第三講(脈沖編碼調(diào)制)

第三講(脈沖編碼調(diào)制)第一頁，共27頁。模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，可以把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信是未來通信的發(fā)展方向。第二頁，共27頁。數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點數(shù)字傳輸?shù)目乖肼暎ɑ蚋蓴_）的能力強(qiáng)，尤其在中繼時，數(shù)字信號還可以再生而消除噪聲的積累，而模擬通信則會把噪聲干擾和信號一起放大，增大噪聲干擾。傳輸中的差錯可以設(shè)法控制，不但可以發(fā)現(xiàn)而且還能改正，因而大大提高了傳輸質(zhì)量。便于同計算機(jī)連接，采用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)對數(shù)字信息進(jìn)行處理，以便實現(xiàn)通信現(xiàn)代化、自動化。數(shù)字信息易于加密且保密性強(qiáng)。由于數(shù)字集成電路，特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)日益成熟，數(shù)字設(shè)備越來越易于制造，而且成本低、體積小、可靠性高。與模擬通信相比數(shù)字通信可以傳輸種類更多的消息，使通信系統(tǒng)變得通用、靈活。數(shù)字通信的不足之處是比模擬通信占據(jù)更多的頻帶。

第三頁，共27頁。信源編碼將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為模擬信號數(shù)字化，它屬于信源編碼的內(nèi)容。信源編碼是數(shù)字通信系統(tǒng)的重要組成部分，它有兩方面的作用：一個是把信源消息的冗余信息去掉，降低數(shù)字信號的數(shù)據(jù)量，提高傳輸?shù)挠行?。一個是把信源發(fā)出的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號，實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化。第四頁，共27頁。脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation，PCM）是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法。PCM技術(shù)的典型應(yīng)用是語音數(shù)字化。語音、圖像信息必須數(shù)字化才能經(jīng)計算機(jī)處理。第五頁，共27頁。脈沖編碼調(diào)制分的步驟PCM的過程分為抽樣、量化和編碼三步。抽樣——把模擬信號在時間上離散化，變?yōu)槊}沖幅度調(diào)制（PAM）信號。量化——把PAM信號在幅度上離散化，變?yōu)榱炕担ü灿蠳個量化值）。編碼——用二進(jìn)碼來表示N個量化值。第六頁，共27頁。PCM通信系統(tǒng)第七頁，共27頁。抽樣的概念抽樣是指對模擬信號在時間域上的離散化過程，即把一個時間上連續(xù)、幅度上也連續(xù)的模擬信號變換成時間上離散、幅度上連續(xù)的信號。抽樣是由抽樣門來完成的。第八頁，共27頁。抽樣定理對頻帶為0～fm的模擬信號，其抽樣頻率fs必須滿足下列條件：即fs

>=2fm

（抽樣定理）應(yīng)留有一定寬度的防衛(wèi)帶

fs

>2fm第九頁，共27頁。奈奎斯特間隔和奈奎斯特速率所謂奈奎斯特間隔就是能唯一確定信號f(t)的最大抽樣間隔。奈奎斯特速率是能夠唯一確定信號f(t)的最小抽樣頻率。因此，奈奎斯特間隔＝1/2fm奈奎斯特速率＝2fm第十頁，共27頁。話音信號的抽樣頻率話音信號頻率范圍：300～3400Hz，fm=3400Hz，這時滿足抽樣定理的最低的抽樣頻率應(yīng)為2×fm＝6800Hz，為了留有一定的防衛(wèi)帶，CCITT（ITU-T）規(guī)定話音信號的抽樣頻率為＝8000Hz，（防衛(wèi)帶為8000－6800＝1200Hz），T＝125μs。第十一頁，共27頁。量化為了消除噪聲積累，并且使得抽樣值易于表示，我們要對幅度上連續(xù)的抽樣值進(jìn)行量化。第十二頁，共27頁。量化的過程把信號幅度劃分為若干個區(qū)間（又稱為量化級），取該區(qū)間預(yù)先規(guī)定的某個參考電平作為信號指，即利用預(yù)先規(guī)定的有限個電平來表示模擬抽樣值的過程，稱為量化。第十三頁，共27頁。量化的有關(guān)概念量化誤差：信號值與信號量化后的取值之差。量化間隔越小，量化誤差越小，需要的量化級別越多，處理和傳輸就越復(fù)雜，所以，既要盡量減少量化級數(shù)，又要使量化失真盡可能的小。量化誤差又稱為量化噪聲，用信噪比來衡量。第十四頁，共27頁。均勻量化采用均勻量化級進(jìn)行量化的方法稱為均勻量化或線性量化。缺點：大信號時信噪比大，但小信號時，信噪比不足。均勻量化適合信號是均勻分布（如圖像信號）的情況。第十五頁，共27頁。非均勻量化如果使小信號時量化級間寬度小，而大信號時量化級間寬度大，就可以使小信號時和大信號時的信噪比趨于一致，這種非均勻量化級的安排稱為非均勻量化或非線性量化。數(shù)字電視，語音均采取非均勻量化。第十六頁，共27頁。編碼把量化后的信號變換成代碼的過程稱為編碼，其相反的過程稱為譯碼。編碼是使用一組二進(jìn)制代碼來表示量化值。第十七頁，共27頁。編碼位數(shù)若量化電平總數(shù)為Q，則二進(jìn)制編碼位數(shù)應(yīng)>=log2Q，才能保證編碼不重復(fù)。為了提高編碼效率，一般取Q＝2n（n為編碼位數(shù)）第十八頁，共27頁。常用二進(jìn)制編碼樣值脈沖極性自然二進(jìn)碼折疊二進(jìn)碼格雷碼量化級正極性部分11111110110111001011101010011000111111101101110010111010100110001000100110111010111011111101110015141312111098負(fù)極性部分01110110010101000011001000010000000000010010001101000101011001110100010101110110001000110001000076543210第十九頁，共27頁。非線性PCM先把模擬信號抽樣值進(jìn)行壓縮，使小信號放大，大信號縮小，然后在均勻量化編碼，即對大幅度的樣值使用大的量化間隔，小幅度的樣值采用小的量化間隔，接收端再相反處理，稱為壓縮擴(kuò)張技術(shù)。目前國際上廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮律是μ壓縮律和A壓縮律。美國采用μ壓縮律，我國和歐洲各國均采用A壓縮律。第二十頁，共27頁。13折線A律壓縮X為輸入信號，Y為輸出信號。除一、二段外，其他各段折線的斜率都不相同，當(dāng)x、y在-1~0的第三象限中，壓縮特性的形狀同第1象限壓縮特性的形狀相同，且以原點為奇對稱，所以負(fù)方向也有八段直線，合起來共有16個線段。由于正向一、二兩段和負(fù)向一、二兩段的斜率相同，這四段實際上為一條直線，因此，正、負(fù)雙向的折線總共由13條直線段構(gòu)成，故稱其為13折線。第二十一頁，共27頁。例：設(shè)輸入信號抽樣值為+1260△（其中△為一個量化單位,表示輸入信號歸一化值的1/2048),采用逐次比較型編碼器,按A律13折線編成8位碼。答案：01110011極性碼0段落碼111段內(nèi)碼0011第二十二頁，共27頁。量化間隔每段再均分成16個量化級，雖然各段內(nèi)的16個量化級是均勻的，但因段落長度不等，故不同段落間的量化級是非均勻的。輸入信號小時，段落短，量化級間隔小；反之，量化間隔大。在13折線中，最小量化間隔為1/2048，最大量化間隔為1/32，共有128個量化級。在均勻量化的情況下，若要達(dá)到最小量化間隔，需要11個碼位，現(xiàn)在達(dá)到相同的信噪比，只要7個碼位即可以實現(xiàn)第二十三頁，共27頁。13折線A律編碼用第一位表示量化值的極性；第二至第四位（稱為段落碼）的8種可能狀態(tài)來分別代表8個段落的起點電平；其他4位碼（稱為段內(nèi)碼）的16種可能狀態(tài)用來分別代表每一段落的16個均勻劃分的量化級。結(jié)果是，8個段落被劃分成27＝128個量化級。第二十四頁，共27頁。增量調(diào)制△M可視為PCM的特例，它只用一位編碼，表示抽樣時刻波形的變化趨向，這一位碼反映了相鄰二抽樣值的近似差值，即增量?！痢痢恋诙屙?，共27頁。增量調(diào)制的特點