第9章Part2編碼與時分復用

第9章Part2編碼與時分復用第一頁，共45頁。本章內容9.1引言——A/D三步驟9.2模擬信號的抽樣9.3模擬脈沖調制9.4抽樣信號的量化9.5脈沖編碼調制9.6差分脈沖編碼調制&9.7增量調制9.8時分復用和復接第二頁，共45頁。9.5.1脈沖編碼調制（PCM）基本原理定義：把從模擬信號抽樣、量化，直到變換成為二進制符號的基本過程，稱為脈沖編碼調制，簡稱脈碼調制。例：抽樣值為3.15、3.96、5.00、6.38、6.80、6.42，量化及編碼流程：3456760111001011101111106.803.153.965.006.386.42第三頁，共45頁。9.5.1脈沖編碼調制（PCM）基本原理脈沖編碼調制也叫做A/D變換。抽樣保持的作用：使模擬信號時間軸離散化，并短暫保存數(shù)據(jù)方便量化。量化的作用：模擬信號幅度軸離散化。編碼的作用：數(shù)字化表示時間、幅度軸離散化的模擬信號。編碼器模擬信號輸入PCM信號輸出抽樣保持

量化編碼沖激脈沖第四頁，共45頁。9.5.1脈沖編碼調制（PCM）基本原理實際電路中，量化器和編碼器通常構成不可分離的電路，常用逐次比較法來實現(xiàn)此類電路。比較器保持電路恒流源記憶電路Is

>

Iw,

ci

=1Is

<Iw,ci

=0c1,c2,c3IsIw輸入信號抽樣脈沖逐次比較法編碼原理圖第五頁，共45頁。9.5.1脈沖編碼調制（PCM）基本原理譯碼器譯碼器模擬信號輸出PCM信號輸入解碼低通濾波思考：1.為何沒有反量化？

2.低通濾波器的作用？第六頁，共45頁。9.5.2自然二進制碼和折疊二進制碼自然二進制與折疊二進制編碼量化值序號量化電壓極性自然二進制碼折疊二進制碼15141312111098正極性111111101101110010111010100110001111111011011100101110101001100076543210負極性0111011001010100001100100001000000000001001000110100010101100111假設量化電壓值為-15,-13,-11,-9,-7,-5,-3,-1,1,3,5,7,9,11,13,15第七頁，共45頁。9.5.2自然二進制碼和折疊二進制碼折疊碼的優(yōu)點：折疊關系使得雙極性電壓可用單極性的方式來處理，簡化編碼電路和過程。誤碼對小信號的影響比較?。槭裁矗浚?。原因：折疊碼除最高位外，上下部分呈對稱關系。量化值與編碼位數(shù)的選擇：同一個信號，若量化值越多，則信號量噪比越大；同時編碼位數(shù)增多，編碼復雜度增加、數(shù)據(jù)量增多。一般采用8位的PCM碼就能保證通話質量。第八頁，共45頁。9.5.2自然二進制碼和折疊二進制碼13折線法中采用的折疊碼排列方法：共有8位。第1位c1表示量化值的極性正負。后面的7位分為段落碼和段內碼兩部分。第2至4位(c2

c3

c4)是段落碼，可以表示8種斜率的段落。剩余4位(c5~c8)為段內碼，可以表示每一段落內的16種量化電平。段內碼代表的16個量化電平是均勻劃分的。7位碼總共能表示27

＝128種量化值。第九頁，共45頁。9.5.2自然二進制碼和折疊二進制碼13折線法中的折疊碼中的段落碼：段落序號段落碼c2c3c4段落范圍（量化單位）81111024~20487110512~10246101256~5125100128~256401164~128301032~64200116~3210000~16歸一化后的值，1對應于表中的2048第十頁，共45頁。9.5.2自然二進制碼和折疊二進制碼13折線法中的折疊碼中的段落碼：第1和2段最短，斜率最大。橫坐標x的歸一化動態(tài)范圍最小，等分為16小段（段內碼），每小段動態(tài)范圍為(1/128)(1/16)=1/2048，稱為1個量化單位。第8段最長，其橫坐標x的動態(tài)范圍為1/2。將其16等分后，每小段長度為1/32。若采用均勻量化而使小電壓保持相同的動態(tài)范圍1/2048，需要用11位的碼組。而13折線法只需7位（所以有壓縮的效果）。第十一頁，共45頁。9.5.3電話信號的編譯碼器8位編碼的電話信號非均勻編譯碼器

非均勻量化特有壓縮器輸出值的編碼結果將雙極性當成單極性處理的關鍵第十二頁，共45頁。9.5.3電話信號的編譯碼器【例9-2】設輸入電話信號抽樣值的歸一化動態(tài)范圍在-1至+1之間，將此動態(tài)范圍劃分為4096個量化單位，即將1/2048作為1個量化單位。當輸入抽樣值為+1270個量化單位時，試用逐次比較法編碼將其按照13折線A律特性編碼。解：1）確定極性碼C1：因為輸入+1270為正極性，所以c1=1。

2）確定段落碼C2C3C4：輸入抽樣值等于1270，落在第8段內，故c2c3c4＝111。

3）確定段內碼C5C6C7C8：1270=1024+64*3+54，所以落在第4小段中（64=1024/16），對應的段內碼為0011。

4）量化誤差：1270-(1280+1216)/2=1270–1248=22

第十三頁，共45頁。9.5.3電話信號的編譯碼器非均勻譯碼器（不包括加低通濾波的部分）c2~c8記憶電路7/11變換恒流源極性控制c1譯碼輸出第十四頁，共45頁。9.5.4PCM系統(tǒng)中噪聲的影響PCM中的兩類噪聲：量化噪聲、加性噪聲。加性噪聲的影響原理：加性噪聲導致收端發(fā)生誤判，碼組中出現(xiàn)錯碼量化噪聲的影響

假定分析條件：采用均勻量化器分析思路：分別計算量化噪聲功率和加性噪聲功率，相加得到總的噪聲功率。（證明過程略）

第十五頁，共45頁。本章內容9.1引言——A/D三步驟9.2模擬信號的抽樣9.3模擬脈沖調制9.4抽樣信號的量化9.5脈沖編碼調制9.6差分脈沖編碼調制&9.7增量調制9.8時分復用和復接第十六頁，共45頁。9.6.1預測編碼簡介

預測編碼的目的：降低編碼的比特率預測編碼的原理：根據(jù)前幾個抽樣值計算一個預測值，將預測值與實際值做差并編碼傳輸該預測誤差。相鄰抽樣值與當前抽樣值相關性越強，預測誤差越小，因此可降低比特率。預測量化編碼抽樣mkmk*m(t)mk－ekrk＋思考：為何不是ek+mk′？第十七頁，共45頁。9.6.1預測編碼簡介

若利用幾個抽樣值聯(lián)合產生預測信號，稱為線性預測；若僅用1個抽樣值預測，即DPCM。預測器的輸出和輸入關系由下列線性方程式決定：式中：p為預測階數(shù)，ai

為預測系數(shù)。

譯碼器原理框圖：預測mk*rk解碼第十八頁，共45頁。9.6.2差分脈沖編碼調制原理及性能DPCM量化噪聲分析（定量分析部分略）

DPCM原理框圖：系統(tǒng)量化噪聲：

模擬信號抽樣值mk與具有量化誤差的抽樣值mk﹡之差：(b)譯碼器譯碼延遲Ts＋延遲量化編碼抽樣Ts(a)編碼器－mkmk*mkekrkmk*rk第十九頁，共45頁。9.6.2差分脈沖編碼調制原理及性能DPCM信號功率分析

過載：預測誤差ek超過允許范圍(+,-)

，也即相鄰信號抽樣值增減幅度過大。

不過載條件：設抽樣點間隔為T＝1/fs，則信號斜率不能超過

/T。第二十頁，共45頁。9.6.2差分脈沖編碼調制原理及性能假設輸入信號是正弦波：其變化速度為：最大斜率為Aωk，需要滿足不過載條件：因此，所允許的最大振幅為：第二十一頁，共45頁。9.7增量調制

增量調制概念：DPCM中的量化電平數(shù)取2即是增量調制。

原理框圖為：mk*延遲＋抽樣二電平量化＋－m(t)mkekrkmk＋延遲＋rk'mk*'編碼器譯碼器預測誤差ek

被量化成兩個電平+和－，值稱為量化臺階。rk可以用一個二進制符號表示。第二十二頁，共45頁。9.7增量調制實用中，采用積分器代替延遲相加電路，并將抽樣與量化合成為抽樣判決：譯碼器中，積分器收到碼元“1”則輸出升高，否則降低，以此恢復階梯形電壓；階梯電壓通過低通濾波器平滑后輸出。T(t)(a)編碼器 (b)譯碼器積分器抽樣判決＋－m(t)e(t)d(t)m(t)積分d'(t)低通＋第二十三頁，共45頁。9.7增量調制增量調制波形輸出二進制波形Ts第二十四頁，共45頁。9.7增量調制增量調制中的量化噪聲產生原因：基本量化噪聲：階梯波形電壓突變形成失真；過載量化噪聲：輸入信號斜率的絕對值過快引起失真。(a)基本量化噪聲e(t)(b)過載量化噪聲e(t)第二十五頁，共45頁。9.7增量調制9.6和9.7節(jié)討論的是信源編碼方法（減少數(shù)據(jù)量），含義比基本的A/D變換中的編碼（數(shù)字化表示模擬量化值）廣。DPCM、增量調制主要用于語音編碼，或者說：一維信號編碼。對于二維信號（圖像、視頻），編碼方式更為復雜。圖像編碼標準經典如JPEG；視頻編碼標準經典如MPEG-2、H.264（H.265已準備商用）。與傳統(tǒng)A/D變換所不同的另一種思路：壓縮感知（compressivesensing）。第二十六頁，共45頁。本章內容9.1引言——A/D三步驟9.2模擬信號的抽樣9.3模擬脈沖調制9.4抽樣信號的量化9.5脈沖編碼調制9.6差分脈沖編碼調制&9.7增量調制9.8時分復用和復接第二十七頁，共45頁。9.8.1基本概念

常見的復用方式頻分復用（FDM）：信號按照不同頻率特性進行區(qū)分；時分復用（TDM）：信號按照不同時域特性進行區(qū)分；碼分復用（CDM）：信號按照不同碼形特性區(qū)分。第二十八頁，共45頁。9.8.1基本概念

頻分復用的原理第二十九頁，共45頁。9.8.1基本概念

時分復用的目的：多路通信以擴大通信鏈路的容量。時分復用的原理：利用抽樣間隔時間傳輸其它信號。mi(t)低通1低通2低通N信道低通1低通2低通N同步旋轉開關m1(t)m2(t)m2(t)m1(t)mN(t)mN(t)第三十頁，共45頁。9.8.1基本概念例如，若語音信號用8kHz的速率抽樣，則旋轉開關應每秒旋轉8000周。設旋轉周期為Ts秒，共有N路信號，則每路信號在每周中占用Ts/N秒的時間。m1(t)m2(t)1幀T/NT+T/N2T+T/N3T+T/N時隙1第三十一頁，共45頁。9.8.1基本概念在實際電路中，采用抽樣脈沖取代旋轉機關。各路抽樣脈沖的頻率必須相同，而且相位必須明確，使各路抽樣脈沖保持等間隔的距離。時分復用的主要優(yōu)點：便于實現(xiàn)數(shù)字通信、易于制造、適于采用集成電路實現(xiàn)、生產成本較低。第三十二頁，共45頁。9.8.1基本概念通信網中常包含多次復用，由低次復用信號可以復用成高次復用信號。高次復用信號的輸入信號源時鐘頻率不統(tǒng)一，所以在低次群需要將時鐘調整統(tǒng)一。低次群合成高次群的過程叫復接。高次群分解為低次群的過程叫分接。ITU對于TDM多路電話通信系統(tǒng)，制定了準同步數(shù)字體系(PDH)和同步數(shù)字體系(SDH)標準的建議。第三十三頁，共45頁。9.8.2準同步數(shù)字體系（PDH）E體系（中國、歐洲）和T體系（北美、日本）層次比特率（Mb/s）路數(shù)（每路64kb/s）E體系E-12.04830E-28.448120E-334.368480E-4139.2641920E–5565.1487680第三十四頁，共45頁。9.8.2準同步數(shù)字體系（PDH）130(30路

64kb/s)一次群

2.048Mb/s復用設備14路2.048Mb/s二次群

8.448Mb/s二次復用4復用設備三次群

34.368Mb/s三次復用復用設備144路8.448Mb/s五次復用復用設備五次群

565.148Mb/s4路139.264Mb/s四次群

139.264Mb/s復用設備144路34.368Mb/s四次復用E體系的結構圖第三十五頁，共45頁。9.8.2準同步數(shù)字體系（PDH）基本層(E-1)：30路話音信號+2路同步、信令開銷，總比特率為2.048Mb/s，稱為一次群信號。E-2層：4個一次群信號復用，比特率為8.448Mb/s。E-3層：4個二次群信號復用，比特率為34.368Mb/s。E-4層：4個三次群信號復用，比特率為139.264Mb/s。相鄰層次群路數(shù)成4倍關系，但比特率間不是嚴格的4倍。因為每次復用都會增加新的額外開銷。第三十六頁，共45頁。9.8.2準同步數(shù)字體系（PDH）一次群結構第三十七頁，共45頁。9.8.2準同步數(shù)字體系（PDH）一幀時間：1路PCM信號64kb/s，8比特表示，所以頻率為8kHz（125μs）。時隙：一幀包含32個時隙，其中30路信號、1路信令、1路幀同步或其他用途。共路信令：采用獨立的信令網傳輸信令。隨路信令：各路信令和信息一起傳輸，需要采用復幀。復幀：一個復幀包含16幀，所以復幀速率為8000/16=500Hz第三十八頁，共45頁。9.8.2準同步數(shù)字體系（PDH）

采用復幀的一次群結構TS16信令偶幀TS0*1A11111幀同步碼奇幀TS0*0011011話路(CH1~CH15)話路(CH16~CH30)125s16幀1復幀＝16幀32個時隙F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F158bitCH30(1bit=488.3ns)8bit(1bit=488.3ns)保留TS10TS12TS14TS16TS18TS9TS11TS13TS15TS17TS4TS6TS2TS0TS8TS5TS7TS3TS1TS20TS22TS28TS26TS24TS30TS19TS21TS23TS29TS27TS25TS31第三十九頁，共45頁。9.8.3同步數(shù)字體系（SDH）PDH不能滿足高速傳輸，因為其開銷太大且存在定時誤差。SDH是針對更高速率的傳輸系統(tǒng)指定的標準，各級之間復用沒有額外開銷；且同一時間標準保證無時間誤差。SDH中，信息以“同步傳送模塊(STM)”的結構傳送。STM主