1、第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.1 抽样定理 2.2 模拟信号的量化 2.3 脉冲编码调制(PCM)2.4 差分脉冲编码调制DPCM 2.5 增量调制(M或DM)2.6 PAM、PCM、CVSD、ADPCM 的调制与解调实验 本章小结 思考与练习第第2章章 模拟信号数字化与信源编码模拟信号数字化与信源编码 第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.1 抽样定理抽样定理通信系统中一般的信源都是模拟信源，所以通信传输的目的是传输模拟信号，但是传输模拟信号并不一定要传输模拟信号本身，而只需传输按抽样定理取到的样值就可以了。首先，要把时间和幅度都连续的模拟信号变为数字信号，就要对其进行离散化处理。抽
2、样的目的就是实现模拟信号在时间、空间上的离散化，完成抽取离散时间点上信号值的任务，即完成取得抽样值的过程。该过程必须严格遵循抽样定理。抽样定理是模拟信号数字传输的理论基础，它告诉我们：对某一带宽有限的时间连续信号(模拟信号)进行抽样，在抽样频率达到一定数值时，根据这些抽样值，可以在接收端准确地恢复出原始信号。根据被抽样信号是低通型信号还是带通型信号，抽样定理可分为低通信号的抽样定理和带通信号的抽样定理。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.1.1 低通信号的抽样定理低通信号的抽样定理抽样定理在时域上可以表述为:对于一个频带限制在(0fH)Hz内的时间连续信号f(t),如果以Ts1/(2fH)秒
3、的间隔对其进行等间隔抽样，则f(t)将被所得到的抽样值完全确定。换句话说，在信号最高频率分量的每个周期内起码应抽样两次。因为抽样间隔是相等的，所以也称为均匀抽样定理。该定理也可以推广到非均匀抽样中。其中1/(2fH)是抽样的最大间隔，也称为奈奎斯特间隔。第2章 模拟信号数字化与信源编码 我们可以通过相乘器来实现抽样的过程，图2-1所示为抽样过程实现的示意图。该图表示模拟信号f(t)与单位冲激函数T(t)通过相乘器进行抽样的原理，乘积函数便是均匀间隔为Ts秒的冲激序列，这些冲激的强度等于相应瞬时上f(t)的值，它表示对函数f(t)的抽样，我们用s(t)表示此抽样函数。这样抽样函数可以表示为s(t
4、)=f(t)T(t)(2-1)其中，(2-2)Ts()()KttkT第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-1 模拟信号的抽样过程示意图(a)模拟信号的抽样；(b)信号的恢复第2章 模拟信号数字化与信源编码 假设f(t)、T(t)和s(t)的频谱分别为F()、T()和S()。根据频率卷积定理，可以写出式(2-1)对应的频域表达式为 (2-3)根据式(2-2)对周期性冲激函数的定义，可以得到其相应的傅里叶变换为 (2-4)其中，T1()()()2sFss2TTss2()()nnT 第2章 模拟信号数字化与信源编码 所以 (2-5)图2-1(b)所示为在通信系统的接收端将收到的样值信号通过低通滤
5、波器恢复成原始模拟信号f(t)的过程。由图2-1分析可知，模拟信号抽样过程中各个信号的波形与频谱如图2-2所示(f(t)、T(t)为已知假设的信号)。ssss11()()()()nnSFnFnTT 第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-2 抽样过程中的信号波形与频谱(a)模拟信号的波形与频谱；(b)冲激函数信号的波形与频谱；(c)抽样信号的波形与频谱第2章 模拟信号数字化与信源编码 图2-3所示为两种情况下的频谱分析结果。由图可知：如果抽样频率小于奈奎斯特频率，即如果fs2fH时抽样信号的频谱；(b)fsB(B=fHfL)，该信号通常被称为带通型信号，其中B为带通信号的频带。对于带通信号，
6、如果采用低通抽样定理的抽样速率fs2fH，对频率限制在fL与fH之间的带通型信号抽样，肯定能满足频谱不混叠的要求。对带通型信号而言，抽样速率可以小于最高截止频率的2倍。但是，如果对带通型信号仍采用低通信号抽样定理进行抽样，由于抽样速率太高，抽样所得样值序列的频谱中会存在大段的频谱空隙。这虽然有助于消除频谱混叠，但是却降低了信道的利用率。要提高信道利用率，同时又使抽样后的信号频谱不混叠，就要按照带通信号的抽样定理来选择fs。第2章 模拟信号数字化与信源编码 带通信号抽样定理内容:一个带通信号f(t)，其频率限制在fL与fH之间，带宽为B=fHfL，如果最小抽样速率fs=2fH/n，n是一个不超过
7、fH/B的最大整数，那么f(t)就可完全由抽样值确定。设最高频率fH为带宽的m倍，下面分两种情况加以说明。第2章 模拟信号数字化与信源编码(1)若最高频率fH为带宽的整数倍，即fH=nB，此时fH/B=n是整数，m=n，所以抽样速率fs=2fH/m=2B。若fs再减小，即fs2B，则必然会出现混叠失真。由此可知，当fH=nB时，能重建原信号f(t)的最小抽样频率为fs=2B (2-6)第2章 模拟信号数字化与信源编码 (2)若最高频率fH不为带宽的整数倍，即fH=nB+kB，0kB时，fs趋近于2B。这一点由式(2-9)也可以说明。当fLB时，n很大，所以不论fH是否为带宽的整数倍，式(2-8
8、)均可简化为fs2B (2-9)第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-4 fs与fL的关系图第2章 模拟信号数字化与信源编码 实际中应用广泛的高频窄带信号就符合这种情况，这是因为fH大而B小，fL当然也大，很容易满足fLB。由于带通信号一般为窄带信号，容易满足fLB，因此带通信号通常可按2B速率抽样。从提高传输效率的角度考虑，在满足抽样定理的前提条件下，应尽量降低抽样速率，让延拓的频谱在频率轴上排得密些，只要不产生频谱混叠，留够防卫带就可以了。抽样定理不仅为模拟信号的数字化奠定了理论基础，它还是时分多路复用及信号分析、处理的理论依据。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.2 模拟信号的量化
9、模拟信号的量化量化是模拟信号数字化的重要步骤。量化就是把取值连续的抽样变成取值离散的抽样，即指定N个规定的电平(N级量化)，把抽样值用最接近的电平表示。然后再用二进制码组表示量化后的N个样值脉冲，也就是后面即将介绍的编码。量化有多种方法，归纳起来有两类:一类是均匀量化，另一类是非均匀量化。采用的量化方法不同，量化后的数据量也就不同。本节我们从均匀量化和非均匀量化的基本概念入手，进而研究现在最常用的A律13折线和律15折线压缩扩张特性。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.2.1 均匀量化均匀量化用相等的量化间隔对抽样得到的信号进行量化的方法称为均匀量化，也称为线性量化。1.工作原理工作原理在均
10、匀量化中，每个量化区间的量化电平取在各区间的中点，图2-5是均匀量化的举例。其量化间隔取决于输入信号的变化范围和量化电平数。若输入信号的最小值和最大值分别用a和b表示，量化电平数为M，则均匀量化时的量化间隔为 (2-10)baM 第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-5 均匀量化举例第2章 模拟信号数字化与信源编码 量化器输出mq为mq=qi mi1mqmi(2-11)式中，mi是第i个量化区间的终点(也称为分层电平)(当i=1时，mi1为第1个量化区间的起点)，可写成mi=a+i，i=1，2，M (2-12)qi是第i个量化区间的量化电平，可表示为 (2-13)1,1,2,2iiimmq
11、iM第2章 模拟信号数字化与信源编码 量化器的输入与输出的关系可用量化特性来表示，语音编码常采用图2-6(a)所示的输入输出特性的均匀量化器，当输入m在量化区间mi1mmi变化时，量化电平qi是该区间的中点值，而相应的量化误差eq=mmq与输入信号幅度m之间的关系曲线如图 2-6(b)所示。第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-6 均匀量化特性与量化误差曲线第2章 模拟信号数字化与信源编码 量化后的样本值和原始值的差称为量化误差或量化噪声。对于不同的输入范围，误差显示出两种不同的特性:在量化范围(量化区)内，量化误差的绝对值|eq|/2；当信号幅度超出量化范围时，量化值mq保持不变，|eq
12、|/2，此时称为过载或饱和。过载区的误差特性是线性增长的，因而过载误差比量化误差大，对重建信号有很坏的影响。在设计量化器时，应考虑输入信号的幅度范围，使信号幅度不进入过载区，或者只能以极小的概率进入过载区。上述的量化误差eq=mmq通常称为绝对量化误差，它在每一量化间隔内的最大值均为/2。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.量化噪声分析量化噪声分析在衡量量化器的性能时，单看绝对误差的大小是不够的，因为信号有大有小，同样大的噪声对大的信号可能产生不了什么影响，但对小信号来说有可能造成严重的后果，因此在衡量系统性能时应看噪声与信号的相对大小，我们把绝对量化误差与信号之比称为相对量化误差。相对量化
13、误差的大小反映了量化器的性能，通常用量化信噪比来衡量，它被定义为信号功率与量化噪声功率之比，即S/Nq。(2-14)式中，E表示求统计平均，S为信号功率，Nq为量化噪声功率。(S/Nq)越大，量化性能越好。22qq()SE mNE mm第2章 模拟信号数字化与信源编码 下面我们来分析均匀量化时的量化信噪比。设输入的模拟信号m(t)是均值为零、概率密度为f(x)的平稳随机过程，m的取值范围为(a，b)，且设不会出现过载量化，则由式(2-14)得量化噪声功率Nq为 (2-15)22qq()()()dbqaNE mmxmf xx第2章 模拟信号数字化与信源编码 一般来说，量化电平数M很大，量化间隔很
14、小，因而可认为信号概率密度f(x)在内不变，用Pi表示，且假设各层之间量化噪声相互独立，则Nq可表示为 (2-16)式中:Pi代表第i个量化间隔的概率密度；为均匀量化间隔。因假设不出现过载现象，故上式中Pi=1。222q111()d1212iiMMmiiimiiNPxqxP第2章 模拟信号数字化与信源编码 由式(2-16)可知，均匀量化器不过载时量化噪声功率Nq仅与有关，而与信号的统计特性无关，一旦量化间隔给定，无论抽样值多大，均匀量化噪声功率Nq都是相同的。若给出信号特性和量化特性，便可求出量化信噪比(S/Nq)。量化信噪比随量化电平数M的增加而提高，信号的逼真度也随之提高。通常量化电平数应
15、根据对量化信噪比的要求来确定。第2章 模拟信号数字化与信源编码 均匀量化器广泛应用于线性A/D变换接口中，例如在计算机的A/D变换中，M为A/D 变换器的位数，常用的有8位、12位、16位等不同的精度。另外，在遥测遥控系统、仪表、图像信号的数字化接口等中，也都使用均匀量化器。但在语音信号数字化通信(或称为数字电话通信)中，均匀量化则有一个明显的不足，即量化信噪比随信号电平的减小而下降。产生这一现象的原因是由于均匀量化的量化间隔为固定值，量化电平分布均匀，因而无论信号大小如何，量化噪声功率固定不变，这样，小信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号的取值范围定义为动
16、态范围。因此，均匀量化时，输入信号的动态范围将受到较大的限制。为了克服均匀量化的缺点，实际通信中往往采用非均匀量化。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.2.2 非均匀量化非均匀量化在均匀量化中，量化误差与被量化信号电平的大小无关，量化误差的最大瞬时值等于量化间隔的一半，所以信号电平越低，信噪比越小。为了解决上述问题，可以考虑让量化间隔的大小随输入信号电平的大小而改变。非线性量化就采用了这种基本思路，对输入信号进行量化时，大的输入信号采用大的量化间隔，小的输入信号采用小的量化间隔。实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术，在发送端将信号压缩，在接收端再将接收到的压缩信号还原成原始信号。非均匀
17、量化的基本原理如图2-7所示。第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-7 非均匀量化的基本原理图第2章 模拟信号数字化与信源编码 在非线性量化中，抽样输入信号幅度和量化输出数据之间定义了两种对应关系:一种称为15折线律压扩算法，另一种称为13折线A律压扩算法。15折线律主要在北美和日本等国家的PCM24路群系统中采用；13折线A律主要在英国、法国、德国等欧洲国家的PCM30/32路群系统中采用。我国的PCM30/32路群系统也采用13折线A律压扩算法。第2章 模拟信号数字化与信源编码 1.律压扩律压扩律压扩量化输入和输出的关系式为 (2-17)式中:x为输入信号的幅度，规格化成1x1，sgn
18、(x)为x的极性；为确定压缩量的参数，它反映最大量化间隔和最小量化间隔之比，取100500。图2-8为律压扩特性曲线图。ln(1)()sgn()ln(1)xy xx第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-8 律压扩特性曲线示意图(a)压缩曲线；(b)扩张曲线第2章 模拟信号数字化与信源编码 由于律压扩输入和输出的关系是对数关系，因此这种编码又称为对数PCM编码。具体计算时，值取为255，对数曲线近似用8条折线表示，以简化计算过程。详细计算请参阅其它相关资料。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.A律压扩律压扩A律压扩按式(2-18)确定量化输入和输出的关系:(2-18)0 1()sgn()1
19、ln1ln()1()sgn()11lnA xy xxxAAA xy xxxAA第2章 模拟信号数字化与信源编码 式中:x为输入信号的幅度，规格化成1x1；sgn(x)为x的极性；A为确定压缩量的参数，它反映最大量化间隔和最小量化间隔之比。A律压扩的前一部分是线性的，其余部分与律压扩相同。具体计算时，A87.56。为简化计算，同样把对数曲线部分变成折线。详细计算请参考其它相关资料。A律压扩特性曲线如图2-9所示。对于采样频率为8 kHz，样本精度为13位、14位或者16位的输入信号，使用律压扩编码或者使用A律压扩编码，经过PCM编码器编码之后，每个样本的精度为8位，输出的数据率为64 kb/s。
20、这个数据就是CCITT推荐的G.711标准:话音频率脉冲编码调制(Pulse Code Modulation(PCM)of Voice Frequences)。第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-9 A律压扩特性曲线示意图第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.2.3 A律律13折线压扩技术折线压扩技术随着集成电路和数字技术的迅速发展，数字压扩技术的应用日益广泛。它是利用数字集成电路用多段折线来近似压缩特性曲线。在实际中采用的压扩技术主要有15折线律(=255)和13折线A律(A=87.6)等。第2章 模拟信号数字化与信源编码 下面以13折线A律为例来说明数字压扩技术的基本原理。1.13折
21、线的由来折线的由来在x轴01的范围内，采用归一化方法，以1/2递减规律将线段不均匀地分成8段，分段点在横轴的坐标分别为1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64及1/128。在y轴01的范围内，采用归一化方法，将线段均匀分成8个段落，分段点在纵轴的坐标分别为1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8及7/8。将坐标平面上的各个坐标点表示出来，依次是(1/128，1/8)、(1/64，2/8)、(1/32，3/8)、(1/16，4/8)、(1/8，5/8)、(1/4，6/8)、(1/2，7/8)及(1，1)。将这些点两两依次相连，就可得到斜率不同的8条折线，如图2-10所示。第2章
22、 模拟信号数字化与信源编码 图 2-10 A律压扩特性的13折线近似法示意图第2章 模拟信号数字化与信源编码 图2-10中各折线的斜率列于表2-1中。第2章 模拟信号数字化与信源编码 第一段和第二段属于小信号，这两段的斜率相等，而且与A=87.6时根据A压缩律的斜率公式求得的斜率值是相等的，都为16。对于其它各段的近似情况也可以按照A=87.6来计算出y与x之间的关系，具体列于表2-2中，可进行比较。第2章 模拟信号数字化与信源编码 根据表2-2的数据对比，我们可以得到一个结论:采用A律13折线近似法画出的13折线与A=87.6时的对数函数的特性曲线是非常近似的。在实际中，可以直接采用13折线
23、近似法来近似地画出A律的对数特性曲线图，并根据它进行A律13折线非线性编码。语音信号是双极性信号，在10的范围内采用同样的方法也有8段折线，并且根据分析，靠近原点的两段折线斜率也是相等的，都是16。由此可见，靠近原点的四段折线的斜率都是16，所以这四段折线可以看成是一段，于是在11范围内总共形成了13段折线，简称为13折线。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.13折线折线A律压扩特性律压扩特性根据13折线的形成过程分析，可以知道A律对数压缩扩张特性曲线能够用13段折线近似表示，所以称之为13折线A律压扩特性。那么同样道理，律对数压缩特性曲线也可以采用15折线的近似法表示，称为15折线律压扩特
24、性。在实际通信过程中，A律对数特性曲线和律对数特性曲线是很难实现的，但是13折线和15折线近似法很容易实现。CCITT建议G711中规定上述两种折线近似压缩律为国际标准。我国的PCM30/32路基群也采用A律13折线压缩律。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.3 脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)现阶段，以PCM为代表的编码调制技术被广泛应用于模拟信号的数字传输中。除PCM外，DPCM和ADPCM的应用范围更广。PCM的主要优点是:抗干扰能力强，失真小，传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。另外，PC
25、M还可以在一个信道上对多路信号进行时分复用传输。脉冲编码一般分三步进行，即抽样、量化和编码。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.3.1 PCM编码的基本概念编码的基本概念脉冲编码调制(PCM)是实现模拟信号数字化的一种调制方式。模拟信号数字化的基本过程是:对模拟信号在时间上和幅度上都进行离散化处理，然后再把离散化的幅度值变换为数字信号代码。编码后的数字信号携带的是原始模拟信号的信息，就相当于将模拟信号信息调制到了代码上，而代码是通过对信号抽样得到的脉冲序列再进行量化编码得到的。因此，称此数字通信为脉冲编码调制(PCM)通信，其最大的特点是把连续输入的模拟信号变换为在时域和振幅上都离散的量，然
26、后将其转化为代码形式传输。第2章 模拟信号数字化与信源编码 图2-11是PCM系统的原理框图，它由三个部分组成:一是相当于信源编码部分的模/数转换(A/D转换)，它包括抽样、量化、编码等主要部分的电路，在一般情况下，量化和编码是同时完成的；二是相当于信道部分的传输系统，它包括信道和再生中继器；三是相当于信源解码部分的数/模转换(D/A转换)，它包括译码和低通滤波。抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程，即把模拟信号(输入信号)用时间域上离散时间点的振幅值来表示；量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程，即把连续取值的样值用离散的幅度值来近似表示；编码是将每个量化后的样值变换为不易遭受传输干扰的二进制
27、数字代码信号。这就是把模拟信号转换为数字信号的全部过程。经过信道传输后，在接收端进行与上述过程相反的变换和处理，首先把数字编码信号还原为量化的样值脉冲(译码)，然后进行滤波，去除高频分量(平滑滤波)，即可还原为模拟信号(输出信号)。第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-11 PCM系统原理框图第2章 模拟信号数字化与信源编码 PCM编码通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。为了便于用数字电路实现，其量化电平数一般为2的整数次幂，有利于采用二进制编码表示。采用均匀量化时，其抗噪性能与量化级数有关，每增加一位编码，其信噪比增加约6 dB，但实现的电路复杂程度也随之增加
28、，占用的带宽也越宽。因此实际采用的量化方式多为非均匀量化，通常使用信号压缩与扩张技术来实现非均匀量化。在保持信号固有的动态范围的前提下，量化前对小信号进行放大，而对大信号进行压缩。常用的压缩方法有13折线A律和律两种，国际通信中多采用A律。采用信号压缩后，用8位编码实际可以表示均匀量化11位编码时才能表示的动态范围，能有效提高小信号时的信噪比。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.3.2 码型及码位安排码型及码位安排1.码型码型将量化后的所有量化级按其量化电平的大小顺序排列起来，并且列出各自相对应的码字，这个码字的整体被称为码型。PCM系统中常用的码型有自然二进制码和折叠二进制码，已在表2-3
29、中列出。表中的16个量化级分成两个部分：07的8个量化级对应于负极性样值脉冲；815的8个量化级对应于正极性样值脉冲。从表2-3中可以看出，自然二进制码上下两部分的码没有任何相似之处，但是折叠二进制码除最高位外，其上半部分与下半部分成镜像关系，即互为折叠。自然二进制码就是普通的二进制数，编码和译码都非常简单，但是在编码过程中，如果最高位判决有误，将使译码后输出所产生的幅度误差达到最大幅度的1/2。第2章 模拟信号数字化与信源编码 第2章 模拟信号数字化与信源编码 折叠码左边第一位（最高位）表示正负极性，用“1”表示正值，用“0”表示负值；第二位至最后一位表示幅度绝对值。所以，极性相反、幅度大小
30、相同的样值对应的码字只有第一位不同。在编码过程中，对于双极性信号，可以先编出极性码，再取绝对值，编出绝对值的幅度码，这样只用单极性编码电路就完成了双极性信号的编码，很大程度上简化了编码电路。折叠码的特点是任何相邻电平的码组，只有一位码发生变化。其优点是在译码过程中，如果判决有误，样值产生的误差较小；缺点是译码电路比较复杂，需要转换为自然二进制码后再译码。如果折叠码在传输过程中出现误码，那么同自然二进制码相比，对小信号影响较小，对大信号影响较大，这是非常重要的，因为话音信号小幅度出现的概率比大幅度出现的概率大。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.码位安排码位安排码位不仅关系到通信质量的好坏，还
31、关系到设备的复杂程度。在输入信号变化范围一定的情况下，码位越多，量化分层就越细，量化过程中产生的噪声就越小，通信质量就越高。但码位太多也会出现一些新的问题。一般情况下，采用3到4位编码，就能达到人耳的辨别能力，就可以听懂。当编码位数在7位到8位时，通信质量相对来说就比较理想了，基本可以达到长途通话的话音质量。第2章 模拟信号数字化与信源编码 在对话音信号的编码中，我们采用8位二进制码字对应一个语音样值的方法。现在结合A律13折线的编码方法来说明。A律13折线编码对信号样值采用归一化方法，先非均匀量化成8个大段，再分别把8个大段均匀量化成16小段，然后再进行编码，如表2-4所示。其中:a1是极性
32、码，它表示样值的正负极性。样值为正值，则a1为1码；样值为负值，则a1为0码。a2a3a4是段落码，表示该样值位于8个大段的哪个大段中。a5a6a7a8是段内电平码，表示该样值位于所在的大段落中的16个小段的哪一小段。第2章 模拟信号数字化与信源编码 第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.3.3 A律律13折线特性折线特性PCM编码编码A律13折线编码常采用逐次比较反馈型非线性编码的方法。学习这种编码方式，要了解以下几个方面的内容。1.编码过程编码过程A律13折线编码主要分三步来进行:首先，确定极性码；其次，确定段落码；最后，确定段内码。一个样值信号可以编出7位非线性码和1位极性码，总共8位码
33、。8比特编码的相关参数如表2-5所示。第2章 模拟信号数字化与信源编码 第2章 模拟信号数字化与信源编码 PCM编码方法首先要规定一些大小不等的判定值，即各段起始电平和段内标准权值电平，以便与抽样值(IS)进行比较。那么这些判定值是如何确定的呢？1)确定极性码极性码是根据输入信号的样值的极性来确定的。当IS0时，a11码；当IS0时，a10码。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2)确定段落码A律13折线编码是采用归一化方法将编码电平范围以量化段或量化级为单位，逐次对分，对分点的电平值即为判定值。具体的对分方法是:第一次对分点的电平值就是a2码判定值IW2=128。若ISIW2，则a21，IS的
34、电平属于后4段(即5、6、7、8段)，再将后4段对分，其分段点的电平值就是a3码判定值IW3；如果ISIW2，则a20，IS的电平属于前4段(即1、2、3、4段)，再将前4段进行对分，其分段点的电平值就是a3码判定值IW3。如此类推，就可以确定3位段落码的判定值。由此可见，a2的状态将决定后面码位的判定值。段落码码字的判决过程如图2-12所示。第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-12 段落码码字的判决过程第2章 模拟信号数字化与信源编码 3)确定段内码当段落码确定之后，接着确定出该量化段的起始电平和量化间隔i，由此，我们可以得到标准权值电平IW5、IW6、IW7、IW8，然后即可进行段内
35、电平码的判决，判决规则如下:IW5=IB+8i若ISIW5，则a5=1；若ISIW5，则a5=0IW6=IB+(8i)a5+4i若ISIW6，则a6=1；若ISIW6，则a6=0IW7=IB+(8i)a5+(4i)a6+2i若ISIW7，则a7=1；若ISIW7，则a7=0IW8=IB+(8i)a5+(4i)a6+(2i)a7+i若ISIW8，则a8=1；若IS768，a5=1IW6=512+8(32)+4(32)=896IS=998896，a6=1IW7=512+8(32)+4(32)+2(32)=960IS=998960，a7=1IW8=512+8(32)+4(32)+2(32)+32=9
36、92IS=998992，a8=1所以对应的编码码字为11101111。第2章 模拟信号数字化与信源编码(2)求产生的量化误差。因为样值电平为998，量化电平为992，所以发送端编码过程中产生的量化误差为|998992|=6。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.非线性码与线性码之间的关系非线性码与线性码之间的关系在8位非线性编码过程中，采用归一化方法，将横轴以1/2对折分成不均匀的8段，然后再将每一段均匀地分成16等份，就相当于先非均匀量化，再均匀量化，均匀量化成2048个量化级，所以可以根据均匀量化将每个抽样值编成11位线性码，表2-6所示为11位线性码的相关参数。第2章 模拟信号数字化与信
37、源编码 第2章 模拟信号数字化与信源编码 将例2-1中的8位编码输出转换成11位线性码为01111100000。另外值得注意的是，采用这种编码方式时，为了在解码过程中尽量减小误差，解码时在量化电平的基础上加上1/2个i，所以相对应的编码输出是12位，1/2个i的权值位于4位段内码之后，如例 2-1中若要求输出的线性编码是12位，则为 011111100000。故其样值脉冲的幅度应为|PAM|512(18+14+12+11+11/2)7 51215.5321008即在接收端解码输出样值脉冲为1008。所以译码所恢复出来的PAM信号与发送端的样值信号相差|1008998|=10，这就是由量化带来的
38、误差，即接收端的误差。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.3.4 逐次反馈型逐次反馈型PCM编码器编码器PCM通信中常用的编码器是逐次反馈型编码器。前面已对逐次反馈型编码的码字判决过程及判定值的提供规律做了分析和介绍。逐次反馈型编码器的原理框图如图2-13所示。从图中可以看出，它的基本电路结构由极性判决电路、全波整流电路、保持电路、比较判决电路和非线性本地译码器等组成。第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-13 逐次反馈型编码器的原理框图第2章 模拟信号数字化与信源编码 1.工作过程工作过程经抽样保持的PAM信号分成两路:一路送入极性判决电路，在D1时刻进行极性判决，并用a1码表示，a1
39、1表示正极性，a10表示负极性；另一路经全波整流送入比较电路，与本地译码器产生的权值进行比较编码。此过程是按时钟脉冲D2D8逐位进行比较的，根据比较结果形成a2a8 7位非线性码。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.各部分电路的作用各部分电路的作用1)极性判决电路极性判决电路用来对输入的PAM样值信号进行极性判决。当位时钟脉冲D1到来时，若输入信号为正，则判决出1码；若输入信号为负，则判决出0码。2)全波整流电路整流电路的作用是将双极性信号变成单极性信号，便于进行折叠二进制编码。3)保持电路在逐次反馈型编码器进行编码的过程中，需要将样值信号与权值信号比较7次，在这7次比较中，样值的幅度必须保
40、持不变。第2章 模拟信号数字化与信源编码 4)比较判决电路比较判决电路可以对输入信号IS进行量化，并与本地译码电路输出的标准权值信号进行比较，每比较一次就可以输出一位码。在位时钟脉冲D2D8的作用下，分别编出 a2a8 7位码。在比较判决的过程中，当样值大于权值时，判决输出1码；当样值小于权值时，判决输出0码。5)非线性本地译码器非线性本地译码器的作用是将极性码以外的a2a8 7位码逐位反馈，经串/并变换，记忆为M1M7，再将M1M7(7位非线性码)经7/11变换电路变换为相应的11位线性码B1B11，然后经过11位的线性解码网络(恒流源)解码，即可输出相应的权值信号。第2章 模拟信号数字化与
41、信源编码 2.3.5 PCM解码器解码器解码是编码的逆过程，它的任务是将接收到的PCM数字码流还原成幅度受调制的脉冲信号，也就是重建PAM样值信号，然后再利用低通滤波器恢复成原来的模拟信号。所以，解码过程也是数/模转换的过程(即D/A转换)。具有解码功能的电路叫做解码器。常用的单路解码器有加权网络型、级联型和混合型三种。1)单路解码器的工作原理下面以加权网络型解码器为例来说明解码器的工作原理。图2-14所示为加权网络型解码器的工作原理框图。第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-14 加权网络型解码器工作原理框图第2章 模拟信号数字化与信源编码 接收到的PCM串行码通过串/并变换记忆电路变为
42、并行码，并由记忆电路记忆，通过7/12变换电路、寄存读出电路和12位线性解码电路输出相应的PAM量化信号。从图2-14 可以看出，加权网络型解码器和逐次渐近型编码器电路的主要部分基本相似，但又有所不同，不同之处有以下三点:(1)加权网络型解码器增加了极性控制部分。根据接收到的PCM信号中的极性码a1 是“1”还是“0”来判别PAM信号的极性。极性码的状态记忆在寄存器C1中，由C1“1”或C1=“0”来控制极性控制电路，使解码后的PAM信号的极性得以恢复成与发送端相同的极性。第2章 模拟信号数字化与信源编码(2)数字扩张部分由7/11变换变为7/12变换。该解码器采用线性解码网络，需要将非线性码
43、变换成线性码。为了保证接收端解码后的量化误差不超过(1/2)i，在接收端应加入(1/2)i的补差项，所以要进行7/12变换，最后由变换后的线性码B1B12来控制12位线性解码网络。(3)增加了读出控制电路。图2-14中的寄存读出是接收端解码器特有的。它的作用是把经7/12变换后的B1B12码存入寄存器中，在要求解码输出的时刻再送入线性解码网络以进行解码。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.单片集成单片集成PCM编编/解码器解码器脉冲编码调制技术已有40多年的发展历史。以前，在实用化的PCM数字电话系统中，PCM编/解码器都是由分立元件和小规模集成电路组成的，缺点很多。随着大规模集成电路和PC
44、M通信方式的发展，PCM编/解码器的核心部分已经集成化了，而且在实际中得到广泛的应用，如数字电话机以及综合业务数字网的用户终端等。典型的单片PCM编/解码器主要有Intel2910(律)、2911(A律)、Intel2914、2914C、MC14402、MC14403等。其中，Intel2910(律)、2911(A律)属于第二代产品，MC14402、MC14403属于第三代产品。下面将2914PCM单路编解码器的特性及功能简单介绍一下。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2914PCM编/解码器的功能框图如图2-15所示。该编/解码器由发送部分(编码单元)、接收部分(解码单元)及控制部分三大部分
45、组成。第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-15 2914PCM编/解码器的功能框图第2章 模拟信号数字化与信源编码(1)发送部分。发送部分包括输入运放、带通滤波器、抽样保持和DAC(数/模转换)、比较器、逐次渐近寄存器、输出寄存器以及A/D控制逻辑、参考电源等。待编码的模拟语音信号首先经过运算放大器放大，该运算放大器有2.2 V的共模抑制范围，增益可由外接反馈电阻控制运放输出的信号，经通带为3003400 Hz的带通滤波后，送到抽样保持、比较、本地D/A变换(DAC)等编码电路进行编码，在输出寄存器寄存，由主时钟(CGR方式)或发送数据时钟(VBR方式)读出，由数据输出端输出。整个编码过
46、程由A/D控制逻辑控制。此外，还有自动调零电路来校正直流偏置，保证编码器正常工作。第2章 模拟信号数字化与信源编码(2)接收部分。接收部分包括输入寄存器、D/A控制逻辑、抽样保持和DAC、低通滤波器和输出功放等。在接收数据输入端出现的PCM数字信号，由时钟下降沿读入输入寄存器，由D/A控制逻辑控制进行D/A变换，将PCM数字信号变换成PAM样值，并由样值电路保持，再经缓冲器送到低通滤波器，还原成语音信号，经输出功放后送出。功放由两级运放电路组成，是平衡输出放大器，可驱动桥式负载，需要时也可单端输出，其增益可由外接电阻调整，可调范围为12 dB。第2章 模拟信号数字化与信源编码(3)控制部分。控
47、制部分主要是一个控制逻辑单元，通过PDN(低功耗选择)、CLKSEL(主时钟选择)、LOOP(模拟信号环回)三个外接控制端控制芯片的工作状态。2914编码器采用24脚引线，其典型应用电路如图2-16所示。第2章 模拟信号数字化与信源编码 图 2-16 2914编码器的应用电路举例第2章 模拟信号数字化与信源编码 3.单路解码器的应用单路解码器的应用目前，单路编解码器主要应用在以下几个方面:(1)传输系统的音频终端设备，如各种容量的数字终端机和各种复合转换设备；(2)用户环路系统和数字交换机的用户系统、用户集线器等；(3)用户终端设备，如数字电话机；(4)综合业务数字网的用户终端。第2章 模拟信
48、号数字化与信源编码 2.4 差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制DPCMPCM编码技术是按照样值的幅度进行编码的，在编码过程中不考虑相邻两个样值之间的相关性。它采用8位编码，64 kbit/s的传输速率，虽然可以提供很高的通信质量，但占用的频带宽度为64 kHz，远远高于模拟通信所占用的频带宽度。当将这些有一定相关性的样值按PCM方式进行编码时，会使所得的编码信号中含有一定的冗余信息，这样就使编码信号的速率有一些不必要的增高，实际上就是降低了传输效率。所以，利用语音信号的相关性降低编码速率是实现语音信号高效编码的有效方法。DPCM是考虑利用语音信号的幅度相关性，找出可反映信号幅度变化特征的一个差值
49、进行量化和编码的。根据相关性原理，这一幅度差值的范围一定小于原信号幅度的范围。因此，在保持相同量化误差的前提条件下，量化电平数量可以减少，也就是降低了编码速率(即压缩编码)。第2章 模拟信号数字化与信源编码 2.4.1 差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制DPCM的基本概念的基本概念差值脉冲编码调制(Differential Pulse Code Modulation，DPCM)是一种靠传输样值差值，并对差值进行量化和编码的一种通信方式。它一般是以预测的方式来实现的。预测是指当我们知道了冗余性(有相关性)信号的一部分时，就可对其余部分进行推断和估值。具体地说，如果知道了一个信号在某一时间以前的状态
50、，则可对它的未来值进行估计。第2章 模拟信号数字化与信源编码 根据抽样定理，对于模拟信号，大多数情况下，相邻的两个抽样值之间都存在着很强的相关性，也就是说，相邻的一个抽样值到另一个抽样值之间不会迅速发生变化，说明信号源本身含有大量的剩余成分。我们如果能将这些剩余成分去除或减小，就可以大大地提高通信的有效性。从概念上讲，它是把语音样值信号分成两种成分:一种成分是与前一个样值有关的，所以是可以预测的；另一种成分是不可预测的。可以预测的成分是由过去一些适当数目的样值加权后得到的，不可预测的成分可以看成是预测误差(又称为差值)。这样，不传输样值序列，只传输差值序列就可以了。由于差值的动态范围比样值动态
