模拟信号数字化VIP

第 3章 模拟信号数字化 抽样 3.1 量化 3.2 PCM编码、译码 3.3 PCM解码 3.4 子带编码 SBC 3.6 增量调制 3.5 参量编码 3.7 本章节教学说明 本章重点学习模拟信号数字化的 3个过程：取样，量化，编码 本章主要介绍模拟信号数字化的相关原理和方法 本章系统介绍了模拟信号数字化的过程 本章节内容概述 模拟信号数字化方式 取样、量化、编码与译码 差值脉冲编码调制 本章节学习重点、难点 取样、量化、编码与译码 差值脉冲编码调制 本章节学习目标 掌握模拟信号数字化中取样、量化、编码与译码的方法 掌握差值脉冲编码调制 本章节学习能力要素及基础要求 课前预习相关内容 掌握信号频谱的相关内容 本章节学习方法建议 预习复习结合 实验操作与课堂学习结合 自学与探讨结合 课后作业与章节个人总结结合 寻求教师答疑与学习反馈结合 将模拟信号的抽样量化值变换成二进制代码的过程，就称为脉冲编码调制（ PCM）。 典型的 PCM基带传输通信系统如图 3-1所示，它由 3个部分组成。 （ 1）信源编码部分 （ 2）信道部分 （ 3）信源解码部分 图 3-1 PCM基带传输通信系统 3.1 抽样 3.1.1 抽样原理 抽样又叫取样。 它是抽取模拟信号在离散时间点上的瞬时值，用这些离散时间点上的瞬时值，即抽样值序列来代替原始的时间连续的模拟信号，并要求能完全表示原信号的全部信息。 图 3-2 抽样模型 抽样模型可以表示为 s ( ) ( ) ( )m t m t s t图 3-3 模拟信号的抽样 3.1.2 抽样定理 抽样定理是任何模拟信号数字化的理论基础，它从理论上分析了抽样频率的大小应如何取值，从而解决了能否由抽样值重建原始模拟信号的问题。 低通信号的抽样定理可描述如下： 如果 m(t)为一个频带限制在 (0 fH)内的连续模拟信号，若对它以抽样频率为fs2fH的速率进行抽样，则取得的样值完全包含 m(t)的信息。 图 3-4 信号的频谱 3.1.3 抽样恢复 由上述证明可以知道，要从 ms(t)中恢复原信号 m(t)，只要 fs2fH，则可用一个截止频率 fc=fH的理想低通滤波器就可以从抽样信号的频谱中完全取出原模拟信号的频谱，这就相当于从 ms(t)中恢复出原信号 m(t)了。 图 3-5所示为恢复 m(t)的原理框图。 图 3-5 抽样的恢复 3.1.4 带通信号的抽样 若连续信号的频带是限制在 f L与 f H之间，其中 f L为信号的最低频率， f H为信号的最高频率，且带宽 B = f Hf Lf L时，则这样的信号称为带通型信号。 带通信号的抽样定理： 如果 m(t)是频率限制在 f L f H的带通信号，则最低抽样速率必须满足 Hs m i n21ffm（ 3-2） 式（ 3-2）中， m取 f L/B的整数部分。 而在一般情况下，抽样速率应满足如下关系 H21fm sf L2 fm（ 3-3） 只要满足式（ 3-3），抽样信号频谱就不会发生重叠，如果特别要求原始信号频带与其相邻频带之间的频带间隔相等，则可选择如下抽样速率 LHs2 ( )21fffm（ 3-4） 对一个模拟信号要采用多大的抽样速率对其抽样，首先要判断它是属于低通信号还是带通信号，若 f L B时，它是带通信号，适用带通信号的抽样定理；若 fL B时，它是低通信号，适用低通信号的抽样定理。 3.2 量化 3.2.1 量化的概念 抽样以后，信号在时间上被离散化了，但其幅度仍然是连续抽值，仍是模拟信号。 为了变成数字信号，还必须将时间域上幅度连续的抽样值序列信号变换为时间域上幅度离散的抽样值序列信号，用有限个电平（标准值）来表示幅度连续变化的无限个值，这样一个将幅度离散化的过程称为量化。 量化过程实际上是将样值信号的最大幅度范围 U +U划分成 个区间（可以等分，也可以非等分），即用 个离散值 来表示其连续性，其中 N表示量化级数，在编码时它所对应的二进制比特数 为 2 nN 2n( 1 , 2 , , 2 )nkuk Ln2l o gnN2 nN 或 3.2.2 均匀量化 均匀量化是指在量化区内均匀等分 N个小间隔，相邻各量化级之间的量化级差相等的量化，也称线性量化，如图 3-6(a)所示。 均匀量化的间隔是一个常数，其大小由输入信号的变化范围和量化级数数决定，即 2 UN图 3-6 均匀量化特性曲线 量化信噪比表示公式 mdBPPm( ) 1 0 l g 1 . 7 6 6 2 0 l g6 2 2 0 l gUSSnN N UUnU 图 3-7 非均匀量化的 PCM系统原理及压扩特性示意图 3.2.3 非均匀量化 在均匀量化中，信号电平越低，信噪比越小。 非均匀量化的思想是根据信号的不同区间来确定量化间隔，即量化间隔与信号的大小有关。 目前数字通信系统中，对于语音信号世界各国常用的压扩特性有两种，即 A律压扩特性和 律压扩特性，简称为 A律和 律，A、 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 A=87.6，=255。 不论是 A律还是 律，其压缩特性都具有对数特性，是关于原点呈中心对称的曲线。 图 3-8 A律 13折线压缩特性 在保持与小信号量化间隔相同的情况下， 128级非均匀量化相当于 2 048级均匀量化。 段号 i 1 2 3 4 5 6 7 8 x 01/128 1/1281/64 1/641/32 1/321/16 1/161/8 1/81/4 1/41/2 1/2 1 斜率 16 16 8 4 2 1 1/2 1/4 量化 间隔 1 1 21 41 81 161 321 641 表 3-1 A律 13折线近似的参数表 3.3 PCM编码、译码 模拟信号经抽样、量化之后，变为时间上和幅度上都离散的量化抽样值，再把这些量化抽样值进一步变换为表示其量化电平大小的代码的过程叫做编码。 3.3.1 非线性编码与译码 非线性编码的码字所表示的数值与输入信号的幅度成非线性关系，相当于非均匀量化编码。 由量化方案可知， A律 13折线量化时正、负总共只有 256个量化级，需要 8位折叠二进制码表示一个样值。 A律 13折线 8比特非线性编码的码位安排如下： B1 B2B3B 4 B5B6B7B8 极性码 段落码 段内码 各位码字的意义如下。 1极性码 表示信号样值的正负极性，“ 1”表示正极性，“ 0”表示负极性。 2段落码 可表示为 000 111，表示信号样值属于哪一个大的段落，它的 8种状态刚好分别代表 8个段落的起点电平。 3段内码 可表示为 0 000 1 111，用于表示抽样值在折线段落内所处的位置，它的 16种状态刚好分别代表段内 16个均匀划分的小段的起点电平。 各折线段落 1 2 3 4 5 6 7 8 各段落长度 16 16 32 64 128 256 512 1 024 各段内均匀量化阶 1 1 2 4 8 16 32 64 表 3-2 各段落长度及段内量化阶 段落 序号 段落码 段落起 始电平 段内码对应电平 段落 长度 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 1 0 0 0 0 8 4 2 1 16 2 0 0 1 16 8 4 2 1 16 3 0 1 0 32 16 8 4 2 32 4 0 1 1 64 32 16 8 4 64 5 1 0 0 128 64 32 16 8 128 6 1 0 1 256 128 64 32 16 256 7 1 1 0 512 256 128 64 32 512 8 1 1 1 1 024 512 256 128 64 1 024 表 3-3 段落电平关系表 3.3.2 A律 13折线编码过程 图 3-9 逐次反馈型编码原理框图 第 4次比较权值 B5的位码 第 5次比 较权值 B6的码位 第 6次比较 权值 B7的码位 第 7次比较 权值 B8的码位 Ur4为： U 起i+8i 若 Us Ur4 则 B5=1 Ur5为： U起I+12i 若UsUr5 则 B6=1 Ur6为： U起i+14i 若UsUr6 则 B7=1 Ur7为： U起i+15i 若 UsUr7则 B8=1 若 UsUr7则 B8=1 若 UsUr6 则 B7=1 Ur7为： U起i+11i 若 UsUr7则 B8=1 若 UsUr7则 B8=1 若 UsUr7则 B8=0 若 UsUr5 则 B6=1 Ur6为： U起 i+6i 若UsUr6 则 B7=1 Ur7为： U起 i+7i 若 UsUr7则 B8=0 若UsUr7则 B8=0 若UsUr6 则 B7=1 Ur7为： U起 i+3i 若 UsUr7则 B8=0 若UsUr7则 B8=0 表 3-4 段内编码过程 图 3-10 A律 13折线的 8位编码图 图 3-11 Is=444 的 8位编码 3.4 PCM解码 3.4.1 再生 图 3-12 再生中继器原理框图 1均衡放大 2定时电路 3识别（判决）再生 3.4.2 解码原理 图 3-13 恒流源电阻网络解码原理框图 1记忆电路 2 7/12码变换电路 3极性控制 4寄存器读出电路 5恒流源及线性电阻网 3.5 增量调制 增量调制（ M）是不同于 PCM的另一种模拟信号数字化的方法，其基本思想是利用相邻样值信号幅度的相关性，以相邻样值信号幅度的差值变化来描述模拟信号的变化规律，即将前一样值点与当前样值点之间的幅值之差编码来传递信息。 3.5.1 简单增量调制 简单增量调制（ M或 DM）是预测编码中最简单的一种，它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化，而且只对这个差值的符号进行编码，而不对差值的大小编码。 图 3-14 增量调制过程的波形 图 3-15 单路 M系统简化框图 图 3-16 M中的量化噪声 3.5.2 改进型增量调制系统 在前面讨论的 M系统中，量阶 都是固定不变的，称为简单增量调制。 简单增量调制由于量阶 保持不变，故存在以下几点主要缺点：第一，简单增量调制输入信号频率每提高一倍，量化信噪比下降 6 dB，所以简单增量调制时高频段的量化信噪比下降；第二，编码的动态范围（即不过载最大编码信号电平与最小编码信号电平之比）与输入信号的频率成反比。 1增量总和调制（ -） 增量总和调制（ -）主要是针对简单增量调制易出现过载失真而采取的改进措施。 M调制的代码反映着相邻两个抽样值变化量的正负，这个变化量就是增量，因此称为增量调制。 图 3-17 - 调制系统原理框图 2自适应增量调制 自适应增量调制（ ADM）就是一种可以自动调节量阶 的增量调制方式。 在 ADM中，因量阶 不再固定，这就相当于非均匀量化，故也叫压扩式自适应增量调制。 根据自适应的速度（改变量阶所需时间的长短）的不同， ADM又分为瞬时压扩和音节压扩两种。 3数字压扩自适应增量调制 数字压扩自适应增量调制是数字检测、音节压缩与扩张自适应增量调制的简称。 图 3-18 信码中连“ 1” 或连“ 0” 码与输入信号斜率的关系 图 3-19 数字检测音节压扩自适应增量调制系统原理框图 3.5.3 PCM和 M系统性能比较 PCM和 M都是模拟信号数字化的基本方法，都需要先对模拟信号进行抽样。 它们之间的根本区别是： PCM是对样值本身进行编码，而 M是对相邻样值的差值的极性进行编码。 下面我们对两种编码调制方式进行一些比较。 （ 1）抽样速率 （ 2）带宽 （ 3）量化信噪比 （ 4）信道误码的影响 （ 5）设备复杂程度 图 3-20 不同编码位数 n的 PCM系统 与 M系统的性能比较 3.5.4 自适应差分脉冲编码调制 利用语声信号的相关特性降低编码速率是实现语声信号高效编码的有效方法之一。 1自适应脉冲编码调制 自适应脉冲编码调制（ Adaptive Pulse Code Modulation， APCM）是根据输入信号幅度大小来改变量化阶大小的一种波形编码技术。 改变量化阶大小的方法有两种：一种称为前向自适应（ forward adaptation），另一种称为后向自适应（ backward adaptation）。 图 3-21 APCM方块图 2差分脉冲编码调制 差分脉冲编码调制（ Differential Pulse Code Modulation， DPCM）是利用样本与样本之间存在的信息冗余度来进行编码的一种数据压缩技术。 图 3-22 差分脉冲编码调制 3自适应差分脉冲编码调制 自适应差分脉冲编码调制（ Adaptive Difference Pulse Code Modulation，ADPCM）综合了 APCM系统的自适应特性和 DPCM系统的差分特性，是利用样本与样本之间的高度相关性和量化阶自适应来压缩数据的一种波形编码技术。 图 3-23 G.721 ADPCM简化框图 3.6 子带编码 SBC 3.6.1 子带编码的概念和工作原理 所谓子带编码技术，是将原始信号由时间域转变为频率域，然后将其分割为若干个子频带，并对其分别进行数字编码的技术。 图 3-24 子带编码原理方框图 3.6.2 子带的划分 语声信号各子带的带宽应考虑到各频段对主观听觉贡献相等的原则做合理的分配。 通常语声信号经带通滤波器组滤波后分成 4 6个子带，子带之间允许有小的间隙，如图 3-25所示。 图 3-25 子带频域表示 3.6.3 子带编码的应用 子带编码技术具有突出的优点。 在采用子带编码时，利用了听觉的掩蔽效应进行处理。 3.7 参量编码 参量编码又称为声源编码，是将信源信号在频率域或其他正交变换域提取特征参量，并将其变换成数字代码进行传输。 参量解码为其反过程，将收到的数字序列经变换恢复特征参量，再根据特征参量重建语音信号。 参量编码的基本原理是：由语音产生的条件，建立语音信号产生的模型，然后提取语音信息中的主要参量，经编码发送到接收端；接收端经解码恢复成与发端相应的参量，再根据语音产生的物理模型合成输出相应语音，即采取的是语音分析与合成的方法。 3.7.1 语声形成机理 根据激励源与声道模型不同，语音主要可分成浊音和清音两类：伴有声带振动的音称为浊音；声带不振动的音称为清音。 （ 1）浊音及基音 浊音（声带振动），又称有声音。 （ 2）清音 清音（声带不振动）又称无声音。 图 3-27 清音波形图 （ 3）语声信号产生模型 图 3-28 语声信号产生模型 3.7.2 线性预测编码的基本概念 线性预测是指一个语音抽样值可用该样值以前若干语音抽样值的线性组合来逼近。 图 3-29 线性预测 LPC编译码方框图 图 3-30 简化 LPC原理框图 3.7.3 线性预测合成分析编码 LPAS编码是码激励线性预测编码，也叫随机编码、矢量激励编码（ VXC）或随机激励线性预测编码（ SELP）。 图 3-31 LPAS声码器原理图 小 结 1模拟信号的数字化过程经过抽样、量化、编码 3个步骤，这也是脉冲编码调制（ PCM）的过程。 2低通信号的抽样定理：设有一个频带限制在（ 0 fH）内的连续模拟信号 m(t)，若对它以大于或等于每秒 2fH次的速率进行抽样，即对应的抽样速率为 fS2fH，则抽样序列包含原信号的全部信息。 3量化分为均匀量化和非均匀量化两种。 均匀量化也称为线性量化，它将 PAM的取