通信原理教程4

1、12要求掌握：要求掌握： PCM的非均匀量化（的非均匀量化（A律）编码过程、方法！律）编码过程、方法！主要内容：主要内容： 1，模拟信号的抽样（复习信号与系统中的内容），模拟信号的抽样（复习信号与系统中的内容） 2，抽样信号的量化（重点掌握非均匀量化），抽样信号的量化（重点掌握非均匀量化） 3，脉冲编码调制，脉冲编码调制PCM （掌握）（掌握） 4，其他编码调制，其他编码调制 （自学）（自学）3模拟信号s(t)模拟信号的抽样4)()()()(kTsttstsTk)()()(ffSfSknsnffTf)(1)(5)(1)()(1)(snsknffSTnfffSTfSnsnffTf)(1)()()

2、()(ffSfSkHsff267理想抽样：抽样序列是理想冲激脉冲序列理想抽样：抽样序列是理想冲激脉冲序列实际抽样：抽样序列是具有一定脉宽的脉冲序列实际抽样：抽样序列是具有一定脉宽的脉冲序列nssTnTtt)( )(nsnTtptc)( )(nsnnCC)( 2)(ttpTCtTTsns ss de )( 1 j2 28)(tf0t)(tP0t)(tfs0t)(F0)(P00sT22ssss22sEsE1FTFTFT乘卷9自然抽样的自然抽样的PAM波形及频谱波形及频谱m(t)t(a)HHOM()s(t)ATt(b)O|S()|22H2H2tms(t)|Ms()|2O22H2H(c)(d)理想低通

3、m(t)s(t)ms(t)m(t)自然抽样的PAM原理框图10自然抽样的抽样值在脉宽期间随输入模拟信号的幅度而变化，自然抽样的抽样值在脉宽期间随输入模拟信号的幅度而变化，它与理想抽样信号的频谱，其差别仅在于幅度差一比例系数它与理想抽样信号的频谱，其差别仅在于幅度差一比例系数。一般情况下，一般情况下，随随n而变，所以每个周期重复的频谱分量而变，所以每个周期重复的频谱分量的幅度随的幅度随而变，但形状不变。而变，但形状不变。)()( )(tctmtmsnsnsnMCCMM)( )()( 21)( nsssnMTM)( 1)(理想抽样：snTC11平顶抽样信号及其产生原理框图平顶抽样信号及其产生原理框

4、图mq(t)OTtm (t)ms(t)T(t)(a)脉 冲 形 成 电路mq(t)(b)Q ()12 tttmtmsTsrect )()()(nssnsssnMTnMM)( 2Sa 2Sa )( )(21)( 平顶抽样：是矩形函数)(xrect13 比较两种实际抽样系统可见，自然抽样后的信号频谱在频比较两种实际抽样系统可见，自然抽样后的信号频谱在频率上是周期性的，其谱瓣形状与原函数频谱相同，但幅度按抽率上是周期性的，其谱瓣形状与原函数频谱相同，但幅度按抽样脉冲的频谱和脉冲宽度两者决定的比例系数变化；平顶抽样样脉冲的频谱和脉冲宽度两者决定的比例系数变化；平顶抽样后的信号频谱各谱瓣要受抽样脉冲频谱

5、的不均匀加权，从而各后的信号频谱各谱瓣要受抽样脉冲频谱的不均匀加权，从而各谱瓣有不均匀或不对称的失真，且幅度要下降，克服谱瓣失真谱瓣有不均匀或不对称的失真，且幅度要下降，克服谱瓣失真的方法是在恢复信息信号的低通滤波器之后接一均衡滤波器，的方法是在恢复信息信号的低通滤波器之后接一均衡滤波器，其频率传输函数为保持电路的传输函数的倒数。其频率传输函数为保持电路的传输函数的倒数。nsnsnMCCMM)( )()( 21)( 自然抽样：nssnsssnMTnMM)( 2sinc 2sinc )( )(21)( 平顶抽样：14)1 (222nkBnkBBfs3BB2B4B5B6BfL0fs15)(F0)(

6、) 1 ()(1F0相乘)(tf0tIFTIFT1)(tT11)(tf0tIFT卷积1111T1T0t1110116（a) 基带信号(b) PAM信号 (c) PDM信号(d) PPM信号图4.2.6 模拟脉冲调制17图4.3.1 抽样信号的量化iiiqmkTsmqkTs)(,)(1当18Mabv/)(viamiMimmqiii,.,2 , 1,2119baMimmkkikkkqkqkqiidssfqsdssfssssEN12221)()()()()(viami2vviaqibakkkkdssfssES)()(2220avMvadsavviasdsaqsdssfqsNMiMiviaviakkM

7、immkikMimmkkikqiiii24122121)2(21)()()(3131)1(2121211 avM2122vNqaakkvMdsasS222)(12212MNSqMNSdBqlg2021ydxdyxyydydxxNy1dydxNydydxx122dydxNydydxx1xNdydxckyxlnkkyxlnxkyln112311,ln1ln110,ln1xAAAxAxAAxy24252627 保持与小信号量化间隔相同的情况下，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级非均匀量化相当于2048 级级均匀量化。均匀量化。 北美、日本等地多采用压缩律，西欧各国多采用压

8、缩律。考虑到北美、日本等地多采用压缩律，西欧各国多采用压缩律。考虑到CCITT将压缩律将压缩律和压缩律都列为建议，并且国际间数字通信系统相互连接时要以压缩律为标准，以和压缩律都列为建议，并且国际间数字通信系统相互连接时要以压缩律为标准，以及其它一些因素，我国决定统一采用及其它一些因素，我国决定统一采用A压缩律。压缩律。204811612811281ln1lnxy25512255125625512568/iiyx293031327654321345676011 100 101 110 111 1103.153.965.006.386.806.42抽样值量化值二进制符号抽样保持量化编码解码低通滤波

9、编码器解码器模拟信号输入PCM信号模拟信号输出33 4.2.2.2, 编码和译码编码和译码 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。 抽样m(t)量化编码信道译码低通滤波ms(t)A / D变化mq(t)m(t)mq(t)干扰34 1. 码字和码型码字和码型PCM中一般采用二进制码。中一般采用二进制码。对于对于M个量化电平，可以用个量化电平，可以用N位二进制码来表示，其中的位二进制码来表示，其中的每一每一个码组称为一个码字个码组称为一个码字。为保证通信质量，为保证通信质量， 目前国际上目前国际上多采用多采用8 8位编码的位编码的PCMPCM系统系统。 码型码

10、型指的是代码的编码规律，其含义是把量化后的所有量化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。字，这种对应关系的整体就称为码型。在在PCM中常用的二进制码型有三种：中常用的二进制码型有三种：自然二进码、折叠二进自然二进码、折叠二进码和格雷二进码（反射二进码）码和格雷二进码（反射二进码）。35表表 4 常用二进制码型常用二进制码型 36 自然二进码就是一般的十进制正整数的二进制表示，编自然二进码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

11、以逐比特独立进行。码简单、易记，而且译码可以逐比特独立进行。若把自然二进码从低位到高位依次给以若把自然二进码从低位到高位依次给以2 2倍的加权，就可变换倍的加权，就可变换为十进数。为十进数。如设二进码为如设二进码为(an-1, an-2, , a1, a0) 则则 D=an-12n-1+an-22n-2+a121+a020便是其对应的十进数。便是其对应的十进数。 这种这种“可加性可加性”可简化译码器的结构。可简化译码器的结构。 折叠二进码是一种符号幅度码。折叠二进码是一种符号幅度码。左边第一位表示信号的极性，信号为正用左边第一位表示信号的极性，信号为正用“1”表示，信号为表示，信号为负用负用“

12、0”表示；表示；第二位至最后一位表示信号的幅度。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，折叠码的由于正、负绝对值相同时，折叠码的上半部分与下半部分相上半部分与下半部分相对零电平对称折叠对零电平对称折叠，故名折叠码。，故名折叠码。 其幅度码从小到大按自然其幅度码从小到大按自然二进码规则编码二进码规则编码。 37 与自然二进码相比，折叠二进码的优点是与自然二进码相比，折叠二进码的优点是:1.对于语音这样的双极性信号，只要绝对值相同，则对于语音这样的双极性信号，只要绝对值相同，则可以采可以采用单极性编码的方法，使编码过程大大简化用单极性编码的方法，使编码过程大大简化。2. 在传输过程

13、中出现误码，在传输过程中出现误码， 对小信号影响较小。对小信号影响较小。这一特性是十分可贵的，因为语音信号小幅度出现的概率比这一特性是十分可贵的，因为语音信号小幅度出现的概率比大幅度的大，所以，着眼点在于小信号的传输效果大幅度的大，所以，着眼点在于小信号的传输效果。38格雷二进码的特点是任何相邻电平的码组，只有一位码位格雷二进码的特点是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发生变化，即相邻码字的距离恒为1 1。译码时，若传输或判决。译码时，若传输或判决有误，量化电平的误差小。另外，这种码除极性码外，当正、有误，量化电平的误差小。另外，这种码除极性码外，当正、负极性信号的

14、绝对值相等时，其幅度码相同，故又称反射二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。但这种码不是进码。但这种码不是“可加的可加的”，不能逐比特独立进行，不能逐比特独立进行， 需需先转换为自然二进码后再译码。先转换为自然二进码后再译码。因此，在采用电路进行编码时，一般均用折叠二进码和自然因此，在采用电路进行编码时，一般均用折叠二进码和自然二进码。二进码。通过以上三种码型的比较，在通过以上三种码型的比较，在PCM通信编码中，折叠二进码通信编码中，折叠二进码比自然二进码和格雷二进码优越，它是比自然二进码和格雷二进码优越，它是A律律13折线折线PCM 30/32路基群设备中所采用的码型。

15、路基群设备中所采用的码型。 39 2. 码位的选择与安排码位的选择与安排 至于码位数的选择，它不仅关系到通信质量的好坏，至于码位数的选择，它不仅关系到通信质量的好坏， 而而且还涉及到设备的复杂程度。且还涉及到设备的复杂程度。码位数的多少，决定了量化分层的多少，反之，若信号量化码位数的多少，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。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，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。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

16、会使总的传码率增加，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。传输带宽加大。一般从话音信号的可懂度来说，采用一般从话音信号的可懂度来说，采用34位非线性编码即可，位非线性编码即可，若增至若增至7878位时，通信质量就比较理想了位时，通信质量就比较理想了。 40 在在13折线编码中，普遍采用折线编码中，普遍采用8位二进制码，对应有位二进制码，对应有M=28=256个量化级，即正、负输入幅度范围内各有个量化级，即正、负输入幅度范围内各有128个量个量化级。这需要将化级。这需要将13折线中的每个折线段再折线中的每个折线段再均匀划分均匀划分1616个量化个量化级级，由于每个段落

17、长度不均匀，因此正或负输入的，由于每个段落长度不均匀，因此正或负输入的8个段落个段落被划分成被划分成816=128个不均匀的量化级。按折叠二进码的码个不均匀的量化级。按折叠二进码的码型，这型，这8位码的安排如下：位码的安排如下： 极性码 段落码 段内码C1 C2C3C4 C5C6C7C8 其中第1位码C的数值“1”或“0”分别表示信号的正、负极性，称为极性码。 41第第2至第至第4位码位码C2C3C4为段落码，表示信号绝对值处在哪个段为段落码，表示信号绝对值处在哪个段落，落，3位码的位码的8种可能状态分别代表种可能状态分别代表8个个段落的起点电平段落的起点电平。 但但应注意，段落码的每一位不表

18、示固定的电平，应注意，段落码的每一位不表示固定的电平， 只是用它们的只是用它们的不同排列码组表示各段的起始电平。不同排列码组表示各段的起始电平。表表 5 段段 落落 码码 42图 17 段落码与各段的关系11001101010100段落码x43 第第5至第至第8位码位码C5C6C7C8为段内码，这为段内码，这4位码的位码的16种可能状种可能状态用来分别代表每一段落内的态用来分别代表每一段落内的16个个均匀均匀划分的量化级。划分的量化级。 段内码段内码与与16个量化级之间的关系如表个量化级之间的关系如表6 所示。所示。 44注意：在注意：在13折线编码方法中，虽然各段内的折线编码方法中，虽然各段

19、内的16个量化级是均匀个量化级是均匀的，但因段落长度不等，故不同段落间的量化级是非均匀的。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。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、折线中的第一、 二段最短，只有归一化的二段最短，只有归一化的1/128，再将它等分，再将它等分16小段，每一小段长度为小段，每一小段长度为 。 这是最小的量化级间这是最小的量化级间隔，隔，它仅有输入信号归一化值的它仅有输入信号归一化值的1/20481/2048，记为，记为，代表一个量，代表一个量化单位。第八段最长，它是归一化值的化单位。第八

20、段最长，它是归一化值的1/2，将它等分，将它等分16小段后，小段后，每一小段归一化长度为每一小段归一化长度为 ， 包含包含64个最小量化间隔，记为个最小量化间隔，记为64。 如果以非均匀量化时的最小量化间隔如果以非均匀量化时的最小量化间隔=1/2048作为输入作为输入x轴的单轴的单位，位， 那么各段的起点电平分别是那么各段的起点电平分别是0、16、32、64、128、 256、512、1024个量化单位。个量化单位。32120481161128145表7 13 折线幅度码及其对应电平46 假设以非均匀量化时的最小量化间隔假设以非均匀量化时的最小量化间隔=1/2048作为均匀作为均匀量化的量化间

21、隔，那么从量化的量化间隔，那么从13折线的第一段到第八段的各段所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包含的均匀量化级数分别为16、16、32、64、128、256、512、 1024，总共有总共有20482048个均匀量化级个均匀量化级(11(11位）位）， 而而非均匀量化只有非均匀量化只有128128个量化级个量化级(7(7位）位） 。 按照二进制编码位数按照二进制编码位数N与量化级数与量化级数M的关系：的关系：M=2N， 均匀量均匀量化需要编化需要编11位码，而非均匀量化只要编位码，而非均匀量化只要编7位码。通常把按非均位码。通常把按非均匀量化特性的编码称为匀量化特性的编码

22、称为非线性编码非线性编码；按均匀量化特性的编码；按均匀量化特性的编码称为称为线性编码线性编码。 可见，在保证小信号时的量化间隔相同的条件下，可见，在保证小信号时的量化间隔相同的条件下，7 7位非位非线性编码与线性编码与1111位线性编码等效位线性编码等效。由于非线性编码的码位数减。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。少，因此设备简化，所需传输系统带宽减小。 47 3. 编码原理编码原理编码器的任务是根据输入的样值脉冲编出相应的编码器的任务是根据输入的样值脉冲编出相应的8位二进制代码。位二进制代码。实现编码的具体方法和电路很多，实现编码的具体方法和电路很多，如有低速编

23、码和高速编码、如有低速编码和高速编码、线性编码和非线性编码；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。逐次比较型、级联型和混合型编码器。 这里只讨论目前常用的逐次比较型编码器原理。这里只讨论目前常用的逐次比较型编码器原理。除第一位极性码外，其他除第一位极性码外，其他7位二进制代码是通过类似天平称重物的位二进制代码是通过类似天平称重物的过程来逐次比较确定的。过程来逐次比较确定的。 48 当样值脉冲当样值脉冲Is到来后，用逐步逼近的方法有规律地用各到来后，用逐步逼近的方法有规律地用各标准电流标准电流IW去和样值脉冲比较，每比较一次出一位码。当去和样值脉冲比较，每比较一次出一位码。当I

24、sIW时，出时，出“1”码，反之出码，反之出“0”码，直到码，直到IW和抽样值和抽样值Is逼近逼近为止，完成对输入样值的非线性量化和编码。为止，完成对输入样值的非线性量化和编码。 极性判决整流位时钟脉冲D1抽样值PAM保持比较判决D2D3D8IsC1PCM 码流恒流源7/11变换记忆B1B2B11C2C3C8C2 C8本地译码器IW图1849 恒流源也称恒流源也称11位线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。在恒流源中有数个基本的权值电流支路，其个。在恒流源中有数个基本的权值电流支路，其个数与量化级数有关。按数与量化级数有关。按A律律

25、13折线编出的折线编出的7位码，需要位码，需要11个基个基本的权值电流支路，每个支路都有一个控制开关。每次应该哪本的权值电流支路，每个支路都有一个控制开关。每次应该哪个开关接通形成比较用的标准电流个开关接通形成比较用的标准电流IW，由前面的比较结果经变，由前面的比较结果经变换后得到的控制信号来控制。换后得到的控制信号来控制。 711变换电路就是前面非均匀量化中谈到的数字压缩器。变换电路就是前面非均匀量化中谈到的数字压缩器。 由于按由于按A律律13折线只编折线只编7位码，加至记忆电路的码也只有位码，加至记忆电路的码也只有7位，位， 而线性解码电路（恒流源）需要而线性解码电路（恒流源）需要11个基

26、本的权值电流支路，个基本的权值电流支路， 这就要求有这就要求有11个控制脉冲对其控制。因此，需通过个控制脉冲对其控制。因此，需通过711逻辑逻辑变换电路将变换电路将7位非线性码转换成位非线性码转换成11位线性码，位线性码，其实质就是完成其实质就是完成非线性和线性之间的变换。非线性和线性之间的变换。 50 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。不变。 由于逐次比较型编码器编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)需要在一需要在一个抽样周期个抽样周期Ts以内完成以内完成Is与与IW的的7次比较，在整个比较过程中都次

27、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。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。 这在实际中要用平顶抽样，通常由抽样保持电路实现。这在实际中要用平顶抽样，通常由抽样保持电路实现。 附附带指出，原理上讲模拟信号数字化的过程是抽样、量化以后才带指出，原理上讲模拟信号数字化的过程是抽样、量化以后才进行编码。但进行编码。但实际上量化是在编码过程中完成的实际上量化是在编码过程中完成的，也就是说，也就是说，编码器本身包含了量化和编码的两个功能编码器本身包含了量化和编码的两个功能。下面我们通过一个。下面我们通过一个例子来说明编码过程。例子来说明编码过程

28、。 51例例 设输入信号抽样值设输入信号抽样值Is=+1260（为一个量化单位，为一个量化单位， 表示输表示输入信号归一化值的入信号归一化值的1/2048），采用逐次比较型编码器），采用逐次比较型编码器, 按按A律律13折线编成折线编成8位码位码C1C2C3C4C5C6C7C8。 解解 编码过程如下：编码过程如下： （1）确定极性码）确定极性码C1：由于输入信号抽样值：由于输入信号抽样值Is为正，故极为正，故极性码性码C1=1。 （2） 确定段落码确定段落码C2C3C4： 参看表参看表 7 - 7 可知，段落码可知，段落码C2是用来表示输入信号抽样值是用来表示输入信号抽样值Is处于处于13折线

29、折线8个段落中的前四段还是后四段，故确定个段落中的前四段还是后四段，故确定C2的标的标准电流应选为准电流应选为 IW=12852C3是用来进一步确定是用来进一步确定Is处于处于56段还是段还是78段，故确定段，故确定C3的标的标准电流应选为准电流应选为 IW=512第二次比较结果为第二次比较结果为IsIW， 故故C3=1，说明，说明Is处于处于78段。段。 同理，同理， 确定确定C4的标准电流应选为的标准电流应选为 IW=1024第三次比较结果为第三次比较结果为IsIW，所以，所以C4=1，说明，说明Is处于第处于第8段。段。 经过以上三次比较得段落码经过以上三次比较得段落码C2C3C4为为“

30、111”，Is处于第处于第8段，起始电平为段，起始电平为1024。 53 （3） 确定段内码确定段内码C5C6C7C8：段内码是在已知输入信号抽：段内码是在已知输入信号抽样值样值Is所处段落的基础上，进一步表示所处段落的基础上，进一步表示Is在该段落的哪一量在该段落的哪一量化级（量化间隔）。参看表化级（量化间隔）。参看表 7 - 7 可知，第可知，第 8 段的段的 16 个量化个量化间隔均为间隔均为8=64，故确定，故确定C5的标准电流（取中间）应选为的标准电流（取中间）应选为 IW=段落起始电平段落起始电平+8(量化间隔量化间隔) =1024+864=1536 第四次比较结果为第四次比较结果

31、为IsIW，故，故C5=0，由表，由表 7 - 6 可知可知Is处于处于前前 8 级（级（07量化间隔）。量化间隔）。54 同理，同理， 确定确定C6的标准电流为的标准电流为 IW=1024+464=1280第五次比较结果为第五次比较结果为IsIW，故，故C6=0，表示，表示Is处于前处于前4级（级（04量量化间隔）。化间隔）。 确定确定C7的标准电流为的标准电流为 IW=1024+264=1152第六次比较结果为第六次比较结果为IsIW，故，故C7=1，表示，表示Is处于处于23量化间隔。量化间隔。 最后，确定最后，确定C8的标准电流为的标准电流为 IW=1024+364=1216 1152+164=1216第七次比较结果为第七次比较结果为IsIW，故，故C8=1，表示，表示Is处于序号为处于序号为3的量的量化间隔。原为化间隔。原为+1260， 1260-1216=44误差。误差。55 由以上过程可知，非均匀量化（压缩及均匀量化）和编码实由以上过程可知，非均匀量化（压缩及均匀量化）和编码实际上是通过非线性编码一次实现的。经过以上七次比较，际上是通过非线性编码一次实现的