PCM模拟信号的数字传输

12 波形编码波形编码 直接把时域波形变换为数字代码序列。比特率通常在16 kb/s64 kb/s范围内。接收端重建信号的质量好。主要方法：脉冲编码调制(PCM)、差分脉冲编码调制(DPCM)和增量调制(DM)。参量编码参量编码 利用信号处理技术，提取出表征声道特性的声道参数，再变换成数字代码，在解码端根据这些模型参数来恢复语音。主要用在窄带信道上提供16 kb/s以下的低速率语音通信和一些对时延要求较宽的（如卫星通信等）场合，其接收端重建(恢复)信号的质量不够好。模拟信号数字化的方法模拟信号数字化的方法3 混合语音编码技术 一般都把以LPAS(分析-合成编码算法)为基础的用VQ技术对激励信号进行量化的编码算法统称为CELP(码激励线性编码)。CELP具有波形编码和参数编码两种特点，因此也称为混合编码，它在416kbit/s的速率下可以得到比其他算法更高的重建话音质量。模拟信号数字化的方法模拟信号数字化的方法4 脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)：通过对语音波形进行采样、量化，然后用二进制码表示出来的通信方式（将的通信方式（将模拟信号的抽样量化值变换成代码）。系统组成框模拟信号的抽样量化值变换成代码）。系统组成框图如下：图如下：脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)基本原理基本原理 抽样量化编码 低通滤波 译码)(tm信)(tm)(tms)(tmsq)(tmsq道5抽样定理是把时间上连续的模拟信号转换成时间上离抽样定理是把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的抽样信号。抽样定理是任何模拟信号散的抽样信号。抽样定理是任何模拟信号(语音、图语音、图象以及生物医学信号等等象以及生物医学信号等等)数字化的理论基础。抽样数字化的理论基础。抽样定理实质上是一个连续时间模拟信号经过抽样变成离定理实质上是一个连续时间模拟信号经过抽样变成离散序列后散序列后,能否由此离散序列样值重建原始模拟信号能否由此离散序列样值重建原始模拟信号的问题。的问题。被抽样的信号是被抽样的信号是m(t),频带限制在（频带限制在（0，fH)内。理内。理想的抽样就是用单位冲击脉冲序列与被抽样的信号相想的抽样就是用单位冲击脉冲序列与被抽样的信号相乘，即乘，即()()()sTm tm tt抽样抽样6m(t)tM()OHHT(t)tT()T2tms(t)OMs()HHT2(a)(b)(c)(d)(e)(f)FLASHFLASHFLASH演示演示演示演示演示演示 抽样示意图抽样示意图78 在实际应用中，恢复信号的低通滤波器也不可在实际应用中，恢复信号的低通滤波器也不可能是理想的，因此考虑到实际滤波器可能实现的能是理想的，因此考虑到实际滤波器可能实现的特性，抽样速率特性，抽样速率fs要比要比2fH选的大一些，一般选的大一些，一般fs=（2.53）fH。例如。例如语音信号频率一般为语音信号频率一般为 3003400 Hz，抽样速率，抽样速率fs一般取一般取8000 Hz。9量化量化定义：定义：把幅度上仍连续的抽样信号进行幅度离散，即指定M个规定的电平，把抽样值用最接近的规定电平表示的过程称为量化。这有限个电平称为量化电平。与抽样的关系：抽样是把一个时间连续信号变换成时间离散的信号，而量化则是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样值序列。量化噪声：量化产生的量化误差。10 量化的过程量化的过程11均匀量化：量化间隔是均匀的 vi=v 非均匀量化：量化间隔是非均匀的 vi常数1213 压缩特性的近似实现压缩特性的近似实现 早期的早期的A律和律和律压扩特性是用非线性模拟电路实现的。律压扩特性是用非线性模拟电路实现的。电路实现这样的函数规律是相当复杂的，因而精度和稳定度电路实现这样的函数规律是相当复杂的，因而精度和稳定度都受到限制。随着数字电路特别是大规模集成电路的发展，都受到限制。随着数字电路特别是大规模集成电路的发展，另一种压扩技术另一种压扩技术数字压扩，日益获得数字压扩，日益获得广泛的应用。它是利广泛的应用。它是利用数字电路形成许多折线来逼近对数压扩特性用数字电路形成许多折线来逼近对数压扩特性。在实际中常采用的方法在实际中常采用的方法 （1）13折线近似折线近似A律压缩特性律压缩特性 （2）15折线近似折线近似律压缩特性律压缩特性 我国的我国的PCM30/32 路基群也采用路基群也采用A律律13折线压缩特性。折线压缩特性。CCITT建议建议G.711规定在国际间数字系统相互连接时，要以规定在国际间数字系统相互连接时，要以A律为标准。律为标准。因此这里重点介绍因此这里重点介绍A律律13折线。折线。14具体方法具体方法 x x轴：轴：在在01范围内范围内不均匀分成不均匀分成8 8段，分段，分段的方法是每次以二分之一对分；段的方法是每次以二分之一对分；y y轴：在轴：在0 01 1范围内均匀分成范围内均匀分成8 8段，每段段，每段间隔均为间隔均为1/81/8。把把x x，y y各对应段的交点连接起来构成各对应段的交点连接起来构成8 8段直线，第三象限也有对称的一组折线段直线，第三象限也有对称的一组折线。A律律13折线折线15y1786858483828181011281641161321181412x斜率：1段162段163段84段45段26段17段1/28段1/4234567第8段1613折线来历折线来历 其中第1，2段斜率相同(均为16)，因此可视为一条直线段，故实际上只有7根斜率不同的折线。对于双极性语音信号，在第三象限也有对称的一组折线，也是7根，但其中靠近零点的1、2段斜率也都等于16，与正方向的第1、2段斜率相同，又可以合并为一根，因此，正、负双向共有2(8-1)-1=13 折，故称其为13折线。17 PCM PCM编码原理编码原理 将模拟信号的经过抽样、量化变换为数字信号，将模拟信号的经过抽样、量化变换为数字信号，然后再变换成代码传输，这种方式称为脉冲编码调然后再变换成代码传输，这种方式称为脉冲编码调制制(PCM)。用二进制码组表示量化后的用二进制码组表示量化后的M个样值脉个样值脉冲。冲。编码编码:把量化的电平值表示成二进制码组的过程。把量化的电平值表示成二进制码组的过程。抽样器压缩器量化器编码器数字通信系统译码器扩张器低 通滤波器x(t)x(t)18 PCM编码规则编码规则 码位数码位数 码位数决定了量化分层的数量。在信号变化范围一码位数决定了量化分层的数量。在信号变化范围一定时，用的码位数越多，量化分层越细，量化误差定时，用的码位数越多，量化分层越细，量化误差就越小，通信质量当然就更好。但码位数越多，设就越小，通信质量当然就更好。但码位数越多，设备越复杂，同时还会使总的传码率增加，传输带宽备越复杂，同时还会使总的传码率增加，传输带宽加大。加大。在在A律律13折线折线PCM 编码中，采用编码中，采用8位二进制码，对，对应有应有M=28=256个量化级。这需要将个量化级。这需要将13折线中的每折线中的每个折线段再均匀划分个折线段再均匀划分16个量化级，由于每个段落长个量化级，由于每个段落长度不均匀，因此正或负输入的度不均匀，因此正或负输入的8个段落被划分成个段落被划分成816=128个不均匀的量化级。个不均匀的量化级。198 8位码的安排如下位码的安排如下 极性码 段落码 段内码 C1 C2C3C4 C5C6C7C8 段落段落序号序号段落码段落码C2 C3 C48765432111111010110001101000100020电平序号电平序号段内码段内码电平序号电平序号段内码段内码c5c6c7c8c5c6c7c8151413121110981111111011011100101110101001100076543210011101100110010100110010000100002111001101010100段落码x22逐次比较编码原理极性判决整流位时钟脉冲D1抽样值PAM保持比较判决D2D3D8IsC1PCM码流恒流源7/11变换记忆B1B2B11C2C3C8C2 C8本地译码器IW除第一位极性码外，其他7位二进制代码是通过类似天平称重物的过程来逐次比较确定的。23例例1 1 设输入信号抽样值设输入信号抽样值Is=+1270Is=+1270（为一个为一个量 化 单 位，量 化 单 位，表 示 输 入 信 号 归 一 化 值 的表 示 输 入 信 号 归 一 化 值 的1/20481/2048），采用逐次比较型编码器），采用逐次比较型编码器,按按A A律律1313折线编成折线编成8 8位码位码C C1 1C C2 2C C3 3C C4 4C C5 5C C6 6C C7 7C C8 8。编码过程如下编码过程如下：（1 1）确定极性码）确定极性码C C1 1：由于输入信号抽样值：由于输入信号抽样值IsIs为为 正，故极性码正，故极性码C C1 1=1=1。（2 2）确定段落码）确定段落码C C2 2C C3 3C C4 4：段落码段落码C C2 2C C3 3C C4 4表示抽样值表示抽样值IsIs处于处于1313折线中折线中的的8 8个段落个段落24特点：特点：段内的段内的16个量化级均匀划分，段落长度不等，个量化级均匀划分，段落长度不等，属于非均匀的量化级。小信号时，段落短，量化属于非均匀的量化级。小信号时，段落短，量化间隔小。大信号时，段落长，量化间隔大。间隔小。大信号时，段落长，量化间隔大。第一、第一、二段最短，只有归一化的二段最短，只有归一化的1/128，再将它，再将它等分等分16小段，每一小段长度小段，每一小段长度 为最小的量化级间隔为最小的量化级间隔，它是输入信号归一化，它是输入信号归一化值的值的1/2048，代表一个量化单位。，代表一个量化单位。第八段最长，它是归一化值的第八段最长，它是归一化值的1/2，将它等分，将它等分16小段后，每一小段归一化长度为小段后，每一小段归一化长度为 1/32，包含包含64个最小量个最小量化间隔，记为化间隔，记为64。20481161128125段落段落 12345678起点起点电平电平01632641282565121024 因12701024，落在第8段，所以段落码 C2C3C4=111。（3）确定段内码C5C6C7C8 在1024和2048内有16个量化间隔，起点依次为 1024+n64，1024+364=1216 1270 1024+464=1280 落在第三个量化间隔内，段内码为0011。总的编码结果为1,111,0011。26