1、5.0 引言模拟信号的数字传输系统模拟信号的数字传输系统模拟信源模/数转换器数字通信系统数/模转换器模拟信宿A/D转换器D/A转换器n语音信号的数字化叫做语音信号的数字化叫做语音编码语音编码n图像信号的数字化叫做图像信号的数字化叫做图像编码图像编码语音编码的分类语音编码的分类 波形编码波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率是直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在通常在16 kb/s16 kb/s64 kb/s64 kb/s范围内，接收端重建信号的质量好。范围内，接收端重建信号的质量好。（PCMPCM、ADPCMADPCM、DMDM）参量编码参量编码是利用信号处理技术，提取语
2、音信号的特征参是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参量，量，再变换成数字代码，其比特率在再变换成数字代码，其比特率在4.8 kb/s4.8 kb/s以下，但接收以下，但接收端重建端重建(恢复恢复)信号的质量不够好。（信号的质量不够好。（LPCLPC）混合编码混合编码是介于波形编码和参量编码之间的一种编码，即是介于波形编码和参量编码之间的一种编码，即在参量编码的基础上在参量编码的基础上,引入了一定的波形编码的特征引入了一定的波形编码的特征,来达到改来达到改善自然度的目的善自然度的目的,其比特率在其比特率在4.8kb/s 4.8kb/s 16 kb/s16 kb/s。（。（RPERPELPCLP
3、C）5.1 脉冲编码调制（PCM）取样量化编码译码低通滤波数字通信系统PCM代码PCM代码A/D转换D/A转换模拟信号入模拟信号出图7.2.1 PCM 通信系统框图)(tm)(tmPCM是是模拟信号数字化模拟信号数字化的一种具体方法，它包括的一种具体方法，它包括取样取样、量化量化和和编码编码三个步骤。三个步骤。012345678设置的量化电平0.63.62.80.61.74.67.50.51.52.53.54.55.56.57.5量化值二进 制代码PCM码元波形0.53.52.50.51.54.57.50 0 00 1 10 1 00 0 00 1 01 0 01 1 1图5.2 取样、量化、
4、编码过程示意图5.1.1 取样取样:将时间上连续的模拟信号转化为时间离散而幅度上连续的样值序列（PAM）。1低通信号的取样定理低通信号的取样定理 一个频带限制在 内的连续信号m(t)，如果取样速率 大于或等于 ，则可以由样值序列 无失真地重建原始信号m(t)。Hf0Hf2)(snTmsf（1）m(t)是低通信号，最高频率为 ；（2）取样速率 ，的单位为次/秒，有时也被称为取样频率，其单位为Hz；（3）本书讨论的是等间隔取样，也称为均匀取样。HfHsff2注意sfHfHf)(tm)(tms)(tsT)()()(ttmtmsTs)(1)(1)()()()(nssnssTsnffMTnffTfMff
5、MfMs)(tm)(tsT)(tmstttsT)(fMfffHfHf)(fsTsTsf1sTsf1)(fMs图7.2.3 取样定理的时间函数和对应的频谱图（a)(b)(c)(d)(e)(f)000奈奎斯特取样间隔 奈奎斯特取样速率Hsff2ssfT/1)(fMfffHfHf)(fsTsTsf1sTsf1)(fMs图7.2.4 有混叠的取样信号频谱图(d)(e)(f)2实际应用时应注意的问题实际应用时应注意的问题(1)是理想周期性冲激脉冲序列，实际不可能实现，一般用幅度有限、宽带很窄的脉冲代替(2)实际中重建滤波器非理想LPF，应有，一般取(3)实际信号波形时间受限而不是频带受限，应对预滤波，滤
6、除 以上的少量频率成份，称为抗混叠滤波器。)(tsTHsff2Hsff)35.2()(tmHf一般语音信号的频率在3003400Hz的范围，实际中，一般取抽样频率8000Hz。5.1.2 量化1量化及量化噪声量化及量化噪声 量化量化：用预先规定的有限个电平来表示取样值量化电平量化电平：预先规定的电平 量化台阶量化台阶：相邻两个量化电平之间的间隔（1）量化将模拟信号变成数字信号。（2）量化电平与取样值之间的差称为量化误差量化误差，称为量化噪声量化噪声 t)(tm01221V量化电平1.50.5-0.5-1.5图7.2.7 量化过程示意图sTsT2sT3sT4sT5n均匀量化信噪比随信号电平的减小
7、而下降均匀量化信噪比随信号电平的减小而下降。小功率信号的信噪比非常小，达不到要求。小功率信号的信噪比非常小，达不到要求。而且小功率信号的出现的概率大，应照顾小而且小功率信号的出现的概率大，应照顾小信号。信号。1020304050-10-20-30-40-50dBSq/dBNSqq/)/(0图7.2.9 均匀量化与非均匀量化性能比较曲线K=826n为了提高小信号的量化信噪比，必须为了提高小信号的量化信噪比，必须减小减小小功率信号的量化间隔小功率信号的量化间隔。而要保证编码位。而要保证编码位数不变，又必须数不变，又必须增大大信号的量化间隔增大大信号的量化间隔，减小大信号的量化信噪比（但仍满足要减小
8、大信号的量化信噪比（但仍满足要求）。这就是求）。这就是非均匀量化的基本思想非均匀量化的基本思想。n非均匀量化的实现方法：非均匀量化的实现方法：（1）压缩）压缩+均匀量化（压扩特性）均匀量化（压扩特性）（2）直接进行非均匀量化（）直接进行非均匀量化（A律律13折线）折线）压缩与扩张的示意图压缩与扩张的示意图压缩器均匀量化器xy非均匀量化器y图7.2.10 非均匀量化的实现原理4y3y2y1y4x3x2x1xxy图7.2.11 压缩特性示意图（1）压缩）压缩+均匀量化均匀量化y12001003001x(a)y1y1b1ay1ln AAxx1A1y11ln A1y1ln A1ln Ax(b)0 x小
9、信号区域大信号区域0律(北美、日本）A律（中国、欧洲）10,)1ln()1ln(xxy11,ln1ln110,ln1xAAAxAxAAxy2556.87A（2）直接进行非均匀量化）直接进行非均匀量化A律律13折线折线 输入输入x输出输出y128164132116181412111/82/83/84/85/86/87/81 5.1.3 编码量化电平编号自然二进制码折叠二进制码格雷码 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 2 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 3 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 4 0
10、1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 5 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 6 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 7 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 8 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 9 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 10 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 11 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 12 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 13 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 14 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 15 1 1 1 1 1
11、1 1 1 1 0 0 0PCMPCM 8 8位码位码极极 性性 码码段段 落落 码码段段 内内 码码C C1 1C C2 2C C3 3C C4 4C C5 5C C6 6C C7 7C C8 813折线编码Q=256段号段落码 1 0 0 0 2 0 0 1 3 0 1 0 4 0 1 1 5 1 0 0 6 1 0 1 7 1 1 0 8 1 1 1段号段内码10 0 0 020 0 0 130 0 1 040 0 1 150 1 0 060 1 0 170 1 1 080 1 1 191 0 0 0101 0 0 1111 0 1 0121 0 1 1131 1 0 0141 1 0
12、1151 1 1 0161 1 1 1段落采用非均匀量化，段内采用均匀量化，共8位，即Q=28=256。最小量化台阶 表5-2-1 13折线量化时正向八段的起止电平及量化台阶第1段 第2段 第3段 第4段 第5段 第6段 第7段 第8段 起电平 01632641282565121024止电平 16326412825651210242048量化台阶 24816326420481161281例5.1.1n设输入电话信号抽样值的归一化动态范围设输入电话信号抽样值的归一化动态范围在在-1至至+1之间，将此动态范围划分为之间，将此动态范围划分为4096个量化单位，即将个量化单位，即将1/2048作为作为
13、1个量化单位。个量化单位。当输入抽样值为当输入抽样值为+1270 时，试按照时，试按照A律律13折线特性编码，并求量化误差。折线特性编码，并求量化误差。练习 1、输入的抽样值为、输入的抽样值为635，按照，按照A律律13折折线线PCM编码，写出编码，写出8位编码并计算量化误差。位编码并计算量化误差。2、输入的抽样值为、输入的抽样值为968，按照，按照A律律13折折线线PCM编码，写出编码，写出8位编码并计算量化误差。位编码并计算量化误差。3、输入的抽样值为、输入的抽样值为1060，按照，按照A律律13折线折线PCM编码，写出编码，写出8位编码并计算量化误位编码并计算量化误差。差。例5.1.2n
14、设某一电平的设某一电平的A律律13折折PCM编码为编码为11110011，求该电平的量化数值（归一，求该电平的量化数值（归一化）。化）。5.2 增量调制（增量调制（M）q 增量调制简称增量调制简称M或或DM，它是继，它是继PCM后出现的又一后出现的又一种模拟信号数字传输的方法。种模拟信号数字传输的方法。q PCM 中，中，代码表示样值本身的大小代码表示样值本身的大小，所需码位数较，所需码位数较多，导致编译码设备复杂；而在多，导致编译码设备复杂；而在M中，它只中，它只用一位用一位编码表示相邻样值的相对大小编码表示相邻样值的相对大小，从而反映抽样时刻波，从而反映抽样时刻波形的变化趋势，而与样值本身
15、的大小无关。形的变化趋势，而与样值本身的大小无关。q M 与与PCM 编码方式相比具有编译码设备简单，低编码方式相比具有编译码设备简单，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。5.2.1.简单增量调制简单增量调制 基本思想基本思想q 对于语音信号，如果对于语音信号，如果抽样速率很高抽样速率很高，那么相邻样，那么相邻样点之间的幅度变化不会很大，相邻抽样值的相对点之间的幅度变化不会很大，相邻抽样值的相对大小（差值）同样能反映模拟信号的变化规律。大小（差值）同样能反映模拟信号的变化规律。m(t)代表时间连续变化的模拟信号，我们可以用代表时间连续变化的
16、模拟信号，我们可以用一个时间间隔为一个时间间隔为t，相邻幅度差为，相邻幅度差为+或或-的阶梯的阶梯波形波形 m (t)来逼近它。只要来逼近它。只要t 足够小，即抽样速足够小，即抽样速率率fs=(1/t)足够高，且足够高，且 足够小，则阶梯波足够小，则阶梯波 m (t)可近似代替可近似代替 m(t)。m(t)0010101111110tt12t11t10t9t8t7t6t5t4t3t2t1m(t)m1(t)tmq(t)量化台阶图图 7-9 增量编码波形示意图增量编码波形示意图 n阶梯波近似：阶梯波近似：“1”表示上升一个量表示上升一个量化台阶，化台阶，“0”表示下降一个量化台表示下降一个量化台阶
17、阶n 斜变波近似：斜变波近似：“1”表示正斜率，表示正斜率，“0”表示负斜率表示负斜率5.2.2 简单增量调制的量化噪声(b)过载量化误差m(t)n(t)m(t)ttn(t)mq(t)mq(t)(a)一般量化误差量化台阶sftK最大跟踪斜率sfdttdmmax)(无过载 条件M采样速率典型值为16kHz，32kHz，通信质量不如PCM 5.2.3 自适应增量调制n量化台阶 的选择：采用大，避免过载，但量化噪声增大采用小，降低量化噪声功率，但会出现过载根据信号斜率的变化自动改变台阶：当信号变化快时，用大台阶；当信号变化慢时，用小台阶；既能避免过载的发生又能减小一般量化噪声。(a)大台阶(b)小台
18、阶(c)台阶可变图7.3.5 自适应增量调制台阶与简单增量调制台阶示意图5.2.4 PCM和M的比较nPCM和和M 都是都是模拟信号数字化模拟信号数字化的基本方法。的基本方法。PCM 是对是对样值本身编码样值本身编码，M是对是对相邻样值的差值编码相邻样值的差值编码。这是这是M与与PCM 的本质区别。的本质区别。n(1)抽样速率抽样速率 PCM 系统中的抽样速率系统中的抽样速率fs 是根据抽样定理来确定的。是根据抽样定理来确定的。若信号的最高频率为若信号的最高频率为 fH，则，则 fs 2 fH。M 系统的系统的抽样速率不能根据抽样定理来确定。在保证不发生抽样速率不能根据抽样定理来确定。在保证不
19、发生过载，达到与过载，达到与PCM 系统相同的信噪比时，系统相同的信噪比时，M的抽的抽样速率远远高于奈奎斯特速率样速率远远高于奈奎斯特速率。n(2)量化信噪比量化信噪比 在相同的信道带宽（即相同的数码率在相同的信道带宽（即相同的数码率fb）条件下：在低数码率时，条件下：在低数码率时，M 性能优越；在性能优越；在编码位数多，码率较高时，编码位数多，码率较高时，PCM性能优越。性能优越。(3)抗误码性能抗误码性能 增量调制的抗误码性能好，能工作于误码增量调制的抗误码性能好，能工作于误码率为率为10-2 10-3的信道中；而的信道中；而PCM要求误比要求误比特率通常为特率通常为10-4 10-6。(
20、4)编译码设备编译码设备 增量调制的编译码器比增量调制的编译码器比PCM简单。简单。5.3 时分复用及时分复用及PCM帧结构帧结构语音语音语音抗混叠LPF抗混叠LPF抗混叠LPF量化编码数字通信系统PCM译码同步LPFLPFLPF)(1tm)(2tm)(3tm)(1tm)(2tm)(3tm7.4.1 时分复用系统框图1K2K图 7 40 3 路时分复用波形(a)第 1 路；(b)第 2 路；(c)第 3 路；(d)3路合成的波形 t时隙12 3帧12NN12TsTs2.TS012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
21、27 28 29 30 31F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F1500110110000111A2abcdabcdabcdabcd复帧同步信号备用比特CH1CH16CH2CH17abcdabcdCH15CH30F1F2F15帧同步信号1A111111保留给国内通信用帧同步时隙话路时隙话路时隙信令时隙CH30(CH16 CH29)(CH1 CH15)32路时隙，256 bit,125 s16帧，2.0 ms复 帧结构帧结构偶 帧TS0奇 帧TS0488 ns3.91 s帧失步告警图7-13PCM帧结构 16125us=2ms帧周期帧周期:125us帧长度：帧长度：路时隙宽度：路时隙宽度：每路的数码率每路的数码率:复帧周期复帧周期：256bit3.9us、8bitsMbitfb/048.2/8/32/8000路时隙比特帧路时隙秒帧帧数码率帧数码率:sbit/k648/8000比特秒30430路2.048Mb/s120路8.448Mb/s16480路34.386Mb/s1920路139.264Mb/s7680路565Mb/s444基 群二次群三次群四次群五次群PCM的高次群的高次群 本章小结n掌握脉冲编码调制PCMn理解 M的原理n掌握时分复用及PCM帧结构重点：PCM编码时分复用难点：量化PCM编码
