數(shù)字通信技術(shù)lily22b

1、 第三章第三章 數(shù)字通信技術(shù)數(shù)字通信技術(shù)3.1 3.1 數(shù)字通信概述數(shù)字通信概述 3.2 3.2 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制（PCM）3.3 3.3 數(shù)字傳輸技術(shù)數(shù)字傳輸技術(shù)3.4 3.4 時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用3.1 3.1 數(shù)字通信概述數(shù)字通信概述 數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 數(shù)字通信主要技術(shù)概述數(shù)字通信主要技術(shù)概述3.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 n數(shù)字通信：用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳輸原始消息的數(shù)字通信：用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳輸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)非電非電/ /電轉(zhuǎn)換和電非電轉(zhuǎn)換器電轉(zhuǎn)換和電非電轉(zhuǎn)換器n非電電轉(zhuǎn)換：非電電轉(zhuǎn)換

2、：若信源發(fā)出的信息是連若信源發(fā)出的信息是連續(xù)的模擬信息，如語(yǔ)聲，經(jīng)非電續(xù)的模擬信息，如語(yǔ)聲，經(jīng)非電/ /電電( (聲聲/ /電電) )轉(zhuǎn)換，連續(xù)變化的語(yǔ)聲就變成了模轉(zhuǎn)換，連續(xù)變化的語(yǔ)聲就變成了模擬語(yǔ)音電信號(hào)，而后進(jìn)入一次編碼器。擬語(yǔ)音電信號(hào)，而后進(jìn)入一次編碼器。n電非電轉(zhuǎn)換器：電非電轉(zhuǎn)換器：模擬信號(hào)經(jīng)電非電模擬信號(hào)經(jīng)電非電( (電電/ /聲聲) )轉(zhuǎn)換后，恢復(fù)成語(yǔ)聲。轉(zhuǎn)換后，恢復(fù)成語(yǔ)聲。 （1）一次編碼）一次編碼/一次譯碼（信源編一次譯碼（信源編/譯碼）譯碼） 一次編碼：一次編碼： A/D變換，變換，把模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。 一次譯碼：一次譯碼： D/A變換，變換，把模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。

3、3.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 （2）加密器）加密器解密器解密器： 有時(shí)通信需要保密，則對(duì)一次編碼輸出的數(shù)有時(shí)通信需要保密，則對(duì)一次編碼輸出的數(shù) 字信號(hào)，可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行加密處理，字信號(hào)，可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行加密處理， 加密加密器器：把密電碼通過(guò)加密器加到信息：把密電碼通過(guò)加密器加到信息碼流中去，改變?cè)瓉?lái)信碼流碼元排列順序，碼流中去，改變?cè)瓉?lái)信碼流碼元排列順序，所以加密器又叫擾亂器或搗亂器。所以加密器又叫擾亂器或搗亂器。 解密器解密器：即去掉密碼恢復(fù)原來(lái)信碼流碼：即去掉密碼恢復(fù)原來(lái)信碼流碼元順序。元順序。3.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 （3 3）二次編碼）二

4、次編碼/二次譯碼二次譯碼（信道編（信道編/ /譯碼譯碼） 完成自動(dòng)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，即差錯(cuò)控制編譯碼完成自動(dòng)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，即差錯(cuò)控制編譯碼的功能。的功能。 由于信道傳輸特性的不理想和噪聲的影響，數(shù)由于信道傳輸特性的不理想和噪聲的影響，數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)，即誤碼字信號(hào)在傳輸過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)，即誤碼（“1”“1”誤成誤成“0”“0”，或，或“0”“0”誤成誤成“1”“1”）現(xiàn)象。）現(xiàn)象。 這種差錯(cuò)，原則上是可以控制的，它是通過(guò)差這種差錯(cuò)，原則上是可以控制的，它是通過(guò)差錯(cuò)控制編碼等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。錯(cuò)控制編碼等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 差錯(cuò)控制基本

5、原理：舉例差錯(cuò)控制基本原理：舉例發(fā)：明天發(fā)：明天14：0016：00開會(huì)開會(huì)收：明天收：明天10：0016：00開會(huì)開會(huì) 收到這個(gè)錯(cuò)誤通知后由于無(wú)法判斷其正確與否收到這個(gè)錯(cuò)誤通知后由于無(wú)法判斷其正確與否發(fā)：明天下午發(fā)：明天下午14：0016：00開會(huì)開會(huì) 收：明天下午收：明天下午10：0016：00開會(huì)開會(huì) 即可判斷出其中即可判斷出其中“10：00”發(fā)生了錯(cuò)誤。這時(shí)，收者可以發(fā)生了錯(cuò)誤。這時(shí)，收者可以告訴發(fā)端再發(fā)一次通知，這就是檢錯(cuò)重發(fā)告訴發(fā)端再發(fā)一次通知，這就是檢錯(cuò)重發(fā)。發(fā)：明天下發(fā)：明天下14：0016：00兩個(gè)小時(shí)開會(huì)兩個(gè)小時(shí)開會(huì)收：明天下收：明天下10：0016：00兩個(gè)小時(shí)開會(huì)兩個(gè)小

6、時(shí)開會(huì) 不但能判斷出錯(cuò)誤，同時(shí)還能糾正錯(cuò)誤，因?yàn)槠渲性黾拥牟坏芘袛喑鲥e(cuò)誤，同時(shí)還能糾正錯(cuò)誤，因?yàn)槠渲性黾拥摹?兩個(gè)小時(shí)兩個(gè)小時(shí)”四個(gè)字可以判斷出正確的時(shí)間為四個(gè)字可以判斷出正確的時(shí)間為14：0016：00”。 差錯(cuò)控制編碼的基本原理：差錯(cuò)控制編碼的基本原理： 為了能判斷傳送的信息是否有誤（檢為了能判斷傳送的信息是否有誤（檢錯(cuò)），又能糾正錯(cuò)誤（糾錯(cuò)），可以在傳送錯(cuò)），又能糾正錯(cuò)誤（糾錯(cuò)），可以在傳送時(shí)增加必要的時(shí)增加必要的附加判斷數(shù)據(jù)（冗余碼）附加判斷數(shù)據(jù)（冗余碼）；（這些附加數(shù)據(jù)在不發(fā)生誤碼的情況之下是這些附加數(shù)據(jù)在不發(fā)生誤碼的情況之下是完全多余的，但完全多余的，但）如果發(fā)生誤碼，即可利用如

7、果發(fā)生誤碼，即可利用被傳信息數(shù)據(jù)與附加數(shù)據(jù)之間的特定關(guān)系來(lái)被傳信息數(shù)據(jù)與附加數(shù)據(jù)之間的特定關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。3.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 說(shuō)明：無(wú)論檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，都有一定的識(shí)說(shuō)明：無(wú)論檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，都有一定的識(shí)別范圍別范圍 如上例中，若開會(huì)時(shí)間錯(cuò)為如上例中，若開會(huì)時(shí)間錯(cuò)為“16“16：0000 18 18：00”00”，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)與糾錯(cuò)，因?yàn)?，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)與糾錯(cuò)，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間也同樣滿足附加數(shù)據(jù)的約束條件，這個(gè)時(shí)間也同樣滿足附加數(shù)據(jù)的約束條件，這就應(yīng)當(dāng)增加更多的附加數(shù)據(jù)這就應(yīng)當(dāng)增加更多的附加數(shù)據(jù)( (即冗余即冗余) )。 3.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通

8、信系統(tǒng)的組成 具體講：具體講： 為了使信源代碼具有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力，應(yīng)當(dāng)按一定為了使信源代碼具有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力，應(yīng)當(dāng)按一定的規(guī)則在信源編碼的基礎(chǔ)上增加的規(guī)則在信源編碼的基礎(chǔ)上增加 一些冗余碼元一些冗余碼元(又稱又稱監(jiān)督碼監(jiān)督碼)，使這些冗余碼元與被傳送信息碼元之間建立，使這些冗余碼元與被傳送信息碼元之間建立一定的關(guān)系，發(fā)信端完成這個(gè)任務(wù)的過(guò)程就稱為一定的關(guān)系，發(fā)信端完成這個(gè)任務(wù)的過(guò)程就稱為誤碼誤碼或差錯(cuò)控制編碼?；虿铄e(cuò)控制編碼。 在收信端，根據(jù)信息碼元與監(jiān)督碼元的特定關(guān)系，在收信端，根據(jù)信息碼元與監(jiān)督碼元的特定關(guān)系，實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)或糾錯(cuò)，輸出原信息碼元，完成這個(gè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)或糾錯(cuò)，輸出原信息碼元，完

9、成這個(gè)任務(wù)的過(guò)程就稱過(guò)程就稱誤碼控制譯碼誤碼控制譯碼(或解碼或解碼)。 為此，在發(fā)送端需要增加一個(gè)為此，在發(fā)送端需要增加一個(gè)二次編碼器二次編碼器，而在接，而在接收端相應(yīng)地需要一個(gè)收端相應(yīng)地需要一個(gè)二次解碼器二次解碼器 所以二次編碼又稱差錯(cuò)控制編碼，是為防止傳輸中所以二次編碼又稱差錯(cuò)控制編碼，是為防止傳輸中產(chǎn)生誤碼而采取的差錯(cuò)控制編碼方法。產(chǎn)生誤碼而采取的差錯(cuò)控制編碼方法。 3.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 總結(jié)：總結(jié)： 差錯(cuò)控制編碼根據(jù)功能不同可分為：差錯(cuò)控制編碼根據(jù)功能不同可分為： 檢錯(cuò)碼：檢錯(cuò)碼：只能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)只能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò) 糾錯(cuò)碼：糾錯(cuò)碼：既能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)也能自動(dòng)糾正差錯(cuò)既能發(fā)現(xiàn)差

10、錯(cuò)也能自動(dòng)糾正差錯(cuò) 糾刪碼：糾刪碼：具備識(shí)別錯(cuò)碼和糾正錯(cuò)碼的功能，具備識(shí)別錯(cuò)碼和糾正錯(cuò)碼的功能，而且當(dāng)錯(cuò)碼超過(guò)糾正范圍時(shí)可把無(wú)法糾錯(cuò)而且當(dāng)錯(cuò)碼超過(guò)糾正范圍時(shí)可把無(wú)法糾錯(cuò)的信息刪除。的信息刪除。3.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 實(shí)用的簡(jiǎn)單差錯(cuò)控制編碼方法。實(shí)用的簡(jiǎn)單差錯(cuò)控制編碼方法。 奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼循環(huán)冗余校驗(yàn)碼3.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成n信源編碼和信道編碼信源編碼和信道編碼 在數(shù)字通信中，根據(jù)不同的目的，編在數(shù)字通信中，根據(jù)不同的目的，編碼分為信源編碼和信道編碼兩大類。碼分為信源編碼和信道編碼兩大類。n為了提高數(shù)字信號(hào)的有效性以及為了使模

11、為了提高數(shù)字信號(hào)的有效性以及為了使模擬信號(hào)數(shù)字化而采用的編碼稱為有效性編擬信號(hào)數(shù)字化而采用的編碼稱為有效性編碼或碼或信源編碼信源編碼；n為了提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼為了提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼稱為可靠性編碼或稱為可靠性編碼或信道編碼信道編碼。n所以上述一次編碼屬于信源編碼范疇；二所以上述一次編碼屬于信源編碼范疇；二次編碼屬于信道編碼的范疇。次編碼屬于信道編碼的范疇。 （4 4）調(diào)制器）調(diào)制器/解調(diào)器解調(diào)器 調(diào)制：將輸入數(shù)字信號(hào)變換成適合于信道傳調(diào)制：將輸入數(shù)字信號(hào)變換成適合于信道傳 輸?shù)男问?，使信?hào)能較好的通過(guò)信道到達(dá)接收輸?shù)男问?，使信?hào)能較好的通過(guò)信道到達(dá)接收端端。 例：信源

12、所發(fā)出的原始信號(hào)（例：信源所發(fā)出的原始信號(hào)（基帶信號(hào)），一基帶信號(hào)），一 般為低頻率的信號(hào)般為低頻率的信號(hào)低頻信號(hào)要以無(wú)線電方式進(jìn)行通信，必須要通過(guò)調(diào)制低頻信號(hào)要以無(wú)線電方式進(jìn)行通信，必須要通過(guò)調(diào)制將其加載到更高頻率的載波上，才能有效地發(fā)往天空。將其加載到更高頻率的載波上，才能有效地發(fā)往天空。 3.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 說(shuō)明：說(shuō)明： 具體的數(shù)字通信系統(tǒng)并非一定要按上圖所示那具體的數(shù)字通信系統(tǒng)并非一定要按上圖所示那樣包括所有的方框，應(yīng)視具體情況而定。樣包括所有的方框，應(yīng)視具體情況而定。 若信息源發(fā)出的信號(hào)已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)，則無(wú)若信息源發(fā)出的信號(hào)已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)，則無(wú)需需A/DA

13、/D和和D/AD/A轉(zhuǎn)換；不需要保密時(shí)，就不用加密轉(zhuǎn)換；不需要保密時(shí)，就不用加密器和解密器。器和解密器。傳輸話音信息時(shí)，既使有少量誤碼，也不影傳輸話音信息時(shí)，既使有少量誤碼，也不影響通信質(zhì)量，一般不需加二次編解碼響通信質(zhì)量，一般不需加二次編解碼在某些有線信道中，特別是傳輸距離不太遠(yuǎn)在某些有線信道中，特別是傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下，的情況下，不需要調(diào)制和解制部分。不需要調(diào)制和解制部分。3.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成數(shù)字通信系統(tǒng)的組成 3.1.2 數(shù)字通信主要技術(shù)數(shù)字通信主要技術(shù)1 1、信源編、信源編/ /譯碼譯碼 模擬信號(hào)數(shù)字化技術(shù)：模擬信號(hào)數(shù)字化技術(shù)：將信源輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換將信源輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)

14、換成數(shù)字信號(hào)。成數(shù)字信號(hào)。 例如：語(yǔ)音、圖像（語(yǔ)音信號(hào)是一維的，圖像信號(hào)是多維例如：語(yǔ)音、圖像（語(yǔ)音信號(hào)是一維的，圖像信號(hào)是多維的的 ） 語(yǔ)音編碼：語(yǔ)音編碼：語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化；語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化； 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制( (PCM)PCM)和增量調(diào)制（和增量調(diào)制（M M ）被廣）被廣泛應(yīng)用。泛應(yīng)用。 圖像編碼：圖像信號(hào)數(shù)字化。圖像編碼：圖像信號(hào)數(shù)字化。 幅度和時(shí)間離散化外，還須在空間上也同時(shí)離散幅度和時(shí)間離散化外，還須在空間上也同時(shí)離散化（隱含在時(shí)間離散化中）。化（隱含在時(shí)間離散化中）。 對(duì)于彩色圖像，還需要將給定色度空間的三基色對(duì)于彩色圖像，還需要將給定色度空間的三基色（或三原色，如紅，綠，藍(lán)

15、）值也進(jìn)行離散化。（或三原色，如紅，綠，藍(lán)）值也進(jìn)行離散化。 2 2、數(shù)字復(fù)接技術(shù)、數(shù)字復(fù)接技術(shù) 為提高信道利用率，在同一信道內(nèi)傳輸多為提高信道利用率，在同一信道內(nèi)傳輸多個(gè)消息信號(hào)。個(gè)消息信號(hào)。 頻分復(fù)用頻分復(fù)用 FDMFDM 時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用 TDMTDM 碼分復(fù)用碼分復(fù)用 CDMCDM3 3、糾錯(cuò)編碼糾錯(cuò)編碼/ /譯碼技術(shù)譯碼技術(shù)4 4、同步技術(shù)、同步技術(shù)3.1.2 數(shù)字通信主要技術(shù)數(shù)字通信主要技術(shù)5 5、基帶傳輸技術(shù)、基帶傳輸技術(shù) 基帶傳輸和頻帶傳輸是通信系統(tǒng)中信號(hào)傳輸?shù)膬苫鶐鬏敽皖l帶傳輸是通信系統(tǒng)中信號(hào)傳輸?shù)膬煞N基本形式。種基本形式。 主要涉及信號(hào)類型、碼間串?dāng)_等問題。主要涉及信號(hào)類

16、型、碼間串?dāng)_等問題。6 6、調(diào)制、調(diào)制/ /解調(diào)技術(shù)解調(diào)技術(shù) 數(shù)字通信最基本也是最重要的技術(shù)之一。數(shù)字通信最基本也是最重要的技術(shù)之一。振幅鍵控振幅鍵控 ASK頻移鍵控頻移鍵控 FSK絕對(duì)相移鍵控絕對(duì)相移鍵控 PSK相對(duì)相移鍵控相對(duì)相移鍵控 DPSK3.1.2 數(shù)字通信主要技術(shù)數(shù)字通信主要技術(shù) 引言引言 抽樣抽樣 量化量化 編碼編碼3.2 3.2 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制（PCM）1 1、基本概念基本概念 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制（PCMPCM）：）： Pulse Code ModulationPulse Code Modulation 對(duì)模擬信號(hào)的瞬時(shí)抽樣值量化、編碼，以對(duì)模擬信號(hào)的瞬時(shí)抽樣值

17、量化、編碼，以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的方法。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的方法。PCMPCM過(guò)程由過(guò)程由采樣、量化與編碼采樣、量化與編碼三個(gè)步驟。三個(gè)步驟。若模若模/數(shù)變換的方法采用數(shù)變換的方法采用PCM，由此構(gòu)成的數(shù)字通由此構(gòu)成的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為信系統(tǒng)稱為PCM通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)。引引 言言2、PCM系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成引引 言言 PCM通信系統(tǒng)由三個(gè)部分構(gòu)成通信系統(tǒng)由三個(gè)部分構(gòu)成 ：（1）模數(shù)變換）模數(shù)變換 抽樣：抽樣：把模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化。即使模擬把模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化。即使模擬信號(hào)變?yōu)槌闃用}沖序列又稱脈沖幅度調(diào)制（信號(hào)變?yōu)槌闃用}沖序列又稱脈沖幅度調(diào)制（PAMPAM）信號(hào)信號(hào)。 量化：

18、量化：將抽樣得到的信號(hào)在幅度上離散化；將抽樣得到的信號(hào)在幅度上離散化； 即把即把PAMPAM信號(hào)在幅度上離散化，變?yōu)榱炕担ü灿行盘?hào)在幅度上離散化，變?yōu)榱炕担ü灿蠳 N個(gè)量化值）。個(gè)量化值）。 編碼：編碼：用相應(yīng)的二進(jìn)碼來(lái)表示用相應(yīng)的二進(jìn)碼來(lái)表示N N個(gè)量化值。個(gè)量化值。 具體實(shí)現(xiàn)上，編碼與量化通常是同時(shí)完成，量具體實(shí)現(xiàn)上，編碼與量化通常是同時(shí)完成，量化實(shí)際是在編碼過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的?；瘜?shí)際是在編碼過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的。 引引 言言PCM單路抽樣、量化、編碼波形圖單路抽樣、量化、編碼波形圖：（2）信道部分）信道部分：包括傳輸線及再生中繼器包括傳輸線及再生中繼器（3）數(shù)模變換）數(shù)模變換 解碼：編碼反過(guò)程，解

19、碼后還原為解碼：編碼反過(guò)程，解碼后還原為PAM信號(hào)。信號(hào)。（假設(shè)忽略量化誤差（假設(shè)忽略量化誤差量化值與量化值與PAM信信號(hào)樣值之差）號(hào)樣值之差） 低通：由低通：由PAM信號(hào)恢復(fù)或重建原模擬信信號(hào)恢復(fù)或重建原模擬信號(hào)。號(hào)。引引 言言3.2.1 抽樣抽樣 模擬信號(hào)數(shù)字化的第一步模擬信號(hào)數(shù)字化的第一步：抽樣抽樣 將模擬信號(hào)在將模擬信號(hào)在時(shí)間上時(shí)間上進(jìn)行進(jìn)行離散化離散化的過(guò)程的過(guò)程。 是在語(yǔ)音信號(hào)的波形范圍內(nèi)，以一定的時(shí)是在語(yǔ)音信號(hào)的波形范圍內(nèi)，以一定的時(shí)間間隔提取模擬信號(hào)瞬時(shí)幅度值的操作過(guò)間間隔提取模擬信號(hào)瞬時(shí)幅度值的操作過(guò)程。程。 這樣就把連續(xù)的話音信號(hào)變成了一個(gè)個(gè)分離的、等距離這樣就把連續(xù)的話音

20、信號(hào)變成了一個(gè)個(gè)分離的、等距離的電脈沖，即時(shí)間上連續(xù)的模擬語(yǔ)音信號(hào)處理成了在時(shí)的電脈沖，即時(shí)間上連續(xù)的模擬語(yǔ)音信號(hào)處理成了在時(shí)間上離散的信號(hào)。間上離散的信號(hào)。 抽樣后所得出的一系列在時(shí)間上離散的抽抽樣后所得出的一系列在時(shí)間上離散的抽樣值被稱為樣值被稱為樣值序列，或樣值序列，或PAM信號(hào)。信號(hào)。3.2.1 抽樣抽樣1 1、抽樣的描述、抽樣的描述 連續(xù)信號(hào)在時(shí)間上離散化的抽樣過(guò)程如圖所示：連續(xù)信號(hào)在時(shí)間上離散化的抽樣過(guò)程如圖所示： 抽樣過(guò)程具體描述：抽樣過(guò)程具體描述： 對(duì)于某一時(shí)間連續(xù)信號(hào)對(duì)于某一時(shí)間連續(xù)信號(hào)f(tf(t) )，僅取僅取(t(to o) )、(t(t2 2) )、(t(t3 3)

21、)、(t(tn n) )等樣值。于是信號(hào)等樣值。于是信號(hào)(t(t) )就變成了時(shí)間離散信號(hào)就變成了時(shí)間離散信號(hào) S S(t(t) )，完成了對(duì)完成了對(duì)(t(t) )信號(hào)的抽樣過(guò)程信號(hào)的抽樣過(guò)程。 3.2.1 抽樣抽樣抽樣是由抽樣是由抽樣門抽樣門完成完成 圖中用圖中用脈沖（開關(guān)）信號(hào)脈沖（開關(guān)）信號(hào)sT(t)（等間隔的幅度為等間隔的幅度為1 1的脈沖信號(hào)）來(lái)控制的脈沖信號(hào)）來(lái)控制開關(guān)開關(guān)K 抽樣門抽樣門的通斷。的通斷。 每間隔每間隔T時(shí)間控制開關(guān)閉合一次，就可時(shí)間控制開關(guān)閉合一次，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)f(tf(t) )的抽樣。的抽樣。 模擬信號(hào)模擬信號(hào)m(t) 時(shí)間上離散化時(shí)間上離散化

22、樣值序列樣值序列s(t)3.2.1 抽樣抽樣2、抽樣的具體實(shí)現(xiàn)、抽樣的具體實(shí)現(xiàn) 在電路上可通過(guò)乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖所示。在電路上可通過(guò)乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖所示。 用數(shù)學(xué)公式可描述為：用數(shù)學(xué)公式可描述為：fs(t)f(t)*sa(t)。 抽樣過(guò)程示意圖抽樣過(guò)程示意圖3、抽樣定理、抽樣定理 抽樣的可行性：抽樣的可行性： 上述抽樣過(guò)程說(shuō)明：若在發(fā)送端要把一段模上述抽樣過(guò)程說(shuō)明：若在發(fā)送端要把一段模擬語(yǔ)聲信號(hào)傳到對(duì)方，不一定要傳信號(hào)上的每擬語(yǔ)聲信號(hào)傳到對(duì)方，不一定要傳信號(hào)上的每一點(diǎn)一點(diǎn)，只要在語(yǔ)聲信號(hào)波形內(nèi)，每秒鐘取只要在語(yǔ)聲信號(hào)波形內(nèi)，每秒鐘取樣的次數(shù)足夠多，聽起來(lái)也同樣感覺到聲樣的次數(shù)足夠多，聽起來(lái)也

23、同樣感覺到聲音是連續(xù)的即可。音是連續(xù)的即可。這就是這就是抽樣的可行性。抽樣的可行性。 （如：電影（如：電影 24 24幅幅/ /秒）秒）3.2.1 抽樣抽樣 抽樣的原則：抽樣的原則：保證接收端從樣值序列不保證接收端從樣值序列不失真地恢復(fù)出原始信號(hào)。失真地恢復(fù)出原始信號(hào)。時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)通過(guò)抽樣變成了時(shí)間上離散時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)通過(guò)抽樣變成了時(shí)間上離散的信號(hào)，為保證信息的正確傳遞，則要求離散的信號(hào)，為保證信息的正確傳遞，則要求離散后的樣值序列不能丟失原來(lái)信號(hào)的信息；后的樣值序列不能丟失原來(lái)信號(hào)的信息； 換句話說(shuō)把換句話說(shuō)把f(t)變成變成fs(t)，要求對(duì)要求對(duì)fs(t)作適當(dāng)作適當(dāng)處理后，能無(wú)失

24、真恢復(fù)原信號(hào)處理后，能無(wú)失真恢復(fù)原信號(hào)f(t)。3.2.1 抽樣抽樣 從抽樣的可行性和原則可知，從抽樣的可行性和原則可知， 為了能在接收端由抽樣所得樣值序列重構(gòu)原始為了能在接收端由抽樣所得樣值序列重構(gòu)原始模擬信號(hào)，抽樣時(shí)間間隔越短越能正確的重現(xiàn)信模擬信號(hào)，抽樣時(shí)間間隔越短越能正確的重現(xiàn)信號(hào)。號(hào)。 但是，縮短時(shí)間間隔雖然精度高，但會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)但是，縮短時(shí)間間隔雖然精度高，但會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量增加，影響通信的有效性。量增加，影響通信的有效性。 所以縮短時(shí)間間隔必須適可而止，那么抽樣周期所以縮短時(shí)間間隔必須適可而止，那么抽樣周期多大合適呢？多大合適呢？ 著名的著名的奈奎斯特定理奈奎斯特定理，即抽樣定理給出了

25、答案。，即抽樣定理給出了答案。 3.2.1 抽樣抽樣 奈奎斯特準(zhǔn)則（抽樣定理）奈奎斯特準(zhǔn)則（抽樣定理） 設(shè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)設(shè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)f(t)，其最高截止頻率為其最高截止頻率為fm，若用時(shí)間間隔若用時(shí)間間隔Ts1/(2*fm) 的開關(guān)信號(hào)的開關(guān)信號(hào)s(t)對(duì)對(duì)f(t)抽樣，則抽樣，則f(t)可被抽樣后的離散信號(hào)可被抽樣后的離散信號(hào)fs(t)唯一地確定。唯一地確定。 抽樣定理告訴我們：只要按抽樣定理的周期進(jìn)抽樣定理告訴我們：只要按抽樣定理的周期進(jìn)行抽樣，就能由離散樣值序列重建原始模擬信號(hào)。行抽樣，就能由離散樣值序列重建原始模擬信號(hào)。3.2.1 抽樣抽樣4語(yǔ)音信號(hào)抽樣周期語(yǔ)音信號(hào)抽樣周期 語(yǔ)聲信號(hào)的

26、頻率為語(yǔ)聲信號(hào)的頻率為3003400Hz，則最高截止頻則最高截止頻率率fm =3400Hz。 根據(jù)抽樣定理，抽樣周期：根據(jù)抽樣定理，抽樣周期：TS1/(2 fm) =1/(2*3400) 1/(2*4000)=125s（為計(jì)算方為計(jì)算方便）。便）。 抽樣頻率：抽樣頻率：S=1/ TS =1/125s=8KHz的抽樣的抽樣頻率（即抽樣頻率）頻率（即抽樣頻率） 對(duì)對(duì)30030034003400HzHz的電話語(yǔ)聲信號(hào)的電話語(yǔ)聲信號(hào)80008000次次/ /s s抽樣，則抽抽樣，則抽樣后的樣值序列可完整的恢復(fù)原來(lái)的語(yǔ)聲信號(hào)。樣后的樣值序列可完整的恢復(fù)原來(lái)的語(yǔ)聲信號(hào)。 3.2.1 抽樣抽樣3.2.2 3

27、.2.2 量化量化 n量化：量化：把幅度連續(xù)變化的樣值序列變換為幅把幅度連續(xù)變化的樣值序列變換為幅度取值為有限個(gè)的離散樣值序列的過(guò)程就是度取值為有限個(gè)的離散樣值序列的過(guò)程就是量化。量化。 1 1、量化的必要性量化的必要性 模擬信號(hào)經(jīng)抽樣后得到了樣值序列。模擬信號(hào)經(jīng)抽樣后得到了樣值序列。 各抽樣值沿時(shí)間坐標(biāo)軸各抽樣值沿時(shí)間坐標(biāo)軸t是離散分布的，但每個(gè)抽是離散分布的，但每個(gè)抽樣值沿幅度坐標(biāo)軸的變化是隨原模擬信號(hào)幅度連續(xù)樣值沿幅度坐標(biāo)軸的變化是隨原模擬信號(hào)幅度連續(xù)變化的。變化的。 因此，它很難用有限位數(shù)的數(shù)字信號(hào)來(lái)表示，為因此，它很難用有限位數(shù)的數(shù)字信號(hào)來(lái)表示，為此需要對(duì)樣值序列進(jìn)一步處理，使它成為

28、在此需要對(duì)樣值序列進(jìn)一步處理，使它成為在幅度上幅度上是有限種取值是有限種取值的離散樣值序列。的離散樣值序列。3.2.2 3.2.2 量化量化2、量化方法：用分層方法可實(shí)現(xiàn)量化。、量化方法：用分層方法可實(shí)現(xiàn)量化。 把信號(hào)變化的動(dòng)態(tài)范圍劃分為若干個(gè)區(qū)間把信號(hào)變化的動(dòng)態(tài)范圍劃分為若干個(gè)區(qū)間（層），只要某樣值信號(hào)落在某個(gè)區(qū)間內(nèi)，（層），只要某樣值信號(hào)落在某個(gè)區(qū)間內(nèi)，就取該區(qū)間內(nèi)預(yù)先規(guī)定的某個(gè)參考電平（如就取該區(qū)間內(nèi)預(yù)先規(guī)定的某個(gè)參考電平（如該區(qū)間的中間值）作為該區(qū)間的中間值）作為量化值量化值。假 設(shè) 輸 入 信 號(hào) 的 最 小 值 和最 大 值 分 別 用 a和 b表 示 ，量 化 電 平 數(shù) 為 M

29、， 那 么 均 勻量 化 時(shí) 的 量 化 間 隔 為 ：Mabv-=D本 例 的 量 化 誤 差 如右 下 圖 所 示 ：T2TS3TS4TS5TS6TS7TStq3q4q2q5q6q1q7q8m2m3m1m4m5m0m6m7mq(6Ts)m(6Ts)量 化 誤 差信 號(hào) 的 量 化 值信 號(hào) 的 實(shí) 際 值3.2.2 3.2.2 量化量化n這樣一來(lái)劃分的區(qū)間有多少個(gè)，量化值就有多少個(gè)。于是這樣一來(lái)劃分的區(qū)間有多少個(gè)，量化值就有多少個(gè)。于是就用近似的方法將無(wú)限個(gè)樣值變成了有限個(gè)量化值。就用近似的方法將無(wú)限個(gè)樣值變成了有限個(gè)量化值。n問題：量化級(jí)問題：量化級(jí)N8的量化器，量化值總共有多少種？的量

30、化器，量化值總共有多少種？n劃分的區(qū)間有多少個(gè)，量化值就有多少個(gè)劃分的區(qū)間有多少個(gè)，量化值就有多少個(gè) 幾個(gè)概念幾個(gè)概念 量化級(jí)：量化區(qū)間稱為量化級(jí)，或量化量化級(jí)：量化區(qū)間稱為量化級(jí)，或量化間隔。間隔。( ( ) ) 量化電平：區(qū)間內(nèi)預(yù)先規(guī)定的某個(gè)參考量化電平：區(qū)間內(nèi)預(yù)先規(guī)定的某個(gè)參考電平，也稱電平，也稱量化值量化值。 量化誤差：抽樣值與量化值之差，也稱量化誤差：抽樣值與量化值之差，也稱為為量化噪聲量化噪聲。3.2.2 3.2.2 量化量化 D D 相對(duì)量化誤差：量化誤差相對(duì)量化誤差：量化誤差/量化值量化值 最大相對(duì)量化誤差：最大量化誤差最大相對(duì)量化誤差：最大量化誤差/量化值量化值 量化信噪比：

31、衡量量化噪聲對(duì)信號(hào)影響的指標(biāo)。量化信噪比：衡量量化噪聲對(duì)信號(hào)影響的指標(biāo)。 S/D（dB）=10lg(信號(hào)平均功率信號(hào)平均功率/量化噪聲功量化噪聲功率）（率）（dB） 說(shuō)明說(shuō)明： 量化中分級(jí)的多少可根據(jù)要求而定，因?yàn)榱炕炕蟹旨?jí)的多少可根據(jù)要求而定，因?yàn)榱炕Y(jié)果與樣值的實(shí)際情況總會(huì)有偏差，級(jí)數(shù)分得越多量化誤結(jié)果與樣值的實(shí)際情況總會(huì)有偏差，級(jí)數(shù)分得越多量化誤差越小，通信質(zhì)量越高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)和電路就越復(fù)雜，目差越小，通信質(zhì)量越高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)和電路就越復(fù)雜，目前大多分為前大多分為256256級(jí)。級(jí)。 （話音信號(hào)傳輸要求，要求量化信噪比（話音信號(hào)傳輸要求，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、量化的分類：、量化的分類：均勻量化均勻量化：量化間隔相等的量化。：量化間隔相等的量化。非均勻量化非均勻量化：量化間隔不相等的量化。：量化間隔不相等的量化。（1）均勻量化：量化間隔相等）均勻量化：量化間隔相等 例如：某信號(hào)例如：某信號(hào)f(t)的幅度變化范圍為的幅度變化范圍為0.58.5V，采樣采樣10次，其值分別為次，其值分別為f(t0)f(t9) 3.2.2 3.2.2 量化量化量量化化序序號(hào)號(hào)量量化化電電平平取取樣樣值值量量化化值值量量化化噪噪聲聲相相對(duì)對(duì)量量化化誤誤差差最最大大相相對(duì)對(duì)量量化化誤誤差差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，對(duì)于均勻量化，在量化區(qū)內(nèi)，由上表可知，對(duì)于均勻量化，在量化區(qū)內(nèi)，因?yàn)榇笮⌒盘?hào)的量化間隔相同（因?yàn)榇笮⌒盘?hào)的量化間隔相同（u u1 1），），信號(hào)無(wú)論大小其信號(hào)無(wú)論大小其最大量化誤差

37、最大量化誤差相同均為：相同均為： 0.50.5v v，不會(huì)因信號(hào)幅度的改變而改變。不會(huì)因信號(hào)幅度的改變而改變。 信號(hào)樣值幅度越大，相對(duì)量化誤差越小，量信號(hào)樣值幅度越大，相對(duì)量化誤差越小，量化信噪比越大；化信噪比越大；信號(hào)樣值幅度越小，相對(duì)量信號(hào)樣值幅度越小，相對(duì)量化誤差越大，量化信噪比越小。化誤差越大，量化信噪比越小。 均勻量化的特點(diǎn)：均勻量化的特點(diǎn)：小信號(hào)的量化信噪比小，小信號(hào)的量化信噪比小，大信號(hào)的量化信噪比大。大信號(hào)的量化信噪比大。D213.2.2 3.2.2 量化量化 均勻量化的缺點(diǎn)：均勻量化方式對(duì)傳輸大均勻量化的缺點(diǎn)：均勻量化方式對(duì)傳輸大信號(hào)極為有利，對(duì)傳輸小信號(hào)不利。信號(hào)極為有利，

38、對(duì)傳輸小信號(hào)不利。n語(yǔ)聲信號(hào)的幅度分布特性為：大信號(hào)出現(xiàn)的語(yǔ)聲信號(hào)的幅度分布特性為：大信號(hào)出現(xiàn)的概率小，小信號(hào)出現(xiàn)的概率大；概率小，小信號(hào)出現(xiàn)的概率大；n因此，均勻量化對(duì)傳輸語(yǔ)聲信號(hào)是不因此，均勻量化對(duì)傳輸語(yǔ)聲信號(hào)是不利的。利的。n具體表現(xiàn)是通話時(shí)聲音越小時(shí)，傳到對(duì)方越具體表現(xiàn)是通話時(shí)聲音越小時(shí)，傳到對(duì)方越小甚至被噪聲所淹沒。小甚至被噪聲所淹沒。 解決上述問題的方法解決上述問題的方法 減小量化間隔，增大量化級(jí)數(shù)減小量化間隔，增大量化級(jí)數(shù) 將量化區(qū)間分得更細(xì)一些，即將量化區(qū)間分得更細(xì)一些，即u u要小，量化分層數(shù)要小，量化分層數(shù)N N要多。于是編碼位數(shù)就會(huì)相應(yīng)增加，結(jié)果將導(dǎo)致編碼及要多。于是編碼

39、位數(shù)就會(huì)相應(yīng)增加，結(jié)果將導(dǎo)致編碼及編碼器復(fù)雜，信道利用率降低。編碼器復(fù)雜，信道利用率降低。編碼復(fù)雜編碼復(fù)雜信道利用率下降信道利用率下降非均勻量化非均勻量化3.2.2 3.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化（2 2）非均勻量化）非均勻量化 非均勻量化的目的、思想非均勻量化的目的、思想 目的：目的：減小小信號(hào)時(shí)的量化誤差，提高小信號(hào)減小小信號(hào)時(shí)的量化誤差，提高小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。時(shí)的量化信噪比。 使信噪比趨于一致。使信噪比趨于一致。n由最大相對(duì)量化誤差公式：由最大相對(duì)量化誤差公式：n產(chǎn)生均勻量化的產(chǎn)生均勻量化的“小信號(hào)量化信噪比小小信號(hào)量化信噪比小” 現(xiàn)象的原因：是由均勻量化時(shí)的量

40、化間隔現(xiàn)象的原因：是由均勻量化時(shí)的量化間隔u u是固定值，它不隨信號(hào)幅度的變化而變是固定值，它不隨信號(hào)幅度的變化而變化?；?。n故小信號(hào)時(shí)相對(duì)量化誤差大，大信號(hào)時(shí)相故小信號(hào)時(shí)相對(duì)量化誤差大，大信號(hào)時(shí)相對(duì)量化誤差小。對(duì)量化誤差小。u ux x樣樣值值1 12 2 思想：思想：n信號(hào)幅度區(qū)間小時(shí)，量化間隔信號(hào)幅度區(qū)間小時(shí)，量化間隔u u小些，小些，即分層細(xì)一些；即分層細(xì)一些；n信號(hào)幅度區(qū)間大時(shí)，量化間隔信號(hào)幅度區(qū)間大時(shí)，量化間隔u u大些，大些，即分層粗一些；即分層粗一些；n以使大小信號(hào)相對(duì)量化誤差（量化信以使大小信號(hào)相對(duì)量化誤差（量化信噪比）趨于一致。噪比）趨于一致。3.2.2 3.2.2 量化量

41、化 非均勻量化的實(shí)現(xiàn)方法：非均勻量化的實(shí)現(xiàn)方法： 模擬壓擴(kuò)法模擬壓擴(kuò)法 數(shù)字壓擴(kuò)法數(shù)字壓擴(kuò)法 n采用采用壓縮擴(kuò)張技術(shù)壓縮擴(kuò)張技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)抽樣信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)抽樣信號(hào)非均勻量化。非均勻量化。 3.2.2 3.2.2 量化量化 壓縮擴(kuò)張技術(shù)基本原理：壓縮擴(kuò)張技術(shù)基本原理： 由最大相對(duì)量化誤差公式由最大相對(duì)量化誤差公式： 為達(dá)到使大小信號(hào)量化信噪比趨于一致的目的，為達(dá)到使大小信號(hào)量化信噪比趨于一致的目的，可采取一種等效途徑：可采取一種等效途徑： 首先通過(guò)人為變換，對(duì)樣值進(jìn)行處理首先通過(guò)人為變換，對(duì)樣值進(jìn)行處理y，即即 以增大小信號(hào)樣值，減小大信號(hào)的樣以增大小信號(hào)樣值，減小大信號(hào)的樣值。值。 然后再對(duì)處理

42、后的然后再對(duì)處理后的y樣值區(qū)間進(jìn)行均勻量化以樣值區(qū)間進(jìn)行均勻量化以保證量化間隔保證量化間隔u一致（一致（u變?yōu)樽優(yōu)閡）。）。 達(dá)到大小信號(hào)量化信噪比趨于一致的目的。達(dá)到大小信號(hào)量化信噪比趨于一致的目的。u ux x樣樣值值1 12 23.2.2 3.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化 壓縮器與擴(kuò)張器的工作特性：壓縮器與擴(kuò)張器的工作特性： 壓縮器工作特性：壓縮器工作特性： y=f(x)，壓縮大信壓縮大信號(hào)，擴(kuò)張小信號(hào)。號(hào)，擴(kuò)張小信號(hào)。3.2.2 3.2.2 量化量化 在發(fā)送端通過(guò)壓縮器人為完成了抽樣信號(hào)的處理，在接收在發(fā)送端通過(guò)壓縮器人為完成了抽樣信號(hào)的處理，在接收端必須有與壓縮器

43、相反功能的電路以恢復(fù)原來(lái)抽樣信號(hào)端必須有與壓縮器相反功能的電路以恢復(fù)原來(lái)抽樣信號(hào) ，此電路稱為此電路稱為擴(kuò)張器擴(kuò)張器。 擴(kuò)張器工作特性：擴(kuò)張器工作特性： x=f-1(y)，擴(kuò)張大信號(hào)，擴(kuò)張大信號(hào)，壓縮小信號(hào)。壓縮小信號(hào)。3.2.2 3.2.2 量化量化 壓縮擴(kuò)張技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法壓縮擴(kuò)張技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法： 將抽樣值通過(guò)壓縮再進(jìn)行將抽樣值通過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化均勻量化。3.2.2 3.2.2 量化量化n具體如何通過(guò)壓縮擴(kuò)張來(lái)實(shí)現(xiàn)非均勻量化思想，經(jīng)壓縮具體如何通過(guò)壓縮擴(kuò)張來(lái)實(shí)現(xiàn)非均勻量化思想，經(jīng)壓縮處理，再均勻量化后對(duì)小信號(hào)量化信噪比的改善情況又處理，再均勻量化后對(duì)小信號(hào)量化信噪比的改善情況又如何？如何

44、？ 參見圖（參見圖（b b），），小信號(hào)抽樣值小信號(hào)抽樣值A(chǔ) A在送入壓縮器前，在送入壓縮器前，處在處在第第1 1量化級(jí)量化級(jí)的，而經(jīng)過(guò)壓縮器后，跳到了的，而經(jīng)過(guò)壓縮器后，跳到了第第5 5量化級(jí)量化級(jí)。這意味著經(jīng)過(guò)壓縮器后對(duì)小信號(hào)抽樣值。這意味著經(jīng)過(guò)壓縮器后對(duì)小信號(hào)抽樣值而言，而言，分層數(shù)分層數(shù)N N增加了增加了5 5倍倍，因而小信號(hào)的信噪比，因而小信號(hào)的信噪比提高了；提高了；n最大相對(duì)量化誤差：壓縮處理前：最大相對(duì)量化誤差：壓縮處理前：0.5/1=50% 0.5/1=50% 壓縮處理后：壓縮處理后：0.5/50.5/51010 大信號(hào)抽樣值大信號(hào)抽樣值B B，則在壓縮器前后，變化（或壓則在壓

45、縮器前后，變化（或壓縮）了兩個(gè)量化級(jí)，即由縮）了兩個(gè)量化級(jí)，即由第第1111級(jí)級(jí)壓縮到壓縮到第第9 9級(jí)級(jí)，它相當(dāng)于對(duì)大信號(hào)抽樣值的分層更粗糙了。它相當(dāng)于對(duì)大信號(hào)抽樣值的分層更粗糙了。n最大相對(duì)量化誤差：壓縮處理前：最大相對(duì)量化誤差：壓縮處理前：0.5/110.5/114.54.5壓縮處理后：壓縮處理后：0.5/90.5/95.55.53.2.2 3.2.2 量化量化n說(shuō)明：說(shuō)明：n采用非均勻量化后，小信號(hào)的信噪比大采用非均勻量化后，小信號(hào)的信噪比大大提高，大信號(hào)的信噪比有所下降。大提高，大信號(hào)的信噪比有所下降。n但大信號(hào)出現(xiàn)的概率小，小信號(hào)出現(xiàn)的但大信號(hào)出現(xiàn)的概率小，小信號(hào)出現(xiàn)的概率大，故總

46、的信噪比提高了。概率大，故總的信噪比提高了。壓縮處理后，再對(duì)壓縮處理后，再對(duì)y y均勻量化等效于對(duì)均勻量化等效于對(duì)x x非非均勻量化均勻量化因此，壓縮器的功能，加上均勻量化的功因此，壓縮器的功能，加上均勻量化的功能，等效于非均勻量化。能，等效于非均勻量化。壓縮處理壓縮處理+均勻量化均勻量化=非均勻量化非均勻量化3.2.2 3.2.2 量化量化結(jié)論：結(jié)論： 壓擴(kuò)特性壓擴(kuò)特性 為使量化噪聲最小，應(yīng)選擇最佳的壓縮器和擴(kuò)張為使量化噪聲最小，應(yīng)選擇最佳的壓縮器和擴(kuò)張器工作特性，基于對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的大量統(tǒng)計(jì)和研究，器工作特性，基于對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的大量統(tǒng)計(jì)和研究，國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（CC

47、ITTCCITT）建議采用兩種建議采用兩種近似于對(duì)數(shù)函數(shù)的壓擴(kuò)特性。近似于對(duì)數(shù)函數(shù)的壓擴(kuò)特性。一種是以一種是以作為參數(shù)的壓縮特性，作為參數(shù)的壓縮特性，稱稱律壓縮律壓縮特性。特性。 律壓縮特性具體表示式：律壓縮特性具體表示式：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 中中壓壓 縮縮 參參 數(shù)數(shù)3-3-1 1式式3.2.2 3.2.2 量化量化 另一種是以另一種是以A作為參數(shù)的壓縮特性，叫作為參數(shù)的壓縮特性，叫A律壓縮特性。律壓縮特性。 A律壓縮特性：（具體表達(dá)式）律壓縮特性：（具體表達(dá)式） 3

48、- 3-式式 這兩種壓縮特性都具有對(duì)數(shù)特性且通過(guò)原點(diǎn)呈中這兩種壓縮特性都具有對(duì)數(shù)特性且通過(guò)原點(diǎn)呈中心對(duì)稱的曲線，接近于最佳特性，并容易進(jìn)行二進(jìn)心對(duì)稱的曲線，接近于最佳特性，并容易進(jìn)行二進(jìn)制編碼。制編碼。 A=87.6Ax1+lnA1+lnAx1+lnA1A01A1yXX3.2.2 3.2.2 量化量化1 1）模擬壓擴(kuò)法）模擬壓擴(kuò)法 電路實(shí)現(xiàn)方法：電路實(shí)現(xiàn)方法： 早期采用伏早期采用伏安特性完全一致的一對(duì)二極管，安特性完全一致的一對(duì)二極管，分別作為分別作為壓縮器和擴(kuò)張器壓縮器和擴(kuò)張器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 因由因由3-13-1式和式和3-23-2式所決定的式所決定的律和律和A A律壓擴(kuò)特性，是律壓擴(kuò)

49、特性，是均勻連續(xù)變化的曲線均勻連續(xù)變化的曲線，它們可用二極管的非線特性來(lái)，它們可用二極管的非線特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 模擬壓擴(kuò)法中，用二極管組成的壓縮器和擴(kuò)張模擬壓擴(kuò)法中，用二極管組成的壓縮器和擴(kuò)張器有以下兩個(gè)缺點(diǎn)：器有以下兩個(gè)缺點(diǎn)： 第一，選擇特性完全一致的二極管比較因難；第一，選擇特性完全一致的二極管比較因難； 第二，二級(jí)管的溫度特性很差，極易受溫度變化的第二，二級(jí)管的溫度特性很差，極易受溫度變化的影響，這樣很難保證壓縮和擴(kuò)張效果的一致性。影響，這樣很難保證壓縮和擴(kuò)張效果的一致性。3.2.2 3.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化 2 2）數(shù)字壓擴(kuò)法）數(shù)字壓擴(kuò)法 目前已采用由若干

50、段直線組成的折線來(lái)逼目前已采用由若干段直線組成的折線來(lái)逼近近律和律和A A律壓擴(kuò)特性。律壓擴(kuò)特性。 由于折線壓擴(kuò)特性，可以用數(shù)字電路來(lái)由于折線壓擴(kuò)特性，可以用數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。目前數(shù)字壓擴(kuò)特性國(guó)際上有兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)：目前數(shù)字壓擴(kuò)特性國(guó)際上有兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)： A律十三折線壓擴(kuò)特性律十三折線壓擴(kuò)特性（近似于（近似于A=87.6)A=87.6) 13折線折線A律主要用于英、法、德等歐律主要用于英、法、德等歐洲各國(guó)的洲各國(guó)的PCM設(shè)備中，設(shè)備中，我國(guó)也采用我國(guó)也采用A律律13折線。折線。 律十五折線壓擴(kuò)特性律十五折線壓擴(kuò)特性( (近似于近似于=255)=

51、255) 15折線折線律主要用于美國(guó)、日本和加律主要用于美國(guó)、日本和加拿大等國(guó)的拿大等國(guó)的PCM設(shè)備中。設(shè)備中。3.2.2 3.2.2 量化量化3.2.2 3.2.2 量化量化n13折線折線A律壓擴(kuò)曲線律壓擴(kuò)曲線3.2.2 3.2.2 量化量化 A律律13折線的生成：折線的生成： 13折線折線A律是從非均勻量化的基點(diǎn)出發(fā)，設(shè)法用律是從非均勻量化的基點(diǎn)出發(fā)，設(shè)法用許多折線來(lái)逼近許多折線來(lái)逼近A律對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性的。律對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性的。 設(shè)在直角坐標(biāo)系中，設(shè)在直角坐標(biāo)系中，x軸和軸和y軸分別表示輸入信號(hào)軸分別表示輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，并假定輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的最大取值和輸出信號(hào)，并假定輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的

52、最大取值范圍都是范圍都是11，即都是歸一化的。，即都是歸一化的。n歸一化的壓縮器輸入電壓歸一化的壓縮器輸入電壓 n x=x=壓縮器的輸入電壓壓縮器的輸入電壓/ /壓縮器可能的最大輸入電壓壓縮器可能的最大輸入電壓n歸一化的壓縮器輸出電壓歸一化的壓縮器輸出電壓 ny =y =壓縮器的輸出電壓壓縮器的輸出電壓/ /壓縮器可能的最大輸出電壓壓縮器可能的最大輸出電壓3.2.2 3.2.2 量化量化段號(hào)段號(hào) 輸入信號(hào)輸入信號(hào)x=（-11）區(qū)間長(zhǎng)區(qū)間長(zhǎng)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 為達(dá)到非均勻量化的目的，為達(dá)到非均勻量化的目的，A A律律1313折線分兩步生成：折線分兩步生成： 第一步第一步，把，把x軸的區(qū)間軸的區(qū)間1，1不均勻地分成不均勻地分成16大段，大段，正半軸正半軸8大段，負(fù)半軸大段，負(fù)半軸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，將以上，將以上8個(gè)不均勻大段的每一段，個(gè)不均勻大段的每一段，再均勻地分成再均勻地分成16等份，每一等份代表一個(gè)量等份，每一等份代表一個(gè)量化級(jí)?；?jí)。3.2.2 3.2.2 量化量化 因此，將因此，將x軸的軸的01的變化域分成了的變

54、化域分成了168128個(gè)非均勻量化級(jí)，以使輸入信個(gè)非均勻量化級(jí)，以使輸入信號(hào)的抽樣值進(jìn)行非均勻量化；號(hào)的抽樣值進(jìn)行非均勻量化； 另外，對(duì)另外，對(duì)-x軸也作同樣的分段處理，軸也作同樣的分段處理， 則則x x軸坐標(biāo)共有軸坐標(biāo)共有256個(gè)非均勻量化級(jí)個(gè)非均勻量化級(jí)。 對(duì)于對(duì)于y（或或-y）軸的軸的01的變化域被均勻地分成的變化域被均勻地分成8大段，每大段再均勻地分成大段，每大段再均勻地分成16等份，故等份，故y軸同樣也被軸同樣也被分成分成1282256個(gè)等份個(gè)等份段號(hào)段號(hào) 輸出信號(hào)輸出信號(hào)=（-11）區(qū)間長(zhǎng)區(qū)間長(zhǎng)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 將將x軸坐標(biāo)和軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)作以上分段處理后，軸坐標(biāo)作以上分段處理后，再將相應(yīng)大段的坐標(biāo)交點(diǎn)連接起來(lái)，再將相應(yīng)大段的坐標(biāo)交點(diǎn)連接起來(lái)，得到得到16段折線段，段折線段， 由于正方向由于正方向1、2段與負(fù)方向段與負(fù)方向1、2段具有段具有相同的斜率，因此可連在一起作為一段相同的斜率，因此可連在一起作為一段，于是于是16段折線從形狀上變成了段折線從形狀上變成了13段折線段折線 由此由此1313條直線段構(gòu)成一條折線近似逼近條直

56、線段構(gòu)成一條折線近似逼近A87.6時(shí)的連續(xù)時(shí)的連續(xù)A A對(duì)數(shù)壓縮特性。對(duì)數(shù)壓縮特性。 段段號(hào)號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)x=（-11）區(qū)間長(zhǎng)區(qū)間長(zhǎng)度度LX輸出信號(hào)輸出信號(hào)=（-11）區(qū)間長(zhǎng)區(qū)間長(zhǎng)度度L斜率斜率k段段號(hào)號(hào)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該折線被稱為該折線被稱為A律律

58、13折線。折線。3.2.2 3.2.2 量化量化圖圖3-123-123.2.2 3.2.2 量化量化 由連續(xù)由連續(xù)A A對(duì)數(shù)壓縮特性公式，計(jì)算出對(duì)數(shù)壓縮特性公式，計(jì)算出A A87.687.6時(shí)時(shí)y y與與x x的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它和的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它和1313折線壓縮特性折線壓縮特性Y Y與與X X的對(duì)應(yīng)關(guān)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系一并列入表一并列入表3-33-3中，由表中，由表3-33-3可以看出這兩種壓縮特可以看出這兩種壓縮特性是非常近似的。性是非常近似的。n說(shuō)明：說(shuō)明：n由圖由圖3-123-12可以看出，圖中對(duì)小信號(hào)區(qū)間的分可以看出，圖中對(duì)小信號(hào)區(qū)間的分段細(xì)，對(duì)大信號(hào)的分段粗，這就提高了小信段細(xì)，對(duì)大信號(hào)的分段

59、粗，這就提高了小信號(hào)的信噪比，使其能滿足號(hào)的信噪比，使其能滿足2626dBdB的指標(biāo)。的指標(biāo)。 nA A律律1313折線量化過(guò)程符合非均勻量化的思想，折線量化過(guò)程符合非均勻量化的思想，即用非均勻量化的方法實(shí)現(xiàn)了壓縮的目的，即用非均勻量化的方法實(shí)現(xiàn)了壓縮的目的，在量化的同時(shí)就進(jìn)行了壓縮，因此不必再用在量化的同時(shí)就進(jìn)行了壓縮，因此不必再用專用的壓縮器進(jìn)行壓縮。專用的壓縮器進(jìn)行壓縮。n模擬壓擴(kuò)法模擬壓擴(kuò)法: :實(shí)現(xiàn)非均勻量化的過(guò)程是輸入實(shí)現(xiàn)非均勻量化的過(guò)程是輸入端抽樣信號(hào)端抽樣信號(hào)x x，首先經(jīng)壓縮器處理后變?yōu)槭紫冉?jīng)壓縮器處理后變?yōu)閥 y，然后再均勻量化為然后再均勻量化為y y值所對(duì)應(yīng)的量化電平值。

60、值所對(duì)應(yīng)的量化電平值。n數(shù)字壓擴(kuò)法數(shù)字壓擴(kuò)法: :實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法，是將實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法，是將量化、編碼兩個(gè)過(guò)程放在一起進(jìn)行的，即量化、編碼兩個(gè)過(guò)程放在一起進(jìn)行的，即在編碼的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的非均勻量化。在編碼的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的非均勻量化。 3.2.33.2.3編碼編碼n 圖圖3-33-3中，量化級(jí)共中，量化級(jí)共有有6 6級(jí)，所以可用級(jí)，所以可用“3”“3”位二進(jìn)制位二進(jìn)制“0”“0”和和“1”“1”的不同組合來(lái)表示。的不同組合來(lái)表示。 編碼編碼：是用相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)碼組表示模擬是用相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)碼組表示模擬信號(hào)的量化的抽樣值的過(guò)程。信號(hào)的量化的抽樣值的過(guò)程。n常用編碼方法常用編碼方法: 常用的編