PCM基群帧结构

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3.6.2 PCM基群帧结构

国际上通用的PCM编码有A律和?律标准，在数字复接系列里有两种标准化的基群帧结构。由于对话路信号的抽样速率为fs?8000Hz，因此每帧的长度Tf?125?s。一帧周期内的时隙安排称为帧结构。 我国采用的是A律系列，因此这里我们重点介绍A律的基群帧结构，图3-24所示为A律PCM基群帧结构。在A律PCM基群中，一帧共32个时隙。各个时隙按照0到31顺序编号，分别称为TS0～TS31。其中TS0用于帧同步，TS16用于传送话路信令，其余30个时隙用于传送30路电话信号的编码信号。每个时隙包含8位数字比特，一帧内共含有256个比特。 TS0用于帧同步，时隙TS0中第一位保留用于国际间通信。在偶数帧时在TS0的2～8位插入同步码组0011011，接收端识别出帧同步码组后，即可建立正确的路序。奇数帧时，TS0的第二位固定为1，以避免接收端错误识别为帧同步码组；第三位是帧失步告警码，本地帧同步时传送0，失步时传送1；其余比特保留给国内通信用。

TS16传送话路信令。话路信令是为电话交换需要编成的特定码组，用以传送占用、摘机、挂机、交换机故障等信息。由于话路信令是慢变化的信号，可以用较低速率的码组表示。话路信令按复帧传送，由16帧组成一个复帧，周期为2ms，复帧中各帧编号为F0～F15。话路信令的8位码分为前4位和后4位。在帧F0的TS16中前4位码用于传送复帧同步的码组0000，后4位中的A2位为复帧失步告警码，其余三位为备用比特。在帧F1～F15中TS16

用于传送各话路的信令，前4位和后4位分别传送一个话路的信令。

16帧、2msF0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F1532时隙256bit、125?s012345678910111213141516171819202122232425262728293031帧同步时隙TS1～TS15用于话路信令时隙TS17～TS30用于话路X0011011偶帧TS0帧同步码组保留给国际用(目前固定为1)X1A111111奇帧TS0奇帧帧保留给国内用告识警别码码F000001A211复帧同步码组复帧失步告警和备用比特TS31用于话路12345678极段落码性码段内码F1abcdabcd第1路第16路F2abcdabcd第2路?第17路?图3-24 A律PCM基群帧结构

在A律基群帧结构中每帧共32个时隙，其中有30个时隙用于传送30电话信号，因此A律PCM基群也称PCM 30/32路制式。

?F15abcdabcd第15路第30路

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A律编码（A-law ）是ITU-T（国际电联电信标准局）CCITT G.712定义的关于脉冲编码的一种压缩/解压缩算法。 世界上大部分国家采用A律压缩算法。美国采用mu律算法进行脉冲编码。 令量化器过载电压为1,相当于把输入信号进行归一化，那么A律对数压缩我定义为 当0 <= x <= 1/A时，f(x)=(Ax)/(1+lnA) 当1/A <= x <= 1时，f(x)=(1+lnAx)/(1+lnA)

在现行的国际标准中A=87.6，此时信号很小时(即小信号时)，从上式可以看到信号被放大了16倍，这相当于与无压缩特性比较，对于小信号的情况，量化间隔比均匀量化时减小了16倍，因此，量化误差大大降低；而对于大信号的情况例如x=1/A，量化间隔比均匀量化时增大了5.47倍，量化误差增大了。这样实际上就实现了“压大补小”的效果。

上面只讨论了x>0的范围，实际上x和y均在[-1,1]之间变化，因此，x和y的对应关系曲线是在第一象限与第三象限奇对称。为了简便，x<0的关系表达式未进行描述，但对上式进行简单的修改就能得到。

按上式得到的A律压扩特性是连续曲线，A的取值不同其压扩特性亦不相同，而在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。为此，人们提出了数字压扩技术，其基本思想是这样的：利用大量数字电路形成若干根折线，并用这些折线来近似对数的压扩特性，从而达到压扩的目的。

折线实现

用折线实现压扩特性，它既不同于均匀量化的直线，又不同于对数压扩特性的光滑曲线。虽然总的来说用折线作压扩持性是非均匀量化，但它既有非均匀(不同折线有不同斜率)量化，又有均匀量化(在同一折线的小范围内)。有两种常用的数字压扩技术，一种是13折线A律压扩，它的特性近似A＝87.6的A律压扩特性。另一种是15折线μ律压扩，其特性近似μ＝255的μ律压扩特性。下面将主要介绍13折线A律压扩技术，简称13折线法。关于15折线μ律压扩请读者阅读有关文献。

图例

图6-12展示了这种13折线A律压扩特性。

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从图6-12中可以看到，先把轴的0～1分为8个不均匀段，其分法是：将0～1之间一分为二，其中点为1/2，取1/2～1之间作为第八段；剩余的0～1/2再一分为二，中点为1/4，取1/4～1/2之间作为第七段，再把剩余的0～1/4一分为二，中点为1/8，取1/8～1/4之间作为第六段，依此分下去，直至剩余的最小一段为0～1/128作为第一段。而轴的0～1均匀地分为八段，它们与轴的八段一一对应。从第一段到第八段分别为，0～1/8，1/8～2/8，…，7/8～1。这样，便可以作出由八段直线构成的一条折线。该折线与式(6-22)表示的压缩特性近似。

至于当在-1～0及在-1～0的第三象限中，压缩特性的形状与以上讨论的第一象限压缩待性的形状相同，且它们以原点奇对称，所以负方向也有八段直线，合起来共有16个线段。由于正向一、二两段和负向一、二两段的斜率相同，这四段实际上为一条直线，因此，正、负双向的折线总共由13条直线段构成，故称其为13折线。 将16位的线性PCM编码转为8位的A律码如下的准则 Linear Input Code Compressed Code ------------------------ --------------- 0000000wxyza 000wxyz 0000001wxyza 001wxyz 000001wxyzab 010wxyz 00001wxyzabc 011wxyz 0001wxyzabcd 100wxyz 001wxyzabcde 101wxyz 01wxyzabcdef 110wxyz

1wxyzabcdefg 111wxyz

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一、 总体方案

PCM时分复用数字基带传输，是各路信号在同一信道上占有不同的时间间隙进行通信。它把模拟信号通过抽样、量化、编码转变为数字信号，这些都靠编码器来实现，然后在位同步和帧同步信号的控制下通过复接器实现复接，复接后的信号通过信道传输，分接器在同步信号的作用下把接收到的信号进行分路，分路后的信号通过PCM译码、低通滤波器还原出输入的模拟语音信号。同步技术是时分复用数字通信的又一个重要特点。位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。它的基本含义是收、发两端机的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确判断和接收发送端送来的每一个码元。帧同步是为了保证收、发各对应的话路在时间上保持一致，这样接收端就能正确接收发送端送来的每一个话路信号。

晶振、分频器1、分频器2及抽样信号（时隙同步信号）产生器构成一个定时器，为两个PCM编译码器提供2.048MHz的时钟信号和8KHz的时隙同步信号。此处将同步器产生的时钟信号及时隙同步信号直接送给译码器。

由于时钟频率为2.048MHz，抽样信号频率为8KHz，故PCM-A及PCM-B的码速率都是2.048MB，一帧中有32个时隙，其中1个时隙为PCM编码数据，另外31个时隙都是空时隙。

PCM时分复用系统的系统框图如图1.1所示：

二、 单元电路模块 1. 帧同步电路模块

在时分复接系统中，要保证接受端分路系统能和发送端一致，必须要有一个同步系统，以实现发送端与接受端的帧同步。实现帧同步的基本方法是在发送端预先规定的时隙，在这个帧同步码时隙，插入一组特殊码型的帧同步码组。S1,S2,S3从A、B、C端输入，在PCM30/32基群终端中，帧同步码采用×0011011码组（其中×表示任意）。帧同步码产生电路由一个74LS151八选一数据选择器和一个与门组成。其电路图如图2.1.1所示，其帧同步码组波形见图2.1.2所示。

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2. 时钟电路模块

不同的数字信号复接，都有各自的定时脉冲，但在同一系统之内它们之间必定要满足一种固定的关系，才能正常通信。多谐振荡器就足以满足大多数数字系统对频率稳定度的要求。在许多应用场合下都对多谐振荡器的振荡频率稳定性有严格的要求，因此，在对频率稳定性有较高的要求时，必须采取稳频措施。目前，普遍采用的一种稳频方法是在多谐振荡器电路中接入石英晶体，组成石英晶体振荡器。系统时钟模块由

电路

与石英晶体等组成，石英晶体的频

率为4096KHZ，电路如图2.2.1所示：

图2.2.1时钟电路模块

3. 分频电路模块

在此单元中采用三个分频器进行分频。帧同步码组产生脉冲

信号由一个2分频电路实现，

信号由一个16分频电路得到，时隙同步脉冲S4

送入抽样信

信号由一个四位二进制计数器和一个2分频器组成的电路产生，号产生电路形成时隙同步信号。

1) 二分频电路

在二进制数字通信中，主时钟的一个周期称为1bit，由此可知PCM30/32路基群的时钟为

。由于主时钟电路输出的是频率为4096KHz的方波,

编译码器的时钟信号

所以需要将输出频率进行二分频，分频后的信号就成

。由于

触发器相当于一个二进制计数器，在电路中二分频可以采用

触发器来实现。如图2.3.1所示：

双上升沿

2) 十六分频电路

帧同步码组产生脉冲S1、S2、S3，频率分别为1024KHz、512 KHz 、256 KHz，与4096 KHz正好成4倍、8倍、16倍的关系，利用一个74LS193四位二进制同

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步加/减计数器就可以实现。74LS193的三个输出端QB、QC、QD分别实现了4、8、16分频，如图2.3.2所示：

3) 三十二分频电路

分频器2的输出为

，

信号的频率为

，它们之间32倍的关

系，所以采用32分频就可以实现，如图2.3.3所示：

4. 抽样信号产生模块

抽样就是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。缩短时间间隔会导致数据量增加，所以缩短时间间隔必须适可而止。时间间隔可以根据信号所包含的最高频率成分的值来确定。如果取样频率大于或者等于模拟信号中最高频率的2倍，就能够无失真地恢复出原信号，这就是取样定理。

在电话中传送声音信号的频率范围为300～3400Hz，所以在1秒钟内只需要以2×3400＝6800次以上的速率取样就能满足取样定理，再留点余量每秒进行8000次取样。

抽样信号产生电路由两个74LS123双可重触发单稳态触发器、一个74LS164八位移位寄存器组成，如图2.4.1所示：

74LS123有稳态和暂态两个不同的工作状态，在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂态，在暂态维持一段时间后再返回稳态，暂态维持时间的长短取决于电路的参数，与触发脉冲无关，利用它的这些特性，将暂态的维持时间设定为

，则输出信号W为一脉冲宽度为

，频率为

的脉冲序列。74LS164

是一个八位移位寄存器，其输入输出特性为串行输入并行输出，在触发脉冲的作用下，移位寄存器将信号W并行输出,用五个74LS164，每一级的第一级的

端。

接下一级的

分别对应着，最后一级的

时隙，采

经一个非门后接

三、 时分复用原理 1. 时分复用基本原理

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为了提高信道利用率，使多路信号互不干扰地在同一信道上传输的方式称为多路复用。

时分多路复用建立在抽样定理基础上，因为抽样定理使连续的基带信号变成在时间上离散的抽样脉冲，这样，当抽样脉冲占据较短时间时，在抽样脉冲之间就留出了时间空隙。利用这种空隙便可以传输其他信号的抽样值。

2. 时分复用的实现

如图3.2.1为时分复用系统示意图及其波形，图(a)为时分复用系统示意图，发送端低通滤波器(LPF)的作用是保证调制信号A0+m(t)的频带是带限的，最高角频率为ωm,加到m(t)上的直流电压A0的作用是使抽样出来的脉冲具有单极性。各路信号加到发送转换开关的相应位置上，转换开关每隔Ts秒顺序地接通各路信号一次，亦即对N路信号顺序的分别抽样一次。已抽样信号，都是单极性的PAM信号，合成多路PAM信号是N路抽样信号的总和，如图(d)所示。在一个抽样周期Ts内，由各路信号的一个抽样值所组成的一组脉冲叫做一帧，对于每一路信号，一帧所占的时间称为一个路时隙，用T1表示。为了防止邻路抽样脉冲相互重叠或连在一起，要求在相邻脉冲间由一定的防护时隙τg，所以每路占有时间为

或者说，对于、每一路抽样脉冲的宽度τ应满足

转换开关一般是电子开关。为了使各路信号接收准确，接收端的抽样转换开关必须与发送端的抽样转换开关严格同步。一种简单的同步方法是安排一定的时隙，发送端周期性的送出一个已知的比任何其他抽样脉冲的幅度都大的脉冲，被接收端所识别并取出，用来控制接收端的时钟电路，达到发送与接收两方同步。

3. 32路PCM帧结构

对于多路数字电话系统，国际上已建议的有两种标准化制式，即PCM 30/32路(A律压扩特性)制式和PCM 24路(μ律压扩特性)制式，并规定国际通信时，以A律压扩特性为准(即以30/32路制式为准)，凡是两种制式的转换，其设备接口均由采用μ律特性的国家负责解决。因此，我国规定采用其帧和复帧结构如图3.3.1所示：

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从图中可以看到，在PCM 30/32路的制式中，一个复帧由16帧组成；一帧由32个时隙组成；一个时隙为8位码组。时隙l～15，17～3l共30个时隙用来作话路，传送话音信号，时隙0(TS0)是“帧定位码组”，时隙16(TS16) 用于传送各话路的标志信号码。

从时间上讲，由于抽样重复频率为8000Hz，抽样周期为1/8000=125μs，这也就是PCM30/32的帧周期；一复帧由16个帧组成，这样复帧周期为2ms；一帧内要时分复用32路，则每路占用的时隙为125μs/32=3.9μs；每时隙包含8位码组，因此，每位码元占488ns。

从传码率上讲，也就是每秒钟能传送8000帧，而每帧包含32×8＝256bit，因此，总码率为256比特/帧×8000帧/秒＝2048kb/s。对于每个话路来说，每秒钟要传输8000个时隙，每个时隙为8bit，所以可得每个话路数字化后信息传输速率为8×8000＝64kb/s。

为了使收发两端严格同步，每帧都要传送一组特定标志的帧同步码组或监视码组。帧同步码组为“0011011”，占用偶帧TS0的第2～8码位。第l比特供国际通信用，不使用时发送“1”码。在奇帧中，第3位为帧失步告警用，同步时送“0”码，失步时送“1”码。为避免奇TS0的第2～8码位出现假同步码组，第2位码规定为监视码，固定为“1”，第4～8位码为国内通信用，目前暂定为“1”。

四、 系统仿真 1. A路信号PCM编码和译码

PCM编码器模块主要由信源输入端子、低通滤波器、瞬时压缩器、A/D转换器、并/串转换器、输出端子构成，信号从21模块输入，

PCM译码器是实现PCM编码的逆系统。 PCM译码器模块主要由PCM数据输入端子、串/并转换器、锁存器、D/A转换器、瞬时扩张器、低通滤波器构成。如图4.2.1所示：

2. B路信号PCM编码和译码

PCM编码：

3. 帧同步

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首先预置数据选择器的输入，为产生00011011的码组，输入端到的状态分别为00011011，然后通过图符0、1、2控制轮流选择输出。图中图符64、65、66的频率128k、64k、32k。实现模型图如图4.3.1所示：

其输出波形如图4.3.2所示：

4. 时分复用仿真总图

时分复用系统实现模型总图如图4.4.1所示：

图4.4.1 时分复用仿真总图

通过输入输出的时域观测窗口，我们得到仿真结果，经过PCM编码后时分复用传输再经过解时分复用PCM译码后的信号与原始语音信号对比，波形失真小，但是有一定的延迟。

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通信多路复用的方法及30/32路PCM帧结构

[ 2010-7-9 8:11:00 | By: master0722 ]

通信多路复用的方法及30/32路PCM帧结构

黄 敏 王丹玉

通信系统包括发送设备、接收设备和传输设备. 传输线路投资往往占整个通信系统投资的很大比例，因此，如何提高线路利用率，实现传输线路的多路复用，就成了一个非常重要的话题。

1 多路复用的方法

多路复用通常有3种基本方法：频分复用（FDMA），码分复用（CDMA）和时分复用（TDMA）。 1.1 频分复用

频分复用是模拟通信中广泛使用的传输方式，它的基本原理是利用调制手段和滤波技术使多路信号以频率分割的方式同时在同一条线路上互不干扰地传输。

1.2 码分复用

码分复用是指在同一条信道上，多路信号以不同的编码形式互不干扰的传输。它目前已成为移动通信中使用的先进方法。

1.3 时分复用

时分复用是现代数字通信中主要采用的传输方式，时

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分多路复用就是在一条信道内，将若干路离散信号的脉冲序列，经过分组、压缩、循环排序，成为时间上互不重叠的多路信号一并传输的方式。

例如两地有许多用户要进行通信，用户11—用户12，用户21—用户22??用户n1—用户n2。可是线路只有一对，于是在收发双方各加了一对快速旋转的电子开关SA1和 SA2（这两个开关实际就是一组抽样门和分路门，它们的开闭受抽样脉冲控制），SA1、SA2旋转频率相同，初始位置相互对应。我们称之为同步动作。开始，SA1和SA2停留在用户11和用户12上，然后依次旋转到21和22上、31和32上，n1和n2 上，最后又回到11和12上，如此反复。目前世界上的数字时分多路复用系统主要有北美、日本的24路PCM系统和欧洲、中国的30/32路PCM系统。下面主要介绍30/32路PCM系统。

2 30/32路PCM基群帧结构

2.1 帧结构

帧结构的概念就是把多路话音数字码以及插入的各种标记按照一定的时间顺序排列的数字码流组合。我国采用的是30/32路PCM基群结构，即在传输数据时先传第1路信号，然后传第2路信号，第3路信号??直到传完第32路，再传第1路，第2路??如此循环下去。每一路信号占用的不同的时间位置，称为时隙，用TS0、TS1、TS2、??TS31来表示。其中TS0用于传输同步码、监视码、对端

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告警码组（简称对告码）；TS16用于传输信令码；TS1—TS15传前15个话路的话音数字码，TS17—TS31传输后15个话路的话音数字码，显然，在32个时隙中只有30个时隙用于传话音数字码，记作PCM30/32。

将所用话路都抽样一次的时间叫帧长，也就是同一个话路抽样两次的时间间隔。因为每个话路的抽样频率是8000HZ，即每秒抽样8000次，所以两个抽样值之间的时间间隔是1/8000，等于125μs ，这也就决定了帧长是125μs 。由于编码需要时间，所以每个样值应达到一定的宽度，这个时间宽度就是时隙，即每个话路在一帧中所占的时间，等于3.91（125/32）μs，每个时隙的样值编8位码，因此，每位码占用的时间是0.448μs（3.91μ?/8）. PCM30/32基群帧结构如图：

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2.2 TS0

偶帧TS0用于传帧同步码，其中第2—8位码固定发0011011，这7位码组就是帧同步码。收端就是通过检测帧同步码组来实现同步的。第1位码留作国际通用，不用时为1。

奇帧TS0用于传监视码、对告码等。其中第2位码固定发1，称为监视码，它用于辅助同步过程的实现。第3位码为A1。用于传对告码，正常同步时为0，不正常时即失步时发1。其它几位码、第1位、第4—8位码可用于低速率数据通信，不用时为1。

对告码的作用是：通话正常进行，必须两个方向都通畅，如果一个方向有故障，就必须能通过对告码来告诉对方。

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显然，同步、监视、对告码的周期都是250μs。 2.3 TS16

要建立一个通话过程，信令信息的正确传送是必须的。在以前的模拟传输及模拟交换中，信令主要是直流或直流脉冲信号，如摘机、挂机信号、拨号脉冲等。也就是说，信令是以模拟信号的形式传送的。而在PCM通信中，信令信息是借助数字通道来传送的，它可和话音信息一样占用相同的时隙进行传送，如第1路话音信息和信令都占用TS1传送，24路PCM通信的信令就是采用这种方式；话音信息也可以和信令分开传送，在32路PCM通信中，30路信令都是在TS16中传送的。从抽样定理中知道，对于话音信息，抽样频率为8000 HZ 。即话音样值是每隔125μs抽取一次的。而理论和实践表明：对每一路信令，抽样频率取500 HZ，即2ms抽样一次。在数字通信中，每一路信令都先转换为4位数字信号，放在TS16的4个比特中，这样，TS16的8位可发放下两路数字信令，30路的信令共需15个TS16。再将这15个帧前面加上一帧作为标志，就构成了一个复帧，这个复帧称为信令复帧。它所含的16帧称为子帧，用F0—F15来表示，具体安排如下：

F0中，TS16的第1—4位码传复帧同步组“0000”，其作用是保证信令正确传送，即保证收发信令同步；第6位码为A2，传复帧对告码，第6位码=0，表示复帧同步，第6位码=1，表示复帧不同步。第5、第7、第8位码备用，不用时暂时定为1。

F1中，TS16的第1—4位码传第1路信令，第5—8位码传16

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路信令。F2中，TS16的第1—4位码传第2路信令，第5—8位码传第17路信令?? F15中，TS的第1—4位码传第15路信令，第5—8位码传第30路信令。

一个信令复帧正好把30路信令传一遍，其周期为2 ms ，即信令抽样频率为500 HZ。

1.2 程控交换机的特点与技术动向

程控数字交换机是现代数字通信技术、计算机技术与大规模集成电路(LSI)有机结合的产物。先进的硬件与日臻完美的软件综合于一体，赋予程控交换机以众多的功能和特点，使它与机电交换机相比，有以下优点：

1.体积小，重量轻，功耗低，它一般只有纵横制交换机体积的1/8-1/4,大大压缩了机房占用面积，节省了费用。

2.能灵活的向用户提供众多的新服务功能。由于采用SPC技术，因而可以通过软件方便的增加或修改交换机功能，向用户提供新型服务，如缩位拨号、呼叫等待、呼叫传递、呼叫转移、遇忙回叫、热线电话、会议电话，给用户带来很大的方便。

3.工作稳定可靠，维护方便，由于程控交换机一般采用大规模集成电路(LSI)电路或专用集成电路(ASIC)，因而有很高的可靠性。它通常采用冗余技术或故障自动诊断措施，以进一步提高系统的可靠性。此外，程控交换机借助故障诊断程序对故障自动进行检测和定位，以及时地发现与排除故障，从而大大减少了维护工作量。

系统还可方便地提供自动计费，话务量记录，服务质量自动监视，超负荷控制等功能，给维护管理工作带来了方便。

4.便于采用新型共路信号方式(CCS,Common Channel Signalling) 。由于程控数字交换机与数字传输设备可以直接进行数字连接，提供高速公共信号信道，适于采用先进的CCITT 7号信令方式，从而使得信令传送速度快、容量大、效率高，并能适应未来新业务与交换网控制的特点，为实现综合业务网(ISDN,Integrated Services Digital Network)创造必要的条件。

5.易于与数字终端，数字传输系统联接，实现数字终端，传输与交换的综合与统一。可以扩大通信容量，改善通话质量，降低通信系统投资，并为发展综合数字网(IDN)和综合业务数字网(ISDN)奠定基础。

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