2.3脉冲编码调制(PCM).ppt

1、第二章 模拟信号的数字化传输,数字通信原理,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,主要内容,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,2.3 脉冲编码调制（PCM）,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,脉冲编码调制,脉冲编码调制(PCM)简称脉码调制，是将模拟信号变成数字信号的重要方法之一。它已广泛用于通信系统，特别是电话通信系统。 PCM是一种最典型的语音信号数字化的波形编码方式。 电话通信中PCM调制的特点： 采用较简单的非线性瞬时压扩方法，可实现数据等效比特速率的压缩。 PCM调制方式简单、无延时、透明性好。 原理框图,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,原理框图,A/D变换,PAM,重庆大学通

2、信工程学院,数字通信原理,原理框图,A/D变换,PAM,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,原理框图,A/D变换,PAM,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,脉冲编码调制系统,电话信号的频率宽度为3003400Hz，国际上均采用抽样频率fs=8000Hz，为了保证一定的话音质量，对每一抽样值采用8比特编码，即用8位二进制数字进行编码，因此每一路标准话路的等效比特速率为： 实际中的PCM系统，常常不是单路系统，而是采用时分多路复用的方法,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,脉冲编码调制系统,以30/32PCM端机为例，介绍PCM的系统组成 话音信号的抽样频率为8000Hz，抽样的间隔时间Ts1/

3、fs125s 为了时分复用将125 s分为32个时隙，即每个时隙为125 s /323.9 s 每个抽样脉冲用8bit编码，即8位二进制脉冲作一个码组，一次放入各个时隙。 为保证通信的正常进行，每帧的起始时刻由帧定时信号决定，收端也应有相应的帧定时信号，收发两端的帧定时信号必须同频同相，即实现帧同步。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,脉冲编码调制系统,30/32PCM端机帧结构示意图,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,脉冲编码调制系统,0时隙同步时隙：第一位都固定为1；偶帧的28位为帧同步码；奇帧的第二位固定为“1”，便于分开奇偶帧,第三位是帧失步告警码，同步为“0”，失步为“1”，4-

4、8位可供其他信息用，未占用时固定为“1” 。 16时隙标志时隙：由8位码组成，每4位传一个话路的标志信号，这样每一帧能传两路标志信号。同一路的标志信号每隔16帧才传送一次。故16帧为一复帧，0帧和16帧的标志时隙可用来传复帧同步信号和告警信号。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,脉冲编码调制系统,30/32PCM端机每帧共有32个时隙，传30路数字话音信号和2时隙的勤务信息。 30/32PCM端机输出的信号称为一次群信号。实际应用中，还可将多个一次群进行准同步复接（PDH）：即四个基群 （一次群）复接组成二次群，四个二次群组成三次群，四个三次群组成四次群，四个四次群组成五次群，或进行同步复接

5、（SDH）。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,2.3 脉冲编码调制（PCM）,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,信号的压缩与扩张,压扩，即压缩与扩张，是实现非均匀量化的方法。 压缩：是将经量化的抽值信号先进行非线性变换，使原来的输入信号的动态范围变小，压缩器是一个非线性变换电路，对小信号增益大，而对大信号则增益小；将压缩器输出的信号再进行均匀量化，从而改善小信号的量化信噪比。 扩张：是压缩的反变换过程，在译码后用扩张器恢复原抽样信号。 压扩的目的：是提高小信号时的量化信噪比，压缩比特速率。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,信号的压缩与扩张,压扩特性：多采用对数压缩特性。如下图所示,广

6、泛采用的特性是压缩率为律和A律的对数特性。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,对数压缩,理想对数压缩律 压缩律 A压缩率,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,理想对数压缩律,理想压缩特性 使量化信噪比不随模拟输入信号的幅度变化而变化,假设 模拟信号的幅度概率分布为P(x)，则信号的平均功率为,忽略信号过载，则有：,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,理想对数压缩律,采用压缩律,第i个量化级的量化噪声功率,未过载时，N个量化级 的量化噪声总功率,量化级数N很大，dk很小,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,信噪比,如果,信噪比与信号大小以及概率分布无关,解微分方程,不通过坐标原点，即，x=0时

7、，y,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,理想对数压缩律,语音信号是双极性的，使用的压缩律必须具有原点对称特性，且通过原点 理想对数压缩率不能直接用于语音信号编码，需要进行修正 律和A律的提出,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,对数压缩,理想对数压缩律 压缩律 A压缩率,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,压缩律,令,为了使得压缩率 特性曲线过原点,美国、日本、加拿大采用的压缩率 对理想对数压缩律进行修正,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,律曲线斜率,小信号范围内需 获得正压扩效益,越大，小信号的 压扩效益越高,压扩效益为0 均匀量化,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,对数压缩,理想对数

8、压缩律 压缩律 A压缩率,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,A压缩率,从坐标原点向理想对数压缩律曲线作切线oa，切点坐标（x1,y1)，切线斜率为理想对数压缩率曲线在切点的斜率,切线方程,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,A压缩率,代入,切点坐标,切线方程,A律压缩特性 表达式,均匀量化,小信号范围内需 较大正压扩效益,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,分段量化,早期的A 律和律压扩特性用非线性模拟电路获得，电路复杂，精度和稳定度差。 数字压扩技术：利用数字电路形成许多折线来逼近对数压扩特性。 一种是采用13 折线近似A 律压缩特性，另一种是采用15 折线近似律压缩特性,重庆大学通信工程

9、学院,数字通信原理,总结,压缩前信号,压缩后信号,归一化律特性,归一化A律特性,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,压缩方法,模拟压扩法：采用先压缩再均匀量化，编码的方法。压缩扩张器用非线性元件实现。如用二极管实现，要求压缩器与扩张器的特性互补，难度大，易受温度影响，特性不稳定，很少用。 数字压扩法：直接利用数字电路和非线性技术，把压缩和量化合成一体（收端也把译码和扩张合在一起）构成一个完整的脉冲编码器和译码器，它依靠数字电路形成许多折线，用这些折线近似地逼近对数压扩特性。 现有的国际标准有两种：一种是采用13 折线近似A 律压缩特性，另一种是采用15 折线近似律压缩特性。,重庆大学通信工程学

10、院,数字通信原理,信号的压缩与扩张,13折线A律 15折线律,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,13折线A律,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,13折线A律,A律13 折线是用13 段折线逼近A=87.6 的A律压缩特性。 把输入x 轴和输出y轴用两种不同的方法划分，按二次幂分割有利于数字化 x轴在01（归一化）范围内不均匀分成8 段，分段的规律是每次以二分之一对分 y轴在01（归一化）范围内采用等分法，均匀分成8 段，每段间隔均为1/8。 把x，y各对应段交点连接起来构成8 段直线,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,13折线A律,压缩特性以原点为奇对称，负方向也有8根折线，一共是16个

11、线段 正向1、2 段和负向1、2段斜率相同(均为16)，可视为一条直线段，正、负双向折线由13条折线段组成13折线,各段落的斜率,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,13折线分段的x值 与计算得到的x值的比较,结论：13折线各段落分界点与A=87.6曲线十分逼近,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,13折线A律的量化噪声功率,话音信号服从拉普拉斯分布,不过载量化噪声功率,十三折线A律,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,13折线A律的量化噪声功率,信号量化噪声功率比,与均匀量化比较， 小信号时信噪比提高24dB,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,13折线A律的量化噪声功率,结论： 均匀量化要

12、满足SNR(dB)为20dB，动态范围为40dB，则要求n=11，即需要11bit编码 用13折线A律压缩后，只需n8，动态范围可以在47dB51dB范围内，能够满足话音通信中提出的动态范围为40dB的要求。不仅小信号时的信噪比提高了，量化器允许输入信号的动态范围增加了，而且比特速率降低了。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,分段量化,13折线A律 15折线律,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,15折线律,15折线律是用15条折线来逼近=255时的律特性 与13折线A律相仿，x轴(0,V)间采用不均匀分段的方法，而y轴采用均匀分段。x轴y轴均分为8段，x轴的分段方法是每次减去V/255再1

13、/2分级，因为正负方向第一段的斜率相同，所以是用15条折线来逼近律的。 15折线律的特点: 第一段线的斜率约为32，相当于小信号时信噪比可提高30dB，比13折线A律高6dB。但用二进制编码时没有13折线A律方便。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,2.3 脉冲编码调制（PCM）,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,PCM编码器和译码器,编码器 译码器 PCM编码和译码器集成电路,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,码位的选择和安排,13折线编码采用8位二进制码，对应256个量化级，即正、负输入幅度范围内各有128个量化级 需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化级 正、负输入的8个

14、段落被划分成128个不均匀量化级 8位码的安排,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,8位码的安排,第1 位码C1的数值“1”或“0”分别表示信号的正、负极性，称为极性码。 第2 至第4 位码C2C3C4为段落码，代表8 个段落的起点电平。 第5 至第8 位码C5C6C7C8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,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,段落码与各段的关系,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,码位的选择和安排,注意： 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。 第一、二

15、段最短， 只有归一化的1/128，再将它等分16 小段，每一小段长度为1/2048，这是最小的量化级间隔，它仅有输入信号归一化值的1/2048，记为，代表一个量化单位；第八段最长，每一小段归一化长度为1/32 ，包含64 个最小量化间隔，记为64 。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,码位的选择和安排,假设： 以非均匀量化时的最小量化间隔 =1/2048 作为均匀量化的量化间隔 从13 折线的第一段到第八段所包含的均匀量化级数共有2048 个均匀量化级 非均匀量化只有128 个量化级 均匀量化需要编11 位码，而非均匀量化只要编7 位码,可见 在保证小信号时的量化间隔相同的条件下，7 位非线

16、性编码与11 位线性编码等效,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,编码原理,逐次比较型编码器原理 编码器的任务是根据输入的样值脉冲编出相应的8 位二进代码。 除第一位极性码外，其他7 位二进代码是通过类似天平称重物的过程来逐次比较确定的 逐次比较型编码的原理与天平称重物的方法类似 样值脉冲信号相当被测物，标准电平相当天平的砝码 预先规定好一些作为比较标准的电流(或电压)权值电流，用符号IW 表示。IW 的个数与编码位数有关。 样值脉冲IS 到来，用逐步逼近的方法有规律地用标准电流去和样值脉冲比较 ISIW ，出“l”码；反之出“0”码，直到和抽样值逼近为止，完成对输入样值的非线性量化和编码。,

17、目前用得较多,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,逐次比较编码器原理框图,全波整流,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,逐次比较编码器,实现A律13 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。,极性判决 比较器,本地译码电路 保持电路,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,极性判决,极性判决电路用来确定信号的极性。 输入PAM 信号样值为正时，出“l”码； 样值为负时，出“0”码； 将该信号经过全波整流变为单极性信号。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,逐次比较编码器,实现A律13 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

18、及本地译码电路等组成。,极性判决 比较器,本地译码电路 保持电路,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,比较器,比较器是编码器的核心。作用是通过比较样值电流IS和标准电流IW，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 当ISIW时，出“l”码； 当ISIW时，出“0”码。 对一个输入信号的抽样值需要进行7 次比较。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,逐次比较编码器,实现A律13 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。,极性判决 比较器,本地译码电路 保持电路,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,本地译码器,本地译码电路

19、包括： 记忆电路 7ll 变换电路 恒流源,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,记忆电路,记忆电路用来寄存二进代码 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值 7 位码组中的前6 位状态均应由记忆电路寄存下来。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,本地译码器,本地译码电路包括： 记忆电路 7ll 变换电路 恒流源,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,7/11变换电路,711 变换电路将7 位非线性码转换成ll 位线性码。 其实质是完成非线性和线性之间的变换。 13折线A律非线性码与线性码之间的关系,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,13折线A律非线性码与线性码之间的

20、关系,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,本地译码器,本地译码电路包括： 记忆电路 7ll 变换电路 恒流源,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,恒流源,恒流源也称11位线性解码电路或电阻网络，用来产生各种标准电流IW 在恒流源中有11 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比较用的标准电流IW，由前面的比较结果经变换后得到的控制信号来控制。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,逐次比较编码器,实现A律13 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。,极性判决 比较器,本地译码电路 保持电路,重庆大学通信工程学院

21、,数字通信原理,保持电路,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。 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IW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 要求将样值脉冲展宽并保持,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,编码举例,【例】设输入信号抽样值Is = +1270 （其中 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C1C2C3C4C5C6C7C8,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,确定极性码C1 输入信号抽样值IS为正，C11,1 确定极性码,重庆大学通信工程学

22、院,数字通信原理,第一次比较结果,2 确定段落码,确定段落码C2C3C4 段落码C2 用来表示输入信号抽样值IS处于13 折线8个段落中的前四段还是后四段,可见 IS处于后四段（58段）,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,第二次比较结果,确定段落码C2C3C4 段落码C3 用来进一步确定IS处于56段还是78段，故确定C3标准电流：,可见 IS处于78段,2 确定段落码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,第三次比较结果,确定段落码C2C3C4 同理确定C4的标准电流：,可见 IS处于第8段 C2C3C4为111 起始电平为1024,2 确定段落码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,因此,

23、3 确定段内码,确定段内码C5C6C7C8 段内码是进一步表示在该段落的哪一量化级（量化间隔）。 第8 段的16个量化间隔均为：,可见 IS处于前八级（07量化间隔）,第四次比较结果,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,确定段内码C5C6C7C8 确定C6的标准电流,可见 IS处于前四级（04量化间隔）,第五次比较结果,3 确定段内码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,确定段内码C5C6C7C8 确定C7的标准电流,可见 IS处于23量化间隔,第六次比较结果,3 确定段内码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,确定段内码C5C6C7C8 确定C8的标准电流,可见 IS处于序号为3的量化间隔,

24、第七次比较结果,3 确定段内码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,4 结论,经过七次比较，对于模拟抽样值+1270编出的PCM 码组为11110011 它表示输入信号抽样值处于第八段3 量化级，其量化电平为1216 ，量化误差为54。 7 位非线性码11110011 对应的11 位线性码为10011000000 原理框图及时间波形,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,原理框图,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,时间波形图,D1,D1,D7,D8,D8,D1,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,时间波形图,|US|=1270,下一路下权,重庆大学通信

25、工程学院,数字通信原理,PCM编码器和译码器,编码器 译码器 PCM编码和译码器集成电路,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,译码原理,定义 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 A律13折线译码器 译码举例,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,A律13折线译码器,记 忆 电 路,时钟脉冲,D1,D2,D8,. . .,PCM码流,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,A律13折线译码器,记 忆 电 路,时钟脉冲,D1,D2,D8,. . .,PCM码流,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,A律13折线译码器,记 忆 电 路,时钟脉冲,D1,D2,D8,

26、. . .,PCM码流,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,A律13折线译码器,记 忆 电 路,时钟脉冲,D1,D2,D8,. . .,PCM码流,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,A律13折线译码器,记 忆 电 路,时钟脉冲,D1,D2,D8,. . .,PCM码流,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,A律13折线译码器,记 忆 电 路,时钟脉冲,D1,D2,D8,. . .,PCM码流,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,译码原理,定义 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 A律13折线译码器 译码举例,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,译码举

27、例,码组D1=1,【例】设收到的码组11110011，将其译码输出。,可见 样值脉冲为正极性,1.极性码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,码组D2D3D4111,可见 样值脉冲在第八段内，第八段的起始电平为1024。,2.段落码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,设段内码为自然二进码码组 段内码D5D6D7D80011,可见 信号在第八段第三量化级，第八段的每个量化阶距864 对应电平值,3.段内码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,由所得的线性码算出译码后的量化电平为： I信102412864321248,对应的十二位线性码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,输入：I信1270 译

28、码后：I信1248,可见 相差22个量化单位，少于k/2 如果不补上半个量化级，产生的最大误差为58 增加一位码，使得量化噪声功率减少6dBr,误差及说明,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,PCM编码器和译码器,编码器 译码器 PCM编码和译码器集成电路,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,PCM编码和译码器集成电路,随着大规模集成技术的发展，由大规模集成电路制成的PCM编码器已广泛应用。 这种集成电路大致可分为两类： 一类是把编码器和译码器分别单独制造 一类是把二者合并在同一块基片上。编译码器合在一起的又分两种实施方案 一种是多路公用编译器 一种是单路编译码器。集成编译码器具有体积小，耗电

29、少，稳定性高及成本低的优点，较典型的产品是美国Intel公司生产的2910A(律24路复用)，2911(A律)及2914(A律)等。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,2.3 脉冲编码调制（PCM）,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,PCM系统的抗噪声性能,PCM系统的噪声主要有两种 因为量化产生的噪声（量化噪声） 传输过程加入的噪声，即加性干扰和乘性干扰。 在信道理想的前提下与信道特性有关的乘性干扰可以忽略，而加性干扰则始终存在。 噪声性能分析,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,噪声性能分析,PCM系统接收端 低通滤波器的输出,输出的有用信号分量,量化噪声引起 的输出噪声,加性噪声引起

30、 的输出噪声,系统的总信噪比,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,噪声性能分析,量化噪声性能分析 信道加性噪声性能分析,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,噪声性能分析,量化噪声的影响前面已经分析过了，因此，将主要分析加性干扰下的信噪比,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,噪声性能分析,量化噪声性能分析 信道加性噪声性能分析,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,信道加性噪声性能分析,加性噪声的影响会使接收端判决出错，因此对PCM 系统性能的影响表现在接收端的判决误码。 PCM 信号中每一码组代表着一定的量化抽样值，只要码组中有一位码发生错误，接收端恢复的抽样值就会与发端抽样值不同，从而引起误差

31、。 接收端判决出错的概率取决于信号的类型和接收机输入端的平均信号噪声功率比。 误码性能分析,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,误码性能分析,假设加性噪声为高斯白噪声，每一码组中出现的误码是彼此独立的，每个码元的误码率为Pe。 实际的PCM系统，每个码组中多于1个码元出错的概率很低，通常只考虑码组中仅有1个码元错误的情况。 由于码组中各位码的权值不同，因此，误差的大小取决误码发生在码组的哪一位上，而且与码型有关。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,误码性能分析,【例】误码率pe104，码组由8位码组成,可见 码组中有一位错码的错误概率pe18pe8104=1/1250 ，即平均每发送1250

32、个码组有一个码组发生错误。 有两个码元错误概率pe2C82pe22.8107 pe2 pe1 ，只考虑码组中有一位错码的情况。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,信道加性噪声性能分析,长度为N的自然二进码由低到高各位加权值,第i位上误码造成的误差,每个码元的误码率均等,均匀量化量化间隔,误差产生的噪声功率,设,一个码组中一位误码 产生的平均功率,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,信道加性噪声性能分析,因2n1,误码造成的 平均输出噪声功率,m(t)在区间-a,a服从均匀分布,输出信号功率,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,信道加性噪声性能分析,仅考虑加性噪声 时的系统信噪比,PCM系统输出端 总信噪比,可见 在接收端输入大信噪比的条件下，Pe很小，可以忽略误码带来的影响 在小信噪比的条件下，Pe较大，误码噪声起主要作用，总信噪比与Pe成反比。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,5.3 脉冲编码调制（PCM）,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,差分编码调制,问题的提出： PCM系统之所以能够提供高的通信质量，在于它采用了大的编码位数，为此在频带方面付出了