信源编码译码技术

第3章信源编码/译码技术3-1模拟信号的数字传输（本次课）3-2脉冲编码调制技术（本次课）3-3增量调制(∆M)技术（下次课）3-4差分脉冲编码（下次课）3-5图像与音频信号压缩编码技术综述（下次课）3.1模拟信号的数字传输图3-1模拟信号数字化传输的系统框图图3-1为模拟信号数字化传输的系统框图。其中信源编码是数字通信系统的重要组成部分，它的作用有两个：一是完成A／D变换;二是完成信源的数据压缩。话音信号的信源编码方法主要有三大类：波形脉冲编码PCM、参数编码、混合型编码。3.2脉冲编码调制（PCM）技术

3.2.1模拟信号与数字信号（补充）

3.2.2PCM编码调制过程（补充）

3.2.3抽样定理与抽样

3.2.4量化的原理

3.2.5编码和译码

3.2.6PCM信号的码元速率和带宽3-2-1模拟信号与数字信号1.模拟信号：人的话音（声波）信号经电话机变换成300—3400Hz范围的电波信号，其振幅的形状，与声波振幅形状相同，称为“调幅模拟信号”，每个话路标准频率带宽为4KHz。2.我国PCM数字标准信号：每路模拟信号经“脉冲编码调制”（PCM，PulseCodeModulation）后变成64Kbit/s的数字信号流，我国采用A律13折线编码方式，基群（一次群）速率为2048Kbit/s。3.数字化编码调制：分为脉冲幅度编码（PCM）、参数编码和混合编码三种。PCM编码调制，指对信号的“幅度值”进行数字化后变成64Kb/s的数字信号流。参数编码调制，对信号的某种参数进行数字化处理。4.数字通信信号的特点：①与计算机信号一致，便于使用IP等分组交换通信技术，统一传输、统一处理；②抗干扰能力强，无噪声积累；便于加密处理；③采用时分复用，便于实现多路复用通信：因为数字信号在时间上是离散的；④设备便于集成、小型化：采用微电子（大规模集成电路）技术，系统设备体积小，集成度高；⑤占用频带宽：模拟信号：一路模拟电话所占频带宽为4KHz；数字信号：一路数字电话频带一般为64KHz；但随着光纤数字信号多路复用技术的发展，该缺点的影响已可忽略不计。3-2-2PCM编码调制过程

（信号的模/数转换）脉冲编码调制，就是在信号发送端，将300—3400Hz范围的模拟话音信号经过“抽样、量化和编码”三个基本过程，变换为二进制数码。通过数字通信系统进行传输后，在接收端进行相反的变换，由译码和低通滤波器完成，把数字信号恢复为原来的模拟信号。“抽样-量化-编码”系统组成如图3.2所示。图3-2PCM系统原理示意图数字通信的模数转换原理：在发信端，通过“抽样-量化-编码”的三个过程，变为8位的数字信号；在收信端，通过“译码和低通滤波器’，还原为原来的模拟信号。3.2.3抽样定理与抽样1．抽样的概念

抽样的目的是把时间上连续的模拟信号变成一系列在时间上离散的信号。如图3-4所示。实现抽样的方法很简单，利用三端乘法器即可实现

。图3-4抽样的物理过程示意图1.抽样的过程

是标准的周期抽样脉冲信号与话音模拟信号相“与”而形成脉冲调幅信号（PAM）的过程；“奈奎斯特”抽样定理：当标准抽样脉冲信号的频率大于被调制模拟信号的频率的2倍时，则原模拟信号成分可被无失真的保留在调制信号中；故1路电话信号的抽样脉冲的频率如下:

FH

=2×4KHz=8000KHz即1路4KHz带宽的模拟电话信号，每秒钟需要抽样8000次。“抽样”是对模拟信号进行周期性的扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。我们要求经过抽样的信号应包含原信号的所有信息，即能无失真地恢复出原模拟信号。“量化”是把经抽样得到的瞬时值进行幅度离散，即按规定的电平标准值，把抽样值用最接近的电平表示。“编码”是用二进制码组表示有固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的。下图是PCM单路抽样、量化、编码波形示意图。信号的抽样-量化转换示意图三种抽样信号:

3.2.4量化的原理量化可以分成均匀量化和非均匀量化。

1．均匀量化把输入信号的取值范围按相等的间隔划分的量化称为均匀量化。每个量化区间的量化电平都取在各区间的中点，如图3-11所示。图3-11均匀量化过程示意图2.量化原理：分为以下3点：（1）量化的过程：取定某个量化级单位（如1mW=1Δ为1级），将脉冲信号编为某个数量级的过程；以”量化范围”和”量化级Δ”2个值衡量。PCM量化范围为±2048Δ。（2）均匀量化：把输入信号的取值范围按相等的间隔划分的量化称为均匀量化。每个量化区间的量化电平都取在各区间的中点，如图3-11所示。（3）量化性能分析：均匀量化时获得的“信噪比”随信号的幅度的变化而变化：大信号得到较好的信噪比，小信号得到较差的信噪比。

3.量化误差：量化值xq与实际的信号抽样值x之间的误差称为量化误差。＊根据量化原则，量化误差最大不超过±Δ/2。＊量化级数目越多，Δ值越小，量化误差也越小。＊量化误差一旦形成，在接收端无法去掉，它与传输距离、转发次数无关，又称为量化噪声。（1）量化误差由于用量化值取代了抽样的实际值，二者之间必然存在误差，这种误差称为“量化误差”。（2）量化噪声把由量化误差产生的噪声称为量化噪声。

（3）量化信噪比讨论均匀量化时的信号功率与量化噪声功率4.非均匀量化为解决量化编码中信号的“信噪比”随幅度变化的问题，实现话音信号的幅度大小变化时，信噪比为恒定值的要求，采用“非均匀量化”的方法：对小信号先进行放大，对大信号先进行缩小的“压扩均衡”的过程。图3-12非均匀化的PCM系统示意图

目前数字通信系统中，对于话音信号，世界各国常用的压扩特性标准有两种：A律压扩特性和律压扩特性，简称为A律和律。ITU—T在C.711建议中给出了这两种压缩率的标准，并规定国际间数字通信一律采用A律。（1）A律和μ律压扩特性

A、μ为压缩系数，压缩系数越大，对小信号压缩效果越好。目前采用的，。5.实际的压扩编码标准与技术(2)数字压扩技术数字压扩技术是利用数字电路形成许多折线（直线段）来逼近以上“对数压扩特性”曲线。国际上有两种数字压扩技术标准：一种是采用13折线近似A律压缩特性（A=87.6），另一种是采用15折线近似μ律压缩特性（μ=255）。这里重点介绍我国采用的A律13折线压扩特性。μ律15折线压扩特性原理与A律近似。补充图.A律归一化对数曲线示意图(3)A律13折线压扩特性（A=87.6）的实现

国际标准的A律压扩曲线方程如下式所示，图如上页所示。（小信号扩大方程）

（大信号压缩方程）

式中：

求斜率（导数）：令dy/dx∣x=0==A/（1+lnA）==16，得A=87.6(A率压扩常数)。将Y值分为正负8等份(共16等份),反求X值,并取近似值,得到A律13折线图如图3-14。

即用13条直线段去近似以上的A律压扩曲线图形。13折线压扩特性（A=87.6）图，是国际数字通信设备中采用的标准。图3-14

13折线信号压扩均衡示意图

大信号,得到小的放大倍数(dy/dx)小信号,得到大的放大倍数(dy/dx)折线以原点为对称点该图完整地反映了PCM编码A律13折线压扩编码方程的情况：对小信号，曲线（近似折线）的斜率较高（16倍），随着信号的不断增大，折线的斜率不断递减；这样，就形成了对小信号“放大”，对大信号“压缩”的作用。1.编码的过程：概念上，采用“逐次反馈比较”型编码器，利用“中值比较判别法”，将PCM信号编为8位码；由于抽样频率是8KHz，故每话路的速率为8KHz×8位码=64kbit/s。根据上述编码原则，将8位码分成三部分：P1：极性码，判断码位的正负极性；P2-P4：段落码，判断码位的段落；共8段；P5-P8：段内码，确定码位在16级段落内的实值。3.2.5编码和译码2.编码原则PCM信号输出电平逐次反馈比较型编码原则：（1）首先确定编码信号的“量化范围”和“量化级Δ”：

量化范围：信号变化的最大范围，即-U至+U的变化范围；

量化级：Δ=Umax

/2048（2）正负极判断：对PAM信号，编码时首先判断其正负极，确定P1=1/0；（3）段落码与段内码的编码方式：设PAM信号值为X，则：PCM编码规则一览表(P2-P8码)段落码

码位P2-P8码

位

判

断方法

P2X<128Δ，P2=0

X≥128Δ，P2=1

P3X<32Δ，P3=0

X≥32Δ，P3=1

X<512ΔP3=0

X≥512ΔP3=1

P4X<16ΔP4=0

X≥16ΔP4=1

X<64ΔP4=0

X≥64ΔP4=1

X<256ΔP4=0

X≥256ΔP4=1

X<1024ΔP4=0

X≥1024ΔP4=1

段内码

P5比较电平=起始电平（1+1/2）Δ，X≥比较电平，则P5=1；

X<比较电平，则P5=0P6比较电平=起始电平（1+1/2P5+1/4）Δ，

P6判断同上。P7比较电平=起始电平（1+1/2P5+1/4P6+1/8）Δ，

P7判断同上。P8比较电平=起始电平（1+1/2P5+1/4P6+1/8P7+1/16）Δ，

P8判断同上。3.[例题]：已知某PCM编码电路的量化范围为±4096mw，求

XPAM=1121mw的PCM编码值及实际编码量化误差值。[解]：（1）求量化级：Δ=Umax

/2048=4096mw/2048=2mw

（2）正负极判断：设PAM信号值为X，因X=1121mw>0，故P1=1（3）段落码编码方式：XPAM=1121mw>128Δ=256mw故P2=1XPAM=1121mw>512Δ=1024mw，故P3=1XPAM=1121mw<1024Δ=2048mw，故P4=0（4）段内码编码方式：

XPAM=1121mw＜512（1+1/2）Δ=1536mw，故P5=0XPAM

=1121mw＜512（1+1/2×0+1/4）Δ=1280mw，故P6=0XPAM=1121mw＜512（1+1/2×0+1/4×0+1/8）Δ=1152mw，故P7=0XPAM=1121mw＞512（1+1/2×0+1/4×0+1/8×0+1/16）Δ=1088mw，故P8=1

（5）编码结果：XPAM=1121mw=11100001（P1～P8）（6）量化误差：XPAM=1121mw—1088mw