通信原理吳資玉 模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸（2）

1、 Click to edit Master text styles Second level電子工業(yè)出版社*Click to edit Master title style通信原理第五章 模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸通信原理主要內(nèi)容 5.1 引 言5.2 模擬信號(hào)數(shù)字化的基本原理5.3 脈沖編碼調(diào)制（PCM）5.4 增量調(diào)制（M）5.5 語音壓縮編碼技術(shù)5.6 數(shù)字復(fù)接技術(shù)通信原理5.3 脈沖編碼調(diào)制PCM PCM調(diào)制系統(tǒng)1信號(hào)的壓縮與擴(kuò)張2 PCM編碼器和譯碼器3 PCM系統(tǒng)的噪聲性能4 差分脈沖編碼調(diào)制5通信原理脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(PCM)簡稱脈碼調(diào)制，是將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)的重要方法之一

2、。它已廣泛用于通信系統(tǒng)，特別是 通信系統(tǒng)。 PCM是一種最典型的語音信號(hào)數(shù)字化的波形編碼方式。 通信中PCM調(diào)制的特點(diǎn)：采用較簡單的非線性瞬時(shí)壓擴(kuò)方法，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)等效比特速率的壓縮。PCM調(diào)制方式簡單、無延時(shí)、透明性好。原理框圖通信原理原理框圖壓縮量化編碼信道抽樣譯碼擴(kuò)張低通濾波干擾A/D變換PAM在發(fā)送端進(jìn)行波形編碼，經(jīng)抽樣、壓縮、量化和編碼把模擬信號(hào)變換為二進(jìn)制碼組。 通信原理原理框圖壓縮量化編碼信道抽樣譯碼擴(kuò)張低通濾波干擾A/D變換PAM編碼后的PCM碼組經(jīng)信道傳輸。通信原理原理框圖壓縮量化編碼信道抽樣譯碼擴(kuò)張低通濾波干擾A/D變換PAM在接收端，對(duì)二進(jìn)制碼組譯碼、擴(kuò)張還原成量化后的樣值

3、脈沖序列，經(jīng)低通濾波后，便可得到重建信號(hào)f(t)通信原理脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng) 信號(hào)的頻率寬度為3003400Hz，國際上均采用抽樣頻率fs=8000Hz，為了保證一定的話音質(zhì)量，對(duì)每一抽樣值采用8比特編碼，即用8位二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行編碼，因此每一路標(biāo)準(zhǔn)話路的等效比特速率為：實(shí)際中的PCM系統(tǒng)，常常不是單路系統(tǒng)，而是采用時(shí)分多路復(fù)用的方法 通信原理脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)以30/32PCM端機(jī)為例，介紹PCM的系統(tǒng)組成話音信號(hào)的抽樣頻率為8000Hz，抽樣的間隔時(shí)間Ts1/fs125s為了時(shí)分復(fù)用將125 s分為32個(gè)時(shí)隙，即每個(gè)時(shí)隙為125 s /323.9 s 每個(gè)抽樣脈沖用8bit編碼，即8位二進(jìn)制脈沖作

4、一個(gè)碼組，一次放入各個(gè)時(shí)隙。為保證通信的正常進(jìn)行，每幀的起始時(shí)刻由幀定時(shí)信號(hào)決定，收端也應(yīng)有相應(yīng)的幀定時(shí)信號(hào)，收發(fā)兩端的幀定時(shí)信號(hào)必須同頻同相，即實(shí)現(xiàn)幀同步。通信原理脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)30/32PCM端機(jī)幀結(jié)構(gòu)示意圖通信原理脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)0時(shí)隙同步時(shí)隙：第一位都固定為1；偶幀的28位為幀同步碼；奇幀的第二位固定為“1，便于分開奇偶幀,第三位是幀失步告警碼，同步為“0，失步為“1，4-8位可供其他信息用，未占用時(shí)固定為“1 。16時(shí)隙標(biāo)志時(shí)隙：由8位碼組成，每4位傳一個(gè)話路的標(biāo)志信號(hào)，這樣每一幀能傳兩路標(biāo)志信號(hào)。同一路的標(biāo)志信號(hào)每隔16幀才傳送一次。故16幀為一復(fù)幀，0幀和16幀的標(biāo)志時(shí)隙可用來

5、傳復(fù)幀同步信號(hào)和告警信號(hào)。通信原理脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)30/32PCM端機(jī)每幀共有32個(gè)時(shí)隙，傳30路數(shù)字話音信號(hào)和2時(shí)隙的勤務(wù)信息。30/32PCM端機(jī)輸出的信號(hào)稱為一次群信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中，還可將多個(gè)一次群進(jìn)行準(zhǔn)同步復(fù)接PDH：即四個(gè)基群 一次群復(fù)接組成二次群，四個(gè)二次群組成三次群，四個(gè)三次群組成四次群，四個(gè)四次群組成五次群，或進(jìn)行同步復(fù)接SDH。通信原理5.3 脈沖編碼調(diào)制PCM PCM調(diào)制系統(tǒng)1信號(hào)的壓縮與擴(kuò)張2 PCM編碼器和譯碼器3 PCM系統(tǒng)的噪聲性能4 差分脈沖編碼調(diào)制5通信原理信號(hào)的壓縮與擴(kuò)張壓擴(kuò)，即壓縮與擴(kuò)張，是實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法。壓縮：是將經(jīng)量化的抽值信號(hào)先進(jìn)行非線性變換，使

6、原來的輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍變小，壓縮器是一個(gè)非線性變換電路，對(duì)小信號(hào)增益大，而對(duì)大信號(hào)那么增益小；將壓縮器輸出的信號(hào)再進(jìn)行均勻量化，從而改善小信號(hào)的量化信噪比。擴(kuò)張：是壓縮的反變換過程，在譯碼后用擴(kuò)張器恢復(fù)原抽樣信號(hào)。壓擴(kuò)的目的：是提高小信號(hào)時(shí)的量化信噪比，壓縮比特速率。通信原理信號(hào)的壓縮與擴(kuò)張壓擴(kuò)特性：多采用對(duì)數(shù)壓縮特性。如以下圖所示廣泛采用的特性是壓縮率為律和A律的對(duì)數(shù)特性。通信原理信號(hào)的壓縮與擴(kuò)張壓縮前信號(hào)壓縮后信號(hào)歸一化律特性歸一化A律特性通信原理壓縮方法模擬壓擴(kuò)法：采用先壓縮再均勻量化，編碼的方法。壓縮擴(kuò)張器用非線性元件實(shí)現(xiàn)。如用二極管實(shí)現(xiàn)，要求壓縮器與擴(kuò)張器的特性互補(bǔ)，難度大，易受溫

7、度影響，特性不穩(wěn)定，很少用。數(shù)字壓擴(kuò)法：直接利用數(shù)字電路和非線性技術(shù)，把壓縮和量化合成一體收端也把譯碼和擴(kuò)張合在一起構(gòu)成一個(gè)完整的脈沖編碼器和譯碼器，它依靠數(shù)字電路形成許多折線，用這些折線近似地逼近對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性?，F(xiàn)有的國際標(biāo)準(zhǔn)有兩種：一種是采用13 折線近似A 律壓縮特性，另一種是采用15 折線近似律壓縮特性。通信原理信號(hào)的壓縮與擴(kuò)張13折線A律15折線律通信原理13折線A律通信原理13折線A律A律13 折線是用13 段折線逼近A=87.6 的A律壓縮特性。把輸入x 軸和輸出y軸用兩種不同的方法劃分，按二次冪分割有利于數(shù)字化x軸在01歸一化范圍內(nèi)不均勻分成8 段，分段的規(guī)律是每次以二分之一對(duì)分

8、y軸在01歸一化范圍內(nèi)采用等分法，均勻分成8 段，每段間隔均為1/8。把x，y各對(duì)應(yīng)段交點(diǎn)連接起來構(gòu)成8 段直線通信原理13折線A律壓縮特性以原點(diǎn)為奇對(duì)稱，負(fù)方向也有8根折線，一共是16個(gè)線段正向1、2 段和負(fù)向1、2段斜率相同(均為16)，可視為一條直線段，正、負(fù)雙向折線由13條折線段組成13折線折線段落斜率1162163844526171/281/4各段落的斜率通信原理13折線分段的x值折線段落斜率1162163844526171/281/4折線分段時(shí)的xxy0001/1281/1281/81/641/60.62/81/321/30.63/81/161/15.44/81/81/7.795/

9、81/41/3.936/81/21/1.987/8111結(jié)論：13折線各段落分界點(diǎn)與曲線十分逼近通信原理13折線A律的量化噪聲功率話音信號(hào)服從拉普拉斯分布 不過載量化噪聲功率十三折線A律通信原理13折線A律的量化噪聲功率信號(hào)量化噪聲功率比與均勻量化比較，小信號(hào)時(shí)信噪比提高24dB通信原理13折線A律的量化噪聲功率結(jié)論：均勻量化要滿足SNR(dB)為20dB，動(dòng)態(tài)范圍為40dB，那么要求n=11，即需要11bit編碼用13折線A律壓縮后，只需n8，動(dòng)態(tài)范圍可以在47dB51dB范圍內(nèi)，能夠滿足話音通信中提出的動(dòng)態(tài)范圍為40dB的要求。不僅小信號(hào)時(shí)的信噪比提高了，量化器允許輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍增加了

10、，而且比特速率降低了。通信原理分段量化13折線A律15折線律通信原理15折線律15折線律是用15條折線來逼近=255時(shí)的律特性 與13折線A律相仿，x軸(0,V)間采用不均勻分段的方法，而y軸采用均勻分段。x軸y軸均分為8段，x軸的分段方法是每次減去V/255再1/2分級(jí)，因?yàn)檎?fù)方向第一段的斜率相同，所以是用15條折線來逼近律的。15折線律的特點(diǎn):第一段線的斜率約為32，相當(dāng)于小信號(hào)時(shí)信噪比可提高30dB，比13折線A律高6dB。但用二進(jìn)制編碼時(shí)沒有13折線A律方便。 通信原理5.3 脈沖編碼調(diào)制PCM PCM調(diào)制系統(tǒng)1信號(hào)的壓縮與擴(kuò)張2 PCM編碼器和譯碼器3 PCM系統(tǒng)的噪聲性能4 差分

11、脈沖編碼調(diào)制5通信原理PCM編碼器和譯碼器編碼器譯碼器PCM編碼和譯碼器集成電路 通信原理碼位的選擇和安排13折線編碼采用8位二進(jìn)制碼，對(duì)應(yīng)256個(gè)量化級(jí)，即正、負(fù)輸入幅度范圍內(nèi)各有128個(gè)量化級(jí)需要將13折線中的每個(gè)折線段再均勻劃分16個(gè)量化級(jí)正、負(fù)輸入的8個(gè)段落被劃分成128個(gè)不均勻量化級(jí)8位碼的安排通信原理8位碼的安排第1 位碼C1的數(shù)值“1或“0分別表示信號(hào)的正、負(fù)極性，稱為極性碼。第2 至第4 位碼C2C3C4為段落碼，代表8 個(gè)段落的起點(diǎn)電平。第5 至第8 位碼C5C6C7C8為段內(nèi)碼，這4 位碼的16 種可能狀態(tài)用來分別代表每一段落內(nèi)的16 個(gè)均勻劃分的量化級(jí)極性碼C1段落碼C2

12、 C3 C4段內(nèi)碼C5 C6 C7C8通信原理段落碼與各段的關(guān)系通信原理碼位的選擇和安排注意：在13 折線編碼方法中，雖然各段內(nèi)的16 個(gè)量化級(jí)是均勻的，但因段落長度不等，故不同段落間的量化級(jí)是非均勻的。第一、二段最短， 只有歸一化的1/128，再將它等分16 小段，每一小段長度為1/2048，這是最小的量化級(jí)間隔，它僅有輸入信號(hào)歸一化值的1/2048，記為，代表一個(gè)量化單位；第八段最長，每一小段歸一化長度為1/32 ，包含64 個(gè)最小量化間隔，記為64 。通信原理碼位的選擇和安排假設(shè)：以非均勻量化時(shí)的最小量化間隔 =1/2048 作為均勻量化的量化間隔從13 折線的第一段到第八段所包含的均勻

13、量化級(jí)數(shù)共有2048 個(gè)均勻量化級(jí)非均勻量化只有128 個(gè)量化級(jí)均勻量化需要編11 位碼，而非均勻量化只要編7 位碼 可見在保證小信號(hào)時(shí)的量化間隔相同的條件下，7 位非線性編碼與11 位線性編碼等效通信原理編碼原理逐次比較型編碼器原理編碼器的任務(wù)是根據(jù)輸入的樣值脈沖編出相應(yīng)的8 位二進(jìn)代碼。除第一位極性碼外，其他7 位二進(jìn)代碼是通過類似天平稱重物的過程來逐次比較確定的逐次比較型編碼的原理與天平稱重物的方法類似樣值脈沖信號(hào)相當(dāng)被測物，標(biāo)準(zhǔn)電平相當(dāng)天平的砝碼預(yù)先規(guī)定好一些作為比較標(biāo)準(zhǔn)的電流(或電壓)權(quán)值電流，用符號(hào)IW 表示。IW 的個(gè)數(shù)與編碼位數(shù)有關(guān)。樣值脈沖IS 到來，用逐步逼近的方法有規(guī)律地

14、用標(biāo)準(zhǔn)電流去和樣值脈沖比較ISIW ，出“l(fā)碼；反之出“0碼，直到和抽樣值逼近為止，完成對(duì)輸入樣值的非線性量化和編碼。目前用得較多通信原理逐次比較編碼器原理框圖全波整流參考電源PAM信號(hào)US|US|UR極性判決D1比較碼形成或門a2-a8a1PCM編碼輸出串/并變換記憶反饋碼a2-a7D1D2D87/11變換M2M3M811位線性解碼網(wǎng)絡(luò)B1B2B11本地解碼器通信原理逐次比較編碼器實(shí)現(xiàn)A律13 折線壓擴(kuò)特性的逐次比較型編碼器由整流器、極性判決、保持電路、比較器及本地譯碼電路等組成。極性判決比較器本地譯碼電路保持電路通信原理極性判決極性判決電路用來確定信號(hào)的極性。 輸入PAM 信號(hào)樣值為正時(shí)，

15、出“l(fā)碼； 樣值為負(fù)時(shí)，出“0碼； 將該信號(hào)經(jīng)過全波整流變?yōu)閱螛O性信號(hào)。通信原理逐次比較編碼器實(shí)現(xiàn)A律13 折線壓擴(kuò)特性的逐次比較型編碼器由整流器、極性判決、保持電路、比較器及本地譯碼電路等組成。極性判決比較器本地譯碼電路保持電路通信原理比較器比較器是編碼器的核心。作用是通過比較樣值電流IS和標(biāo)準(zhǔn)電流IW，對(duì)輸入信號(hào)抽樣值實(shí)現(xiàn)非線性量化和編碼。每比較一次輸出一位二進(jìn)代碼當(dāng)ISIW時(shí)，出“l(fā)碼；當(dāng)ISIW時(shí)，出“0碼。對(duì)一個(gè)輸入信號(hào)的抽樣值需要進(jìn)行7 次比較。通信原理逐次比較編碼器實(shí)現(xiàn)A律13 折線壓擴(kuò)特性的逐次比較型編碼器由整流器、極性判決、保持電路、比較器及本地譯碼電路等組成。極性判決比較器

16、本地譯碼電路保持電路通信原理本地譯碼器本地譯碼電路包括：記憶電路7ll 變換電路恒流源通信原理記憶電路記憶電路用來存放二進(jìn)代碼除第一次比較外，其余各次比較都要依據(jù)前幾次比較的結(jié)果來確定標(biāo)準(zhǔn)電流值7 位碼組中的前6 位狀態(tài)均應(yīng)由記憶電路存放下來。通信原理本地譯碼器本地譯碼電路包括：記憶電路7ll 變換電路恒流源通信原理7/11變換電路711 變換電路將7 位非線性碼轉(zhuǎn)換成ll 位線性碼。其實(shí)質(zhì)是完成非線性和線性之間的變換。13折線A律非線性碼與線性碼之間的關(guān)系通信原理13折線A律非線性碼與線性碼之間的關(guān)系通信原理本地譯碼器本地譯碼電路包括：記憶電路7ll 變換電路恒流源通信原理恒流源恒流源也稱1

17、1位線性解碼電路或電阻網(wǎng)絡(luò)，用來產(chǎn)生各種標(biāo)準(zhǔn)電流IW在恒流源中有11 個(gè)根本的權(quán)值電流支路，每個(gè)支路都由一個(gè)控制開關(guān)。每次應(yīng)該哪個(gè)開關(guān)接通形成比較用的標(biāo)準(zhǔn)電流IW，由前面的比較結(jié)果經(jīng)變換后得到的控制信號(hào)來控制。通信原理逐次比較編碼器實(shí)現(xiàn)A律13 折線壓擴(kuò)特性的逐次比較型編碼器由整流器、極性判決、保持電路、比較器及本地譯碼電路等組成。極性判決比較器本地譯碼電路保持電路通信原理保持電路保持電路的作用是在整個(gè)比較過程中保持輸入信號(hào)的幅度不變。逐次比較型編碼器編7 位碼(極性碼除外)需要在一個(gè)抽樣周期Ts以內(nèi)完成IS與IW的7 次比較，在整個(gè)比較過程中都應(yīng)保持輸入信號(hào)的幅度不變要求將樣值脈沖展寬并保持

18、通信原理編碼舉例 【例】設(shè)輸入信號(hào)抽樣值Is = +1270 其中 為一個(gè)量化單位，表示輸入信號(hào)歸一化值的1/2048，采用逐次比較型編碼器,按A 律13 折線編成8位C1C2C3C4C5C6C7C8通信原理確定極性碼C1輸入信號(hào)抽樣值IS為正，C111 確定極性碼通信原理 第一次比較結(jié)果2 確定段落碼確定段落碼C2C3C4段落碼C2 用來表示輸入信號(hào)抽樣值IS處于13 折線8個(gè)段落中的前四段還是后四段 可見IS處于后四段58段通信原理第二次比較結(jié)果確定段落碼C2C3C4段落碼C3 用來進(jìn)一步確定IS處于56段還是78段，故確定C3標(biāo)準(zhǔn)電流： 可見IS處于78段2 確定段落碼通信原理第三次比較

19、結(jié)果確定段落碼C2C3C4同理確定C4的標(biāo)準(zhǔn)電流： 可見IS處于第8段C2C3C4為111起始電平為10242 確定段落碼通信原理因此3 確定段內(nèi)碼確定段內(nèi)碼C5C6C7C8段內(nèi)碼是進(jìn)一步表示在該段落的哪一量化級(jí)量化間隔。第8 段的16個(gè)量化間隔均為： 可見IS處于前八級(jí)07量化間隔第四次比較結(jié)果通信原理確定段內(nèi)碼C5C6C7C8確定C6的標(biāo)準(zhǔn)電流 可見IS處于前四級(jí)04量化間隔第五次比較結(jié)果3 確定段內(nèi)碼通信原理確定段內(nèi)碼C5C6C7C8確定C7的標(biāo)準(zhǔn)電流 可見IS處于23量化間隔第六次比較結(jié)果3 確定段內(nèi)碼通信原理確定段內(nèi)碼C5C6C7C8確定C8的標(biāo)準(zhǔn)電流 可見IS處于序號(hào)為3的量化間隔

20、第七次比較結(jié)果3 確定段內(nèi)碼通信原理 4 結(jié)論經(jīng)過七次比較，對(duì)于模擬抽樣值+1270編出的PCM 碼組為11110011它表示輸入信號(hào)抽樣值處于第八段3 量化級(jí)，其量化電平為1216 ，量化誤差為54。7 位非線性碼11110011 對(duì)應(yīng)的11 位線性碼為原理框圖及時(shí)間波形通信原理原理框圖全波整流參考電源PAM信號(hào)US|US|UR極性判決D1比較碼形成或門a2-a8a1PCM編碼輸出串/并變換記憶反饋碼a2-a7D1D2D87/11變換M2M3M811位線性解碼網(wǎng)絡(luò)B1B2B11本地解碼器通信原理時(shí)間波形圖D1D1D7D8D8D1D1D2D3D4D5D6D7通信原理時(shí)間波形圖|US|URD1D

21、8D8D1D2D3D4D5D6D7D8D1D2D3D4D5D6D7D8DiD1Di|US|=1270UR2=128512UR31024UR41536UR51280UR61152UR71216UR8UR2=128下一路下權(quán)比較器輸出碼形成a3a2a4a5a6a7a81110011通信原理PCM編碼器和譯碼器編碼器譯碼器PCM編碼和譯碼器集成電路 通信原理譯碼原理定義譯碼的作用是把收到的PCM 信號(hào)復(fù)原成相應(yīng)的PAM 樣值信號(hào)，即進(jìn)行D/A變換A律13折線譯碼器譯碼舉例通信原理A律13折線譯碼器記憶電路時(shí)鐘脈沖D1D2D8.7/12變換C2C8.寄存讀出B1B12.12位線性解碼電路B1B12.P

22、AMPCM碼流極性控制C1A 律13 折線譯碼器與逐次比較型編碼器中的本地譯碼器基本相同，只是增加了極性控制部分和帶有寄存讀出的7/12 位碼變換電路通信原理A律13折線譯碼器記憶電路時(shí)鐘脈沖D1D2D8.7/12變換C2C8.寄存讀出B1B12.12位線性解碼電路B1B12.PAMPCM碼流極性控制C1串/并變換記憶電路的作用是將加進(jìn)的串行PCM 碼變?yōu)椴⑿写a，并記憶下來， 與編碼器中譯碼電路的記憶作用基本相同通信原理A律13折線譯碼器記憶電路時(shí)鐘脈沖D1D2D8.7/12變換C2C8.寄存讀出B1B12.12位線性解碼電路B1B12.PAMPCM碼流極性控制C1極性控制部分的作用是根據(jù)收到

23、的極性碼是“1”還是“0”來控制譯碼后PAM 信號(hào)的極性，恢復(fù)原信號(hào)極性。通信原理A律13折線譯碼器記憶電路時(shí)鐘脈沖D1D2D8.7/12變換C2C8.寄存讀出B1B12.12位線性解碼電路B1B12.PAMPCM碼流極性控制C17/12變換電路與編碼器的7/11變換電路類似，作用也是將7位非線性碼變成11位線性碼，為了減少量化噪聲，譯碼時(shí)補(bǔ)了半個(gè)量化級(jí)（所處段的半個(gè)量化級(jí)），故為7位非線性碼變成為12位線性碼。通信原理A律13折線譯碼器記憶電路時(shí)鐘脈沖D1D2D8.7/12變換C2C8.寄存讀出B1B12.12位線性解碼電路B1B12.PAMPCM碼流極性控制C1寄存讀出電路是將輸入的串行碼

24、在存儲(chǔ)器中寄存起來，待全部接收后再一起讀出，送入解碼網(wǎng)絡(luò)。通信原理A律13折線譯碼器記憶電路時(shí)鐘脈沖D1D2D8.7/12變換C2C8.寄存讀出B1B12.12位線性解碼電路B1B12.PAMPCM碼流極性控制C112 位線性解碼電路主要是由恒流源和電阻網(wǎng)絡(luò)組成，與編碼器中解碼網(wǎng)絡(luò)類同。它是在寄存讀出電路的控制下，輸出相應(yīng)的PAM信號(hào)通信原理譯碼原理定義譯碼的作用是把收到的PCM 信號(hào)復(fù)原成相應(yīng)的PAM 樣值信號(hào)，即進(jìn)行D/A變換A律13折線譯碼器譯碼舉例通信原理譯碼舉例碼組D1=1 【例】設(shè)收到的碼組11110011，將其譯碼輸出。 可見樣值脈沖為正極性1.極性碼通信原理碼組D2D3D411

25、1 可見樣值脈沖在第八段內(nèi)，第八段的起始電平為1024。 2.段落碼通信原理設(shè)段內(nèi)碼為自然二進(jìn)碼碼組段內(nèi)碼D5D6D7D80011 可見信號(hào)在第八段第三量化級(jí)，第八段的每個(gè)量化階距864對(duì)應(yīng)電平值3.段內(nèi)碼00110012864通信原理由所得的線性碼算出譯碼后的量化電平為：I信102412864321248對(duì)應(yīng)的十二位線性碼B11024B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11B1251225612864321684211/2100111000000說明：12位線性碼中第六位B6是為了減小量化誤差所加的半個(gè)量化級(jí)（8/2=32）。通信原理輸入：I信1270譯碼后：I信1248 可見相差22個(gè)

26、量化單位，少于k/2 如果不補(bǔ)上半個(gè)量化級(jí)，產(chǎn)生的最大誤差為58增加一位碼，使得量化噪聲功率減少6dBr誤差及說明通信原理PCM編碼器和譯碼器編碼器譯碼器PCM編碼和譯碼器集成電路 通信原理PCM編碼和譯碼器集成電路隨著大規(guī)模集成技術(shù)的開展，由大規(guī)模集成電路制成的PCM編碼器已廣泛應(yīng)用。這種集成電路大致可分為兩類：一類是把編碼器和譯碼器分別單獨(dú)制造一類是把二者合并在同一塊基片上。編譯碼器合在一起的又分兩種實(shí)施方案一種是多路公用編譯器一種是單路編譯碼器。集成編譯碼器具有體積小，耗電少，穩(wěn)定性高及本錢低的優(yōu)點(diǎn)，較典型的產(chǎn)品是美國Intel公司生產(chǎn)的2910A(律24路復(fù)用)，2911(A律)及29

27、14(A律)等。 通信原理5.3 脈沖編碼調(diào)制PCM PCM調(diào)制系統(tǒng)1信號(hào)的壓縮與擴(kuò)張2 PCM編碼器和譯碼器3 PCM系統(tǒng)的噪聲性能4 差分脈沖編碼調(diào)制5通信原理PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能PCM系統(tǒng)的噪聲主要有兩種因?yàn)榱炕a(chǎn)生的噪聲量化噪聲傳輸過程參加的噪聲，即加性干擾和乘性干擾。在信道理想的前提下與信道特性有關(guān)的乘性干擾可以忽略，而加性干擾那么始終存在。噪聲性能分析通信原理噪聲性能分析PCM系統(tǒng)接收端低通濾波器的輸出輸出的有用信號(hào)分量量化噪聲引起的輸出噪聲加性噪聲引起的輸出噪聲系統(tǒng)的總信噪比通信原理噪聲性能分析量化噪聲性能分析信道加性噪聲性能分析通信原理噪聲性能分析量化噪聲的影響前面已經(jīng)分析過

28、了，因此，將主要分析加性干擾下的信噪比通信原理噪聲性能分析量化噪聲性能分析信道加性噪聲性能分析通信原理信道加性噪聲性能分析加性噪聲的影響會(huì)使接收端判決出錯(cuò)，因此對(duì)PCM 系統(tǒng)性能的影響表現(xiàn)在接收端的判決誤碼。PCM 信號(hào)中每一碼組代表著一定的量化抽樣值，只要碼組中有一位碼發(fā)生錯(cuò)誤，接收端恢復(fù)的抽樣值就會(huì)與發(fā)端抽樣值不同，從而引起誤差。接收端判決出錯(cuò)的概率取決于信號(hào)的類型和接收機(jī)輸入端的平均信號(hào)噪聲功率比。誤碼性能分析通信原理誤碼性能分析假設(shè)加性噪聲為高斯白噪聲，每一碼組中出現(xiàn)的誤碼是彼此獨(dú)立的，每個(gè)碼元的誤碼率為Pe。實(shí)際的PCM系統(tǒng)，每個(gè)碼組中多于1個(gè)碼元出錯(cuò)的概率很低，通常只考慮碼組中僅有

29、1個(gè)碼元錯(cuò)誤的情況。由于碼組中各位碼的權(quán)值不同，因此，誤差的大小取決誤碼發(fā)生在碼組的哪一位上，而且與碼型有關(guān)。通信原理誤碼性能分析 【例】誤碼率pe104，碼組由8位碼組成 可見碼組中有一位錯(cuò)碼的錯(cuò)誤概率pe18pe8104=1/1250 ，即平均每發(fā)送1250個(gè)碼組有一個(gè)碼組發(fā)生錯(cuò)誤。有兩個(gè)碼元錯(cuò)誤概率pe2C82pe2107pe2 1誤碼造成的平均輸出噪聲功率m(t)在區(qū)間-a,a服從均勻分布輸出信號(hào)功率通信原理信道加性噪聲性能分析僅考慮加性噪聲時(shí)的系統(tǒng)信噪比PCM系統(tǒng)輸出端總信噪比 可見在接收端輸入大信噪比的條件下，Pe很小，可以忽略誤碼帶來的影響在小信噪比的條件下，Pe較大，誤碼噪聲起

30、主要作用，總信噪比與Pe成反比。通信原理5.3 脈沖編碼調(diào)制PCM PCM調(diào)制系統(tǒng)1信號(hào)的壓縮與擴(kuò)張2 PCM編碼器和譯碼器3 PCM系統(tǒng)的噪聲性能4 差分脈沖編碼調(diào)制5通信原理差分編碼調(diào)制問題的提出：PCM系統(tǒng)之所以能夠提供高的通信質(zhì)量，在于它采用了大的編碼位數(shù)，為此在頻帶方面付出了很大的代價(jià)。這將嚴(yán)重地限制了PCM在已經(jīng)相當(dāng)擁擠的那些頻段中應(yīng)用。壓縮PCM系統(tǒng)所占用的頻帶寬度也就成為人們密切關(guān)注的問題。DPCM就是為了到達(dá)這一目的而提出的PCM編碼通信原理預(yù)測通信DPCM是預(yù)測通信中最簡單的一種。預(yù)測通信的根本原理：利用模擬信號(hào)在觀察點(diǎn)tt0之前一個(gè)或假設(shè)干個(gè)抽樣點(diǎn)上的取值，對(duì)這個(gè)觀察點(diǎn)上

31、的取值進(jìn)行估計(jì)和預(yù)測。雖然預(yù)測值與實(shí)際值之間必然會(huì)存在著一定的誤差,但可以將誤差量化、編碼傳輸。收端將預(yù)測值加上誤差便可恢復(fù)原信號(hào)，由于誤差值一般比量化值小，從而到達(dá)壓縮比特速率的目的。通信原理預(yù)測通信大多數(shù)情況下，模擬信號(hào)在相鄰間隔上的抽樣值都比較接近，而且其變化的規(guī)律與前幾個(gè)抽樣點(diǎn)上的取值都比較接近，并且多數(shù)具有單調(diào)變化的趨勢(shì)。如以下圖所示：通信原理預(yù)測通信信號(hào)相關(guān)性愈大、的觀察點(diǎn)前的抽樣值愈多，預(yù)測愈準(zhǔn)確。令 是信號(hào)在觀察點(diǎn)t0上的實(shí)際抽樣值， 為其預(yù)測值，那么預(yù)測誤差值 為：接收端根據(jù)預(yù)測值和收到的預(yù)測誤差值復(fù)制出抽樣點(diǎn)上的實(shí)際信號(hào)預(yù)測通信通信原理預(yù)測通信預(yù)測通信，是一種理論上和實(shí)際上

32、都很有價(jià)值的通信方法。一般說來，預(yù)測誤差f(t0)的取值范圍，總是小于實(shí)際信號(hào)f(t0)的取值范圍。如果量化階距相等的話，傳輸預(yù)測誤差信號(hào)就可以采用較小的編碼位數(shù)N，從而到達(dá)壓縮頻率的目的。通信原理DPCM的特點(diǎn)DPCM的特點(diǎn)是直接利用前一個(gè)抽樣點(diǎn)上信號(hào)的量化電平作為預(yù)測值，無須復(fù)雜的運(yùn)算，是最簡單的預(yù)測通信。當(dāng)傳輸話音信號(hào)時(shí)，碼速32kb/s的DPCM系統(tǒng)的通話質(zhì)量，大致可到達(dá)64kb/s PCM的水平。在遠(yuǎn)距離時(shí)PCM話變成32kb/s的DPCM信號(hào)，可在傳輸信道中擴(kuò)大一倍 容量，而其接口仍滿足64kb/s 。這是編碼體制上的一個(gè)重要開展。通信原理DPCM原理框圖在一般PCM編碼中加一個(gè)減

33、法器和一個(gè)累加一延時(shí)器就可實(shí)現(xiàn)DPCM。在接收端的譯碼系統(tǒng)中，只要增加一個(gè)“累加一延時(shí)器 。通信原理DPCM的實(shí)際應(yīng)用單純的DPCM已用得不多，更多的是采用自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制AD-PCM。自適應(yīng)是指能自動(dòng)的改變量化間隔，使預(yù)測誤差電平大時(shí)增大量化階距，誤差電平小時(shí)縮短量化階距，從而進(jìn)一步降低量化噪聲。DPCM信號(hào)的編碼位n最低為2，即2比特量化。如果把n降到1，成為1比特量化，就是增量調(diào)制M。通信原理主要內(nèi)容 5.1 引 言5.2 模擬信號(hào)數(shù)字化的基本原理5.3 脈沖編碼調(diào)制（PCM）5.4 增量調(diào)制（M）5.5 語音壓縮編碼技術(shù)5.6 數(shù)字復(fù)接技術(shù)通信原理5.4 增量調(diào)制M 增量調(diào)制的基

34、本原理1簡單增量調(diào)制2改進(jìn)型增量調(diào)制3通信原理增量調(diào)制的根本原理增量調(diào)制簡稱M或DM，它是繼PCM 后出現(xiàn)的又一種模擬信號(hào)數(shù)字傳輸?shù)姆椒?。M 只用一位編碼表示相鄰樣值的相對(duì)大小，從而反映抽樣時(shí)刻波形的變化趨勢(shì)，而與樣值本身的大小無關(guān)。與PCM 編碼方式相比,M具有編譯碼設(shè)備簡單，低比特率時(shí)的量化信噪比高，抗誤碼特性好等優(yōu)點(diǎn)。通信原理增量調(diào)制的根本原理增量調(diào)制可以看成是DPCM的特例，它用1位二進(jìn)制碼元表示預(yù)測誤差信號(hào)的極性。抽樣間隔時(shí)間符號(hào)函數(shù)實(shí)際信號(hào)f(nTs前一時(shí)刻抽樣值預(yù)測誤差發(fā)“1”，上升發(fā)“0”，下降通信原理逼近過程時(shí)間連續(xù)編碼的模擬信號(hào)用階梯波形逼近時(shí)間間隔為Ts相鄰幅度差或只要T

35、s足夠小，即抽樣速率足夠高，足夠小，階梯波f(t)可以代替f(t)通信原理階梯波逼近f(t)f(t)f(t)t010101111110t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12通信原理階梯波的特點(diǎn)階梯波f(t) 有兩個(gè)特點(diǎn)在每個(gè)t 間隔內(nèi)，f(t) 的幅值不變。相鄰間隔的幅值差不是+上升一個(gè)量化階就是-下降一個(gè)量化階 可見利用這兩個(gè)特點(diǎn)，用“1碼和“0碼分別代表f(t) 上升或下降一個(gè)量化階， f(t) 就被一個(gè)二進(jìn)制序列表征。通信原理增量調(diào)制的根本原理增量調(diào)制實(shí)際上是用階梯波逼近模擬信號(hào)。抽樣頻率越高,即Ts1/fs越小，越小,階梯波就越逼近f(t)，誤差就越小。譯碼：接收端收到

36、個(gè)“l(fā)碼就使輸出上升收到“0碼就便輸出下降連續(xù)收到“1碼或“0碼輸出電壓就一直上升或下降，近似復(fù)制出階梯波形f(t)。實(shí)際上是階梯形的量化電壓，所以經(jīng)過低通濾波器后，即可得到原信號(hào)在收端的復(fù)制品f(t)。 通信原理斜變波的逼近也可用斜變波f(t)近似f(t)，斜變波也有兩種變化按斜率/t上升一個(gè)量階；按斜率-/t下降一個(gè)量階。用“1 碼表示正斜率，用“0碼表示負(fù)斜率，同樣可以獲得二進(jìn)制序列。通信原理階梯波的獲得完成復(fù)制階梯波功能的譯碼器可以由一個(gè)積分器來完成，常用的是RC積分電路。 斜變波：抽樣點(diǎn)上與階梯波等效解調(diào)器框圖斜變波經(jīng)低通濾波器得到復(fù)制的模擬信號(hào)積分器低通濾波器通信原理編碼器框圖也可

37、以是一個(gè)RC積分電路 輸入本地譯碼器輸出抽樣判決輸出通信原理5.4 增量調(diào)制M 增量調(diào)制的基本原理1簡單增量調(diào)制2 改進(jìn)型增量調(diào)制3通信原理簡單增量調(diào)制過載特性量化信噪比 動(dòng)態(tài)范圍 編碼范圍 加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響 通信原理過載特性在RC積分電路選定，抽樣頻率fs已經(jīng)確定的條件下，為定值，斜變波的斜率也是定值，即斜率=/Tsfs，Ts為碼元寬度，fs為抽樣頻率。當(dāng)模擬輸入信號(hào)斜率陡變時(shí)，本地譯碼器輸出信號(hào)f(t) 跟不上信號(hào)f(t)的變化， f(t)與f(t)之間的誤差明顯增大，引起譯碼后的嚴(yán)重失真，這種現(xiàn)象稱為過載現(xiàn)象，產(chǎn)生的失真稱為過載失真此時(shí)有：通信原理過載特性為了防止過載失真，應(yīng)使得：模

38、擬信號(hào)斜率不過載條件臨界過載振幅允許信號(hào)幅度設(shè)最大允許編碼電平通信原理過載特性 可見當(dāng)信號(hào)斜率一定時(shí)，允許信號(hào)的幅度隨信號(hào)頻率的增加而減小，這將導(dǎo)致語音高頻段信號(hào)量化信噪比下降。最大允許編碼電平令通信原理簡單增量調(diào)制過載特性量化信噪比 動(dòng)態(tài)范圍 編碼范圍 加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響 通信原理量化信噪比1.量化噪聲功率誤差 在 均勻分布概率密度函數(shù)噪聲功率譜密度量化噪聲2.量化信噪比過載臨界信號(hào)幅度最大信號(hào)功率信噪比通信原理量化信噪比在單路的M系統(tǒng)中，由于是用一位二進(jìn)制碼元進(jìn)行傳輸，所以一般說來碼元比特速率等于抽樣頻率。要到達(dá)SNR=40dB左右，fs要等于80kHz左右，即碼元比特速率為80kb/s

39、左右,1個(gè)話音信號(hào)經(jīng)M調(diào)制后占帶比PCM還要寬簡單M系統(tǒng)僅用于信噪比要求不高的低質(zhì)量通信中。 通信原理簡單增量調(diào)制過載特性量化信噪比 動(dòng)態(tài)范圍 編碼范圍 加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響 通信原理動(dòng)態(tài)范圍調(diào)制器的動(dòng)態(tài)范圍有通信原理動(dòng)態(tài)范圍 【例】設(shè)一簡單增量調(diào)制系統(tǒng)，：SNR(dB)=20dB，fs=64KHz,f=800Hz,Fm=4000Hz,求其動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍：通信原理簡單增量調(diào)制過載特性量化信噪比 動(dòng)態(tài)范圍 編碼范圍 加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響 通信原理編碼范圍增量調(diào)制器不可能對(duì)任何幅值的信號(hào)都進(jìn)行編碼。當(dāng)輸入信號(hào)小于某一幅值A(chǔ)k時(shí)就不能編碼了。這個(gè)剛開始編碼的正弦電平信號(hào)幅值叫作最小編碼電平。M調(diào)制

40、器輸出的是“1“0交替的代碼，小于|/2|的區(qū)域?yàn)榉蔷幋a區(qū)或空載區(qū)。最小編碼電平 當(dāng)輸出“1下一次比較電壓輸出“0通信原理編碼范圍我們通常把臨界條件下的Amax和Ak比值的dB數(shù)叫作簡單增量調(diào)制的編碼范圍與動(dòng)態(tài)范圍的區(qū)別：不受最小信噪比SNRdBmin的限制。在輸入信號(hào)幅度為Ak時(shí)，信噪比不一定能夠滿足所要求的最小信噪比通信原理編碼范圍當(dāng)f800Hz時(shí)，抽樣頻率fs與DedB的關(guān)系?？梢姡ＷC最小編碼范圍30dB，須fs=80Hz通信原理簡單增量調(diào)制過載特性量化信噪比 動(dòng)態(tài)范圍 編碼范圍 加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響 通信原理加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響被傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)疊加了加性噪聲就有可能出現(xiàn)誤碼。對(duì)于雙

41、極性二進(jìn)碼，誤碼就是使原來的碼改變了極性，它可以看成是原碼和一個(gè)極性相反、幅度加倍2E的錯(cuò)碼相迭加。假設(shè)每個(gè)碼元出錯(cuò)的概率為Pe，E為信號(hào)碼元脈沖的電壓幅度錯(cuò)碼的平均功率為：由于錯(cuò)誤碼元的寬度等于Ts，功率譜密度主要集中在0到第一個(gè)零點(diǎn)(1/ Ts)的頻帶范圍內(nèi)。通信原理加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響功率譜密度在0fs/2)內(nèi)可以認(rèn)為是平坦的，而其余的范圍內(nèi)可認(rèn)為功率譜為零。其功率譜密度為：錯(cuò)碼經(jīng)RC積分器譯碼再經(jīng)低通濾波器輸出傳遞函數(shù)： 通信原理加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響 積分器輸出的噪聲功率譜密度為：當(dāng)f0時(shí)， Pn0f 。這說明，在f0時(shí)Pn0f是沒有定義的。實(shí)際的話音信號(hào)ft是帶通信號(hào)，最低頻率大于零

42、頻率，其頻帶為f1，fm，噪聲通過低通濾波器后的輸出功率Nqo：通信原理加性噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響 設(shè)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，那么信號(hào)功率為:在僅有加性噪聲影響時(shí),M系統(tǒng)和PCM系統(tǒng)的信噪比不同，它不僅與誤碼率Pe成反比，還與f1 、fs、m和f有關(guān)。它與fs和低通濾波器的低端截止頻率f1的乘積成正比，與輸入信號(hào)測試頻率f2成反比通信原理5.4 增量調(diào)制M 增量調(diào)制的基本原理1簡單增量調(diào)制2 改進(jìn)型增量調(diào)制3通信原理改進(jìn)型增量調(diào)制簡單增量調(diào)制的缺點(diǎn):動(dòng)態(tài)范圍小頻率特性較差容易過載為了提高增量調(diào)制系統(tǒng)的性能，實(shí)際中往往采用它的改進(jìn)形式。常用的改進(jìn)形式有增量總和 調(diào)制，自適應(yīng)增量調(diào)制等。通信原理改進(jìn)型增量調(diào)制增量總和()調(diào)制自適應(yīng)增量調(diào)制 通信原理增量總和調(diào)制調(diào)制是一種改善了高頻特性的增量調(diào)制話音信號(hào)的功率譜在高頻端是下降的一般的 機(jī)都具有增加高頻電平的預(yù)加重特性，話音信號(hào)在2504KHz之間近似為平坦的功率譜。預(yù)加重對(duì)抗干擾，提高話音清晰度是有利的，但進(jìn)行增量調(diào)制編碼，頻率響應(yīng)將不適應(yīng)，必須加以改進(jìn)。調(diào)制是為此目的而改進(jìn)的增量調(diào)制方式。通信原理增量總和調(diào)制為了防止高頻過載，使信號(hào)與編碼器的過載特性匹配，可以先將具有均勻譜的信號(hào)通過一個(gè)與解調(diào)積分器有相同特性的RC積分器在收端積分器之后，加一個(gè)與積分器特性相反的微分電路