字信号进行交换处理。
城市轨道交通Leabharlann 信技术目录CONTENTS 电话系统基础知识
城市轨道交通电话系统通过电话交换网络来实现系统内外的各种语音传 输与话音交换。公务电话交换网络中的程控交换机在上述过程中通过时 分复用的方式为主叫用户和被叫用户建立起话路链接。专用电话系统为 城市轨道交通内部各系统提供迅速、直达的沟通手段。
1 语音信号数字化
1. 抽样
若从低通滤波器输出的语音信号的最高频率为 3.4 kHz，按采样定理选取最高频率为fmax=4 kHz，则采样频率为fs≥2fmax=8 kHz。根据 奈奎斯特采样定理可知，此时在接收端就能恢 复为原来的信号，也就是该系统的抽样间隔为 ts=1/fs=1/8 000=125 μs，即每隔1/8 000 s （125 μs）对语音信号抽样一次。 语音信号在时间上是连续的，经过抽样后将变 为时间上不连续、离散的信号，语音信号的抽 样如图2-4所示（图中T为采样周期）。