语音信号数字化

2.1.1　语音信号数字化

现代程控交换机都是数字交换机，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，普遍采用模拟电话机和模拟用户线路，模拟电话机发出的话音信号是模拟信号，因此在程控交换机的用户模块中，需要对用户线送来的模拟信号进行模数转换，将模拟的话音信号转变为数字信号，即进行语音信号数字化；在相反方向上进行数模转换。

语音信号的数字化要经过抽样、量化和编码三个步骤。

1）抽样

模拟信号在时间和幅度上都是连续的。通过抽样，能够将模拟信号从时间上离散开来，将时间上连续的模拟信号变为时间上离散的抽样值，如图2.1所示。所谓抽样，指用很窄的脉冲按一定周期读取模拟信号的瞬时值。在此后的传输和交换过程中，传送和处理的都是这些断续的抽样值的二进制编码信号。那么，抽样频率应该取多少，抽样值在接收端才能够被恢复为原信号呢？著名的抽样定律给出了答案：传送限带连续信号时，只要传送信号的单个抽样值（脉冲）的序列就足够了。这些抽样值的幅度等于连续信号在该时刻的瞬时值，而抽样频率f_c至少等于所传信号的最高频率的2倍。

图2.1　模拟信号的抽样

由于在电话通信中传送的话音频带为300～3400Hz，其最高频率为3400Hz，3400Hz的2倍为6800Hz，考虑到留一定的富裕度，因此将抽样频率取值为8000Hz，即抽样周期为125μs。

2）量化

经过抽样后的语音信号虽然从时间上离散开，但幅度上还是连续的，有无穷多的数值。所谓量化，是指用有限个度量值来表示抽样后信号的幅度值，将信号的幅度值就近归入临近的度量级，即将幅度上连续的抽样值变换为幅度上离散的量化值。不难理解，经过量化后的信号肯定会有一定失真，但是当失真保持在一定的幅度内时，不会影响通话质量的。

根据量化级的选取，有均匀量化和非均匀量化两种方法。均匀量化是指在整个量化区间，所有的量化间距都相同，实现起来比较容易，但其缺点是这种量化方法对小信号不利。由于量化带来的量化噪声是均匀的，因而小信号的信噪比会比较小。信噪比定义为：

所以在工程上很少采用这种方法，因此，我们希望采用一种量化方法，使之对大信号的量化噪音可以大一些，小信号的量化噪音小一些，以便保证信号整体的信噪比—致。最常用的方法是压扩法，即对于输入的信号首先进行类似对数函数的压扩处理，使小信号扩大、大信号压缩，再进行均匀量化，如图2.2所示。

图2.2　压扩法基本原理图

原CCITT曾建议两种压扩率：A律和μ律。A律在PCM 30/32系统中使用，欧洲和我国均采用A律；μ律在PCM 24系统中使用，北美和日本采用μ律。A律的输入电压u_x和输出电压u_y关系为：

μ律的输入电压u_x和输出电压u_y的关系如下式所示：

PCM 30/32系统用13折线近似压扩常数A＝87.6的A律特性，将量化器的动态范围归一化为（－1，1），正信号13折线压缩特性如图2.3所示（负信号的压缩特性与此相同）。正信号及负信号共有4段斜率相同，故共有13根折线。将量化间隔分为16段后，再将每一段等分为16等分，可见，量化器共有256个量化电平，257个分层电平。在256个量化区间中，最小量化间隔为Δ＝，最大量化间隔为64Δ＝，正、负信号的第1、2两段信号的量化噪声最小，相当于12位线性PCM的量化噪声，而第8段信号的量化噪声最大，相当于6位线性PCM的量化噪声。

图2.3　A律13折线

3）编码

量化以后的信号经过编码处理变成一组二进制码。在PCM32系统中，采用8位码表示一个样值，最高位是极性码，剩下的7位对应128个量化级。

对于话音信号的PCM编码，由于抽样频率为8000Hz、每个抽样值编码为8位二进制码，所以其传输速率为64Kbit/s。64Kbit/s是程控数字交换机中基本的交换单位。