模擬信號的數字傳輸ppt課件

1、第第4 4章章 模擬信號的數字傳輸模擬信號的數字傳輸 4.1 4.1 引言引言4.2 4.2 抽樣抽樣4.3 4.3 量化量化4.4 4.4 編碼編碼4.5 4.5 脈沖編碼調制系統(tǒng)脈沖編碼調制系統(tǒng)4.6 4.6 自順應差分脈沖編碼調制系自順應差分脈沖編碼調制系統(tǒng)統(tǒng)4.7 4.7 增量調制增量調制 數字通訊系統(tǒng)具有許多優(yōu)點而成為當今通訊的開數字通訊系統(tǒng)具有許多優(yōu)點而成為當今通訊的開展方向。展方向。 然而自然界的許多信息經各種傳感器感知后都是然而自然界的許多信息經各種傳感器感知后都是模擬量，例如、電視等通訊業(yè)務，其信源輸出的模擬量，例如、電視等通訊業(yè)務，其信源輸出的音訊都是模擬信號。音訊都是模擬

2、信號。 假設要利用數字通訊系統(tǒng)傳輸模擬信號，普通需假設要利用數字通訊系統(tǒng)傳輸模擬信號，普通需三個步驟：三個步驟： 1 1把模擬信號數字化，即模把模擬信號數字化，即模/ /數轉換數轉換A/DA/D； 2 2進展數字方式傳輸；進展數字方式傳輸； 3 3把數字信號復原為模擬信號，即數把數字信號復原為模擬信號，即數/ /模轉換模轉換D/AD/A。 4.1 4.1 引言引言 由于由于A/DA/D或或D/AD/A變換的過程通常由信源編變換的過程通常由信源編譯碼器實現(xiàn)，所以我們把發(fā)端的譯碼器實現(xiàn)，所以我們把發(fā)端的A/DA/D變換稱為信源編碼，而收端的變換稱為信源編碼，而收端的D/AD/A變換稱變換稱為信源譯

3、碼。為信源譯碼。 如語音信號的數字化叫做語音編碼。如語音信號的數字化叫做語音編碼。 信源信源 信源編碼信源編碼 信道編碼信道編碼 調制器調制器 信道信道 解調器解調器 信道譯碼信道譯碼 信源譯碼信源譯碼 信宿信宿噪聲噪聲模擬信號的數字傳輸模擬信號的數字傳輸 模擬信息源抽樣、量化和編碼數字通信系統(tǒng)譯碼和低通濾波m (t)skskm (t)模擬隨機信號 數字隨機序列 數字隨機序列模擬隨機信號 模擬信號數字化的方法大致可劃分為波形模擬信號數字化的方法大致可劃分為波形編碼和參量編碼兩類。編碼和參量編碼兩類。 波形編碼是直接把時域波形變換為數字代波形編碼是直接把時域波形變換為數字代碼序列，比特率通常在碼

4、序列，比特率通常在16kb/s-64kb/s16kb/s-64kb/s范圍內，范圍內，接納端重建信號的質量好。接納端重建信號的質量好。 參量編碼是利用信號處置技術，提取語音參量編碼是利用信號處置技術，提取語音信號的特征參量，再變換成數字代碼，其比特信號的特征參量，再變換成數字代碼，其比特率在率在1.2-4.8kb/s1.2-4.8kb/s，但接納端重建，但接納端重建( (恢復恢復) )信號信號的質量不夠好。這里只引見波形編碼。的質量不夠好。這里只引見波形編碼。 PCM通訊系統(tǒng)原理圖 PCM信號構成過程表示圖 PCM PCM信號的構成是模擬信號經過信號的構成是模擬信號經過“抽樣、量抽樣、量化、編

5、碼三個步驟實現(xiàn)的?；?、編碼三個步驟實現(xiàn)的。 抽樣是指把模擬信號在時間上離散化，變抽樣是指把模擬信號在時間上離散化，變成抽樣信號；成抽樣信號； 量化是指把抽樣信號在幅度上離散化，變量化是指把抽樣信號在幅度上離散化，變成有限個量化電平；成有限個量化電平； 編碼是指用二進制碼元來表示有限個量化編碼是指用二進制碼元來表示有限個量化電平。電平。 接納端的數接納端的數/ /模變換包含了解碼和低通濾波模變換包含了解碼和低通濾波器兩部分。器兩部分。 解碼是編碼的反過程，它將接納到的解碼是編碼的反過程，它將接納到的PCMPCM信信號復原為抽樣信號；號復原為抽樣信號； 低通濾波是抽樣的反變換，其作用是恢復低通濾波

6、是抽樣的反變換，其作用是恢復或重建原始的模擬信號?；蛑亟ㄔ嫉哪M信號。 本章在引見抽樣定理和脈沖幅度調制本章在引見抽樣定理和脈沖幅度調制PAM)PAM)的根底上，重點討論模擬信號數字化的兩種方的根底上，重點討論模擬信號數字化的兩種方式，即式，即PCMPCM和和MM的原理及性能，并簡要引見它的原理及性能，并簡要引見它們的改良型：差分脈沖編碼調制們的改良型：差分脈沖編碼調制(DPCM)(DPCM)、自順、自順應差分脈沖編碼調制應差分脈沖編碼調制(ADPCM)(ADPCM)和增量總和調制、和增量總和調制、數字壓擴自順應增量調制的原理。數字壓擴自順應增量調制的原理。 4.2 4.2 抽樣抽樣 所謂抽

7、樣是把時間上延續(xù)的模擬信號變成一系列時間上離散的樣值序列的過程。4.2.14.2.1理想抽樣理想抽樣 當抽樣脈沖序列為單位沖激序列時，當抽樣脈沖序列為單位沖激序列時，稱為理想抽樣。稱為理想抽樣。一、低通訊號的抽樣定理一、低通訊號的抽樣定理 fLfH-fL-fLfH-fL-低通訊號低通訊號 一個頻帶限制在一個頻帶限制在0-fH0-fH內的時間延續(xù)的模內的時間延續(xù)的模擬信號擬信號m(t)m(t)，假設抽樣頻率，假設抽樣頻率fs 2fHfs 2fH，那么，那么可以經過低通濾波器由抽樣序列可以經過低通濾波器由抽樣序列ms(t)ms(t)無失真無失真地重建原始信號地重建原始信號m(t) m(t) 。 假

8、設抽樣速率假設抽樣速率fsfs2fH2fH，那么會產生失真，那么會產生失真，這種失真叫混疊失真。這種失真叫混疊失真。數學描畫：數學描畫：時域：時域：頻域：頻域： 理想抽樣信號波形及其頻譜 -wm 0 wmM(w)w MS(w)-2ws -ws 0 ws 2wsw -wm 0 wmM(w)w-2ws -ws -wm 0 wm ws 2ws MS(w)w -wm 0 wmM(w)w-2ws -ws -wm 0 wm ws 2ws MS(w)ww ws2w wmws-wm ws+wmw ws 2fHfs 2fH。例如話音信號的最高頻率被限制在。例如話音信號的最高頻率被限制在3400Hz3400Hz，

9、抽樣頻率應大于，抽樣頻率應大于2 23400=6800Hz3400=6800Hz，為，為了留有一定防衛(wèi)帶，了留有一定防衛(wèi)帶，ITU-TITU-T規(guī)定話音信號的抽規(guī)定話音信號的抽樣頻率為樣頻率為 fs = 8000Hz fs = 8000Hz， Ts=1/8000=125 Ts=1/8000=125s s。 抽樣頻率越高，對防止頻譜混疊越有利，抽樣頻率越高，對防止頻譜混疊越有利，但將使總碼速率增高，給傳輸帶來不便。但將使總碼速率增高，給傳輸帶來不便。 fs = 2fH fs = 2fH 是頻譜不出現(xiàn)重疊的最低抽樣是頻譜不出現(xiàn)重疊的最低抽樣頻率，稱之為奈奎斯特抽樣頻率。頻率，稱之為奈奎斯特抽樣頻率

10、。理想抽樣與信號恢復理想抽樣與信號恢復m (t)ms(t)T (t)(a )低 通濾 波 器ms(t)m (t)(b )二、帶通訊號的抽樣定理二、帶通訊號的抽樣定理 fL fH-fL- fL fH-fL-帶通訊號帶通訊號 實踐中遇到的許多信號是帶通型信號。假設實踐中遇到的許多信號是帶通型信號。假設采用低通抽樣定理的抽樣速率采用低通抽樣定理的抽樣速率fs2fHfs2fH，一定能滿，一定能滿足頻譜不混疊的要求。足頻譜不混疊的要求。 但這樣選擇但這樣選擇fsfs太高了，它會使太高了，它會使0fL0fL 一大段頻譜空隙得不到利用，降低了信道一大段頻譜空隙得不到利用，降低了信道 的利用率。的利用率。 S

11、(w)f利用低通訊號抽樣定理抽樣fm fL fS fs+fm-fm -fL fs+fLfs-fLfs-fm 2fS-fm 2fS-fL 上 下 下 X(w)ffm fL -fm -fL 上 下 下 上 fm fL fS fs+fm 上 下 f下 2fS 3fS 下 下 -fm -fL fs-fLfs-fmfs+fL 2fS-fm 2fS-fL 2fS+fm 2fS+fL 3fS-fm 3fS-fL S(w)利用帶通訊號抽樣定理抽樣B時，就可以無失真地恢復出原信號。時，就可以無失真地恢復出原信號。 帶通訊號抽樣定理：一個頻帶限制在fL - fH之間的帶通訊號，其抽樣頻率滿足n n是不超越是不超越

12、fL/BfL/B的最大整數的最大整數nffnfLSH212例例 試求試求6060路載波超群信號路載波超群信號312312552kHz)552kHz)的的抽樣頻率。抽樣頻率。解：按帶通訊號抽樣定理解：按帶通訊號抽樣定理kHzfkHzkHznfkHznfn;BfkHzffBsLHLLH6245526241312225521155221213 .1240312/240312552假設按低通訊號抽樣定理，其抽樣頻假設按低通訊號抽樣定理，其抽樣頻率為率為 2fH=2 2fH=2552=1104kHz552=1104kHz 留意：假設fL B，即n=0，那么帶通訊號抽樣定理不再運用，此時應按低通訊號處置。

13、如信號頻率為300-3400Hz， fL= 300Hz 0IS 0， c1=1 c1=1 (2) (2) 確定段落碼確定段落碼第一次比較，第一次比較，IW=128IW=128 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW， c2=1c2=1，在后四大段。，在后四大段。第二次比較，第二次比較，IW=512IW=512 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW， c3=1c3=1，在，在7 7、8 8大段。大段。第三次比較，第三次比較，IW=1024IW=1024 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW，c4=1c4=1，在，在8 8大段。大段。(3) (3) 確定段內碼確定

14、段內碼段內均勻分段內均勻分1616個小段，個小段， 8=10248=1024 /16=64/16=64 第四次比較，第四次比較，IW=1024IW=1024 +8+8 8=10248=1024 +8+86464 =1536=1536 ， IS=+1270IS=+1270 IWIW，c5=0c5=0，在前，在前8 8小段。小段。第五次比較，第五次比較，IW=1024IW=1024 +4+4 8=10248=1024 +4+46464 =1280=1280 ， IS=+1270IS=+1270 IWIWIW，c7=1c7=1，在，在3 3、4 4小段。小段。第七次比較，第七次比較，IW=1024I

15、W=1024 +2+2 8+ 8+ 8 8 =1024=1024 +3+36464 =1216=1216 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW，c8=1c8=1，在第，在第4 4小段。小段。編出的碼組編出的碼組c1c1 c8c8是是1111001111110011 B1 B2 . B12PCM 碼流碼流寄寄存存讀讀出出串并串并變換變換記憶記憶電路電路7/12變變換換D1 D2 . D8解碼電平解碼電平M2 M3 . M812位位線性線性解碼解碼網絡網絡極性控制極性控制時時鐘鐘脈脈沖沖M2 M3 . M8二、二、A A律律1313折線解碼器折線解碼器量化電平量化電平)段段落落非線性碼

16、非線性碼線型碼線型碼c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B121000XYZW0000000XYZW12001XYZW0000001XYZW13010XYZW000001XYZW104011XYZW00001XYZW1005100XYZW0001XYZW10006101XYZW001XYZW100007110XYZW01XYZW1000008111XYZW1XYZW10000007/12變換關系表變換關系表102451225612864321684211/2B1B12代表的數值例例 知一個抽樣值知一個抽樣值u=2510m

17、v,(1)u=2510mv,(1)假設量化區(qū)假設量化區(qū)的最大電壓為的最大電壓為U=4096mv,U=4096mv,采用采用A A律律1313折線編碼折線編碼編成編成8 8位折疊二進制碼，試寫出位折疊二進制碼，試寫出8 8位碼；位碼；2 2編碼電平為多少？編碼器中的編碼電平為多少？編碼器中的7/117/11變換得到的變換得到的1111位線性碼為多少？位線性碼為多少？3 3接納接納端解碼器輸出電平量化電平多少？解碼端解碼器輸出電平量化電平多少？解碼誤差量化誤差為多少？解碼器中的誤差量化誤差為多少？解碼器中的7/127/12變換得到的變換得到的1212位線性碼為多少？位線性碼為多少？ 4.5 脈沖編

18、碼調制系統(tǒng)4.5.1 4.5.1 脈沖編碼調制脈沖編碼調制PCMPCM原理原理 在在PCMPCM系統(tǒng)中，除了上述的幾個部分，還系統(tǒng)中，除了上述的幾個部分，還必需設有同步設備。必需設有同步設備。4.5.2 PCM4.5.2 PCM信號的碼元速率和帶寬信號的碼元速率和帶寬二進制代碼的速率為：二進制代碼的速率為：當采用矩形脈沖傳輸時，所需求的帶寬與脈沖當采用矩形脈沖傳輸時，所需求的帶寬與脈沖寬度寬度成反比，第一零點帶寬為成反比，第一零點帶寬為B=1/B=1/P119P119例例4.8 4.8 某信號頻譜范圍為某信號頻譜范圍為50-60KHZ,50-60KHZ,采采用最低抽樣頻率抽樣后按照用最低抽樣頻

19、率抽樣后按照256256級量化，采級量化，采用二進制編碼。計算用二進制編碼。計算PCMPCM系統(tǒng)的碼元速率。系統(tǒng)的碼元速率。 典型信號的抽樣頻率是典型信號的抽樣頻率是8000Hz8000Hz。故在采。故在采用這類非均勻量化編碼器時，典型的數字用這類非均勻量化編碼器時，典型的數字傳輸比特率為傳輸比特率為64kb/s64kb/s。例：例：單路語音信號的最高頻率為單路語音信號的最高頻率為4000Hz4000Hz，抽樣頻率，抽樣頻率為奈奎斯特抽樣頻率，以為奈奎斯特抽樣頻率，以PCMPCM方式傳輸。抽樣方式傳輸。抽樣后按照后按照256256級量化。設傳輸信號的波形為矩形級量化。設傳輸信號的波形為矩形脈沖

20、，占空比為脈沖，占空比為1 1。計算。計算PCMPCM基帶信號第一零點基帶信號第一零點帶寬。帶寬。 4.5.3 PCM 4.5.3 PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能分析系統(tǒng)的抗噪聲性能分析 PCM PCM系統(tǒng)輸出的信號是模擬信號，因此系統(tǒng)系統(tǒng)輸出的信號是模擬信號，因此系統(tǒng)的可靠性依然可用系統(tǒng)輸出信噪比來衡量。的可靠性依然可用系統(tǒng)輸出信噪比來衡量。PCMPCM系統(tǒng)的噪聲來自兩方面，即量化過程中構成的系統(tǒng)的噪聲來自兩方面，即量化過程中構成的量化噪聲，以及在傳輸過程中經信道混入的加量化噪聲，以及在傳輸過程中經信道混入的加性高斯白噪聲。性高斯白噪聲。因此通常將因此通常將PCMPCM系統(tǒng)輸出端總的信噪比定義為系統(tǒng)

21、輸出端總的信噪比定義為 式中，式中，S0S0系統(tǒng)輸出端信號的平均功率；系統(tǒng)輸出端信號的平均功率； Nq Nq系統(tǒng)輸出端量化噪聲的平均功率；系統(tǒng)輸出端量化噪聲的平均功率； Ne Ne系統(tǒng)輸出端信道加性噪聲的平均功系統(tǒng)輸出端信道加性噪聲的平均功率。率。eqoPCMooNNSNS)(一一. .量化噪聲對系統(tǒng)的影響量化噪聲對系統(tǒng)的影響 PCM PCM系統(tǒng)輸出端的量化信號與量化噪聲的平均系統(tǒng)輸出端的量化信號與量化噪聲的平均功率比為功率比為對于二進制編碼，設其編碼位數為對于二進制編碼，設其編碼位數為l l，那么上，那么上式又可寫為式又可寫為lqNS2022MNSqo 上式表示，PCM系統(tǒng)的輸出信號量噪比僅

22、和編碼位數l有關，且隨l按指數規(guī)律增大。另一方面，對于一個頻帶限制在fH的低通訊號，按照抽樣定理，要求抽樣速率不低于每秒2fH次。對于PCM系統(tǒng)，這相當于要求傳輸速率至少為2lfH b/s。故要求系統(tǒng)帶寬B至少等于lfH Hz。用B表示l代入上式，得到 lqoMNS222HfBqoNS/22/ 上式闡明，當低通訊號最高頻率fH給定時，PCM系統(tǒng)的輸出信號量噪比隨系統(tǒng)的帶寬B按指數規(guī)律增長。HfBqoNS/22/二二. .加性噪聲對系統(tǒng)的影響加性噪聲對系統(tǒng)的影響 僅思索信道加性噪聲時僅思索信道加性噪聲時PCMPCM系統(tǒng)的輸出信噪比系統(tǒng)的輸出信噪比為為eePNS410三三.PCM.PCM系統(tǒng)接納端

23、輸出信號的總信噪比系統(tǒng)接納端輸出信號的總信噪比 同時思索量化噪聲和信道加性噪聲時，同時思索量化噪聲和信道加性噪聲時，PCMPCM系統(tǒng)輸出端的總信噪功率比為系統(tǒng)輸出端的總信噪功率比為lelPCMPNS22002412在接納端輸入大信噪比的條件下在接納端輸入大信噪比的條件下,誤碼率較低誤碼率較低時，例如時，例如Pe 10-6，PCM系統(tǒng)的輸出信噪比主系統(tǒng)的輸出信噪比主要取決于量化信噪比要取決于量化信噪比S0/Nq, So / No 22l當信道中信噪比較低，即誤碼率當信道中信噪比較低，即誤碼率Pe較高時，較高時，PCM系統(tǒng)的輸出信噪比取決于誤碼率，且隨誤系統(tǒng)的輸出信噪比取決于誤碼率，且隨誤碼率碼率

24、Pe的提高而下降的提高而下降, So / No 1/(4Pe) 4.64.6自順應差分脈沖編碼調制自順應差分脈沖編碼調制(ADPCM(ADPCM 64kb/s的A律或律的對數壓擴PCM編碼曾經在大容量的光纖通訊系統(tǒng)和數字微波系統(tǒng)中得到了廣泛的運用。但PCM信號占用頻帶要比模擬通訊系統(tǒng)中的一個規(guī)范話路帶寬大很多倍，這樣，對于大容量的長途傳輸系統(tǒng)，尤其是衛(wèi)星通訊，采用PCM的經濟性能很難與模擬通訊相比。 以較低的速率獲得高質量編碼，不斷是語以較低的速率獲得高質量編碼，不斷是語音編碼追求的目的。通常，人們把話路速率低音編碼追求的目的。通常，人們把話路速率低于于64kb/s64kb/s的語音編碼方法，

25、稱為語音緊縮編碼的語音編碼方法，稱為語音緊縮編碼技術。技術。 語音緊縮編碼方法很多，其中，自順應差分脈沖編碼調制ADPCM)是語音緊縮中復雜度較低的一種編碼方法，它可在32kb/s的比特率上到達64kb/s的PCM數字質量。近年來，ADPCM已成為長途傳輸中一種新型的國際通用的語音編碼方法。 PCMPCM的缺陷的缺陷: : 樣值編碼需求比特數較多。樣值編碼需求比特數較多。RbRb較高，較高，呵斥數字化的信號帶寬添加。呵斥數字化的信號帶寬添加。 相鄰抽樣間表現(xiàn)出很強的相關性，有相鄰抽樣間表現(xiàn)出很強的相關性，有很大的冗余度。很大的冗余度。改良措施：采用改良措施：采用DPCMDPCM4.6.14.6

26、.1差分脈沖編碼調制差分脈沖編碼調制(DPCM)(DPCM)方法：根據前面的方法：根據前面的k k個抽樣值預測當前時個抽樣值預測當前時辰的抽樣值預測值。辰的抽樣值預測值。只對當前抽樣值與預測值之間的差值進展只對當前抽樣值與預測值之間的差值進展量化編碼。量化編碼。實際根底：利用模擬信號的相關性。抽樣實際根底：利用模擬信號的相關性。抽樣后的前后兩個樣值點有冗余。后的前后兩個樣值點有冗余。DPCMDPCM是對是對“抽樣值與預測值的差值進展量抽樣值與預測值的差值進展量化編碼?；幋a。線性預測根本原理：線性預測根本原理：1、利用前面的幾個抽樣值的線性組合來、利用前面的幾個抽樣值的線性組合來預測當前的抽樣

27、值，稱為線性預測。預測當前的抽樣值，稱為線性預測。2、當前抽樣值和預測值之差，稱為預測、當前抽樣值和預測值之差，稱為預測誤差。誤差。3、由于相鄰抽樣值之間的相關性，預測、由于相鄰抽樣值之間的相關性，預測值和抽樣值很接近，即誤差的取值范圍較小。值和抽樣值很接近，即誤差的取值范圍較小。4、對較小的誤差值編碼，可以降低比特、對較小的誤差值編碼，可以降低比特率。率。 DPCM系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖 DPCM系統(tǒng)的總量化誤差應該定義為輸入信號系統(tǒng)的總量化誤差應該定義為輸入信號xn樣值與解碼樣值與解碼器輸出樣值器輸出樣值 之差。之差。xn nq=xn- =(en+ )-( +eqn)=en-eqn 由上

28、式可知，DPCM的總量化誤差nq等于量化器的量化誤差。xnnxnxDPCMDPCM系統(tǒng)總的量化信噪比可表示為系統(tǒng)總的量化信噪比可表示為qqPqnnnqnDPCMqoNSGnEeEeExEnExENS)()(o222222 式中，(So/Nq)q是把差值序列作為信號時量化器的量化信噪比，與PCM系統(tǒng)思索量化誤差時所計算的信噪比相當。Gp可了解為DPCM系統(tǒng)相對于PCM系統(tǒng)而言的信噪比增益，稱為預測增益。 對DPCM系統(tǒng)的研討就是圍繞著如何使Gp和(S/N)q 這兩個參數取最大值而逐漸完善起來的。通常Gp約為611 dB。 可見，DPCM系統(tǒng)總的量化信噪比遠大于量化器的信噪比。因此, 要求DPCM

29、系統(tǒng)到達與PCM系一致樣的信噪比，那么可降低對量化器信噪比的要求，即可減小量化級數，從而減少碼位數，降低比特率。 4.6.2自順應差分脈沖編碼調制(ADPCM)DPCM系統(tǒng)性能的改善是以最正確的預測和量化為前提的。但對語音信號進展預測和量化是復雜的技術問題，這是由于語音信號在較大的動態(tài)范圍內變化。為了能在相當寬的變化范圍內獲得最正確的性能，只需在DPCM根底上引入自順應系統(tǒng)。有自順應系統(tǒng)的DPCM稱為自順應差分脈沖編碼調制，簡稱ADPCM。 ADPCM的主要特點是用自順應量化取代固定量化，用自順應預測取代固定預測。自順應量化指量化臺階隨信號的變化而變化，使量化誤差減??；自順應預測指預測器系數可

30、以隨信號的統(tǒng)計特性而自順應調整，提高了預測信號的精度，從而得到高預測增益。經過這兩點改良，可大大提高輸出信噪比和編碼動態(tài)范圍。 假設假設DPCMDPCM的預測增益為的預測增益為6-11dB6-11dB，自順應，自順應預測可使信噪比改善預測可使信噪比改善4dB4dB；自順應量化可使信；自順應量化可使信噪比改善噪比改善4-7dB4-7dB，那么，那么ADPCMADPCM比比PCMPCM可改善可改善16-16-21dB21dB，相當于編碼位數可以減小，相當于編碼位數可以減小3 3位到位到4 4位。因位。因此，在維持一樣的語音質量下，此，在維持一樣的語音質量下，ADPCMADPCM允許用允許用32kb

31、/s32kb/s比特率編碼，這是規(guī)范比特率編碼，這是規(guī)范64kb/s PCM64kb/s PCM的一的一半。半。.7.7增量調制增量調制 增量調制獲得廣泛運用的主要緣由：增量調制獲得廣泛運用的主要緣由： (1) 在比特率較低時，增量調制的量化信噪在比特率較低時，增量調制的量化信噪比高于比高于PCM的量化信噪比；的量化信噪比； (2) 增量調制的抗誤碼性能好。能任務于誤增量調制的抗誤碼性能好。能任務于誤碼率為碼率為10-2 - 10-3的信道中，而的信道中，而PCM要求誤要求誤比特率通常為比特率通常為10-4 -10-6； (3)增量調制的編譯碼器比增量調制的編譯碼器比PCM簡單。簡單。 一、一

32、、 簡單增量調制簡單增量調制MM M M與與PCMPCM雖然都是用二進制代碼去表示模雖然都是用二進制代碼去表示模擬信號的編碼方式。但是，在擬信號的編碼方式。但是，在PCMPCM中，代碼表中，代碼表示抽樣值本身的大小，所需碼位數較多，從而示抽樣值本身的大小，所需碼位數較多，從而導致編譯碼設備復雜；而在導致編譯碼設備復雜；而在MM中，它只用一中，它只用一位編碼表示相鄰抽樣值的相對大小，從而反映位編碼表示相鄰抽樣值的相對大小，從而反映出抽樣時辰波形的變化趨勢，與抽樣值本身的出抽樣時辰波形的變化趨勢，與抽樣值本身的大小無關。大小無關。 m(t)0010101111110tt12t11t10t9t8t7

33、t6t5t4t3t2t1m(t)m (t)m1(t)t發(fā)送端：發(fā)送端：m(t)m(t)是一個頻帶有限的模擬信號是一個頻帶有限的模擬信號 時間軸時間軸t t被分成許多相等的時間段被分成許多相等的時間段tt； 把代表把代表m(t)m(t)幅度的縱軸也分成許多相等的小幅度的縱軸也分成許多相等的小區(qū)間區(qū)間； 模擬信號模擬信號m(t)m(t)可用如下圖的階梯波形可用如下圖的階梯波形m m(t)(t)來逼近。來逼近。 編碼：編碼：“1 1碼表示上升一個臺階碼表示上升一個臺階 “0 “0碼表示下降一個臺階碼表示下降一個臺階 m(t) m(t)可以用一串二進碼序列來表示，從而可以用一串二進碼序列來表示，從而實

34、現(xiàn)了模實現(xiàn)了模/ /數轉換。數轉換。 接納端：接納端： 每收到一個每收到一個“1 1碼就使輸出上升一個碼就使輸出上升一個值，每收到一個值，每收到一個“0 0碼就使輸出下降一個碼就使輸出下降一個值，當收到連值，當收到連“1 1碼時，表示信號延續(xù)增長，碼時，表示信號延續(xù)增長，當收到連當收到連“0 0碼時，表示信號延續(xù)下降。這碼時，表示信號延續(xù)下降。這樣就可以恢復出與原模擬信號樣就可以恢復出與原模擬信號m(t)m(t)近似的階近似的階梯波形梯波形m m(t)(t)，從而實現(xiàn)了數，從而實現(xiàn)了數/ /模轉換。模轉換。 (t)Sp(t)ttS(t)C(n) 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0

35、0 0 1 比較器比較器+Sp(t)S(t)e(t)+-積分器積分器脈沖發(fā)脈沖發(fā)生器生器抽樣定時抽樣定時發(fā)送端發(fā)送端M M 編碼器編碼器C(n)(t) TS -V -V-V+VC(n) 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0(t)tS(t)脈沖發(fā)脈沖發(fā)生器生器積分器積分器低通低通濾波濾波C(n)(t)(t)接納端接納端M 譯碼器譯碼器S(t)t(t)判決器(比較器)消息信號m (t)e(t)積分器脈沖發(fā)生器發(fā)送端編碼器p(t)抽樣定時增量調制信號輸出c(t)脈 沖發(fā)生器c(t)積分器EE低 通濾波器消息信號m (t)接收端譯碼器m1(t) 由于M是前后兩個樣值的差值的量化編

36、碼, 所以M實踐上是最簡單的一種DPCM方案，預測值僅用前一個樣值來替代，即當DPCM系統(tǒng)的預測器是一個延遲單元，量化電平取為2時，該DPCM系統(tǒng)就是一個簡單M系統(tǒng)。二、二、 增量調制的過載特性與編碼的動態(tài)范圍增量調制的過載特性與編碼的動態(tài)范圍 增量調制系統(tǒng)中量化噪聲有兩種方式，增量調制系統(tǒng)中量化噪聲有兩種方式，普通量化噪聲和過載量化噪聲。普通量化噪聲和過載量化噪聲。 當輸入模擬信號當輸入模擬信號m(t)m(t)斜率陡變時，本地斜率陡變時，本地譯碼器輸出信號譯碼器輸出信號m(t)m(t)跟不上信號跟不上信號m(t)m(t)的變的變化，這時，化，這時， m(t) m(t)與與m(t)m(t)之間

37、的誤差明顯增之間的誤差明顯增大，引起譯碼后信號的嚴重失真，大，引起譯碼后信號的嚴重失真， 這種景象這種景象叫過載景象，產生的失真稱為過載失真，或叫過載景象，產生的失真稱為過載失真，或稱過載噪聲。稱過載噪聲。 (a) 普通量化誤差； (b) 過載量化誤差m(t)m (t)eq(t)(a)m(t)m (t)tt(b)eq(t) 設抽樣間隔為t抽樣速率為fs=1/t，那么一個量階上的最大斜率K為 K= 它被稱為譯碼器的最大跟蹤斜率。顯然，當譯碼器的最大跟蹤斜率大于或等于模擬信號m(t)的最大變化斜率時，即sftsfdttdmmax)( 譯碼器輸出m(t)可以跟上輸入信號m(t)的變化，不會發(fā)生過載景

38、象，因此不會構成很大的失真。當然，這時m(t)與m(t)之間仍存在一定的誤差eq(t)，它局限在-，區(qū)間內變化，這種誤差稱為普通量化誤差。 為了不發(fā)生過載，必需增大和fs。但增大，普通量化誤差也大，由于簡單增量調制的量階是固定的，因此很難同時滿足兩方面的要求。 -不過載失真條件不過載失真條件 不過，提高fs對減小普通量化誤差和減小過載噪聲都有利。 實踐中增量調制采用的抽樣頻率fs值比PCM和DPCM的抽樣頻率值都大很多；對于語音信號而言，增量調制采用的抽樣頻率在幾十千赫到百余千赫。設輸入模擬信號為設輸入模擬信號為m(t)=Asinktm(t)=Asinkt，其斜率為，其斜率為 =Akcoskt

39、 =Akcoskt 可見，斜率的最大值為可見，斜率的最大值為AkAk。為了保證不發(fā)生過載，要求信號的最大斜率不為了保證不發(fā)生過載，要求信號的最大斜率不超越譯碼器的最大跟蹤斜率。如今信號的最大超越譯碼器的最大跟蹤斜率。如今信號的最大斜率為斜率為A A k, k, 所以要求所以要求AKfAKfS Sdttdm )(不過載且信號幅度又是最大值的條件為：不過載且信號幅度又是最大值的條件為：能正常開場編碼的最小信號振幅：能正常開場編碼的最小信號振幅：系統(tǒng)編碼的動態(tài)范圍可以定義為：系統(tǒng)編碼的動態(tài)范圍可以定義為：以以 正弦波值為規(guī)范，上式就變?yōu)椋赫也ㄖ禐橐?guī)范，上式就變?yōu)椋?ksksfAAftwwmax2m

40、inA dBfffffAADksksksCwlg2022lg202lg20lg20minmaxHzfk800dBfDsC800lg20抽樣速抽樣速率為率為fs(kHz)1020324080100編碼的編碼的動態(tài)范動態(tài)范圍圍DC(dB)121822243032 由上表可見，簡單增量調制的編碼動態(tài)范圍較小，在低傳碼率時，不符合話音信號要求。通常，話音信號動態(tài)范圍要求為 40-50dB。因此，適用中的M常用它的改良型，如增量總和調制、 數字壓擴自順應增量調制等。 三、增量調制系統(tǒng)的量化信噪比三、增量調制系統(tǒng)的量化信噪比 量化誤差有兩種，即普通量化誤差和過量化誤差有兩種，即普通量化誤差和過載量化誤差，

41、這里僅思索普通量化噪聲。載量化誤差，這里僅思索普通量化噪聲。系統(tǒng)最大的量化信噪比為系統(tǒng)最大的量化信噪比為mksmksqffffffNS23232004. 083用分貝表示為用分貝表示為)04. 0lg(10)(230mksdBqfffNS14lg10lg20lg30mksfff 上式闡明： 1簡單M的信噪比與抽樣速率fs成立方關系，即fs每提高一倍，量化信噪比提高9dB。因此，M系統(tǒng)的抽樣速率至少要在16kHz以上，才干使量化信噪比到達15dB以上，而抽樣速率在32kHz時，量化信噪比約為26dB，只能滿足普統(tǒng)統(tǒng)訊質量的要求。 2 量化信噪比與信號頻率fk的平方成反比，即fk每提高一倍，量化信

42、噪比下降6dB。因此，簡單M時語音高頻段的量化信噪比下降。 四、四、PCMPCM和和M M的性能比較的性能比較 PCM PCM和和MM都是模擬信號數字化的根本方都是模擬信號數字化的根本方法。法。1. 1. 抽樣頻率抽樣頻率 PCM PCM系統(tǒng)中的抽樣頻率系統(tǒng)中的抽樣頻率fsfs是根據抽樣定理來確是根據抽樣定理來確定的。假設信號的最高頻率為定的。假設信號的最高頻率為fHfH，那么，那么fs2fHfs2fH。對語音信號，取對語音信號，取fs=8kHzfs=8kHz。 M M系統(tǒng)中其抽樣頻率系統(tǒng)中其抽樣頻率fsfs不能根據抽樣定理來不能根據抽樣定理來確定。確定。MM的抽樣頻率與最大跟蹤斜率和信噪比有

43、的抽樣頻率與最大跟蹤斜率和信噪比有關。在保證不發(fā)生過載，到達與關。在保證不發(fā)生過載，到達與PCMPCM系一致樣的信系一致樣的信噪比時，噪比時，MM的抽樣頻率遠遠高于奈奎斯特速率。的抽樣頻率遠遠高于奈奎斯特速率。 2. 帶寬 M系統(tǒng)在每一次抽樣時，只傳送一位代碼，因此,M系統(tǒng)的數碼率為RB=fs，要求的最小帶寬為BM= fs/2,實踐運用時BM=fs 而PCM系統(tǒng)的數碼率為RB=lfs。要求的最小帶寬為BPCM=lfs/2,在同樣的語音質量要求下，PCM系統(tǒng)的數碼率為64kB，因此要求最小信道帶寬為32kHz。而采用M系統(tǒng)時，抽樣速率至少為100kHz，那么最小帶寬為50kHz。通常，M速率采用

44、32kHz或16kHz時，語音質量不如PCM。 比較兩者曲線可看出，假設比較兩者曲線可看出，假設PCMPCM系統(tǒng)的編碼位數系統(tǒng)的編碼位數N N4 4碼率較低時，碼率較低時，MM的量化信噪比高于的量化信噪比高于PCMPCM系統(tǒng)。系統(tǒng)。 3. 3. 量化信噪比量化信噪比 4. 信道誤碼的影響 在M系統(tǒng)中，每一個誤碼代表呵斥一個量階的誤差，所以它對誤碼不太敏感。故對誤碼率的要求較低，普通在10-3-10-4。而PCM的每一個誤碼會呵斥較大的誤差，尤其高位碼元，所以誤碼對PCM系統(tǒng)的影響要比M系統(tǒng)嚴重些，故對誤碼率的要求較高,普通為10-5-10-6。由此可見，M允許用于誤碼率較高的信道條件。 5. 設備復雜度 PCM系統(tǒng)的特點是多路信號一致編碼，普通采用8位對語音信號，編碼設備復雜，但質量較好。PCM普通用于大容量的干線多路通訊。 M系統(tǒng)的特點是單路信號獨用一個編碼器，設備簡單，單路運用時，不需求收發(fā)同步設備。但在多路運用時，每路獨用一套編譯碼器，所以路數增多時設備成倍添加。M普通適于小容量支線通訊。五、五、 改良型增量調制改良型增量調制 1 1、總和增量調制、總和增量調制(M) (M) 根本增量調制有兩大缺陷：根本增量調制有兩大缺陷：1 1信噪比與信號頻率有關，頻率高時信噪比信噪比與信號頻率有關，頻率高時信噪比降低。降低。2 2過載特性和動態(tài)范圍也與頻率有關。頻率過載