数字通信技术lily22b

1、 第三章第三章 数字通信技术数字通信技术3.1 3.1 数字通信概述数字通信概述 3.2 3.2 脉冲编码调制脉冲编码调制（PCM）3.3 3.3 数字传输技术数字传输技术3.4 3.4 时分多路复用时分多路复用3.1 3.1 数字通信概述数字通信概述 数字通信系统的组成数字通信系统的组成 数字通信主要技术概述数字通信主要技术概述3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成 n数字通信：用数字信号来传输原始消息的数字通信：用数字信号来传输原始消息的通信方式通信方式 n各主要部分的作用：各主要部分的作用：(1)(1)非电非电/ /电转换和电非电转换器电转换和电非电转换器n非电电转换：非电电转换

2、：若信源发出的信息是连若信源发出的信息是连续的模拟信息，如语声，经非电续的模拟信息，如语声，经非电/ /电电( (声声/ /电电) )转换，连续变化的语声就变成了模转换，连续变化的语声就变成了模拟语音电信号，而后进入一次编码器。拟语音电信号，而后进入一次编码器。n电非电转换器：电非电转换器：模拟信号经电非电模拟信号经电非电( (电电/ /声声) )转换后，恢复成语声。转换后，恢复成语声。 （1）一次编码）一次编码/一次译码（信源编一次译码（信源编/译码）译码） 一次编码：一次编码： A/D变换，变换，把模拟信号变换成数字信号。 一次译码：一次译码： D/A变换，变换，把模拟信号变换成数字信号。

3、3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成 （2）加密器）加密器解密器解密器： 有时通信需要保密，则对一次编码输出的数有时通信需要保密，则对一次编码输出的数 字信号，可根据用户的要求进行加密处理，字信号，可根据用户的要求进行加密处理， 加密加密器器：把密电码通过加密器加到信息：把密电码通过加密器加到信息码流中去，改变原来信码流码元排列顺序，码流中去，改变原来信码流码元排列顺序，所以加密器又叫扰乱器或捣乱器。所以加密器又叫扰乱器或捣乱器。 解密器解密器：即去掉密码恢复原来信码流码：即去掉密码恢复原来信码流码元顺序。元顺序。3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成 （3 3）二次编码）二

4、次编码/二次译码二次译码（信道编（信道编/ /译码译码） 完成自动检错和纠错功能，即差错控制编译码完成自动检错和纠错功能，即差错控制编译码的功能。的功能。 由于信道传输特性的不理想和噪声的影响，数由于信道传输特性的不理想和噪声的影响，数字信号在传输过程中往往会产生差错，即误码字信号在传输过程中往往会产生差错，即误码（“1”“1”误成误成“0”“0”，或，或“0”“0”误成误成“1”“1”）现象。）现象。 这种差错，原则上是可以控制的，它是通过差这种差错，原则上是可以控制的，它是通过差错控制编码等手段来实现的。错控制编码等手段来实现的。3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成 差错控制基本

5、原理：举例差错控制基本原理：举例发：明天发：明天14：0016：00开会开会收：明天收：明天10：0016：00开会开会 收到这个错误通知后由于无法判断其正确与否收到这个错误通知后由于无法判断其正确与否发：明天下午发：明天下午14：0016：00开会开会 收：明天下午收：明天下午10：0016：00开会开会 即可判断出其中即可判断出其中“10：00”发生了错误。这时，收者可以发生了错误。这时，收者可以告诉发端再发一次通知，这就是检错重发告诉发端再发一次通知，这就是检错重发。发：明天下发：明天下14：0016：00两个小时开会两个小时开会收：明天下收：明天下10：0016：00两个小时开会两个小

6、时开会 不但能判断出错误，同时还能纠正错误，因为其中增加的不但能判断出错误，同时还能纠正错误，因为其中增加的“ 两个小时两个小时”四个字可以判断出正确的时间为四个字可以判断出正确的时间为14：0016：00”。 差错控制编码的基本原理：差错控制编码的基本原理： 为了能判断传送的信息是否有误（检为了能判断传送的信息是否有误（检错），又能纠正错误（纠错），可以在传送错），又能纠正错误（纠错），可以在传送时增加必要的时增加必要的附加判断数据（冗余码）附加判断数据（冗余码）；（这些附加数据在不发生误码的情况之下是这些附加数据在不发生误码的情况之下是完全多余的，但完全多余的，但）如果发生误码，即可利用如

7、果发生误码，即可利用被传信息数据与附加数据之间的特定关系来被传信息数据与附加数据之间的特定关系来实现检错和纠错。实现检错和纠错。3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成 说明：无论检错和纠错，都有一定的识说明：无论检错和纠错，都有一定的识别范围别范围 如上例中，若开会时间错为如上例中，若开会时间错为“16“16：0000 18 18：00”00”，则无法实现检错与纠错，因为，则无法实现检错与纠错，因为这个时间也同样满足附加数据的约束条件，这个时间也同样满足附加数据的约束条件，这就应当增加更多的附加数据这就应当增加更多的附加数据( (即冗余即冗余) )。 3.1.1数字通信系统的组成数字通

8、信系统的组成 具体讲：具体讲： 为了使信源代码具有检错和纠错能力，应当按一定为了使信源代码具有检错和纠错能力，应当按一定的规则在信源编码的基础上增加的规则在信源编码的基础上增加 一些冗余码元一些冗余码元(又称又称监督码监督码)，使这些冗余码元与被传送信息码元之间建立，使这些冗余码元与被传送信息码元之间建立一定的关系，发信端完成这个任务的过程就称为一定的关系，发信端完成这个任务的过程就称为误码误码或差错控制编码。或差错控制编码。 在收信端，根据信息码元与监督码元的特定关系，在收信端，根据信息码元与监督码元的特定关系，实现检错或纠错，输出原信息码元，完成这个任务的实现检错或纠错，输出原信息码元，完

9、成这个任务的过程就称过程就称误码控制译码误码控制译码(或解码或解码)。 为此，在发送端需要增加一个为此，在发送端需要增加一个二次编码器二次编码器，而在接，而在接收端相应地需要一个收端相应地需要一个二次解码器二次解码器 所以二次编码又称差错控制编码，是为防止传输中所以二次编码又称差错控制编码，是为防止传输中产生误码而采取的差错控制编码方法。产生误码而采取的差错控制编码方法。 3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成 总结：总结： 差错控制编码根据功能不同可分为：差错控制编码根据功能不同可分为： 检错码：检错码：只能发现差错只能发现差错 纠错码：纠错码：既能发现差错也能自动纠正差错既能发现差

10、错也能自动纠正差错 纠删码：纠删码：具备识别错码和纠正错码的功能，具备识别错码和纠正错码的功能，而且当错码超过纠正范围时可把无法纠错而且当错码超过纠正范围时可把无法纠错的信息删除。的信息删除。3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成 实用的简单差错控制编码方法。实用的简单差错控制编码方法。 奇偶校验码奇偶校验码 循环冗余校验码循环冗余校验码3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成n信源编码和信道编码信源编码和信道编码 在数字通信中，根据不同的目的，编在数字通信中，根据不同的目的，编码分为信源编码和信道编码两大类。码分为信源编码和信道编码两大类。n为了提高数字信号的有效性以及为了使模

11、为了提高数字信号的有效性以及为了使模拟信号数字化而采用的编码称为有效性编拟信号数字化而采用的编码称为有效性编码或码或信源编码信源编码；n为了提高数字通信的可靠性而采取的编码为了提高数字通信的可靠性而采取的编码称为可靠性编码或称为可靠性编码或信道编码信道编码。n所以上述一次编码属于信源编码范畴；二所以上述一次编码属于信源编码范畴；二次编码属于信道编码的范畴。次编码属于信道编码的范畴。 （4 4）调制器）调制器/解调器解调器 调制：将输入数字信号变换成适合于信道传调制：将输入数字信号变换成适合于信道传 输的形式，使信号能较好的通过信道到达接收输的形式，使信号能较好的通过信道到达接收端端。 例：信源

12、所发出的原始信号（例：信源所发出的原始信号（基带信号），一基带信号），一 般为低频率的信号般为低频率的信号低频信号要以无线电方式进行通信，必须要通过调制低频信号要以无线电方式进行通信，必须要通过调制将其加载到更高频率的载波上，才能有效地发往天空。将其加载到更高频率的载波上，才能有效地发往天空。 3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成 说明：说明： 具体的数字通信系统并非一定要按上图所示那具体的数字通信系统并非一定要按上图所示那样包括所有的方框，应视具体情况而定。样包括所有的方框，应视具体情况而定。 若信息源发出的信号已经是数字信号，则无若信息源发出的信号已经是数字信号，则无需需A/DA

13、/D和和D/AD/A转换；不需要保密时，就不用加密转换；不需要保密时，就不用加密器和解密器。器和解密器。传输话音信息时，既使有少量误码，也不影传输话音信息时，既使有少量误码，也不影响通信质量，一般不需加二次编解码响通信质量，一般不需加二次编解码在某些有线信道中，特别是传输距离不太远在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，的情况下，不需要调制和解制部分。不需要调制和解制部分。3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成 3.1.2 数字通信主要技术数字通信主要技术1 1、信源编、信源编/ /译码译码 模拟信号数字化技术：模拟信号数字化技术：将信源输出的模拟信号转换将信源输出的模拟信号转

14、换成数字信号。成数字信号。 例如：语音、图像（语音信号是一维的，图像信号是多维例如：语音、图像（语音信号是一维的，图像信号是多维的的 ） 语音编码：语音编码：语音信号数字化；语音信号数字化； 脉冲编码调制脉冲编码调制( (PCM)PCM)和增量调制（和增量调制（M M ）被广）被广泛应用。泛应用。 图像编码：图像信号数字化。图像编码：图像信号数字化。 幅度和时间离散化外，还须在空间上也同时离散幅度和时间离散化外，还须在空间上也同时离散化（隐含在时间离散化中）。化（隐含在时间离散化中）。 对于彩色图像，还需要将给定色度空间的三基色对于彩色图像，还需要将给定色度空间的三基色（或三原色，如红，绿，蓝

15、）值也进行离散化。（或三原色，如红，绿，蓝）值也进行离散化。 2 2、数字复接技术、数字复接技术 为提高信道利用率，在同一信道内传输多为提高信道利用率，在同一信道内传输多个消息信号。个消息信号。 频分复用频分复用 FDMFDM 时分复用时分复用 TDMTDM 码分复用码分复用 CDMCDM3 3、纠错编码纠错编码/ /译码技术译码技术4 4、同步技术、同步技术3.1.2 数字通信主要技术数字通信主要技术5 5、基带传输技术、基带传输技术 基带传输和频带传输是通信系统中信号传输的两基带传输和频带传输是通信系统中信号传输的两种基本形式。种基本形式。 主要涉及信号类型、码间串扰等问题。主要涉及信号类

16、型、码间串扰等问题。6 6、调制、调制/ /解调技术解调技术 数字通信最基本也是最重要的技术之一。数字通信最基本也是最重要的技术之一。振幅键控振幅键控 ASK频移键控频移键控 FSK绝对相移键控绝对相移键控 PSK相对相移键控相对相移键控 DPSK3.1.2 数字通信主要技术数字通信主要技术 引言引言 抽样抽样 量化量化 编码编码3.2 3.2 脉冲编码调制脉冲编码调制（PCM）1 1、基本概念基本概念 脉冲编码调制脉冲编码调制（PCMPCM）：）： Pulse Code ModulationPulse Code Modulation 对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以对模拟信号的瞬时抽样值

17、量化、编码，以将模拟信号转换为数字信号的方法。将模拟信号转换为数字信号的方法。PCMPCM过程由过程由采样、量化与编码采样、量化与编码三个步骤。三个步骤。若模若模/数变换的方法采用数变换的方法采用PCM，由此构成的数字通由此构成的数字通信系统称为信系统称为PCM通信系统通信系统。引引 言言2、PCM系统的组成系统的组成引引 言言 PCM通信系统由三个部分构成通信系统由三个部分构成 ：（1）模数变换）模数变换 抽样：抽样：把模拟信号在时间上离散化。即使模拟把模拟信号在时间上离散化。即使模拟信号变为抽样脉冲序列又称脉冲幅度调制（信号变为抽样脉冲序列又称脉冲幅度调制（PAMPAM）信号信号。 量化：

18、量化：将抽样得到的信号在幅度上离散化；将抽样得到的信号在幅度上离散化； 即把即把PAMPAM信号在幅度上离散化，变为量化值（共有信号在幅度上离散化，变为量化值（共有N N个量化值）。个量化值）。 编码：编码：用相应的二进码来表示用相应的二进码来表示N N个量化值。个量化值。 具体实现上，编码与量化通常是同时完成，量具体实现上，编码与量化通常是同时完成，量化实际是在编码过程中实现的。化实际是在编码过程中实现的。 引引 言言PCM单路抽样、量化、编码波形图单路抽样、量化、编码波形图：（2）信道部分）信道部分：包括传输线及再生中继器包括传输线及再生中继器（3）数模变换）数模变换 解码：编码反过程，解

19、码后还原为解码：编码反过程，解码后还原为PAM信号。信号。（假设忽略量化误差（假设忽略量化误差量化值与量化值与PAM信信号样值之差）号样值之差） 低通：由低通：由PAM信号恢复或重建原模拟信信号恢复或重建原模拟信号。号。引引 言言3.2.1 抽样抽样 模拟信号数字化的第一步模拟信号数字化的第一步：抽样抽样 将模拟信号在将模拟信号在时间上时间上进行进行离散化离散化的过程的过程。 是在语音信号的波形范围内，以一定的时是在语音信号的波形范围内，以一定的时间间隔提取模拟信号瞬时幅度值的操作过间间隔提取模拟信号瞬时幅度值的操作过程。程。 这样就把连续的话音信号变成了一个个分离的、等距离这样就把连续的话音

20、信号变成了一个个分离的、等距离的电脉冲，即时间上连续的模拟语音信号处理成了在时的电脉冲，即时间上连续的模拟语音信号处理成了在时间上离散的信号。间上离散的信号。 抽样后所得出的一系列在时间上离散的抽抽样后所得出的一系列在时间上离散的抽样值被称为样值被称为样值序列，或样值序列，或PAM信号。信号。3.2.1 抽样抽样1 1、抽样的描述、抽样的描述 连续信号在时间上离散化的抽样过程如图所示：连续信号在时间上离散化的抽样过程如图所示： 抽样过程具体描述：抽样过程具体描述： 对于某一时间连续信号对于某一时间连续信号f(tf(t) )，仅取仅取(t(to o) )、(t(t2 2) )、(t(t3 3)

21、)、(t(tn n) )等样值。于是信号等样值。于是信号(t(t) )就变成了时间离散信号就变成了时间离散信号 S S(t(t) )，完成了对完成了对(t(t) )信号的抽样过程信号的抽样过程。 3.2.1 抽样抽样抽样是由抽样是由抽样门抽样门完成完成 图中用图中用脉冲（开关）信号脉冲（开关）信号sT(t)（等间隔的幅度为等间隔的幅度为1 1的脉冲信号）来控制的脉冲信号）来控制开关开关K 抽样门抽样门的通断。的通断。 每间隔每间隔T时间控制开关闭合一次，就可时间控制开关闭合一次，就可以实现对信号以实现对信号f(tf(t) )的抽样。的抽样。 模拟信号模拟信号m(t) 时间上离散化时间上离散化

22、样值序列样值序列s(t)3.2.1 抽样抽样2、抽样的具体实现、抽样的具体实现 在电路上可通过乘法器来实现，如图所示。在电路上可通过乘法器来实现，如图所示。 用数学公式可描述为：用数学公式可描述为：fs(t)f(t)*sa(t)。 抽样过程示意图抽样过程示意图3、抽样定理、抽样定理 抽样的可行性：抽样的可行性： 上述抽样过程说明：若在发送端要把一段模上述抽样过程说明：若在发送端要把一段模拟语声信号传到对方，不一定要传信号上的每拟语声信号传到对方，不一定要传信号上的每一点一点，只要在语声信号波形内，每秒钟取只要在语声信号波形内，每秒钟取样的次数足够多，听起来也同样感觉到声样的次数足够多，听起来也

23、同样感觉到声音是连续的即可。音是连续的即可。这就是这就是抽样的可行性。抽样的可行性。 （如：电影（如：电影 24 24幅幅/ /秒）秒）3.2.1 抽样抽样 抽样的原则：抽样的原则：保证接收端从样值序列不保证接收端从样值序列不失真地恢复出原始信号。失真地恢复出原始信号。时间上连续的信号通过抽样变成了时间上离散时间上连续的信号通过抽样变成了时间上离散的信号，为保证信息的正确传递，则要求离散的信号，为保证信息的正确传递，则要求离散后的样值序列不能丢失原来信号的信息；后的样值序列不能丢失原来信号的信息； 换句话说把换句话说把f(t)变成变成fs(t)，要求对要求对fs(t)作适当作适当处理后，能无失

24、真恢复原信号处理后，能无失真恢复原信号f(t)。3.2.1 抽样抽样 从抽样的可行性和原则可知，从抽样的可行性和原则可知， 为了能在接收端由抽样所得样值序列重构原始为了能在接收端由抽样所得样值序列重构原始模拟信号，抽样时间间隔越短越能正确的重现信模拟信号，抽样时间间隔越短越能正确的重现信号。号。 但是，缩短时间间隔虽然精度高，但会导致数据但是，缩短时间间隔虽然精度高，但会导致数据量增加，影响通信的有效性。量增加，影响通信的有效性。 所以缩短时间间隔必须适可而止，那么抽样周期所以缩短时间间隔必须适可而止，那么抽样周期多大合适呢？多大合适呢？ 著名的著名的奈奎斯特定理奈奎斯特定理，即抽样定理给出了

25、答案。，即抽样定理给出了答案。 3.2.1 抽样抽样 奈奎斯特准则（抽样定理）奈奎斯特准则（抽样定理） 设连续时间信号设连续时间信号f(t)，其最高截止频率为其最高截止频率为fm，若用时间间隔若用时间间隔Ts1/(2*fm) 的开关信号的开关信号s(t)对对f(t)抽样，则抽样，则f(t)可被抽样后的离散信号可被抽样后的离散信号fs(t)唯一地确定。唯一地确定。 抽样定理告诉我们：只要按抽样定理的周期进抽样定理告诉我们：只要按抽样定理的周期进行抽样，就能由离散样值序列重建原始模拟信号。行抽样，就能由离散样值序列重建原始模拟信号。3.2.1 抽样抽样4语音信号抽样周期语音信号抽样周期 语声信号的

26、频率为语声信号的频率为3003400Hz，则最高截止频则最高截止频率率fm =3400Hz。 根据抽样定理，抽样周期：根据抽样定理，抽样周期：TS1/(2 fm) =1/(2*3400) 1/(2*4000)=125s（为计算方为计算方便）。便）。 抽样频率：抽样频率：S=1/ TS =1/125s=8KHz的抽样的抽样频率（即抽样频率）频率（即抽样频率） 对对30030034003400HzHz的电话语声信号的电话语声信号80008000次次/ /s s抽样，则抽抽样，则抽样后的样值序列可完整的恢复原来的语声信号。样后的样值序列可完整的恢复原来的语声信号。 3.2.1 抽样抽样3.2.2 3

27、.2.2 量化量化 n量化：量化：把幅度连续变化的样值序列变换为幅把幅度连续变化的样值序列变换为幅度取值为有限个的离散样值序列的过程就是度取值为有限个的离散样值序列的过程就是量化。量化。 1 1、量化的必要性量化的必要性 模拟信号经抽样后得到了样值序列。模拟信号经抽样后得到了样值序列。 各抽样值沿时间坐标轴各抽样值沿时间坐标轴t是离散分布的，但每个抽是离散分布的，但每个抽样值沿幅度坐标轴的变化是随原模拟信号幅度连续样值沿幅度坐标轴的变化是随原模拟信号幅度连续变化的。变化的。 因此，它很难用有限位数的数字信号来表示，为因此，它很难用有限位数的数字信号来表示，为此需要对样值序列进一步处理，使它成为

28、在此需要对样值序列进一步处理，使它成为在幅度上幅度上是有限种取值是有限种取值的离散样值序列。的离散样值序列。3.2.2 3.2.2 量化量化2、量化方法：用分层方法可实现量化。、量化方法：用分层方法可实现量化。 把信号变化的动态范围划分为若干个区间把信号变化的动态范围划分为若干个区间（层），只要某样值信号落在某个区间内，（层），只要某样值信号落在某个区间内，就取该区间内预先规定的某个参考电平（如就取该区间内预先规定的某个参考电平（如该区间的中间值）作为该区间的中间值）作为量化值量化值。假 设 输 入 信 号 的 最 小 值 和最 大 值 分 别 用 a和 b表 示 ，量 化 电 平 数 为 M

29、， 那 么 均 匀量 化 时 的 量 化 间 隔 为 ：Mabv-=D本 例 的 量 化 误 差 如右 下 图 所 示 ：T2TS3TS4TS5TS6TS7TStq3q4q2q5q6q1q7q8m2m3m1m4m5m0m6m7mq(6Ts)m(6Ts)量 化 误 差信 号 的 量 化 值信 号 的 实 际 值3.2.2 3.2.2 量化量化n这样一来划分的区间有多少个，量化值就有多少个。于是这样一来划分的区间有多少个，量化值就有多少个。于是就用近似的方法将无限个样值变成了有限个量化值。就用近似的方法将无限个样值变成了有限个量化值。n问题：量化级问题：量化级N8的量化器，量化值总共有多少种？的量

30、化器，量化值总共有多少种？n划分的区间有多少个，量化值就有多少个划分的区间有多少个，量化值就有多少个 几个概念几个概念 量化级：量化区间称为量化级，或量化量化级：量化区间称为量化级，或量化间隔。间隔。( ( ) ) 量化电平：区间内预先规定的某个参考量化电平：区间内预先规定的某个参考电平，也称电平，也称量化值量化值。 量化误差：抽样值与量化值之差，也称量化误差：抽样值与量化值之差，也称为为量化噪声量化噪声。3.2.2 3.2.2 量化量化 D D 相对量化误差：量化误差相对量化误差：量化误差/量化值量化值 最大相对量化误差：最大量化误差最大相对量化误差：最大量化误差/量化值量化值 量化信噪比：

31、衡量量化噪声对信号影响的指标。量化信噪比：衡量量化噪声对信号影响的指标。 S/D（dB）=10lg(信号平均功率信号平均功率/量化噪声功量化噪声功率）（率）（dB） 说明说明： 量化中分级的多少可根据要求而定，因为量化量化中分级的多少可根据要求而定，因为量化结果与样值的实际情况总会有偏差，级数分得越多量化误结果与样值的实际情况总会有偏差，级数分得越多量化误差越小，通信质量越高，但设备结构和电路就越复杂，目差越小，通信质量越高，但设备结构和电路就越复杂，目前大多分为前大多分为256256级。级。 （话音信号传输要求，要求量化信噪比（话音信号传输要求，要求量化信噪比2626dBdB）3.2.2 3

32、.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化3、量化的分类：、量化的分类：均匀量化均匀量化：量化间隔相等的量化。：量化间隔相等的量化。非均匀量化非均匀量化：量化间隔不相等的量化。：量化间隔不相等的量化。（1）均匀量化：量化间隔相等）均匀量化：量化间隔相等 例如：某信号例如：某信号f(t)的幅度变化范围为的幅度变化范围为0.58.5V，采样采样10次，其值分别为次，其值分别为f(t0)f(t9) 3.2.2 3.2.2 量化量化量量化化序序号号量量化化电电平平取取样样值值量量化化值值量量化化噪噪声声相相对对量量化化误误差差最最大大相相对对量量化化误误差差8 87 76 65 58 8. .

33、5 58 87 7. .5 57 76 66 6. .5 55 5. .5 54 4. .5 53 3. .5 52 2. .5 51 1. .5 50 0. .5 55 54 43 31 14 43 32 22 21 1f f( (t t0 0) )= =0 0. .5 5f f( (t t1 1) )= =1 1. .4 4f f( (t t2 2) )= =4 4. .3 3f f( (t t3 3) )= =5 5. .3 3f f( (t t4 4) )= =4 4. .4 4f f( (t t5 5) )= =2 2. .6 6f f( (t t6 6) )= =1 1. .4 4

34、f f( (t t7 7) )= =2 2. .3 3f f( (t t8 8) )= =4 4. .2 2f f( (t t9 9) )= =6 6. .1 11 11 14 45 54 43 31 12 24 46 60 0. .5 50 0. .4 40 0. .3 30 0. .3 30 0. .4 40 0. .4 40 0. .4 40 0. .3 30 0. .2 20 0. .1 10 0. .5 5/ /1 1= =5 50 0% %0 0. .4 4/ /1 1= =4 40 0% %0 0. .3 3/ /4 4= =7 7. .5 5% %0 0. .3 3/ /5 5

35、= =6 6% %0 0. .4 4/ /4 4= =1 10 0% %0 04 4. ./ /3 3= =1 13 3. .3 3% %0 0. .4 4/ /1 1= =4 40 0% %0 0. .3 3/ /2 2= =1 15 5% %0 0. .2 2/ /4 4= =5 5% %0 0. .1 1/ /6 6= =1 1. .6 67 7% %0 0. .5 5/ /1 1= =5 50 0% %0 0. .5 5/ /1 1= =5 50 0% %0 0. .5 5/ /4 4= =1 12 2. .5 5% %0 0. .5 5/ /5 5= =1 10 0% %0 0. .

36、5 5/ /4 4= =1 12 2. .5 5% %0 0. .5 5/ /3 3= =1 17 7% %0 0. .5 5/ /1 1= =5 50 0% %0 0. .5 5/ /2 2= =2 25 5% %0 0. .5 5/ /4 4= =1 12 2. .5 5% %0 0. .5 5/ /6 6= =8 8. .3 3% %3.2.2 3.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化 由上表可知，对于均匀量化，在量化区内，由上表可知，对于均匀量化，在量化区内，因为大小信号的量化间隔相同（因为大小信号的量化间隔相同（u u1 1），），信号无论大小其信号无论大小其最大量化误差

37、最大量化误差相同均为：相同均为： 0.50.5v v，不会因信号幅度的改变而改变。不会因信号幅度的改变而改变。 信号样值幅度越大，相对量化误差越小，量信号样值幅度越大，相对量化误差越小，量化信噪比越大；化信噪比越大；信号样值幅度越小，相对量信号样值幅度越小，相对量化误差越大，量化信噪比越小。化误差越大，量化信噪比越小。 均匀量化的特点：均匀量化的特点：小信号的量化信噪比小，小信号的量化信噪比小，大信号的量化信噪比大。大信号的量化信噪比大。D213.2.2 3.2.2 量化量化 均匀量化的缺点：均匀量化方式对传输大均匀量化的缺点：均匀量化方式对传输大信号极为有利，对传输小信号不利。信号极为有利，

38、对传输小信号不利。n语声信号的幅度分布特性为：大信号出现的语声信号的幅度分布特性为：大信号出现的概率小，小信号出现的概率大；概率小，小信号出现的概率大；n因此，均匀量化对传输语声信号是不因此，均匀量化对传输语声信号是不利的。利的。n具体表现是通话时声音越小时，传到对方越具体表现是通话时声音越小时，传到对方越小甚至被噪声所淹没。小甚至被噪声所淹没。 解决上述问题的方法解决上述问题的方法 减小量化间隔，增大量化级数减小量化间隔，增大量化级数 将量化区间分得更细一些，即将量化区间分得更细一些，即u u要小，量化分层数要小，量化分层数N N要多。于是编码位数就会相应增加，结果将导致编码及要多。于是编码

39、位数就会相应增加，结果将导致编码及编码器复杂，信道利用率降低。编码器复杂，信道利用率降低。编码复杂编码复杂信道利用率下降信道利用率下降非均匀量化非均匀量化3.2.2 3.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化（2 2）非均匀量化）非均匀量化 非均匀量化的目的、思想非均匀量化的目的、思想 目的：目的：减小小信号时的量化误差，提高小信号减小小信号时的量化误差，提高小信号时的量化信噪比。时的量化信噪比。 使信噪比趋于一致。使信噪比趋于一致。n由最大相对量化误差公式：由最大相对量化误差公式：n产生均匀量化的产生均匀量化的“小信号量化信噪比小小信号量化信噪比小” 现象的原因：是由均匀量化时的量

40、化间隔现象的原因：是由均匀量化时的量化间隔u u是固定值，它不随信号幅度的变化而变是固定值，它不随信号幅度的变化而变化。化。n故小信号时相对量化误差大，大信号时相故小信号时相对量化误差大，大信号时相对量化误差小。对量化误差小。u ux x样样值值1 12 2 思想：思想：n信号幅度区间小时，量化间隔信号幅度区间小时，量化间隔u u小些，小些，即分层细一些；即分层细一些；n信号幅度区间大时，量化间隔信号幅度区间大时，量化间隔u u大些，大些，即分层粗一些；即分层粗一些；n以使大小信号相对量化误差（量化信以使大小信号相对量化误差（量化信噪比）趋于一致。噪比）趋于一致。3.2.2 3.2.2 量化量

41、化 非均匀量化的实现方法：非均匀量化的实现方法： 模拟压扩法模拟压扩法 数字压扩法数字压扩法 n采用采用压缩扩张技术压缩扩张技术来实现对抽样信号来实现对抽样信号非均匀量化。非均匀量化。 3.2.2 3.2.2 量化量化 压缩扩张技术基本原理：压缩扩张技术基本原理： 由最大相对量化误差公式由最大相对量化误差公式： 为达到使大小信号量化信噪比趋于一致的目的，为达到使大小信号量化信噪比趋于一致的目的，可采取一种等效途径：可采取一种等效途径： 首先通过人为变换，对样值进行处理首先通过人为变换，对样值进行处理y，即即 以增大小信号样值，减小大信号的样以增大小信号样值，减小大信号的样值。值。 然后再对处理

42、后的然后再对处理后的y样值区间进行均匀量化以样值区间进行均匀量化以保证量化间隔保证量化间隔u一致（一致（u变为变为u）。）。 达到大小信号量化信噪比趋于一致的目的。达到大小信号量化信噪比趋于一致的目的。u ux x样样值值1 12 23.2.2 3.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化 压缩器与扩张器的工作特性：压缩器与扩张器的工作特性： 压缩器工作特性：压缩器工作特性： y=f(x)，压缩大信压缩大信号，扩张小信号。号，扩张小信号。3.2.2 3.2.2 量化量化 在发送端通过压缩器人为完成了抽样信号的处理，在接收在发送端通过压缩器人为完成了抽样信号的处理，在接收端必须有与压缩器

43、相反功能的电路以恢复原来抽样信号端必须有与压缩器相反功能的电路以恢复原来抽样信号 ，此电路称为此电路称为扩张器扩张器。 扩张器工作特性：扩张器工作特性： x=f-1(y)，扩张大信号，扩张大信号，压缩小信号。压缩小信号。3.2.2 3.2.2 量化量化 压缩扩张技术的实现方法压缩扩张技术的实现方法： 将抽样值通过压缩再进行将抽样值通过压缩再进行均匀量化均匀量化。3.2.2 3.2.2 量化量化n具体如何通过压缩扩张来实现非均匀量化思想，经压缩具体如何通过压缩扩张来实现非均匀量化思想，经压缩处理，再均匀量化后对小信号量化信噪比的改善情况又处理，再均匀量化后对小信号量化信噪比的改善情况又如何？如何

44、？ 参见图（参见图（b b），），小信号抽样值小信号抽样值A A在送入压缩器前，在送入压缩器前，处在处在第第1 1量化级量化级的，而经过压缩器后，跳到了的，而经过压缩器后，跳到了第第5 5量化级量化级。这意味着经过压缩器后对小信号抽样值。这意味着经过压缩器后对小信号抽样值而言，而言，分层数分层数N N增加了增加了5 5倍倍，因而小信号的信噪比，因而小信号的信噪比提高了；提高了；n最大相对量化误差：压缩处理前：最大相对量化误差：压缩处理前：0.5/1=50% 0.5/1=50% 压缩处理后：压缩处理后：0.5/50.5/51010 大信号抽样值大信号抽样值B B，则在压缩器前后，变化（或压则在压

45、缩器前后，变化（或压缩）了两个量化级，即由缩）了两个量化级，即由第第1111级级压缩到压缩到第第9 9级级，它相当于对大信号抽样值的分层更粗糙了。它相当于对大信号抽样值的分层更粗糙了。n最大相对量化误差：压缩处理前：最大相对量化误差：压缩处理前：0.5/110.5/114.54.5压缩处理后：压缩处理后：0.5/90.5/95.55.53.2.2 3.2.2 量化量化n说明：说明：n采用非均匀量化后，小信号的信噪比大采用非均匀量化后，小信号的信噪比大大提高，大信号的信噪比有所下降。大提高，大信号的信噪比有所下降。n但大信号出现的概率小，小信号出现的但大信号出现的概率小，小信号出现的概率大，故总

46、的信噪比提高了。概率大，故总的信噪比提高了。压缩处理后，再对压缩处理后，再对y y均匀量化等效于对均匀量化等效于对x x非非均匀量化均匀量化因此，压缩器的功能，加上均匀量化的功因此，压缩器的功能，加上均匀量化的功能，等效于非均匀量化。能，等效于非均匀量化。压缩处理压缩处理+均匀量化均匀量化=非均匀量化非均匀量化3.2.2 3.2.2 量化量化结论：结论： 压扩特性压扩特性 为使量化噪声最小，应选择最佳的压缩器和扩张为使量化噪声最小，应选择最佳的压缩器和扩张器工作特性，基于对语音信号的大量统计和研究，器工作特性，基于对语音信号的大量统计和研究，国际电报电话咨询委员会（国际电报电话咨询委员会（CC

47、ITTCCITT）建议采用两种建议采用两种近似于对数函数的压扩特性。近似于对数函数的压扩特性。一种是以一种是以作为参数的压缩特性，作为参数的压缩特性，称称律压缩律压缩特性。特性。 律压缩特性具体表示式：律压缩特性具体表示式：l ln n( (1 1+ +x x) )l ln n( (1 1+ + ) )y y= =0 0 x x 1 1 = =2 25 55 5其其 中中压压 缩缩 参参 数数3-3-1 1式式3.2.2 3.2.2 量化量化 另一种是以另一种是以A作为参数的压缩特性，叫作为参数的压缩特性，叫A律压缩特性。律压缩特性。 A律压缩特性：（具体表达式）律压缩特性：（具体表达式） 3

48、- 3-式式 这两种压缩特性都具有对数特性且通过原点呈中这两种压缩特性都具有对数特性且通过原点呈中心对称的曲线，接近于最佳特性，并容易进行二进心对称的曲线，接近于最佳特性，并容易进行二进制编码。制编码。 A=87.6Ax1+lnA1+lnAx1+lnA1A01A1yXX3.2.2 3.2.2 量化量化1 1）模拟压扩法）模拟压扩法 电路实现方法：电路实现方法： 早期采用伏早期采用伏安特性完全一致的一对二极管，安特性完全一致的一对二极管，分别作为分别作为压缩器和扩张器压缩器和扩张器来实现的。来实现的。 因由因由3-13-1式和式和3-23-2式所决定的式所决定的律和律和A A律压扩特性，是律压扩

49、特性，是均匀连续变化的曲线均匀连续变化的曲线，它们可用二极管的非线特性来，它们可用二极管的非线特性来实现。实现。 模拟压扩法中，用二极管组成的压缩器和扩张模拟压扩法中，用二极管组成的压缩器和扩张器有以下两个缺点：器有以下两个缺点： 第一，选择特性完全一致的二极管比较因难；第一，选择特性完全一致的二极管比较因难； 第二，二级管的温度特性很差，极易受温度变化的第二，二级管的温度特性很差，极易受温度变化的影响，这样很难保证压缩和扩张效果的一致性。影响，这样很难保证压缩和扩张效果的一致性。3.2.2 3.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化 2 2）数字压扩法）数字压扩法 目前已采用由若干

50、段直线组成的折线来逼目前已采用由若干段直线组成的折线来逼近近律和律和A A律压扩特性。律压扩特性。 由于折线压扩特性，可以用数字电路来由于折线压扩特性，可以用数字电路来实现，因而获得了广泛的应用。实现，因而获得了广泛的应用。目前数字压扩特性国际上有两种不同的标准：目前数字压扩特性国际上有两种不同的标准： A律十三折线压扩特性律十三折线压扩特性（近似于（近似于A=87.6)A=87.6) 13折线折线A律主要用于英、法、德等欧律主要用于英、法、德等欧洲各国的洲各国的PCM设备中，设备中，我国也采用我国也采用A律律13折线。折线。 律十五折线压扩特性律十五折线压扩特性( (近似于近似于=255)=

51、255) 15折线折线律主要用于美国、日本和加律主要用于美国、日本和加拿大等国的拿大等国的PCM设备中。设备中。3.2.2 3.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化n13折线折线A律压扩曲线律压扩曲线3.2.2 3.2.2 量化量化 A律律13折线的生成：折线的生成： 13折线折线A律是从非均匀量化的基点出发，设法用律是从非均匀量化的基点出发，设法用许多折线来逼近许多折线来逼近A律对数压扩特性的。律对数压扩特性的。 设在直角坐标系中，设在直角坐标系中，x轴和轴和y轴分别表示输入信号轴分别表示输入信号和输出信号，并假定输入信号和输出信号的最大取值和输出信号，并假定输入信号和输出信号的

52、最大取值范围都是范围都是11，即都是归一化的。，即都是归一化的。n归一化的压缩器输入电压归一化的压缩器输入电压 n x=x=压缩器的输入电压压缩器的输入电压/ /压缩器可能的最大输入电压压缩器可能的最大输入电压n归一化的压缩器输出电压归一化的压缩器输出电压 ny =y =压缩器的输出电压压缩器的输出电压/ /压缩器可能的最大输出电压压缩器可能的最大输出电压3.2.2 3.2.2 量化量化段号段号 输入信号输入信号x=（-11）区间长区间长度度LX876543211/2，11/4，1/21/8，1/41/16，1/81/32，1/161/64，1/321/128，1/640，1/1281/21/

53、41/81/161/321/641/1281/128 为达到非均匀量化的目的，为达到非均匀量化的目的，A A律律1313折线分两步生成：折线分两步生成： 第一步第一步，把，把x轴的区间轴的区间1，1不均匀地分成不均匀地分成16大段，大段，正半轴正半轴8大段，负半轴大段，负半轴8大段。大段。3.2.2 3.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化 第二步第二步，将以上，将以上8个不均匀大段的每一段，个不均匀大段的每一段，再均匀地分成再均匀地分成16等份，每一等份代表一个量等份，每一等份代表一个量化级。化级。3.2.2 3.2.2 量化量化 因此，将因此，将x轴的轴的01的变化域分成了的变

54、化域分成了168128个非均匀量化级，以使输入信个非均匀量化级，以使输入信号的抽样值进行非均匀量化；号的抽样值进行非均匀量化； 另外，对另外，对-x轴也作同样的分段处理，轴也作同样的分段处理， 则则x x轴坐标共有轴坐标共有256个非均匀量化级个非均匀量化级。 对于对于y（或或-y）轴的轴的01的变化域被均匀地分成的变化域被均匀地分成8大段，每大段再均匀地分成大段，每大段再均匀地分成16等份，故等份，故y轴同样也被轴同样也被分成分成1282256个等份个等份段号段号 输出信号输出信号=（-11）区间长区间长度度L876543217/8， 16/8 ， 7/85/8， 6/8 4/8 ， 5/8

55、3/8 ， 4/82/8 ， 3/81/8， 2/80， 1/81/81/81/81/81/81/81/81/83.2.2 3.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化 将将x轴坐标和轴坐标和y轴坐标作以上分段处理后，轴坐标作以上分段处理后，再将相应大段的坐标交点连接起来，再将相应大段的坐标交点连接起来，得到得到16段折线段，段折线段， 由于正方向由于正方向1、2段与负方向段与负方向1、2段具有段具有相同的斜率，因此可连在一起作为一段相同的斜率，因此可连在一起作为一段，于是于是16段折线从形状上变成了段折线从形状上变成了13段折线段折线 由此由此1313条直线段构成一条折线近似逼近条直

56、线段构成一条折线近似逼近A87.6时的连续时的连续A A对数压缩特性。对数压缩特性。 段段号号输入信号输入信号x=（-11）区间长区间长度度LX输出信号输出信号=（-11）区间长区间长度度L斜率斜率k段段号号876543211/2，11/4，1/21/8，1/41/16，1/81/32，1/161/64，1/321/128，1/640，1/1281/21/41/81/161/321/641/1281/1287/8， 16/8 ， 7/85/8， 6/8 4/8 ， 5/83/8 ， 4/82/8 ， 3/81/8， 2/80， 1/81/81/81/81/81/81/81/81/81/4 1/

57、212481616123456123456780，-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，-11/1281/128 1/64 1/321/161/8 1/4 1/20， -1/8 -1/8， -2/8-2/8 ， -3/8-3/8 ， -4/8-4/8 ，- 5/8-5/8， -6/8 -6/8 ， -7/8 -7/8， -11/81/81/81/81/81/81/81/8161684211/21/489101112137n该折线被称为该折线被称为A律律

58、13折线。折线。3.2.2 3.2.2 量化量化图图3-123-123.2.2 3.2.2 量化量化 由连续由连续A A对数压缩特性公式，计算出对数压缩特性公式，计算出A A87.687.6时时y y与与x x的对应关系，它和的对应关系，它和1313折线压缩特性折线压缩特性Y Y与与X X的对应关系的对应关系一并列入表一并列入表3-33-3中，由表中，由表3-33-3可以看出这两种压缩特可以看出这两种压缩特性是非常近似的。性是非常近似的。n说明：说明：n由图由图3-123-12可以看出，图中对小信号区间的分可以看出，图中对小信号区间的分段细，对大信号的分段粗，这就提高了小信段细，对大信号的分段

59、粗，这就提高了小信号的信噪比，使其能满足号的信噪比，使其能满足2626dBdB的指标。的指标。 nA A律律1313折线量化过程符合非均匀量化的思想，折线量化过程符合非均匀量化的思想，即用非均匀量化的方法实现了压缩的目的，即用非均匀量化的方法实现了压缩的目的，在量化的同时就进行了压缩，因此不必再用在量化的同时就进行了压缩，因此不必再用专用的压缩器进行压缩。专用的压缩器进行压缩。n模拟压扩法模拟压扩法: :实现非均匀量化的过程是输入实现非均匀量化的过程是输入端抽样信号端抽样信号x x，首先经压缩器处理后变为首先经压缩器处理后变为y y，然后再均匀量化为然后再均匀量化为y y值所对应的量化电平值。

60、值所对应的量化电平值。n数字压扩法数字压扩法: :实现非均匀量化的方法，是将实现非均匀量化的方法，是将量化、编码两个过程放在一起进行的，即量化、编码两个过程放在一起进行的，即在编码的过程中实现的非均匀量化。在编码的过程中实现的非均匀量化。 3.2.33.2.3编码编码n 图图3-33-3中，量化级共中，量化级共有有6 6级，所以可用级，所以可用“3”“3”位二进制位二进制“0”“0”和和“1”“1”的不同组合来表示。的不同组合来表示。 编码编码：是用相应的数字信号码组表示模拟是用相应的数字信号码组表示模拟信号的量化的抽样值的过程。信号的量化的抽样值的过程。n常用编码方法常用编码方法: 常用的编