模擬信號(hào)數(shù)字化

1、第3章 模擬信號(hào)數(shù)字化抽樣抽樣 3.1量化量化 3.2pcmpcm編碼、譯碼編碼、譯碼 3.3pcmpcm解碼解碼 3.4 子帶編碼子帶編碼sbcsbc3.6增量調(diào)制增量調(diào)制 3.5參量編碼參量編碼 3.7 本章節(jié)教學(xué)說(shuō)明本章重點(diǎn)學(xué)習(xí)模擬信號(hào)數(shù)字化的3個(gè)過(guò)程：取樣，量化，編碼本章主要介紹模擬信號(hào)數(shù)字化的相關(guān)原理和方法本章系統(tǒng)介紹了模擬信號(hào)數(shù)字化的過(guò)程 本章節(jié)內(nèi)容概述模擬信號(hào)數(shù)字化方式取樣、量化、編碼與譯碼差值脈沖編碼調(diào)制 本章節(jié)學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn)取樣、量化、編碼與譯碼差值脈沖編碼調(diào)制 本章節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握模擬信號(hào)數(shù)字化中取樣、量化、編碼與譯碼的方法掌握差值脈沖編碼調(diào)制 本章節(jié)學(xué)習(xí)能力要素及基礎(chǔ)要求課

2、前預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容掌握信號(hào)頻譜的相關(guān)內(nèi)容 本章節(jié)學(xué)習(xí)方法建議預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作與課堂學(xué)習(xí)結(jié)合自學(xué)與探討結(jié)合課后作業(yè)與章節(jié)個(gè)人總結(jié)結(jié)合尋求教師答疑與學(xué)習(xí)反饋結(jié)合 將模擬信號(hào)的抽樣量化值變換成二進(jìn)制代碼的過(guò)程，就稱為脈沖編碼調(diào)制（pcm）。 典型的pcm基帶傳輸通信系統(tǒng)如圖3-1所示，它由3個(gè)部分組成。 （1）信源編碼部分 （2）信道部分 （3）信源解碼部分圖圖3-1 pcm3-1 pcm基帶傳輸通信系統(tǒng)基帶傳輸通信系統(tǒng)3.1 抽樣 3.1.1 抽樣原理 抽樣又叫取樣。 它是抽取模擬信號(hào)在離散時(shí)間點(diǎn)上的瞬時(shí)值，用這些離散時(shí)間點(diǎn)上的瞬時(shí)值，即抽樣值序列來(lái)代替原始的時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)，并要求能完全表示原

3、信號(hào)的全部信息。 圖圖3-2 3-2 抽樣模型抽樣模型 抽樣模型可以表示為 s( )( )( )m tm ts t圖圖3-3 3-3 模擬信號(hào)的抽樣模擬信號(hào)的抽樣3.1.2 抽樣定理 抽樣定理是任何模擬信號(hào)數(shù)字化的理論基礎(chǔ)，它從理論上分析了抽樣頻率的大小應(yīng)如何取值，從而解決了能否由抽樣值重建原始模擬信號(hào)的問(wèn)題。 低通信號(hào)的抽樣定理可描述如下： 如果m(t)為一個(gè)頻帶限制在(0fh)內(nèi)的連續(xù)模擬信號(hào)，若對(duì)它以抽樣頻率為fs2fh的速率進(jìn)行抽樣，則取得的樣值完全包含m(t)的信息。圖圖3-4 3-4 信號(hào)的頻譜信號(hào)的頻譜3.1.3 抽樣恢復(fù) 由上述證明可以知道，要從ms(t)中恢復(fù)原信號(hào)m(t)，

4、只要fs2fh，則可用一個(gè)截止頻率fc=fh的理想低通濾波器就可以從抽樣信號(hào)的頻譜中完全取出原模擬信號(hào)的頻譜，這就相當(dāng)于從ms(t)中恢復(fù)出原信號(hào)m(t)了。 圖3-5所示為恢復(fù)m(t)的原理框圖。圖圖3-5 3-5 抽樣的恢復(fù)抽樣的恢復(fù)3.1.4 帶通信號(hào)的抽樣 若連續(xù)信號(hào)的頻帶是限制在f l與f h之間，其中f l為信號(hào)的最低頻率，f h為信號(hào)的最高頻率，且?guī)抌 = f hf lf l時(shí)，則這樣的信號(hào)稱為帶通型信號(hào)。 帶通信號(hào)的抽樣定理： 如果m(t)是頻率限制在f lf h的帶通信號(hào)，則最低抽樣速率必須滿足 hsmin21ffm（3-23-2） 式（3-2）中，m取f l/b的整數(shù)部分

5、。 而在一般情況下，抽樣速率應(yīng)滿足如下關(guān)系h21fm sf l2 fm（3-33-3） 只要滿足式（3-3），抽樣信號(hào)頻譜就不會(huì)發(fā)生重疊，如果特別要求原始信號(hào)頻帶與其相鄰頻帶之間的頻帶間隔相等，則可選擇如下抽樣速率lhs2()21fffm（3-43-4） 對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)要采用多大的抽樣速率對(duì)其抽樣，首先要判斷它是屬于低通信號(hào)還是帶通信號(hào)，若f lb時(shí)，它是帶通信號(hào)，適用帶通信號(hào)的抽樣定理；若flb時(shí)，它是低通信號(hào)，適用低通信號(hào)的抽樣定理。3.2 量化 3.2.1 量化的概念 抽樣以后，信號(hào)在時(shí)間上被離散化了，但其幅度仍然是連續(xù)抽值，仍是模擬信號(hào)。 為了變成數(shù)字信號(hào)，還必須將時(shí)間域上幅度連續(xù)的抽

6、樣值序列信號(hào)變換為時(shí)間域上幅度離散的抽樣值序列信號(hào)，用有限個(gè)電平（標(biāo)準(zhǔn)值）來(lái)表示幅度連續(xù)變化的無(wú)限個(gè)值，這樣一個(gè)將幅度離散化的過(guò)程稱為量化。 量化過(guò)程實(shí)際上是將樣值信號(hào)的最大幅度范圍u+u劃分成 個(gè)區(qū)間（可以等分，也可以非等分），即用 個(gè)離散值 來(lái)表示其連續(xù)性，其中n表示量化級(jí)數(shù)，在編碼時(shí)它所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制比特?cái)?shù) 為2nn 2n(1,2,2 )nkuk n2lognn2nn 或或 3.2.2 均勻量化 均勻量化是指在量化區(qū)內(nèi)均勻等分n個(gè)小間隔，相鄰各量化級(jí)之間的量化級(jí)差相等的量化，也稱線性量化，如圖3-6(a)所示。 均勻量化的間隔是一個(gè)常數(shù)，其大小由輸入信號(hào)的變化范圍和量化級(jí)數(shù)數(shù)決定，即2un

7、 圖圖3-6 3-6 均勻量化特性曲線均勻量化特性曲線 量化信噪比表示公式mdbppm()10lg1.76620lg 6220lgussnnnuunu圖圖3-7 3-7 非均勻量化的非均勻量化的pcmpcm系統(tǒng)原理及壓擴(kuò)特性示意圖系統(tǒng)原理及壓擴(kuò)特性示意圖3.2.3 非均勻量化 在均勻量化中，信號(hào)電平越低，信噪比越小。 非均勻量化的思想是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔，即量化間隔與信號(hào)的大小有關(guān)。 目前數(shù)字通信系統(tǒng)中，對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)世界各國(guó)常用的壓擴(kuò)特性有兩種，即a律壓擴(kuò)特性和律壓擴(kuò)特性，簡(jiǎn)稱為a律和律，a、為壓縮系數(shù)，壓縮系數(shù)越大，對(duì)小信號(hào)壓縮效果越好，目前采用的a=87.6，=255。 不論

8、是a律還是律，其壓縮特性都具有對(duì)數(shù)特性，是關(guān)于原點(diǎn)呈中心對(duì)稱的曲線。 圖圖3-8 3-8 a a律律1313折線壓縮特性折線壓縮特性 在保持與小信號(hào)量化間隔相同的情況下，128級(jí)非均勻量化相當(dāng)于2 048級(jí)均勻量化。段號(hào)i12345678x01/1281/1281/641/641/321/321/161/161/81/81/41/41/21/21斜率161684211/21/4量化間隔11214181161321641表表3-13-1a a律律1313折線近似的參數(shù)表折線近似的參數(shù)表3.3 pcm編碼、譯碼 模擬信號(hào)經(jīng)抽樣、量化之后，變?yōu)闀r(shí)間上和幅度上都離散的量化抽樣值，再把這些量化抽樣值進(jìn)一

9、步變換為表示其量化電平大小的代碼的過(guò)程叫做編碼。 3.3.1 非線性編碼與譯碼 非線性編碼的碼字所表示的數(shù)值與輸入信號(hào)的幅度成非線性關(guān)系，相當(dāng)于非均勻量化編碼。 由量化方案可知，a律13折線量化時(shí)正、負(fù)總共只有256個(gè)量化級(jí)，需要8位折疊二進(jìn)制碼表示一個(gè)樣值。 a律13折線8比特非線性編碼的碼位安排如下： b1 b2b3b 4 b5b6b7b8 極性碼 段落碼 段內(nèi)碼 各位碼字的意義如下。1極性碼 表示信號(hào)樣值的正負(fù)極性，“1”表示正極性，“0”表示負(fù)極性。2段落碼 可表示為000111，表示信號(hào)樣值屬于哪一個(gè)大的段落，它的8種狀態(tài)剛好分別代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平。3段內(nèi)碼 可表示為0 0001

10、 111，用于表示抽樣值在折線段落內(nèi)所處的位置，它的16種狀態(tài)剛好分別代表段內(nèi)16個(gè)均勻劃分的小段的起點(diǎn)電平。 各折線段落12345678各段落長(zhǎng)度161632641282565121 024各段內(nèi)均勻量化階11248163264表表3-23-2各段落長(zhǎng)度及段內(nèi)量化階各段落長(zhǎng)度及段內(nèi)量化階段落序號(hào)段落碼段落起始電平段內(nèi)碼對(duì)應(yīng)電平段落長(zhǎng)度b2b3b4b5b6b7b8100008421162001168421163010321684232401164321684645100128643216812861012561286432162567110512256128643251281111 02451

11、2256128641 024表表3-33-3段落電平關(guān)系表段落電平關(guān)系表3.3.2 a律13折線編碼過(guò)程圖圖3-9 3-9 逐次反饋型編碼原理框圖逐次反饋型編碼原理框圖第4次比較權(quán)值b5的位碼第5次比較權(quán)值b6的碼位第6次比較權(quán)值b7的碼位第7次比較權(quán)值b8的碼位ur4為：u 起i+8i若us ur4則b5=1ur5為：u起i+12i若usur5則b6=1ur6為：u起i+14i若usur6則b7=1ur7為：u起i+15i若usur7則b8=1若usur7則b8=0若usur7則b8=1若usur7則b8=0若usur6則b7=1ur7為：u起i+11i若usur7則b8=1若usur7則b

12、8=0若usur7則b8=1若usur7則b8=0若usur5則b6=1ur6為：u起i+6i若usur6則b7=1ur7為：u起i+7i若usur7則b8=0若usur6則b7=0ur7為：u起i+5i若usur7則b8=0若usur6則b7=1ur7為：u起i+3i若usur7則b8=0若usur6則b7=0ur7為：u起i+i若usur7則b8=0表表3-43-4段內(nèi)編碼過(guò)程段內(nèi)編碼過(guò)程圖圖3-10 3-10 a a律律1313折線的折線的8 8位編碼圖位編碼圖圖圖3-11 3-11 i is=444s=444的的8 8位編碼位編碼3.4 pcm解碼 3.4.1 再生圖圖3-12 3-1

13、2 再生中繼器原理框圖再生中繼器原理框圖 1均衡放大 2定時(shí)電路 3識(shí)別（判決）再生3.4.2 解碼原理圖圖3-13 3-13 恒流源電阻網(wǎng)絡(luò)解碼原理框圖恒流源電阻網(wǎng)絡(luò)解碼原理框圖 1記憶電路 27/12碼變換電路 3極性控制 4寄存器讀出電路 5恒流源及線性電阻網(wǎng)3.5 增量調(diào)制 增量調(diào)制（m）是不同于pcm的另一種模擬信號(hào)數(shù)字化的方法，其基本思想是利用相鄰樣值信號(hào)幅度的相關(guān)性，以相鄰樣值信號(hào)幅度的差值變化來(lái)描述模擬信號(hào)的變化規(guī)律，即將前一樣值點(diǎn)與當(dāng)前樣值點(diǎn)之間的幅值之差編碼來(lái)傳遞信息。 3.5.1 簡(jiǎn)單增量調(diào)制 簡(jiǎn)單增量調(diào)制（m或dm）是預(yù)測(cè)編碼中最簡(jiǎn)單的一種，它將信號(hào)瞬時(shí)值與前一個(gè)抽樣時(shí)

14、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，而不對(duì)差值的大小編碼。 圖圖3-14 3-14 增量調(diào)制過(guò)程的波形增量調(diào)制過(guò)程的波形圖圖3-15 3-15 單路單路 m m系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖圖圖3-16 m3-16 m中的量化噪聲中的量化噪聲3.5.2 改進(jìn)型增量調(diào)制系統(tǒng) 在前面討論的m系統(tǒng)中，量階都是固定不變的，稱為簡(jiǎn)單增量調(diào)制。 簡(jiǎn)單增量調(diào)制由于量階保持不變，故存在以下幾點(diǎn)主要缺點(diǎn)：第一，簡(jiǎn)單增量調(diào)制輸入信號(hào)頻率每提高一倍，量化信噪比下降6 db，所以簡(jiǎn)單增量調(diào)制時(shí)高頻段的量化信噪比下降；第二，編碼的動(dòng)態(tài)范圍（即不過(guò)載最大編碼信號(hào)電平與最小編碼信號(hào)電平之比）與輸入信號(hào)的頻率成

15、反比。1增量總和調(diào)制（-） 增量總和調(diào)制（-）主要是針對(duì)簡(jiǎn)單增量調(diào)制易出現(xiàn)過(guò)載失真而采取的改進(jìn)措施。 m調(diào)制的代碼反映著相鄰兩個(gè)抽樣值變化量的正負(fù)，這個(gè)變化量就是增量，因此稱為增量調(diào)制。 圖圖3-17 -3-17 -調(diào)制系統(tǒng)原理框圖調(diào)制系統(tǒng)原理框圖2自適應(yīng)增量調(diào)制 自適應(yīng)增量調(diào)制（adm）就是一種可以自動(dòng)調(diào)節(jié)量階的增量調(diào)制方式。 在adm中，因量階不再固定，這就相當(dāng)于非均勻量化，故也叫壓擴(kuò)式自適應(yīng)增量調(diào)制。 根據(jù)自適應(yīng)的速度（改變量階所需時(shí)間的長(zhǎng)短）的不同，adm又分為瞬時(shí)壓擴(kuò)和音節(jié)壓擴(kuò)兩種。 3數(shù)字壓擴(kuò)自適應(yīng)增量調(diào)制 數(shù)字壓擴(kuò)自適應(yīng)增量調(diào)制是數(shù)字檢測(cè)、音節(jié)壓縮與擴(kuò)張自適應(yīng)增量調(diào)制的簡(jiǎn)稱。 圖

16、圖3-18 3-18 信碼中連信碼中連“1”1”或連或連“0”0”碼與輸入信號(hào)斜率的關(guān)系碼與輸入信號(hào)斜率的關(guān)系圖圖3-19 3-19 數(shù)字檢測(cè)音節(jié)壓擴(kuò)自適應(yīng)增量調(diào)制系統(tǒng)原理框圖數(shù)字檢測(cè)音節(jié)壓擴(kuò)自適應(yīng)增量調(diào)制系統(tǒng)原理框圖3.5.3 pcm和m系統(tǒng)性能比較 pcm和m都是模擬信號(hào)數(shù)字化的基本方法，都需要先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣。 它們之間的根本區(qū)別是：pcm是對(duì)樣值本身進(jìn)行編碼，而m是對(duì)相鄰樣值的差值的極性進(jìn)行編碼。 下面我們對(duì)兩種編碼調(diào)制方式進(jìn)行一些比較。 （1）抽樣速率 （2）帶寬 （3）量化信噪比 （4）信道誤碼的影響 （5）設(shè)備復(fù)雜程度圖圖3-20 3-20 不同編碼位數(shù)不同編碼位數(shù)n n的的

17、pcmpcm系統(tǒng)系統(tǒng)與與mm系統(tǒng)的性能比較系統(tǒng)的性能比較3.5.4 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 利用語(yǔ)聲信號(hào)的相關(guān)特性降低編碼速率是實(shí)現(xiàn)語(yǔ)聲信號(hào)高效編碼的有效方法之一。1自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制 自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制（adaptive pulse code modulation，apcm）是根據(jù)輸入信號(hào)幅度大小來(lái)改變量化階大小的一種波形編碼技術(shù)。 改變量化階大小的方法有兩種：一種稱為前向自適應(yīng)（forward adaptation），另一種稱為后向自適應(yīng)（backward adaptation）。 圖圖3-21 apcm3-21 apcm方塊圖方塊圖2差分脈沖編碼調(diào)制 差分脈沖編碼調(diào)制（different

18、ial pulse code modulation，dpcm）是利用樣本與樣本之間存在的信息冗余度來(lái)進(jìn)行編碼的一種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。 圖圖3-22 3-22 差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制3自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（adaptive difference pulse code modulation，adpcm）綜合了apcm系統(tǒng)的自適應(yīng)特性和dpcm系統(tǒng)的差分特性，是利用樣本與樣本之間的高度相關(guān)性和量化階自適應(yīng)來(lái)壓縮數(shù)據(jù)的一種波形編碼技術(shù)。 圖圖3-23 g.721 adpcm3-23 g.721 adpcm簡(jiǎn)化框圖簡(jiǎn)化框圖3.6 子帶編碼sbc 3.6.1 子帶編碼的概念

19、和工作原理 所謂子帶編碼技術(shù)，是將原始信號(hào)由時(shí)間域轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率域，然后將其分割為若干個(gè)子頻帶，并對(duì)其分別進(jìn)行數(shù)字編碼的技術(shù)。 圖圖3-24 3-24 子帶編碼原理方框圖子帶編碼原理方框圖3.6.2 子帶的劃分 語(yǔ)聲信號(hào)各子帶的帶寬應(yīng)考慮到各頻段對(duì)主觀聽(tīng)覺(jué)貢獻(xiàn)相等的原則做合理的分配。 通常語(yǔ)聲信號(hào)經(jīng)帶通濾波器組濾波后分成46個(gè)子帶，子帶之間允許有小的間隙，如圖3-25所示。圖圖3-25 3-25 子帶頻域表示子帶頻域表示3.6.3 子帶編碼的應(yīng)用 子帶編碼技術(shù)具有突出的優(yōu)點(diǎn)。 在采用子帶編碼時(shí)，利用了聽(tīng)覺(jué)的掩蔽效應(yīng)進(jìn)行處理。3.7 參量編碼 參量編碼又稱為聲源編碼，是將信源信號(hào)在頻率域或其他正交變

20、換域提取特征參量，并將其變換成數(shù)字代碼進(jìn)行傳輸。 參量解碼為其反過(guò)程，將收到的數(shù)字序列經(jīng)變換恢復(fù)特征參量，再根據(jù)特征參量重建語(yǔ)音信號(hào)。 參量編碼的基本原理是：由語(yǔ)音產(chǎn)生的條件，建立語(yǔ)音信號(hào)產(chǎn)生的模型，然后提取語(yǔ)音信息中的主要參量，經(jīng)編碼發(fā)送到接收端；接收端經(jīng)解碼恢復(fù)成與發(fā)端相應(yīng)的參量，再根據(jù)語(yǔ)音產(chǎn)生的物理模型合成輸出相應(yīng)語(yǔ)音，即采取的是語(yǔ)音分析與合成的方法。 3.7.1 語(yǔ)聲形成機(jī)理 根據(jù)激勵(lì)源與聲道模型不同，語(yǔ)音主要可分成濁音和清音兩類：伴有聲帶振動(dòng)的音稱為濁音；聲帶不振動(dòng)的音稱為清音。（1）濁音及基音 濁音（聲帶振動(dòng)），又稱有聲音。 （2）清音 清音（聲帶不振動(dòng)）又稱無(wú)聲音。 圖圖3-27

21、 3-27 清音波形圖清音波形圖（3）語(yǔ)聲信號(hào)產(chǎn)生模型圖圖3-28 3-28 語(yǔ)聲信號(hào)產(chǎn)生模型語(yǔ)聲信號(hào)產(chǎn)生模型3.7.2 線性預(yù)測(cè)編碼的基本概念 線性預(yù)測(cè)是指一個(gè)語(yǔ)音抽樣值可用該樣值以前若干語(yǔ)音抽樣值的線性組合來(lái)逼近。圖圖3-29 3-29 線性預(yù)測(cè)線性預(yù)測(cè)lpclpc編譯碼方框圖編譯碼方框圖圖圖3-30 3-30 簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化lpclpc原理框圖原理框圖3.7.3 線性預(yù)測(cè)合成分析編碼 lpas編碼是碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼，也叫隨機(jī)編碼、矢量激勵(lì)編碼（vxc）或隨機(jī)激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（selp）。圖圖3-31 lpas3-31 lpas聲碼器原理圖聲碼器原理圖小 結(jié) 1模擬信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程經(jīng)過(guò)抽樣、量化、編碼3個(gè)步驟，這也是脈沖編碼調(diào)制（pcm）的過(guò)程。 2低通信號(hào)的抽樣定理：設(shè)有一個(gè)頻帶限制在（0fh）內(nèi)的連續(xù)模擬信號(hào)m(t)，若對(duì)它以大于或等于每秒2fh次的速率進(jìn)行抽樣，即對(duì)應(yīng)的抽樣速率為fs2fh，則抽樣序列包含原信號(hào)的全部信息。