第4章 PCM系統(tǒng)課件

1、第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換第第 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 本章要點本章要點 脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)（PCM） 增量調(diào)制系統(tǒng)（M） 電話通信系統(tǒng) 第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換3.1 信源編碼簡介信源編碼簡介 一、信源編碼一、信源編碼 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 收信者收信者噪聲、干擾噪聲、干擾信源編碼：模信源編碼：模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)壓縮數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)壓縮,提高有效性提高有效性二、語音編碼方法二、語音編碼方法1.波形編碼：直接對信號的波

2、形進行編碼，如波形編碼：直接對信號的波形進行編碼，如PCM編碼，速率高，失真小編碼，速率高，失真小2.參量編碼：提取語音信號的特征參量進行編碼，速率低，失真大參量編碼：提取語音信號的特征參量進行編碼，速率低，失真大第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換3.2 脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCM） 一、一、 PCM通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 發(fā)端：模擬信號發(fā)端：模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號(A/D)(A/D)，主要步驟為抽樣、量化、編碼，主要步驟為抽樣、量化、編碼 收端：數(shù)字信號收端：數(shù)字信號模擬信號模擬信號(D/A) (D/A

3、) ，主要步驟是解碼、低通濾波，主要步驟是解碼、低通濾波 信號在傳輸過程中要受到干擾和衰減，故每隔一段距離加一個再生信號在傳輸過程中要受到干擾和衰減，故每隔一段距離加一個再生中繼器，使數(shù)字信號恢復(fù)中繼器，使數(shù)字信號恢復(fù) 為了使信碼適合信道傳輸，并有一定的檢測能力，在發(fā)端加有碼型為了使信碼適合信道傳輸，并有一定的檢測能力，在發(fā)端加有碼型變換電路，收端加有碼型反變換電路。變換電路，收端加有碼型反變換電路。 第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換PCM波形圖波形圖抽樣抽樣抽樣將抽樣將時間時間的連續(xù)變?yōu)殡x的連續(xù)變?yōu)殡x散散,應(yīng)滿足抽樣定理應(yīng)滿足抽樣定理量化量化量化將量化將幅度幅度的連續(xù)

4、變?yōu)殡x散的連續(xù)變?yōu)殡x散,按四舍五入的規(guī)則將抽樣按四舍五入的規(guī)則將抽樣值歸結(jié)為一整數(shù)值值歸結(jié)為一整數(shù)值-量化電量化電平平M (M=8)編碼編碼用用n位二進制碼表示位二進制碼表示M個個量化電平量化電平(M=2 n)PAM信號信號模擬信號模擬信號量化信號量化信號PCM信號信號第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換二、抽樣定理二、抽樣定理1.1.抽樣抽樣 聲音、圖像等信號是模擬信號，時間、幅度均連續(xù)，而數(shù)字信號聲音、圖像等信號是模擬信號，時間、幅度均連續(xù)，而數(shù)字信號時間、幅度均時間、幅度均離散離散模擬模擬數(shù)字：數(shù)字：將時間的連續(xù)將時間的連續(xù)離散離散；將幅度的連續(xù)將幅度的連續(xù)離散離散抽

5、樣任務(wù)：是對模擬信號進行時間上的離散化處理（抽樣任務(wù)：是對模擬信號進行時間上的離散化處理（），即每，即每隔一段時間對模擬信號抽取一個樣值隔一段時間對模擬信號抽取一個樣值實質(zhì)實質(zhì):將時間的連續(xù)將時間的連續(xù)離散離散第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號模擬信號 抽樣信號抽樣信號0tx(t)x(t)T(t)抽樣脈沖抽樣脈沖Ts0tTs2Ts3Ts4Ts5Ts第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換* * 抽樣定理抽樣定理 一個連續(xù)信號一個連續(xù)信號x(t),x(t),若頻帶限制在（若頻帶限制在（0 0，f fm m）HzHz內(nèi)，若內(nèi)，若以抽樣速率以抽樣速率fs

6、2fmfs2fm 對其進行等間隔抽樣，則可以由抽對其進行等間隔抽樣，則可以由抽樣序列樣序列x(t)無失真地恢復(fù)原信號無失真地恢復(fù)原信號。 即即 信號信號 m(t) m(t) 的的頻帶頻帶0 0f fm m則則 抽樣速率抽樣速率 fs2fm fs2fm fs:奈奎斯特頻率奈奎斯特頻率 抽樣周期抽樣周期 Ts1/2fm Ts:奈奎斯特間隔奈奎斯特間隔 Ts=1 /fs第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換解：解： 語音信號語音信號fm = 3400Hz fs2fm = 23400=6800Hz 通常取通常取fs =8000Hz= 8 KHz Ts=1 /fs=1/ 8000Hz=

7、125uS 【例【例1】 語音信號語音信號3003400Hz, 對其進行抽樣對其進行抽樣, 求求抽樣速頻率和抽樣間隔。抽樣速頻率和抽樣間隔。 第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換3 .理想抽樣、自然抽樣與平頂抽樣理想抽樣、自然抽樣與平頂抽樣自然抽樣自然抽樣平頂抽樣平頂抽樣理想抽樣理想抽樣第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換x(t)s(t)xs(t)自然抽樣波形及頻譜自然抽樣波形及頻譜x(t)LPF第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換4.4.結(jié)論：結(jié)論： 只要頻譜間不發(fā)生重疊現(xiàn)象，在接收端就可通過截止頻率為只要頻譜間不發(fā)生重疊現(xiàn)象，在接

8、收端就可通過截止頻率為fc=fmfc=fm的理想的理想低通濾波器從樣值信號中取出原模擬信號。因此，對于低頻頻率低通濾波器從樣值信號中取出原模擬信號。因此，對于低頻頻率fLfL很低，最很低，最高頻率為高頻率為fmfm的模擬信號來說，只要抽樣信號頻率的模擬信號來說，只要抽樣信號頻率fs2fmfs2fm，在接收端就可不失，在接收端就可不失真地取出原模擬信號。真地取出原模擬信號。實際濾波器的特性不是理想的，因此常取實際濾波器的特性不是理想的，因此常取fs2fmfs2fm。 在選定在選定fsfs后，對模擬信號的后，對模擬信號的fmfm必須給予限制。其方法為在抽樣前加一低通必須給予限制。其方法為在抽樣前加

9、一低通濾波器，限制濾波器，限制fmfm，使信號為低通帶限信號。，使信號為低通帶限信號。利用一低通濾波器即可完成信號重建的任務(wù)。利用一低通濾波器即可完成信號重建的任務(wù)。 由于樣值信號中原模擬信號的幅度只為抽樣前的由于樣值信號中原模擬信號的幅度只為抽樣前的/Ts/Ts倍。因為倍。因為很窄，所很窄，所以還原出的信號幅度太小。為了提升重建的語音信號幅度，通常采取加一以還原出的信號幅度太小。為了提升重建的語音信號幅度，通常采取加一展展寬電路寬電路，將樣值脈沖，將樣值脈沖展寬為展寬為TsTs，從而提升信號幅度。理論和實踐又表明：，從而提升信號幅度。理論和實踐又表明：加展寬電路后，低頻信號提升的幅度多，高頻

10、信號提升的幅度小，產(chǎn)生了失加展寬電路后，低頻信號提升的幅度多，高頻信號提升的幅度小，產(chǎn)生了失真。為了消除這種影響，在低通濾波器之后加真。為了消除這種影響，在低通濾波器之后加均衡電路均衡電路。第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換二、量化二、量化1.1.量化：用預(yù)先規(guī)定的有限個電平值量化：用預(yù)先規(guī)定的有限個電平值(M)(M)代替抽樣值代替抽樣值 實質(zhì)實質(zhì): :將幅度的連續(xù)將幅度的連續(xù)離散離散 做法：將樣值信號的幅度變化范圍劃分為若干個小間隔，每一個小做法：將樣值信號的幅度變化范圍劃分為若干個小間隔，每一個小間隔叫做一個量化級。相鄰兩個樣值的差叫做間隔叫做一個量化級。相鄰兩個樣值

11、的差叫做量化級差量化級差，用，用表示。表示。經(jīng)劃分得到經(jīng)劃分得到M M個離散值。當(dāng)樣值落在某一量化級內(nèi)時，就用與之相接近個離散值。當(dāng)樣值落在某一量化級內(nèi)時，就用與之相接近的的離散值離散值代替。該值稱為代替。該值稱為量化值量化值( (電平電平) )。2. 2. 量化誤差量化誤差: :用有限個量化值表示無限個取樣值，會帶來誤差。由于用有限個量化值表示無限個取樣值，會帶來誤差。由于量化而導(dǎo)致誤差稱為量化誤差，用量化而導(dǎo)致誤差稱為量化誤差，用e(t)e(t)表示。表示。 即即 e e（t t）量化值）量化值 - - 樣值樣值 均勻量化均勻量化 量化量化 非均勻量化非均勻量化第第3 3章章 模擬信號的數(shù)

12、字化變換模擬信號的數(shù)字化變換( (一一) )均勻量化均勻量化1 1定義定義: :量化級差量化級差是是均勻的均勻的實質(zhì)實質(zhì): :不管信號的大小，量化級差都相同不管信號的大小，量化級差都相同 【例【例2】 一信號在一信號在T、2T8T共共8個時刻取樣個時刻取樣 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T抽樣值抽樣值 0.3 1.5 1.8 2.4 3.7 4.2 3.3 2.6量化值量化值 0 2 2 2 4 4 3 3 此題此題=1; M=5 第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換2.2.量化誤差量化誤差( (噪聲噪聲) ) 0.5-0.5e（t） /2 T 2T 3T 4T

13、 5T 6T 7T 8T抽樣值抽樣值 0.3 1.5 1.8 2.4 3.7 4.2 3.3 2.6量化值量化值 0 2 2 2 4 4 3 3 第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 【例【例3】 輸入信號的最大值和最小值分別為輸入信號的最大值和最小值分別為a和和b,量化電平量化電平數(shù)為數(shù)為M，采用均勻，采用均勻量化量化,求求量化間隔。量化間隔。 解：解： = a - bM-1若若M 1 = a - bM第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換3.3.量化噪聲對通信的影響量化噪聲對通信的影響-用信噪比衡量通信質(zhì)量用信噪比衡量通信質(zhì)量 量化信噪比：指模擬輸入信

14、號功率量化信噪比：指模擬輸入信號功率S S與量化噪聲功率與量化噪聲功率N N之比。之比。 對一語音信號，均勻量化的信噪比為：對一語音信號，均勻量化的信噪比為： （S/N ）dBdB6n6n9 920lg(Um/V) 式中，式中，n n：二進制碼的編碼位數(shù)；：二進制碼的編碼位數(shù)；UmUm：有用信號的幅度；：有用信號的幅度； +V+V-V-V：量化范圍：量化范圍結(jié)論：結(jié)論：信噪比同編碼位數(shù)信噪比同編碼位數(shù)n成正比，成正比， n越多，信噪比越高，通信質(zhì)量越好。越多，信噪比越高，通信質(zhì)量越好。有用信號幅度有用信號幅度Um越小，信噪比越低。越小，信噪比越低。第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的

15、數(shù)字化變換為保證通信質(zhì)量，若要求為保證通信質(zhì)量，若要求量化信噪比量化信噪比達到達到40dB40dB40dB40dB）時，）時， 則碼位則碼位n n1111時，才滿足要求。時，才滿足要求。 均勻量化的缺點均勻量化的缺點: : 要求較高的編碼位數(shù)要求較高的編碼位數(shù)(n(n11)11) 小信號誤差大，大信號誤差小小信號誤差大，大信號誤差小第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換( (二二) )非均勻量化非均勻量化 1.1.定義定義: :量化級差隨信號大小變化量化級差隨信號大小變化, , 大信號時量化級差大，大信號時量化級差大，小信號時量化級差小小信號時量化級差小。結(jié)果結(jié)果: :量化級

16、數(shù)量化級數(shù)(M)(M)不變的條件下，提高小信號的量化信噪比，擴不變的條件下，提高小信號的量化信噪比，擴大了輸入信號的動態(tài)范圍或信噪比、動態(tài)范圍相同時減小大了輸入信號的動態(tài)范圍或信噪比、動態(tài)范圍相同時減小n n 【例【例4】 一信號采用非均勻量化一信號采用非均勻量化,取樣值和量化級差為取樣值和量化級差為 抽樣值抽樣值 00.5 0.51 1 2 2 4 量化值量化值 0.25 0.75 1.5 3 量化值量化值( ) 3 6 12量化級差量化級差 0. 5 0.75 1. 5 設(shè)設(shè)=0.25 量化級差量化級差( ) 2 3 6 第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換2.2.量化

17、曲線量化曲線0. 5( 2) 0.75( 3) 1. 5( 6) 均均勻勻非均勻非均勻3612第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換3 3壓縮與擴張壓縮與擴張: :實現(xiàn)非均勻量化的方法之一實現(xiàn)非均勻量化的方法之一特點特點: : 發(fā)送端發(fā)送端: :對輸入模擬信號進行對輸入模擬信號進行壓縮壓縮處理后再均勻量化處理后再均勻量化 接收端接收端: :進行進行擴張擴張?zhí)幚硖幚矸蔷鶆蛄炕^程非均勻量化過程第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換圖中圖中: :壓縮特性中，小信號時曲線斜率大，而大信號時斜率小。經(jīng)過壓壓縮特性中，小信號時曲線斜率大，而大信號時斜率小。經(jīng)過壓縮后，

18、小信號放大變成大信號，信噪比變大了?？s后，小信號放大變成大信號，信噪比變大了。壓縮和擴張?zhí)匦試?yán)格相反。壓縮和擴張?zhí)匦試?yán)格相反。壓縮壓縮擴張擴張第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換4 4A A律與律與u u律壓縮特性律壓縮特性: :根據(jù)壓縮程度的不同劃分根據(jù)壓縮程度的不同劃分A A律壓縮特性公式為：律壓縮特性公式為：AAxln1yA10 x0 xAAxln1ln1yA1x1x1A A：壓縮系數(shù)，表示壓縮程度。：壓縮系數(shù)，表示壓縮程度。A A1 1時，時，y=xy=x，為無壓縮即均勻量化情況。，為無壓縮即均勻量化情況。A A值越大，在小信號處斜率越大，對提高小信號信噪比越有利。

19、值越大，在小信號處斜率越大，對提高小信號信噪比越有利。中國、歐洲、德國采用中國、歐洲、德國采用A律律目前，我國采用目前，我國采用A律律13折線（數(shù)字）代替曲線折線（數(shù)字）代替曲線第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換律壓縮特性律壓縮特性 律壓縮特性公式為：律壓縮特性公式為： y y （0 x1, 0 x1, 0y1 0y1） )1ln()1ln(x:壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)0 0時，相當(dāng)于無壓縮情況。時，相當(dāng)于無壓縮情況。 實用中取實用中取255255，律壓縮律壓縮特性可用特性可用1515折線來近似。折線來近似。美國、日本、加拿大采用美國、日本、加拿大采用u律律1=0 第第3 3章章

20、 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換5 5A A律律1313折線壓縮特性折線壓縮特性 將將x x、y y作歸一化處理作歸一化處理 將將x x軸按軸按2 2的冪次遞減分為的冪次遞減分為8 8段段, ,各分點為各分點為0 0 、1/1281/128、1/641/64、1/321/32、1/161/16、1/81/8、1/41/4 、1/21/2、1 1( (不不均勻均勻)將將y y軸均勻軸均勻分為分為8段段,各分點各分點為為0 0 、1/81/8、 2/82/8、3/83/8、4/84/8、5/85/8、6/86/8、7/87/8、1 1將對應(yīng)分點依次連接組成將對應(yīng)分點依次連接組成8 8段折

21、線從小到段折線從小到大依次為大依次為、段段第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換各段斜率、各段斜率、信噪比改善（信噪比改善（20lg斜率）斜率）段落段落x軸軸01/128/128 1/641/64 1/321/32 1/16 1/16 1/8 1/8 1/41/4 1/21/2 1y軸軸0 1/81/8 2/82/8 3/83/8 4/84/8 5/85/8 6/86/8 7/87/8 1斜率斜率y/ x161684211/21/4信噪比改善信噪比改善2424181260-6-121.1.第第、段斜率最大，信噪比段斜率最大，信噪比改善最多，即對小信號放大能力改善最多，即對小信

22、號放大能力最大最大2.2.正正7 7段，負(fù)段，負(fù)7 7段，共段，共7+7-1=137+7-1=13段段3.3.非均勻量化時，編非均勻量化時，編7 7位碼與均位碼與均勻量化編勻量化編1111位碼等同位碼等同第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 將每個大段落分為將每個大段落分為16個均勻的小段，共個均勻的小段，共816=128段段,則有則有128個量化值個量化值每個大段的起始值稱為起始電平每個大段的起始值稱為起始電平每大段內(nèi)均勻量化每大段內(nèi)均勻量化,段落間非均勻量化段落間非均勻量化表示表示128個量化值個量化值,因因27=128故需故需7位編碼位編碼,加上加上級性碼級性碼,共需

23、共需8位位 在在8大段中大段中,1、2段的量化級差最小為段的量化級差最小為(1/128)(1/16)=1/2048,將其作為將其作為,即即=1/2048均勻分均勻分成成1616小小段段x軸軸第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換段落段落段落長度段落長度1/1281/1281/641/321/161/81/41/2用用表示表示161632641282565121024量化級差量化級差1/20481/20481/10241/5121/2561/1281/64 1/32 用用表示表示248163264起始電平起始電平016326412825651210246.6.各段落的量化級差、

24、長度和起始電平各段落的量化級差、長度和起始電平第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換三、編碼與解碼三、編碼與解碼1. 1. PCM編碼編碼任務(wù)：是將已量化的任務(wù)：是將已量化的PAMPAM信號按一定的碼型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進制信號按一定的碼型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的二進制碼組，獲得碼組，獲得PCMPCM信號。信號。 常見碼型有普通二進制碼、折疊二進制碼常見碼型有普通二進制碼、折疊二進制碼 、格雷碼等。在、格雷碼等。在實際的實際的PCMPCM通信中通常采用通信中通常采用折疊二進制碼折疊二進制碼。 序號序號普通二進制碼普通二進制碼折疊二進制碼折疊二進制碼a1 a2 a3b1 b2 b371 1 1

25、1 1 161 1 01 1 051 0 11 0 141 0 01 0 030 1 10 0 020 1 00 0 110 0 10 1 000 0 00 1 1折疊二進制碼優(yōu)點折疊二進制碼優(yōu)點: :編碼電路簡單、小信編碼電路簡單、小信號誤差小號誤差小第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換C C7 7 C C6 6 C C5 5 C C4 4 C C3 3 C C2 2 C C1 1 C C0 0 極極性性碼碼段落碼段落碼段內(nèi)碼段內(nèi)碼幅度碼幅度碼極性碼：極性碼：C C7 7=1 =1 表示正樣值，表示正樣值，C C7 7=0 =0 表示負(fù)樣值表示負(fù)樣值 2.碼位安排碼位安排

26、結(jié)論結(jié)論:進行均勻量化時，相當(dāng)于（進行均勻量化時，相當(dāng)于（2112048）編）編11位碼位碼實際應(yīng)用時實際應(yīng)用時,量化和編碼一起完成量化和編碼一起完成第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 2.2.編碼與量化電平對應(yīng)關(guān)系編碼與量化電平對應(yīng)關(guān)系( (量化電平值量化電平值 編碼編碼)段落段落段落碼段落碼對應(yīng)量化值對應(yīng)量化值段落起始電平段落起始電平 段內(nèi)碼對應(yīng)量化值段內(nèi)碼對應(yīng)量化值C6 C5 C4 C3 C2 C1 C00 0 00 8 4 2 0 0 116 8 4 2 0 1 032 16 8 4 2 20 1 164 32 16 8 4 41 0 0128 64 32 16

27、8 81 0 1256 128 64 32 16 161 1 0512 256 128 64 32 321 1 11024 512 256 128 64 64思考：非思考：非均勻量化最大輸出電平是多少？均勻量化最大輸出電平是多少？ 若采用均勻量化，需幾位編碼？若采用均勻量化，需幾位編碼？ 量化級差量化級差第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換X X1010 X X9 9 X X8 8 X X7 7 X X6 6 X X5 5 X X4 4 X X3 3 X X2 2 X X1 1 X X0 0 若采用均勻量化，編若采用均勻量化，編1111位碼，各位碼所對應(yīng)的量化電平位碼，各位

28、碼所對應(yīng)的量化電平 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 11024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1 最大表示的量化電平值最大表示的量化電平值=1024+512+256+128+64+32+16+8+4+2+1=1024+512+256+128+64+32+16+8+4+2+1 =2047 =2047 第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 已知已知PCMPCM碼組碼組8 8位編碼為位編碼為1 111111100110011, ,求量化電平。求量化電平。譯碼譯碼例例4【解】：【解】：c c7 7 c c6 6 c c5 5

29、c c4 4 c c3 3 c c2 2 c c1 1 c c0 0 極極性性碼碼段落碼段落碼段內(nèi)碼段內(nèi)碼幅度碼幅度碼 （1 1）極性碼）極性碼x x1 1： c7 1 1 輸入信號為正電平（輸入信號為正電平（+ +） （2 2）段落碼）段落碼C6 C C4 4： x x6 6 x x5 5 x x4 4 111 111 此信號屬于第此信號屬于第大段，其段落起始電平大段，其段落起始電平10241024 （3 3）段內(nèi)碼）段內(nèi)碼C C3 3C C0 0： C C3 3 C C2 2 C C1 1 C C0 000001111 第第大段段內(nèi)碼所對應(yīng)的量化電平為大段段內(nèi)碼所對應(yīng)的量化電平為51251

30、2、256256、128128、 6464此信號段內(nèi)碼所對應(yīng)的量化電平為此信號段內(nèi)碼所對應(yīng)的量化電平為 521 5210 02562560 01281281 164641 1 192192此信號的量化電平為：此信號的量化電平為：1024102419219212161216第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換X X1010 X X9 9 X X8 8 X X7 7 X X6 6 X X5 5 X X4 4 X X3 3 X X2 2 X X1 1 X X0 0 若采用均勻量化，編若采用均勻量化，編1111位碼，各位碼所對應(yīng)的量化電平位碼，各位碼所對應(yīng)的量化電平 編碼為編碼為

31、1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 01 0 0 1 1 0 0 0 0 0 01024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 11024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1 第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換四、逐次比較型編碼原理四、逐次比較型編碼原理 PCMPCM系統(tǒng)常用的編碼方式有：系統(tǒng)常用的編碼方式有：逐次反饋型編碼器逐次反饋型編碼器、級聯(lián)型編碼、級聯(lián)型編碼器和混合型編碼器。器和混合型編碼器。用用天平對物體稱重，天平的標(biāo)稱砝碼有天平對物體稱重，天平的標(biāo)稱砝碼有7個：個：1g、2g、4g、8g、16g、32g、64g，問天平

32、能稱重的最大重量？，問天平能稱重的最大重量？有一物體，重量有一物體，重量41g41g，如何用最少的次數(shù)稱出物體的重量？如何用最少的次數(shù)稱出物體的重量？第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換41g32+8+1= 41g確定基礎(chǔ)砝碼（范圍）確定基礎(chǔ)砝碼（范圍） 1g 2g 4g 8g 16g 32g 64g基礎(chǔ)砝碼：基礎(chǔ)砝碼： 32g確定其他砝碼（精確）確定其他砝碼（精確） 41g= 32g（基礎(chǔ)）（基礎(chǔ)）+8g+1g用用7位二進制編碼表示：位二進制編碼表示：c c7 7 c c6 6 c c5 5 c c4 4 c c3 3 c2 2 c1 164 32 16 8 4 2 16

33、4 32 16 8 4 2 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1思考：思考：7位位PCM幅度碼為幅度碼為0101001所表示的量化電平時多少？所表示的量化電平時多少？第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換1.PCM1.PCM編碼原理編碼原理( (設(shè)樣值為設(shè)樣值為IS ) ) (1)(1)極性碼極性碼c c1 1的確定的確定 若輸入信號若輸入信號 0,0,則則 c c7 7=1=1；若；若0,0,則則 c c7 7=0=0 (2)(2)段落碼段落碼c c6 6c c4 4的確定的確定( (基礎(chǔ)砝碼基礎(chǔ)砝碼段落及起始電平段落及起始電平) )第第3 3章章 模

34、擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換段落電平段落電平016326412825651210242048第第1段段第第2段段第第3段段第第4段段第第5段段第第6段段第第7段段第第8段段下下4段段上上4段段第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換第一次比較第一次比較, ,確定確定C6:C6: 若若I IS S128,128,則則C6=1,C6=1,樣值在、段樣值在、段 反之反之, ,則則C6=0,C6=0,樣值在、段樣值在、段第二次比較第二次比較, ,確定確定C5:C5: 根據(jù)第一次比較的結(jié)果判斷根據(jù)第一次比較的結(jié)果判斷C5C5的值的值 確定樣值在、確定樣值在、 或、或、 或、或、

35、 或、段或、段 第三次比較第三次比較: : 根據(jù)第一、二次比較的結(jié)果判斷根據(jù)第一、二次比較的結(jié)果判斷C C4 4的值的值 并且具體確定樣值所在的段落和起始電平并且具體確定樣值所在的段落和起始電平 第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換（3 3） 段內(nèi)碼段內(nèi)碼C C3 3C C0 0的確定（其它砝碼）的確定（其它砝碼） 第第4 4、5 5、6 6、7 7次比較，次比較， 各次比較的標(biāo)準(zhǔn)電平為各次比較的標(biāo)準(zhǔn)電平為I Ir r, ,從而確定從而確定C3 3C0 021I Ir r = =段落起始電平段落起始電平 段落長度段落長度41I Ir r = =段落起始電平段落起始電平 段落

36、長度段落長度 段落長度段落長度25xI Ir r = =段落起始電平段落起始電平 段落長度段落長度 段落長度段落長度 段落長度段落長度25x46x81I Ir r = =段落起始電平段落起始電平 段落長度段落長度 段落長度段落長度 段落長度段落長度 段落長度段落長度25x46x8x7161根據(jù)去留確定根據(jù)去留確定C3 3C0 0C3 3C3 3C2 2C3 3C2 2C1 1第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 設(shè)輸入信號取樣值為設(shè)輸入信號取樣值為444444，試采用逐次比較法編碼器將其按，試采用逐次比較法編碼器將其按1313折折線線A A律壓擴特性編成律壓擴特性編成8 8

37、位二進制碼，并計算量化誤差和位二進制碼，并計算量化誤差和7 7位幅度碼所對應(yīng)的位幅度碼所對應(yīng)的1111位均勻量化碼。位均勻量化碼?！窘狻俊窘狻?（1 1）極性碼）極性碼C C7 7： 輸入信號為正電平，輸入信號為正電平，CC7 71 1 （2 2）段落碼）段落碼C C6 6C C4 4： 第一次比較第一次比較 I Ir r128 I128 Is s=444128 =444128 C C6 61 1 樣值在樣值在段段 第二次比較第二次比較 I Ir r512 512 I Is s=444512 =444256 =444256 C C4 41 1 樣值在樣值在段段 CC6 6C C4 4101 1

38、01 其段落起始電平其段落起始電平256 量化間隔量化間隔16 16 段內(nèi)碼所對應(yīng)的量化電平值為段內(nèi)碼所對應(yīng)的量化電平值為128643216 例例5第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 （3 3）段內(nèi)碼）段內(nèi)碼C C3 3C C0 0： 第四次比較第四次比較 I Ir r256256128=384 128=384 I Is s=444=444384 384 CC3 31(1(留留) ) 第五次比較第五次比較 I Ir r256256128+64=448 128+64=448 I Is s=444448 =444416 =444416 CC1 11(1(留留) ) 第七次比較

39、第七次比較 I Ir r 256256128+32+16=432128+32+16=432 I Is s=444432 =444432 CC0 01 (1 (留留) ) 樣值樣值+444+444所對應(yīng)的八位所對應(yīng)的八位PCMPCM編碼為編碼為1101101111011011第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 在接收端在接收端, ,解碼電平解碼電平= =碼字電平碼字電平+1/2+1/2量化間隔量化間隔=432+8=440=432+8=440 量化誤差量化誤差 440-444 =4 440-444 =4 若采用均勻量化，編若采用均勻量化，編1111位碼，各位碼所對應(yīng)的量化電平

40、位碼，各位碼所對應(yīng)的量化電平(432) x x1 1 x x2 2 x x3 3 x x4 4 x x5 5 x x6 6 x x7 7 x x8 8 x x9 9 x x1010 x x1111 1024 521 256 128 64 32 16 8 4 2 1 1024 521 256 128 64 32 16 8 4 2 1 編碼為編碼為 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 設(shè)輸入信號為設(shè)輸入信號為3.1V3.1V，最大幅度為，最大幅度為5V,5V,試采用逐次比較法編碼器將其按試采用逐次比較法編碼器將其按1313折線折線A

41、A律壓擴特性編成律壓擴特性編成8 8位二進制碼。并計算量化誤差和位二進制碼。并計算量化誤差和7 7位幅度碼所對應(yīng)位幅度碼所對應(yīng)的的1111位均勻量化碼。位均勻量化碼?！窘狻俊窘狻?歸一化電平值：歸一化電平值： 3.1/5=0.623.1/5=0.62 樣值樣值: 0.62: 0.62(1/2048)=+1270(1/2048)=+1270 例例5練習(xí)練習(xí) 設(shè)輸入信號樣值為設(shè)輸入信號樣值為-276,-276,試采用逐次比較法編碼器將其按試采用逐次比較法編碼器將其按1313折線折線A A律壓擴特性編成律壓擴特性編成8 8位二進制碼。并計算量化誤差和位二進制碼。并計算量化誤差和7 7位幅度碼所對應(yīng)的

42、位幅度碼所對應(yīng)的1111位位均勻量化碼。均勻量化碼。第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換2.逐次比較編碼器的構(gòu)成逐次比較編碼器的構(gòu)成第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換各部分的作用各部分的作用: :極性判決極性判決: :確定樣值信號的極性確定樣值信號的極性, ,輸出輸出C C7 7保持電路：保證在整個比較過程中輸入信號的幅度不變保持電路：保證在整個比較過程中輸入信號的幅度不變整流整流: :將信號整流，將雙極性變?yōu)閱螛O性，輸出幅度樣值將信號整流，將雙極性變?yōu)閱螛O性，輸出幅度樣值I Is s比較器：將輸入樣值比較器：將輸入樣值I Is s與標(biāo)準(zhǔn)值與標(biāo)準(zhǔn)值I

43、Ir r進行比較進行比較記憶電路：將前幾次的結(jié)果記憶下來，以便產(chǎn)生各標(biāo)準(zhǔn)值記憶電路：將前幾次的結(jié)果記憶下來，以便產(chǎn)生各標(biāo)準(zhǔn)值I Ir r7/117/11變換電路：將變換電路：將7 7位非均勻量化碼變成位非均勻量化碼變成1111位均勻量化碼位均勻量化碼恒流源：產(chǎn)生恒流源：產(chǎn)生1111位均勻量化碼的各基本權(quán)值位均勻量化碼的各基本權(quán)值 本地本地譯碼器譯碼器第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換（二）（二）PCMPCM解碼器解碼器 任務(wù)任務(wù):將將PCM碼組恢復(fù)成與發(fā)端的樣值信號相接近的脈沖信號碼組恢復(fù)成與發(fā)端的樣值信號相接近的脈沖信號,完成數(shù)完成數(shù)模變換模變換 極性控制極性控制: :

44、確定樣值信號的極性確定樣值信號的極性, ,輸出信號的極性輸出信號的極性7/127/12變換電路：將變換電路：將7 7位非均勻量化碼變成位非均勻量化碼變成1212位均勻量化碼（位均勻量化碼（/2）第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換四、四、PCMPCM信號的碼元速率和信道帶寬信號的碼元速率和信道帶寬 低通信號，最高速率為低通信號，最高速率為fmfm，抽樣速率，抽樣速率fsfs，量化電平數(shù)，量化電平數(shù)Q Q，每個電平的編碼位數(shù)為每個電平的編碼位數(shù)為k(k(二進制二進制)2)2k k=Q=Q 信息速率為信息速率為Rb=fslogRb=fslog2 2Q=kfs Q=kfs 信道帶

45、寬為信道帶寬為 B B實際實際=kfs =kfs 第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換4.3 4.3 增量調(diào)制（增量調(diào)制（MM）系統(tǒng)）系統(tǒng)一、增量調(diào)制的基本原理一、增量調(diào)制的基本原理 1.1.概念概念: :用用一位一位碼來表示信號瞬時值碼來表示信號瞬時值x(t)x(t)與前一個抽樣時刻的與前一個抽樣時刻的 量化值量化值x(t)x(t)之差的之差的符號符號(+,-)(+,-)進行編碼進行編碼2.2.編碼規(guī)則編碼規(guī)則 信號瞬時值信號瞬時值: x(t); : x(t); 前一時刻的量化值前一時刻的量化值: x(t);: x(t); 差值差值:e(t)= x(t)- x:e(t)=

46、 x(t)- x (t) (t) e(t)0, e(t)0, 則發(fā)則發(fā)“1”1”碼碼e(t )0,e(t )0, e(t)0,發(fā)發(fā)“1”1”碼且碼且上升一個上升一個 e(t)0, e(t)0,發(fā)發(fā)“0”“0”碼且碼且下降一個下降一個 x(t) x(t)可以用一串二進碼序列來表示，可以用一串二進碼序列來表示，實現(xiàn)了模實現(xiàn)了模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)轉(zhuǎn)換。 模擬信號模擬信號x(t)x(t)可用如圖所示的階梯可用如圖所示的階梯波形波形x x(t)(t)來逼近。來逼近。tx(t)x(t)第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換思考：思考：1.1.一個抽樣脈沖編幾位碼一個抽樣脈沖編幾位碼?PCM

47、?PCM呢呢? ?2. x(t) 2. x(t) 如何形成如何形成? ?3. x(t) 3. x(t) 連續(xù)上升、下降、波峰、波連續(xù)上升、下降、波峰、波谷處的編碼特點谷處的編碼特點? ?t第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換3.3.譯碼規(guī)則譯碼規(guī)則 收到收到“1”1”碼碼, ,上升上升一個臺階一個臺階收到收到“0”0”碼碼, ,下降下降一個臺階一個臺階第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換接收端：接收端：收到一個收到一個“1”1”碼就使輸出上碼就使輸出上升一個升一個值值收到一個收到一個“0”0”碼就使輸出下碼就使輸出下降一個降一個值值當(dāng)收到連當(dāng)收到連“1”

48、1”碼時，表示信碼時，表示信號連續(xù)增長，收到連號連續(xù)增長，收到連“0”0”碼碼時，表示信號連續(xù)下降時，表示信號連續(xù)下降收端恢復(fù)出與原模擬信號收端恢復(fù)出與原模擬信號x(t)x(t)近似的波形近似的波形x x0 0(t)(t)，從而實現(xiàn)了，從而實現(xiàn)了數(shù)數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換輸出波形可以是階梯波形或輸出波形可以是階梯波形或斜變波形斜變波形 x0(t)第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 4.4.增量調(diào)制系統(tǒng)簡單框圖：增量調(diào)制系統(tǒng)簡單框圖： 相減器：相減器：將信號瞬時值與前一個抽樣時刻的量化值相減將信號瞬時值與前一個抽樣時刻的量化值相減判決器：判別差值，輸出數(shù)字編碼判決器：判別差值，輸出數(shù)字編碼“1”1”、“0”0”積分器：將前時刻的波形積累積分器：將前時刻的波形積累LPFLPF：濾除高頻成分，恢復(fù)原始信號：濾除高頻成分，恢復(fù)原始信號第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 各點信號和波形：發(fā)端各點信號和波形：發(fā)端 模擬信號模擬信號x(t)階梯信號階梯信號x (t) 抽樣脈沖抽樣脈沖編碼信號編碼信號M差值信號差值信號e(t)= x(t)- x (t) t第第3 3章章 模擬信號的數(shù)字化變換模擬信號的數(shù)字化變換 各點信號和波形：收