数字通信原理 第2章

1、1第2 2章 语音信号编码（PCMPCM）2第2 2章 语音信号编码（PCMPCM）2.1 语声信号编码的基本概念2.2 脉冲编码调制（）通信系统的构成2.3 抽样2.4 量化2.5 编码与解码2.6 单片集成PCM编解码器3u波形编码：对信号的波形进行的编码。u参量编码：提取语声信号的一些特征参量，对其进行的编码。u混合编码：介于波形编码和参量编码之间的一种编码。既在参量编码的基础上，引入了一定的波形编码的特征，以达到改善自然度的目的。 语音信号编码的基本概念41. 语音信号的波形编码原理： 从语音信号波形的特点出发，在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，对波形的采样值，或其预测值，或其预测

2、的误差值进行量化并编码，编码后的信号为二进制数字序列。解码是其反过程，将收到的数字序列经过解码和滤波恢复成模拟信号。一、语音编码的方法5特点：以重构语音波形为目的，力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状。适应能力强、语音质量好。编码速率高。在16至64kbit/s的速率上获得较高的编码质量，当速率进一步下降时，其性能会下降较快。一、语音编码的方法6常见的波形编码方式：脉冲编码调制（PCM）、增量调制（M）自适应增量调制（ADM）、自适应预测编码（APC）、自适应差分编码（ADPCM）子带编码（SBC）一、语音编码的方法72. 语音信号的参量编码原理：从语音信号的产生机理出发，构造语音信号的

3、模型，提取描述语音信号的特征参数，对模型参数或其预测值进行编码。在收端，根据特征参数通过模型重构语音信号。 一、语音编码的方法8特点：编码速率低，编码速率低，可压缩到可压缩到2kbit/s-800bit/s2kbit/s-800bit/s；合成的话音质量差，只能达到中等，自然度较低；合成的话音质量差，只能达到中等，自然度较低；不以重构语音波形为目的，在解码端重构一个新的有相似声不以重构语音波形为目的，在解码端重构一个新的有相似声音但波形不尽相同的语音信号。音但波形不尽相同的语音信号。常见的方式： 线性预测编码（LPC），及其各种改进型，如MBE等。一、语音编码的方法93. 语音信号的混合编码原

4、理： 混合编码将波形编码和参量编码组合起来，克服了原有波形编码和参量编码的弱点，结合各自的长处，力图保持波形编码的高质量和参量编码的低速率，目前在1.2-16Kbit/s速率上能够得到高质量的合成语音。特点： 低速率、高质量一、语音编码的方法10常见混合编码方式： 多脉冲激励线性预测编码（MPLPC） 规则脉冲激励线性预测编码（RPELPC） 码本激励线性预测编码（CELP） 矢量和激励线性预测编码（VSELP） 多带激励（MBE）及改进型IMBE（Improved MBE）和AMBE(Advanced MBE) 混合激励线性预测（MELP）一、语音编码的方法11说明语音编码器的分类方法只是一

5、种较通用的方法，并非十分严格。除了传统的波形编码器和参数编码器以外，许多新型的语音编码技术都比较复杂，很难严格分类。基于分析合成技术的线性预测编码器则既可以视为参量编码，也可以视为混合编码。一、语音编码的方法12第2 2章 语音信号编码（PCMPCM）2.1 语声信号编码的基本概念2.2 脉冲编码调制（）通信系统的构成2.3 抽样2.4 量化2.5 编码与解码2.6 单片集成PCM编解码器13脉冲编码调制-PCM-PCM脉冲编码调制是实现模拟信号数字化的一种方式。脉冲编码调制系统中的信号变换和处理过程如图所示。再生中继抽样量化编码解码滤波输入语音信号输出语音信号图2.1 PCM系统的信号处理过

6、程PAMPAMPCMPCM14再生中继器 码型正变换调制编码量化抽样非电/电 变换信源信宿电/非电 变换低通译码 码型反变换解调再生中继器噪声A/DD/A 图2.2 PCM编解码框图PAMPCMPAM为什么需要再生中继器？15图中的A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。（1）抽样：将模拟信号在时间上离散化的过程。（2）量化：将模拟在幅度上离散化的过程。（3）编码：将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。 编码后的数字信号携带的是原始信号的信息，就相当于将模拟信号信息“调制”到了代码上，而代码是由信号抽样得到的脉冲序列再量化编码得到的，因此，称此数字通信为脉冲编码调制（PCM）通信。16

7、第2 2章 语音信号编码（PCMPCM）2.1 语声信号编码的基本概念2.2 脉冲编码调制（）通信系统的构成2.3 抽样2.4 量化2.5 编码与解码2.6 单片集成PCM编解码器172.3.1 2.3.1 抽样的概念及分类抽样的概念连续信号在时间上的离散化的抽样过程如图。18连续时间连续时间信号信号离散时间离散时间信号信号采样采样内插内插1.1. 信号经过采样以后，将发生一些什么变化？例信号经过采样以后，将发生一些什么变化？例如，信号频谱将发生怎样变化；如，信号频谱将发生怎样变化；2.2. 经过采样后信号内容会不会有丢失；经过采样后信号内容会不会有丢失；3.3. 如果信号没有被丢失，其反变换

8、应该怎样进行，如果信号没有被丢失，其反变换应该怎样进行，即由数字信号恢复成模拟信号应该具备那些条件等。即由数字信号恢复成模拟信号应该具备那些条件等。 2.3.1 2.3.1 抽样的概念及分类19S)(txa)( txa)()()(tPtxtxaaT0tT2T)( txa0tP(t)T0txa(t)最高频率为最高频率为fc 抽样过程（自然抽样）)( tP200理想采样理想采样)()()(tPtxtxaannTttP)()(naanTtnTxtx)()()()(txa)( txa)( tP理想采样xa(t)P(t)0txa(t)0t0tT1T21. . . 低通型信号抽样 信号频率 ，并且 。 M

9、ff 000fffM设时间连续信号 ， 其最高截止频率为 。如果用时间间隔为 的开关信号对 进行抽样， 则 就可被样值信号 来唯一的表示。或者说，要从样值序列无失真的恢复原时间连续信号，其抽样频率应选为 。这就是著名的奈奎斯特抽样定理。)(tfMfMsfT21)(tf)(tf)()(ssnTftfMsff2 将抽样的开关函数用理想的单位冲击脉冲来代替，我们来看一下抽样以后的信号频谱。22nsssnFTF)(1)(上式表明：一个频带受限的信号经抽样后其样值序列的频谱将展宽，既产生了一系列的上、下边带。也可用图来表示。)(tf)(F)(tfs)(sF图 2.8 理想抽样值序列频谱23频谱发生了周期

10、延拓频谱幅度是原来的fs倍奈奎斯特采样定理频谱混叠Ns临界采样频率？不能太小sNaa,)j(X )t (x0为带限信号，且若 - NN)(jXc 0 - ss)(2jS/T)2()(NsjXssNNs - - T1 )2()(NsjXssNNs - - T1 )( jXa()j24 Nyquist Nyquist 采样定理 )( 0 )( :Nyquist s完全恢复。可从则，若那么，是带限信号，即设准则)nT(xtx2T2.)j(XtxaaNNaa称 为奈奎斯特采样频率N2s25 信 号 重 构 频域 . ,T/,T)j(H )j(X)j(X)j(H)j(Y as其它式中，重构的频域表示0

11、T T)j(H T )2 ( - - )( T1/T ssNNsNsjX前提：满足采样定理2s2s原连续信号频谱？2627 与 三种不同取值的情况。即 、 和 。 从图中可以看出，对于 和 的情况，两个相邻频带之间都是不产生重叠的，而对于 的情况，两个相邻边带之间有一部分要相互重叠。因此对于前两种情况，都可以用一个适当的低通滤波器取出一个完整的不受干扰的原信号频谱。sfMfMsff2Msff2Msff2Msff2Msff2Msff2n语音信号的最高频率限制在3400Hz，这时满足抽样定理的最低抽样频率应为： Hz。为了留有一定的防卫带，规定的抽样频率为8000Hz。 6800minsf低通信号

12、的抽样定理一个频带限制在以下的连续信号，可以唯一的用间隔秒的抽样序列来确定。Mf)(tmMfT2128. . .带通型信号的抽样为什么带通型信号抽样和低通型不一样？以带通信号为例，频带范围12.517.5kHz2930（1） ，即（2） 既 MMsfffn ) 1(对带通型信号抽样时，抽样频率不一定要大于 。Mf2抽样频率可以在下述的范围内：00ffnfsnffs0(2上限）12nffMs（下限）故：nffnfsM0212如果要求原始信号频带与其相邻的频带相等，可有：)(1220Msffnf31. . .与抽样有关的误差为了满足抽样定理，对语音信号抽样时先将语音信号的频谱限制在fM内，为此，在

13、抽样之前，先设置一个前置低通滤波器将输入信号的频带限制在3400Hz以下，然后再进行抽样，如果设置不好，将产生折叠噪声。为了更安全，抽样频率fS取得稍大些，使其留有富余量，一般选8000Hz。3233抽样展宽的孔径效应失真实际系统中不宜直接使用较宽的脉冲进行抽样。3435抽样展宽电路框图36展宽孔径效应失真37-2fs -fs 0 fs 2fsfs-fHfs+fH Ms(f)f抽样频率fs对频谱Ms(f)的影响复习低通模拟信号的抽样定理低通信号的抽样定理：低通信号的抽样定理： 一个频带限制在0 fH内的低通信号m(t)，如果抽样频率fs 2 fH，则可以由抽样序列无失真地重建原始信号m(t)

14、。fs2fHf-2 f s - f s -fH 0 fH fs 2fs Ms(f)fs-fHfs+fHfs IW 时，输出时，输出“l”码；码；反之输出反之输出“0”码，直到码，直到IW 和抽样值和抽样值 IS 逼近为止，从而完成逼近为止，从而完成对输入样值的非线性量化和编码。对输入样值的非线性量化和编码。 q 实现实现A律律13折线压扩特性的逐次比较型编码器由整流器、极折线压扩特性的逐次比较型编码器由整流器、极性判决、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。性判决、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。 极性极性判决电路用来确定信号的极性。输入判决电路用来确定信号的极性。输入PAM 信号样值为

15、正时，信号样值为正时，输出输出“ l”码；样值为负时，输出码；样值为负时，输出“0”码；同时将该信号经码；同时将该信号经过全波整流变为单极性信号。过全波整流变为单极性信号。104逐次比较型编码器原理图逐次比较型编码器原理图105q 比较器是编码器的核心。它的作用是通过比较样值电流比较器是编码器的核心。它的作用是通过比较样值电流IS 和标准电流和标准电流IW ，从而对输入信号抽样值实现非线性量化和，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，且当编码。每比较一次输出一位二进代码，且当 IS IW 时，输时，输出出“l”码；反之输出码；反之输出“0”码。对一个输入信号的抽

16、样值需要码。对一个输入信号的抽样值需要进行进行7 次比较。每次所需的标准电流次比较。每次所需的标准电流 IW 均由本地译码电路均由本地译码电路提供。提供。 q 本地译码电路包括记忆电路、本地译码电路包括记忆电路、7/11 变换电路和恒流源。记变换电路和恒流源。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比较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流 IW 值。因值。因此，此，7位码组中的前位码组中的前6位状态均应由记忆电路寄存下来。位状态均应由记忆电路寄存下来。106q 恒流源也称恒流源也称11位线

17、性解码电路或电阻网络，它用来产生各位线性解码电路或电阻网络，它用来产生各种标准电流种标准电流 IW 。在恒流源中有。在恒流源中有11个基本的权值电流支路，个基本的权值电流支路，每个支路都由一个控制开关。每次应该哪个开关接通形成每个支路都由一个控制开关。每次应该哪个开关接通形成比较用的标准电流比较用的标准电流 IW ，由前面的比较结果经变换后得到的，由前面的比较结果经变换后得到的控制信号来控制。控制信号来控制。q 7/11变换电路就是将变换电路就是将7位非线性码转换成位非线性码转换成11位线性码，以便位线性码，以便于恒流源产生权值电流。于恒流源产生权值电流。 q 保持电路的作用是在整个比较过程中

18、保持输入信号的幅度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不变。由于逐次比较型编码器编7位码位码(极性码除外极性码除外)需要在需要在一个抽样周期一个抽样周期Ts 以内完成以内完成 IS 与与 IW 的的7次比较，在整个比较次比较，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。冲展宽并保持。 107q 例：例：设输入信号抽样值设输入信号抽样值 IS = +1260 （其中（其中 为一个量化单为一个量化单位，表示输入信号归一化值的位，表示输入信号归一化值的1/2048），采用逐次比较

19、型），采用逐次比较型编码器，按编码器，按A律律13折线编成折线编成8位码位码C1C2C3C4C5C6C7C8 。 q 解：解：(1) 极性码极性码C1：由于输入信号抽样值：由于输入信号抽样值 IS为正，故为正，故C1=1。 (2) 段落码段落码C2 是用来表示是用来表示 IS 处于处于13折线折线8个段落中的前四段还个段落中的前四段还是后四段，故确定是后四段，故确定C2 的标准电流选为的标准电流选为 Iw =128。第一次比。第一次比较结果较结果 IS Iw ，故，故C2 =1；C3 是用来确定是用来确定 IS 处于处于56段还段还是是78段，故确定段，故确定C3 的标准电流选为的标准电流选为

20、 Iw=512。第二次比。第二次比较结果较结果 IS Iw ，故，故C3 =1；C4 的标准电流选为的标准电流选为 Iw=1024，第三次比较结果第三次比较结果 IS Iw ，故，故C4 =1；结果；结果C2C3C4=“111”， IS 处于第处于第8段，按定义该段的起始电平为段，按定义该段的起始电平为1024 。 108(3) 第第8段的段的16量化级量化间隔均为量化级量化间隔均为8 =64。 C5 用来确定用来确定 IS 处于处于07级还是级还是815级，故确定级，故确定C3 的标准电流选为的标准电流选为 Iw=段段落起始电平落起始电平+8 (量化间隔量化间隔)=1024 +8 64 =1

21、536，第四次，第四次比较结果为比较结果为 IS Iw ，故，故C5 =0，IS 处于前处于前8级；同理，确定级；同理，确定C6 的标准电流为的标准电流为 Iw = 1024 + 4 64 = 1280，第五次比，第五次比较结果为较结果为 IS Iw ，故，故C7 =1， IS 处于处于处于处于23 级；级； 最后，确定最后，确定C8 的标的标准电流为准电流为 Iw =1024 + 3 64 = 1216，第七次比较结果为，第七次比较结果为 IS Iw ，故，故C8 =1，表示，表示Is 处于序号为处于序号为3的量化间隔。的量化间隔。 q 经过以上七次比较，对于模拟抽样值经过以上七次比较，对于

22、模拟抽样值 +1260，编出的，编出的PCM 码组为码组为 1 111 0011。它表示输入信号抽样值。它表示输入信号抽样值 IS 处于第八段处于第八段3量化级，其量化电平为量化级，其量化电平为1216， 故量化误差等于故量化误差等于44。 109q 进一步的讨论进一步的讨论 7位非线性码位非线性码1110011(1216)对应的对应的11位线位线性码为性码为10011000000。 上述编码得到的码组所对应的是输上述编码得到的码组所对应的是输入信号的分层电平入信号的分层电平mk ，为使落在该量化间隔内的任意信号，为使落在该量化间隔内的任意信号电平的量化误差均小于电平的量化误差均小于(i /2

23、)，在译码器中增加一个加，在译码器中增加一个加(i /2) 电路，等效于将量化电平移到量化间隔的中间，这时最大电路，等效于将量化电平移到量化间隔的中间，这时最大量化误差不超过量化误差不超过(i /2)。因此译码时，非线性码与线性码间。因此译码时，非线性码与线性码间的关系是的关系是7/12 变换关系。如上例中，变换关系。如上例中，IS 位于第位于第8段的序号为段的序号为3的量化级，的量化级，7位幅度码位幅度码1110011对应的分层电平为对应的分层电平为1216，则译码输出为则译码输出为 1216+ i /2=1216+64/2=1248，量化误差，量化误差为为 1260 -1248 =12 (

24、64/2)，即量化误差小于量化间，即量化误差小于量化间隔的一半。隔的一半。 这时，这时，7位非线性幅度码位非线性幅度码1110011 所对应的所对应的12 位线性幅度码为位线性幅度码为100111000000 。 110q 译码原理译码原理 译码的作用是把收到的译码的作用是把收到的PCM 信号还原成相应的信号还原成相应的PAM 样值信号，即进行样值信号，即进行D/A变换。变换。 111q A律律13折线译码器与逐次比较型编码器中的本地译码器基本折线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7/1

25、2位码变换电路。位码变换电路。 q 串串/并变换记忆电路的作用是将加进的串行并变换记忆电路的作用是将加进的串行PCM码变为并行码变为并行码，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同。极性控制部分的作用是根据收到的极性码C1是是“1”还还是是“0”来控制译码后来控制译码后PAM信号的极性，恢复原信号极性。信号的极性，恢复原信号极性。7/12变换电路的作用是将变换电路的作用是将7位非线性码转变为位非线性码转变为12位线性码，位线性码，用于恒流源的输出控制。寄存读出电路是将输入的串行码用于恒流源的输出控

26、制。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。码网络。12位线性解码电路主要是由恒流源和电阻网络组位线性解码电路主要是由恒流源和电阻网络组成，与编码器中解码网络类同。它是在寄存读出电路的控成，与编码器中解码网络类同。它是在寄存读出电路的控制下，输出相应的制下，输出相应的PAM信号。信号。 1122.5.3 2.5.3 非线性编码与解码1、A律13折线编码的码字安排 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8a1：极性码。0、1。a2a3a4：段落码。000111。a5a6a7a8：段内码。0000

27、1111。113表2-8量化段序号电平范围（）段落码a2a3a4段落起始电平IBi（）量化间隔(I)段内码对应权值a5a6a7a88102420481111024645122561286475121024110512322561286432625651210125616128643216512825610012886432168464128011644321684332640103221684221632001161842110160000 184211142、A律13折线编码方法 PCM编码的方法类似于天平称物体重量。首先要提供一套大小不等的判定值，既各段起始电平和段内标准权值，以便与抽样值

28、进行比较。a.判定值的确定规律和提供方法：（1）极性码 a1=1; a1=0; 取绝对值：0si 0si ssiI115 （2）幅度码编码规则：判定值的确定：第一次对分点是128 ，；第二次对分点是512 （a2=1)和32 (a2=0) ；第三次对分点是： 1024 (a2=1,a3=1) 、256 (a2=1,a3=0)、 64 (a2=0,a3=1)、16 (a2=0,a3=0) 。1,iRisaII则若0,iRisaII则若432,RRRIII116RisII 编为1码；RisII 编为0码； 经过3次比较，完成段落码的编码。根据段落码编码，确定了段落起始电平 和段落的量化间隔 。Bi

29、Ii117段落码判定值的确定过程118iBiRII85iiBiRaII4586iiiBiRaaII264587iiiiBiRaaaII7264588 段内码判定值： 段内码编码：RisII RisII 编码：编为1码编为0码119 b.编码方法：例题 P38 例题：假设输入样值 ，按A律13折线编8位码，求具体码字。第一次比较： ，故 。判定值为0。第二次比较：判定值 ，是14段和58段的对分点。 ，则 ，信号在58段。 444sI0444sI11a1282RI1284442RsII12a120第三次比较：判定值 ，是56段和78段的对分点。 则 ，信号在56段。 5123RI5124443RsII03a第四次比较：判定值 ，是第5段和第6段的对分点。 ，则 ，信号在第6段。比较结果，段落码为101，说明信号在第6