第3章 信源編碼

第3章信源編碼3.1信源編碼概述3.2脈沖編碼調(diào)制（PCM）3.4自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）3.3增量調(diào)制（ΔM）本章內(nèi)容小結(jié)學(xué)習(xí)要點(diǎn)信源與信源編碼的基本概念抽樣與抽樣定理均勻量化與非均勻量化PCM編碼增量調(diào)制自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制學(xué)習(xí)重點(diǎn)信源編碼的概念低通信號(hào)的抽樣及已抽樣信號(hào)的頻譜特點(diǎn)量化特性和量化信噪比的簡(jiǎn)單計(jì)算PCM編碼的原理及編碼信號(hào)的碼率和帶寬A律13折線編譯碼方法、譯碼輸出和量化誤差的相關(guān)計(jì)算增量調(diào)制的工作原理3.1信源編碼概述3.1.1信源與信源編碼3.1.2模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸方法概要3.1.1信源與信源編碼在電信系統(tǒng)，信源輸出的信號(hào)必須是電信號(hào)，這里的信源實(shí)際上是一個(gè)信號(hào)源（電信號(hào)源）或者其中必定有將原始消息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件（如話筒）。不同的信源有不同的特性，如統(tǒng)計(jì)特性、頻譜特性及功率特性，這就要求不同的傳輸系統(tǒng)和信道來(lái)適應(yīng)它。本書只討論語(yǔ)音信源發(fā)出的信號(hào)。1．關(guān)于信源隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信的優(yōu)越性越來(lái)越明顯，這就需要越來(lái)越多的數(shù)字信源。如何把模擬信源轉(zhuǎn)換成數(shù)字信源，這就要依靠信源編碼器來(lái)完成。2．信源編碼信源編碼是把信源發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的信息序列，主要包括?！獢?shù)轉(zhuǎn)換（A/D變換）和壓縮處理，然后再進(jìn)行一定形式的編碼處理。信源編碼的目的是能更加有效地傳輸、存儲(chǔ)信息，編碼后盡可能減少所需信息的損失，提高編碼后攜帶信息的效率。要實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸與交換，首要的任務(wù)就是將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)。語(yǔ)音信號(hào)的編碼稱為語(yǔ)音編碼，圖像信號(hào)的編碼稱為圖像編碼。二者雖然各自特點(diǎn)不同，但編碼原理基本上是一致的。電話業(yè)務(wù)是最早發(fā)展起來(lái)的，到目前為止在通信中仍然有最大的業(yè)務(wù)量，所以語(yǔ)音編碼在模擬信號(hào)編碼中占有重要的地位。3.1.2模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸方法概要本章以語(yǔ)音編碼為例，介紹模擬信號(hào)數(shù)字化的原理及技術(shù)。根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特征，把語(yǔ)音編碼方法分為兩類。1．波形編碼波形編碼是直接對(duì)信號(hào)的波形進(jìn)行編碼，數(shù)碼率在16kbit/s～64kbit/s范圍內(nèi)，具有較高的重建信號(hào)的質(zhì)量。2．參量編碼（聲編碼）參量編碼是利用信號(hào)處理技術(shù)，提取語(yǔ)音信號(hào)的一些特征參量，對(duì)其進(jìn)行編碼。參量編碼的特點(diǎn)是碼速率低，一般在16kbit/s以下，最低可到1kbit/s的數(shù)量級(jí)，但重建信號(hào)的質(zhì)量較波形編碼差一些。由于波形編碼質(zhì)量較高，尤其在300～3

400Hz的話路中，傳輸各種模擬信號(hào)（如語(yǔ)音信號(hào)、模擬的數(shù)據(jù)信號(hào)、傳真信號(hào)等）在數(shù)字化后，仍能保持原來(lái)的質(zhì)量容限，因而得到了廣泛的應(yīng)用。語(yǔ)音信號(hào)的波形編碼方法有很多，如脈沖編碼調(diào)制（PCM）、自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）、自適應(yīng)增量編碼（M）、子帶編碼（SBC）、矢量編碼（VQC）等。本章以語(yǔ)音編碼為例，介紹模擬信號(hào)數(shù)字化的脈沖編碼調(diào)制（PCM）的基本原理。3.2脈沖編碼調(diào)制（PCM）3.2.1脈沖編碼調(diào)制概述3.2.2信號(hào)的抽樣3.2.3量化3.2.4編碼和譯碼隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和普及，數(shù)字傳輸特別是以PCM為代表的脈沖編碼調(diào)制技術(shù)極受重視。

PCM具有抗干擾能力強(qiáng)、失真小、傳輸特性穩(wěn)定、遠(yuǎn)距離再生中繼時(shí)噪聲不積累等優(yōu)點(diǎn)，而且可以采用有效編碼、糾錯(cuò)編碼和保密編碼來(lái)提高通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和保密性。由于PCM可以把各種消息（聲音、圖像和數(shù)據(jù)等）都變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，可以實(shí)現(xiàn)傳輸和交換一體化的綜合通信方式，而且還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理一體化的綜合信息處理。因此，在數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信、光纖通信等中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。脈沖編碼調(diào)制（PCM）是把模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的一種調(diào)制方式。

PCM過(guò)程主要由抽樣、量化和編碼3個(gè)步驟組成。抽樣是把時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的樣值信號(hào)，量化是把幅度上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度上離散的量化信號(hào)，編碼是把時(shí)間上離散且幅度上離散的量化信號(hào)用一個(gè)二進(jìn)制碼組表示。3.2.1脈沖編碼調(diào)制概述電話信號(hào)的PCM碼組是由8位碼組成的，一個(gè)碼組表示一個(gè)量化后的樣值。從調(diào)制的角度看，PCM編碼過(guò)程對(duì)應(yīng)于以模擬信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，以二進(jìn)制脈沖序列為載波，通過(guò)調(diào)制改變脈沖序列中碼元的取值這一調(diào)制過(guò)程。因此，PCM被稱為脈沖編碼調(diào)制。圖3-1PCM通信系統(tǒng)將時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)處理成時(shí)間上離散的樣值信號(hào)，這一過(guò)程稱為抽樣（或采樣）。圖3-2所示給出了一個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣變成抽樣脈沖的波形圖，其中x(t)為模擬信號(hào)，Ts為抽樣脈沖的周期，fs

=

1/Ts為抽樣頻率，T(t)是抽樣脈沖，抽樣值是等間隔的（或均勻的），抽樣后的信號(hào)幅度隨模擬信號(hào)變化而變化。3.2.2信號(hào)的抽樣圖3-2抽樣的物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)抽樣方法很簡(jiǎn)單，一般只需用相乘器即可。抽樣定理在通信系統(tǒng)、信息傳輸理論方面占有十分重要的地位，尤其是數(shù)字通信系統(tǒng)就以此定理作為理論基礎(chǔ)。抽樣定理要回答的根本問題是如何從抽樣信號(hào)中恢復(fù)原始模擬信號(hào)（或信號(hào)的重建），以及在什么樣的條件下才可以無(wú)失真地完成這種恢復(fù)作用。設(shè)信號(hào)的頻率范圍是f0～fm，帶寬B

=

fm?f0。若f0＜B，稱這種信號(hào)為低通信號(hào)，例如語(yǔ)音信號(hào)；若f0＞B，稱這種信號(hào)為帶通信號(hào)，例如載波60路群信號(hào)（頻率范圍是312～552Hz）就屬于帶通信號(hào)。下面分別討論這兩種信號(hào)的抽樣定理。1．低通信號(hào)的抽樣（1）低通信號(hào)抽樣定理低通信號(hào)抽樣定理：一個(gè)限帶為fs內(nèi)的連續(xù)信號(hào)x(t)，若抽樣頻率fs≥2fm，則可以由樣值序列{x(nTs)}無(wú)失真地重建原始信號(hào)。抽樣定理告訴我們：由至少等于信號(hào)波形最高頻率的兩倍的速率進(jìn)行瞬時(shí)抽樣構(gòu)成一個(gè)帶限信號(hào)，這意味著對(duì)于信號(hào)的最高頻率分量至少在一個(gè)周期內(nèi)要取兩個(gè)樣值。通常將滿足抽樣定理的最低抽樣頻率fs稱為奈奎斯特（Nyquist）頻率，最大抽樣間隔Ts稱為奈奎斯特間隔，最小速率s=2/Ts稱為奈奎斯特速率。帶限信號(hào)可用其離散的樣值精確地恢復(fù)，這在信號(hào)理論中具有很大的價(jià)值。例如，將信號(hào)波形的抽樣值變換為具有有限位的數(shù)字代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，因而能被計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字電路處理，也可以將多個(gè)信號(hào)的抽樣值在時(shí)間上相互穿插實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用等。利用傅里葉變換的基本性質(zhì)，可說(shuō)明抽樣定理，如圖3-3所示。圖3-3抽樣定理全過(guò)程的波形和頻譜圖3-2所示中，T(t)是一個(gè)理想的單位沖激函數(shù)序列，其表達(dá)式為其中，Ts為脈沖周期。抽樣信號(hào)xs(t)即為T(t)的頻譜也是由一系列單位沖激函數(shù)組成，即根據(jù)頻域卷積定理，抽樣信號(hào)xs(t)的頻域表達(dá)式為即上式說(shuō)明：抽樣信號(hào)的頻譜除了原信號(hào)的頻譜X()以外，在s的整數(shù)倍處（）存在X()的復(fù)制頻譜。這說(shuō)明樣值信號(hào)的頻率成分增多了，但樣值信號(hào)中含有原始信號(hào)的信息。抽樣處理后不僅便于量化、編碼，同時(shí)又對(duì)信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域壓縮，為時(shí)分復(fù)用創(chuàng)造了條件。只要，X()就周期性地重復(fù)，周期性頻譜不會(huì)混疊，這樣抽樣信號(hào)xs(t)包含了信號(hào)x(t)的全部信息。若使抽樣信號(hào)通過(guò)一個(gè)低通濾波器（截頻為fm），只允許低于m的頻率分量通過(guò)，而將更高的頻率分量濾除，就能從Xs()中無(wú)失真地恢復(fù)出原始信號(hào)X()。（2）信號(hào)的重建重建信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式稱為內(nèi)插公式，內(nèi)插公式說(shuō)明了一個(gè)時(shí)間上的連續(xù)信號(hào)可以展開成Sa函數(shù)的無(wú)窮級(jí)數(shù)，級(jí)數(shù)的系數(shù)等于抽樣值x(nTs)。另外，它的幾何意義是以每個(gè)抽樣值為峰值畫一個(gè)Sa函數(shù)的波形，則合成的波形就是x(t)。2．帶通信號(hào)的抽樣必須注意，上述抽樣定理是在假設(shè)信號(hào)為低通信號(hào)的條件下得到的。實(shí)際中遇到的許多信號(hào)，其帶寬是在f0～fm的帶通信號(hào)。若仍按照低通信號(hào)抽樣定理對(duì)帶通信號(hào)進(jìn)行抽樣，將會(huì)出現(xiàn)什么情況？結(jié)果，抽樣信號(hào)的頻譜中會(huì)有大段的頻譜空隙得不到利用，將降低信道的利用率?？梢宰C明，對(duì)帶通信號(hào)進(jìn)行抽樣，可以使用比信號(hào)最高頻率的兩倍還低的抽樣頻率。一般來(lái)說(shuō)，帶通信號(hào)的抽樣頻率在2B～4B變動(dòng)。將帶通抽樣信號(hào)的頻譜畫出，可以幫助我們理解帶通信號(hào)抽樣定理。下面分兩種情況加以討論。（1）帶通信號(hào)的最高頻率是帶寬的整數(shù)倍（fm=nB）圖3-6fH=NB時(shí)帶通信號(hào)的抽樣頻譜（2）帶通信號(hào)的最高頻率不是帶寬的整數(shù)倍（fm=nB+mB）圖3-7fm≠NB時(shí)帶通信號(hào)的抽樣頻譜在實(shí)際中應(yīng)用廣泛的窄帶（帶寬為B）高頻信號(hào)，其抽樣頻率近似為2B。圖3-8f0與fs的關(guān)系圖

通過(guò)上面的討論可知，低通信號(hào)抽樣比帶通信號(hào)抽樣簡(jiǎn)單。

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的抽樣如何選取抽樣頻率呢？我們知道，模擬電話信號(hào)經(jīng)限帶后的頻率范圍是300～3

400Hz，若按低通信號(hào)處理，抽樣頻率的理論值應(yīng)是6

800Hz。

由于解調(diào)時(shí)不可能使用理想的低通濾波器，而實(shí)際的濾波器均有一定寬度的過(guò)渡帶，又由于抽樣前的限帶濾波器也可能對(duì)3

400Hz以上的頻率分量做不到完全抑制，所以對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的抽樣頻率取8

000Hz。這樣，在抽樣信號(hào)的頻譜之間就可以形成一定間隔的“防護(hù)帶（或保護(hù)頻帶）”ΔB，既防止了頻譜的混疊，又放寬了對(duì)低通濾波器的要求，如圖3-9所示。圖3-9模擬電話（300～3400Hz）抽樣信號(hào)的頻譜3．從自然抽樣到平頂抽樣前面介紹的抽樣是利用理想的沖激脈沖序列T(t)，這種抽樣稱為理想抽樣。由于實(shí)際無(wú)法得到?jīng)_激脈沖序列，所以實(shí)際抽樣電路中的抽樣脈沖都是具有一定的持續(xù)時(shí)間。

這樣，已抽樣信號(hào)在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)其頂部就會(huì)有某種形狀。

采用這種脈沖進(jìn)行的抽樣稱為自然抽樣，自然抽樣的波形如圖3-10所示。圖3-10自然抽樣自然抽樣是很容易實(shí)現(xiàn)的。

由于要對(duì)抽樣后的樣值進(jìn)行編碼，在編碼期間要求樣值必須是恒定不變的。

在抽樣脈沖期間幅度保持不變的抽樣稱為平頂抽樣，平頂抽樣的過(guò)程及頻譜如圖3-11所示。

平頂抽樣所得的每一抽樣脈沖的幅度正比于瞬時(shí)抽樣值，但其形狀都相同。

圖中，首先將x(t)與T(t)相乘，形成理想抽樣信號(hào)，然后再通過(guò)一個(gè)脈沖形成電路，其輸出即為所需的平頂抽樣信號(hào)xsf(t)。圖3-11平頂抽樣過(guò)程圖3-12由平頂抽樣信號(hào)恢復(fù)x(t)的原理圖模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣后，其抽樣值雖然在時(shí)間上是離散的，但其幅度仍然可以取無(wú)限多個(gè)值，也就是說(shuō)，抽樣信號(hào)還是屬于模擬信號(hào)，不能直接用來(lái)編碼。因此，抽樣值必須被劃分成有限個(gè)離散電平，對(duì)抽樣信號(hào)幅度進(jìn)行離散化處理的方法稱為量化，離散電平稱為量化電平。3.2.3量化圖3-13量化示意圖量化的物理過(guò)程如圖3-13所示。圖中，x(t)是模擬信號(hào)，xq(t)表示量化信號(hào)樣值，第n個(gè)抽樣值為x(nTs)；m1～mQ表示Q個(gè)電平（圖中Q=7），它們是預(yù)先規(guī)定好的；相鄰電平間的距離稱為量化間隔，用“Δ”表示，xi表示第i個(gè)量化電平的終點(diǎn)電平，那么量化電平應(yīng)該是例如，圖中t

=

4Ts時(shí)的抽樣值x(4Ts)在x5和x6之間，此時(shí)按規(guī)定的量化值為m6。從圖中不難看出，量化器輸出的xq(t)是一階梯信號(hào)，它是用Q個(gè)電平取代抽樣值的一種近似，這種近似就是量化原則。量化電平數(shù)越大，xq(t)就越接近x(t)。

x(nTs)與xq(nTs)的誤差稱為量化誤差，根據(jù)量化原則，量化誤差不超過(guò)/2，而量化級(jí)數(shù)目越多，值越小，量化誤差就越小。量化誤差一旦形成，接收端無(wú)法去掉，它與傳輸距離、轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)無(wú)關(guān)，所以也稱為量化噪聲，在電子通信系統(tǒng)中的量化噪聲表現(xiàn)為一些沙沙聲。

1．均勻量化量化間隔相等的量化稱為均勻量化。在均勻量化中，每個(gè)量化區(qū)間的量化電平平均取在各區(qū)間的中點(diǎn)，如圖3-13中的mi。量化間隔Δ取決于輸入信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)。當(dāng)信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)確定后，量化間隔也被確定。例如，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N，則均勻量化的量化間隔為2．非均勻量化非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)小信號(hào)用較小的量化間隔，以減小噪聲功率提高信噪比；而對(duì)大信號(hào)時(shí)用較大的量化間隔。這樣一來(lái)，就能在較寬的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)均滿足對(duì)信噪比的要求。實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)現(xiàn)方法通常是將抽樣值經(jīng)壓縮器壓縮后，再進(jìn)行均勻量化。所謂壓縮是用一個(gè)非線性變換電路將輸入變量變換成另一變量，然后再對(duì)壓縮后的變量進(jìn)行均勻量化，接收端采用一個(gè)擴(kuò)張器來(lái)恢復(fù)原始信號(hào)。這種實(shí)現(xiàn)非均勻量化的技術(shù)成為壓擴(kuò)技術(shù)，壓縮器和擴(kuò)張器合在一起稱為壓擴(kuò)器。為了進(jìn)一步理解壓擴(kuò)技術(shù)的基本過(guò)程，圖3-14（a）和（b）分別畫出了采用壓擴(kuò)技術(shù)的系統(tǒng)框圖和非均勻量化示意圖。圖3-14非均勻量化對(duì)于非均勻量化，曾提出許多壓擴(kuò)方法。目前，數(shù)字通信系統(tǒng)中采用兩種壓擴(kuò)特性：一種是以作為參數(shù)的壓擴(kuò)特性，稱為μ律壓擴(kuò)特性；另一種是以A作為參數(shù)的壓擴(kuò)特性，稱為A律壓擴(kuò)特性。美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)采用律壓擴(kuò)特性，我國(guó)和歐洲各國(guó)均采用A律壓擴(kuò)特性。

ITU-T（原CCITT）建議G.711規(guī)定在國(guó)際間數(shù)字系統(tǒng)相互連接時(shí)，要以A律為標(biāo)準(zhǔn)。下面分別討論這兩種壓擴(kuò)特性。（1）律壓擴(kuò)特性律對(duì)數(shù)壓縮特性定義為式中為壓縮系數(shù)，

=

0時(shí)無(wú)壓縮，越大壓縮效果越明顯，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中取

=

255。當(dāng)量化電平數(shù)L

=

256時(shí)，對(duì)小信號(hào)的信噪比改善值為33.5dB。

律最早由美國(guó)提出，從整體上來(lái)看，律和A律性能基本接近。（2）A律壓擴(kuò)特性A律對(duì)數(shù)壓縮特性定義為式中，x為歸一化輸入，f(x)為歸一化輸出，A，為壓縮系數(shù)。圖3-16A律13折線壓擴(kuò)特性圖3-17x軸區(qū)間(0,1)的8段不均勻劃分圖解表3-1 段落與斜率的關(guān)系段落第1段第2段第3段第4段第5段第6段第7段第8段斜率161684211/21/4模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣量化后，還需要進(jìn)行編碼處理。把量化后的信號(hào)電平值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼組的過(guò)程稱為編碼，其逆過(guò)程稱為解碼。

本節(jié)主要介紹二進(jìn)制碼的編、譯碼的工作原理。3.2.4編碼和譯碼1．編碼方式在PCM編碼中廣泛使用的二進(jìn)制碼組有：自然（普通）二進(jìn)制碼組、折疊二進(jìn)制碼組和格雷（循環(huán)）二進(jìn)制碼組。表3-2列出了用4位碼表示16個(gè)量化級(jí)時(shí)，三種碼的編碼規(guī)律。表3-2 三種4位二進(jìn)制碼組量化電平序號(hào)自然二進(jìn)制碼折疊二進(jìn)制碼格雷二進(jìn)制碼00000011100001000101100001200100101001130011010000104010000110110501010010011160110000101017011100000100810001000110091001100111011010101010111111101110111110121100110010101311011101101114111011101001151111111110002．A律PCM編碼（非線性編碼）規(guī)則目前國(guó)際上普遍采用8位非線性編碼，用于13折線A律特性的8位非線性編碼的碼位安排如下：表3-3 A律13折線段落電平關(guān)系段

落

序

號(hào)段

落

碼段落起始電平量化間隔Δk段內(nèi)碼對(duì)應(yīng)的權(quán)值C6C5C4C3C2C1C01000018421200116184213010322168424011644321684510012886432168610125616128643216711051232512128643281111

024641

024256128643．逐次比較型編譯碼原理（1）編碼原理實(shí)現(xiàn)編碼的具體方法和電路有很多，而且由于大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，編譯碼器已實(shí)現(xiàn)集成化。目前生產(chǎn)的單片集成PCM編譯碼器可以同時(shí)完成抽樣、量化、壓擴(kuò)和編碼多個(gè)功能。這里結(jié)合實(shí)例只簡(jiǎn)要介紹A律13折線逐次比較型編碼的原理。逐次比較型編碼器編碼的工作原理與用天平稱重的方法很相似。天平稱重時(shí)，天平的一邊放被測(cè)物體，一邊放砝碼。

設(shè)測(cè)量范圍為0～128g（相當(dāng)于抽樣值的取值域），被測(cè)物體為81g（相當(dāng)于某一抽樣量化值）。該天平有重64g、32g、16g、8g、4g、2g、1g7個(gè)砝碼，分別與7位二進(jìn)制碼的權(quán)值相對(duì)應(yīng)。測(cè)量過(guò)程如下：在天平的一邊先放64g的砝碼，判定被測(cè)物體比砝碼重還是輕，如果重，砝碼被保留，如果輕，就去掉砝碼；然后，再用同樣的方法以32g、16g、8g、4g、2g、1g的砝碼依次測(cè)定。于是，81g的被測(cè)物體有以下結(jié)果：

64g（留）+32g（去）+16g（留）+8g（去）+4g（去）+2g（去）+1g（留）=81g若以二進(jìn)制碼分別代表砝碼的留和去，則可得到自然二進(jìn)制碼為1010001。逐次比較型編碼器就是參照上述原理構(gòu)成的。這里，被測(cè)物體是抽樣值，砝碼可由相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電平代替。圖3-18所示為逐次比較型編碼的原理框圖，它由抽樣保持、整流、極性判決、比較器及本地譯碼器等組成。圖3-18逐次比較型編碼器原理圖①抽樣保持和極性判決電路圖3-19逐次比較器比較過(guò)程圖解②比較器

③本地譯碼器（2）譯碼原理譯碼的作用：根據(jù)收到的碼組（除極性碼外）產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖去控制恒流源標(biāo)準(zhǔn)電流支路，從而輸出一個(gè)與發(fā)端的信號(hào)樣值相接近的脈沖信號(hào)。其譯碼的基本電路與編碼器中的本地譯碼器基本相同，如圖3-20所示。圖3-20A律13折線譯碼原理圖①極性控制電路②7/12位變換電路4．PCM信號(hào)的碼元速率和傳輸信道帶寬由于PCM信號(hào)要用8位二進(jìn)制代碼表示一個(gè)抽樣值，因此傳輸它所需要的信道帶寬比信號(hào)x(t)的帶寬大得多。①碼元速率設(shè)x(t)為低通信號(hào)，最高頻率為fm，抽樣速率fs。若量化電平數(shù)為Q，采用M進(jìn)制代碼，則每個(gè)量化電平需要的代碼數(shù)為k

=

logMQ。

因此，碼元速率為RB

=

kfs。

一般采用二進(jìn)制代碼，則Rb=fslog2Q。②傳輸PCM信號(hào)所需的最小帶寬3.3增量調(diào)制（ΔM）3.3.1簡(jiǎn)單增量調(diào)制3.3.2過(guò)載特性與動(dòng)態(tài)范圍3.3.3PCM與DM系統(tǒng)的性能比較3.3.4改進(jìn)型增量調(diào)制增量調(diào)制（DeltaModulation，DM或M）最早是由法國(guó)工程師提出的，其目的在于簡(jiǎn)化模擬信號(hào)的數(shù)字化方法。增量調(diào)制是由PCM發(fā)展而來(lái)的另一種語(yǔ)音信號(hào)的編碼方式。增量調(diào)制電路比較簡(jiǎn)單，能以較低的數(shù)碼率進(jìn)行編碼，通常為16～32kbit/s。增量調(diào)制系統(tǒng)的話音質(zhì)量不如PCM數(shù)字系統(tǒng)的音質(zhì)。但在單路數(shù)字電話通信時(shí)，不需要收發(fā)端同步，故增量調(diào)制系統(tǒng)仍然廣泛應(yīng)用于數(shù)字話音通信系統(tǒng)中，如應(yīng)用在軍事、野外及保密數(shù)字電話等方面，以及軍隊(duì)系統(tǒng)中的數(shù)字衛(wèi)星通信中。目前，DM還用在高速超大規(guī)模集成電路中做A/D轉(zhuǎn)換器。3.3.1簡(jiǎn)單增量調(diào)制增量調(diào)制是指將信號(hào)瞬時(shí)值與前一個(gè)采樣時(shí)刻的量化值之差進(jìn)行量化，而且只對(duì)這個(gè)差值的符號(hào)進(jìn)行編碼，不對(duì)差值的大小編碼。因此，量化后的編碼為1bit，如果差值是正的，就發(fā)1，若差值是負(fù)的就發(fā)0。這是M與PCM的本質(zhì)區(qū)別。圖3-21給出M的編碼圖解過(guò)程。1．編碼的基本原理圖3-21用階梯或鋸齒波逼近模擬信號(hào)2．譯碼的基本原理與編碼相對(duì)應(yīng)，譯碼也有兩種情況。一種是在接收端，每收到一個(gè)1碼，譯碼器相對(duì)于前一時(shí)刻的值就上升一個(gè)量階；每收到一個(gè)0碼，譯碼器相對(duì)于前一時(shí)刻的值就下降一個(gè)量階。另一種是收到1碼后產(chǎn)生一個(gè)正的斜變電壓，在t時(shí)間內(nèi)均勻地上升一個(gè)量階；收到0碼后產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的斜變電壓，在t時(shí)間內(nèi)均勻地下降一個(gè)量階。于是，二進(jìn)制碼經(jīng)過(guò)譯碼后變?yōu)閤0(t)這樣的鋸齒波。實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用后一種方法。3．系統(tǒng)組成框圖一個(gè)簡(jiǎn)單的M系統(tǒng)原理框圖如圖3-22所示。發(fā)送端由相減器、放大限幅器、定時(shí)判決器、本地譯碼器（發(fā)端）等組成，如圖3-22（a）所示。實(shí)際上實(shí)用M系統(tǒng)還要復(fù)雜，如圖3-22（b）所示。接收端的核心電路是積分器，但實(shí)際電路中還應(yīng)有碼型變換和低通濾波器。（1）放大和限幅電路（2）定時(shí)判決電路（3）本地譯碼器圖3-22簡(jiǎn)單的M系統(tǒng)原理圖（4）解調(diào)器圖3-23簡(jiǎn)單ΔM系統(tǒng)各點(diǎn)波形abcegdf4．增量調(diào)制的帶寬從編碼的基本思想來(lái)看，每抽樣一次，傳輸一個(gè)二進(jìn)制碼元，則碼元傳輸速率為Rb=fs，M的調(diào)制帶寬BΔM=

fs=Rb（Hz）。3.3.2過(guò)載特性與動(dòng)態(tài)范圍增量調(diào)制系統(tǒng)中的誤差，主要根據(jù)積分器的惰性元器件C是否能跟上外來(lái)信號(hào)的變化分為以下兩種。1．系統(tǒng)的量化誤差（1）一般量化誤差圖3-23（c）所示的e(t)就是一種一般量化誤差，這種誤差總是在一定的范圍內(nèi)(,)變化。圖3-23簡(jiǎn)單ΔM系統(tǒng)各點(diǎn)波形abcegdf（2）過(guò)載量化誤差當(dāng)信號(hào)x(t)變化的速度很快，使積分器電容充放電跟不上x(t)的變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生過(guò)載現(xiàn)象，此時(shí)|e(t)|的誤差稱為過(guò)載量化誤差，如圖3-24所示。

|e(t)|會(huì)大大超出，而不能限制在(,)的范圍內(nèi)變化。圖3-24過(guò)載時(shí)的信號(hào)及其量化誤差2．過(guò)載特性3．動(dòng)態(tài)范圍這里僅對(duì)PCM和M兩種方式的抗噪聲能力作一簡(jiǎn)單介紹，目的是進(jìn)一步了解兩種調(diào)制方式的相對(duì)性能。在誤碼可忽略以及信道傳輸速率相同的條件下，PCM和M系統(tǒng)的比較曲線如圖3-25所示。從圖中可以看出，若PCM系統(tǒng)的編碼位數(shù)小于4，則它的性能比低通截止頻率fl=3

000Hz、信號(hào)頻率fk=1

000Hz的M系統(tǒng)的差；若k＞4，則隨著k的增大，PCM相對(duì)于M來(lái)說(shuō)，其性能越來(lái)越好。3.3.3PCM與M系統(tǒng)的性能比較圖3-25PCM與ΔM系統(tǒng)性能的比較曲線（Pe=0）由于增量調(diào)制的量階是固定不變的，所以造成它的動(dòng)態(tài)范圍小和小信號(hào)時(shí)量化信噪比低。從改變量階大小考慮，若大信號(hào)（或信號(hào)斜率大）時(shí)能增大量階，若小信號(hào)（或信號(hào)斜率?。r(shí)能減小量階，就可以增大編碼的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)提高小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。改進(jìn)型的增量調(diào)制有很多類型，如圖3-26所示。3.3.4改進(jìn)型增量調(diào)制圖3-26增量調(diào)制的改進(jìn)方案下面只簡(jiǎn)單介紹其中的自適應(yīng)增量調(diào)制方案。為了改進(jìn)簡(jiǎn)單M的動(dòng)態(tài)范圍，類似于PCM系統(tǒng)中采用的壓擴(kuò)方法，采用自適應(yīng)增量調(diào)制的方案。自適應(yīng)增量調(diào)制的基本原理：采用自適應(yīng)方法使量階的大小跟隨輸入信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性而變化。若量階能隨信號(hào)瞬時(shí)壓擴(kuò)，則稱為瞬時(shí)壓擴(kuò)M，記作ADM，若量階隨音節(jié)時(shí)間間隔（5～20ms）中信號(hào)平均斜率變化，則稱為連續(xù)可變斜率增量調(diào)制，記作CVSD。圖3-27數(shù)字壓擴(kuò)增量調(diào)制3.4自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）3.4.1自適應(yīng)量化3.4.2自適應(yīng)預(yù)測(cè)對(duì)于有些信號(hào)（例如圖像信號(hào)等），由于信號(hào)的瞬時(shí)斜率比較大，很容易引起過(guò)載現(xiàn)象。所以，不能用簡(jiǎn)單的增量調(diào)制，只能采用瞬時(shí)壓擴(kuò)的方法。

但由于瞬時(shí)壓擴(kuò)實(shí)現(xiàn)較困難，因此采用一種綜合增量調(diào)制和脈沖編碼調(diào)制兩者特點(diǎn)的調(diào)制方式，這種方式稱為差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）。

DPCM與M的區(qū)別是：DPCM是用n位二進(jìn)制碼表示增量的，由于它增多了量化級(jí)，系統(tǒng)的信噪比要優(yōu)于M，但DPCM易受到傳輸線路噪聲的干擾。為了在相當(dāng)寬的變化范圍內(nèi)仍能得到傳輸信號(hào)的最佳性能，可以對(duì)DPCM采用自適應(yīng)處理。有自適應(yīng)的DPCM系統(tǒng)稱為自適應(yīng)脈沖編碼增量調(diào)制，簡(jiǎn)稱ADPCM。

這種系統(tǒng)與PCM系統(tǒng)相比，可以大大壓縮數(shù)碼率和傳輸帶寬，從而增加通信容量，用32kbit/s的傳輸速率基本能滿足64kbit/s的語(yǔ)音質(zhì)量要求。

因此，CCITT建議32kbit/s的ADPCM為長(zhǎng)途傳輸中的一種新型國(guó)際通用的語(yǔ)音編碼方法。

ADPCM有兩種方案：一種是預(yù)測(cè)固定，量化自適應(yīng)；另一種是兼有預(yù)測(cè)自適應(yīng)和量化自適應(yīng)。下面分別介紹這兩種方案。自適應(yīng)量化的基本思想是：讓量化階距、分層電平能夠自適應(yīng)于量化器輸入的e(t)的變化，從而使量化誤差最小。現(xiàn)有的自適應(yīng)量化方案有兩類：一類是其量化階距由輸入信號(hào)本身估值，這種方案稱為前向（前饋）自適應(yīng)量化器；另一種是其量化階距根據(jù)量化器輸出信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，這種方案稱為反向（反饋）自適應(yīng)量化器。3.4.1自適應(yīng)量化前向自適應(yīng)量化的優(yōu)點(diǎn)是估值準(zhǔn)確，其缺點(diǎn)是階距信息要與語(yǔ)音信息一起送到接收端解碼器；否則接收端無(wú)法知道發(fā)送端該時(shí)刻的量階值。另外，階距信息需要若干比特的精度，因而前向自適應(yīng)量化不宜采用瞬時(shí)自適應(yīng)量化方案。后向自適應(yīng)量化的優(yōu)點(diǎn)是接收端不需要階距信息，因?yàn)榇诵畔⒖蓮慕邮招畔⒅刑崛。硪粌?yōu)點(diǎn)是可采用音節(jié)或瞬時(shí)或者兩者兼顧的自適應(yīng)量化方式。其缺點(diǎn)是因量化誤差而影響其估值的準(zhǔn)確度，但自適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍越大，導(dǎo)致影響程度越小。后向自適應(yīng)量化目前被廣泛采用。這兩種自適應(yīng)的量化都比DPCM性能改善10～12dB。前面介紹的M和DPCM系統(tǒng)都是用前后兩個(gè)樣值的差值e(t)進(jìn)行量化編碼的，這種僅用前面一個(gè)樣值求e(t)的情況稱為一階預(yù)測(cè)。實(shí)際信號(hào)中其樣值的前后往往是有一定關(guān)聯(lián)的，如采用前面若干個(gè)樣值作為參考來(lái)推算e(t)，這就是高階預(yù)測(cè)。3.4.2自適應(yīng)預(yù)測(cè)為了在接收端根據(jù)e(t)的編碼產(chǎn)生下一個(gè)輸入樣值的準(zhǔn)確估計(jì)，可以對(duì)前面所有樣值的有效信息冗余度進(jìn)行加權(quán)求和，這里的加權(quán)系數(shù)又稱為預(yù)測(cè)系數(shù)。自適應(yīng)預(yù)測(cè)的基本思想是：使預(yù)測(cè)系數(shù)的改變與輸入信號(hào)的幅度相匹配，從而使預(yù)測(cè)誤差e(t)為最小值，這樣預(yù)測(cè)的編碼范圍可減小，可在相同編碼位數(shù)的情況下提高信噪比。