NGN - 脉冲编码调制

高速语音和数据通信的出现带来了对快速传输信息介质的需求。数字电路或链路是为了以数字形式传输语音或数据而发展起来的。

从模拟到数字形式的转换遵循四个阶段的过程（参见下图），并在以下部分详细介绍。

采样

语音频率采用模拟信号的形式，即正弦波（参见下图）。此信号必须转换为二进制形式才能通过数字介质传输。此转换的第一阶段是将音频信号转换为**脉冲幅度调制 (PAM)** 信号。此过程通常称为**采样**。

采样过程必须从传入的语音频率中收集足够的信息，以便能够制作原始信号的副本。语音频率通常在**300Hz 至 3400Hz** 范围内，通常称为**商用语音频带**。

为了获得样本，将采样频率应用于原始语音频率。采样频率由**奈奎斯特采样定理**确定，该定理规定**“采样频率至少应为最高频率分量的两倍”。**

这确保在每个半周期至少采样一次，从而消除了在周期的零点采样的可能性，因为零点没有幅度。这导致采样频率至少为 6.8 KHz。

欧洲标准以**8 KHZ** 的频率对传入信号进行采样，确保每**125 微秒**或 1/8000 秒采样一次（参见下图）。

理想情况下，每个样本的幅度都将分配一个二进制代码（1 或 0），但由于幅度可以是无限的；因此，需要有无限数量的二进制代码可用。这将是不切实际的，因此必须采用另一种过程，称为**量化**。

量化将 PAM 信号与具有有限数量离散级别的量化标度进行比较。量化标度分为 256 个量化级别，其中 128 个是正级别，128 个是负级别。

量化阶段涉及分配一个唯一的 8 位二进制代码，该代码适用于 PAM 信号幅度落入的量化区间（参见下图）。

这包括 1 个极性位，其余 7 位用于识别量化级别（如上图所示）。

如前所述，第一个位是极性位，接下来的三位是段代码，给出八个段代码，其余四位是量化级别，给出十六个量化级别。

量化过程本身会导致一种称为**量化失真**的现象。当采样信号幅度落在量化级别之间时，就会发生这种情况。信号始终四舍五入到最接近的整数值。采样级别和量化级别之间的差异是量化失真。

信号幅度的变化率在周期的不同部分有所不同。这在高频时最为明显，因为信号的幅度变化比低频时更快。为了克服这个问题，第一个段代码的量化级别彼此靠近。然后，下一个段代码的高度是前一个的两倍，依此类推。此过程称为**压扩**，因为它压缩较大的信号并扩展较小的信号。

欧洲使用**A律**压扩，而北美和日本使用**μ律**。

由于量化失真相当于噪声，因此压扩提高了低幅度信号的信噪比，并在完整的幅度范围内产生可接受的信噪比。

为了将二进制信息通过数字路径传输，必须将信息修改为合适的线路代码。欧洲采用的编码技术称为**高密度双极 3 (HDB3)**。

HDB3 源自一种称为 AMI 或**交替标记反转**的线路代码。在 AMI 编码中，使用了 3 个值：无信号表示二进制 0，以及正信号或负信号交替用于表示二进制 1。

与 AMI 编码相关的一个问题是当传输长串零时。这可能会导致远端接收器出现锁相环问题。

**HDB3** 的工作方式与 AMI 类似，但包含一个额外的编码步骤，该步骤将任何四位零的字符串替换为三位零后跟一个“违规位”。此违规的极性与之前的转换相同（参见下图）。

从示例中可以看出，000V 替换了第一串四个零。但是，使用这种类型的编码可能会导致平均直流电平被引入信号中，因为可能存在长串零，所有这些都以相同的方式进行编码。为了避免这种情况，通过使用极性交替的“双极违规”位，将每个连续四个零的编码更改为 B00V。

由此可以推断，使用 HDB3 编码，在没有转换的情况下，零的最大数量为三个。这种编码技术通常被称为**调制格式**。

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