语音信号数字化：原理与方法

1.模拟信号和数字信号

在数字交换机内部交换和处理的都是二进制编码的数字信号。在数字电话网中，普遍采用模拟话机和模拟用户线。模拟电话机发出的语音信号是模拟信号，因此在程控交换机的用户模块中需要对用户送来的模拟语音信号进行模/数（A/D）转换，将模拟信号转换为数字信号，也就是进行语音信号的数字化。在相反方向需把数字信号还原为模拟信号，即进行数/模（D/A）转换。

模拟语音信号的大小能够准确反映声音的强弱，其幅度可取一定范围内的任何值，即幅度取值连续；数字语音信号是一种不连续变化的阶跃信号，它的特点是幅度的取值不连续，即幅度取值离散，如图1-5所示。

图1-5 模拟信号和数字信号

2.脉冲编码调制（PCM）

将模拟语音信号转变为数字语音信号的方法很多，脉冲编码调制（PCM）是其中应用较为广泛的一种。采用脉冲编码调制技术完成模拟语音信号的数字化要经历抽样、量化和编码3个过程，如图1-6所示。

图1-6 模拟语音信号的数字化过程

抽样是对模拟信号进行周期性取值，把时间连续信号变为时间离散信号的过程。抽样器由二极管或场效应晶体管构成，使用抽样脉冲控制以T为周期进行通断，如图1-7所示。抽样频率由抽样定理确定，即：如果要从抽样后信号中完全不失真地恢复原始信号（0～f_H），抽样脉冲频率f_s应不小于原始信号最高频率f_H的两倍（f_s≥2f_H）。由于在电话通信中传输的语音频带为300～3400Hz，其最高频率为3400Hz。3400Hz的两倍为6800Hz，考虑到留一定的富裕量，因此将抽样频率取值为8000Hz，即抽样周期T为125μs。

图1-7 PCM抽样

量化是用有限个规定电平近似表示模拟信号抽样值的过程。通过量化，连续的抽样值变为了离散电平。把量化后的信号电平变换成二进制码组的过程称为编码，逆过程称为解码。量化和编码如图1-8所示。

图1-8 PCM量化和编码过程(www.xing528.com)

3.时分多路复用

一路语音信号变为数字信号在通路中传输所占的时间较短，绝大部分时间里，线路都处于空闲状态。因此，要想把线路充分利用起来，就应在空闲时间里插入更多话路信号，这就是多路复用。目前，常用的多路复用技术有频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）、时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）和码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）3种。其中，时分复用使用最为广泛，它是将信道按时间加以分割，各路信号按一定次序轮流占用某一时间段来进行传输的方式，这一时间段称为时隙（Time Slot，TS），如图1-9所示。

图1-9 时分多路复用

在PCM传输系统中，首先使用时间相互错开的32路脉冲分别对32路模拟语音信号抽样，而后将各抽样信号合并为一路，由于抽样点在时间上是相互错开的，因此各路信号互不干扰。最后通过量化和编码在同一线路中传送32路PCM数字信号，从而实现了数字信号的时分多路复用。由于抽样频率为8kHz，每个抽样值用8位二进制数码表示，所以一路语音信号经PCM编码后的速率为64kbit/s。32路信号合在一起的总速率为2.048Mbit/s，称为PCM基群或PCM一次群。系统中一个抽样值转变成的8位数字码占用3.91μs，即1个时隙（Time Slot，TS）。32个时隙组成1帧（125μs），如图1-10所示。由于在32个时隙中TS0传送同步码，TS16传送信令码，其余30个时隙传送数字语音信号，所以这种系统被称为“PCM30/32路系统”。

图1-10 PCM 30/32路系统帧结构

目前，PCM通信方式发展很快，传输容量已由一次群发展到二次群、三次群、四次群以至五次群。表1-1给出了PCM高次群的两大系列。

表1-1 PCM高次群的两大系列

（续）

我国和欧洲采用PCM 30/32路系统，一次群传输速率为2.048Mbit/s，记为“E1”，中国通信行业俗称为2M；日本和北美采用PCM 22/24路系统，一次群速率为1.544Mbit/s，记为“T1”，中国通信行业俗称为1.5M。