lx-通信概論-脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制

3.1

引言

3.2

模擬信號(hào)的抽樣（抽樣定理）

3.3

脈沖振幅調(diào)制（PAM）

3.4

模擬抽樣信號(hào)的量化

3.5

脈沖編碼調(diào)制（PCM）

3.6

差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）系統(tǒng)

3.7

增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)

第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制本章內(nèi)容簡(jiǎn)介一.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)聲強(qiáng)

炭精送話器

電壓VR

炭精

tRVRt

E

(a)聲信號(hào)(b)聲電轉(zhuǎn)換電路(c)電信號(hào)

圖3-1

聲波通過(guò)炭精送話器產(chǎn)生模擬話音信號(hào)

■模擬信號(hào)3.1引言第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制模擬話音信號(hào)的特點(diǎn)：●時(shí)間取值連續(xù)性

時(shí)間取值連續(xù)性表明在任意小的時(shí)間段（⊿t≠0）內(nèi)的這種信號(hào)必須用無(wú)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)值來(lái)表達(dá)?！穹热≈颠B續(xù)性

幅度取值連續(xù)性表明在任意小的限定幅度（最大Vmax，最小Vmin，且Vmax-Vmin≠0）范圍內(nèi)，任一時(shí)刻的信號(hào)幅度有無(wú)限多的取值可能。

我們通常把時(shí)間段（⊿t≠0）內(nèi)的這種必須用無(wú)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)值來(lái)表達(dá)，其幅度有無(wú)限多種取值可能（盡管有最大，最小值限制）的這種模擬信號(hào)稱(chēng)作連續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)，而把時(shí)間上不連續(xù)的模擬信號(hào)為離散時(shí)間模擬信號(hào)。

一.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)3.1引言■模擬信號(hào)第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制數(shù)字信號(hào)是時(shí)間和幅度取值都不連續(xù)的(稱(chēng)為離散的)信號(hào)。

TsTsT

10101101

t1t2t3t4t5t6t7t8t

（a）二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)

10213221

t1t2t3t4t5t6t7t8t

（b）四進(jìn)制數(shù)字信號(hào)

圖3-2典型的兩種數(shù)字信號(hào)

上圖示出的兩種數(shù)字信號(hào)都是單極性（只有正電平和零電平，沒(méi)有負(fù)電平）的不歸零（代表“1”或“2”和“3”的正脈沖電平維持整個(gè)碼元寬度Ts）矩形碼。實(shí)際中可能采用雙極性（不僅有正電平和零電平，還有負(fù)電平）的，或者是歸零碼（代表“1”或“2”和“3”的正脈沖電平維持一定寬度τ，τ≤Ts），碼的形狀也不一定是矩形。

一.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)3.1引言■數(shù)字信號(hào)第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制①?gòu)?qiáng)的抗干擾能力

數(shù)字信號(hào)只要畸變的程度被控制在不超過(guò)某一限度，接收端可以無(wú)失真地恢復(fù)原信號(hào)。

（a）發(fā)送數(shù)字信號(hào)

（b）受干擾畸變的信號(hào)

（c）再生判決時(shí)鐘

（d）恢復(fù)的數(shù)字信號(hào)

圖3-3從受干擾畸變的信號(hào)中正確再生原始數(shù)字信號(hào)

一.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)3.1引言■數(shù)字通信的優(yōu)越性第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制一.強(qiáng)的抗干擾能力二.傳輸距離遠(yuǎn)，信號(hào)質(zhì)量好三.便于加密，保密性強(qiáng)四.能夠進(jìn)行時(shí)分多路復(fù)用便于與各種非話數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)綜合便于處理設(shè)備的大規(guī)模集成電路化■數(shù)字通信的缺點(diǎn)●占用頻帶較寬（一路模擬話音占用頻帶約4kHz，而一路PCM數(shù)字話音信號(hào)要占用頻帶60kHz以上）?！駭?shù)字信號(hào)傳輸處理設(shè)備較復(fù)雜，技術(shù)要求較高。一.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)3.1引言■數(shù)字通信的優(yōu)越性第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制抽樣量化編碼抽樣器量化器編碼器連續(xù)模擬信號(hào)離散模擬信號(hào)多進(jìn)制數(shù)字信號(hào)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)

e(t)es(t)eq(t)c(t)

抽樣脈沖序列s(t)

圖3-4

從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的三個(gè)階段

二.模擬信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程3.1引言第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制（b）抽樣脈沖序列

v70v1v2v3v4v5v6Vmax

e（t）

0Ts

2Ts3Ts4Tst

（a）連續(xù)模擬信號(hào)

s（t）

0Ts

2Ts3Ts4Tst

圖3-5

抽樣器輸入的典型連續(xù)模擬信號(hào)與抽樣脈沖序列

二.模擬信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程3.1引言第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制c（t）

100111100001

0Ts

2Ts

3Ts4Tst

（c）編碼器輸出的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)

圖3-6典型模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換波形示意圖

e（t）

v70v1v2v3v4v5v6Vmax

0Ts

2Ts3Ts4Tst

（a）抽樣器輸出的離散模擬信號(hào)⊿v

（b）量化器輸出的多進(jìn)制（M=8）數(shù)字信號(hào)量化誤差二.模擬信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程3.1引言第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制三.模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸3.1引言模擬信源模擬信宿模擬信號(hào)數(shù)字化數(shù)字信號(hào)模擬化數(shù)字傳輸系統(tǒng)噪聲圖3-7模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸抽樣、量化、編碼譯碼、低通濾波圖3-8匯接交換和中繼傳輸?shù)臄?shù)字化舉例模擬用戶終端模擬市話交換機(jī)模擬市話交換機(jī)模擬用戶終端數(shù)字匯接交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.2模擬信號(hào)的抽樣(抽樣定理)一．抽樣定理

抽樣定理表明：一個(gè)頻帶限制在0～fH

赫茲內(nèi)的連續(xù)時(shí)間信號(hào)m(t)，如果以不大于1/2fH秒的時(shí)間間隔對(duì)它進(jìn)行等間隔抽樣，則m(t)將被得到的抽樣值信號(hào)ms(t)完全確定。這一準(zhǔn)則稱(chēng)為奈奎斯特準(zhǔn)則。我們通常把1/2fH秒的時(shí)間間隔稱(chēng)作奈奎斯特抽樣間隔，把它的倒數(shù)2fH（單位“赫茲”）稱(chēng)作奈奎斯特抽樣頻率，這是保證從抽樣值恢復(fù)原始模擬信號(hào)所要求的最低抽樣速率。實(shí)際在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣時(shí)所使用的抽樣頻率fs應(yīng)滿足：

fs

≥2fH第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.2模擬信號(hào)的抽樣(抽樣定理)二．抽樣信號(hào)及頻譜m(t)

M(ω)

t

-ωH0ωHω

(a)連續(xù)模擬信號(hào)及頻譜

Tt

ωs=2π/T

ω

(b)抽樣沖激序列及頻譜

ms(t)

=m(t)δωs

(t)

Tt

-ωs-ωH0ωHωsω

圖3-9抽樣后信號(hào)ms(t)的波形及頻譜

(3.2-1)(3.2-2)(3.2-3)當(dāng)fs

≥2fH或ωs≥2ωH時(shí)，利用截頻為fH

的低通濾波器就可以從m

s(t)中恢復(fù)m(t)第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.2模擬信號(hào)的抽樣(抽樣定理)三．模擬信號(hào)的恢復(fù)Tt

-ωs-ωH0ωHωsω

(9.2-2)(3.2-3)模擬信號(hào)m(t)ms(t)

=m(t)δωs

(t)

(9.2-1)從ms(t)恢復(fù)原模擬信號(hào)m

(t),將其通過(guò)截止頻率為fH

(或ωH)的理想低通濾波器G2ωH(ω)即可。設(shè)低通濾波器增益為1,則(3.2-4)m(t)第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.2模擬信號(hào)的抽樣(抽樣定理)三．模擬信號(hào)的恢復(fù)對(duì)于應(yīng)用時(shí)域卷積定理，可得(3.2-4)m(t)(3.2-5)Tt模擬信號(hào)m(t)圖3-10第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制帶限濾波器抽樣電路m(t)ms(t)s(t)抽樣的實(shí)現(xiàn)低通濾波器m(t)抽樣的恢復(fù)CMOS模擬開(kāi)關(guān)

連續(xù)模擬信號(hào)m(t)輸出離散抽樣信號(hào)ms(t)

抽樣脈沖序列

s(t)

圖3-11

抽樣的CMOS模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)3.2模擬信號(hào)的抽樣(抽樣定理)四．抽樣與恢復(fù)的實(shí)現(xiàn)H(f)

fH

是原來(lái)連續(xù)模擬信號(hào)的最高頻率-fH

0fH

f

圖3-12抽樣恢復(fù)的低通特性

H(f)

當(dāng)fs

>2fH時(shí)，非理想低通也可恢復(fù)連續(xù)模擬信號(hào)-fH

0fH

f

第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制■設(shè)帶通模擬信號(hào)最高頻率fH是帶寬B的整數(shù)倍，即fH

=nB則最小抽樣頻率只須滿足fs

=2B

，便可得到如下抽樣后信號(hào)ms(t)的頻譜0fs3fsf-fs-3fsMs(ω)2fs-2fs3.2模擬信號(hào)的抽樣(抽樣定理)五．帶通信號(hào)的抽樣與恢復(fù)對(duì)于帶通型連續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)m(t)，其頻譜如下可以證明，抽樣頻率不一定要滿足fs

≥2fH。0fH-BfHf-fH+B-fHM(ω)從頻譜可見(jiàn)，只要將抽樣后信號(hào)ms(t)通過(guò)一與原連續(xù)模擬信號(hào)頻帶相應(yīng)的帶通濾波器，便可恢復(fù)原連續(xù)模擬信號(hào)m(t)

。第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制■對(duì)于帶通模擬信號(hào)最高頻率fH不是帶寬B的整數(shù)倍情況，設(shè)

fH

=nB+kB

n是fH/B的最大整數(shù)，0<k<1.

可以證明，最小抽樣頻率只須滿足

fs

=2B+2(fH

–nB)/n=2B(1+k/n)即可。該情況下，頻譜間不發(fā)生重疊(有隔離帶),利用原連續(xù)模擬信號(hào)頻帶相應(yīng)的帶通濾波器，可恢復(fù)原連續(xù)模擬信號(hào)m(t)

。0fs3fsf-fs-3fsMs(ω)2fs-2fs(3.2-6)(3.2-7)(3.2-8)3.2模擬信號(hào)的抽樣(抽樣定理)五．帶通信號(hào)的抽樣與恢復(fù)第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制圖3-13常見(jiàn)脈沖調(diào)制波形示意圖3.3幾種常見(jiàn)脈沖調(diào)制波形基帶模擬信號(hào)m(t)t脈沖載波s(t)t脈沖振幅調(diào)制PAMt脈沖寬度調(diào)制PDMt脈沖位置調(diào)制PPMt第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.4模擬抽樣信號(hào)的量化

量化是將具有無(wú)限數(shù)目取值范圍的離散抽樣信號(hào)用有限個(gè)固定電平的脈沖信號(hào)來(lái)近似表示。這種有限個(gè)固定電平的脈沖信號(hào)原則上就是數(shù)字信號(hào)。根據(jù)這有限個(gè)固定電平（應(yīng)該在模擬信號(hào)的幅度范圍之內(nèi)，對(duì)于單極性信號(hào)為0～Vmax，對(duì)于雙極性信號(hào)為-Vmax

～+Vmax）的選取和劃分方法，量化分為●均勻量化—M個(gè)量化電平間隔(量化階步)Δv=qi+1-qi相等?！?/p>

非均勻量化—M個(gè)量化電平間隔Δv=qi+1-qi不相等。m(t)ms(t)=m(kTs)mq(t)=mq(kTs){q0,q2,……,qM-1}抽樣器量化器第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制m1m2m3m4m5m6m7m0m8q8q7q6q5q4q3q2q1Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts8Ts9Ts10TstΔv3.4.1均勻量化3.4模擬抽樣信號(hào)的量化均勻量化將輸入信號(hào)的變化范圍均勻分為M等份，設(shè)被抽樣模擬信號(hào)幅度變化范圍a～b，則M份均勻量化的量化間隔為

(3.4-1)量化誤差±0.5Δv量化值mq量化區(qū)間圖3-17四舍五入均勻量化過(guò)程示意圖量化值mq抽樣值ms(3.4-2)第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.4.1均勻量化

量化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生誤差，稱(chēng)為量化誤差。當(dāng)模擬信號(hào)采樣值幅度落在i⊿v～(i＋1)⊿v之間時(shí)●若用i⊿v表示(只舍不入量化法)，則最大量化誤差為⊿v；●若依四舍五入方法取i⊿v或(i+1)⊿v時(shí)，最大量化誤差為

0.5⊿v。前者的較大量化誤差，事實(shí)上可以在接收方從編碼信號(hào)恢復(fù)抽樣值時(shí)給其0.5⊿v的增加量予以補(bǔ)償，即可做到和四舍五入近似法等效。

3.4模擬抽樣信號(hào)的量化■四舍五入量化法和只舍不入量化法第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.4.1均勻量化3.4模擬抽樣信號(hào)的量化■均勻量化的量化噪聲功率和量化信噪比平均量化噪聲功率

(3.4-3)量化信噪比平均信號(hào)功率

(3.4-4)第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制[例3.4.1]設(shè)模擬抽樣在-a～+a范圍內(nèi)等概率取值，試求量化過(guò)程中產(chǎn)生的平均量化噪聲功率、平均信號(hào)功率和量化信噪比。3.4.1均勻量化3.4模擬抽樣信號(hào)的量化■均勻量化的量化噪聲功率和量化信噪比①平均量化噪聲功率②平均信號(hào)功率③量化信噪比第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.4.2非均勻量化3.4模擬抽樣信號(hào)的量化

均勻量化較易于實(shí)現(xiàn)，但均勻量化的量化誤差（如0.5⊿v）不隨被量化信號(hào)的幅度變化。這意味著，當(dāng)信號(hào)幅度很小時(shí)，量化信噪比很小。這對(duì)于小數(shù)值概率比大數(shù)值概率要大得多的話音抽樣信號(hào)來(lái)說(shuō)及為不利，解決的辦法是非均勻量化。

非均勻量化和均勻量化不同的是，這M個(gè)量化電平之間的間隔，即量化間隔或量化階步是不相等的。為改善小信號(hào)區(qū)的量化信噪比，在量化電平數(shù)目M不變情況下，大信號(hào)區(qū)使用的量化階步較大；小信號(hào)區(qū)使用的量化階步較小。在量化電平數(shù)目M不變情況下，非均勻量化用于改善小信號(hào)的量化信噪比性能，但會(huì)對(duì)大信號(hào)量化的量化信噪比帶來(lái)一定的損失。第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制■非均勻量化的實(shí)現(xiàn)原理與方法壓縮編碼解碼擴(kuò)張均勻量化信道

抽樣值恢復(fù)值圖3-18

通過(guò)發(fā)送方的壓縮和接收方的擴(kuò)張實(shí)現(xiàn)非均勻量化

3.4.2非均勻量化3.4模擬抽樣信號(hào)的量化第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制壓縮器均勻量化器7輸出壓縮特性

66.16.5

32.62.5

54210A0.4輸入

A′B′

A″B″

B5.6

圖3-19（a）發(fā)送方非均勻量化過(guò)程（壓縮特性）■非均勻量化的實(shí)現(xiàn)原理與方法3.4.2非均勻量化3.4模擬抽樣信號(hào)的量化第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制圖3-19（b）接收方對(duì)非均勻量化的恢復(fù)（擴(kuò)張?zhí)匦裕U(kuò)張器7

輸入

6.565擴(kuò)張?zhí)匦?

2.53210

AR′BR′AR0..375

輸出BR5.8AR與BR分別作為A和B的接收恢復(fù)值，產(chǎn)生的量化誤差分別是0.025和0.2

■非均勻量化的實(shí)現(xiàn)原理與方法3.4.2非均勻量化3.4模擬抽樣信號(hào)的量化第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制

yμ律壓擴(kuò)特性yA律壓擴(kuò)特性

1.01.00.8a0.8a0.6b0.6b0.4c0.4c0.20.20.0x0.0x0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0（a:μ=255；b:μ=5；c:μ=0）

(a:A=87.6；b:A=2；c:A=1)圖3-20

兩種用于話音數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性

3.4模擬抽樣信號(hào)的量化3.4.2非均勻量化■對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性■

μ律壓擴(kuò)特性

(3.4-10)

■

A律壓擴(kuò)特性

(3.4-11)

第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.4模擬抽樣信號(hào)的量化3.4.2非均勻量化■μ律對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性對(duì)均勻量化信噪比的改善■A律對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性的導(dǎo)出考慮■

對(duì)于小信號(hào)情況（假設(shè)μ=100）■

對(duì)于大信號(hào)情況（假設(shè)μ=100）■

量化間隔⊿x與信號(hào)取值x成線性關(guān)系，要求壓擴(kuò)特性各點(diǎn)的斜率導(dǎo)出修正A律第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.4模擬抽樣信號(hào)的量化3.4.2非均勻量化■A律對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性的13折線近似輸出y7/86/815/84/83/82/81/80輸入x

01/1281/641/321/161/81/41/21①②③④⑤⑥⑦⑧第7大段第8大段第1大段圖3-21A律十三折線近似對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性

第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.4模擬抽樣信號(hào)的量化3.4.2非均勻量化■A律對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性的13折線近似A律13折線近似中，將信號(hào)正負(fù)兩部分都分成相同的8個(gè)不等的大段。為進(jìn)一步減小量化誤差，每大段又分成相等的16小段。整個(gè)信號(hào)范圍共分16×16=256小段，即256個(gè)量化階步。設(shè)最小的量化階步δmin(第1和第2大段中的一個(gè)小段δ1和δ2)為△，則△=（1/128）÷16＝1/2048最大的量化階步δmax(第8大段中的一個(gè)小段δ8)為1/32=64

△。A律十三折線近似各大段的端點(diǎn)電平值和量化階步量化δ1=

δ2=

δ3=

δ4=

δ5=

δ6=

δ7=

δ8=

階步△

△2

△4△8△16

△32△64

△大段號(hào)

①

③

④

⑤

⑥

⑦

⑧

②

端點(diǎn)0～16△

～

32△

～

64

△

～

128△

～

256△

～

512△

～

1024△

～值16△32△64

△128△256△512△1024△2048

△第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.5脈沖編碼調(diào)制（PCM）3.5.1PCM編解碼原理抽樣量化編碼信道譯碼低通濾波m(t)ms(t)mq(t)c(t)c(t)mq(t)m(t)發(fā)送方接收方噪聲圖3-22PCM通信系統(tǒng)方框圖第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制一．自然二進(jìn)制碼與折疊二進(jìn)制碼表3-116電平雙極性量化信號(hào)的二進(jìn)制碼

1511111111

樣值極性量化電平序號(hào)自然二進(jìn)制碼折疊二進(jìn)制碼

正1411101110

1311011101

極1211001100

1110111011

性1010101010

910011001

810001000701110000負(fù)601100001501010010極401000011

300110100性200100101100010110000000111

折疊二進(jìn)制碼除極性碼外，其他三位碼（稱(chēng)作幅度碼或電平碼）是關(guān)于零電平對(duì)稱(chēng)的，即兩個(gè)樣值的絕對(duì)值只要相同，編出的折疊二進(jìn)制碼的幅度碼（或電平碼）一定相同。

折疊二進(jìn)制碼的上述特點(diǎn)使得它有一個(gè)特別的好處，就是在傳輸中如果出現(xiàn)誤碼，對(duì)小信號(hào)的影響較小。

3.5脈沖編碼調(diào)制（PCM）3.5.1PCM編解碼原理第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.5脈沖編碼調(diào)制（PCM）3.5.1PCM編解碼原理圖3-23逐次比較型PCM編碼器整流器保持電路比較器7/11變換電路PAM輸入Is后7位碼C2～

C8極性碼C1恒流源記憶電路Iw本地譯碼圖3-24電阻網(wǎng)絡(luò)型PCM譯碼器記憶電路7/11變換電路寄存讀出恒流源極性控制放大器

PCM寫(xiě)入脈沖

PAM

輸出寫(xiě)入讀出第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制●C1

：極性碼—

樣值正極性C1=“1”，負(fù)極性C1=“0”?！馛2C3C4

：大段落碼—

樣值落在第1大段（0≤Vs≤1/128）時(shí)，C2C3C4=“000”；樣值落在第2大段（1/128≤Vs≤1/64）時(shí)，C2C3C4=“001”；……樣值落在第8大段（1/2≤Vs≤1）時(shí)，C2C3C4=“111”?！馛5C6C7C8

：段內(nèi)電平碼—

樣值落在某大段的第1小段（靠近大段低端）時(shí)，C5C6C7C8=“0000”；樣值落在某大段的第2小段時(shí)，C5C6C7C8=“0001”；……樣值落在某大段第16小段（靠近大段高端）時(shí)，C5C6C7C8=“1111”。

二．A律13折線近似的折疊二進(jìn)制編解碼A律13折線近似中，整個(gè)信號(hào)輸入范圍(-Vmax～+Vmax

)共分為16×16=256小段，用8位折疊二進(jìn)制碼來(lái)表示。

C5C6C7C8

C1C2C3C43.5脈沖編碼調(diào)制（PCM）3.5.1PCM編解碼原理第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制

設(shè)最小的量化階步（第一和第二大段中的一個(gè)小段）為△，則△=（1/128）÷16＝1/2048由此可以得到用“△”表示的各大段的端點(diǎn)電平值及量化階步：

二．A律13折線近似的折疊二進(jìn)制編解碼3.5脈沖編碼調(diào)制（PCM）3.5.1PCM編解碼原理A律十三折線近似各大段的端點(diǎn)電平值和量化階步量化δ1=

δ2=

δ3=

δ4=

δ5=

δ6=

δ7=

δ8=

階步△

△2

△4△8△16

△32△64

△大段號(hào)

①

③

④

⑤

⑥

⑦

⑧

②

端點(diǎn)0～16△

～

32△

～64

△

～128△

～256△

～512△

～1024△

～值16△32△64

△128△256△512△1024△2048

△第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制01/81/4⑦δ7＝32△1/2⑧δ8＝64△1

0256△512△1024△2048△

01/16⑤δ5＝8△1/8⑥δ6＝16△1/4

032△64△128△256△512△

01/1281/64③δ3＝2△1/32④δ4＝4△1/16016△32△64△128△0①δ1＝△1/128②δ2＝△1/64016△32△圖3-25A律十三折線近似非均勻分段示意圖

二．A律13折線近似的折疊二進(jìn)制編解碼3.5脈沖編碼調(diào)制（PCM）3.5.1PCM編解碼原理第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制解:

①因?yàn)閂s為正極性，則C1＝“1”

；②又因?yàn)槌闃有盘?hào)電平絕對(duì)值|Vs|=0.2×2048△=409.6△，落在了A律13折線的分段的第六大段（端點(diǎn)為256△和512△）中，則C2C3C4

＝“101”；③再根據(jù)第六大段中的小段（量化階步）δ6＝16△；用抽樣信號(hào)電平409.6△減去第六大段下限值256△，將減得結(jié)果除以量化階步δ6＝16△，來(lái)決定抽樣信號(hào)落在第六大段的哪一個(gè)小段中。因?yàn)椋?09.6△-256△）/16△=9.6,說(shuō)明抽樣信號(hào)幅度落在第六大段中的第10小段中,則C5C6C7C8

＝“1001”。

至此我們得到對(duì)給定抽樣信號(hào)Vs的編碼結(jié)果為“11011001”。其實(shí)它是400△～416△之間所有抽樣值的編碼結(jié)果。

[例]設(shè)歸一化抽樣信號(hào)電平幅度Vs＝＋0.2，求A律13折線編出的8位折疊二進(jìn)制碼C1C2C3C4C5C6C7C8

。二．A律13折線近似的折疊二進(jìn)制編解碼3.5脈沖編碼調(diào)制（PCM）3.5.1PCM編解碼原理第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制解：①Vs的編碼值“11011001”，則極性碼C1＝“1”，大段落碼C2C3C4＝“101”，段內(nèi)電平碼C5C6C7C8

＝“1001”。②由①可以得到Vs為正極性；抽樣信號(hào)電平應(yīng)落在第六大段的第10小段內(nèi)，即在（256△+9×16△）與此（256△+10×16△）之間，則解碼器解碼輸出結(jié)果應(yīng)為

③Vs′＝+（256＋9×16＋0.5×16）△＝+408△

或Vs′＝+（408/2048）≈+0.1992

比較以上兩個(gè)例子，實(shí)際是對(duì)同一抽樣信號(hào)的編碼和解碼，解碼的結(jié)果和原始抽樣信號(hào)的電平出現(xiàn)了誤差，著就是量化造成的誤差。本例產(chǎn)生的量化誤差（最大信號(hào)電平歸一化）是0.0008或1.6△

。

[例]

設(shè)“11011001”是對(duì)某抽樣信號(hào)Vs按A律13折線近似編出的折疊二進(jìn)制碼，試求其解碼結(jié)果，即Vs′的幅度電平。二．A律13折線近似的折疊二進(jìn)制編解碼3.5脈沖編碼調(diào)制（PCM）3.5.1PCM編解碼原理第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.6增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)3.6.1增量調(diào)制基本概念增量調(diào)制的實(shí)質(zhì)是用一位二進(jìn)制代碼反映相鄰抽樣值的相對(duì)變化，進(jìn)而達(dá)到用一個(gè)二進(jìn)制代碼序列表示連續(xù)變化的模擬信號(hào)的目的。σΔtσ2σ3σ4σ5σ6σ7σ8σ9σ10σ001010111111110000tVm(t)m′(t)圖3-29增量調(diào)制（ΔM）波形示意圖第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.6增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)3.6.1增量調(diào)制基本概念增量調(diào)制的特點(diǎn)：

1.在比特率較低的場(chǎng)合，量化信噪比高于PCM。2.抗誤碼性能好。增量調(diào)制可以工作在誤比特率為10-3～10-2的信道中，而PCM則要求信道的誤比特率為10-6

～10-5

3.設(shè)備簡(jiǎn)單、制造容易增量調(diào)制只用一位二進(jìn)制碼進(jìn)行編碼，該碼不表示信號(hào)抽樣值的大小，而是表示抽樣時(shí)刻信號(hào)曲線的變化趨勢(shì)3.6增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)3.6.2增量調(diào)制原理第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制分析增量調(diào)制波形特點(diǎn)

3.6增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)3.6.2增量調(diào)制原理第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制增量調(diào)制原理框圖

對(duì)譯碼器的要求：●每次上升或下降的大小要一致

●譯碼器應(yīng)具有“記憶”功能3.6增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)3.6.3增量解調(diào)原理第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制增量解調(diào)原理框圖

3.6增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)3.6.4增量調(diào)制存在的問(wèn)題第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制增量調(diào)制的不足：

☆

一般量化噪聲問(wèn)題☆過(guò)載噪聲問(wèn)題σΔtσ2σ3σ4σ5σ6σ7σ8σ9σ10σ001010111111110000tVm(t)m′(t)圖3-30a增量調(diào)制產(chǎn)生的一般量化噪聲

tnq(t)一般量化噪聲由量化誤差|e|≦σ確定。3.6增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)3.6.4增量調(diào)制存在的問(wèn)題增量調(diào)制的量化噪聲分為:■一般量化噪聲■過(guò)載量化噪聲

σΔtσ2σ3σ4σ5σ6σ7σ8σ9σ10σ001010111111110000tVm(t)m′(t)圖3-30b增量調(diào)制產(chǎn)生的過(guò)載量化噪聲

tnq(t)過(guò)載量化噪聲由于量化值不能跟蹤模擬信號(hào)的快變化。第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.6增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)3.6.4增量調(diào)制存在的問(wèn)題增量調(diào)制的量化噪聲分為:■一般量化噪聲■過(guò)載量化噪聲如何減小一般量化噪聲？如何控制過(guò)載噪聲？結(jié)論：減小一般量化噪聲的有效方法是降低量化臺(tái)階σ?？刂七^(guò)載、減小過(guò)載量化噪聲的方法一是增大量化臺(tái)階σ,二是提高抽樣(編碼)速率fs。前者無(wú)疑會(huì)加大一般量化噪聲，不可輕易采用；后者經(jīng)常使用，其控制過(guò)載是以提高碼速、犧牲頻帶為代價(jià)的?！鼋档土炕_(tái)階σ，是減小一般量化噪聲的唯一有效方法?！隹刂七^(guò)載、減小過(guò)載量化噪聲，須確保譯碼器有足夠的跟蹤速度。使一個(gè)臺(tái)階的最大斜率K不小于模擬信號(hào)m(t)的變化速率。(3.7-1)第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.7增量總和調(diào)制第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制簡(jiǎn)單增量調(diào)制系統(tǒng)對(duì)于直流、頻率較低的信號(hào)或頻率很高的信號(hào)均會(huì)造成較大的量化噪聲從而丟失不少信息。增量總和調(diào)制原理：對(duì)輸入的模擬信號(hào)先進(jìn)行一次積分處理，改變信號(hào)的變化性質(zhì)，降低信號(hào)高頻分量的幅度（從而使信號(hào)更適合于增量調(diào)制），然后再進(jìn)行簡(jiǎn)單增量調(diào)制。增量總和調(diào)制系統(tǒng)框圖增量總和解調(diào)：低通濾波器。一．模擬信號(hào)的頻分多路復(fù)用復(fù)用，即在同一條物理線路上傳送多路話音信號(hào)?！耦l分多路復(fù)用（FDM）●時(shí)分多路復(fù)用（TDM）●碼分多路復(fù)用（CDM）調(diào)制器解調(diào)器混合器分路器話路1話路1話路2

話路2話路N

話路N

f1f2┄fNfN┄f2f1

調(diào)制載頻解調(diào)同步載頻圖3-31長(zhǎng)途載波線路上的頻分多路復(fù)用原理示意圖

3.8PCM時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)3.8.1多路復(fù)用概念第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制二．?dāng)?shù)字信號(hào)的時(shí)分多路復(fù)用PCM編碼PCM解碼1＃1?！?＃2?！?＃3?！闃娱T(mén)K1分路門(mén)K2

同步控制圖3-32PCM時(shí)分多路（3路）復(fù)用原理示意圖3.8PCM時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)3.8.1多路復(fù)用概念●模擬話音信號(hào)在抽樣前要通過(guò)濾波器帶限到300～3400Hz?！駥?duì)每路話音信號(hào)使用的采樣頻率為8KHz，每個(gè)樣值用8位二進(jìn)制碼表示，則每路話音的信源編碼速率為64kb/s?！馮DM進(jìn)行N路復(fù)用時(shí)，總抽樣率為N×8KHz?！衩柯沸盘?hào)的一個(gè)抽樣值編碼在一特定的時(shí)隙內(nèi)分時(shí)傳送，要求傳輸設(shè)備具有傳輸速率N×64kb/s的能力。第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制二．?dāng)?shù)字信號(hào)的時(shí)分多路復(fù)用圖3-33

三個(gè)話路時(shí)分復(fù)用時(shí)抽樣門(mén)及編碼器輸出示意圖

話路1#

總采樣率3×8kHz

話路3#

話路2#抽樣門(mén)輸出Fi-1

Fi

（一幀125μs）

Fi+1

Ts3Ts1Ts2Ts3Ts1Ts2Ts3編碼器輸出N=3路復(fù)用時(shí)，每幀（125μs

）含3×8位碼，分放在三個(gè)時(shí)隙，線路總碼速3×64kbit/s。3.8PCM時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)3.8.1多路復(fù)用概念第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制群路編譯碼方式3.8PCM時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)3.8.2時(shí)分多路數(shù)字電話系統(tǒng)組成每路抽樣率8000Hz,抽樣時(shí)刻依次相差125μs/N.多路復(fù)用話路1群路編碼碼形變換群路譯碼碼元再生多路分用放大低通抽樣放大低通抽樣放大低通抽樣放大低通抽樣話路N123N123NPCM時(shí)分復(fù)用總線(上行)PCM時(shí)分復(fù)用總線(下行)PAM?PCMPAM?PCM同步N路總抽樣率8000NHzN路總碼速8000N×8bits/s圖3-34PCM時(shí)分多路數(shù)字電話系統(tǒng)組成框圖第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.8PCM時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)3.8.2時(shí)分多路數(shù)字電話系統(tǒng)組成8000N×8Hz

每路抽樣率8000Hz,抽樣時(shí)刻依次相差125μs/N.話路1放大低通放大低通放大低通編碼單路編譯碼器譯碼放大低通話路N發(fā)送總線接收總線圖3-35單路編譯碼器在PCM時(shí)分多路數(shù)字電話系統(tǒng)應(yīng)用編碼單路編譯碼器譯碼PCM時(shí)分復(fù)用總線抽樣時(shí)鐘編碼時(shí)鐘125

μs125

μsTs1=125

μs/NN路總碼速8000N×8bits/sTsN=125

μs/N一幀第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制3.8PCM時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)3.8.3PCM30/32路基群系統(tǒng)

PCM系統(tǒng)數(shù)字信息是分幀在PCM時(shí)分復(fù)用總線中傳送的。對(duì)于一個(gè)包含N個(gè)話路的PCM時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)■

每幀至少劃分N個(gè)時(shí)隙，每時(shí)隙傳送一個(gè)話路的樣值編碼?！?/p>

幀與幀之間的定位，常用幀中的一特定時(shí)隙信息實(shí)現(xiàn)。FrameiFramei-1Ts1Ts2……TsN-1TsNTs0Ts1Ts2……TsN-1TsNTs0

N個(gè)話路時(shí)隙，每時(shí)隙傳送一話路的樣值編碼。幀定位時(shí)隙幀定位時(shí)隙PCM30/32路基群系統(tǒng)是我國(guó)采用的基本話路組群系統(tǒng)。每幀劃分為32個(gè)時(shí)隙，其中30個(gè)話路時(shí)隙,另外2個(gè)時(shí)隙用來(lái)傳送幀定位碼、線路標(biāo)志信號(hào)、告警信息等。第3章脈沖編碼調(diào)制與增量調(diào)制F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13