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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。,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。,
