通信原理多媒体教案.ppt

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1、通信原理 2004年,第一讲 绪论,通信原理多媒体教案,通信原理教学组编著西安电子科技大学通信工程学院二零零四年,通信原理 2004年,第一讲 绪论,通信原理多媒体教案,第 六 章模拟信号的数字传输,通信原理 2004年,第一讲 绪论,第六章,大纲要求低通信号和带通信号抽样定理；脉冲振幅调制（PAM）原理，自然抽样脉冲振幅调制，平顶抽样脉冲振幅调制；模拟信号的量化原理，均匀量化，非均匀量化，量化噪声，量化信噪比；脉冲编码调制（PCM）原理，十三折线非均匀量化编码；逐次比较型编码器原理，脉冲编码调制（PCM）系统抗噪声性能；,通信原理 2004年,第一讲 绪论,第六章,增量调制（M）原理，增量调

2、制系统最大跟踪斜率，一般量化噪声，过载量化噪声，增量调制（M）系统抗噪声性能；脉冲编码调制（PCM）系统与增量调制（M）系统的比较；差分脉冲编码调制（DPCM）原理；自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）原理。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,第六章,数字通信系统具有许多优点而成为当今通信的发展方向。然而自然界的许多信息经各种传感器感知后都是模拟量，例如电话、电视等通信业务，其信源输出的消息都是模拟信号。若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤：把模拟信号数字化，即模数转换（A/D）；进行数字方式传输；把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）。本章在介绍抽样定理和脉冲幅度调制的

3、基础上,重点讨论模拟信号数字化的两种方式,及PCM和M的原理及抗噪声性能。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,第六章,目前用的最普遍的波形编码方法有脉冲编码调制(PCM)和增量调制（M）。采用脉码调制的模拟信号的数字传输系统如下图所示：,通信原理 2004年,第一讲 绪论,第六章,6.1 抽样定理 超链接6.2 脉冲幅度调制（PAM)超链接6.3 脉冲编码调制（PCM）超链接6.4 自适应差分脉冲编码 超链接6.5 增量调制（M）超链接,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.1 抽样定理,抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。能否由此样值序列重建原信号，是抽样定理

4、要回答的问题。抽样定理的分类:根据信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分低通抽样定理和带通抽样定理；根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的，抽样定理分均匀抽样定理和非均匀抽样定理；根据抽样的脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列，抽样定理分理想抽样定理和实际抽样定理。返回目录,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.1 抽样定理,6.1.1 低通抽样定理定义:m(t),0,fH 一个频带限制在(0,fH)赫内的时间连续信号,如果以TS1/(2 fH)秒的间隔对它进行等间隔（均匀）抽样,则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.1 抽样定理,TS=1/(2

5、 fH)是抽样的最大时间间隔,它被称为奈奎斯特间隔。此定理告诉我们,若m(t)的频谱在某一频率fH以上为零,则m(t)中的全部信息完全包含在其间隔不大于1/2fH秒的均匀抽样序列里。换句话说，在信号最高频率分量的每一个周期内起码应抽样两次。或者说，抽样速率fS(每秒内的抽样点数）应不小于2fH，若抽样速率fs 2fH，则会产生失真，这种失真叫混叠失真。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.1 抽样定理,原理:假设采用周期为 的冲激函数序列，按抽样定理描述的抽样间隔对 赫兹内的模拟信号 进行抽样，则已抽样信号 为,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.1 抽样定理,通信原理 2004年,第

6、一讲 绪论,6.1 抽样定理,的频谱为：将 通过截止频率为 的低通滤波器，便可得到频谱，即,条件:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.1 抽样定理,抽样过程的时间函数及对应频谱如图:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.1 抽样定理,若,混叠失真。恢复:特点:由无穷多 组成 带宽 用 可以恢复,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.1 抽样定理,6.1.2 带通抽样定理低通:带通:(,高频带宽)带通均匀抽样定理:一个带通信号m(t),其频率限制在f L 与f H 之间,带宽为B=f H f L,如果最小抽样速率f S=2f H/m,m是一个不超过f H/B 的最大整数,那么可完全由

7、其抽样值确定。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.1 抽样定理,n是不大于 的最大正整数。对于,。当模拟信号m(t)是窄带信号,即f H B 时,能恢复出窄带信号m(t)的最小抽样频率f S 2B。实际中广泛应用的高频窄带信号通常都满足 f LB,因此对窄带信号通常速率抽样可按 f S=2B 选择,而不用选f S=2 f H。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.1 抽样定理,例题:已知f L=100.5 MHZ,f H=100.9 MHZ,求f S 的值。解:B=f H f L=0.4MHZ f H=nB+kB=252B+0.25B f S=2B(1+k/n)=20.4(1+0.2

8、5/252)800.8kHZ,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),脉冲振幅调制（PAM）脉冲调制:以时间上离散的脉冲串作为载波,用模拟基带信号 m(t)去控制脉冲串的某参数,使其按m(t)的规律变 化的调制方式。脉冲振幅调制（PAM）是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。若脉冲载波是冲激序列,则前面讨论的抽样定理就是脉冲振幅调制的原理。按抽样定理得到的信号ms(t)就是一个PAM号。返回目录,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),在实际中通常采用脉冲宽度相对于抽样周期较窄的窄脉冲序列,从而实现脉冲振幅调制。这里我们介绍用窄脉

9、冲序列进行实际抽样的两种脉冲振幅调制方式:自然抽样的脉冲调幅和平顶抽样的脉冲调幅。实际抽样:理想抽样:理想冲激函数对抽样。实际抽样:采用脉冲宽度为 周期脉冲进行抽样。根据抽样脉冲的形状分为自然抽样和平顶抽样。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),1)自然抽样的脉冲调幅自然抽样（曲顶抽样）:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),自然抽样又称曲顶抽样,它是指抽样后的脉冲幅度顶部随被抽样信号m(t)变化。设基带信号为m(t),脉冲载波为s(t)其中 是宽度为，高度为A的矩形脉冲。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制

10、(PAM),设单个自然抽样脉冲调幅信号 为 与 的乘积。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),其频谱可以表示为：,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),其频谱图与理想抽样（采用冲激序列抽样）的频谱图非常相似，也是由无限多个 的 频谱之和组成。其中n=0的成分是(/T)，与原信号谱 只差一个比例常数(/T)，因而也可用低通滤波器从 中滤出 从而恢复出基带信号。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),比较式（6.1-6）和式（6.2-3）发现它们的不同之处是:理想抽样的频谱被常数1/T加权，因而信号带宽为无

11、穷大；而自然抽样频谱的包络按Sa函数随频率增高而下降，因而带宽是有限的，且带宽与脉宽 有关。越大，带宽越小，这有利于信号的传输，但 大会导致时分复用的路数减小，显然 的大小要兼顾带宽和复用路数这两个互相矛盾的要求。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),自然抽样脉冲调幅信号ms(t)通过低通滤波器就可以从 Ms()中滤出原基带信号m(t)的频谱 M(),从而恢复出基带信号m(t)。自然抽样的脉冲调幅原理如下图所示:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),2)平顶抽样的PAM 平顶抽样又叫瞬时抽样，它与自然抽样的不同之处在于它的抽样后信

12、号中的脉冲均具有相同的形状顶部平坦的矩形脉冲，矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。平顶抽样信号：,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),平顶抽样PAM信号地产生原理框图及波形如下图所示,其中脉冲形成电路地作用就是把冲激脉冲变为矩行脉冲。,设基带信号为m(t),冲激载波为T(t),脉冲形成电路的传输函数为Q(),则输出信号频谱为MQ()。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),矩形脉冲形成电路的冲击响应为，经过理想抽样后得到的信号 可用式（6.1-4）表示，即 这就是说，是由一系列被m(nT)加权的冲击序列组成，而m(nT)就是第n个抽样值幅

13、度，经过矩形脉冲形成电路，每当输入一个冲击信号，在其输出端便产生一个幅度为m(nT)的矩形脉冲，因此在 作用下，输出便产生一系列被m(nT)加权的矩形脉冲序列，这就是平顶抽样PAM信号，它表示为,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),设脉冲形成电路的传输函数为，则输出的平顶抽样信号频谱 为抽样保持:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),由上式看出,平顶抽样的PAM信号频谱MQ()是由Q()加权后的周期性重复的M()所组成的。由于 是 的函数，如果直接用低通滤波器恢复，得到的是，必然存在失真。为了从已抽样信号中恢复原基带信号m(t),

14、可在接受端低通滤波器之前增加传输特性为1/Q()的修正网络,那么通过低通滤波器便能无失真地恢复原基带信号m(t)。在实际应用中，平顶抽样信号采用抽样保持电路来实现，得到的脉冲为矩形脉冲。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),恢复:在实际应用中,考虑到实际滤波器可能实现的特性,抽样速率fs 要比2fH 选的大一些,一般 fs=(2.5 3)fH。平顶抽样PAM信号的解调原理框图如下图所示:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.2 脉冲振幅调制(PAM),理想抽样:,抽样 自然抽样:,平顶抽样幅度连续 幅度连续 时间连续 抽样 时间离散,通信原理 2004年,第

15、一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),6.3 脉冲编码调制（PCM）脉冲编码调制PCM简称脉码调制,它是一种用一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值,从而实现通信的方式。由于这种通信方式抗干扰能力强，它在光纤通信、数字微波卫星通信中获得了极为广泛的应用。PCM是一种典型的语音信号数字化的波形编码方式,其系统原理框图如下页图所示。返回目录,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),PCM系统原理框图,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),首先,在发送端进行波形编码,将输入的模拟信号m(t)变换为二进制码组。编码后的PCM码组的数字传

16、输方式,可以是直接的基带传输，也可以是对微波、光波等载波调制后的调制输。在接收端,二进制码组经译码后还原为量化后的样值脉冲序列,然后经低通滤波器滤除高频分量，便可得到重建号,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),PCM信号形成示意图（1）,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),PCM信号形成示意图（2）,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),抽样是按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的抽样信号;量化是把幅度上仍连续（无穷多个取值）的抽样信号进行幅度离散;编码是用二进制码组表示量化后的M个样值脉

17、冲。PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),6.3.1 量化 利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。抽样是把一个时间连续信号变换成时间离散信号；量化则是将幅度连续的抽样值变成幅度离散的抽样值。量化后的信号 mq(t)是对原来信号m(t)的近似,对模拟抽样值的量化过程会产生误差,称为量化误差,通常用均方误差来度量。由于这种误差的影响相当于干扰或噪声,故又称其为量化噪声。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),方便起见,假设m(t)是均值为零,概率密度

18、为f(x)的平稳随机过程,则量化噪声的均方误差(即平均功率)为:若把积分区间分割成M个量化间隔,则量化噪声的均方误差可表示为:这是不过载时求量化误差的基本公式。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),若量化间隔是均匀的,称为均匀量化;还有一种是量化间隔不均匀的非均匀量化,非均匀量化克服了均匀量化的缺点,是语音信号实际应用的量化方式。1)均匀量化(i相同)均匀-等间隔划分输入信号的取值域。把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),均匀量化过程示意图:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6

19、.3 脉冲编码调制(PCM),在均匀量化中每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点。其量化间隔 取决于输入信号的变化范围和量化电平数。若设输入信号的最小值和最大值分别用a和b表示,量化电平数为M，则均匀量化时的量化间隔为:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),量化误差:,相对误差:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),均匀量化时量化器输出的信号功率为:,量化噪声功率 为:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),在衡量系统性能时应看噪声与信号的相对大小，我们把绝对量化误差与信号之比称为相对量化误差，相对

20、量化误差的大小反映了量化器的性能，通常用量化信噪比（S/）来衡量，它被定义为信号功率与量化噪声功率之比，即:当输入信号m(t)在区间-a,a具有均匀概率密度函数,对其进行M个电平均匀量化时,平均信号量化噪声功率比为:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),当量化电平数M 1时用分贝表示为:由上式可知，量化信噪比随量化电平数M的增加而提高，信号的逼真度越好。通常量化电平数应根据对量化信噪比的要求来确定。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),均匀量化器广泛应用于线性A/D变换接口。例如在计算机的A/D变换，N为A/D变换器的位数，常用的

21、有8位、12位、16 位等不同精度。另外，在遥测遥控系统、仪表、图像信号的数字化接口中，也都使用均匀量化器。均匀量化的主要缺点是量化信噪比随信号电平的减小而下降，产生这一现象的原因是均匀量化的量化间隔 为固定值，量化电平分布均匀，因而无论信号大小如何，量化噪声功率固定不变。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),当信号m(t)较小时，信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常,把满足信噪比要求的输入信号的取值范围定义为动态范围。在均匀量化时输入信号的动态范围将受到较大的限制,为了克服均匀量化的缺点,实际中往往采用非均匀量化

22、。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),例:设一M个量化电平的均匀量化器，其输入信号的 概率密度函数在区间内均匀分布，试求该量化器 的量化信噪比。解:由公式:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),得:,因为:所以:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),信号功率:因而，量化信噪比为:或:,若,则,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),由上式可知，量化信噪比随量化电平数M的增加而提高，信号的逼真度越好。通常量化电平数应根据对量化信噪比的要求来确定。均匀量化的缺点:小信号的量

23、化信噪比低,达不到要求,即输 入信号的动态范围受限。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),2)非均匀量化思想:非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的 量化。对于信号取值小的区间,其量化间隔也小;反之,量 化间隔就大。,非均匀量化,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),非均匀量化与均匀量化相比，有两个突出的优点。当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，非均 匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率 比;非均匀量化时,量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样 值成正比。因此，量化噪声过大、小信号的影响大致相同,即

24、改善了小信号时的量化信噪比。非均匀量化的实现方法是将抽样值通过压缩器压缩后再进行均匀量化。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),压缩器:压大补小,提高信号的S/Nq。特性:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),广泛采用的两种对数压扩特性是 律压扩和A律压扩。美国采用 律压扩,我国和欧洲各国均采用A律压扩,下面分别讨论这两种压扩的原理。律压扩特性:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),x为归一化输入，y为归一化输出，归一化是指信号电压与信号最大电压之比，所以归一化的最大值为1。为压扩参数，表示压扩程度

25、。=0,无压缩;100,典型=255。A律压扩特性:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),A为压扩参数，A=1时无压缩，A值越大压缩效果越明显。典型值,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),下面举例来计算压缩对量化信噪比的改善量。例:求=100时，压缩对大、小信号的量化信噪比的改善量，并与无压缩时（=0）的情况进行对比。解:因为压缩特性 为对数曲线,当量化级划分较多 时,在每一量化级中压缩特性曲线均可看作直线 所以 有:,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),因此，量化误差为 当 1时，的比值大小反映了

26、非均匀量化（有压缩）对均匀量化（无压缩）的信噪比的改善程度。当用分贝表示时，并用符号Q表示信噪比的改善量,那么,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),对小信号()时有该比值大于1，表示非均匀量化的量化间隔 比均匀量化间隔小。这时，信噪比的改善量为,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),对大信号()时,有该比值小于1，表示非均匀量化的量化间隔 比均匀量化间隔 大，故信噪比下降。以分贝表示为即大信号信噪比下降13.3。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),采用压扩提高了小信号的量化信噪比，从而相当扩大了输入

27、信号的动态范围。早期的A律和 律压扩特性是用非线性模拟电路获得的。由于对数压扩特性是连续曲线，且随压扩参数而不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的，因而精度和稳定度都受到限制。随着数字电路特别是大规模集成电路的发展，另一种压扩技术数字压扩，日益获得广泛的应用。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),数字压扩是利用数字电路形成许多折线来逼近对数压扩特性。在实际中常采用的有两种：一种是采用13折线近似A律压缩特性，另一种是采用15折线近似 律压缩特性。这里重点介绍A律13折线。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),A律13折线 返

28、回,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),斜率:k1=16 k2=16 k3=8 k4=4 k5=2 k6=1 k7=1/2 k8=1/4k1,k2段合为一段(7折)7(正)+7(负)1(正负第一折合为一折)=13(折)A律13折线的产生是从不均匀量化的基点出发，设法用13段折线逼近A=87.6的A律压缩特性。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),具体方法是：把输入x轴和输出y轴用两种不同的方法划分。对X轴在01（归一化）范围内不均匀分成8 段，分段的规律是每次以二分之一对分，第一 次在0到1之间的1/2处对分，第二次在0到1/2

29、之间的1/4处对分，第三次在0到1/4之间在1/8 处对分，其余类推。对Y轴在01（归一化范围内采用等分法，均 匀分成8段，每段间隔均为1/8。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),然后把X，Y各对应段的交点连接起来构成8段 直线，得到上图所示的折线压扩特性，其中第 1、2段斜率相同(均为16)，因此可视为一条直 线段，故实际上只有7根斜率不同的折线。参看A律13折线图 以上分析的是正方向，由于语音信号是双极性信号，因此在负方向也有与正方向对称的一组折线，也是7根，但其中靠近零点的1、2段斜率也都等于16，与正方向的第1、2段斜率相同，又可以合并一根，因此，正、

30、负双向共有 折，故称其为13折线。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),但在定量计算时，仍以正、负各有8段为准。在13折线编码方法中,无论输入信号是正还是负,均按8段折线进行编码,用8位二进制码C1C2C3C4C5C6C7C8来表示其量化值。其中第一位码C1表示量化值的极性,称为极性码;第二至第四位3位码C2C3C4的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平,称为段落码;第五至第八位4位码C5C6C7C8的16种可能状态用来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级,称为段内码。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),这样处理的结果,

31、8个段落被划分成128个量化级。该编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。13折线参数表,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),由表可见,13折线各段落的分界点与A=87.6曲线十分逼近,而且两特性起始段的斜率均为16,这就是说,13折线非常逼近A=87.6的对数压缩特性。在A律特性分析中可以看出,取A=87.6有两个目的:是使特性曲线原点附近的斜率凑成16；是使13折线逼近时，x的八个段落量化分界点近似于按2的 幂次递减分割,有利于数字化。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),采用13折线编码方法,在保证小信号区间量化间隔相同

32、的条件下,7位非线性编码于11位线性编码等效。由于非线性编码的码位数减少,因此设备简化,所需传输系统带宽减少。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),率15折线 其中k1=32,对小信号放大率更大说明:扩张特性与压缩特性相反(x,y 轴互换即可);小信号 小,大信号 大;压缩后输入信号动态范围大。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),2.编码和译码 把量化后的信号电平值变换成二进制码组的过程称为编码，其逆过程称为解码或译码。1)码字和码型 二进制码具有抗干扰能力强，易于产生等优点，因此PCM中一般采用二进制码。对于M个量化电平，可以

33、用N位二进制码来表示，其中的每一个码组称为一个码字。码型指的是代码的编码规律，其含义是把量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出各对应的码字，这种对应关系的整体就称为码型。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),常用二进制码型 返回1 返回2,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),在PCM中常用的二进制码型有三种：自然二进码、折叠二进码和格雷二进码（反射二进码）。自然二进码就是一般的十进制正整数的二进制表示，编码简 单、易记，而且译码可以逐比特独立进行。格雷码的特点是任何相邻电平的码组，只有一位码位发生变 化，即相邻

34、码字的距离恒为1。这种码不是“可加的”,不能逐 比特独立进行,需先转换为自然二进码后再译码。参看常用二进制码型表,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),折叠二进码是一种符号幅度码。左边第一位表示信号的极 性,信号为正用“1”表示,信号为负用“0”表示;第二位至最 后一位表示信号的幅度,且其幅度码从小到大按自然二进码 规则编码,由于正、负绝对值相同时,折叠码的上半部分与下 半部分相对零电平对称折叠。折叠二进码的优点是:1)对于语音这样的双极性信号,只要绝对值相同,则可以采用 单极性编 码的方法,使编码过程大大简化。2)小信号出错时误差级数小。参看常用二进制码型表,通

35、信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),通过以上三种码型的比较,在PCM通信编码中,折叠二进码比自然二进码和格雷二进码优越,它是A律13折线PCM 30/32路基群设备中所采用的码型。2)码位的选择与安排 至于码位数的选择，它不仅关系到通信质量的好坏，而且还涉及到设备的复杂程度。在信号变化范围一定时，用的码位数越多，量化分层越细，量化误差就越小，通信质量当然就更好。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),但码位数越多,设备越复杂,同时还会使总的传码率增加,传输带宽加大。一般从话音信号的可懂度来说,采用3 4位非线性编码即可,若增至78位时

36、,通信质量就比较理想了。在13折线编码中,普遍采用8位二进制码,对应有 个量化级,即正、负输入幅度范围内各有128个量化级,这需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化级,由于每个段落长度不均匀,因此正或负输入的8个段落被划分成 个不均匀的量化级。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),按折叠二进码的码型,这8位码的安排如下：极性码 段落码 段内码 其中第1位码的数值“1”或“0”分别表示信号的正、负极性，称为极性码。对于正、负对称的双极性信号,在极性判决后被整流（相当取绝对值），以后则按信号的绝对值进行编码,因此只要考虑13折线中的正方向的8段折线就行了。

37、,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),第2至第4位码为段落码，表示信号绝对值处在哪个段落,3位码的8种可能状态分别代表8个段落的起点电平。但应注意,段落码的每一位不表示固定的电平,只是用它们的不同排列码组表示各段的起始电平。第5至第8位码为段内码,这4位码的16种可能状态用来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),段落码,段内码,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),在13折线编码方法中,虽然各段内的16个量化级是均匀的,但因段落长度不等,故不同段落间的量化级是

38、非均匀的。小信号时,段落短,量化间隔小;反之,量化间隔大。13折线中的第一、二段最短,只有归一化的1/128,再将它等分16小段,每一小段长度为。这是最小的量化级间隔,它仅有输入信号归一化值的1/2048,记为,代表一个量化单位;第八段最长,它是归一化值的1/2,将它等分16小段后,每一小段归一化长度为,包含64个最小量化间隔，记为64。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),如果以非均匀量化时的最小量化间隔=1/2048作为输入x轴的单位，那么各段的起点电平分别是0、16、32、64、128、256、512、1024个量化单位。下表列出了A律13折线每一量化段的

39、起始电平、量化间隔、各位幅度码的权值（对应电平）。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),13折线幅度码及其对应电平,返回1返回2,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),由此表可知,第i段的段内码 的权值（对应电平）分别如下：由此可见,段内码的权值符合二进制数的规律,但段内码的权值不是固定不变的,它是随 值而变,这是由非均匀量化造成的。可见,在保证小信号时的量化间隔相同的条件下,7位非线性编码与11位线性编码等效。由于非线性编码的码位数减少,因此设备简化,所需传输系统带宽减小。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制

40、(PCM),3)编码原理 实现编码的具体方法和电路很多,如有低速编码和高速编码、线性编码和非线性编码;逐次比较型,级联型和混合型编码器。这里只讨论目前常用的逐次比较型编码器原理。逐次比较型编码器由整流器,保持电路,比较器及本地译码电路组成。实现A率13折线压扩特性的逐次比较型编码器的原理框图如下图所示。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),返回1 返回2 返回3 返回4 逐次比较型编码器的原理方框图 返回5 返回6,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),编码器的任务就是要根据输入的样值脉冲编出相应的8位二进制码,除第一位极性码外,其

41、它7位二进制码是通过类似于天平称重物的过程来逐次比较确定的。这种编码器就是PCM通信中常用的逐次比较型编码器。预先规定好一些作为比较标准的电流(或电压),称为权值电流,用符号 表示。的个数与编码位数有关。当样值脉冲 到来后,用逐步逼近的方法有规律地用各标准电流 去和样值脉冲比较,每比较一次出一位码,直到 和 逼近为止，完成对输入样值的非线性量化和编码。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),极性判决电路用来确定信号的极性。逐次比较型编码器各 部分工作原理是用整流器来判别输入脉冲的极性,编出第一 位码(极性码)。输入PAM信号是双极性信号，其样值为正 时,在位脉冲到

42、来时刻出“l”码;样值为负时,出“0”码;同 时将该信号经过全波整流变为单极性信号。本地译码电路包括记忆电路、7ll变换电路和恒流源。记忆 电路用来寄存二进代码,因除第一次比较外,其余各次比较都 要依据前几次比较的结果来确定标准电流 值。因此,7位 码组中的前6位状态均应由记忆电路寄存下来。参看框图(返回1),通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),比较器是编码器的核心。它的作用是通过比较样值电流 和标准电流，从而对输入信号抽样值实现非线性量化 和编码。每比较一次输出一位二进代码，且当 时，出“l”码；反之出“0”码。由于在13折线法中用7位二进 代码来代表段落和段

43、内码，所以对一个输入信号的抽样值 需要进行7次比较。每次所需的标准电流 均由本地译码 电路提供。参看框图(返回2),通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),恒流源也称11位线性解码电路或电阻网络，它用来产生各种 标准电流。在恒流源中有数个基本权值电流支路，基本 的权值电流个数与量化级数有关。按A率13折线编出的7位码，需要11个基本的电流权值支路,每个支路都有一个控制开关。每次应该哪个开关接通形成比 较用的标准电流，由前面的比较结果经变换后得到控制 信号来控制。参看框图(返回3),通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),7/11变换电路就

44、是前面非均匀量化中谈到的数字压缩器。由 于按A率13折线只编7位码，加至记忆电路的码也只有7位，而线性解码电路（恒流源）需要11个基本的电流权值支路，这就要求有11个控制脉冲对其控制。因此，需要通过7/11逻辑变换电路将7位非线性码转换成11 位线性码，其实质就是完成非线性和线性之间的转换。参看框图(返回4),通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),保持电路的作用是保持输入信号的抽样值在整个比较过程 中具有一定的幅度。由于逐次比较型编码器编7位码(极性码 除外)需要在一个抽样周期Ts以内完成 与 的7次比较,在整个比较过程中都应保持输入信号的幅度不变，因此要求 将样

45、值脉冲展宽并保持。这在实际中要用平顶抽样，通常由 抽样保持电路实现。参看框图(返回5)附带指出，原理上讲模拟信号数字化的过程是抽样、量化以后才进行编码。但实际上量化是在编码过程中完成的，也就是说，编码器本身包含了量化和编码的两个功能。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),例:设输入信号抽样值=+1260（其中 为一个 量化单位,表示输入信号归一化值的1/2048),采用 逐次比较型编码器,按A律13折线编成8位码 解:编码过程如下:(1)确定极性码C1:由于输入信号抽样值 为正,故极性码,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),(2)

46、确定段落码C2C3C4:参看13折线幅度码及其对应电平表可知,段落码C2 是用来表示输入信号抽样值 处于13折线8个段落中的前四段还是后四段,故确定C2的标准电流应选为第一次比较结果为Is Iw,故C2=1,说明Is处于后四段(5至8段);,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),C3是用来进一步确定 Is 处于 5 至6 段还是7 至8 段，故确定C3的标准电流应选为 Iw=512,第二次比较结果为 Is Iw，故C3=1，说明 Is 处于 7 至 8 段；同理，确定C4的标准电流应选为 Iw=1024，第三次比较结果为Is Iw，所以C4=1，说明 Is 处于第

47、8段。经过以上三次比较得段落码C2C3C4 为“111”，Is 处于第 8段，起始电平为1024。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),(3)确定段内码C5C6C7C8:段内码是在已知信号输入信号抽样值 所处段落的基础上，进一步表示 在该段落的哪一量化级（量化间隔）。参看13折线幅度码及其对应电平表可知，第 8 段的16个量化间隔均为=64，故确定 的标准电流应选为 第四次比较结果为，故=0，由段内码表知 处于前8 级（0 7 量化间隔）；,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),同理,确定 的标准电流为 第五次比较结果为，故=0，表

48、示 处于前4级（0 4 量化间隔）；确定 的标准电流为 第六次比较结果为，故=1，表示 处于23量化间隔；,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),最后，确定 的标准电流为 第七次比较结果为，故=1，表示 处于序号为 3 的量化间隔。由以上过程可知,非均匀量化（压缩及均匀量化）和编码实际上是通过非线性编码一次实现的。经过以上七次比较,对于模拟抽样值+1260,编出的PCM码组为1 111 0011。它表示输入信号抽样值 处于第八段3量化级,其量化电平为1216，故量化误差等于44。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),简法:1)C1=

49、1(正);2)C2C3C4:1 1 1 因Is1024,故在第八段,C2C3C4=111 3)(1260-1024)/64=344 通式:(Is-IBi)/i=商余数 商为段内码序号,余数为量化误差。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),顺便指出,若使非线性码与线性码的码字电平相等，即可得出非线性码与线性码间的关系，如下图示；编码时，非线性码与线性码间的关系是 7/11 变换关系，如上例中除极性码外的7位非线性码 1110011，相对应的11位线性码为10011000000。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),A律13折线非线性

50、码与线性码的关系,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),A律13折线非线性码与线性码的关系,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),4)PCM信号的码元速率和带宽 由于PCM要用N位二进制代码表示一个抽样值，即一个抽样周期 内要编N位码，因此每个码元宽度为/N，码位越多，码元宽度越小，占用带宽越大。设m(t)为低通信号，最高频率为，按照抽样定理的抽样速率，如果量化电平数为M，则采用二进制代码的码元速率为式中，N为二进制编码位数。,通信原理 2004年,第一讲 绪论,6.3 脉冲编码调制(PCM),若按奈奎斯特速率对m(t)抽样，即，这时