通信原理简明教程第2版 邬正义第3章

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1、通信原理简明教程,第三章 信源编码,2,第三章 信源编码,3.1 信源编码的基本概念 语音信源的编码称为语音编码 图像信源的编码称为图像编码 本章内容通过语音编码技术来介绍信源编码 信源编码的基本功能 完成模/数（A/D）转换 提高信息传输的有效性,3,第三章 信源编码,语音编码技术可分为两大类 （1）波形编码 是将模拟信号的时域波形直接变换为数字代码的信源编码技术。 （2）参量编码 是利用信号处理技术提取语音信号中的特征参量，将特征参量变换为数字代码的间接编码方法。 使用比较广泛的几种波形编码方法有 脉冲编码调制（PCM） 差分脉冲编码调制（DPCM） 增量调制（DM）,4,第三章 信源编码

2、,3.2 脉冲编码调制（PCM） 脉冲编码调制（Pulse Code Modulation），简称脉码调制 PCM系统的原理框图,5,第三章 信源编码,在发送端，首先对输入模拟信号进行抽样，将时间上连续的模拟信号变成时间上离散的抽样信号 。为了有足够的时间进行量化，由保持电路将抽样信号作短暂保存，合称为抽样保持电路。 量化器将幅度上仍然连续的抽样信号进行幅度离散化，得到数字量。 编码器将量化后的数字量进行二进制编码，最终输出PCM信号。 编码后的PCM信号可以直接在信道中进行基带传输，也可以通过数字调制后进行频带传输。 接收端，译码器将收到的PCM信号还原成量化后的抽样样值脉冲序列，然后通过低

3、通滤波器滤除高频分量，便可得到与原输入信号十分相似的模拟信号。,6,第三章 信源编码,模拟信号数字化的过程包括三个主要步骤 抽样 量化 编码,7,第三章 信源编码,3.2.1 抽样与抽样定理 抽样将时间连续、取值也连续的模拟信号变为时间离散、取值连续的离散模拟信号。 这一步又称为脉冲振幅调制（Pulse Amplitude Modulation，PAM）。 抽样是模拟信号数字化的必经过程 。 如何才能避免因抽样而引起信号失真，就是抽样定理要解决的问题 。,8,第三章 信源编码,根据模拟信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分为低通抽样定理和带通抽样定理 。 根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非

4、等间隔的，可分为均匀抽样和非均匀抽样 。 根据用来抽样的脉冲序列是冲激序列还是非冲激序列，可分为理想抽样和实际抽样 。 实际抽样又可分为自然抽样和平顶抽样,9,第三章 信源编码,1、低通抽样定理,抽样频率fs应不小于fH的两倍 最低抽样速率2fH称为奈奎斯特速率 最小抽样时间间隔称为奈奎斯特间隔,对于频带被限制在（0， ）内的连续模拟信号 ，若以 的时间间隔对其进行等间隔（均匀）抽样，由此得到的抽样信号可以不失真地重建原信号 。,10,第三章 信源编码,模拟信号的抽样过程,11,第三章 信源编码,2、带通抽样定理,当fL很大，即为窄带信号时，无论fH是否为B的整数倍，只要满足最小抽样频率 fs

5、min2B即可。,12,第三章 信源编码,fs和fL关系曲线图,13,第三章 信源编码,3.2.2 量化 利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化 。 量化器将时间离散、取值连续的PAM信号变换为时间离散、取值也离散的量化信号(即多电平数字信号)。 设模拟信号的抽样值为m(kTs)，其中Ts是抽样周期，k是整数。现用N位二进制数字来代表此抽样值的大小，则只能有 M = 2N个不同的抽样值。因此，需要将抽样值的大小范围划分成 M个区间，每个区间用一个电平表示，称为量化电平。,14,第三章 信源编码,量化过程图,15,第三章 信源编码,图中，m(kTs)是模拟信号的抽样值 ，mq

6、(kTs)是量化后的信号量化值 ，q1, q2, q3,q4, q5, q6是量化电平 ，m1, m2, m3,m4, m5是量化区间的端点 。则量化过程可以由下面的公式给出：,mq(kTs) 和m(kTs)一般情况下总是不同的，这样，量化必然使输出产生误差，这个误差称为量化噪声 。 可以用信号功率与量化噪声功率之比（简称信号量噪比）来衡量此误差对于信号影响的大小 。 在实际应用中，量化过程通常和后续的编码过程结合在一起完成的，因此不一定存在独立的量化器 。,16,第三章 信源编码,根据量化区间是等间隔划分的还是非等间隔划分的，可以将量化分为两种情况 均匀量化 非均匀量化,17,第三章 信源编

7、码,1、均匀量化 均匀量化的表示 设模拟抽样信号的取值范围为（ a，b），量化电平数为 M，则在均匀量化时的量化间隔为 量化区间的端点为 第i个量化区间的量化电平为,i = 0, 1, , M,18,第三章 信源编码,均匀量化的平均信号量噪比 量化噪声功率的平均值Nq可以用下式表示： 式中，mk为输入模拟信号的抽样值，即 m(kTs)； mq为量化信号值，即mq(kTs)； f(mk)为mk的概率分布密度函数 ； E表示求统计平均值； M为量化电平数；,19,第三章 信源编码,输入信号信号mk的平均功率可以表示为 ： 若已知mk的功率密度函数，则由上两式即可求出平均信号量噪比。,20,第三章

8、信源编码,【例3.1】设一个均匀量化器的量化电平数为M，其输入信号抽样值在-a, a内均匀分布。试求该量化器的平均信号量噪比。 【解】 因为 所以有,21,第三章 信源编码,平均信号功率为 所以，平均信号量噪比为,22,第三章 信源编码,由上题结论可知： 均匀量化时，信号量噪比随量化电平数M的增大而提高。为了取得较高的量化精度， M需要取得大一点；但M过大，编码器的位数就要增加，因此 M的取值必须兼顾这两方面的要求。 对于一个给定的量化器，量化间隔v是确定的，所以量化噪声 Nq也是确定不变的 。但是，抽样信号的强度和大小可能会在很大范围内变化。当信号较大时，信号量噪比较大；当信号较小时，信号量

9、噪比也随之减小。在信号很小时，信号量噪比可能无法达到给定的要求。为了克服这一缺点，改善小信号时的信号量噪比，在实际应用中常采用非均匀量化的方法。,23,第三章 信源编码,2、非均匀量化 基本思想：当信号较大时，采用较大的量化间隔；当信号较小时，采用较小的量化间隔。这样，不论信号大小如何变化，量化信噪比基本保持不变。 实现方法：通常是将信号抽样值先进行非线性压缩，再进行均匀量化。,24,第三章 信源编码,压缩特性曲线 设输入电压为x，经非线性压缩后的输出电压为 y，输入电压x越小，量化间隔也越小，从而改善了小信号时的信号量噪比。,25,第三章 信源编码,目前广泛采用的两种压缩特性是A压缩律和压缩

10、律，它们的近似实现方法分别是13折线法和15折线法。 我国大陆、欧洲各国以及国际间互连时采用A律及相应的13折线法，北美、日本和韩国等少数国家和地区采用律及15折线法。,26,第三章 信源编码,（1） A压缩律及13折线法 A压缩律（简称A律）的压缩特性表达式 式中，x 归一化输入电压 y 归一化输出电压 A 压缩参数，表示压缩的程度，一般取A=87.6,27,第三章 信源编码,13折线压缩特性 A律的近似 A律表达式是一条连续的平滑曲线，用电子线路很难准确地实现。因此，实际应用中往往采用近似于A律的13折线法来实现，其特性曲线如下图所示 。,28,第三章 信源编码,考虑到输入电压x有正负极性

11、，所以在坐标系的第三象限还有对原点奇对称的另一半曲线，如图所示。因为第一象限及第三象限中的第一、第二段折线斜率都相同，所以这四段折线可合成一段折线。因此，在正负两个象限中共有13段折线，故简称A率13折线法。,29,第三章 信源编码,（2） 压缩律及15折线法 压缩律（简称律）的压缩特性表达式 式中，x 归一化输入电压 y 归一化输出电压 压缩参数，一般取=255,30,第三章 信源编码,15折线压缩特性 律的近似 由于律很难用电子线路准确实现，实际应用中常采用15折线法来近似实现，其特性曲线如图所示。,31,第三章 信源编码,当考虑到输入电压x的正负极性时，仅第一象限和第三象限的第一段折线斜

12、率相同，可以连成一段折线。所以，两个象限中得到的是15段折线，简称为律15折线法。,32,第三章 信源编码,3.2.3 编码与解码 编码是将时间离散、取值也离散的量化信号转变成二进制数字信号的过程。 编码的逆过程称为解码或译码。 1、码制的选择 编码可以采用二进制码，也可以采用多进制码。 考虑到二进制码具有较强的抗干扰能力，且易于产生，因此PCM的编码中一般采用二进制码。 按照二进制的自然规律排列的二进制码称为自然二进制码，这是最常见的二进制码。 在PCM的编码中，经常采用的却是另外一种码，称为折叠二进制码。,33,第三章 信源编码,自然二进制码与折叠二进制码的比较,34,第三章 信源编码,折

13、叠二进制码的优点 它用左边第1位表示信号的极性，而用剩下的其余位表示信号幅值的大小。当第1位确定极性后，双极性电压可以用单极性编码的方式来处理，从而简化编码过程。此外，由表中还可以看出，折叠二进制码若产生误码，对小信号的影响较小。在话音通信中，小信号出现的概率较大，因此，采用折叠二进制码有利于降低话音通信的噪声。,35,第三章 信源编码,2、编码位数的选择 PCM采用8位编码就可以满足通信质量的要求。 我国采用的A律13折线编码就采用8位二进制折叠码，其码位排列方法如图所示。,36,第三章 信源编码,第1位c1表示量化值的极性正负，正值用“1”表示，负值用“0”表示；后面的7位表示量化值的绝对

14、值大小。 第2至第4位（ c2 c3 c4 ）是段落码，表示量化值位于8段中的某一段落。将每一段落平均分为16个量化间隔，取每个量化间隔的中间值为量化电平。 最后4位（ c5 c6 c7 c8 ）为段内码，表示量化值所在某一段落内16个量化间隔中的某一量化间隔的量化电平。 其中，第1段和第2段最短，其量化间隔为1/2048，称此量化间隔为1个量化单位。,37,第三章 信源编码,段落码编码规则,38,第三章 信源编码,段内码编码规则,39,第三章 信源编码,【例3.2】设输入信号抽样值的归一化动态范围在-1至+1之间，将此动态范围划分为4096个量化单位，即将1/2048作为一个量化单位。当输入

15、抽样值为+1270个量化单位时，采用A律13折线编码，试求编码器输出码组，并计算量化误差。 【解】设编码器输出码组为c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8 ，则有： （1）确定极性码c1 ：因为输入抽样值+1270为正极性，所以c1 =1。 （2）确定段落码c2 c3 c4 ：由段落码编码规则表可见，输入抽样值1270个量化单位落在第8段，因此，段落码c2 c3 c4 =111。 （3）确定段内码c5 c6 c7 c8 ：由于输入抽样值落在第8段内，即段落范围为10242048个量化单位。现将第8段均匀地划分为16个量化间隔，则每个量化间隔为64个量化单位。由段内码的编码规则可得到段内

16、码与抽样值的关系，如下表所示。由表可见，输入抽样值1270个量化单位落在第8段内的第3个量化间隔中，即12161280个量化单位之中，因此，段内码c5 c6 c7 c8 =0011。 所以，编码器输出码组为c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8 =11110011。,40,第三章 信源编码,由上面分析可知，输入抽样值位于第8段内的第3个量化间隔中，取该量化间隔的中点(1216+1280)/2=1248（量化单位）为输出量化电平。将输入抽样值和此量化电平相比，可得量化误差为1270-1248=22（量化单位）。,41,第三章 信源编码,3、编码/译码原理 PCM编码的实现方法和实现电路有很多，比较常用的是逐次比较型编码及译码。 逐次比较型编码器原理框图 如下所示,42,第三章 信源编码,整流器：将输入的双极性信号变成单极性信号，并输出极性码c1 。 保持电路：在整个编码周期内保持输入信号的幅值不变。 比较器：是编码器的核心。它将输入信号电流