电话通信业务：固话的信号产生与传输

通信行业提供的业务分为“基本业务”和“组合业务”两大类，所谓“组合业务”，就是针对各类通信用户，“量身定做”的各类基本业务的“组合套餐”。目前最新的基本业务，主要是指“话音业务（含VoIP）”、“数据传输业务（含宽带上网）”和“交互式网络电视业务（即IPTV）”；本节主要介绍三种电话业务信号的产生与转换过程，即传统的固定电话信号、新一代IP电话信号和移动数字电话信号。下面分别予以介绍。

2.2.1 固定电话通信业务

1．话音电信号的产生

传统的话音信号是“模拟信号”的转换过程，即将话音声波（属于机械波）信号通过“话筒”等装置，转换为0～4kHz频率段内（实际在300-3400Hz之间）的相同波形的电信号，此时的信号称为“模拟信号”，即“模仿”原有的声波信号而变成相似波形的电信号。然后，通过“信号转换”、“通信传输”和“通信交换”等通信系统，进行“向对端传送信息”的通信过程。

0～4kHz频率段又称为“基带信号频段”，以该段频带进行通信的系统称为“基带信号传输系统”。传统的程控有线电话通信系统，如图2.3所示。

图2.3 程控有线电话通信系统组成示意图

2．话音信号的传输过程

人的声音通过电话机（用户终端）被转换成模拟电信号，经过通信电话电缆（双绞线）的配线系统进入到“电信机房总配线架（MDF）”上成端；然后，经过电信局内的用户话音电缆，传送到程控交换机的“用户电路”中；在此，模拟电话信号被转换成PCM数字信号；然后沿着程控交换机确定的传播路径，经过光传输系统，到达被叫用户的交换机和“用户电路”，然后又还原成模拟电信号，经过通信电缆，到达被叫用户电话机，形成电话声音信息，传送给被叫者，形成了完整的单向通话过程；这个过程，如上图2.3所示。

被叫端“电话用户”的说话声音，也被转换成相应的“电信号（电话信号）”，沿着相同的路径与传递方式，输送到电话系统的“主叫端”，形成了双向通信的过程，双向通信的方式，即“交互式”通信方式，又叫做“双工通信”。

3．话音信号的模拟/数字化（PCM）转换

在通信传输的过程中，为适应“电信号信道”和“光纤信号信道”的通信传输需求，需要将“模拟的电话信号”，转换为相应的“电（光）数字信号”的形式。

话音信号的基本模拟/数字化的转换过程，遵循国际电信联盟的ITU-T G.711协议：即通过“脉冲编码调制”（PCM）技术，将每一路4kHz的模拟话音信号转换为64 kHz的数字电话信号（流）。

脉冲编码调制，就是在信号发送端，将300～3400Hz范围的模拟话音信号经过“抽样、量化和编码”三个基本过程，变换为二进制数字信号。通过数字通信系统进行传输后，在接收端进行相反的变换，由译码器和低通滤波器完成“数/模转换”， 把数字信号恢复为原来的模拟信号。这个转换过程，如图2.4所示。

（1）抽样的过程

“奈奎斯特”抽样定理告诉我们：当标准抽样脉冲信号的频率大于被调制模拟信号的频率的两倍时，则原模拟信号成分可被无失真的保留在调制信号中；所以这里采用“信号抽样”的方法，就是用标准的周期抽样脉冲信号，与话音（模拟）信号相“与”，形成周期性的断续的“脉冲调幅信号（PAM）”的过程。

故1路电话信号的抽样脉冲的频率为：FH= 2×4kHz = 8000 bit/s。

图2.4 电话信号数字化（抽样-量化-编码）转换系统示意图

（2）量化的过程

是把以上“经抽样得到的脉冲调幅信号”值，进行幅度离散，取定某个量化级单位（如1mW=1Δ为1级），将脉冲信号编为某个数量级的过程；以”量化范围”和”量化级Δ”两个值衡量。中国采用的“PCM量化范围为±2048Δ”。

（3）编码的过程

PCM制式采用“逐次反馈比较”型编码器，将PCM信号编为8位码；由于抽样频率是8KHz，故每话路的速率为：8KHz×8位=64kbit/s。

CCITT（国际电报电话委员会，即国际电信联盟ITU的前身）关于电话数字信号的标准建议“G.711”，规定了两种“数字非均匀量化编码”的方法为国际标准，一种是“A律13折线压扩编码”标准；另一种是“μ律15折线压扩编码”标准。我国的数字电话传输系统采用A律13折线压缩律标准的“PCM 30/32路基群”的编码方式进行数字化的通信传输；该标准还用于英、法、德等欧洲各国的数字电话通信传输系统中。

2.2.2 话音信号的IP模式转换

随着IP技术的应用，利用IP数据网络承载和传输话音信号的模式越来越受到重视，在2011年的今天，已经实现了“将电话业务纳入IP技术的统一网络中传输”的电信设想。目前的转换方式主要有两种。

1．PCM间接转换

这是一种“信道编码”的转换方式，此时将模拟电话信号在电信局首先转换为 PCM （64kb/s）的数字信号，然后再转换为相应的IP数据流信号，信号的转换过程如下：

①声波信号—②模拟电信号— PCM③ 数字信号（模/数转换）— VoIP④ 数据流信号—⑤IP数据网络传送———⑥VoIP解码— ⑦恢复模拟信号（数/模转换）—⑧还原为声波信号

G.726协议就是相应的转换协议：G.726是CCITT(ITU前身)于1990年在G.721和G.723标准的基础上提出的关于把64kb/s非线性PCM信号转换为40kb/s、32kb/s、24kb/s、16kb/s的ADPCM信号的标准协议，它算法简单，语音质量高，多次转换后语音质量有保证，能够在低比特率上达到网络等级的话音质量，从而在语音存储和语音传输领域得到广泛应用。

2．IP信号的直接转换

这是一种“信源编码”的转换方式，在用户端将模拟电话信号直接转换为相应的IP数据流信号，其转换的过程如下：

①声波信号—②模拟电信号—③VoIP数据流信号—④IP数据网络传送——⑤VoIP解码——⑥恢复模拟信号—⑦还原为声波信号

G.723.1编码标准就是此种方式的协议标准：G.723.1标准是ITU组织于1996年推出的一种低码率编码算法。主要用于对语音及其他多媒体声音信号的压缩，如可视电话系统、数字传输系统和高质语音压缩系统等。G.723.1标准可在6.3kb/s和5.3kb/s两种数码率下工作。对激励信号进行量化时，6.3kb/s的高速率算法采用“多脉冲激励线性预测编码器（MPC）”，而低速率算法则采用“矢量激励线性预测（ACELP）”。

IP语音信号的压缩编码处理主要有三种方法：波形编码、参数编码和混合编码。波形编码可获得较高的语音质量，但数据压缩量较小；常用的是PCM（64kb/s）/ADPCM（32kb/s）的“信道编码”方式；参数编码可获得较低的传码率，但传输质量很低；近几年来出现的混合编码方法，结合了两者的优点，形成了“激励线性预测编码（CELPC）、”“规则脉冲激励编码（LPC）”等，广泛应用于公共通信网、移动电话网及多媒体通信网，取得了较好的通话效果，表2.1是三种语音压缩处理的常用编码方式列表汇总。

表2.1 电话业务信源编码分类表

注：MΟS评分是一种常用的电话语音主观评价方法，共分为1～5个等级分，最高分为5分。

对于在保证一定的通话质量下，提高带宽利用率是通信技术的不断追求，以上的话音信号的VoIP数据流信号的编码方案中，除了PCM和ADPCM属于“信道编码”之外，其余均为“信源编码”。

2.2.3 移动电话通信业务(www.xing528.com)

1．移动电话通信概述

移动通信，是指通信的一方或双方可以在移动中进行的通信过程，移动通信系统主要是由移动手机（MS）、移动基站（BS）、移动交换机（MSC）和用户信息库（HLR/VLR等）组成的，其显著的特征就是移动手机与基站之间是通过无线方式连接的——这是属于“电话通信接入网”的范畴。

移动通信满足了人们无论在何时何地都能进行通信的愿望，20世纪80年代以来，特别是90年代以后，移动通信得到了飞速的发展。到2006年年底，我国移动电话用户数量不仅超过4亿户，成为全球最大的移动通信网络，并且其用户数量和发展速度也超过了固定电话网络，取代固定电话的趋势越来越明显。目前的主要业务是电话和数据短信两种。

我国的移动电话，目前主要是采用第2代数字时分多址技术（GSM）和码分多址技术（CDMA），使用的无线频段主要是900MHz和1800MHz，中国移动公司是我国最大的移动通信运营商，采用GSM技术；另外两家分别是中国联通公司和中国电信公司，分别采用GSM和CDMA两种制式，各组成一个移动通信网络，在这三家移动通信网络中，中国移动公司的“移动电话通信”网络规模和用户数量是最大的。在组网技术上，我国主要采用大区制移动通信（交通干线和农村）和小区制移动通信（城市里）技术，小区制移动通信网络，因其组成形状为正六边形的组合，类似蜂窝状，故又称蜂窝移动通信网络。如图2.5所示。

图2.5 移动通信典型的“蜂窝小区制”组网结构示意图

2．移动通信的信道环境

相比固定通信而言，移动通信不仅要给用户提供与固定通信一样的通信业务，而且由于用户的移动性，其管理技术要比固定通信复杂得多。同时，由于移动通信网中依靠的是无线电波的传播，其传播环境要比固定网中有线媒质的传播特性复杂，因此，移动通信有着与固定通信不同的信道环境特点。

（1）用户的移动性

要保持用户在移动状态中的通信，必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合。因此，系统中要有完善的管理技术来对用户的位置进行登记、跟踪，使用户在移动时也能进行通信，不因为位置的改变而中断。

（2）电波传播条件复杂

移动台可能在各种环境中运动，如建筑群或障碍物等，因此电磁波在传播时不仅有直射信号，而且还会产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，从而产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等。因此，必须充分研究电波的传播特性，使系统具有足够的抗衰落能力，才能保证通信系统正常运行。

（3）噪声和干扰严重

移动台在移动时不仅受到城市环境中的各种工业噪声和天然电噪声的干扰，同时，由于系统内有多个用户，因此，移动用户之间还会有互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。这就要求在移动通信系统中对信道进行合理的划分和频率的再用。

（4）系统和网络结构复杂

移动通信系统是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作。此外，移动通信系统还应与固定网、数据网等互连，整个网络结构是很复杂的。

（5）有限的频率资源

在有线通信网中，可以依靠多铺设电缆或光缆来提高系统的带宽资源。而在无线网中，频率资源是有限的，ITU对无线频率的划分有严格的规定。如何提高系统的频率利用率是移动通信系统需要重点解决的一个问题。码分多址（CDMA）技术是普遍认为比较优越的一项提高无线频率利用率的技术，在面向下一代（3G）移动通信系统中，得到广泛的采用。

3．移动通信的特征技术

针对移动通信的环境特点，通常的移动通信系统具有以下的七项特征技术。

（1）电话信号的“信源编码”与“蜂窝式全覆盖”组网

通过“数字化”与“参数编码”，GSM和CDMA两种制式的电话信号，分别以13kb/s和8kb/s的速率与“移动基站”之间进行信息的传输。在城市区域，采用“定向天线+蜂窝小区制”结构组网。如图2.6所示。

（2）多址技术

当把多个用户接入一个公共的传输媒质实现相互间通信时，需要给每个用户的信号赋以不同的特征，以区分不同的用户，这种技术称为多址技术。目前采用的技术有：频分多址(FDMA)、时分多址 (TDMA)、空分多址 (SDMA)和码分多址方式(CDMA)以及它们的组合技术。

（3）位置登记

移动通信中，用户的位置是随时可以变动的——不像固定电话网，用户的位置是固定不变的。移动通信中的“位置登记”技术措施，就是指移动通信网，对系统中的移动用户位置信息的“确定”和“更新”的过程，它包括旧位置区的删除和新位置区的注册两个过程。移动台的信息存储在用户信息库（HLR、VLR两个存储器）中。当移动台从一个“蜂窝”位置区“移动”到另一个“蜂窝”位置区时，就要向网络报告其位置的移动，使网络能随时登记移动用户的当前位置，利用用户的位置信息，移动通信网可以实现对漫游用户的自动接续，将用户的通话、分组数据、短消息和其他业务数据送达“移动中”的通信用户——以保证通信的过程不被中断。所以，移动通信中，“位置登记技术”是常用的措施之一。

图2.6 移动通信“蜂窝小区-定向分区”组网结构示意图

（4）越区切换

越区切换是指当通话中的移动台从一个小区进入另一个小区时，网络能够把移动台从原小区所用的信道切换到新小区的某一信道，而保证用户的通话不中断。移动网的特点就是用户的移动性，因此，保证用户的成功切换是移动通信网的基本功能之一，也是移动电话通信网与固定电话通信网的重要不同点之一。如图2.7（a）所示。

图2.7 移动通信的越区切换与信号分集接收示意图

用户的“越区切换”分为三个步骤：首先，当用户到达两个移动通信小区的交界处时，感受到两个小区的基站天线都发出的“无线导频信号”，便开始比较两个导频信号的“功率强弱”，但仍采用第一个基站的信号为主；第二步，当新小区的导频信号强度，大于原有基站信号导频的功率时，用户手机便主动更换为新基站小区的导频信道信号，同时，仍保持与原有基站的信道的通信——此时该用户手机，其实同时占有两个不同的基站的通信信道；第三步，当与新小区基站的通信稳定可靠之后，再放开与原有小区的基站的新到的使用。这样，就保持了“越区切换”时，通信信号的不中断——短暂的同时占用两个不同小区的信道通信。

（5）无线信号的分级（Rake）接收技术

移动通信信道是一种多径衰落信道，Rake接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，反而在CDMA系统中变成了一个可供利用的有利因素。如图2.7（b）所示。

（6）话音信号的收发功率控制技术

信号的功率控制技术是CDMA系统的核心技术。CDMA系统是一个自干扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，“远近效用”问题特别突出。CDMA功率控制的目的就是克服“远近效用”，使系统既能维持高质量通信，又不对其他用户产生干扰。

（7）异地漫游技术

指移动通信用户携带手机，通过SIM卡，被同一个技术的移动通信网络所识别，在其他地区和国家也能正常通话的技术。