模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸ppt課件

1、第第4 4章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸 4.1 4.1 引言引言4.2 4.2 抽樣抽樣4.3 4.3 量化量化4.4 4.4 編碼編碼4.5 4.5 脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)4.6 4.6 自順應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制系自順應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)統(tǒng)4.7 4.7 增量調(diào)制增量調(diào)制 數(shù)字通訊系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)今通訊的開數(shù)字通訊系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)今通訊的開展方向。展方向。 然而自然界的許多信息經(jīng)各種傳感器感知后都是然而自然界的許多信息經(jīng)各種傳感器感知后都是模擬量，例如、電視等通訊業(yè)務(wù)，其信源輸出的模擬量，例如、電視等通訊業(yè)務(wù)，其信源輸出的音訊都是模擬信號(hào)。音訊都是模擬

2、信號(hào)。 假設(shè)要利用數(shù)字通訊系統(tǒng)傳輸模擬信號(hào)，普通需假設(shè)要利用數(shù)字通訊系統(tǒng)傳輸模擬信號(hào)，普通需三個(gè)步驟：三個(gè)步驟： 1 1把模擬信號(hào)數(shù)字化，即模把模擬信號(hào)數(shù)字化，即模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換A/DA/D； 2 2進(jìn)展數(shù)字方式傳輸；進(jìn)展數(shù)字方式傳輸； 3 3把數(shù)字信號(hào)復(fù)原為模擬信號(hào)，即數(shù)把數(shù)字信號(hào)復(fù)原為模擬信號(hào)，即數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換D/AD/A。 4.1 4.1 引言引言 由于由于A/DA/D或或D/AD/A變換的過(guò)程通常由信源編變換的過(guò)程通常由信源編譯碼器實(shí)現(xiàn)，所以我們把發(fā)端的譯碼器實(shí)現(xiàn)，所以我們把發(fā)端的A/DA/D變換稱為信源編碼，而收端的變換稱為信源編碼，而收端的D/AD/A變換稱變換稱為信源譯

3、碼。為信源譯碼。 如語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化叫做語(yǔ)音編碼。如語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化叫做語(yǔ)音編碼。 信源信源 信源編碼信源編碼 信道編碼信道編碼 調(diào)制器調(diào)制器 信道信道 解調(diào)器解調(diào)器 信道譯碼信道譯碼 信源譯碼信源譯碼 信宿信宿噪聲噪聲模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸 模擬信息源抽樣、量化和編碼數(shù)字通信系統(tǒng)譯碼和低通濾波m (t)skskm (t)模擬隨機(jī)信號(hào) 數(shù)字隨機(jī)序列 數(shù)字隨機(jī)序列模擬隨機(jī)信號(hào) 模擬信號(hào)數(shù)字化的方法大致可劃分為波形模擬信號(hào)數(shù)字化的方法大致可劃分為波形編碼和參量編碼兩類。編碼和參量編碼兩類。 波形編碼是直接把時(shí)域波形變換為數(shù)字代波形編碼是直接把時(shí)域波形變換為數(shù)字代碼序列，比特率通常在碼

4、序列，比特率通常在16kb/s-64kb/s16kb/s-64kb/s范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，接納端重建信號(hào)的質(zhì)量好。接納端重建信號(hào)的質(zhì)量好。 參量編碼是利用信號(hào)處置技術(shù)，提取語(yǔ)音參量編碼是利用信號(hào)處置技術(shù)，提取語(yǔ)音信號(hào)的特征參量，再變換成數(shù)字代碼，其比特信號(hào)的特征參量，再變換成數(shù)字代碼，其比特率在率在1.2-4.8kb/s1.2-4.8kb/s，但接納端重建，但接納端重建( (恢復(fù)恢復(fù)) )信號(hào)信號(hào)的質(zhì)量不夠好。這里只引見波形編碼。的質(zhì)量不夠好。這里只引見波形編碼。 PCM通訊系統(tǒng)原理圖 PCM信號(hào)構(gòu)成過(guò)程表示圖 PCM PCM信號(hào)的構(gòu)成是模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)的構(gòu)成是模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)“抽樣、量抽樣、量化、編

5、碼三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)的?；?、編碼三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)的。 抽樣是指把模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化，變抽樣是指把模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化，變成抽樣信號(hào)；成抽樣信號(hào)； 量化是指把抽樣信號(hào)在幅度上離散化，變量化是指把抽樣信號(hào)在幅度上離散化，變成有限個(gè)量化電平；成有限個(gè)量化電平； 編碼是指用二進(jìn)制碼元來(lái)表示有限個(gè)量化編碼是指用二進(jìn)制碼元來(lái)表示有限個(gè)量化電平。電平。 接納端的數(shù)接納端的數(shù)/ /模變換包含了解碼和低通濾波模變換包含了解碼和低通濾波器兩部分。器兩部分。 解碼是編碼的反過(guò)程，它將接納到的解碼是編碼的反過(guò)程，它將接納到的PCMPCM信信號(hào)復(fù)原為抽樣信號(hào)；號(hào)復(fù)原為抽樣信號(hào)； 低通濾波是抽樣的反變換，其作用是恢復(fù)低通濾波

6、是抽樣的反變換，其作用是恢復(fù)或重建原始的模擬信號(hào)?；蛑亟ㄔ嫉哪M信號(hào)。 本章在引見抽樣定理和脈沖幅度調(diào)制本章在引見抽樣定理和脈沖幅度調(diào)制PAM)PAM)的根底上，重點(diǎn)討論模擬信號(hào)數(shù)字化的兩種方的根底上，重點(diǎn)討論模擬信號(hào)數(shù)字化的兩種方式，即式，即PCMPCM和和MM的原理及性能，并簡(jiǎn)要引見它的原理及性能，并簡(jiǎn)要引見它們的改良型：差分脈沖編碼調(diào)制們的改良型：差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)(DPCM)、自順、自順應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)(ADPCM)和增量總和調(diào)制、和增量總和調(diào)制、數(shù)字壓擴(kuò)自順應(yīng)增量調(diào)制的原理。數(shù)字壓擴(kuò)自順應(yīng)增量調(diào)制的原理。 4.2 4.2 抽樣抽樣 所謂抽

7、樣是把時(shí)間上延續(xù)的模擬信號(hào)變成一系列時(shí)間上離散的樣值序列的過(guò)程。4.2.14.2.1理想抽樣理想抽樣 當(dāng)抽樣脈沖序列為單位沖激序列時(shí)，當(dāng)抽樣脈沖序列為單位沖激序列時(shí)，稱為理想抽樣。稱為理想抽樣。一、低通訊號(hào)的抽樣定理一、低通訊號(hào)的抽樣定理 fLfH-fL-fLfH-fL-低通訊號(hào)低通訊號(hào) 一個(gè)頻帶限制在一個(gè)頻帶限制在0-fH0-fH內(nèi)的時(shí)間延續(xù)的模內(nèi)的時(shí)間延續(xù)的模擬信號(hào)擬信號(hào)m(t)m(t)，假設(shè)抽樣頻率，假設(shè)抽樣頻率fs 2fHfs 2fH，那么，那么可以經(jīng)過(guò)低通濾波器由抽樣序列可以經(jīng)過(guò)低通濾波器由抽樣序列ms(t)ms(t)無(wú)失真無(wú)失真地重建原始信號(hào)地重建原始信號(hào)m(t) m(t) 。 假

8、設(shè)抽樣速率假設(shè)抽樣速率fsfs2fH2fH，那么會(huì)產(chǎn)生失真，那么會(huì)產(chǎn)生失真，這種失真叫混疊失真。這種失真叫混疊失真。數(shù)學(xué)描畫：數(shù)學(xué)描畫：時(shí)域：時(shí)域：頻域：頻域： 理想抽樣信號(hào)波形及其頻譜 -wm 0 wmM(w)w MS(w)-2ws -ws 0 ws 2wsw -wm 0 wmM(w)w-2ws -ws -wm 0 wm ws 2ws MS(w)w -wm 0 wmM(w)w-2ws -ws -wm 0 wm ws 2ws MS(w)ww ws2w wmws-wm ws+wmw ws 2fHfs 2fH。例如話音信號(hào)的最高頻率被限制在。例如話音信號(hào)的最高頻率被限制在3400Hz3400Hz，

9、抽樣頻率應(yīng)大于，抽樣頻率應(yīng)大于2 23400=6800Hz3400=6800Hz，為，為了留有一定防衛(wèi)帶，了留有一定防衛(wèi)帶，ITU-TITU-T規(guī)定話音信號(hào)的抽規(guī)定話音信號(hào)的抽樣頻率為樣頻率為 fs = 8000Hz fs = 8000Hz， Ts=1/8000=125 Ts=1/8000=125s s。 抽樣頻率越高，對(duì)防止頻譜混疊越有利，抽樣頻率越高，對(duì)防止頻譜混疊越有利，但將使總碼速率增高，給傳輸帶來(lái)不便。但將使總碼速率增高，給傳輸帶來(lái)不便。 fs = 2fH fs = 2fH 是頻譜不出現(xiàn)重疊的最低抽樣是頻譜不出現(xiàn)重疊的最低抽樣頻率，稱之為奈奎斯特抽樣頻率。頻率，稱之為奈奎斯特抽樣頻率

10、。理想抽樣與信號(hào)恢復(fù)理想抽樣與信號(hào)恢復(fù)m (t)ms(t)T (t)(a )低 通濾 波 器ms(t)m (t)(b )二、帶通訊號(hào)的抽樣定理二、帶通訊號(hào)的抽樣定理 fL fH-fL- fL fH-fL-帶通訊號(hào)帶通訊號(hào) 實(shí)踐中遇到的許多信號(hào)是帶通型信號(hào)。假設(shè)實(shí)踐中遇到的許多信號(hào)是帶通型信號(hào)。假設(shè)采用低通抽樣定理的抽樣速率采用低通抽樣定理的抽樣速率fs2fHfs2fH，一定能滿，一定能滿足頻譜不混疊的要求。足頻譜不混疊的要求。 但這樣選擇但這樣選擇fsfs太高了，它會(huì)使太高了，它會(huì)使0fL0fL 一大段頻譜空隙得不到利用，降低了信道一大段頻譜空隙得不到利用，降低了信道 的利用率。的利用率。 S

11、(w)f利用低通訊號(hào)抽樣定理抽樣fm fL fS fs+fm-fm -fL fs+fLfs-fLfs-fm 2fS-fm 2fS-fL 上 下 下 X(w)ffm fL -fm -fL 上 下 下 上 fm fL fS fs+fm 上 下 f下 2fS 3fS 下 下 -fm -fL fs-fLfs-fmfs+fL 2fS-fm 2fS-fL 2fS+fm 2fS+fL 3fS-fm 3fS-fL S(w)利用帶通訊號(hào)抽樣定理抽樣B時(shí)，就可以無(wú)失真地恢復(fù)出原信號(hào)。時(shí)，就可以無(wú)失真地恢復(fù)出原信號(hào)。 帶通訊號(hào)抽樣定理：一個(gè)頻帶限制在fL - fH之間的帶通訊號(hào)，其抽樣頻率滿足n n是不超越是不超越

12、fL/BfL/B的最大整數(shù)的最大整數(shù)nffnfLSH212例例 試求試求6060路載波超群信號(hào)路載波超群信號(hào)312312552kHz)552kHz)的的抽樣頻率。抽樣頻率。解：按帶通訊號(hào)抽樣定理解：按帶通訊號(hào)抽樣定理kHzfkHzkHznfkHznfn;BfkHzffBsLHLLH6245526241312225521155221213 .1240312/240312552假設(shè)按低通訊號(hào)抽樣定理，其抽樣頻假設(shè)按低通訊號(hào)抽樣定理，其抽樣頻率為率為 2fH=2 2fH=2552=1104kHz552=1104kHz 留意：假設(shè)fL B，即n=0，那么帶通訊號(hào)抽樣定理不再運(yùn)用，此時(shí)應(yīng)按低通訊號(hào)處置。

13、如信號(hào)頻率為300-3400Hz， fL= 300Hz 0IS 0， c1=1 c1=1 (2) (2) 確定段落碼確定段落碼第一次比較，第一次比較，IW=128IW=128 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW， c2=1c2=1，在后四大段。，在后四大段。第二次比較，第二次比較，IW=512IW=512 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW， c3=1c3=1，在，在7 7、8 8大段。大段。第三次比較，第三次比較，IW=1024IW=1024 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW，c4=1c4=1，在，在8 8大段。大段。(3) (3) 確定段內(nèi)碼確定

14、段內(nèi)碼段內(nèi)均勻分段內(nèi)均勻分1616個(gè)小段，個(gè)小段， 8=10248=1024 /16=64/16=64 第四次比較，第四次比較，IW=1024IW=1024 +8+8 8=10248=1024 +8+86464 =1536=1536 ， IS=+1270IS=+1270 IWIW，c5=0c5=0，在前，在前8 8小段。小段。第五次比較，第五次比較，IW=1024IW=1024 +4+4 8=10248=1024 +4+46464 =1280=1280 ， IS=+1270IS=+1270 IWIWIW，c7=1c7=1，在，在3 3、4 4小段。小段。第七次比較，第七次比較，IW=1024I

15、W=1024 +2+2 8+ 8+ 8 8 =1024=1024 +3+36464 =1216=1216 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW，c8=1c8=1，在第，在第4 4小段。小段。編出的碼組編出的碼組c1c1 c8c8是是1111001111110011 B1 B2 . B12PCM 碼流碼流寄寄存存讀讀出出串并串并變換變換記憶記憶電路電路7/12變變換換D1 D2 . D8解碼電平解碼電平M2 M3 . M812位位線性線性解碼解碼網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)極性控制極性控制時(shí)時(shí)鐘鐘脈脈沖沖M2 M3 . M8二、二、A A律律1313折線解碼器折線解碼器量化電平量化電平)段段落落非線性碼

16、非線性碼線型碼線型碼c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B121000XYZW0000000XYZW12001XYZW0000001XYZW13010XYZW000001XYZW104011XYZW00001XYZW1005100XYZW0001XYZW10006101XYZW001XYZW100007110XYZW01XYZW1000008111XYZW1XYZW10000007/12變換關(guān)系表變換關(guān)系表102451225612864321684211/2B1B12代表的數(shù)值例例 知一個(gè)抽樣值知一個(gè)抽樣值u=2510m

17、v,(1)u=2510mv,(1)假設(shè)量化區(qū)假設(shè)量化區(qū)的最大電壓為的最大電壓為U=4096mv,U=4096mv,采用采用A A律律1313折線編碼折線編碼編成編成8 8位折疊二進(jìn)制碼，試寫出位折疊二進(jìn)制碼，試寫出8 8位碼；位碼；2 2編碼電平為多少？編碼器中的編碼電平為多少？編碼器中的7/117/11變換得到的變換得到的1111位線性碼為多少？位線性碼為多少？3 3接納接納端解碼器輸出電平量化電平多少？解碼端解碼器輸出電平量化電平多少？解碼誤差量化誤差為多少？解碼器中的誤差量化誤差為多少？解碼器中的7/127/12變換得到的變換得到的1212位線性碼為多少？位線性碼為多少？ 4.5 脈沖編

18、碼調(diào)制系統(tǒng)4.5.1 4.5.1 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制PCMPCM原理原理 在在PCMPCM系統(tǒng)中，除了上述的幾個(gè)部分，還系統(tǒng)中，除了上述的幾個(gè)部分，還必需設(shè)有同步設(shè)備。必需設(shè)有同步設(shè)備。4.5.2 PCM4.5.2 PCM信號(hào)的碼元速率和帶寬信號(hào)的碼元速率和帶寬二進(jìn)制代碼的速率為：二進(jìn)制代碼的速率為：當(dāng)采用矩形脈沖傳輸時(shí)，所需求的帶寬與脈沖當(dāng)采用矩形脈沖傳輸時(shí)，所需求的帶寬與脈沖寬度寬度成反比，第一零點(diǎn)帶寬為成反比，第一零點(diǎn)帶寬為B=1/B=1/P119P119例例4.8 4.8 某信號(hào)頻譜范圍為某信號(hào)頻譜范圍為50-60KHZ,50-60KHZ,采采用最低抽樣頻率抽樣后按照用最低抽樣頻

19、率抽樣后按照256256級(jí)量化，采級(jí)量化，采用二進(jìn)制編碼。計(jì)算用二進(jìn)制編碼。計(jì)算PCMPCM系統(tǒng)的碼元速率。系統(tǒng)的碼元速率。 典型信號(hào)的抽樣頻率是典型信號(hào)的抽樣頻率是8000Hz8000Hz。故在采。故在采用這類非均勻量化編碼器時(shí)，典型的數(shù)字用這類非均勻量化編碼器時(shí)，典型的數(shù)字傳輸比特率為傳輸比特率為64kb/s64kb/s。例：例：?jiǎn)温氛Z(yǔ)音信號(hào)的最高頻率為單路語(yǔ)音信號(hào)的最高頻率為4000Hz4000Hz，抽樣頻率，抽樣頻率為奈奎斯特抽樣頻率，以為奈奎斯特抽樣頻率，以PCMPCM方式傳輸。抽樣方式傳輸。抽樣后按照后按照256256級(jí)量化。設(shè)傳輸信號(hào)的波形為矩形級(jí)量化。設(shè)傳輸信號(hào)的波形為矩形脈沖

20、，占空比為脈沖，占空比為1 1。計(jì)算。計(jì)算PCMPCM基帶信號(hào)第一零點(diǎn)基帶信號(hào)第一零點(diǎn)帶寬。帶寬。 4.5.3 PCM 4.5.3 PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能分析系統(tǒng)的抗噪聲性能分析 PCM PCM系統(tǒng)輸出的信號(hào)是模擬信號(hào)，因此系統(tǒng)系統(tǒng)輸出的信號(hào)是模擬信號(hào)，因此系統(tǒng)的可靠性依然可用系統(tǒng)輸出信噪比來(lái)衡量。的可靠性依然可用系統(tǒng)輸出信噪比來(lái)衡量。PCMPCM系統(tǒng)的噪聲來(lái)自兩方面，即量化過(guò)程中構(gòu)成的系統(tǒng)的噪聲來(lái)自兩方面，即量化過(guò)程中構(gòu)成的量化噪聲，以及在傳輸過(guò)程中經(jīng)信道混入的加量化噪聲，以及在傳輸過(guò)程中經(jīng)信道混入的加性高斯白噪聲。性高斯白噪聲。因此通常將因此通常將PCMPCM系統(tǒng)輸出端總的信噪比定義為系統(tǒng)

21、輸出端總的信噪比定義為 式中，式中，S0S0系統(tǒng)輸出端信號(hào)的平均功率；系統(tǒng)輸出端信號(hào)的平均功率； Nq Nq系統(tǒng)輸出端量化噪聲的平均功率；系統(tǒng)輸出端量化噪聲的平均功率； Ne Ne系統(tǒng)輸出端信道加性噪聲的平均功系統(tǒng)輸出端信道加性噪聲的平均功率。率。eqoPCMooNNSNS)(一一. .量化噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響量化噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響 PCM PCM系統(tǒng)輸出端的量化信號(hào)與量化噪聲的平均系統(tǒng)輸出端的量化信號(hào)與量化噪聲的平均功率比為功率比為對(duì)于二進(jìn)制編碼，設(shè)其編碼位數(shù)為對(duì)于二進(jìn)制編碼，設(shè)其編碼位數(shù)為l l，那么上，那么上式又可寫為式又可寫為lqNS2022MNSqo 上式表示，PCM系統(tǒng)的輸出信號(hào)量噪比僅

22、和編碼位數(shù)l有關(guān)，且隨l按指數(shù)規(guī)律增大。另一方面，對(duì)于一個(gè)頻帶限制在fH的低通訊號(hào)，按照抽樣定理，要求抽樣速率不低于每秒2fH次。對(duì)于PCM系統(tǒng)，這相當(dāng)于要求傳輸速率至少為2lfH b/s。故要求系統(tǒng)帶寬B至少等于lfH Hz。用B表示l代入上式，得到 lqoMNS222HfBqoNS/22/ 上式闡明，當(dāng)?shù)屯ㄓ嵦?hào)最高頻率fH給定時(shí)，PCM系統(tǒng)的輸出信號(hào)量噪比隨系統(tǒng)的帶寬B按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。HfBqoNS/22/二二. .加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響 僅思索信道加性噪聲時(shí)僅思索信道加性噪聲時(shí)PCMPCM系統(tǒng)的輸出信噪比系統(tǒng)的輸出信噪比為為eePNS410三三.PCM.PCM系統(tǒng)接納端

23、輸出信號(hào)的總信噪比系統(tǒng)接納端輸出信號(hào)的總信噪比 同時(shí)思索量化噪聲和信道加性噪聲時(shí)，同時(shí)思索量化噪聲和信道加性噪聲時(shí)，PCMPCM系統(tǒng)輸出端的總信噪功率比為系統(tǒng)輸出端的總信噪功率比為lelPCMPNS22002412在接納端輸入大信噪比的條件下在接納端輸入大信噪比的條件下,誤碼率較低誤碼率較低時(shí)，例如時(shí)，例如Pe 10-6，PCM系統(tǒng)的輸出信噪比主系統(tǒng)的輸出信噪比主要取決于量化信噪比要取決于量化信噪比S0/Nq, So / No 22l當(dāng)信道中信噪比較低，即誤碼率當(dāng)信道中信噪比較低，即誤碼率Pe較高時(shí)，較高時(shí)，PCM系統(tǒng)的輸出信噪比取決于誤碼率，且隨誤系統(tǒng)的輸出信噪比取決于誤碼率，且隨誤碼率碼率

24、Pe的提高而下降的提高而下降, So / No 1/(4Pe) 4.64.6自順應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制自順應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM(ADPCM 64kb/s的A律或律的對(duì)數(shù)壓擴(kuò)PCM編碼曾經(jīng)在大容量的光纖通訊系統(tǒng)和數(shù)字微波系統(tǒng)中得到了廣泛的運(yùn)用。但PCM信號(hào)占用頻帶要比模擬通訊系統(tǒng)中的一個(gè)規(guī)范話路帶寬大很多倍，這樣，對(duì)于大容量的長(zhǎng)途傳輸系統(tǒng)，尤其是衛(wèi)星通訊，采用PCM的經(jīng)濟(jì)性能很難與模擬通訊相比。 以較低的速率獲得高質(zhì)量編碼，不斷是語(yǔ)以較低的速率獲得高質(zhì)量編碼，不斷是語(yǔ)音編碼追求的目的。通常，人們把話路速率低音編碼追求的目的。通常，人們把話路速率低于于64kb/s64kb/s的語(yǔ)音編碼方法，

25、稱為語(yǔ)音緊縮編碼的語(yǔ)音編碼方法，稱為語(yǔ)音緊縮編碼技術(shù)。技術(shù)。 語(yǔ)音緊縮編碼方法很多，其中，自順應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制ADPCM)是語(yǔ)音緊縮中復(fù)雜度較低的一種編碼方法，它可在32kb/s的比特率上到達(dá)64kb/s的PCM數(shù)字質(zhì)量。近年來(lái)，ADPCM已成為長(zhǎng)途傳輸中一種新型的國(guó)際通用的語(yǔ)音編碼方法。 PCMPCM的缺陷的缺陷: : 樣值編碼需求比特?cái)?shù)較多。樣值編碼需求比特?cái)?shù)較多。RbRb較高，較高，呵斥數(shù)字化的信號(hào)帶寬添加。呵斥數(shù)字化的信號(hào)帶寬添加。 相鄰抽樣間表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，有相鄰抽樣間表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，有很大的冗余度。很大的冗余度。改良措施：采用改良措施：采用DPCMDPCM4.6.14.6

26、.1差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)(DPCM)方法：根據(jù)前面的方法：根據(jù)前面的k k個(gè)抽樣值預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)個(gè)抽樣值預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)辰的抽樣值預(yù)測(cè)值。辰的抽樣值預(yù)測(cè)值。只對(duì)當(dāng)前抽樣值與預(yù)測(cè)值之間的差值進(jìn)展只對(duì)當(dāng)前抽樣值與預(yù)測(cè)值之間的差值進(jìn)展量化編碼。量化編碼。實(shí)際根底：利用模擬信號(hào)的相關(guān)性。抽樣實(shí)際根底：利用模擬信號(hào)的相關(guān)性。抽樣后的前后兩個(gè)樣值點(diǎn)有冗余。后的前后兩個(gè)樣值點(diǎn)有冗余。DPCMDPCM是對(duì)是對(duì)“抽樣值與預(yù)測(cè)值的差值進(jìn)展量抽樣值與預(yù)測(cè)值的差值進(jìn)展量化編碼。化編碼。線性預(yù)測(cè)根本原理：線性預(yù)測(cè)根本原理：1、利用前面的幾個(gè)抽樣值的線性組合來(lái)、利用前面的幾個(gè)抽樣值的線性組合來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前的抽樣

27、值，稱為線性預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)當(dāng)前的抽樣值，稱為線性預(yù)測(cè)。2、當(dāng)前抽樣值和預(yù)測(cè)值之差，稱為預(yù)測(cè)、當(dāng)前抽樣值和預(yù)測(cè)值之差，稱為預(yù)測(cè)誤差。誤差。3、由于相鄰抽樣值之間的相關(guān)性，預(yù)測(cè)、由于相鄰抽樣值之間的相關(guān)性，預(yù)測(cè)值和抽樣值很接近，即誤差的取值范圍較小。值和抽樣值很接近，即誤差的取值范圍較小。4、對(duì)較小的誤差值編碼，可以降低比特、對(duì)較小的誤差值編碼，可以降低比特率。率。 DPCM系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖 DPCM系統(tǒng)的總量化誤差應(yīng)該定義為輸入信號(hào)系統(tǒng)的總量化誤差應(yīng)該定義為輸入信號(hào)xn樣值與解碼樣值與解碼器輸出樣值器輸出樣值 之差。之差。xn nq=xn- =(en+ )-( +eqn)=en-eqn 由上

28、式可知，DPCM的總量化誤差nq等于量化器的量化誤差。xnnxnxDPCMDPCM系統(tǒng)總的量化信噪比可表示為系統(tǒng)總的量化信噪比可表示為qqPqnnnqnDPCMqoNSGnEeEeExEnExENS)()(o222222 式中，(So/Nq)q是把差值序列作為信號(hào)時(shí)量化器的量化信噪比，與PCM系統(tǒng)思索量化誤差時(shí)所計(jì)算的信噪比相當(dāng)。Gp可了解為DPCM系統(tǒng)相對(duì)于PCM系統(tǒng)而言的信噪比增益，稱為預(yù)測(cè)增益。 對(duì)DPCM系統(tǒng)的研討就是圍繞著如何使Gp和(S/N)q 這兩個(gè)參數(shù)取最大值而逐漸完善起來(lái)的。通常Gp約為611 dB。 可見，DPCM系統(tǒng)總的量化信噪比遠(yuǎn)大于量化器的信噪比。因此, 要求DPCM

29、系統(tǒng)到達(dá)與PCM系一致樣的信噪比，那么可降低對(duì)量化器信噪比的要求，即可減小量化級(jí)數(shù)，從而減少碼位數(shù)，降低比特率。 4.6.2自順應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)DPCM系統(tǒng)性能的改善是以最正確的預(yù)測(cè)和量化為前提的。但對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)展預(yù)測(cè)和量化是復(fù)雜的技術(shù)問題，這是由于語(yǔ)音信號(hào)在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化。為了能在相當(dāng)寬的變化范圍內(nèi)獲得最正確的性能，只需在DPCM根底上引入自順應(yīng)系統(tǒng)。有自順應(yīng)系統(tǒng)的DPCM稱為自順應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制，簡(jiǎn)稱ADPCM。 ADPCM的主要特點(diǎn)是用自順應(yīng)量化取代固定量化，用自順應(yīng)預(yù)測(cè)取代固定預(yù)測(cè)。自順應(yīng)量化指量化臺(tái)階隨信號(hào)的變化而變化，使量化誤差減小；自順應(yīng)預(yù)測(cè)指預(yù)測(cè)器系數(shù)可

30、以隨信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性而自順應(yīng)調(diào)整，提高了預(yù)測(cè)信號(hào)的精度，從而得到高預(yù)測(cè)增益。經(jīng)過(guò)這兩點(diǎn)改良，可大大提高輸出信噪比和編碼動(dòng)態(tài)范圍。 假設(shè)假設(shè)DPCMDPCM的預(yù)測(cè)增益為的預(yù)測(cè)增益為6-11dB6-11dB，自順應(yīng)，自順應(yīng)預(yù)測(cè)可使信噪比改善預(yù)測(cè)可使信噪比改善4dB4dB；自順應(yīng)量化可使信；自順應(yīng)量化可使信噪比改善噪比改善4-7dB4-7dB，那么，那么ADPCMADPCM比比PCMPCM可改善可改善16-16-21dB21dB，相當(dāng)于編碼位數(shù)可以減小，相當(dāng)于編碼位數(shù)可以減小3 3位到位到4 4位。因位。因此，在維持一樣的語(yǔ)音質(zhì)量下，此，在維持一樣的語(yǔ)音質(zhì)量下，ADPCMADPCM允許用允許用32kb

31、/s32kb/s比特率編碼，這是規(guī)范比特率編碼，這是規(guī)范64kb/s PCM64kb/s PCM的一的一半。半。.7.7增量調(diào)制增量調(diào)制 增量調(diào)制獲得廣泛運(yùn)用的主要緣由：增量調(diào)制獲得廣泛運(yùn)用的主要緣由： (1) 在比特率較低時(shí)，增量調(diào)制的量化信噪在比特率較低時(shí)，增量調(diào)制的量化信噪比高于比高于PCM的量化信噪比；的量化信噪比； (2) 增量調(diào)制的抗誤碼性能好。能任務(wù)于誤增量調(diào)制的抗誤碼性能好。能任務(wù)于誤碼率為碼率為10-2 - 10-3的信道中，而的信道中，而PCM要求誤要求誤比特率通常為比特率通常為10-4 -10-6； (3)增量調(diào)制的編譯碼器比增量調(diào)制的編譯碼器比PCM簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)單。 一、一

32、、 簡(jiǎn)單增量調(diào)制簡(jiǎn)單增量調(diào)制MM M M與與PCMPCM雖然都是用二進(jìn)制代碼去表示模雖然都是用二進(jìn)制代碼去表示模擬信號(hào)的編碼方式。但是，在擬信號(hào)的編碼方式。但是，在PCMPCM中，代碼表中，代碼表示抽樣值本身的大小，所需碼位數(shù)較多，從而示抽樣值本身的大小，所需碼位數(shù)較多，從而導(dǎo)致編譯碼設(shè)備復(fù)雜；而在導(dǎo)致編譯碼設(shè)備復(fù)雜；而在MM中，它只用一中，它只用一位編碼表示相鄰抽樣值的相對(duì)大小，從而反映位編碼表示相鄰抽樣值的相對(duì)大小，從而反映出抽樣時(shí)辰波形的變化趨勢(shì)，與抽樣值本身的出抽樣時(shí)辰波形的變化趨勢(shì)，與抽樣值本身的大小無(wú)關(guān)。大小無(wú)關(guān)。 m(t)0010101111110tt12t11t10t9t8t7

33、t6t5t4t3t2t1m(t)m (t)m1(t)t發(fā)送端：發(fā)送端：m(t)m(t)是一個(gè)頻帶有限的模擬信號(hào)是一個(gè)頻帶有限的模擬信號(hào) 時(shí)間軸時(shí)間軸t t被分成許多相等的時(shí)間段被分成許多相等的時(shí)間段tt； 把代表把代表m(t)m(t)幅度的縱軸也分成許多相等的小幅度的縱軸也分成許多相等的小區(qū)間區(qū)間； 模擬信號(hào)模擬信號(hào)m(t)m(t)可用如下圖的階梯波形可用如下圖的階梯波形m m(t)(t)來(lái)逼近。來(lái)逼近。 編碼：編碼：“1 1碼表示上升一個(gè)臺(tái)階碼表示上升一個(gè)臺(tái)階 “0 “0碼表示下降一個(gè)臺(tái)階碼表示下降一個(gè)臺(tái)階 m(t) m(t)可以用一串二進(jìn)碼序列來(lái)表示，從而可以用一串二進(jìn)碼序列來(lái)表示，從而實(shí)

34、現(xiàn)了模實(shí)現(xiàn)了模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)轉(zhuǎn)換。 接納端：接納端： 每收到一個(gè)每收到一個(gè)“1 1碼就使輸出上升一個(gè)碼就使輸出上升一個(gè)值，每收到一個(gè)值，每收到一個(gè)“0 0碼就使輸出下降一個(gè)碼就使輸出下降一個(gè)值，當(dāng)收到連值，當(dāng)收到連“1 1碼時(shí)，表示信號(hào)延續(xù)增長(zhǎng)，碼時(shí)，表示信號(hào)延續(xù)增長(zhǎng)，當(dāng)收到連當(dāng)收到連“0 0碼時(shí)，表示信號(hào)延續(xù)下降。這碼時(shí)，表示信號(hào)延續(xù)下降。這樣就可以恢復(fù)出與原模擬信號(hào)樣就可以恢復(fù)出與原模擬信號(hào)m(t)m(t)近似的階近似的階梯波形梯波形m m(t)(t)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換。模轉(zhuǎn)換。 (t)Sp(t)ttS(t)C(n) 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0

35、0 0 1 比較器比較器+Sp(t)S(t)e(t)+-積分器積分器脈沖發(fā)脈沖發(fā)生器生器抽樣定時(shí)抽樣定時(shí)發(fā)送端發(fā)送端M M 編碼器編碼器C(n)(t) TS -V -V-V+VC(n) 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0(t)tS(t)脈沖發(fā)脈沖發(fā)生器生器積分器積分器低通低通濾波濾波C(n)(t)(t)接納端接納端M 譯碼器譯碼器S(t)t(t)判決器(比較器)消息信號(hào)m (t)e(t)積分器脈沖發(fā)生器發(fā)送端編碼器p(t)抽樣定時(shí)增量調(diào)制信號(hào)輸出c(t)脈 沖發(fā)生器c(t)積分器EE低 通濾波器消息信號(hào)m (t)接收端譯碼器m1(t) 由于M是前后兩個(gè)樣值的差值的量化編

36、碼, 所以M實(shí)踐上是最簡(jiǎn)單的一種DPCM方案，預(yù)測(cè)值僅用前一個(gè)樣值來(lái)替代，即當(dāng)DPCM系統(tǒng)的預(yù)測(cè)器是一個(gè)延遲單元，量化電平取為2時(shí)，該DPCM系統(tǒng)就是一個(gè)簡(jiǎn)單M系統(tǒng)。二、二、 增量調(diào)制的過(guò)載特性與編碼的動(dòng)態(tài)范圍增量調(diào)制的過(guò)載特性與編碼的動(dòng)態(tài)范圍 增量調(diào)制系統(tǒng)中量化噪聲有兩種方式，增量調(diào)制系統(tǒng)中量化噪聲有兩種方式，普通量化噪聲和過(guò)載量化噪聲。普通量化噪聲和過(guò)載量化噪聲。 當(dāng)輸入模擬信號(hào)當(dāng)輸入模擬信號(hào)m(t)m(t)斜率陡變時(shí)，本地斜率陡變時(shí)，本地譯碼器輸出信號(hào)譯碼器輸出信號(hào)m(t)m(t)跟不上信號(hào)跟不上信號(hào)m(t)m(t)的變的變化，這時(shí)，化，這時(shí)， m(t) m(t)與與m(t)m(t)之間

37、的誤差明顯增之間的誤差明顯增大，引起譯碼后信號(hào)的嚴(yán)重失真，大，引起譯碼后信號(hào)的嚴(yán)重失真， 這種景象這種景象叫過(guò)載景象，產(chǎn)生的失真稱為過(guò)載失真，或叫過(guò)載景象，產(chǎn)生的失真稱為過(guò)載失真，或稱過(guò)載噪聲。稱過(guò)載噪聲。 (a) 普通量化誤差； (b) 過(guò)載量化誤差m(t)m (t)eq(t)(a)m(t)m (t)tt(b)eq(t) 設(shè)抽樣間隔為t抽樣速率為fs=1/t，那么一個(gè)量階上的最大斜率K為 K= 它被稱為譯碼器的最大跟蹤斜率。顯然，當(dāng)譯碼器的最大跟蹤斜率大于或等于模擬信號(hào)m(t)的最大變化斜率時(shí)，即sftsfdttdmmax)( 譯碼器輸出m(t)可以跟上輸入信號(hào)m(t)的變化，不會(huì)發(fā)生過(guò)載景

38、象，因此不會(huì)構(gòu)成很大的失真。當(dāng)然，這時(shí)m(t)與m(t)之間仍存在一定的誤差eq(t)，它局限在-，區(qū)間內(nèi)變化，這種誤差稱為普通量化誤差。 為了不發(fā)生過(guò)載，必需增大和fs。但增大，普通量化誤差也大，由于簡(jiǎn)單增量調(diào)制的量階是固定的，因此很難同時(shí)滿足兩方面的要求。 -不過(guò)載失真條件不過(guò)載失真條件 不過(guò)，提高fs對(duì)減小普通量化誤差和減小過(guò)載噪聲都有利。 實(shí)踐中增量調(diào)制采用的抽樣頻率fs值比PCM和DPCM的抽樣頻率值都大很多；對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)而言，增量調(diào)制采用的抽樣頻率在幾十千赫到百余千赫。設(shè)輸入模擬信號(hào)為設(shè)輸入模擬信號(hào)為m(t)=Asinktm(t)=Asinkt，其斜率為，其斜率為 =Akcoskt

39、 =Akcoskt 可見，斜率的最大值為可見，斜率的最大值為AkAk。為了保證不發(fā)生過(guò)載，要求信號(hào)的最大斜率不為了保證不發(fā)生過(guò)載，要求信號(hào)的最大斜率不超越譯碼器的最大跟蹤斜率。如今信號(hào)的最大超越譯碼器的最大跟蹤斜率。如今信號(hào)的最大斜率為斜率為A A k, k, 所以要求所以要求AKfAKfS Sdttdm )(不過(guò)載且信號(hào)幅度又是最大值的條件為：不過(guò)載且信號(hào)幅度又是最大值的條件為：能正常開場(chǎng)編碼的最小信號(hào)振幅：能正常開場(chǎng)編碼的最小信號(hào)振幅：系統(tǒng)編碼的動(dòng)態(tài)范圍可以定義為：系統(tǒng)編碼的動(dòng)態(tài)范圍可以定義為：以以 正弦波值為規(guī)范，上式就變?yōu)椋赫也ㄖ禐橐?guī)范，上式就變?yōu)椋?ksksfAAftwwmax2m

40、inA dBfffffAADksksksCwlg2022lg202lg20lg20minmaxHzfk800dBfDsC800lg20抽樣速抽樣速率為率為fs(kHz)1020324080100編碼的編碼的動(dòng)態(tài)范動(dòng)態(tài)范圍圍DC(dB)121822243032 由上表可見，簡(jiǎn)單增量調(diào)制的編碼動(dòng)態(tài)范圍較小，在低傳碼率時(shí)，不符合話音信號(hào)要求。通常，話音信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍要求為 40-50dB。因此，適用中的M常用它的改良型，如增量總和調(diào)制、 數(shù)字壓擴(kuò)自順應(yīng)增量調(diào)制等。 三、增量調(diào)制系統(tǒng)的量化信噪比三、增量調(diào)制系統(tǒng)的量化信噪比 量化誤差有兩種，即普通量化誤差和過(guò)量化誤差有兩種，即普通量化誤差和過(guò)載量化誤差，

41、這里僅思索普通量化噪聲。載量化誤差，這里僅思索普通量化噪聲。系統(tǒng)最大的量化信噪比為系統(tǒng)最大的量化信噪比為mksmksqffffffNS23232004. 083用分貝表示為用分貝表示為)04. 0lg(10)(230mksdBqfffNS14lg10lg20lg30mksfff 上式闡明： 1簡(jiǎn)單M的信噪比與抽樣速率fs成立方關(guān)系，即fs每提高一倍，量化信噪比提高9dB。因此，M系統(tǒng)的抽樣速率至少要在16kHz以上，才干使量化信噪比到達(dá)15dB以上，而抽樣速率在32kHz時(shí)，量化信噪比約為26dB，只能滿足普統(tǒng)統(tǒng)訊質(zhì)量的要求。 2 量化信噪比與信號(hào)頻率fk的平方成反比，即fk每提高一倍，量化信

42、噪比下降6dB。因此，簡(jiǎn)單M時(shí)語(yǔ)音高頻段的量化信噪比下降。 四、四、PCMPCM和和M M的性能比較的性能比較 PCM PCM和和MM都是模擬信號(hào)數(shù)字化的根本方都是模擬信號(hào)數(shù)字化的根本方法。法。1. 1. 抽樣頻率抽樣頻率 PCM PCM系統(tǒng)中的抽樣頻率系統(tǒng)中的抽樣頻率fsfs是根據(jù)抽樣定理來(lái)確是根據(jù)抽樣定理來(lái)確定的。假設(shè)信號(hào)的最高頻率為定的。假設(shè)信號(hào)的最高頻率為fHfH，那么，那么fs2fHfs2fH。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)，取對(duì)語(yǔ)音信號(hào)，取fs=8kHzfs=8kHz。 M M系統(tǒng)中其抽樣頻率系統(tǒng)中其抽樣頻率fsfs不能根據(jù)抽樣定理來(lái)不能根據(jù)抽樣定理來(lái)確定。確定。MM的抽樣頻率與最大跟蹤斜率和信噪比有

43、的抽樣頻率與最大跟蹤斜率和信噪比有關(guān)。在保證不發(fā)生過(guò)載，到達(dá)與關(guān)。在保證不發(fā)生過(guò)載，到達(dá)與PCMPCM系一致樣的信系一致樣的信噪比時(shí)，噪比時(shí)，MM的抽樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特速率。的抽樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特速率。 2. 帶寬 M系統(tǒng)在每一次抽樣時(shí)，只傳送一位代碼，因此,M系統(tǒng)的數(shù)碼率為RB=fs，要求的最小帶寬為BM= fs/2,實(shí)踐運(yùn)用時(shí)BM=fs 而PCM系統(tǒng)的數(shù)碼率為RB=lfs。要求的最小帶寬為BPCM=lfs/2,在同樣的語(yǔ)音質(zhì)量要求下，PCM系統(tǒng)的數(shù)碼率為64kB，因此要求最小信道帶寬為32kHz。而采用M系統(tǒng)時(shí)，抽樣速率至少為100kHz，那么最小帶寬為50kHz。通常，M速率采用

44、32kHz或16kHz時(shí)，語(yǔ)音質(zhì)量不如PCM。 比較兩者曲線可看出，假設(shè)比較兩者曲線可看出，假設(shè)PCMPCM系統(tǒng)的編碼位數(shù)系統(tǒng)的編碼位數(shù)N N4 4碼率較低時(shí)，碼率較低時(shí)，MM的量化信噪比高于的量化信噪比高于PCMPCM系統(tǒng)。系統(tǒng)。 3. 3. 量化信噪比量化信噪比 4. 信道誤碼的影響 在M系統(tǒng)中，每一個(gè)誤碼代表呵斥一個(gè)量階的誤差，所以它對(duì)誤碼不太敏感。故對(duì)誤碼率的要求較低，普通在10-3-10-4。而PCM的每一個(gè)誤碼會(huì)呵斥較大的誤差，尤其高位碼元，所以誤碼對(duì)PCM系統(tǒng)的影響要比M系統(tǒng)嚴(yán)重些，故對(duì)誤碼率的要求較高,普通為10-5-10-6。由此可見，M允許用于誤碼率較高的信道條件。 5. 設(shè)備復(fù)雜度 PCM系統(tǒng)的特點(diǎn)是多路信號(hào)一致編碼，普通采用8位對(duì)語(yǔ)音信號(hào)，編碼設(shè)備復(fù)雜，但質(zhì)量較好。PCM普通用于大容量的干線多路通訊。 M系統(tǒng)的特點(diǎn)是單路信號(hào)獨(dú)用一個(gè)編碼器，設(shè)備簡(jiǎn)單，單路運(yùn)用時(shí)，不需求收發(fā)同步設(shè)備。但在多路運(yùn)用時(shí)，每路獨(dú)用一套編譯碼器，所以路數(shù)增多時(shí)設(shè)備成倍添加。M普通適于小容量支線通訊。五、五、 改良型增量調(diào)制改良型增量調(diào)制 1 1、總和增量調(diào)制、總和增量調(diào)制(M) (M) 根本增量調(diào)制有兩大缺陷：根本增量調(diào)制有兩大缺陷：1 1信噪比與信號(hào)頻率有關(guān)，頻率高時(shí)信噪比信噪比與信號(hào)頻率有關(guān)，頻率高時(shí)信噪比降低。降低。2 2過(guò)載特性和動(dòng)態(tài)范圍也與頻率有關(guān)。頻率過(guò)載