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1、模數(shù)轉(zhuǎn)換要經(jīng)過抽樣、量化和編碼三個(gè)步驟。,第三章 脈沖編碼調(diào)制PCM 3.1 脈沖編碼調(diào)制PCM基本原理,脈沖編碼調(diào)制(PCM)簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制。 包括三個(gè)過程：抽樣、量化、編碼。 抽樣是把連續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)； 量化是把離散時(shí)間連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間離散幅度的數(shù)字信號(hào)； 編碼是將量化后的信號(hào)編碼形成一個(gè)二進(jìn)制碼組輸出。,模擬話音,采樣時(shí)鐘,PAM 信號(hào),PCM 信號(hào),采樣電路,量化和編碼,數(shù)字化聲音,話音信道帶寬 2倍話音最大頻率) 量化級(jí)數(shù)：256級(jí) (8位二進(jìn)制碼表示) 數(shù)據(jù)率：8000次/s*8bit = 64Kb/s 每路PCM信號(hào)的速率 = 640

2、00bps,例：語音信號(hào)要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這需要經(jīng)過三個(gè)步驟：采樣、量化、編碼。編碼后的信號(hào)稱為PCM（Pulse Coded Modulation）信號(hào)（脈碼調(diào)制信號(hào)）,PCM轉(zhuǎn)換過程舉例,原始信號(hào),PAM脈沖,PCM 脈沖 （有量化誤差）,011100011011001100,PCM 輸出,脈沖編碼過程是模擬信號(hào)調(diào)制一個(gè)二進(jìn)制脈沖序列，載波是脈沖序列，調(diào)制改變脈沖序列的有無（或“1”、“0”） 3.2 低通與帶通抽樣定理 抽樣定理是任何模擬信號(hào)（語音、圖象等）數(shù)字化的理論基礎(chǔ)。 一、低通抽樣定理 一個(gè)頻帶限制在（0，fH）內(nèi)的連續(xù)信號(hào)x(t)，如果抽樣頻率f

3、s大于或等于2fH，則可以由抽樣序列無失真地恢復(fù)原始信號(hào)。 反之， fs 2fH ，則會(huì)產(chǎn)生失真。,動(dòng)畫,示意圖:,動(dòng)畫,動(dòng)畫,3.3 實(shí)際抽樣 抽樣定理中要求抽樣脈沖序列是理想沖激脈沖序列,稱為理想抽樣。但實(shí)際抽樣電路中抽樣脈沖具有一定持續(xù)時(shí)間,分為平頂抽樣(脈寬期間幅度不變);自然抽樣(脈寬期間幅度變化) 一、自然抽樣 設(shè)抽樣脈沖序列為:,（見附錄）,3.4 標(biāo)量量化 一、標(biāo)量量化 量化過程就是把一個(gè)連續(xù)幅度值的無限數(shù)集合映射成一個(gè)離散幅度值的有限集合。,Q(x) 量化器,x 模擬入,y 量化值,3.5 最佳量化器 最佳量化就是使量化誤差的均方值最小。其必要條件是:,3.6 均勻量化,均勻

4、量化的小信號(hào)的信噪比?。ㄈ缬覉D）。 非均勻量化：由于一些信源信號(hào)，如語音信號(hào)，小幅度信號(hào)發(fā)生的概率大于大幅度信號(hào)的概率，采用非均勻量化（即小幅度量化的步長(zhǎng)小于大信號(hào)幅度的量化步長(zhǎng)）效果更好（表現(xiàn)在語音信號(hào)上，可以使信號(hào)具有足夠的信噪比，如25dB，具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，40dB）。,非均勻量化特性通常是把信號(hào)通過一個(gè)非線性的設(shè)備，小信號(hào)幅度進(jìn)行放大，大信號(hào)幅度進(jìn)行壓縮，再通過均勻量化實(shí)現(xiàn)。,3.7 非均勻量化,壓縮與擴(kuò)張 實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法之一是采用壓縮擴(kuò)張技術(shù)，其特點(diǎn)是在發(fā)送端對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行壓縮處理后再均勻量化，在接收端進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)張?zhí)幚?。如圖所示。,由圖中看出，非線性壓縮特性中，小信號(hào)

5、時(shí)的壓縮特性曲線斜率大，而大信號(hào)時(shí)壓縮特性曲線斜率小。經(jīng)過壓縮后，小信號(hào)放大變成大信號(hào)，再經(jīng)均勻量化后，信噪比就較大了。在接收端經(jīng)過擴(kuò)張?zhí)幚?，還原成原信號(hào)。,3.8 對(duì)數(shù)量化及其折線近似 量化器輸入工作動(dòng)態(tài)范圍為45dB左右，按照在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)量化噪聲盡可能保持平穩(wěn)的要求來設(shè)計(jì)的量化器具有對(duì)數(shù)量化特性，稱為對(duì)數(shù)量化器。 特點(diǎn)：大信號(hào)，信噪比相對(duì)于均勻量化低一點(diǎn)；小信號(hào)，信噪比則明顯提高。L=256（n=8）的對(duì)數(shù)量化器能滿足長(zhǎng)話的質(zhì)量要求。,量化器輸出信噪比始終保持為常數(shù)。對(duì)數(shù)壓縮特性相當(dāng)于對(duì)輸入信號(hào)x的小信號(hào)電平值放大倍數(shù)大，對(duì)大信號(hào)電平值放大倍數(shù)小，從而壓縮了信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。 但理想的對(duì)數(shù)放

6、大是無法實(shí)現(xiàn)的。,一、A律變換：,ITUT建議：A87.6。 這樣，信號(hào)的信噪比SNR得到改善。,二、律變換： 在A律中,A=94.4對(duì)應(yīng) 律。,A律的工程實(shí)現(xiàn)采用13折線逼近 以輸入信號(hào)為正來看，輸入信號(hào)被歸一化到（0，1）范圍，該區(qū)間被分為不均勻的8個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的量化步長(zhǎng)以2的倍數(shù)遞增。,其具體分法如下:,將區(qū)間0，1一分為二，其中點(diǎn)為1/2,取區(qū)間1/2,1作為第八段;,區(qū)間0,1/2再一分為二，其中點(diǎn)為1/4,取區(qū)間1/4,1/2作為第七段;,區(qū)間0,1/4再一分為二，其中點(diǎn)為1/8,取區(qū)間1/8,1/4作為第六段;,區(qū)間0,1/8一分為二，中點(diǎn)為1/16,取區(qū)間1/16,1/8作

7、為第五段;,區(qū)間0,1/16一分為二，中點(diǎn)為1/32,取區(qū)間1/32,1/16作為第四段;,區(qū)間0,1/32一分為二，中點(diǎn)為1/64,取區(qū)間1/64,1/32作為第三段;,區(qū)間0,1/64一分為二，中點(diǎn)為1/128,區(qū)間1/128,1/64作為第二段;,區(qū)間0,1/128作為第一段。 這條折線與A=87.6壓縮特性很接近。,然后將,分別為0,1/8,(1/8,2/8,(2/8,3/8,(3/8,4/8,(4/8,5/8,(5/8,6/8, (6/8,7/8,(7/8,1。分別與,軸的八段一一對(duì)應(yīng)。,軸的0,1區(qū)間均勻地分成八段，從第一段到第八段,各段落的斜率,保證一定的信噪比，如30dB，不采

8、用非均勻量化，信號(hào)的幅度變化范圍（常稱為動(dòng)態(tài)范圍）轉(zhuǎn)化為dB，只能在20dB，非均勻量化時(shí)，可以達(dá)到44dB。 下圖:信噪比改善圖; 在13折線圖中滿足30dB信噪比時(shí)小信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展。,13折線的編碼 下面結(jié)合我國(guó)采用的13折線的編碼來說明無論輸入信號(hào)是正還是負(fù)，均按8段折線（8個(gè)段落）進(jìn)行編碼，若用8位折疊二進(jìn)碼表示，其中: 第一位表示量化值的極性；其余7位表示抽樣量化 值的絕對(duì)大小。具體如下： 第二位至第四位（段落碼）共有8種狀態(tài)，分別 代表8個(gè)段落的段落電平。 其他4位（段內(nèi)碼）有16種狀態(tài)，分別代表每一段落 的16個(gè)均勻劃分的量化間隔。,動(dòng)畫,15折線法的轉(zhuǎn)折點(diǎn)坐標(biāo)和各段斜率 i

9、 0 1 2 3 4 5 6 7 8 y = i/8 0 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 1 x=(2i - 1)/255 0 1/255 3/255 7/255 15/255 31/255 63/255 127/255 1 斜率 255 1/8 1/16 1/32 1/64 1/128 1/256 1/512 1/1024 段號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 由于其第1段和第2段的斜率不同， 不能合并為一條直線，故考慮 交流電壓正負(fù)極性后，共得到 15段折線。,律與15折線圖,律： 01/255作為第一區(qū)間； 1/2553/255作為第二區(qū)間； 3/2557/255

10、作為第三區(qū)間； 7/25515/255作為第四區(qū)間； 15/25531/255作為第五區(qū)間； 31/25563/255作為第六區(qū)間； 63/255127/255作為第七區(qū)間； 127/2551作為第八區(qū)間； 這條折線與 =255的律壓縮特性接近。,3.9 PCM編碼原理 常見的PCM二進(jìn)制碼組有三種： 自然二進(jìn)制碼組NBC；-十進(jìn)制正整數(shù)的二進(jìn)制表示。 折疊二進(jìn)制碼組FBC；-左邊第一位表示正負(fù)號(hào)，“1”表示正。 格雷二進(jìn)制碼組RBC；特點(diǎn)：任何相鄰電平的碼組只有一位發(fā)生變化。,三種碼組,對(duì)于NBC：碼組第一位出錯(cuò)，幅度誤差為最大幅度的1/2倍； 對(duì)于FBC：碼組第一位出錯(cuò)，小信號(hào)的失真誤差要小得多； 對(duì)于RBC：碼組中一位出錯(cuò)，誤差幅度只相差一個(gè)量化間隔。,