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1、1第 4 章模拟信号的编码传输2第 4 章模拟信号的编码传输本章要点本章要点抽样定理脉冲编码调制（PCM）调增量调制（M）-M、DPCM和数字音节压扩系统语音与图像压缩编码简介第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院3第 4 章模拟信号的编码传输1 抽样抽样 概念：抽样又可称为取样或者采样。概念：抽样又可称为取样或者采样。任务：是对模拟信号进行时间上的离散化处理，即每隔一任务：是对模拟信号进行时间上的离散化处理，即每隔一段时间对模拟信号抽取一个样值。段时间对模拟信号抽取一个样值。2 抽样定理抽样定理3.1 抽样定理抽样定理SfH21一个频带限制
2、在（一个频带限制在（0，fH）Hz内时间连续的信号内时间连续的信号f(t)，如果以，如果以的时间对其进行等间隔抽样，则的时间对其进行等间隔抽样，则f(t)将被得到的抽样值完全确将被得到的抽样值完全确定。定。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院4第 4 章模拟信号的编码传输抽样定理模型可用一个乘法器表示抽样定理模型可用一个乘法器表示即即ms（t）=m（t）s（t）式中：式中：s（t）是重复周期为）是重复周期为Ts、脉冲幅度为、脉冲幅度为1、脉冲宽度为、脉冲宽度为的周期性脉冲序列，即抽样脉冲。的周期性脉冲序列，即抽样脉冲。可以看出：可以看出：s
3、（t）1时，时，ms（t）m（t）；）；s（t）0时，时，ms（t）0 第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院5第 4 章模拟信号的编码传输样值信号频谱：样值信号频谱：S（t）的傅立叶）的傅立叶级数级数表示为：表示为：式中：式中：=+=10cos2)(nsntnAAtssssfT22=sTA=0则：则：22sinsssnnnTA=+=ttmAttmAtmAtstmtmsss2cos)(2cos)(2)()()()(210tntmAsncos)(2第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院6第 4
4、 章模拟信号的编码传输若若m（t）为）为单单一频一频率率的的正弦波正弦波，即即则式中则式中各项所包含各项所包含的频的频率成分分别率成分分别为：为：第第一一项项：，第二项第二项：s；第三项第三项：2；第第n项项：n结论结论：抽样抽样后后信号的频信号的频率成分除含有外率成分除含有外，还有还有ns的上、的上、下边下边带；带；第第一一项项中中包含了原包含了原模拟信号的全模拟信号的全部部信信息息，只只是幅度是幅度差差倍倍。tAtm=sin)(sT第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院7第 4 章模拟信号的编码传输若若m（t）信号的频）信号的频率率为为f
5、LfH，即为一定带宽信号，其，即为一定带宽信号，其m（t）、）、s（t）、）、ms（t）信号频谱）信号频谱及波形及波形如如图所图所示。示。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院8第 4 章模拟信号的编码传输结论结论：只要只要频谱间频谱间不发生不发生重重叠现象叠现象，在，在接收端就接收端就可可通过截止通过截止频频率率为为fc=fH的理的理想低通滤波想低通滤波器器从从样值信号中取出样值信号中取出原原模拟信号。模拟信号。因此因此，对对于低于低频频频频率率fL很低很低，最高最高频频率率为为fm的模拟信号的模拟信号来说来说，只要只要抽样抽样信号频信号频
6、率率fs2fm，在，在接收端就接收端就可可不失真地不失真地取出取出原原模拟信号。模拟信号。抽样信号抽样信号s（t）的重复频）的重复频率率fs必须不小于必须不小于模拟信号模拟信号最高最高频频率率的的两倍两倍，即，即fs2fm，它它是模拟信号是模拟信号数字数字化的理化的理论根据论根据。实际滤波实际滤波器的器的特特性性不不是理是理想想的，的，因此常因此常取取fs2fm。在在选选定定fs后后，对模拟信号的，对模拟信号的fm必须给予必须给予限制。其限制。其方方法为在抽法为在抽样样前加前加一一低通滤波低通滤波器，限制器，限制fm，保证保证fs2fm。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传
7、输桂林电子科技大学北海职业技术学院9第 4 章模拟信号的编码传输3 信号的重信号的重建建利利用一用一低通滤波低通滤波器即可完器即可完成成信号重信号重建建的任务。的任务。由前由前面面分分析知道析知道，样值信号中，样值信号中原原模拟信号的幅度模拟信号的幅度只只为抽样为抽样前前的的倍倍。因因为为很很窄窄，所所以以还原还原出的信号幅度出的信号幅度太太小小。为。为了了提升提升重重建建的的语音语音信号幅度，信号幅度，通常通常采取采取加加一一展展宽宽电路电路，将样，将样值脉冲值脉冲展展宽为宽为Ts，从从而提升而提升信号幅度。信号幅度。理理论论和和实实践践表表明明：加加展展宽宽电路电路后后，在，在PAM信号中
8、，信号中，低低频信号频信号提升提升的幅度的幅度多多，高高频信号频信号提升提升的幅度的幅度小小，产产生了失真生了失真。为。为了了消消除除这种影响这种影响，在，在低通滤波低通滤波器器之之后加后加均衡电路均衡电路。要要求均衡电求均衡电路路对对低低频信号频信号衰减大衰减大，对，对高高频信号频信号衰减衰减小小。sT第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院10第 4 章模拟信号的编码传输在在数字通数字通信信系统系统中，脉冲中，脉冲编码调编码调制制通通信是信是数字通数字通信的信的主主要形要形式式之之一。一个一。一个基基带带传输传输PCM单单向向通通信信系统系
9、统如如图所图所示。示。3.2 脉冲脉冲编码调编码调制（制（PCM）第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院11第 4 章模拟信号的编码传输 发发信信端端：完：完成成A/D变换变换，主主要要步骤步骤为抽样、为抽样、量量化、化、编编码码。收收信信端端：完：完成成D/A变换变换，主主要要步骤步骤是是解码解码、低通滤波低通滤波。信号在信号在传输传输过过程程中中要要受受到到干扰和衰减干扰和衰减，所所以每隔一段以每隔一段距距离离加加一个一个再再生生中中继继器，器，使使数字数字信号信号获获得得再再生生。为为了了使使信信码适合码适合信信道传输道传输，并并有有一
10、定的一定的检测能力检测能力，在，在发发信信端加有端加有码码型型变换电路变换电路，收收信信端加有端加有码码型型反变换电路反变换电路。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院12第 4 章模拟信号的编码传输抽样、抽样、量量化、化、编码编码过过程程的示的示意意图图：图图b：根据根据抽样定理，抽样定理，m(t)经经过过抽样抽样后后变变成了成了时间离散、幅度时间离散、幅度连续的信号连续的信号mS(t)。图图c：将其：将其送入量送入量化器，化器，就就得到得到了了量量化化输输出信号出信号mq(t)。这里这里采采用用了了“四舍五入四舍五入”法将每一个连续法将每
11、一个连续抽样值抽样值归归结结为为某某一一临近临近的的整整数数值，即值，即量量化化电平电平，这里这里采用采用了了8个个量量化化级级，将，将图图(b)中中7个个准准确样值确样值4.2、6.3、6.1、4.2、2.5、1.8、1.9分别分别变换变换成成4、6、6、4、3、2、2。图图d：量量化化后后的离散样值可以用的离散样值可以用一定一定位位数数的的代码代码来来表示，表示，也也就就是是对其进行对其进行编码编码。因因为为只有只有8个个量量化化电平电平，所所以可用以可用3位位二二进制进制码码来来表表示。示。图图d是用是用自然自然二二进制进制码码对对量量化化样值进行样值进行编码编码的的结结果。果。第第 3
12、 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输13第 4 章模拟信号的编码传输二二进制进制编码位编码位数数与量与量化化电平电平数数目目的的关系关系：如果如果有有M个个量量化化电平电平，则，则需需要要的的二二进制进制码位码位数数n为为2nM=进制进制编码位编码位数数与量与量化化电平电平数数目目M的的关系关系：如果用如果用进制脉冲进行进制脉冲进行编码编码，n个个码元码元所所代代表的表的量量化化电平电平数数目目为为nM=但但实际实际中，中，实现实现这种这种方方法的法的电路较电路较复复杂杂，因此因此，实实用用电路电路中中常常常常在在发发信信端端采用取采用取整量整量化，在化，在收收信信端端再再加加上
13、上半半个个量量化化级差级差的的方方法。法。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院14第 4 章模拟信号的编码传输3.2.1 量量化化1.量量化的任务化的任务将抽样将抽样后后的信号在幅度上离散化，即将模拟信号的信号在幅度上离散化，即将模拟信号转换转换为为数字数字信信号。号。做做法：将法：将PAM信号的幅度信号的幅度变变化化范围划范围划分分为为若若干干个个小小间隔，每一间隔，每一个个小小间隔间隔叫叫做做一个一个量量化化级级。相邻相邻两两个样值的个样值的差差叫叫做量做量化化级差级差，用，用表示。表示。当当样值样值落落在在某某一一量量化化级级内时，内
14、时，就就用用这这个个量量化化级级的中间值的中间值来来代代替替。该该值称为值称为量量化值。化值。2.量量化化误误差差用用有有限个限个量量化值表示化值表示无无限个取样值，限个取样值，总总是是含有含有误误差差的。的。由于由于量量化化而而导致导致的的量量化值化值和和样值的样值的差差称为称为量量化化误误差差，用，用e（t）表示。）表示。即即e（t）量量化值化值-样值样值第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院15第 4 章模拟信号的编码传输均均匀匀量量化化量量化化非非均均匀匀量量化化一一.均均匀匀量量化化1定定义义均均匀匀量量化的化的量量化化级差级差是是
15、均均匀匀的。或者的。或者说说，均均匀匀量量化的化的实实质质是是不不管管信号的信号的大大小小，量量化化级差级差都相同都相同。如如图图（a）所所示。示。2.量量化化曲线曲线该该量量化化特特性性曲线共曲线共分分8个个量量化化级级，量量化化输输出取出取其其量量化化级级的中间值。的中间值。量量化化误误差差与输入电与输入电压压的的关系关系曲线曲线如如图图（b）所所示。示。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院16第 4 章模拟信号的编码传输当当输入输入信号幅度在信号幅度在44之之间时，间时，量量化化误误差差的的绝绝对值对值都都不不会超会超过过，这这段段范
16、围范围称为称为量量化的化的未未过过载区载区。在在未未过过载区载区产产生生的的噪声噪声称为称为未未过过载载量量化化噪声噪声。当当输入电输入电压压幅度幅度u（t）4或或u（t）128x21 ur3512us=1270512x31 ur41024us=12701024x41 x2x4111说说明明该该样值样值属属于第于第大大段，其段段，其段落落起始起始电平电平段段落落差差1024 864（3）段内）段内码码x5x8：102410241536us=12701536x50102410241280us=12701152x711024102410241216 us=12701216 x81 例例第第 3 章
17、 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输32第 4 章模拟信号的编码传输x1x2x3x4x5x6x7x8取样值为取样值为1270的的PCM码码为为1 1 1 1 0 0 1 1在在收端收端，解码电平解码电平码码字字电平电平81216641248量量化化误误差差22（2）编码编码器的器的构构成成第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院33第 4 章模拟信号的编码传输极极性性判决判决电路电路是将样值信号是将样值信号us与与下下权权值值ur10进行进行比比较较，根据根据样值样值的的正正或或负负确定确定极极性性码码x1是是1还还是是0。幅度幅度比
18、比较电路较电路是是根据根据全全波波整整流流电路送电路送来来的的us和和uri（i28）的）的比比较较结结果确定幅度果确定幅度码码x2x8。本本地地解码电路解码电路由由记忆记忆电路电路，7/11变换电路变换电路，11个个控控制制逻辑开逻辑开关和关和11个个恒恒压压源源（或（或恒流源恒流源）组组成成。3.解码解码器器解码解码器是完器是完成数成数模模变换变换的的部部件件，通常通常又称为又称为数数模模变换变换器，器，简记简记为为DAC。PCM接收端接收端译译码码器的器的工作工作原原理理与与本本地地译译码码器器基基本本相同相同，唯唯一一不不同同之之处是处是接收端接收端译译码码器在器在译译出幅度的出幅度的
19、同同时，时，还要还要恢恢复出信号的复出信号的极极性。性。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院34第 4 章模拟信号的编码传输3.2.3 PCM系统系统的的噪声噪声性性能能PCM系统输系统输出的信号是模拟信号，出的信号是模拟信号，因此因此系统系统的可的可靠靠性性仍仍然然可可用用系统输系统输出信出信噪比噪比来来衡量衡量。PCM系统系统的的噪声噪声来来自自两方两方面面，即，即量量化化过过程程中中形成形成的的量量化化噪声噪声，以，以及及在在传输传输过过程程中中经经信信道道混混入入的的加加性性高高斯白斯白噪声噪声。因此通常因此通常将将PCM系统输系统
20、输出出端端总总的信的信噪比噪比定定义义为为式中，式中，S0系统输系统输出出端端信号的信号的平均平均功功率率；Nq系统输系统输出出端端量量化化噪声噪声的的平均平均功功率率；Ne系统输系统输出出端端信信道道加加性性噪声噪声的的平均平均功功率率。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院35第 4 章模拟信号的编码传输一一.量量化对化对噪声噪声系统系统的的影响影响PCM系统输系统输出出端端的的量量化信号化信号与量与量化化噪声噪声的的平均平均功功率率比比为为对对于二于二进制进制编码编码，设设其其编码位编码位数数为为n，则上式又可，则上式又可写写为为nqN
21、S202=二二.加加性性噪声噪声对对系统系统的的影响影响仅考虑仅考虑信信道道加加性性噪声噪声时时PCM系统系统的的输输出信出信噪比噪比为为第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院36第 4 章模拟信号的编码传输三三.PCM系统系统接收端接收端输输出信号的出信号的总总信信噪比噪比可可求求得得PCM系统输系统输出出端端总总的信号的信号噪声功噪声功率率比比为为nenePCMPPMMNS222200241241+=+=当误当误码码率率较较低低时，时，例例如如Pe，为，为了不发生过了不发生过载载失真失真，fs的取值的取值远远远远高于高于PCM系统系统的抽
22、样频的抽样频率率。例例如，如，M系统系统的的动态范围动态范围(D)M定定义义为为最最大大允允许许编码编码幅度幅度Amax=fs/2f与与最小最小可可编码电平编码电平Amin=/2的的之之比比，即，即ffAAslog20log20(D)minmaxM=第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院45第 4 章模拟信号的编码传输若若设设语音语音信号的频信号的频率率为为f=1kHz，并并要要求求其其变变化的化的动态范围动态范围为为40dB，则，则有有因此不发生过因此不发生过载载，fs的取值为的取值为在在PCM系统系统中，对中，对于于频频率率为为1kHz的
23、的语音语音信号进行抽样，抽样频信号进行抽样，抽样频率率为为2kHz。与之与之相比相比，M系统系统的的fs比比PCM系统系统的抽样频的抽样频率率大大很很多多。在抽样频在抽样频率率和量和量化化阶阶距电距电压都压都一定一定的的情况情况下下，为，为了了避免避免过过载载发生发生，输入输入信号的频信号的频率率和和幅度幅度关系关系应应保保持持在在图图中中过过载载特特性性所所示的示的临临界界线线之之下下。40log20=ffskHzfs300第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院46第 4 章模拟信号的编码传输在在临临界界情况情况下下，该该式式说说明明，输入
24、输入信号信号所所允允许许的的最最大大幅度幅度与与fs成正成正比比，与输入与输入信号的频信号的频率成率成反反比比，因此因此输入输入信号幅度的信号幅度的最最大大允允许许值值必须必须随随信号信号频频率率的上的上升而升而下下降降。频频率率增增加加一一倍倍，幅度，幅度必须下必须下降降6dB。这这正正是是增增量调量调制制不不能能实实用的用的原因原因。在在实际实际应应用中，用中，多多采用采用M的的改改进型进型总总和和增增量调量调制制(-M)系统和系统和数字数字压扩压扩调调制。制。ffAs2max=第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院47第 4 章模拟信号
25、的编码传输3.3.3 增增量调量调制制系统系统的的抗抗噪声噪声性性能能一一.量量化化产产生生的的量量化信化信噪比噪比M系统输系统输出出最最大大的信的信噪比噪比为为:式中式中:fs为抽样频为抽样频率率，fc为信号的频为信号的频率率，fm为为低通滤波低通滤波器的器的截止截止频频率率。二二.由于加由于加性性干扰干扰噪声噪声的的误误码码信信噪比噪比第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院48第 4 章模拟信号的编码传输考虑考虑到到量量化信化信噪比噪比及及误误码码信信噪比噪比，M系统输系统输出出总总信信噪比噪比由下由下式式决决定定当误当误码码率很小率很小
26、时，时，M系统系统的的输输出信出信噪比噪比主主要由要由量量化信化信噪比噪比决决定。定。4.3.4 PCM和和M的性的性能能比比较较在在不不同同的的n值值情况情况下下，PCM与与M系统系统的的比比较较曲线曲线如如图所图所示。示。可以看出，在可以看出，在相同相同的的传输传输速速率率下下，如果，如果PCM系统系统的的编码位编码位数数n小小于于4，则，则它它的性的性能能将将比比f=1000Hz，fm=3000Hz的的M系统系统差差；如果；如果n4，PCM的性的性能能将将超超过过M系统系统，且且随随n的的增增大大，性，性能能越越来来越好越好。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输49
27、第 4 章模拟信号的编码传输增增量调量调制制与与PCM比比较较有有如如下特下特点点:1在在比比特率特率较较低低时，时，增增量调量调制的制的量量化信化信噪比噪比高于高于PCM；2增增量调量调制制抗抗误误码码性性能能好好，可用，可用于于比比特特误误码码率率为为102103的信的信道道，而而PCM则则要要求求104106；3增增量调量调制制通常通常采用采用单单纯纯的的比比较较器器和和积积分分器器作作编编译译码码器器（预预测测器），器），结结构构比比PCM简简单单。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院50第 4 章模拟信号的编码传输3.4 -M、D
28、PCM和和数字数字音音节节压扩压扩系统系统3.4.1 总总和和增增量调量调制制(M)我们我们知道知道，对，对于高于高频频成分成分丰富丰富的的输入输入信号信号m(t)，由于由于其在其在波形波形上上急剧急剧变变化的时化的时刻刻比比较多较多，所所以，如果以，如果直直接接进行进行M调调制，则制，则往往往往造造成成阶梯阶梯波形波形m(t)跟跟不不上上m(t)的的变变化，化，产产生生比比较较严严重的重的过过载噪载噪声声；而而对对低低频频成分成分丰富丰富的的输入输入信号信号m(t)，由于由于其在其在波形波形上上缓慢缓慢变变化的时化的时刻刻比比较多较多，当当幅度的幅度的变变化在化在/2以内，又以内，又会会出出
29、现现连续的连续的“0”、“1”交交替替码码，导致导致信号信号平平稳稳期间幅度信期间幅度信息息的的丢丢失失。总总和和增增量调量调制制技术技术解解决决了了这这一一问题问题，其，其基基本本思思想想是，在是，在发发送送端端让让输入输入信号信号m(t)先先通过通过一个一个积积分分器，器，然然后后再再进行进行增增量调量调制。制。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院51第 4 章模拟信号的编码传输积积分分器的器的作作用是用是使使m(t)波形波形中中原来原来变变化化急剧急剧的的部分部分变变得得缓慢缓慢，而而原来原来变变化化平平直直的的部分部分变变得得比比较
30、较陡峭陡峭，这这样样就就可以可以解解决决原原输入输入信信号号急剧急剧变变化时化时易易出出现过现过载载失真失真和和缓慢缓慢变变化时化时易易出出现现空空载载失真失真的的问问题题。由于由于对对m(t)先先积积分分再再进行进行增增量调量调制，制，所所以在以在接收端接收端解调解调以以后后要要再再增增加加一一级级微微分分器，以器，以便便恢恢复出复出原原信号。信号。实际实际上，上，由于接收端由于接收端的的积积分分器器和和微微分分器的器的相相互抵互抵消消作作用，用，所所以，在以，在M系统系统的的接收接收端只端只需需要要一个一个低通滤波低通滤波器器就就可以可以恢恢复出复出原原信号。其信号。其系统系统构构成成框框
31、图图如如图所图所示。示。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院52第 4 章模拟信号的编码传输与与M系统系统类类似似，M系统也系统也会会发生过发生过载载现象现象。在在M系统系统中，中，输入输入信号信号先先经经过过积积分分器，器，然然后后再再进行进行增增量调量调制。制。这这时上时上图图中中减减法器的法器的输入输入信号为信号为=dttmtg)()(因此因此，M系统系统不发生不发生斜斜率过率过载载的的条件应条件应为为sfdttdgmax)(由于由于maxmax)()(tmdttdg=所所以上式又可以上式又可写写为为sftmmax)(为为了了与与M系
32、统系统比比较较，仍设仍设输入输入为为单单音音频信号频信号m(t)=Asinkkt。若要若要求求不发生过不发生过载载现象现象，则，则必须必须满足满足sfA第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院53第 4 章模拟信号的编码传输或或写写为为Afs由此由此看出，看出，M系统系统不发生过不发生过载载的的条件条件与与信号的频信号的频率率fk无无关关。这意这意味着味着M系统系统不不仅仅适合适合于于传输传输缓慢缓慢变变化的信号，化的信号，也适也适合合于于传输传输高高频信号。频信号。由于两由于两个信号个信号积积分后分后的的结结果果相相减减，与与先先相相减减后后
33、积积分分是等是等效效的，的，所所以以图图4.22中的中的差差值信号值信号e(t)可以可以写写成成=dttptmdttpdttmte)()()()()(这这样样就就可以可以把把发发送送端端的的两两个个积积分分器器合并合并成成为在为在相相减减器器后后的一个的一个积积分分器。器。合并合并后后的的M系统系统组组成成如如下图所下图所示。示。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院54第 4 章模拟信号的编码传输3.4.2 数字数字压扩压扩自适自适应增应增量调量调制制在在增增量调量调制制系统系统中，中，量量化化阶阶距距是是固固定定不不变变的。的。因此因此，
34、当当输入输入信号出信号出现现剧烈剧烈变变化时，化时，系统系统就就会会过过载载。为。为了了克服克服这这一一缺缺点点，希望希望值值能能随随f(t)的的变变化化而自而自动动地地调整大调整大小小，这这就就是是自适自适应增应增量调量调制制(AM)的概念。的概念。它它的的基基本本思思想想是是要要求量求量阶随阶随输入输入信号信号m(t)的的变变化化而自而自动动地地调调整整，即在，即在检测检测到到斜斜率过率过载载时时开始开始增增大量大量阶阶；斜斜率率减减小小时时降降低低量量阶阶。目目前前，自适自适应增应增量调量调制的制的方方法法有有多种多种，采用，采用较较为为广泛广泛的是的是数字数字压扩增压扩增量调量调制制系
35、统系统，它它是是数字数字检测检测、音音节节压缩压缩与与扩张扩张自适自适应应增增量调量调制的制的简简称，其称，其工作工作原原理理框框图图如如下图所下图所示。示。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院55第 4 章模拟信号的编码传输与与M系统系统相比相比，增增加了数字加了数字检测电路检测电路、平平滑滑电路和电路和脉冲幅度脉冲幅度调调制制电路电路。数字数字检测检测指指的是，的是，自适自适应应地地改改变量变量阶阶的的控控制信制信息息。音音节节是是指指输入输入信号信号包包络络变变化的一个周期。化的一个周期。这这个周期一个周期一般般是是随随机机的，的，但
36、但大量统大量统计计证证明明，这这个周期个周期趋趋于于某某一一固固定值。确定值。确切讲切讲，音音节节指指的的就就是是这这个个固固定值。对定值。对于于话话音音信号信号而而言言，一个，一个音音节节一一般般约约为为10ms。那么那么，音音节节压扩指压扩指的是的是量量阶阶并并不不瞬瞬时时地地随随输入输入信号幅信号幅度度变变化，化，而而是是随随输入输入信号的信号的音音节节变变化。化。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院56第 4 章模拟信号的编码传输由由M系统系统的的原原理可理可知知，在，在输入输入信号信号斜斜率率的的绝绝对值对值很很大大时，时，M系统
37、系统的的编码输编码输出中出中就就会会出出现很现很多多的连的连“1”码码(对对应应正正斜斜率率)或连或连“0”码码(对对应负斜应负斜率率)。连。连“1”或连或连“0”码码的的数数越越多多，说说明明信号的信号的斜斜率就率就越越大大。可。可见见，编码输编码输出信号中出信号中包含包含着着斜斜率率大大小小的信的信息息。数字数字检测检测器的器的作作用用就就是是检测检测连连“1”或连或连“0”码码的的长长度。度。当当它它检测检测到一定到一定长长度的连度的连“1”或连或连“0”码码时，时，就就输输出一定宽度的脉冲，连出一定宽度的脉冲，连“1”或连或连“0”码码越越多多，检测检测器器输输出的脉冲宽度出的脉冲宽度
38、就就越越宽。宽。然然后后，将，将这这个个输输出脉冲出脉冲加加到到平平滑滑电路电路进行进行音音节节平均平均。平平滑滑电路电路实际实际上是一个上是一个积积分分电路电路，它它的时间的时间常数常数与语音与语音信号的信号的音音节节相相近近(为为5 20ms)。因此因此，它它的的输输出信号是一个以出信号是一个以音音节节为时间为时间常数常数缓慢缓慢变变化的化的控控制制电电压压，其，其电电压压的幅度的幅度与语音与语音信号的信号的平均平均斜斜率成正率成正比比。在在这这个个电电压压的的作作用用下下，PAM使输入使输入端端的的数字数字码码流流脉冲幅度得到脉冲幅度得到加加权权。控控制制电电压越压越大大，PAM输输出的
39、脉冲幅度出的脉冲幅度就就越越高高，反之反之就就越越低低。这这就就相当相当于于本本地地译译码输码输出信号的出信号的量量化化阶阶距距随控随控制制电电压压的的大大小小线线性性地地变变化。化。由于由于控控制制电电压压在在音音节节内内已已被被平平滑滑，因此因此可以可以认认为在一个为在一个音音节节内内它它基基本本上是上是不不变变的，在的，在不不同同的的音音节节内内才才发生发生变变化。化。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院57第 4 章模拟信号的编码传输3.4.3 差分差分脉冲脉冲编码调编码调制制(DPCM)在在图图像像编码编码中一中一般般采用采用差分
40、差分脉冲脉冲编码调编码调制制(DPCM)来来压缩压缩数数码码率率，其，其工作工作原原理如理如图所图所示。示。DPCM综综合合了了PCM和和M的的特特点点。它它与与PCM的的区区别别是：是：PCM系统系统是对信号抽样值进行是对信号抽样值进行独独立立编码编码，与与其其它它抽样值抽样值无无关关，而而DPCM则是对信号抽样值则是对信号抽样值与与信号信号预预测测值的值的差差值值进行进行量量化、化、编码编码。它它与与M的的区区别别是：是：M系统系统是用一是用一位位二二进进码码表示表示增增量量，而而在在DPCM中是用中是用N位位二二进进码码表示表示增增量量。所所以以说它说它是是介介于于PCM和和M之之间间的
41、一的一种调种调制制方方式。式。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院58第 4 章模拟信号的编码传输由于由于DPCM是对是对差差值进行值进行编码编码，而而差差值信号的幅度值信号的幅度要要比比原原始始信号信号的幅度的幅度小小得得多多，因此因此可以用可以用较较少少的的位位数数对对差差值信号进行值信号进行编码编码。在在较较好好图图像像质质量量的的情况情况下下，每一抽样值，每一抽样值只只需需4比比特就特就够够了了，所所以以大大大大压缩压缩了了传送传送的的比比特率特率。另另外外，在，在比比特率特率相同相同的的条件条件下下，DPCM比比PCM信信噪比改善
42、噪比改善1417dB。与与M相比相比，由于它由于它增增加了加了量量化化级级，所所以以它它的信的信噪比改善噪比改善程程度度也也优优于于M。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院59第 4 章模拟信号的编码传输DPCM的的缺缺点点是是抗抗传输传输噪声噪声的的能力能力差差，即在，即在抑抑制信制信道道噪噪声声方方面面不不如如M。因因为为发生发生误误码码时在时在M中中只只产产生生一个一个增增量量的的变变化，化，而而在在DPCM中中就就可可能产能产生生几几个个量量阶阶的的变变化，化，从从而输而输出出较大较大的的输输出出噪声噪声。因此因此，DPCM很很少少
43、独独立立使使用，一用，一般般要结要结合合其其它它的的编码编码方方法法使使用。用。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院60第 4 章模拟信号的编码传输3.4.4 增增量调量调制制解调解调器器芯片芯片MOTOROLA公公司司生生产产的连续可的连续可变变斜斜率率增增量调量调制制解调解调器（器（CVSD）电路电路芯片芯片共共有有四种四种，它它们们是是MC3417、MC3418、MC3517和和MC3518。相同功相同功能能的的芯片芯片还有还有HARRIS公公司司生生产产的的HC55564、HC55536等。等。这这些芯片些芯片主主要要应应用用在在低
44、低传输传输数数码码率率的的军事军事、野野外及外及保保密密数字数字电电话话通通信信设设备备和和M程程控控数字数字交交换换机机中，中，右右图所图所示为示为MC3418的的原原理理功功能能框框图图。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院61第 4 章模拟信号的编码传输话话音音、图图像像、数据数据等等都都是是携携带信带信息息的的主主要要载体载体，其中，其中语音和语音和图图像像属属模拟信号模拟信号范范畴畴。由于数字通由于数字通信信和和模拟模拟通通信信比比较较有有较多较多的的优优点点，将，将语音和语音和图图像像信号信号通过通过编码编码以以实现数字实现数字
45、化是化是必必然然趋势趋势。但但数字数字化的化的语音和语音和图图像像与与模拟时模拟时相比相比，需需要要用用较较高高的的数数码码率率，占占用用较大较大的带宽的带宽和和存存储空储空间，是间，是语音和语音和图图像像数字数字化的化的主主要要障碍障碍。压缩压缩数字数字化化语音和语音和图图像像信信号的信信号的数数码码率率是是实现实现语音和语音和图图像像数数字字化的化的关关键键。编码编码技术技术的的核心核心就就是是研究研究编码编码算算法，用法，用尽尽可可能能低低的的数数码码率率获获得得尽尽可可能能好好的的语音和语音和图图像像质质量量。3.5 语音与语音与图图像像压缩压缩编码编码简简介介第第 3 章 模拟信号的
46、数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院62第 4 章模拟信号的编码传输3.5.1 语音语音压缩压缩编码编码简简介介音音频信号可频信号可分分为为话话音音信号信号和和声声音音信号信号两两大大类类。语音语音信号信号通常通常又被称为又被称为话话音音信号，一信号，一般般是是指指人讲话人讲话时时发发出的出的声声音音，其频，其频率率范围范围通常通常为为0.33.4kHz。语音语音信号是信号是公公用用电电话交话交换换网网传输传输的对的对象象。在在传输传输速速率率一定的一定的情况情况下下，衡量语音衡量语音压缩压缩算算法法好好坏坏的的主主要要指指标标是重是重建建信号的可信号的可懂懂度度
47、和自然和自然度。度。而而声声音音信号是信号是指指人人的的听觉听觉器器官官所所能能分分辨辨的的声声音音，通常通常又称其为又称其为自然自然声声，其频谱，其频谱从从3Hz、4Hz一一直直扩扩展展到到20kHz以上。以上。对对声声音音压缩压缩的的基基本本要要求求是是高高的抽样的抽样率率，好好的时间的时间/频频率分率分辨辨率率，大大的的动态范围动态范围和和低低的的失真失真度，度，且且对对音音源源的性的性质质没没有有任任何假何假设设。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院63第 4 章模拟信号的编码传输从从编码编码方方法上法上讲讲，语音语音压缩压缩编码编
48、码可以可以分分为为波形波形编码编码、参参量编码和量编码和混混合编码合编码三三大大类类。波形波形编码编码方方法可以法可以获获得得较较高高的的语音语音质质量量，但但数据数据压缩压缩量量不不大大。常常见见的的语音编码语音编码国国际际标标准准有有脉冲脉冲编码调编码调制制(PCM)的的律律或或A律压缩律压缩，即，即国国际际电电信信联联盟盟ITUT的的G.711标标准准；自适自适应应差分差分脉脉码调码调制制(ADPCM)，即，即ITUT的的G.721标标准准；子子带带编码编码的的自适自适应应脉脉码调码调制制(SBADPCM)，即，即ITUT的的G.722标标准准等等。等等。第第 3 章 模拟信号的数字化传
49、输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院64第 4 章模拟信号的编码传输参参量编码量编码是是根据根据输入语音输入语音信号信号分分析析出模型出模型参参数数，并传并传送送给接收端给接收端，接收端根据接收端根据得到的模型得到的模型参参数数重重新新合合成成语音语音信信号。号。这种编码这种编码方方法法并并不不是是忠忠实地实地反反映映输入输入信号的信号的原原始始波波形形，而而是是着着眼眼于于人人耳耳的的听觉听觉特特性，以性，以保证保证解码语音解码语音信号的信号的可可懂懂度度和自然和自然度为度为目目标标。参参量编码量编码可以可以大大大大地地降降低低编码编码速速率率。混混合编码合编码是是把把
50、波形波形编码编码的的高高质质量和量和参参量编码量编码的的低数据低数据率率相相结结合合，因此因此可以得到可以得到较较高高的的语音语音质质量和较量和较好好的的压缩压缩效效果，是果，是语音编码语音编码的的发发展展方方向向。第第 3 章 模拟信号的数字化传输章 模拟信号的数字化传输桂林电子科技大学北海职业技术学院65第 4 章模拟信号的编码传输其中其中效效果果较较好好的的混混合编码合编码方方法法有有多多脉冲脉冲线线性性预预测编码测编码MPLPC、码码激励激励线线性性预预测编码测编码CELPC(Code Excited Liner Prediction Coding)；规规则脉冲则脉冲激励激励长长时时预