礦大通信原理課件CH 9.1-5 抽樣 and PCM

信源信源編碼信道編碼調(diào)制傳輸信道信宿信源解碼解調(diào)信道解碼噪聲源數(shù)字通信系統(tǒng)的組成信源編碼2003Copyright1CUMT

LiShiyin第9章

模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸常用是脈沖編碼調(diào)制（PCM）：模擬信源m(t)模擬隨機(jī)信號(hào)A/DD/A模擬終端數(shù)字通信系統(tǒng){sk}數(shù)字隨機(jī)信號(hào)接收端發(fā)送端信道“D/A”包括：譯碼+低通濾波(重建濾波)“A/D”包括：抽樣+量化+編碼本章主要內(nèi)容9.1引言2003Copyright2CUMT

LiShiyin模擬信源預(yù)濾波器抽樣器量化編碼模擬終端重建濾波譯碼數(shù)字通信系統(tǒng)模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸數(shù)字序列

本章主要內(nèi)容抽樣定理量化理論編碼原理與技術(shù)1.脈沖編碼調(diào)制PCM2.差分脈碼調(diào)制DPCM3.增量調(diào)制時(shí)分復(fù)用依據(jù)實(shí)例2003Copyright3CUMT

LiShiyin模擬信號(hào)可以用有限個(gè)點(diǎn)的值來表示，只傳輸這些值就可以恢復(fù)出原始信號(hào)?；靖拍?/p>

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LiShiyint0111110101100011011010樣值:這些有限個(gè)點(diǎn)的值xs(t);抽樣:取出這些值的過程;抽樣頻率?S:抽樣間隔TS的倒數(shù);量化:用一定精確度的數(shù)值來近似表示樣值；(如平均成績：96.37→96.4→96→優(yōu)秀)編碼:將樣值用數(shù)字信號(hào)(二進(jìn)制)表示的過程。注：但是樣值的選取必須滿足一定的條件?；靖拍畛闃佣ɡ?003Copyright5CUMT

LiShiyin9.2抽樣定理9.2.1低通抽樣定理

一個(gè)頻帶限制在(0，

H)內(nèi)的連續(xù)信號(hào)m(t)，如果抽樣頻率

S≥2

H，則可由所得到的抽樣序列mS(t)無失真地重建原始信號(hào)m(t)。

奈奎斯特間隔:

Ts=1/(2

H)1、抽樣的實(shí)現(xiàn)δT(t)

m(t)ms(t)抽樣模型沖激序列

MS(ω)是無窮多個(gè)間隔為ωS的M(ω)的迭加。Demo抽樣?AM？2003Copyright6CUMT

LiShiyin結(jié)論1：時(shí)域上，是m(t)與沖激序列δT(t)相乘；頻域上，是M(?)與δT(

)的卷積，即M(?)按?S=2π/Ts的間隔平移迭加。

tatb??H-?Hc'0??H-?Ha'0?b'tcδT(t)

m(t)ms(t)重建2003Copyright7CUMT

LiShiyinLPF2、重建模型??H-?H0tω?H-?H0t結(jié)論2：m(t)在時(shí)域上可由每個(gè)樣值與抽樣函數(shù)Sa(.)相乘后所得的各波形相加而得到。實(shí)際上，每個(gè)樣值經(jīng)低通后其響應(yīng)為強(qiáng)度為該樣值的Sa(.)波形，則所有響應(yīng)的合成波形就是m(t)?；謴?fù)時(shí)域波形?重建頻譜為什么必須小于2fH2003Copyright8CUMT

LiShiyin

S>2

H,即Ts<1/2

Htatb??H-?Hc'0??H-?Ha'0?b'tcδT(t)

m(t)ms(t)帶通

S<2

H,即Ts>1/2

H無法恢復(fù)M(?)!!Demo2003Copyright9CUMT

LiShiyin9.2.2帶通抽樣定理

設(shè)帶通信號(hào)m(t)；頻率范圍(

L,

H)；帶寬B＝

H-

L。當(dāng)抽樣頻率滿足：則根據(jù)這些抽樣值就能準(zhǔn)確恢復(fù)(確定)原信號(hào)m(t)。

討論2003Copyright10CUMT

LiShiyin(3)

對(duì)于帶限廣義平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行抽樣，也服從抽樣定理。

S≥2

H(2)

對(duì)于窄帶信號(hào)B<<H，即n>>1，有

S

2B；一般當(dāng)

L<B時(shí)，則可將該信號(hào)當(dāng)作低通信號(hào)進(jìn)行處理；低通抽樣定理是帶通抽樣定理的特例。當(dāng)帶限信號(hào)的H=B、L=0時(shí)，則變成了低通抽樣定理；討論

實(shí)際抽樣2003Copyright11CUMT

LiShiyin9.3模擬脈沖調(diào)制抽樣脈沖序列為非理想沖激響應(yīng)序列。實(shí)際抽樣電路中抽樣脈沖都具有一定的持續(xù)時(shí)間τ。已抽樣信號(hào)，相當(dāng)于以基帶信號(hào)去改變脈沖載波的幅度的調(diào)制，常稱為脈沖幅度調(diào)制(PAM)。根據(jù)mS(t)序列頂部形狀不同分為自然抽樣和平頂抽樣。自然抽樣2003Copyright12CUMT

LiShiyin1）自然抽樣頻譜抽樣脈沖S(t)是周期型矩形脈沖序列，信號(hào)m(t)和S(t)相乘，得到的已抽樣信號(hào)mS(t)

序列頂部在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)隨著m(t)變化。2003Copyright13CUMT

LiShiyin結(jié)論：與理想抽樣信號(hào)的頻譜相比，自然抽樣信號(hào)的頻譜幅度變化了Cn=AτSa(πnτ?H)倍。雖然Cn是隨n變化的，但對(duì)確定的n，Cn是一個(gè)常數(shù)。因此，對(duì)信號(hào)頻譜是一種幅度的加權(quán)，并不改變頻譜的形狀。這樣，使用相應(yīng)的低通濾波器，便可從抽樣信號(hào)中無失真恢復(fù)原始信號(hào)。平頂抽樣2003Copyright14CUMT

LiShiyin電路實(shí)現(xiàn)：采樣

保持2）平頂抽樣

（電路上易于實(shí)現(xiàn)的方法）tm(t)0TSmH(t)在抽樣脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)其頂部保持不變。數(shù)學(xué)模型

矩形脈沖產(chǎn)生理想抽樣2003Copyright15CUMT

LiShiyin0tm(t)mS(t)mS(t)mH(t)形脈沖產(chǎn)生理想抽樣δT(t)h(t)m(t)ms(t)mH(t)數(shù)學(xué)式

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LiShiyinδT(t)h(t)m(t)ms(t)mH(t)量化

與理想抽樣信號(hào)頻譜相比，平頂抽樣信號(hào)的頻譜有一加權(quán)項(xiàng)H(?)?！翱讖绞д妗保河捎贖(?)對(duì)抽樣信號(hào)頻譜加權(quán)造成的失真。校正：信號(hào)接收端用濾波器作補(bǔ)償。LPF2003Copyright17CUMT

LiShiyin9.4量化采樣后樣值信號(hào)的幅值取值仍然有無窮多種(L→∞)，直接將其編碼為數(shù)字(二進(jìn)制)信號(hào)，每一個(gè)樣值都必須要N=log2L位(無限多)二進(jìn)制碼表示。顯然是不現(xiàn)實(shí)的、也是不可行的。因此，必須對(duì)樣值進(jìn)行離散化(量化)，將抽樣后信號(hào)的幅值從無限(連續(xù))變成有限值(離散)。量化實(shí)際是一種用近似值近似表示實(shí)際抽樣值的過程。量化是不可逆的過程。9.4.1量化原理對(duì)幅度進(jìn)行離散化處理的過程。量化原理

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LiShiyinbaqi+1qi+2qi+3qiqi-1

vimi-1mimi+1mi+2量化器特性：分層電平：mi量化間隔(量階)均勻量化非均勻量化量化電平：qi均勻量化

量化誤差(噪聲)qi量化值Q[·]量化器m(kT)模擬輸入設(shè)樣值的可能取值范圍為[a,b]量化的基本原理m(kT)劃分為M個(gè)小區(qū)間，M稱為量化電平數(shù)，或量化級(jí)數(shù)。2003Copyright19CUMT

LiShiyin9.4.2均勻量化

指把輸入信號(hào)的取值域按等間距分割的量化。每個(gè)量化區(qū)間的最佳量化電平qi均取在量化間隔的中點(diǎn)。

設(shè)輸入信號(hào)幅度[-a,a]，且服從均勻分布，量化電平數(shù)為M。則均勻量化間隔此時(shí)，最大量化誤差：例

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LiShiyin量化噪聲平均功率

7v2003Copyright21CUMT

LiShiyin均勻量化噪聲平均功率：量化輸出信號(hào)功率（因nq較小，常用輸入信號(hào)功率表示）非均勻量化

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LiShiyin量化信噪比隨量化電平數(shù)M的增加而提高。一旦M確定則Nq也就確定不變。而實(shí)際信號(hào)的瞬時(shí)大小/功率是不斷變化的，小信號(hào)的瞬時(shí)平均功率也小，從而導(dǎo)致對(duì)小信號(hào)的量化信噪比很小。

主要缺點(diǎn)：均勻量化的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍（信號(hào)最小值到最大值范圍）受到較大的限制。

非均勻量化

量化器輸出信噪比2003Copyright23CUMT

LiShiyin9.4.3非均勻量化量化間隔不相等的量化。對(duì)小信號(hào)用小階距量化，大信號(hào)用大階距量化。

實(shí)現(xiàn)：對(duì)信號(hào)非線形變換再后進(jìn)行均勻量化。

?(x)均勻量化編碼編碼端xy解碼?-1(x)解碼端?對(duì)小信號(hào)予以放大，對(duì)大信號(hào)進(jìn)行“壓縮”，然后作均勻量化，使量化信噪比在信號(hào)的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保持不變。壓擴(kuò)特性

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LiShiyin

i(x)第一象限非線形壓縮特性一般采用修正的對(duì)數(shù)“壓縮”特性。主要有兩種2003Copyright25CUMT

LiShiyin1、A律對(duì)數(shù)壓縮特性

(歐洲、中國)歸一化值=i/max；A為壓縮系數(shù)，國際標(biāo)準(zhǔn)取A=87.6。

2、μ律對(duì)數(shù)壓縮特性

式中μ為壓縮系數(shù)，μ=0時(shí)無壓縮，μ愈大壓縮效果愈明顯。國際標(biāo)準(zhǔn)中取μ=255。

比較2003Copyright26CUMT

LiShiyin

律與A律壓縮特性有近似相同的特性。小信號(hào)段，A律變換對(duì)小信號(hào)有24dB的增益；

律變換對(duì)小信號(hào)有33.5dB的增益。A律變換一般用于PCM32基群（E1）系統(tǒng)；

律變換一般用于PCM24基群（T1）系統(tǒng)。比較：13折線2003Copyright27CUMT

LiShiyin3、A律對(duì)數(shù)壓縮特性的十三折線法近似將A律變換特性近似地用13段折線(包括X負(fù)半軸)表示：其中X取值0-1/128與1/128-1/64段斜率相同，連成一段。Y正軸按均勻分為8段，x軸按2i-8劃分。即各段終端坐標(biāo)SNR改善對(duì)小信號(hào)用小階距量化，大信號(hào)用大階距量化。2003Copyright28CUMT

LiShiyin折線線段和對(duì)數(shù)曲線相關(guān)值的比較折線段12345678A=87.6曲線的x1/1281/60.61/30.61/15.41/7.791/3.931/1.98113折線的x1/1281/641/321/161/81/41/21斜率161684211/21/4折線y值1/82/83/84/85/86/87/88/8第一象限內(nèi)8個(gè)線段的端點(diǎn)和采用對(duì)數(shù)曲線時(shí)取值的比較：PCM編碼2003Copyright29CUMT

LiShiyin9.5PCM編碼原理9.5.1編碼和譯碼模擬信息源輸出的模擬信號(hào)m(t)經(jīng)抽樣和量化后得到的輸出脈沖序列是一個(gè)M進(jìn)制（一般常用128或256）的多電平數(shù)字信號(hào)，如果直接傳輸?shù)脑挘乖肼曅阅芎懿?，因此還要經(jīng)過編碼器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)(PCM信號(hào))后，再經(jīng)數(shù)字信道傳輸。在接收端，二進(jìn)制碼組經(jīng)過譯碼器還原為M進(jìn)制的量化信號(hào)，再經(jīng)低通濾波器恢復(fù)原模擬基帶信號(hào)

.把量化后的信號(hào)電平值變換成數(shù)字代碼的過程稱為編碼；其逆過程稱為譯碼。完成這一系列過程的系統(tǒng)就是下圖所示的脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)。30把量化后的信號(hào)電平值變換成數(shù)字代碼的過程稱為編碼；其逆過程稱為譯碼。完成這一系列過程的系統(tǒng)就是下圖所示的脈沖編碼調(diào)制（PCM）系統(tǒng)。其中，量化與編碼的組合稱為A/D變換器；譯碼與低通濾波的組合稱為D/A變換器。PCM通信系統(tǒng)框圖抽樣譯碼LPF干擾編碼信道量化

1.碼字和碼型

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LiShiyin二進(jìn)制碼具有抗干擾能力強(qiáng)，易于產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，因此PCM中一般采用二進(jìn)制碼。對(duì)于M個(gè)量化電平，其每一個(gè)樣值（量化電平）可以用N位二進(jìn)制碼來表示，其中的每一個(gè)碼組稱為一個(gè)碼字。

1.碼字和二進(jìn)制碼

為保證通信質(zhì)量，目前國際上多采用8位編碼的PCM系統(tǒng)。

在PCM中常用的二進(jìn)制碼有三種：自然二進(jìn)制碼、折疊二進(jìn)制碼和格雷二進(jìn)制碼（反射二進(jìn)制碼）。下表列出了用4位碼表示16個(gè)量化級(jí)時(shí)的這三種碼型。2003Copyright32CUMT

LiShiyin樣值脈沖極性量化電平量化級(jí)序號(hào)自然二進(jìn)碼格雷二進(jìn)制折疊二進(jìn)碼正極性部分8765432115141312111098111111101101110010111010100110001000100110111010111011111101110011111110110111001011101010011000負(fù)極性部分-1-2-3-4-5-6-7-876543210011101100101010000110010000100000100010101110110001000110001000000000001001000110100010101100111折疊二進(jìn)制特點(diǎn)2003Copyright33CUMT

LiShiyin自然二進(jìn)碼

就是一般的十進(jìn)制正整數(shù)的二進(jìn)制表示。若把自然二進(jìn)碼從低位到高位依次給以2倍的加權(quán)，就可變換為十進(jìn)數(shù)。如設(shè)二進(jìn)碼為

(an-1,an-2,…,a1,a0)則，其對(duì)應(yīng)的十進(jìn)數(shù)（量化電平值）D=an-12n-1+an-22n-2+…+a121+a020

這種“可加性”可簡化譯碼器的結(jié)構(gòu)。編碼簡單、易記，而且譯碼可以逐比特獨(dú)立進(jìn)行。

折疊二進(jìn)碼2003Copyright34CUMT

LiShiyin折疊二進(jìn)碼

例（1）對(duì)于語音這樣的雙極性信號(hào)，只要絕對(duì)值相同，則可以采用單極性編碼的方法，使編碼過程大大簡化。（2）在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼，對(duì)小信號(hào)影響較小。折疊二進(jìn)碼的優(yōu)點(diǎn)：是一種符號(hào)幅度碼。左邊第一位表示信號(hào)的極性，信號(hào)為正用“1”表示，信號(hào)為負(fù)用“0”表示；第二位至最后一位表示信號(hào)的幅度。由于正、負(fù)絕對(duì)值相同時(shí)，折疊碼的上半部分與下半部分相對(duì)零電平對(duì)稱折疊，故名折疊碼。其幅度碼從小到大按自然二進(jìn)碼規(guī)則編碼。2003Copyright35CUMT

LiShiyin例如由大信號(hào)的1111誤為0111，自然二進(jìn)碼由15錯(cuò)到7，誤差為8個(gè)量化級(jí)，而對(duì)折疊二進(jìn)碼，誤差為15個(gè)量化級(jí)。顯見，大信號(hào)時(shí)誤碼對(duì)折疊二進(jìn)碼影響很大。如果誤碼發(fā)生在由小信號(hào)的1000誤為0000，這時(shí)情況就大不相同了，對(duì)于自然二進(jìn)碼誤差還是8個(gè)量化級(jí)，而對(duì)于折疊二進(jìn)碼誤差卻只有1個(gè)量化級(jí)。這一特性是十分可貴的，因?yàn)檎Z音信號(hào)小幅度出現(xiàn)的概率比大幅度的大，所以，著眼點(diǎn)在于小信號(hào)的傳輸效果。格雷二進(jìn)碼2003Copyright36CUMT

LiShiyin特點(diǎn)是任何相鄰電平的碼組，只有一位碼位發(fā)生變化，即相鄰碼字的距離恒為1。譯碼時(shí)，若傳輸或判決有誤，量化電平的誤差小。另外，這種碼除極性碼外，當(dāng)正、負(fù)極性信號(hào)的絕對(duì)值相等時(shí)，其幅度碼相同，故又稱反射二進(jìn)碼。但這種碼不是“可加的”，不能逐比特獨(dú)立進(jìn)行，需先轉(zhuǎn)換為自然二進(jìn)碼后再譯碼。因此，在采用電路進(jìn)行編碼時(shí)，一般均用折疊二進(jìn)碼和自然二進(jìn)碼。通過以上三種碼型的比較，在PCM通信編碼中，折疊二進(jìn)碼比自然二進(jìn)碼和格雷二進(jìn)碼優(yōu)越，它是A律13折線PCM30/32路基群設(shè)備中所采用的碼型。格雷二進(jìn)碼2.A律PCM編碼規(guī)則2003Copyright37CUMT

LiShiyin2.A律PCM編碼規(guī)則在13折線編碼中，為保證量化編碼精確度，普遍采用8位二進(jìn)制碼，對(duì)應(yīng)有M=28=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)。這需要將13折線中的每個(gè)折線段再均勻劃分16個(gè)量化級(jí)，由于每個(gè)段落長度不均勻，因此輸入的正或負(fù)8個(gè)段落被劃分成8×16=128個(gè)不均勻的量化級(jí)。對(duì)于正、負(fù)對(duì)稱的雙極性信號(hào)，在極性判決后被整流（相當(dāng)取絕對(duì)值），以后則按信號(hào)的絕對(duì)值進(jìn)行編碼，因此只要考慮13折線中的正方向的8段折線就行了。這8段折線共包含128個(gè)量化級(jí)，正好用剩下的7位幅度碼表示。按折疊二進(jìn)碼的碼型，這8位碼的安排如下：2003Copyright38CUMT

LiShiyin根據(jù)G.711標(biāo)準(zhǔn)，A律13折線語音編碼,每樣值采用8位折疊編碼(C1C2C3C4C5C6C7C8)表示。極性碼段落碼電平碼（段內(nèi)碼）C1C2C3C4C5C6C7C80-抽樣值為負(fù)1-抽樣值為正表示信號(hào)處于哪一段折線上。（3位碼的8種可能狀態(tài)分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平。）表示段內(nèi)16級(jí)均勻量化電平值。最小量化間隔2003Copyright39CUMT

LiShiyin01C1→1C2C3C4→110C5C6C7C8→01012003Copyright40CUMT

LiShiyin3.最小量化間距7位均勻量化：13折線法：?比較：小信號(hào)時(shí)編碼表每個(gè)（1/2048）稱1個(gè)量化單位，則可將歸一化值1用2048個(gè)量化單位表示。2003Copyright41CUMT

LiShiyinA律PCM段落碼編碼表為

段落號(hào)i段落起始電平Xi段內(nèi)量化間隔Δi段落碼C2C3C4101000216100133220104644011512881006256161017512321108111102464段內(nèi)碼2003Copyright42CUMT

LiShiyin4.逐次比較型編碼器本地譯碼器整流器恒流源比較器記憶電路7/11變換電路后7位碼C2～C8|Is|>IW

”1”否則

“0”保持電路極性碼C1PAM輸入IsIW7/11變換電路：數(shù)字壓擴(kuò)器，完成非線性變換，將7位非均勻編碼變?yōu)?1位線性編碼。

原理框圖2003Copyright43CUMT

LiShiyin設(shè)輸入信號(hào)幅度：X＝950，試將其按照A律13折線編成8位碼，計(jì)算譯碼輸出及量化誤差。第一步，符號(hào)位例：C1=1第二步，求段落碼因?yàn)?12<X=950<1024，處于第7段。第三步，求段內(nèi)碼解:（1）求8位編碼輸出C1C2C3C4C5C6C7C8所以，段落碼：C2C3C4=1102003Copyright44CUMT

LiShiyin所以，編碼器輸出

C1C2C3C4C5C6C7C8=11111101得到段內(nèi)碼為：C5C6C7C8=1101

?（2）求解編碼輸出量化誤差：圖示2003Copyright45CUMT

LiShiyin02048樣值落到第14級(jí)量化電平，量化值第7段的第14個(gè)量化間隔中點(diǎn)。譯碼輸出2003Copyright46CUMT

LiShiyin實(shí)際量化誤差：（2）求解編碼輸出譯碼器2003Copyright47CUMT

LiShiyin4、A律PCM譯碼原理

三種類型：電阻網(wǎng)絡(luò)型、級(jí)聯(lián)型和混合型。為使編碼造成的量化誤差小于Δi/2，通常在解碼時(shí)要加上該段量化間隔的一半。記憶電路極性控制7/11恒流源調(diào)幅脈沖輸出放大PCM脈沖原理框圖

2003Copyright48CUMT

LiShiyin由于量化誤差nq(t)和誤碼ne(t)

二者統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性，因此量化誤差與誤碼造成的誤差對(duì)噪聲功率的影響可分別計(jì)算。9.5.4系統(tǒng)性能為簡化分析，設(shè)m(t)在區(qū)間[-a，a]為均勻分布，進(jìn)行M級(jí)均勻量化，并采用N位自然二進(jìn)制編碼接收低通濾波器的輸出為量化噪聲影響2003Copyright49CUMT

LiShiyin所以，二者具有相同的信號(hào)和量化噪聲平均功率。不考慮信道誤碼，即系統(tǒng)理想時(shí)，量化器輸出信號(hào)應(yīng)與接收端譯碼輸出信號(hào)完全一致。1.均勻量化輸出量化噪聲功率PCM通信系統(tǒng)框圖抽樣譯碼LPF干擾編碼信道量化理想2003Copyright50CUMT

LiShiyin接收端輸入LPF的相當(dāng)于已量化的抽樣值，根據(jù)抽樣定理的信號(hào)重建原理，當(dāng)LPF增益為TS時(shí)，有所以信道誤碼影響2003Copyright51CUMT

LiShiyin2.誤碼噪聲功率設(shè)碼元的誤碼率為Pe，且Pe<<1，每一碼組長度為N，則根據(jù)概率論知識(shí)可知因此，一般只需考慮1位誤碼的情況。但是這一位誤碼出現(xiàn)的位置是不確定的，可能出現(xiàn)任意一位，其產(chǎn)生的誤差也會(huì)不同。誤碼造成的電平誤差2003Copyright52CUMT

LiShiyin如設(shè)碼字為則，其對(duì)應(yīng)的十進(jìn)數(shù)（量化電平值）

則造成的電平誤差設(shè)第i位發(fā)生誤碼則實(shí)際收到碼字對(duì)應(yīng)十進(jìn)數(shù)為誤碼引起的噪聲功率2003Copyright53CUMT

LiShiyin所以，誤碼引起的噪聲功率輸出信噪比2003Copyright54CUMT

LiShiyin3.輸出信噪比帶寬與量化噪聲2003Copyright55CUMT

LiShiyin4．PCM系統(tǒng)的帶寬與量化噪聲結(jié)論1：系統(tǒng)輸出信號(hào)與量化噪聲平均功率比僅依賴于每個(gè)編碼組的位數(shù)N，且隨N按指數(shù)增加。結(jié)論2：PCM系統(tǒng)輸出端的信號(hào)與量化噪聲平均功率比與系統(tǒng)帶寬B成指數(shù)增加關(guān)系。2003Copyright56CUMT

LiShiyin例

對(duì)模擬信號(hào)m(t)進(jìn)行線形PCM編碼，量化電平數(shù)L=16。PCM信號(hào)先通過＝0.5、截止頻率為5kHz的升余弦滾降濾波器，然后再進(jìn)行傳輸。求：(1)

二進(jìn)制基帶信號(hào)無串?dāng)_傳輸?shù)淖罡咝畔⑺俾剩?2)允許傳輸?shù)哪M信號(hào)的最高頻率。解：(1)PCM編碼信號(hào)經(jīng)升余弦濾波器后形成升余弦滾降信號(hào)，其頻帶利用率為所以，無串?dāng)_傳輸?shù)淖罡咝畔⑺俾蕿?003Copyright57CUMT

LiShiyin(2)根據(jù)抽樣定理和PCM原理，求模擬信號(hào)的最高頻率波形形成傳輸信道接收濾波器再生判決定時(shí)信號(hào)PCM模擬信源抽樣編碼量化2003Copyright58CUMT

LiShiyin(2)根據(jù)抽樣定理和PCM編碼原理，信號(hào)的信息速率可表示為因此可允許模擬信號(hào)的最高頻率為2003Copyright59CUMT

LiShiyin9.6差分脈沖編碼調(diào)制DPCM大容量的長途通信，比如對(duì)于衛(wèi)星通信，采用PCM方式的經(jīng)濟(jì)性能很難與模擬通信相比。

以較低的速率獲得高質(zhì)量編碼，一直是語音編碼追求的目標(biāo)。通常，把話路速率低于64kb/s的語音編碼方法，稱為語音壓縮編碼技術(shù)。9.6.1概述主要壓縮編碼方法2003Copyright60CUMT

LiShiyin差分編碼(DPCM);

自適應(yīng)差分編碼(ADPCM);

子帶編碼(SCB)；變換域編碼(ATC);參數(shù)或波形矢量編碼(VQ);

多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測編碼;碼激勵(lì)預(yù)測編碼。

主要的語音壓縮編碼方式ADPCM概述2003Copyright61CUMT

LiShiyin語音壓縮編碼方法很多，其中，自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制是語音壓縮中復(fù)雜度較低的一種編碼方法，它可在32kb/s的比特率上達(dá)到64kb/s的PCM數(shù)字電話質(zhì)量。近年來，ADPCM已成為長途傳輸中一種新型的國際通用的語音編碼方法。

ADPCM是在差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。為此，本節(jié)主要介紹DPCM的編碼原理。DPCM2003Copyright62CUMT

LiShiyinDPCM:1)一種信源壓縮編碼方式；2)作用：降低傳輸速率，提高效率；3)依據(jù)：利用語音信號(hào)時(shí)間上的相關(guān)性，除去信號(hào)中的冗余量。9.6.2差分編碼(DPCM)的基本原理基本思想：將“話音信號(hào)樣值同預(yù)測樣值的差”作量化編碼。

編碼2003Copyright63CUMT

LiShiyin積分器1)預(yù)測編碼

量化器預(yù)測器編碼譯碼2003Copyright64CUMT

LiShiyin2)譯碼器只與量化過程有關(guān)系統(tǒng)量化誤差積分器解碼預(yù)測器量化編碼過程由上式可知，這種預(yù)測編碼的總量化誤差ek僅與差值信號(hào)rk的量化誤差有關(guān)。2003Copyright65CUMT

LiShiyin3)DPCM量化與編碼設(shè)誤差信號(hào)的量化電平數(shù)M=4,N=2，量化間隔為Δv，4個(gè)量化電平分別為

誤差信號(hào)的量化編碼過程為優(yōu)缺點(diǎn)其原理和PCM一致，所不同的是，僅對(duì)誤差信號(hào)ek編碼。2003Copyright66CUMT

LiShiyin9.6.3DPCM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)當(dāng)抽樣后的時(shí)間序列mk具有較強(qiáng)的相關(guān)性時(shí)，一般有若保持量化誤差功率(量化間距)不變，編碼輸出所需位數(shù)n可減少，傳輸信號(hào)所需的速率降低；若保持原來的編碼位數(shù)，量化間距可取較小值使量化誤差減少。性能2003Copyright67CUMT

LiShiyin被編碼信號(hào)頻率量化噪聲信號(hào)截止頻率9.6.4DPCM的性能

信號(hào)功率

量化噪聲功率

信噪比為DM2003Copyright68CUMT

LiShiyin9.7增量調(diào)制△M根據(jù)當(dāng)

S>>2B時(shí)，模擬信號(hào)相鄰樣值之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性(即變化不會(huì)太大)，而僅用一位編碼表示抽樣時(shí)刻波形(相鄰樣值)的相對(duì)變化趨勢，從而實(shí)現(xiàn)編碼。特點(diǎn)：每次抽樣只輸出1bit反映輸入信號(hào)波形變換的編碼信號(hào)，簡單可靠；基本思想：用一階梯波逼近一個(gè)連續(xù)信號(hào)；主要應(yīng)用：軍用通信系統(tǒng)。原理2003Copyright69CUMT

LiShiyin9.7.1增量調(diào)制原理其原理同DPCM，只是預(yù)測器變成一個(gè)延遲Ts的延遲線。

量化器預(yù)測器編碼DPCM編碼器二電平量化器延遲TS

M編碼器積分器譯碼原理積分器2003Copyright70CUMT

LiShiyin原理過程演示1010111積分器譯碼原理OtOTs2Ts3TS4TSt5TS6TS7TSTs2Ts3TS4TS5TS6TS7TS積分器當(dāng)輸入為“1”時(shí)，輸出信號(hào)幅值上升一個(gè)臺(tái)階

，否則下降一個(gè)

。

稱為

M的量階。2003Copyright71CUMT

LiShiyin其編碼譯碼過程如圖。1010111111100斜率過載當(dāng)前樣值大于上一量化樣值，編碼輸出？量化值輸出為？該系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是一個(gè)時(shí)間離散的負(fù)反饋跟蹤系統(tǒng)，每隔Ts調(diào)整一次，使預(yù)測信號(hào)m'(t)的上升或下降始終跟蹤輸入信號(hào)m(t)的斜率。即為重建信號(hào)2003Copyright72CUMT

LiShiyin9.7.2斜率過載現(xiàn)象由于量化間隔

和抽樣間隔(Ts)是固定的，當(dāng)m(t)變化的斜率太大時(shí)，預(yù)測信號(hào)m'(t)將跟蹤不上信號(hào)的變化，使差值信號(hào)e(t)明顯增大，一個(gè)臺(tái)階的斜率，稱為譯碼器的最大跟蹤斜率。

不過載條件

111110101011性能2003Copyright73CUMT

LiShiyin9.7.3

M的性能

若接收端低通濾波器的帶寬(截止頻率)為

m，則輸出的量化噪聲功率為

在臨界過載時(shí)，系統(tǒng)有最大輸出信號(hào)功率

臨界條件下的最大量化信噪比為PCM與

M比較2003Copyright74CUMT

LiShiyin9.7.4PCM與ΔM系統(tǒng)的比較PCM和ΔM都是模擬信號(hào)數(shù)字化的基本方法。ΔM實(shí)際上是DPCM的一種特例，所以有時(shí)把PCM和ΔM統(tǒng)稱為脈沖編碼。帶寬本質(zhì)區(qū)別：PCM是對(duì)樣值本身編碼；ΔM是對(duì)相鄰樣值的差值的極性（符號(hào)）編碼。下面從抽樣頻率、最小帶寬、量化信噪比、誤碼的影響、設(shè)備復(fù)雜性等方面對(duì)二者進(jìn)行詳細(xì)比較。2003Copyright75CUMT

LiShiyin1）抽樣速率PCM系統(tǒng)中的抽樣速率fs是根據(jù)抽樣定理來確定的。若信號(hào)的最高頻率為

H，則

s≥2

H

。在ΔM系統(tǒng)中傳輸?shù)牟皇切盘?hào)本身的樣值，而是信號(hào)的增量（即斜率），因此其抽樣速率fs不能根據(jù)抽樣定理來確定。ΔM的抽樣速率與最大跟蹤斜率和信噪比有關(guān)。在保證不發(fā)生過載，達(dá)到與PCM系統(tǒng)相同的信噪比時(shí)，M的抽樣速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特速率。

帶寬2003Copyright76CUMT

LiShiyin2）帶寬量化信噪比

在同樣的語音質(zhì)量要求下:PCM系統(tǒng)的數(shù)碼率為64kbps，因而要求最小信道帶寬為32kHz。而采用ΔM系統(tǒng)時(shí)，抽樣速率至少為100kHz，則最小帶寬為50kHz。通常，ΔM速率采用32kbps或16kbps時(shí)，語音質(zhì)量不如PCM。

ΔM系統(tǒng)在每次抽樣時(shí)，只傳送一位代碼，因此其數(shù)碼率為Rs=

s，要求的最小帶寬為

BΔM=

s/2

實(shí)際應(yīng)用時(shí)

BΔM=

s

而PCM系統(tǒng)的數(shù)碼率為：Rs

=N

s

=2N

H

。2003Copyright77CUMT

LiShiyin3）量化信噪比當(dāng)取fm/fk=3000/1000時(shí)，如圖在相同的信道帶寬（即相同的數(shù)碼率Rs）條件下：在低數(shù)碼率時(shí)，ΔM性能優(yōu)越；在編碼位數(shù)多，碼率較高時(shí)，PCM性能優(yōu)越。不同N值的PCM與ΔM的性能比較曲線比較兩者曲線可看出，若PCM系統(tǒng)的編碼位數(shù)N＜4（碼率較低）時(shí)，ΔM的量化信噪比高于PCM系統(tǒng)。4）信道誤碼的影響2003Copyright78CUMT

LiShiyin4）信道誤碼的影響設(shè)備復(fù)雜程度在ΔM系統(tǒng)中，每一個(gè)誤碼代表造成一個(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，一般在10-3~10-4。PCM的每個(gè)誤碼會(huì)造成較大的誤差，尤其高位碼元，錯(cuò)一位可造成許多量階的誤差(例如，最高位的錯(cuò)碼表示2N-1個(gè)量階的誤差)。所以誤碼對(duì)PCM系統(tǒng)的影響要比ΔM系統(tǒng)嚴(yán)重些，故對(duì)誤碼率的要求較高，一般為10-5~10-6。由此可見，ΔM允許用于誤碼率較高的信道條件，這是ΔM與PCM不同的一個(gè)重要條件。

2003Copyright79CUMT

LiShiyin5）設(shè)備復(fù)雜度PCM系統(tǒng)的特點(diǎn)是多路信號(hào)統(tǒng)一編碼，一般采用8位（對(duì)語音信號(hào)），編碼設(shè)備復(fù)雜，但質(zhì)量較好。PCM一般用于大容量的干線（多路）通信。

ΔM系統(tǒng)的特點(diǎn)是單路信號(hào)獨(dú)用一個(gè)編碼器，設(shè)備簡單，單路應(yīng)用時(shí)，不需要收發(fā)同步設(shè)備。但在多路應(yīng)用時(shí)，路數(shù)增多時(shí)設(shè)備成倍增加。

ΔM一般適于小容量支線通信，話路上、下方便靈活。一般用在通信容量小和質(zhì)量要求不十分高的場合以及軍事通信和一些特殊通信中。目前，隨著集成電路的發(fā)展，ΔM的優(yōu)點(diǎn)已不再那么顯著。在傳輸語音信號(hào)時(shí)，ΔM話音清晰度和自然度方面都不如PCM。在通用多路系統(tǒng)中很少用或不用ΔM。2003Copyright80CUMT

LiShiyin9.8.1基本概念9.8時(shí)分復(fù)用TDM1)時(shí)分復(fù)用（TDM）為每一路信號(hào)（連接）分配一個(gè)周期性重復(fù)的時(shí)隙，不同的時(shí)隙傳輸不同連接的信號(hào)。時(shí)隙：每一路信號(hào)在一個(gè)周期中所占用的時(shí)間間隔幀：按順序排列的一個(gè)周期內(nèi)的各路信號(hào)。2003Copyright