脉冲编码调制PCM

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,数字通信原理,第二章 模拟信号的数字化传输,数字通信原理,主要内容,2.1,引 言,2.2,模拟信号数字化的基本原理,2.3,脉冲编码调制（,PCM,）,2.4,增量调制（,M,）,2.5,数字复接技术,数字通信原理,2.3,脉冲编码调制（,PCM,）,PCM,调制系统,1,信号的压缩与扩张,2,PCM,编码器和译码器,3,PCM,系统的噪声性能,4,差分脉冲编码调制,5,数字通信原理,脉冲编码调制,脉冲编码调制,(PCM),简称脉码调制，是将模拟信号变成数字信号的重要方法之一。它已广泛用于通信系统，特别是电话通信系统。,PCM,是一种最典型的语音信号数字化的波形编码方式。,电话通信中,PCM,调制的特点：,采用较简单的非线性瞬时压扩方法，可实现数据等效比特速率的压缩。,PCM,调制方式简单、无延时、透明性好。,原理框图,数字通信原理,原理框图,压缩,量化,编码,信道,抽样,译码,扩张,低通滤波,干扰,A/D,变换,PAM,在发送端进行波形编码，经抽样、压缩、量化和编码把模拟信号变换为二进制码组。,数字通信原理,原理框图,压缩,量化,编码,信道,抽样,译码,扩张,低通滤波,干扰,A/D,变换,PAM,编码后的,PCM,码组经信道传输。,数字通信原理,原理框图,压缩,量化,编码,信道,抽样,译码,扩张,低通滤波,干扰,A/D,变换,PAM,在接收端，对二进制码组译码、扩张还原成量化后的样值脉冲序列，经低通滤波后，便可得到重建信号,f(t),数字通信原理,脉冲编码调制系统,电话信号的频率宽度为,300,3400Hz,，国际上均采用抽样频率,f,s,=8000Hz,，为了保证一定的话音质量，对每一抽样值采用,8,比特编码，即用,8,位二进制数字进行编码，因此每一路标准话路的等效比特速率为：,实际中的,PCM,系统，常常不是单路系统，而是采用时分多路复用的方法,数字通信原理,脉冲编码调制系统,以,30/32PCM,端机为例，介绍,PCM,的系统组成,话音信号的抽样频率为,8000Hz,，抽样的间隔时间,Ts,1/fs,125,s,为了时分复用将,125,s,分为,32,个时隙，即每个时隙为,125,s,/32,3.9,s,每个抽样脉冲用,8bit,编码，即,8,位二进制脉冲作一个码组，一次放入各个时隙。,为保证通信的正常进行，每帧的起始时刻由帧定时信号决定，收端也应有相应的帧定时信号，收发两端的帧定时信号必须同频同相，即实现帧同步。,数字通信原理,脉冲编码调制系统,30/32PCM,端机帧结构示意图,数字通信原理,脉冲编码调制系统,0,时隙,同步时隙：第一位都固定为,1,；偶帧的,2,8,位为帧同步码；奇帧的第二位固定为“,1”,，便于分开奇偶帧,第三位是帧失步告警码，同步为“,0”,，失步为“,1”,，,4-8,位可供其他信息用，未占用时固定为“,1”,。,16,时隙,标志时隙：由,8,位码组成，每,4,位传一个话路的标志信号，这样每一帧能传两路标志信号。同一路的标志信号每隔,16,帧才传送一次。故,16,帧为一复帧，,0,帧和,16,帧的标志时隙可用来传复帧同步信号和告警信号。,数字通信原理,脉冲编码调制系统,30/32PCM端机每帧共有32个时隙，传30路数字话音信号和2时隙的勤务信息。,30/32PCM端机输出的信号称为一次群信号。实际应用中，还可将多个一次群进行准同步复接（PDH）：即四个基群 （一次群）复接组成二次群，四个二次群组成三次群，四个三次群组成四次群，四个四次群组成五次群，或进行同步复接（SDH）。,数字通信原理,2.3,脉冲编码调制（,PCM,）,PCM,调制系统,1,信号的压缩与扩张,2,PCM,编码器和译码器,3,PCM,系统的噪声性能,4,差分脉冲编码调制,5,数字通信原理,信号的压缩与扩张,压扩,，即压缩与扩张，是实现非均匀量化的方法。,压缩：是将经量化的抽值信号先进行非线性变换，使原来的输入信号的动态范围变小，压缩器是一个非线性变换电路，对小信号增益大，而对大信号则增益小；将压缩器输出的信号再进行均匀量化，从而改善小信号的量化信噪比。,扩张：是压缩的反变换过程，在译码后用扩张器恢复原抽样信号,。,压扩的目的,：是提高小信号时的量化信噪比，压缩比特速率。,数字通信原理,信号的压缩与扩张,压扩特性：多采用对数压缩特性。如下图所示,广泛采用的特性是压缩率为,律和,A,律的对数特性。,数字通信原理,对数压缩,理想对数压缩律,压缩律,A,压缩率,数字通信原理,理想对数压缩律,理想压缩特性,使量化信噪比不随模拟输入信号的幅度变化而变化,假设,模拟信号的幅度概率分布为,P(x,),，则信号的平均功率为,忽略信号过载，则有：,数字通信原理,理想对数压缩律,采用压缩律,第,i,个量化级的量化噪声功率,未过载时，,N,个量化级,的量化噪声总功率,量化级数,N,很大，,d,k,很小,数字通信原理,信噪比,如果,信噪比与信号大小以及概率分布无关,解微分方程,不通过坐标原点，即，,x=0,时，,y,数字通信原理,理想对数压缩律,语音信号是双极性的，使用的压缩律必须具有原点对称特性，且通过原点,理想对数压缩率不能直接用于语音信号编码，需要进行修正,律和,A,律的提出,数字通信原理,对数压缩,理想对数压缩律,压缩律,A,压缩率,数字通信原理,压缩律,为了使得压缩率,特性曲线过原点,修正为,修正为,美国、日本、加拿大采用的压缩率,对理想对数压缩律进行修正,数字通信原理,律曲线斜率,小信号范围内需,获得正压扩效益,越大，小信号的,压扩效益越高,压扩效益为,0,均匀量化,数字通信原理,对数压缩,理想对数压缩律,压缩律,A,压缩率,数字通信原理,A,压缩率,从坐标原点向理想对数压缩律曲线作切线,oa,，切点坐标（,x,1,y,1,),，切线斜率为理想对数压缩率曲线在切点的斜率,切线方程,数字通信原理,A,压缩率,代入,切点坐标,切线方程,A,律压缩特性,表达式,均匀量化,小信号范围内需,较大正压扩效益,数字通信原理,分段量化,早期的,A,律和,律压扩特性用非线性模拟电路获得，电路复杂，精度和稳定度差。,数字压扩技术：利用数字电路形成许多折线来逼近对数压扩特性。,一种是采用,13,折线近似,A,律压缩特性，另一种是采用,15,折线近似,律压缩特性,数字通信原理,总结,压缩前信号,压缩后信号,归一化,律特性,归一化,A,律特性,数字通信原理,压缩方法,模拟压扩法：采用先压缩再均匀量化，编码的方法。压缩扩张器用非线性元件实现。如用二极管实现，要求压缩器与扩张器的特性互补，难度大，易受温度影响，特性不稳定，很少用。,数字压扩法：直接利用数字电路和非线性技术，把压缩和量化合成一体（收端也把译码和扩张合在一起）构成一个完整的脉冲编码器和译码器，它依靠数字电路形成许多折线，用这些折线近似地逼近对数压扩特性。,现有的国际标准有两种：一种是采用,13,折线近似,A,律压缩特性，另一种是采用,15,折线近似,律压缩特性。,数字通信原理,信号的压缩与扩张,13折线A律,15折线律,数字通信原理,13,折线,A,律,数字通信原理,13,折线,A,律,A,律,13,折线是用,13,段折线逼近,A=87.6,的,A,律压缩特性。,把输入,x,轴和输出,y,轴用两种不同的方法划分，按二次幂分割有利于数字化,x,轴在,0,1,（归一化）范围内不均匀分成,8,段，分段的规律是每次以二分之一对分,y,轴在,0,1,（归一化）范围内采用等分法，均匀分成,8,段，每段间隔均为,1/8,。,把,x,，,y,各对应段交点连接起来构成,8,段直线,数字通信原理,13,折线,A,律,压缩特性以原点为奇对称，负方向也有8根折线，一共是16个线段,正向1、2 段和负向1、2段斜率相同(均为16)，可视为一条直线段，正、负双向折线由13条折线段组成13折线,折线段落,斜率,1,16,2,16,3,8,4,4,5,2,6,1,7,1/2,8,1/4,各段落的斜率,数字通信原理,13折线分段的x值,与计算得到的x值的比较,折线段落,斜率,1,16,2,16,3,8,4,4,5,2,6,1,7,1/2,8,1/4,折线分段时的,x,x,y,0,0,0,1/128,1/128,1/8,1/64,1/60.6,2/8,1/32,1/30.6,3/8,1/16,1/15.4,4/8,1/8,1/7.79,5/8,1/4,1/3.93,6/8,1/2,1/1.98,7/8,1,1,1,结论：,13,折线各段落分界点与,A=87.6,曲线十分逼近,数字通信原理,13,折线,A,律的量化噪声功率,话音信号服从拉普拉斯分布,不过载量化噪声功率,十三折线,A,律,数字通信原理,13,折线,A,律的量化噪声功率,信号量化噪声功率比,与均匀量化比较，,小信号时信噪比提高,24dB,数字通信原理,13,折线,A,律的量化噪声功率,结论：,均匀量化要满足,SNR(dB),为,20dB,，动态范围为,40dB,，则要求,n=11,，即需要,11bit,编码,用,13,折线,A,律压缩后，只需,n,8,，动态范围可以在,47dB,51dB,范围内，能够满足话音通信中提出的动态范围为,40dB,的要求。不仅小信号时的信噪比提高了，量化器允许输入信号的动态范围增加了，而且比特速率降低了。,数字通信原理,分段量化,13折线A律,15折线律,数字通信原理,15,折线,律,15,折线,律是用,15,条折线来逼近,=255,时的,律特性,与,13,折线,A,律相仿，,x,轴,(0,V),间采用不均匀分段的方法，而,y,轴采用均匀分段。,x,轴,y,轴均分为,8,段，,x,轴的分段方法是每次减去,V/255,再,1/2,分级，因为正负方向第一段的斜率相同，所以是用,15,条折线来,逼,近,律的。,15,折线,律的特点,:,第一段线的斜率约为,32,，相当于小信号时信噪比可提高,30dB,，比,13,折线,A,律高,6dB,。但用二进制编码时没有,13,折线,A,律方便。,数字通信原理,2.3,脉冲编码调制（,PCM,）,PCM,调制系统,1,信号的压缩与扩张,2,PCM,编码器和译码器,3,PCM,系统的噪声性能,4,差分脉冲编码调制,5,数字通信原理,PCM,编码器和译码器,编码器,译码器,PCM编码和译码器集成电路,数字通信原理,码位的选择和安排,13,折线编码采用,8,位二进制码，对应,256,个量化级，即正、负输入幅度范围内各有,128,个量化级,需要将,13,折线中的每个折线段再均匀划分,16,个量化级,正、负输入的,8,个段落被划分成,128,个不均匀量化级,8,位码的安排,数字通信原理,8,位码的安排,第,1,位码,C,1,的数值“,1”,或“,0”,分别表示信号的正、负极性，称为极性码。,第,2,至第,4,位码,C,2,C,3,C,4,为段落码，代表,8,个段落的起点电平。,第,5,至第,8,位码,C,5,C,6,C,7,C,8,为段内码，这,4,位码的,16,种可能状态用来分别代表每一段落内的,16,个均匀划分的量化级,极性码,C,1,段落码,C,2,C,3,C,4,段内码,C,5,C,6,C,7,C,8,数字通信原理,段落码与各段的关系,数字通信原理,码位的选择和安排,注意：,在,13,折线编码方法中，虽然各段内的,16,个量化级是均匀的，但因段落长度不等，故不同段落间的量化级是非均匀的。,第一、二段最短， 只有归一化的,1/128,，再将它等分,16,小段，每一小段长度为,1/2048,，这是最小的量化级间隔，它仅有输入信号归一化值的,1/2048,，记为,，代表一个量化单位；第八段最长，每一小段归一化长度为,1/32,，包含,64,个最小量化间隔，记为,64,。,数字通信原理,码位的选择和安排,假设：,以非均匀量化时的最小量化间隔, =1/2048,作为均匀量化的量化间隔,从,13,折线的第一段到第八段所包含的均匀量化级数共有,2048,个均匀量化级,非均匀量化只有,128,个量化级,均匀量化需要编,11,位码，而非均匀量化只要编,7,位码,可见,在保证小信号时的量化间隔相同的条件下，,7,位非线性编码与,11,位线性编码等效,数字通信原理,编码原理,逐次比较型编码器原理,编码器的任务是根据输入的样值脉冲编出相应的,8,位二进代码。,除第一位极性码外，其他,7,位二进代码是通过类似天平称重物的过程来逐次比较确定的,逐次比较型编码的原理与天平称重物的方法类似,样值脉冲信号相当被测物，标准电平相当天平的砝码,预先规定好一些作为比较标准的电流,(,或电压,),权值电流，用符号,I,W,表示。,I,W,的个数与编码位数有关。,样值脉冲,I,S,到来，用逐步逼近的方法有规律地用标准电流去和样值脉冲比较,I,S,I,W,，出“,l”,码；反之出“,0”,码，直到和抽样值逼近为止，完成对输入样值的非线性量化和编码。,目前用得较多,数字通信原理,逐次比较编码器原理框图,全波整流,参考电源,PAM,信号,U,S,|U,S,|,U,R,极性判决,D,1,比较码,形成,或,门,a,2,-a,8,a,1,PCM,编码输出,串,/,并,变,换,记忆,反馈码,a,2,-a,7,D,1,D,2,D,8,7/11,变,换,M,2,M,3,M,8,11,位,线,性,解,码,网络,B,1,B,2,B,11,本地解码器,数字通信原理,逐次比较编码器,实现A律13 折线压扩特性的逐次比较型编码器由整流器、极性判决、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。,极性判决,比较器,本地译码电路,保持电路,数字通信原理,极性判决,极性判决电路用来确定信号的极性。,输入,PAM,信号样值为正时，出“,l”,码；,样值为负时，出“,0”,码；,将该信号经过全波整流变为单极性信号。,数字通信原理,逐次比较编码器,实现A律13 折线压扩特性的逐次比较型编码器由整流器、极性判决、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。,极性判决,比较器,本地译码电路,保持电路,数字通信原理,比较器,比较器是编码器的核心。作用是通过比较样值电流,I,S,和标准电流,I,W,，对输入信号抽样值实现非线性量化和编码。,每比较一次输出一位二进代码,当,I,S,I,W,时，出“,l”,码；,当,I,S,I,W,时，出“,0”,码。,对一个输入信号的抽样值需要进行,7,次比较。,数字通信原理,逐次比较编码器,实现A律13 折线压扩特性的逐次比较型编码器由整流器、极性判决、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。,极性判决,比较器,本地译码电路,保持电路,数字通信原理,本地译码器,本地译码电路包括：,记忆电路,7,ll,变换电路,恒流源,数字通信原理,记忆电路,记忆电路用来寄存二进代码,除第一次比较外，其余各次比较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流值,7,位码组中的前,6,位状态均应由记忆电路寄存下来。,数字通信原理,本地译码器,本地译码电路包括：,记忆电路,7,ll,变换电路,恒流源,数字通信原理,7/11,变换电路,7,11,变换电路将,7,位非线性码转换成,ll,位线性码。,其实质是完成非线性和线性之间的变换。,13,折线,A,律非线性码与线性码之间的关系,数字通信原理,13,折线,A,律非线性码与线性码之间的关系,数字通信原理,本地译码器,本地译码电路包括：,记忆电路,7,ll,变换电路,恒流源,数字通信原理,恒流源,恒流源也称,11,位线性解码电路或电阻网络，用来产生各种标准电流,I,W,在恒流源中有,11,个基本的权值电流支路，每个支路都由一个控制开关。,每次应该哪个开关接通形成比较用的标准电流,I,W,，由前面的比较结果经变换后得到的控制信号来控制。,数字通信原理,逐次比较编码器,实现A律13 折线压扩特性的逐次比较型编码器由整流器、极性判决、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。,极性判决,比较器,本地译码电路,保持电路,数字通信原理,保持电路,保持电路的作用是在整个比较过程中保持输入信号的幅度不变。,逐次比较型编码器编,7,位码,(,极性码除外,),需要在一个抽样周期,T,s,以内完成,I,S,与,I,W,的,7,次比较，在整个比较过程中都应保持输入信号的幅度不变,要求将样值脉冲展宽并保持,数字通信原理,编码举例,【,例,】,设输入信号抽样值,I,s,= +1270 ,（其中,为一个量化单位，表示输入信号归一化值的,1/2048,），采用逐次比较型编码器,按,A,律,13,折线编成,8,位,C,1,C,2,C,3,C,4,C,5,C,6,C,7,C,8,数字通信原理,确定极性码,C,1,输入信号抽样值,I,S,为正，,C,1,1,1 确定极性码,数字通信原理,第一次比较结果,2 确定段落码,确定段落码,C,2,C,3,C,4,段落码,C,2,用来表示输入信号抽样值,I,S,处于,13,折线,8,个段落中的前四段还是后四段,可见,I,S,处于后四段（,5,8,段）,数字通信原理,第二次比较结果,确定段落码,C,2,C,3,C,4,段落码,C,3,用来进一步确定,I,S,处于,5,6,段还是,7,8,段，故确定,C,3,标准电流：,可见,I,S,处于,7,8,段,2 确定段落码,数字通信原理,第三次比较结果,确定段落码,C,2,C,3,C,4,同理确定,C,4,的标准电流：,可见,I,S,处于第,8,段,C,2,C,3,C,4,为,111,起始电平为,1024,2 确定段落码,数字通信原理,因此,3 确定段内码,确定段内码,C,5,C,6,C,7,C,8,段内码是进一步表示在该段落的哪一量化级（量化间隔）。,第,8,段的,16,个量化间隔均为：,可见,I,S,处于前八级（,0,7,量化间隔）,第四次比较结果,数字通信原理,确定段内码,C,5,C,6,C,7,C,8,确定,C,6,的标准电流,可见,I,S,处于前四级（,0,4,量化间隔）,第五次比较结果,3 确定段内码,数字通信原理,确定段内码,C,5,C,6,C,7,C,8,确定,C,7,的标准电流,可见,I,S,处于,2,3,量化间隔,第六次比较结果,3 确定段内码,数字通信原理,确定段内码,C,5,C,6,C,7,C,8,确定,C,8,的标准电流,可见,I,S,处于序号为,3,的量化间隔,第七次比较结果,3 确定段内码,数字通信原理,4 结论,经过七次比较，对于模拟抽样值,+1270,编出的,PCM,码组为,它表示输入信号抽样值处于第八段,3,量化级，其量化电平为,1216,，量化误差为,54,。,7,位非线性码,11110011,对应的,11,位线性码为,10011000000,原理框图及时间波形,数字通信原理,原理框图,全波整流,参考电源,PAM,信号,U,S,|U,S,|,U,R,极性判决,D,1,比较码,形成,或,门,a,2,-a,8,a,1,PCM,编码输出,串,/,并,变,换,记忆,反馈码,a,2,-a,7,D,1,D,2,D,8,7/11,变,换,M,2,M,3,M,8,11,位,线,性,解,码,网络,B,1,B,2,B,11,本地解码器,数字通信原理,时间波形图,D,1,D,1,D,7,D,8,D,8,D,1,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,数字通信原理,时间波形图,|U,S,|,U,R,D,1,D,8,D,8,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,D,8,D,1,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,D,8,D,i,D,1,D,i,|U,S,|=1270,U,R2,=128,512,U,R3,1024,U,R4,1536,U,R5,1280,U,R6,1152,U,R7,1216,U,R8,U,R2,=128,下一路下权,比较器输出,码形成,a,3,a,2,a,4,a,5,a,6,a,7,a,8,1,1,1,0,0,1,1,数字通信原理,PCM,编码器和译码器,编码器,译码器,PCM编码和译码器集成电路,数字通信原理,译码原理,定义,译码的作用是把收到的,PCM,信号还原成相应的,PAM,样值信号，即进行,D/A,变换,A,律,13,折线译码器,译码举例,数字通信原理,A,律,13,折线译码器,记,忆,电,路,时钟脉冲,D,1,D,2,D,8,.,.,.,7/12,变,换,C,2,C,8,.,.,.,寄,存,读,出,B,1,B,12,.,.,.,12,位,线性,解码,电路,B,1,B,12,.,.,.,PAM,PCM,码流,极性控制,C,1,A,律,13,折线译码器与逐次比较型编码器中的,本地译码器,基本相同，只是增加了极性控制部分和带有寄存读出的,7/12,位码变换电路,数字通信原理,A,律,13,折线译码器,记,忆,电,路,时钟脉冲,D,1,D,2,D,8,.,.,.,7/12,变,换,C,2,C,8,.,.,.,寄,存,读,出,B,1,B,12,.,.,.,12,位,线性,解码,电路,B,1,B,12,.,.,.,PAM,PCM,码流,极性控制,C,1,串,/,并变换记忆电路的作用是将加进的串行,PCM,码变为并行码，并记忆下来， 与编码器中译码电路的记忆作用基本相同,数字通信原理,A,律,13,折线译码器,记,忆,电,路,时钟脉冲,D,1,D,2,D,8,.,.,.,7/12,变,换,C,2,C,8,.,.,.,寄,存,读,出,B,1,B,12,.,.,.,12,位,线性,解码,电路,B,1,B,12,.,.,.,PAM,PCM,码流,极性控制,C,1,极性控制部分的作用是根据收到的极性码是“1”还是“0”来控制译码后PAM 信号的极性，恢复原信号极性。,数字通信原理,A,律,13,折线译码器,记,忆,电,路,时钟脉冲,D,1,D,2,D,8,.,.,.,7/12,变,换,C,2,C,8,.,.,.,寄,存,读,出,B,1,B,12,.,.,.,12,位,线性,解码,电路,B,1,B,12,.,.,.,PAM,PCM,码流,极性控制,C,1,7/12,变换电路与编码器的,7/11,变换电路类似，作用也是将,7,位非线性码变成,11,位线性码，为了减少量化噪声，译码时补了半个量化级（所处段的半个量化级），故为,7,位非线性码变成为,12,位线性码。,数字通信原理,A,律,13,折线译码器,记,忆,电,路,时钟脉冲,D,1,D,2,D,8,.,.,.,7/12,变,换,C,2,C,8,.,.,.,寄,存,读,出,B,1,B,12,.,.,.,12,位,线性,解码,电路,B,1,B,12,.,.,.,PAM,PCM,码流,极性控制,C,1,寄存读出电路是将输入的串行码在存储器中寄存起来，待全部接收后再一起读出，送入解码网络。,数字通信原理,A,律,13,折线译码器,记,忆,电,路,时钟脉冲,D,1,D,2,D,8,.,.,.,7/12,变,换,C,2,C,8,.,.,.,寄,存,读,出,B,1,B,12,.,.,.,12,位,线性,解码,电路,B,1,B,12,.,.,.,PAM,PCM,码流,极性控制,C,1,12 位线性解码电路主要是由恒流源和电阻网络组成，与编码器中解码网络类同。它是在寄存读出电路的控制下，输出相应的PAM信号,数字通信原理,译码原理,定义,译码的作用是把收到的,PCM,信号还原成相应的,PAM,样值信号，即进行,D/A,变换,A,律,13,折线译码器,译码举例,数字通信原理,译码举例,码组,D,1,=1,【,例,】,设,收到的码组，将其译码输出。,可见,样值脉冲为正极性,1.极性码,数字通信原理,码组,D,2,D,3,D,4,111,可见,样值脉冲在第八段内，第八段的起始电平为,1024,。,2.段落码,数字通信原理,设段内码为自然二进码码组,段内码,D,5,D,6,D,7,D,8,0011,可见,信号在第八段第三量化级，第八段的每个量化阶距,8,64,对应电平值,3.段内码,0,0,1,1,0,0,128,64,数字通信原理,由所得的线性码算出译码后的量化电平为：,I,信,1024,128,64,32,1248,对应的十二位线性码,B,1,1024,B,2,B,3,B,4,B,5,B,6,B,7,B,8,B,9,B,10,B,11,B,12,512,256,128,64,32,16,8,4,2,1,1/2,1,0,0,1,1,1,0,0,0,0,0,0,说明：,12,位线性码中第六位,B6,是为了减小量化误差所加的半个量化级（,8,/2=32,）。,数字通信原理,输入：,I,信,1270,译码后：,I,信,1248,可见,相差,22,个量化单位，少于,k,/2,如果不补上半个量化级，产生的最大误差为,58,增加一位码，使得量化噪声功率减少,6dBr,误差及说明,数字通信原理,PCM,编码器和译码器,编码器,译码器,PCM编码和译码器集成电路,数字通信原理,PCM,编码和译码器集成电路,随着大规模集成技术的发展，由大规模集成电路制成的,PCM,编码器已广泛应用。,这种集成电路大致可分为两类：,一类是把编码器和译码器分别单独制造,一类是把二者合并在同一块基片上。编译码器合在一起的又分两种实施方案,一种是多路公用编译器,一种是单路编译码器。集成编译码器具有体积小，耗电少，稳定性高及成本低的优点，较典型的产品是美国,Intel,公司生产的,2910A(,律,24,路复用,),，,2911(A,律,),及,2914(A,律,),等。,数字通信原理,2.3,脉冲编码调制（,PCM,）,PCM,调制系统,1,信号的压缩与扩张,2,PCM,编码器和译码器,3,PCM,系统的噪声性能,4,差分脉冲编码调制,5,数字通信原理,PCM,系统的抗噪声性能,PCM,系统的噪声主要有两种,因为量化产生的噪声（量化噪声）,传输过程加入的噪声，即加性干扰和乘性干扰。,在信道理想的前提下与信道特性有关的乘性干扰可以忽略，而加性干扰则始终存在。,噪声性能分析,数字通信原理,噪声性能分析,PCM,系统接收端,低通滤波器的输出,输出的有用信号分量,量化噪声引起,的输出噪声,加性噪声引起,的输出噪声,系统的总信噪比,数字通信原理,噪声性能分析,量化噪声性能分析,信道加性噪声性能分析,数字通信原理,噪声性能分析,量化噪声的影响前面已经分析过了，因此，将主要分析加性干扰下的信噪比,数字通信原理,噪声性能分析,量化噪声性能分析,信道加性噪声性能分析,数字通信原理,信道加性噪声性能分析,加性噪声的影响会使接收端判决出错，,因此对,PCM,系统性能的影响表现在接收端的判决误码。,PCM,信号中每一码组代表着一定的量化抽样值，,只要码组中有一位码发生错误，接收端恢复的抽样值就会与发端抽样值不同，,从而引起误差。,接收端判决出错的概率取决于信号的类型和接收机输入端的平均信号噪声功率比。,误码性能分析,数字通信原理,误码性能分析,假设加性噪声为高斯白噪声，每一码组中出现的误码是彼此独立的，每个码元的误码率为,P,e,。,实际的,PCM,系统，每个码组中多于,1,个码元出错的概率很低，通常,只考虑码组中仅有,1,个码元,错误的情况,。,由于码组中各位码的权值不同，因此，误差的大小取决误码发生在码组的哪一位上，而且与码型有关。,数字通信原理,误码性能分析,【,例,】,误码率,p,e,10,4,，码组由,8,位码组成,可见,码组中有一位错码的错误概率,p,e1,8p,e,8,10,4,=1/1250,，即平均每发送,1250,个码组有一个码组发生错误。,有两个码元错误概率,p,e2,C,8,2,p,e2,2.8,10,7,p,e2,1,误码造成的,平均输出噪声功率,m(t),在区间,-a,a,服从均匀分布,输出信号功率,数字通信原理,信道加性噪声性能分析,仅考虑加性噪声,时的系统信噪比,PCM,系统输出端,总信噪比,可见,在接收端输入大信噪比的条件下，,P,e,很小，可以忽略误码带来的影响,在小信噪比的条件下，,P,e,较大，误码噪声起主要作用，总信噪比与,P,e,成反比。,数字通信原理,5.3,脉冲编码调制（,PCM,）,PCM,调制系统,1,信号的压缩与扩张,2,PCM,编码器和译码器,3,PCM,系统的噪声性能,4,差分脉冲编码调制,5,数字通信原理,差分编码调制,问题的提出：,PCM,系统之所以能够提供高的通信质量，在于它采用了大的编码位数，为此在频带方面付出了很大的代价。这将严重地限制了,PCM,在已经相当拥挤的那些频段中应用。,压缩,PCM,系统所占用的频带宽度也就成为人们密切关注的问题。,DPCM,就是为了达到这一目的而提出的,PCM,编码,数字通信原理,预测通信,DPCM,是预测通信中最简单的一种。,预测通信的基本原理：,利用模拟信号在观察点,t,t0,之前一个或若干个抽样点上的取值，对这个观察点上的取值进行估计和,预测,。,虽然预测值与实际值之间必然会存在着一定的误差,但可以将误差量化、编码传输。收端将预测值加上误差便可恢复原信号，由于误差值一般比量化值小，从而达到压缩比特速率的目的。,数字通信原理,预测通信,大多数情况下，模拟信号在相邻间隔上的抽样值都比较接近，而且其变化的规律与前几个抽样点上的取值都比较接近，并且多数具有单调变化的趋势。如下图所示：,数字通信原理,预测通信,信号相关性愈大、已知的观察点前的抽样值愈多，预测愈准确。,令 是信号在观察点,t,0,上的实际抽样值， 为其预测值，则预测误差值 为：,接收端根据预测值和收到的预测误差值复制出抽样点上的实际信号,预测通信,数字通信原理,预测通信,预测通信，是一种理论上和实际上都很有价值的通信方法。,一般说来，预测误差,f(t,0,),的取值范围，总是小于实际信号,f(t,0,),的取值范围。如果量化阶距相等的话，传输预测误差信号就可以采用较小的编码位数,N,，从而达到压缩频率的目的。,数字通信原理,DPCM,的特点,DPCM,的特点是直接利用前一个抽样点上信号的量化电平作为预测值，无须复杂的运算，是最简单的预测通信。,当传输话音信号时，码速,32kb/s,的,DPCM,系统的通话质量，大致可达到,64kb/s PCM,的水平。,在远距离时,PCM,话变成,32kb/s,的,DPCM,信号，可在传输信道中扩大一倍电话容量，而其接口仍满足,64kb/s,。这是编码体制上的一个重要发展。,数字通信原理,DPCM,原理框图,在一般,PCM,编码中加一个减法器和一个累加一延时器就可实现,DPCM,。,在接收端的译码系统中，只要增加一个“累加一延时器” 。,数字通信原理,DPCM,的实际应用,单纯的,DPCM,已用得不多，更多的是采用自适应差分脉冲编码调制（,AD-PCM,）。,自适应是指能自动的改变量化间隔，使预测误差电平大时增大量化阶距，误差电平小时缩短量化阶距，从而进一步降低量化噪声。,DPCM,信号的编码位,n,最低为,2,，即,2,比特量化。如果把,n,降到,1,，成为,1,比特量化，就是增量调制（,M,）。,数字通信原理,