语音信号脉冲编码调制PCM.pdf

1/79 第第1 1章章 绪论绪论 第第2 2章章 语音信号编码语音信号编码-脉冲编码调制脉冲编码调制pcmpcm 第第3 3章章 语声信号压缩编码语声信号压缩编码 第第4 4章章 时分多路复用及时分多路复用及pcm30/32pcm30/32路系统路系统 第第5 5章章 数字信号复接数字信号复接pdhpdh和和sdhsdh 第第6 6章章 数字信号传输数字信号传输 第第7 7章章 差错控制理论差错控制理论 课程内容 2/79 第第2章章语音信号脉冲编码调制语音信号脉冲编码调制pcmpcm 2.1语音信号编码的基本概念及分类语音信号编码的基本概念及分类 2.2 脉冲编码调制脉冲编码调制pcm 2.3常用编译码芯片介绍常用编译码芯片介绍 3/79 信源信源非电非电/ /电电 抽样抽样 量化量化 编码编码 信信 道道 噪噪 声声 加密加密复用复用信道编码信道编码调制调制 调解调解解密解密分路分路信道译码信道译码信源信源电电/ /非电非电 译码译码 低通低通 a a/ /d d d d/ /a a 2.1语音信号编码的基本概念及分类语音信号编码的基本概念及分类 2.1.1 信号编码概念信号编码概念 语音编码：语音信号的数字化过程。语音编码：语音信号的数字化过程。 图像编码：图像信号的数字化过程。图像编码：图像信号的数字化过程。 pcm编解码系统框图编解码系统框图 pcmpcm编译码编译码 4/79 脉冲编码调制脉冲编码调制pcm：pulse code modulation 抽样抽样：模拟信号在时间域上离散化的过程。：模拟信号在时间域上离散化的过程。 量化：量化：模拟信号在幅度域上离散化的过程模拟信号在幅度域上离散化的过程 编码：编码：每个幅度量化后的样值用代码表示的过程。每个幅度量化后的样值用代码表示的过程。 模拟信号模拟信号 “调制调制” 抽样脉冲值的编码状态，因此抽样脉冲值的编码状态，因此 该抽样、量化、编码过程的调制过程称为脉冲编该抽样、量化、编码过程的调制过程称为脉冲编 码调制（码调制（pcm）。）。 5/79 2.1.2 语音信号编码的分类语音信号编码的分类 语音信号编码分为三类：语音信号编码分为三类： （1）波形编码）波形编码：对语音信号的波形进行的编码，：对语音信号的波形进行的编码， 如如pcm、adpcm、dm等。等。 （2）参量编码）参量编码：提取语音信号的特征参量进行：提取语音信号的特征参量进行 编码。编码。 （3）混合编码）混合编码：介于波形编码和参量编码之间：介于波形编码和参量编码之间 的一种编码方法。的一种编码方法。 6/79 2.1.3 语音信号的基本特征语音信号的基本特征 1). 伽玛分布伽玛分布 e xk uux x ex xp/ 2 )( 2). 拉普拉斯分布拉普拉斯分布 2 22 1 2 e u u e e p(u)e,u p u duu u 3).高斯分布高斯分布 2 2 2 1 )( x exp 1. 语音信号幅度语音信号幅度u分布概率密度分布概率密度 u p(u) 7/79 若滤除若滤除1500hz以上的信号，语音的清晰度有明显以上的信号，语音的清晰度有明显 的下降。的下降。 500hz以后的信号功率将以以后的信号功率将以810db/倍频倍频 的速度下降。的速度下降。 2.语音信号的功率密度谱语音信号的功率密度谱 语音信号的有效频带范围是语音信号的有效频带范围是3003400(hz)。 8/79 3.语音信号的动态范围语音信号的动态范围l )(log10 min max db p p l 定义定义 )sin()(tutu 222 maxmaxminmin 111 222 puv ,pu )(log20 min db v u l 例如：当正弦信号例如：当正弦信号 时，时， 则则 在电话通信设备的设计中，通常在电话通信设备的设计中，通常l=40db，在，在 其范围内信噪比大于其范围内信噪比大于26db。 9/79 2.1.4 衡量语音信号的宏观感知特性衡量语音信号的宏观感知特性 说明：人耳说明：人耳“相聋相聋”，因此在语音信号通信系，因此在语音信号通信系 统中，首先用信噪比来衡量语音质量，同时还统中，首先用信噪比来衡量语音质量，同时还 要用要用“三度三度”来进一步来衡量，来进一步来衡量，“三度三度”值也值也 就是人的主观评判分。就是人的主观评判分。 可懂度可懂度：发有意义的句子，听懂的句子：发有意义的句子，听懂的句子/总的句总的句 子子 清晰度清晰度：发单字，听懂的单字：发单字，听懂的单字/总的单字总的单字 自然度自然度：是指语声的自然特征。用最好，较好，：是指语声的自然特征。用最好，较好， 较差，差指标来衡量较差，差指标来衡量 10/79 主观评定等级（主观评定等级（subjective opinion scale） 平均主观分（平均主观分（mos：mean opinion score）。）。 目前目前mos采用五级评分标准：采用五级评分标准： 质量等级质量等级 mos 收听注意力等级 优优 5 可完全放松，不需要注意力 良良 4 需要注意，但不需明显集中注意力 满意（正常）满意（正常） 3 中等程度的注意力 差差 2 需要集中注意力 劣劣 1 即使努力去听，也很难听懂 11/79 2.22.2脉冲编码调制脉冲编码调制- -pcmpcm pcm概念概念：pcm是实现模拟信号数字化的一种方法。是实现模拟信号数字化的一种方法。 pcm系统中信号处理过程系统中信号处理过程 抽 样 输 入 信 号 量 化 编 码 传 输 解 码 平 滑 滤 波 输 出 信 号 fs(t) t ts f(t) f -fm f(f) fm 12/79 一、抽样（一、抽样（sampling） 1. 低通型信号抽样低通型信号抽样(复习复习) 抽样定理抽样定理：设时间连续信号设时间连续信号f(t)，其最高截止频率为，其最高截止频率为 fm，如果用时间间隔，如果用时间间隔 的开关信号对的开关信号对f(t)进行抽进行抽 样，则样，则f(t)就可以被样值信号就可以被样值信号fs(t)来唯一地表示。来唯一地表示。 数学表达式数学表达式 2 ss s n tnt f(t )f ntsa ms f2 ， ts为码元间隔。为码元间隔。 其中：其中： 1 2 s m t f fs(t) t ts f(t) sinx sa x x 13/79 ， 理想抽样样值序列：理想抽样样值序列： 12 sss n ss f ()f(n), tt n=0的成分称为基带，n1的称为边带。 抽样后的样值序列频谱抽样后的样值序列频谱 1 ss n s f ( f )f( fnf ) t 上下 fs(f) f 1下 1上 fs 理想抽样后的样值序列频谱：理想抽样后的样值序列频谱： ss n f (t )f ttnt 0 14/79 三种抽样：三种抽样： （1）理想抽样）理想抽样 （2）自然抽样）自然抽样 （3） 平顶抽样（或抽样展宽）平顶抽样（或抽样展宽） 1 2 0 2 ss n t f (t )f ts tnt ,s t t 2 2 sss n ss f ()sa()f(n), tt 1 2 0 2 ss n t f (t )f ttntq t ,q t t 问题：何种抽样是否会带来信问题：何种抽样是否会带来信 号失真？为什么？如何克服？号失真？为什么？如何克服？ n s s s s nf n sa t f)() 2 ()( 15/79 作业作业：填表填表 理想抽样 自然抽样 平顶抽样 电路（数学） 模型 数学表达式 时域波形 频谱表达式 频谱图 16/79 2. 带通型信号抽样带通型信号抽样 ， f(f) f flfm -fl-fm 0 b 带通信号概念：带通信号概念：信号信号f(t) 的最低频率为的最低频率为fl，最高频，最高频 率为率为fm，则带宽，则带宽b= fm- fl 。若若b fl ， 则称信号为则称信号为 带通型信号，或带通信号。带通型信号，或带通信号。 带通信号示意图带通信号示意图 17/79 ， 抽样后的样值序列频谱抽样后的样值序列频谱 1 ss n s ffffnf t 上下 fs(f) f 1下 1上 fs 当 1 2 2 ssm m tff f ，即 抽样频率高，频谱中有大量无信息频段。抽样频率高，频谱中有大量无信息频段。 fm 2上2下 3下 18/79 ， 带通型信号抽样定理带通型信号抽样定理：若模拟信号：若模拟信号f(t) 是带通信号，是带通信号， 最低频率为最低频率为fl，最高频率为，最高频率为fm，带宽，带宽 b= fm- fl 。若若 b fl ，若样值序列不产生频率重叠，若样值序列不产生频率重叠，则其最低抽则其最低抽 样频率为样频率为 ，其中，其中 。 22 1 ml s ff f nn 2 1 m smin f f n l f n b 整 抽样频率范围为抽样频率范围为 0,1. l f n b 整 若频带间隔相等若频带间隔相等 2 21 ml s ff f n 19/79 fs(f) f 上下 flfm -fl-fm 1下 1上 fs-fl fs 2下 2fs 2fs-fm 1)当 21 l l f bfbn b 整 ， sll smm 2 fff fff l sl m sm 2 2 2 1 f ff n f ff n m sminm 2 1 f ff n 定理证明（归纳法）：定理证明（归纳法）： 20/79 2)当 232 l l f bfbn b 整 ， sll smm 2 3 fff fff s m sm 2 22 31 l l f ff n f ff n m sminm 22 31 f ff n fs(f) f flfm -fl-fm0 上1下下3下2下 fs fs fsfs 2fs-fl 3fs-fm 21/79 3)当 1 l l f nbfnbn b 整 ， s smm 1 ll nfff nfff s m s 2 2 1 l f f n f f n m smin 2 1 f f n fs(f) f flfm -fl-fm0 上下 n+1 下下 n下下 nfs-fl (n+1)fs-fm 证毕。 22/79 ssmm 1 ll fnffnfff fs(f) f flfm -fl-fm0 上下 n+1 下下 n下下 nfs-fl (n+1)fs-fm 若使信号频带与其两侧相邻的间隔相等，若使信号频带与其两侧相邻的间隔相等， 2 21 ml s ff f n 整理得整理得 23/79 例题例题：带通信号：带通信号312312khzkhz- -552khz,552khz,求抽样频率范围。求抽样频率范围。 带宽带宽 b=b=552552- -312312= =240240khz,khz, m s 22 0 1 1 2 552 12 312 khz) 552624 khz) 2 2 552 n=01104 khz) 1 l ss ss f ff ,n, nn nff ff ， （，（ ， ， （ 解：解： 根据带通型信号抽样定理，有根据带通型信号抽样定理，有 312 1 240 l f n b 整整 24/79 例题例题：语音信号有效带宽：语音信号有效带宽300hz300hz- -3400hz,3400hz,求抽样频率。求抽样频率。 sm 26800 hz)ff（解解:根据抽样定理根据抽样定理 说明：说明： ituitu- -t t规定语音信号的抽样频率规定语音信号的抽样频率 fs=8000hzfs=8000hz， 80008000- -6800=12006800=1200hzhz是滤波器的防卫带。是滤波器的防卫带。 f(f) f(khz)0.33.4-0.3-3.4 0 8 4.6 1.2khz 25/79 抽样方式抽样方式 理想抽样：用于计算机信息处理等。理想抽样：用于计算机信息处理等。 自然抽样：用于自然抽样：用于pampam调制，理论分析等调制，理论分析等 平顶抽样（或抽样展宽）：用于编码平顶抽样（或抽样展宽）：用于编码 三种抽样方法的应用三种抽样方法的应用 问题：在满足抽样定理的条件下，何种抽样是否问题：在满足抽样定理的条件下，何种抽样是否 会带来信号失真？为什么？如何克服？会带来信号失真？为什么？如何克服？ 答案：平顶抽样将会带来失真，称为孔径失真。答案：平顶抽样将会带来失真，称为孔径失真。 在接收端通过增加孔径均衡将能够克服失真。在接收端通过增加孔径均衡将能够克服失真。 26/79 1.1. 量化定义量化定义：将幅度连续变化的信号变成幅度离散将幅度连续变化的信号变成幅度离散 信号的处理过程称为量化。信号的处理过程称为量化。 二、量化二、量化(quantization) 说明：量化过说明：量化过 程是一个近似程是一个近似 表示过程，存表示过程，存 在误差，量化在误差，量化 误差也称为量误差也称为量 化噪声。化噪声。 t f(t) fq(t) 1 2 0 -1 -2 27/79 2.2.量化器的基本参数量化器的基本参数 量化范围量化范围: :如如v1v1，v2v2，语音信号为双极性对，语音信号为双极性对 称信号，通常量化范围是称信号，通常量化范围是 - -v v，+v+v。 量化级数量化级数n: n: 在在v1v1，v2v2内分内分n n个段落。个段落。 量化间隔量化间隔: :也称量阶。也称量阶。 量化值量化值 编码位数编码位数l，二进制编码时，需满足，二进制编码时，需满足 量化方法量化方法 均匀量化，量化间隔相等；均匀量化，量化间隔相等； 非均匀量化，量化间隔不相等。非均匀量化，量化间隔不相等。 2ln 28/79 1 234 -4-3-2 -1 0 输入ui() 输入ui() 输出uq() 4 0.5 1.5 2.5 3.5 量化误差量化误差e(ui)() 0.5 -0.5 3.3.量化器特性量化器特性 过载区过载区 过载区过载区 正常量化区正常量化区 均匀量均匀量 化器特化器特 性曲线性曲线 均匀量均匀量 化器量化器量 化误差化误差 曲线曲线 均匀量化特性均匀量化特性 量化误差特性量化误差特性 29/79 工程近似工程近似 分析方法分析方法 4.4.量化噪声平均功率的计算量化噪声平均功率的计算 2 1 2 u ue e p(u)e u n uuu 10 qnqq uuu 21 假设有假设有n个量化级，量化边界为个量化级，量化边界为 量化值为量化值为 u p(u) ui-1 ui v-v uqi ui 1 1 1 2 2 i i u ii iqiiqi u uu pp u dup uhereu,i,n 信号在第信号在第i个量化级内的概率为个量化级内的概率为 30/79 u p(u) ui-1ui v-v uqi ui=i 2 2 1 1 n i i 2 2222 2 e v v / u e v uvp(u)du(uv ) p(u)duu e 则量化区则量化区-v，v内量化误差平均功率为内量化误差平均功率为 1 2232 qi 11 ) 1212 i i u iqiiii u (uup(u)dup up 过载量化噪声（误差）平均功率为过载量化噪声（误差）平均功率为 1 1 2 i i u iqii u ii qi pup u dup u uu u 若第若第i个量化级内的量化噪声个量化级内的量化噪声(误差误差)的平均功率为的平均功率为i2。 31/79 量化噪声总的平均功率为量化噪声总的平均功率为 22222 q12 1 1 12 e n v / u iie i npu e 量化信噪比量化信噪比 2 22 2 1 qq db 1 1010 12 e n v / ue ii i e us lglgpe nnu 均匀量化时均匀量化时 i 22 2l vv n l是二进制编码位数是二进制编码位数. 32/79 均匀量化信噪比均匀量化信噪比 2 2 2 2 qq db 1010 3 e v / ue e v / uus lglge nnn 小信号时小信号时 0 12020db e ee u u. ,lg(u ) v 即 q db 203204 8620db ee s lgnlgu.llgu n 大信号时大信号时 0 12020db e ee u u.lg(u ) v ，即 q db 6 14 db e s. nu 33/79 均匀量化信噪比曲线均匀量化信噪比曲线 2 2 2 2 qq db 1010 3 e v / ue e v / uus lglge nnn 20 e lgu q db s n 34/79 q 104 8620db e s lg.llgu n 当没有过载时，当没有过载时， q 6104 86 62040 820db ee s l,lg.lgu.lgu n q 7 104 86 72046 820db ee s l,lg.lgu.lgu n 35/79 结论：结论： （1 1）信号主要能量在量化区时，每增加）信号主要能量在量化区时，每增加1 1位码，信噪比提高位码，信噪比提高 6db6db，且信号功率越大，信噪比越高。，且信号功率越大，信噪比越高。 （2 2）信号主要能量在过载区时，信噪比与编码位数无关，）信号主要能量在过载区时，信噪比与编码位数无关， 只随着信号功率的增加而减小。只随着信号功率的增加而减小。 36/79 q db 2040 db4 8620db26 db ee s lgu.llgu n 由， 通信系统要求：通信系统要求：当信号在当信号在40db的动态范围的动态范围 内，信噪比均大于内，信噪比均大于26db。 解得解得l11 37/79 5. 5. 均匀量化的特点及其应用均匀量化的特点及其应用 特点：特点：1 1）量化信噪比与信号功率成正比（忽略过）量化信噪比与信号功率成正比（忽略过 载时）载时） 2 2）编码位数多。）编码位数多。 应用：应用：用于信号分布范围小且较均匀的场合。如遥用于信号分布范围小且较均匀的场合。如遥 测、遥控、仪表等方面。测、遥控、仪表等方面。 结论：结论：在通信系统中，语音信号不适合采用均匀量在通信系统中，语音信号不适合采用均匀量 化编码化编码 改进方法：改进方法：采用非均匀量化。采用非均匀量化。 38/79 l 非均匀量化的提出 为了保证量化信噪比的要求，pcm编码的编码 位数 11 。如每个样值用11位码传输，则信道 利用率较低，但如果减少编码位数，则量化信噪比 又不能满足要求。为了解决这一矛盾，提出了采用 非均匀量化的方法。 39/79 6非均匀量化及压缩扩张技术非均匀量化及压缩扩张技术 (1)非均匀量化及实现 非均匀量化的特点： 信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差小，量 化噪声的功率也小； 信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差大，量 化噪声的功率也大。 40/79 图图2-21 非均匀量化特性及量化误差非均匀量化特性及量化误差 41/79 图图2-22 非均匀量化实现框图非均匀量化实现框图 非均匀量化的实现方法：采用压缩扩张技术。非均匀量化的实现方法：采用压缩扩张技术。 压缩扩张技术的根本点是：在发送端对输入压缩扩张技术的根本点是：在发送端对输入 量化器的信号先进行压缩处理，在接收端再量化器的信号先进行压缩处理，在接收端再 进行相应的扩张处理。进行相应的扩张处理。 42/79 输入端的压缩特性：输入端的压缩特性： 当信号幅度小时，对其幅度进行放大，小信号的功当信号幅度小时，对其幅度进行放大，小信号的功 率增大，其量化噪声减小，小信号的的量化信噪比率增大，其量化噪声减小，小信号的的量化信噪比 增大；增大； 当信号幅度大时，对其幅度进行压缩，大信号的功当信号幅度大时，对其幅度进行压缩，大信号的功 率压缩，其量化噪声增大，大信号的的量化信噪比率压缩，其量化噪声增大，大信号的的量化信噪比 减小。减小。 输出端的扩张特性与之相反。输出端的扩张特性与之相反。 43/79 非均匀量化的目的： 采用非均匀量化在牺牲大信号量化信噪比的基础上 ，改善小信号的量化信噪比，可以做到在不增大量 化级数n，即不增加编码位数的条件下，使信号在较 宽的动态范围内的量化信噪比达到电话传输标准的 要求。 44/79 2 2）a a律压缩特性律压缩特性: :以以a a作为参数作为参数a a律压扩特性。律压扩特性。 a a律压缩特性函数：律压缩特性函数： a xa a ax y ln1 ln1 ln1 1 1 1 0 x a a x a a为压缩参量，为压缩参量，a=87.6a=87.6 a a律用模拟电路不易精确实现，实际用律用模拟电路不易精确实现，实际用a13a13折线近似。折线近似。 应用：中国，欧洲等。应用：中国，欧洲等。 45/79 a律压缩律曲线（第律压缩律曲线（第象限与第象限与第 象限部分象限部分 奇对称。奇对称。 46/79 3 3） 律压缩特性：律压缩特性：以以 作为参量的压扩特性。作为参量的压扩特性。 压缩特性函数：压缩特性函数： ln 1 ln 1 x y 为压缩参量，为压缩参量， =255=255 律用模拟电路不易精确实现，实际用律用模拟电路不易精确实现，实际用 1515折线近似。折线近似。 应用：日本，美国，加拿大等。应用：日本，美国，加拿大等。 itu（ccitt）建议，国际之间互连时，以）建议，国际之间互连时，以 a87.6/13折线为标准。折线为标准。 47/79 (a) (b) 图图2-24 48/79 非均匀量化信噪比非均匀量化信噪比 49/79 1 11 ln1 1 d d 1 0 ln1d d x axax y a x a a x y e xx x y q d d lg20 db 改善量为改善量为 db39lg20lg20-8 .14lg20- ln1 1 lg20 db39lg20)db(24 6 .87ln1 87.6 lg20 ln1 lg20 db db eee e xxx a q x a a q a律函数量化信噪比的qdb改善量 50/79 例题：求a=87.6，l=8时的a律函数量化 信噪比。 均匀量化信噪比为 非均匀量化信噪比为 小信号 大信号 q db d 20lg320lg20lg d e sy nx nx q db(a) q db(a) 52.820lg24.27720lg20lg39db 52.820lg14.820lg3820lg39db eee eee s xxx n s xxx n q db 20lg320lg4.8620lg52.820lg eee s nxnxx n 51/79 -80 -60 -40 -20 0 20lgxe 38db s/nq(db) 均匀量化曲线均匀量化曲线 q db 52.820lg e s x n 非均匀量化曲线（小信号）非均匀量化曲线（小信号） q db(a) 3820lg39db e s x n q db(a) 7720lg20lg39db ee s xx n 非均匀量化曲线（大信号）非均匀量化曲线（大信号） 52/79 a律律13折线压扩特性（第折线压扩特性（第i象限部分）象限部分） 3) 3) a a律律1313折线压扩特性折线压扩特性 53/79 a13折线（正半段）折线（正半段）8段折线示意图及画法段折线示意图及画法 a13折线（正半段）的画法：折线（正半段）的画法： 1）x轴（01）对折7次分8段， 标出1/2,1/4,1/8,1/16,1/32, 1/64,1/128； 2）y轴（01）均分8段，标出 1/8,2/8,3/8,4/8,5/8,6/8,7/8 ； 3)相应点连线。 基本间隔 2048 1 16 128 1 21 54/79 段号 1 2 3 4 5 6 7 8 范围 1 0 1/128 1/128 1/64 1/64 1/32 1/32 1/16 1/16 1/8 1/8 1/4 1/4 1/2 1/2 1 范围 2 0 16 16 32 32 64 64 128 128 256 256 512 512 1024 1024 2048 斜率 16 16 8 4 2 1 1/2 1/4 qdb 改善量 24 24 18 12 6 0 -6 -12 表表2-1 8段折线的参数段折线的参数 结论：从第二段每增一段范围结论：从第二段每增一段范围2；斜率；斜率2而改善量减而改善量减6db。 55/79 由由a a1313折线第一段直线斜率与折线第一折线第一段直线斜率与折线第一、二段斜二段斜 率相等为率相等为1616。 a a ln1 1687.6 1 ln a a a 若令：若令： 为何称为为何称为1313折线折线? ? x x取负值时取负值时，对应两段斜率仍为对应两段斜率仍为1616，靠近零点的靠近零点的 四段直线斜率均为四段直线斜率均为1616，实际是一条直线实际是一条直线，因此因此， 在在- -1 1+ +1 1范围内形成了总数是范围内形成了总数是1313端折线端折线，称为称为a a 律律1313折线特性折线特性。 a a律律压缩函数在小信号区的斜率为压缩函数在小信号区的斜率为 56/79 图图2-27 a律律13折线压缩特性折线压缩特性 57/79 表表2-2 按按a律和律和a13折线求折线求x值的对比值的对比 因此，在工程上用因此，在工程上用a13折线来代替折线来代替a律函数进行非均律函数进行非均 匀量化。匀量化。 比较结果比较结果: :a a律律( (a=87.6)特性与折线特性非常相似特性与折线特性非常相似。 58/79 说明说明：模拟器件实现较：模拟器件实现较 难，目前采用较多的是难，目前采用较多的是 用数字电路实现的用数字电路实现的a a律的律的 近似折线特性，使近似折线特性，使pampam信信 号不经过非线性放大器，号不经过非线性放大器， 而把而把非均匀量化与非线非均匀量化与非线 性编码结合在一个过程性编码结合在一个过程 中完成，称为折线近似中完成，称为折线近似 压扩，压扩，具有与模拟压缩、具有与模拟压缩、 均匀编码同样效果，满均匀编码同样效果，满 足语音信号编码要求。足语音信号编码要求。 59/79 4 4）a a律律1313折线非均匀量化信噪比折线非均匀量化信噪比 60/79 图图2-28 a律律13折线量化信噪比折线量化信噪比 段号 1 2 3 4 5 6 7 8 qdb 改善量 24 24 18 12 6 0 -6 -12 61/79 q db 203402026 db 1 sa lgnlg nln a （） 计算：计算：当信号在当信号在40db的动态范围内，信噪比均大于的动态范围内，信噪比均大于 26db时。采用时。采用a律压缩非线性压缩编码，需要编几位律压缩非线性压缩编码，需要编几位 码？码？ n=2l，解解l= =6 6. .2 2 所以，所以，l7 3 20lg20lg 1 ln 3 20lg 1 ln e n u s a n n a q db 1 0 1 1 e e u a u a 62/79 三.编码(coding) 这里的编这里的编/ /解码指信源编解码指信源编/ /解码解码( (语音编语音编/ /解码解码) )； 编码过程是编码过程是a/da/d转换转换，解码过程是解码过程是d/ad/a转换转换。 1. 二进制码组及编码基本概念二进制码组及编码基本概念 二进制码组码位数二进制码组码位数l与码组表示数值个数为与码组表示数值个数为n,n=2l 。 一般二进制码（自然二进制码）一般二进制码（自然二进制码） 循环二进制码（反射二进制码）循环二进制码（反射二进制码） 折叠二进制码折叠二进制码 常用二进制码常用二进制码 63/79 段落 序号 量化 值 一般二进制码 b1 b2 b3 b4 循环二进制码 g1 g2 g3 g4 折叠二进制码 a1 a2 a3 a4 15 7.5 1111 1000 1111 14 6.5 1110 1001 1110 13 5.5 1101 1011 1101 12 4.5 1100 1010 1100 11 3.5 1011 1110 1011 10 2.5 1010 1111 1010 9 1.5 1001 1101 1001 8 0.5 1000 1100 1000 7 -0.5 0111 0100 0000 6 -1.5 0110 0101 0001 5 -2.5 0101 0111 0010 4 -3.5 0100 0110 0011 3 -4.5 0011 0010 0100 2 -5.5 0010 0011 0101 1 -6.5 0001 0001 0110 0 -7.5 0000 0000 0111 说明：双极性信号的编码方案多采用折叠二进制码。说明：双极性信号的编码方案多采用折叠二进制码。 64/79 对于自然二进制码，码组对于自然二进制码，码组a1 a2 al 与所表示数值与所表示数值 的对应关系为：的对应关系为： 1210 s121 2222 ll ll iaaaa 反馈编码方法：把模拟信号样值变换成对应的二进制反馈编码方法：把模拟信号样值变换成对应的二进制 码组的过程，类似于用天平称物体重量。码组的过程，类似于用天平称物体重量。 砝码砝码:4g,2g,1g 举例举例 ：称：称5.2克重物：克重物：4克克（保留保留）+2克克（去掉去掉）+1克克（保留保留） 1 0 1 从上述过程还可以看出从上述过程还可以看出，编码过程自然完成了量化编码过程自然完成了量化。 65/79 图图2-31 级联逐次比较编码器原理框图级联逐次比较编码器原理框图 级联逐次比较型编码电路工作原理级联逐次比较型编码电路工作原理 u01=4.8v 3.5v 3.5v u02=1.3v 1.75v 0v u03=1.3v a1=1 a2=0 a1a2a3=101；编码值为；编码值为 3.5v+0.875v=4.375v； 编码误差为编码误差为4.8v-4.375v=0.425v 66/79 7 7位反馈型线性编码器位反馈型线性编码器 67/79 1.抽样保持电路在一个样值编码的时间 内保持抽样的瞬时幅度不变。 2.本地解码器由禁止门、或门、触发器 、控制开关及解码网络组成完成对输出 编码的本地解码，以提供进行比较的基 准电压。 3.比较器使输入样值幅度与本地解码输 出的基准电压进行比较，如前者大于后 者，就输出“1”码；反之，则输出“0” 码。 7位反馈型线性编码器的工作原理位反馈型线性编码器的工作原理 68/79 图图2-33 编码过程波形编码过程波形 69/79 2.2. 非线性编码原理非线性编码原理 重点介绍重点介绍a87.6/13折线编译码过程。折线编译码过程。 1）编码方法）编码方法 压缩压缩+线性编码：较少使用，理论分析线性编码：较少使用，理论分析 直接非线性编码：广泛采用，如直接非线性编码：广泛采用，如a87.6/13折线、折线、 255/15折线编码折线编码 线性编码线性编码+数字压缩：数字信号处理数字压缩：数字信号处理 70/79 a87.6/13a87.6/13折线非线性编码原理折线非线性编码原理 一表 一轴 一方案 一编码过程 71/79 2）a87.6/13折线编码的码位安排（编码方案）折线编码的码位安排（编码方案） 当当l=8时，时，a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8的安排如下：的安排如下： a1: 极性码，当抽样值极性码，当抽样值is0时，时，a1=1,否则为零；否则为零； a2a3a4:段落码，用来确定样值所在量化器的段落；段落码，用来确定样值所在量化器的段落； a5a6a7a8:段内电平码，段内电平码， 最小量化间隔最小量化间隔 2048 1 16 128/1 1 72/79 非线性编码方案非线性编码方案(一方案）一方案） 73/79 例码字例码字1 100110110011011，码字电平：码字电平：= =1616 + +8 8 + +2 2 + +1 1 = =2727 l=8时，a87.6/13折线编码码位与其对应的电平关系（一轴） 段落号 i 段落码 a2 a3 a4 段落起点电平 （） 段内电平码对应 的电平 a5 a 6 a7 a8 i=? 1 000 0 8 4 2 1 1 2 001 16 8 4 2 1 1 3 010 32 16 8 4 2 2 4 011 64 32 16 8 4 4 5 100 128 64 32 16 8 8 6 101 256 128 64 32 16 16 7 110 512 256 128 64 32 32 8 111 1024 512 256 128 64 64 74/79 利用表2-4就可以确定给定码字所对应的电平值； 反之，当给定抽样幅度的电平值也可以确定对应 的码字。 结论1：从2段开始，起点电平，段内电平码的权 值和量化间隔值每增1段，数值2 。 结论2：段落码是非线性码，因此没有固定的权 值，只能用起点电平来描述；段内电平码是线性 码，因此有固定的权值。 结论3：段内电平码的权值为8i：4i ： 2i ：i 码字对应的电平值表的规律 75/79 3）逐次反馈编码原理（一编码过程）逐次反馈编码原理（一编码过程） (1) 编极性码a1，is0, a1=1 is00，极性为正，极性为正， a a1 1=1=1 （2 2）段落码编码过程：）段落码编码过程： i ir2 r2= 128 = 128 ，is iis ir2 r2 ，a a2 2=1 =1 i ir3 r3= 512 = 512 ，is iis ir3 r3 ，a a3 3=1=1 i ir4 r4=1024 =1024 ， is iis ir4 r4 ，a a4 4=1=1 所以段落码为所以段落码为111111，起始电平为，起始电平为10241024 ，段内段内 8 8=64 =64 解：解： 81/7915364 641792 17922 641920 1920641984 第第5 5次比较次比较，i ir r5 5= = 第第6 6次比较次比较,i,ir r6 6= = 第第7 7次比较次比较,i,ir r7 7= = 第第8 8次比较次比较, , i ir r8 8= = 得到码组得到码组 11111111 11111111， 量化误差量化误差 e ec c= = | |20122012- -19841984| | = =2828 （3）段内电平码编码过程）段内电平码编码过程 ,is,is i ir5,a,a5 5= =1 1 ,is,is i ir r6 6,a,a6 6= =1 1 ,isi,isi r r7 7 ,a,a7 7= =1 1 ，isiisir r8 8 a a8 8= =1 1 is=1270 82/79 pcm逐次反馈编码器框图逐次反馈编码器框图 4）pcm逐次反馈编码框图逐次反馈编码框图 a1 is pcm a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 b1 m2 d1 本地译码器 b11 m8 d8 比较 合 成 保持 放大整流 极性判决 7 比特 串/并 变换 11 比特 线性 编码 b2 m3 d2 7/11 变换 d1 d1 d2 d3 d8 83/79 pcmpcm逐次反馈编码器中的本地译码器逐次反馈编码器中的本地译码器 84/79 7/117/11变换：变换： 段落 号i 起点电 平（） 7位非线性幅度码 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 11位线性码幅度码 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10 b11 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1() 1 0 0 0 0 m5 m6 m7 m8 0 0 0 0 0 0 0 m5 m6 m7 m8 2 16 0 0 1 m5 m6 m7 m8 0 0 0 0 0 0 1 m5 m6 m7 m8 3 32 0 1 0 m5 m6 m7 m8 0 0 0 0 0 1 m5 m6 m7 m8 0 4 64 0 1 1 m5 m6 m7 m8 0 0 0 0 1 m5 m6 m7 m8 0 0 5 128 1 0 0 m5 m6 m7 m8 0 0 0 1 m5 m6 m7 m8 0 0 0 6 256 1 0 1 m5 m6 m7 m8 0 0 1 m5 m6 m7 m8 0 0 0 0 7 512 1 1 0 m5 m6 m7 m8 0 1 m5 m6 m7 m8 0 0 0 0 0 8 1024 1 1 1 m5 m6 m7 m8 1 m5 m6 m7 m8 0 0 0 0 0 0 85/79 7/11与7/12变换逻辑转换关系 86/79 图图2-39 a律律13折线解码器方框图折线解码器方框图 87/79 i 编码误差 i 2 1 译码误差 7/11变换后得到是编码值 7/11与7/12