通信原理(樊昌信第六版) 第2章模拟信号的数字传输.ppt

第二章信源编码 2 1DMS编码2 2模拟信号数字化的方法2 3脉冲编码调制PCM2 4自适应差分PCM编码 ADPCM 2 5增量调制 DM M 2 6多路复用 2 1 将信源输出的信号转换为数字信号形式 经过信源编码输出的信号应该是在时间上离散 在取值上为有限个状态的数字脉冲串 信源编码的目的 2 提高通信有效性 减少原消息的冗余度 第二章信源编码 3 信源编码 DMS 信源是数字信号 PCM 信源是模拟信号 DPCM DM M 第二章信源编码 4 2 1离散无记忆信源 DMS 编码 1 DMS DiscreteMemorylessSource 假定信源的输出是由有限个符号 xi i 1 2 L 构成的集合 这些符号出现的概率分别为p xi 则 2 1 1 等概率时 H x 最大 5 2 DMS编码分类 1 等长编码 2 不等长编码 2 1离散无记忆信源 DMS 编码 6 又称均匀编码 即不论符号出现的概率如何 对每个符号都用N位二进制码表示 设信源共有L种符号 每个符号用N位二进制表示 则有 2 1 2 2 1 2 2 1 1等长编码 1 等长编码的编码长度 7 2 定义DMS编码的效率 为 即每位二进制码所代表的信源的信息量 2 1 3 2 1 1等长编码 8 1 当L刚好是2的整数次幂且每个符号等概率出现时N H x 这时编码效率为1 2 符号等概率出现 但L不是2的整数次幂时 这时H x 与N最多相差1bit 3 当L 1 编码效率下降不严重 当L较小时 编码效率较低 2 1 1等长编码 9 例2 1 信源有四种符号A 1 2 B 1 4 C 1 8 D 1 8 求DMS等长编码的效率 A 00 B 01 C 10 D 11 2 1 1等长编码 10 3 如何提高编码效率 可以将连续J个符号统一编码 则码元个数为LJ 可以将每个符号所增加的1比特减少到1 J比特 提高了编码效率 2 1 1等长编码 11 例2 2 某DMS信源有5种符号 每种符号等概率出现 求以下固定长度编码的编码效率 1 每个符号进行等长二进制编码 2 每三个符号组合进行等长二进制编码 2 1 1等长编码 12 2 1 1等长编码 13 2 1 4 2 1 5 2 1 2不等长编码 1 不等长编码的平均码元长度 2 不等长编码的编码效率 14 例2 3 信源共有四种符号A B C D 设它们出现的概率分别为1 2 1 4 1 8 1 8 求其Huffman编码的效率 Huffman编码方法 1 将信源符号按概率P排队 2 将概率最小的两种符号分别用 0 和 1 表示 合并其概率 3 重复 1 直到得到最大概率的符号 4 按次序连线 形成编码 树 按路径读数即可获得码字 2 1 2不等长编码 15 A C B D 码字 Huffman编码 2 1 2不等长编码 16 2 1 2不等长编码 17 例2 4 信源共有七种符号x1 x2 x7 设它们出现的概率分别为0 35 0 30 0 20 0 10 0 04 0 005 0 005 求其Huffman编码的平均长度 2 1 2不等长编码 x1 0 35 x3 0 20 x2 0 30 x4 0 10 例2 4 Huffman编码 x6 0 005 x5 0 04 x7 0 005 0 1 0 1 19 2 1 2不等长编码 20 如果用等长编码 由于有7种符号 N 3 结论 不等长编码的效率大大提高了 2 1 2不等长编码 21 已知某地天气状态分为6种状况 若6种状态出现的概率分别为0 6 0 22 0 1 0 06 0 013 0 007 1 计算平均信息量 2 二进制Huffman编码 3 平均码长 4 编码效率 2 1 2不等长编码 2 Huffman编码 23 2 1 2不等长编码 接上页 24 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 把发端的A D变换称为信源编码 而收端的D A变换称为信源译码 如语音信号的数字化叫做语音编码 1 利用数字通信系统传输模拟信号的步骤 2 2模拟信号数字化的方法 25 图2 2 1模拟信号的数字传输原理图 2 2模拟信号数字化的方法 26 2 2模拟信号数字化的方法 波形编码 2 模拟信号数字化的方法 参量编码 直接把时域波形变换为数字代码序列 比特率通常在16kb s 64kb s范围内 接收端重建信号的质量好 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 利用信号处理技术 提取语音信号的特征参量 再变换成数字代码 其比特率在16kb s以下 但接收端重建 恢复 信号的质量不够好 27 2 2 1抽样 1 抽样定理 如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样 当抽样速率达到一定数值时 那么根据它的抽样值就能重建原信号 也就是说 若要传输模拟信号 不一定要传输模拟信号本身 只需传输按抽样定理得到的抽样值即可 因此 抽样定理是模拟信号数字化的理论依据 28 根据信号是低通型的还是带通型的 抽样分低通抽样和带通抽样 2 抽样分类 2 2 1 2 2 1抽样 29 根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的 又分均匀抽样和非均匀抽样 根据抽样的脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列 又可分理想抽样和实际抽样 2 2 1抽样 30 一个频带限制在 0 fH 赫兹内的时间连续信号m t 如果以Ts 1 2fH 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 动画演示 抽样速率fs 每秒内的抽样点数 2fH若抽样速率fs 2fH 则会产生失真 这种失真叫混叠失真 1 低通抽样定理 2 2 1抽样 31 奈奎斯特间隔最大允许抽样间隔Ts 1 2fH 奈奎斯特抽样速率fs 2fH 例如 语音信号300 3400Hz 见p51 fs 2 3400 6800HzCCITT InternationalTelephoneandTelegraphConsultativeCommittee 国际电话与电报顾问委员会 ITU InternationalTelecommunicationsUnion 国际电信同盟 规定fs 8000Hz 2 2 2 2 2 1抽样 32 2 带通抽样定理 如果采用低通抽样定理的抽样速率fs 2fH 对频率限制在fL与fH之间的带通型信号抽样 肯定能满足频谱不混叠的要求 但这样选择fs太高了 它会使0 fL一大段频谱空隙得不到利用 降低了信道的利用率 2 2 1抽样 33 一个带通信号m t 其频率限制在fL与fH之间 带宽为B fH fL 如果最小抽样速率fs 2fH n 那么m t 可完全由其抽样值确定 带通均匀抽样定理 2 2 1抽样 34 例如 信号312KHz 552KHz 求fs 2 2 1抽样 35 还可以用下面方法 求fs 2 2 1抽样 36 a 下面分两种情况加以说明 b 当n很大 无论fH是否为带宽的整数倍 2 2 1抽样 37 实际中应用广泛的高频窄带信号就符合这种情况 这是因为fH大而B小 由于带通信号一般为窄带信号 容易满足fL B 因此 带通信号通常可按2B速率抽样 2 2 1抽样 38 3 脉冲振幅调制PAM PulseAmplitudeModulation 时间上连续的模拟信号经过抽样后 成为时间上离散但幅度取值仍是连续变化的信号 即PAM信号 2 2 1抽样 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 39 图2 2 2 PAM信号波形 2 2 1抽样 40 由于用冲激脉冲序列进行抽样是一种理想抽样的情况 是不可能实现的 即使能获得 由于抽样后信号的频谱为无穷大 对有限带宽的信道而言也无法传递 因此 在实际中通常采用脉冲宽度相对于抽样周期很窄的窄脉冲序列近似代替冲激脉冲序列 2 2 1抽样 41 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 2 2 2量化 量化分为 均匀量化非均匀量化 42 均匀量化 把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化 量化电平 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 量化间隔 量化间隔 i取决于输入信号的变化范围和量化电平数 一 均匀量化 线性量化 1 概念 2 2 2量化 43 如果用k个bit来描述样值序列 可描述位L 2k个样值 把取值无限的抽样值划分成有限的L个离散电平 此电平被称为量化电平 2 2 3 2 2 2量化 T s m 6 T s t 图2 2 3量化的物理过程 m t 输入的模拟信号q1 q2 q7 量化电平m1 m2 m6 量化区间的端点mq t 量化信号样值 45 量化间隔 量化器输出 分层电平 量化电平 量化后的信号mq t 是对原来信号m t 的近似 2 2 2量化 46 量化误差 为了避免此类问题 应扩大量化区 使所有信号在量化区 2 2 4 量化值mq t 与原信号值m t 之间的误差 2 2 2量化 2 量化误差 47 2 2 5 3 量化噪声的平均功率 2 2 2量化 假设信号取值的概率分布是均匀的 且误差e t 在 A内也是均匀的 概率密度p x 则量化噪声的均方误差 即平均功率 Nq为 48 2 2 2量化 49 4 量化信号平均功率Sq 设信号m t 在 A A 间均匀分布 概率密度为1 2A 且均匀量化为L层 mqi取值为 2 3 2 5 2 L 1 2 则信号功率Sq为mqi的均方电压 2 2 2量化 信号功率Sq为 2 2 6 50 5 量化信号信噪比 2 2 2量化 51 量化信噪比随量化电平数L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 均匀量化器广泛应用于线性A D变换接口和遥测遥控系统 仪表 图像信号的数字化接口 2 2 2量化 52 在语音信号数字化通信 或叫数字电话通信 中 均匀量化则有一个明显的不足 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 这样 小信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求 均匀量化时输入信号的动态范围将受到较大的限制 为此 实际中往往采用非均匀量化 2 2 2量化 53 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 换言之 非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平 以改善量化性能 2 2 7 二 非均匀量化 2 2 2量化 54 1 实现非均匀量化的方法 压缩扩张技术 图2 2 4非均匀编码 2 2 2量化 55 把输入量化器的信号x先进行压缩处理 再把压缩的信号z进行均匀量化 所谓压缩器就是一个非线性变换电路 微弱的信号被放大 强的信号被压缩 接收端采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复x 2 2 2量化 56 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 通常使用的压缩器中 大多采用对数式压缩 具有对数特性的通过原点呈中心对称的曲线 如 y lnx 2 2 2量化 57 图2 2 5压缩与扩张的示意图 2 2 2量化 58 例如图2 2 6在输出端 输入样值 A 1 B 8 1 设均匀量化器的阶距 1 则最大量化误差为0 5 2 在均匀量化之前进行压缩处理 则A 5 B 8 提高了弱信号的质量 同时缩小了样值的动态范围 2 2 2量化 图2 2 6对数压缩特性 a 律 b A律 2 常见对数压扩特性曲线 式中 x为归一化输入 y为归一化输出 为压扩参数 表示压扩程度 0时 压缩特性是一条通过原点的直线 故没有压缩效果 小信号性能得不到改善 值越大压缩效果越明显 在国际标准中取 255 律压缩特性曲线是以原点奇对称的 图中只画出了正向部分 1 律压扩特性 2 2 8 61 2 2 2量化 A为压扩参数 国际标准取值为A 87 6 对应的斜率为 2 2 9 2 A律压扩特性 重点 A值越大压缩效果越明显 A 1时无压缩 63 2 2 2量化 64 在电路上实现A律这样的函数是相当复杂的 实际中 往往采用近似于A律的13折线法来描述A律的压扩特性 这样 基本保持连续压扩曲线的优点 电路上又易于实现 2 2 2量化 65 任何一条曲线都可以用无数折线逼近 1 将x 0 1 不断对分为8段 xi 1 1 2 1 4 1 8 1 16 1 32 1 64 1 128 2 将y 0 1 等间隔划分为8段 yi 1 8 2 8 3 8 4 8 5 8 6 8 7 8 1 如图2 2 7所示 3 对应xi yi分别连线 交点连成一条曲线 3 A律13折线法 2 2 2量化 图2 2 7 A律13折线 2 8 1 1 13折 67 13折线 x准确值 斜率 2 2 2量化 表2 1A 87 6与13折线压缩特性的比较 斜率相等 是一条直线 69 用A 87 6代入计算的x值列入表2 1中的第二行 并与按折线分段时的x值 第三行 进行比较 由表可见 13折线各段落的分界点与A 87 6曲线十分逼近 并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 2 2 2量化 70 在A律特性分析中可以看出 取A 87 6有两个目的 使特性曲线原点附近的斜率凑成16 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 2 2 2量化 71 采用15折线逼近 律压缩特性 255 的原理与A律13折线类似 也是把y轴均分8段 对应于y轴分界点处的x轴分界点的值根据式 2 2 10 来计算 即 4 律15折线法 2 2 2量化 略 图2 2 8 律15折线 2 8 1 15折 表2 2 律15折线参数表 74 原点两侧的一段斜率为 它比A律13折线的相应段的斜率大2倍 因此 小信号的量化信噪比也将比A律大一倍多 不过 对于大信号来说 律要比A律差 2 2 2量化 75 2 3脉冲编码调制 PCM PCM PulseCodeModulation PCM的概念 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 数字微波通信 卫星通信中均获得了极为广泛的应用 76 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 2 3 1PCM信号的形成 77 图2 3 1 PCM通信系统 2 3 1PCM信号的形成 78 2 3 2编译码原理 一 编码方法 按编码速度分 低速编码与高速编码 逐次比较 反馈 型折叠级联型混合型 二 编码器种类 79 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 三 编码 2 3 2编译码原理 1 码字 对于M个量化电平 可以用N位二进制码来表示 其中的每一个码组称为一个码字 80 2 3 2编译码原理 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 2 码型 在PCM中常用的二进制码型有三种 自然二进码折叠二进码格雷二进码 反射二进码 表2 3常用二进制码型 82 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 二进码 十进码 若把自然二进码从低位到高位依次给以2倍的加权 就可变换为十进数 1 自然二进码 2 3 2编译码原理 83 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 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 故名折叠码 2 折叠二进码 2 3 2编译码原理 84 折叠二进码的优点 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 在传输过程中出现误码 对小信号影响较小 2 3 2编译码原理 85 任何相邻电平的码组 只有一位码位发生变化 即相邻码字的距离恒为1 这种码除极性码外 当正 负极性信号的绝对值相等时 其幅度码相同 故又称反射二进码 3 格雷二进码 2 3 2编译码原理 86 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PCM30 32路基群设备中所采用的码型 2 3 2编译码原理 87 3 码位的选择与安排 码位数的多少 决定了量化分层的多少 反之 若信号量化分层数一定 则编码位数也被确定 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 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 2 3 2编译码原理 88 2 3 2编译码原理 4 13折线编码 在13折线编码中 普遍采用8位二进制码 对应有L 28 256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8 16 128个不均匀的量化级 89 第一 二段的阶距最小 记为 2 3 2编译码原理 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a1a2a3a4a5a6a7a8 90 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 这8段折线共包含128个量化级 正好用剩下的7位幅度码a2a3a4a5a6a7a8表示 2 3 2编译码原理 1 极性码 91 第2 4位码a2a3a4为段落码 表示信号的绝对值处在哪个段落 3位码的8种可能状态分别代表8个段落的序号 2 3 2编译码原理 2 段落码 表2 4段落码 图2 3 3段落码与各段的关系 93 第5至第8位码a5a6a7a8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内的16个均匀划分的量化级 描述在段内某一处 2 3 2编译码原理 3 段内码 表2 5段内码 95 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 记为 代表一个量化单位 2 3 2编译码原理 96 如果以最小量化间隔 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 2 3 2编译码原理 97 13折线的第一段到第八段的各段所包含的均匀量化级数分别为16 16 32 64 128 256 512 1024 总共有2048个均匀量化级 按照二进制编码位数N与量化级数M的关系 M 2N 均匀量化需要编11位码 2048 211 非均匀量化只需要7位编码 2 3 2编译码原理 98 通常把按非均匀量化特性的编码称为非线性编码 按均匀量化特性的编码称为线性编码 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 2 3 2编译码原理 99 2 3 3逐次比较型编码原理 实现编码的具体方法和电路 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 图2 3 4逐次比较型编码器原理图 101 当样值脉冲Is到来后 用逐步逼近的方法有规律地用各标准电流I 去和样值脉冲比较 每比较一次出一位码 当Is I 时 出 1 码 反之出 0 码 直到I 和抽样值Is逼近为止 完成对输入样值的非线性量化和编码 2 3 3逐次比较型编码原理 102 极性判决电路用来确定信号的极性 输入PAM信号是双极性信号 其样值为正时 在位脉冲到来时刻出 1 码 样值为负时 出 0 码 1 极性判决电路 2 3 3逐次比较型编码原理 103 2 整流器 将该信号经过全波整流变为单极性信号 2 3 3逐次比较型编码原理 104 保持电路的作用是在整个比较过程中保持输入信号的幅度不变 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Is与I 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 因此要求将样值脉冲展宽并保持 2 3 3逐次比较型编码原理 3 保持电路 105 比较器是编码器的核心 它的作用是通过比较样值电流Is和标准电流I 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制代码 且当Is I 时 出 1 码 反之出 0 码 由于在13折线法中用7位二进制代码来代表段落和段内码 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I 均由本地译码电路提供 4 比较器 2 3 3逐次比较型编码原理 106 本地译码电路包括记忆电路 7 11变换电路和恒流源 记忆电路用来寄存二进代码 因为除第一次比较外 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I 值 7位码组中的前6位状态均应由记忆电路寄存下来 5 本地译码电路 2 3 3逐次比较型编码原理 107 7 11变换电路就是前面非均匀量化中谈到的数字压缩器 由于按A律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个基本的权值电流支路 这就要求有11个控制脉冲对其控制 因此 需通过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变换 2 3 3逐次比较型编码原理 表2 67 11变换 109 例如信号 1260 8位编码 111100117 11转换编码 10011000000即1216 2 3 3逐次比较型编码原理 110 1 逐次比较法编码流程 判别样值x的极性 编出a1 取x的绝对值 x 分三次判断段号代码a2 a3 a4 计算段内电平 分四次编出段内码a5 a6 a7 a8 计算流程图见图2 3 5 2 3 4编码算法 样值序列 xi 读入 读入x 编极性码 取绝对值 x x1 编段落码 计算段内相对电平x2 编段内码 输出码字a1 a8 读完 N Y 停 a1 a5 a6 a7 a8 a2 a3 a4 图2 3 5逐次比较法编码流程 112 2 极性码a 的计算 2 3 4编码算法 3 段落码 对照各段起始值与段号间的关系 用中分法三次就可以编出段落码a2 a3 a4 流程图见图2 3 6 表2 7各次比较权位表 I权1 27 128 I权2 29 512 I权2 25 32 I权3 210 1024 I权3 28 256 I权3 26 64 I权3 24 16 图2 3 6编段落码子流程 表2 8分段码位安排 116 4 段内码编码子流程 x2 a5 a6 a7 a8 从绝对值x1中减去该段的起始值xi 除以该段的阶距Di 变成0 15之间的正数 取整 变成0 15之间的正整数 记为x2 计算段内电平 1 方法1 手算法 2 3 4编码算法 117 各段起始值xi 段内阶距Di 2 3 4编码算法 118 解 编码过程如下 确定极性码a1 由于输入信号抽样值Is为正 故极性码a1 1 确定段落码a2a3a4 参看表2 7 2 8可知 经过三次比较得段落码a2a3a4为 111 例2 5 设输入信号抽样值Is 1260 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a1a2a3a4a5a6a7a8 2 3 4编码算法 119 确定段内码a5a6a7a8 手算法 1 第8段起始值为1024 x1 x 1260 x1 1024 1260 1024 236 2 x2 INT 236 64 3 3 3 10 0011 2 4 a5 0 a6 0 a7 1 a8 1 1260 编码 11110011 2 3 4编码算法 120 2 段内码编码方法2 判断法 确定a5 信号 I i 8Di 0a5 1 否则a5 0 确定a6 信号 I i a5 8Di 4Di 0a6 1 否则a6 0 确定a7 信号 I i a5 8Di a6 4Di 2Di 0a7 1 否则a7 0 确定a8 信号 I i a5 8Di a6 4Di a7 2Di Di 0a8 1 否则a8 0 2 3 4编码算法 121 例2 6 设输入信号抽样值Is 1260 采用逐次比较型编码器 按A律13折线编成8位码a1a2a3a4a5a6a7a8 解1 编码过程如下 确定极性码a1 由于输入信号抽样值Is为正 故极性码a1 1 确定段落码a2a3a4 参看表2 7 2 8可知 经过三次比较得段落码a2a3a4为 111 2 3 4编码算法 122 确定段内码a5a6a7a8 比较法 参看表2 8可知 第8段的16个量化间隔均为D8 64 确定a5 I 段落起始电平 8 量化间隔 1024 8 64 1536 第四次比较结果为Is I 故a5 0确定a6 I 1024 4 64 1280 第五次比较结果为Is I 故a6 0 2 3 4编码算法 123 确定a7 I 1024 2 64 1152 第六次比较结果为Is I 故a7 1 确定a8 I 1024 3 64 1216 第七次比较结果为Is I 故a8 1 1260 编码 11110011 2 3 4编码算法 124 3 编码量化误差 信号 1260 编码 111100117 11转换即10011000000表2 6 2 8 1024 128 64 1216 为了减少量化误差 在接受端增补一个 使译码后最大误差不超过 2 3 4编码算法 125 樊昌信p236 7 10 7 10 采用13折线A律编码 设最小的量化间隔为1个量化单位 已知抽样脉冲为 635量化单位 1 编码器输出码组 并计算量化误差 2 写出对于该7位码的均匀量化11位编码 采用自然二进制码 注 表2 7 表2 8 表2 6 2 3脉冲编码调制 PCM 126 2 3脉冲编码调制 PCM 127 樊昌信p236 7 12 采用13折线A律编码 设最小的量化间隔为1个量化单位 已知抽样脉冲为 95量化单位 1 编码器输出码组 并计算量化误差 2 写出对于该7位码的均匀量化11位编码 作业 2 3脉冲编码调制 PCM 128 2 3 5译码原理 译码的作用是把收到的PCM信号还原成相应的PAM样值信号 即进行D A变换 在脉冲编码的终端机中常采用的译码器就是电阻网络 译码电路如图2 3 7所示 129 图2 3 7译码器原理框图 2 3 5译码原理 130 译码器与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同 所不同的是增加了极性控制部分和带有寄存读出的7 12位码变换电路 串 并变换记忆电路的作用是将加进的串行PCM码变为并行码 并记忆下来 与编码器中译码电路的记忆作用基本相同 极性控制部分的作用是根据收到的极性码C1是 1 还是 0 来控制译码后PAM信号的极性 恢复原信号极性 2 3 5译码原理 131 寄存读出电路是将输入的串行码在存储器中寄存起来 待全部接收后再一起读出 送入解码网络 实质上是进行串 并变换 12位线性解码电路主要是由恒流源和电阻网络组成 它是在寄存读出电路的控制下 输出相应的PAM信号 2 3 5译码原理 133 如例2 5中 Is位于第8段的序号为3的量化级 7位幅度码1110011 所对应的11位线性幅度码为100110000000 对应的分层电平为1216 译码输出为 1216 Di 2 1216 64 2 1248 量化误差为 1260 1248 12 12 64 2 即量化误差小于量化间隔的一半 2 3 5译码原理 134 樊昌信p236 7 11 2 3 5译码原理 135 解 1 因为a1 0 所以样值为负值 a2a3a4 101 在第六段 起始电平 26 2 256 段内码采用折叠码0011 对应二进制码为0100 译码时经过7 12变换 输出为 256 4 16 Di 2 256 64 8 328 2 除极性码外7位编码为1010100 对应11位码为00101000000 136 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Ts内要编N位码 因此每个码元宽度为Ts N 码位越多 码元宽度越小 占用带宽越大 显然 传输PCM信号所需要的带宽要比模拟基带信号m t 的带宽大得多 2 3 6PCM信号的码元速率和带宽 137 式中 N为二进制编码位数 设m t 为低通信号 最高频率为fH 按照抽样定理的抽样速率fs 2fH 如果量化电平数为L 则采用二进制代码的码元速率RB为 1 码元速率 2 3 6PCM信号的码元速率和带宽 138 2 传输PCM信号所需的最小带宽 抽样速率的最小值fs 2fH 这时码元传输速率为RB 2fH N 在无码间串扰和采用理想低通传输特性的情况下 所需最小传输带宽为 2 3 6PCM信号的码元速率和带宽 139 7 14 对10路带宽均为300 3400Hz的模拟信号进行PCM时分复用传输 抽样频率为8000Hz 抽样后进行8级量化 并编为自然二进制码 码元波形是宽度为 的矩形脉冲 且占空比为1 脉冲宽度 码元宽度 试求传输此时分复用PCM信号所需的带宽 2 3 6PCM信号的码元速率和带宽 140 解 抽样频率抽样间隔每路应占时间脉冲宽度码元宽度系统的最小带宽 2 3 6PCM信号的码元速率和带宽 141 2 3 7PCM系统的抗噪声性能 1 系统输出端总的信噪比 142 2 低通输出信号功率 2 3 7PCM系统的抗噪声性能 选 143 3 低通输出的量化噪声功率 2 3 7PCM系统的抗噪声性能 选 144 4 PCM系统输出端平均信号量化噪声功率比 2 3 7PCM系统的抗噪声性能 选 145 5 信道噪声功率 6 仅考虑信道噪声时的信噪比 2 3 7PCM系统的抗噪声性能 选 146 2 3 7PCM系统的抗噪声性能 147 2 4自适应差分脉冲编码调制 ADPCM 64kb s的A律或 律的对数压扩PCM编码已经在大容量的光纤通信系统和数字微波系统中得到了广泛的应用 但PCM信号占用频带要比模拟通信系统中的一个标准话路带宽 3 1kHz 宽很多倍 这样 对于大容量的长途传输系统 尤其是卫星通信 采用PCM的经济性能很难与模拟通信相比 AdaptiveDifferentialPCM 148 语音压缩编码技术 以较低的速率获得高质量编码 一直是语音编码追求的目标 通常把话路速率低于64kb s的语音编码方法 称为语音压缩编码技术 2 4自适应差分脉冲编码调制 ADPCM 149 自适应差分脉冲编码调制是语音压缩中复杂度较低的一种编码方法 它可在32kb s的比特率上达到64kb s的PCM数字电话质量 近年来 ADPCM已成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法 ADPCM是在差分脉冲编码调制 DPCM 的基础上发展起来的 2 4自适应差分脉冲编码调制 ADPCM 150 在PCM中 每个波形样值都独立编码 与其他样值无关 这样 样值的整个幅值编码需要较多位数 比特率较高 造成数字化的信号带宽大大增加 2 4 1 DPCM 然而 大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间表现出很强的相关性 有很大的冗余度 Redundancy 151 利用信源的这种相关性 可以对相邻样值的差值而不是样值本身进行编码 由于相邻样值的差值比样值本身小 可以用较少的比特数表示差值 这样 用差值编码可以在量化台阶不变的情况下 即量化噪声不变 使编码位数显著减少 信号带宽大大压缩 差值的PCM编码称为差分PCM DPCM 2 4 1 DPCM 152 1 差值信号能否转换成样值信号 d0 s0d1 s1 s0d2 s2 s1d3 s3 s2d4 s4 s3 图2 4 1样值信号与差值信号 2 4 1 DPCM 153 s0 d0s1 d1 s0 d1 d0s2 d2 s1 d2 d1 d0s3 d3 s2 d3 d2 d1 d0s4 d4 s3 d4 d3 d2 d1 d0 sn dn sn 1 dn dn 1 d1 d0 结论 差值可以转换为样值 2 4 1 DPCM 图2 4 2差分编码差值 样值转换示意 sn 1 155 2 差值信号优点 由于相邻样值的差值比样值本身小 可以用较少的比特数表示差值 这样 用差值编码可以在量化台阶不变的情况下 即量化噪声不变 使编码位数显著减少 信号带宽大大压缩 2 4 1 DPCM 156 将 语音信号抽样值与预测样值的差 做量化编码 实现差分编码的一个好办法是根据前面的p个样值预测当前时刻的样值 3 DPCM系统原理 2 4 1 DPCM 图2 4 3DPCM系统原理图 158 1 预测器输出样值与输入样值的关系 2 4 1 DPCM 159 2 DPCM量化误差 若传输无误码 则 2 4 1 DPCM 160 3 DPCM信号量化噪声功率比 2 4 1 DPCM 161 4 实际应用 实际中的一个简单做法是用一个样值代替预测值实现差分编码 2 4 1 DPCM 图2 4 4DPCM系统最简单的编码原理框图 sn 当前抽样值sn 1 用来代替预测值的一个样值dn 预测值与当前样值的误差信号 图2 4 5DPCM系统译码原理框图 164 DPCM系统性能的改善是以最佳的预测和量化为前提的 但对语音信号进行预测和量化是复杂的技术问题 这是因为语音信号在较大的动态范围内变化 为了能在相当宽的变化范围内获得最佳的性能 只有在DPCM基础上引入自适应系统 有自适应系统的DPCM称为自适应差分脉冲编码调制 简称ADPCM 2 4 2ADPCM 165 ADPCM的主要特点是用自适应量化取代固定量化 用自适应预测取代固定预测 2 4 2ADPCM 166 自适应量化指量化台阶随信号的变化而变化 使量化误差减小 自适应预测指预测器系数 ai 可以随信号的统计特性而自适应调整 提高了预测信号的精度 从而得到高预测增益 通过这两点改进 可大大提高输出信噪比和编码动态范围 2 4 2ADPCM 167 2 5增量调制 DM M 增量调制简称 M或DM DeltaModulation 它可以看成是PCM的一个重要特例 其目的在于简化语音编码方法 不再用一组包含L个二进制码元的代码来表示抽样值 而用一个二进制码来传输抽样点的信息 168 M与PCM都是用二进制代码去表示模拟信号的编码方式 区别 在PCM中 代码表示样值本身的大小 所需码位数较多 从而导致编译码设备复杂 在 M中 它只用一位编码表示相邻样值的相对大小 从而反映出抽样时刻波形的变化趋势 与样值本身的大小无关 2 5增量调制 DM M 169 1 编码的基本思想 2 5 1简单增量调制 一个语音信号 如果抽样速率很高 远大于奈奎斯特速率 抽样间隔很小 那么相邻样点之间的幅度变化不会很大 相邻抽样值的相对大小 差值 同样能反映模拟信号的变化规律 若将这些差值编码传输 同样可传输模拟信号所含的信息 此差值又称 增量 其值可正可负 这种用差值编码进行通信的方式 就称为 增量调制 缩写为DM或 M 图2 5 1增量编码波形示意图 m t 输入的基带信号 如语音信号 m t 阶梯波m1 t 斜变波 m t 0 t 9 t t t t t 3 t 1 m t m 1 t Dt T 3 5 7 171 将t分为许多相等的时间段 t 将代表m t 幅度的纵轴分为许多相等的小区间 模拟信号m t 可以用阶梯波m t 来逼近 1 用阶梯波来逼近曲线 2 5 1简单增量调制 172 在T0时刻 抽样信号m T0 经过量化成为量化信号m T0 若抽样信号m T0 量化信号m T0 T 则m T0 m T0 T 输出 1 若抽样信号m T0 量化信号m T0 T 则m T0 m T0 T 输出 0 2 5 1简单增量调制 动画演示 173 阶梯波m t 有两个特点 在每个 t T 间隔内 m t 的幅值不变 相邻间隔的幅值差不是 上升一个量化阶 就是 下降一个量化阶 利用这两个特点 用 1 码和 0 码分别代表m t 上升或下降一个量化阶 则m t 就被一个二进制序列表征 于是 该序列也相当表征了模拟信号m t 实现了模 数转换 2 5 1简单增量调制 174 斜变波m1 t 也只有两种变化 按斜率 t上升一个量阶按斜率 t下降一个量阶用 1 码表示正斜率 用 0 码表示负斜率 同样可以获得二进制序列 2 用斜变波来逼近曲线 2 5 1简单增量调制 175 积分器收到 1 码 上升一个 E E 2 译码的基本思想 积分器收到 0 码 下降一个 E E 2 5 1简单增量调制 图2 5 2积分器译码原理 10111001 3 简单 M系统方框图 图2 5 3简单 M系统框图 本地译码器 178 在简单 M系统方框图中 发送端编码器是相减器 判决器 积分器及脉冲发生器 极性变换电路 组成的一个闭环反馈电路 积分器和脉冲产生器组成本地译码器 它的作用是根据p0 t 形成预测信号m t 2 5 1简单增量调制 179 在ti时刻 抽样判决器对输入信号的变化做出判决 输出脉冲 2 5 1简单增量调制 180 接收端解码电路由译码器和低通滤波器组成 译码器的电路结构和作用与发送端的本地译码器相同 用来由p0 t 恢复m0 t 为了区别收 发两端完成同样作用的部件 我们称发端的译码器为本地译码器 低通滤波器的作用是滤除m1 t 中的高次谐波 使输出波形平滑 更加逼近原来的模拟信号m t 2 5 1简单增量调制 181 由于 M是前后两个样值的差值的量化编码 所以 M实际上是最简单的一种DPCM方案 预测值仅用前一个样值来代替 即当DPCM系统的预测器是一个延迟单元 量化电平取为2时 该DPCM系统就是一个简单 M系统 见p218 图7 28 2 5 1简单增量调制 182 2 5 2 M的过载特性 1 量化噪声 DM系统存在两种噪声过载量化噪声 斜率过载失真 一般量化噪声如图2 5 4所示 183 图2 5 4量化噪声 a 一般量化误差 b 过载量化误差 2 5 2 M的过载特性 184 过载噪声产生的原因是 当m t 的变化非常快时 波形出现最陡的片断 这时如果 过小 相对于陡峭的程度而言 阶梯波m t 就跟不上m t 的变化 不能保持在 之内 造成失真 一般量化噪声产生的原因是 模拟信号m t 与阶梯波m t 之间的误差 2 5 2 M的过载特性 185 2 最大跟踪斜率 2 5 2 M的过载特性 186 为了不发生过载 必须增大 和fs 一般量化误差也大 由于简单增量调制的量阶 是固定的 fs 一般量化误差和过载噪声都减小 因此 M系统中的抽样速率要比PCM系统中的抽样速率高的多 通常两倍 3 无过载条件 2 5 2 M的过载特性 187 4 起始编码电平 在正常通信中 不希望发生过载现象 这实际上是对输入信号的一个限制 2 5 2 M的过载特性 188 斜率 无过载条件 临界过载振幅 我们称Amax为最大允许编码电平 例如 输入模拟信号 2 5 2 M的过载特性 189 当信号斜率一定时 允许的信号幅度随信号频率fk的增加而减小 这将导致语音高频段的量化信噪比下降 这是简单增量调制不能实用的原因之一 上面分析表明 要想正常编码 信号的幅度将受到限制 2 5 2 M的过载特性 190 7 13 信号m t Msin2 f0t进行简单的增量调制 若台阶 和抽样频率选择的既保证不过载 又保证不致因信号振幅太小而使增量调制器不能正常编码 试证明此时要求fs f0 2 5 2 M的过载特性 191 1 斜率 2 起始电平 结论 192 与PCM系统一样 增量调制系统的抗噪声性能也是用输出信噪比来表征的 在 M系统中同样存在两类噪声 即量化噪声和信道加性噪声 由于这两类噪声是互不相关的 可以分别讨论 2 5 3增量调制系统的量化噪声 193 量化噪声有两种 即过载噪声和一般量化噪声 由于在实际应用中都是防止工作到过载区域 因此这里仅考虑一般量化噪声 不过载情况 2 5 3增量调制系统的量化噪声 194 若eq t 在区间 上均匀分布 则eq t 的一维概率密度fq e 为 1 eq t 的平均功率 eq t 的平均功率为 2 5 3增量调制系统的量化噪声 195 考虑到eq t 的最小周期大致是抽样频率fs的倒数 而且大于1 fs的任意周期都可能出现 因此 可近似认为上式的量化噪声功率谱在 0 fs 频带内均匀分布 则 eq t 的单边功率谱密度Pe f 2 eq t 的单边功率谱密度Pe f 2 5 3增量调制系统的量化噪声 196 若接收端低通滤波器的截止频率为fm 则经低通滤波器后输出的量化噪声功率Nq为 3 M的量化噪声功率Nq 2 5 3增量调制系统的量化噪声 197 由此可见 M系统输出的量化噪声功率与量化台阶 及比值 fm fs 有关 而与信号幅度无关 当然 这后一条性质是在未过载的前提下才成立的 2 5 3增量调制系统的量化噪声 198 例2 5 1 对于输入信号m t Asin kt 信号功率最大值 2 5 3增量调制系统的量化噪声 199 在临界振幅条件下 系统最大的量化信噪比为 简单 M的信噪比与抽样速率fs成立方关系 即fs提高 量化信噪比提高 量化信噪比与信号频率fk的平方成反比 即fk提高 量化信噪比下降 2 5 3增量调制系统的量化噪声 200 2 5 4 PCM与 M系统的比较 PCM和 M都是模拟信号数字化的基本方法 M实际上是DPCM的一种特例 所以有时把PCM和 M统称为脉冲编码 但应注意 PCM是对样值本身编码 M是对相邻样值的差值的极性 符号 编码 这是 M与PCM的本质区别 201 1 在保证不发生过载 达到与PCM系统相同的信噪比时 M的抽样速率远远高于奈奎斯特速率 2 M单路编码 PCM多路编码 M速率采用32kHz或16kHz时 语音质量不如PCM 3 出现误码 M误差小于PCM系统 2 5 4 PCM与 M系统的比较 202 在 M系统中 每一个误码代表造成一个量阶 的误差 所以它对误码不太敏感 故对误码率的要求较低 一般在10 3 10 4 而PCM的每一个误码会造成较大的误差 尤其高位码元 错一位可造成许多量阶的误差 例如 最高位的错码表示2N 1个量阶的误差 所以误码对PCM系统的影响要比 M系统严重些 故对误码率的要求较高 一般为10 5 10 6 2 5 4 PCM与 M系统的比较 203 PCM系统的特点是多路信号统一编码 一般采用8位 对语音信号 编码设备复杂 但质量较好 PCM一般用于大容量的干线 多路 通信 M系统的特点是单路信号独用一个编码器 设备简单 单路应用时 不需要收发同步设备 但在多路应用时 每路独用一套编译码器 所以路数增多时设备成倍增加 M一般适于小容量支线通信 话路上 下方便灵活 4 设备复杂度 2 5 4 PCM与 M系统的比较 204 随着集成电路的发展 M的优点已不再那么显著 在传输语音信号时 M话音清晰度和自然度方面都不如PCM 因此目前在通用多路系统中很少用或不用 M M一般用在通信容量小和质量要求不十分高的场合以及军事通信和一些特殊通信