編碼課件講解

通信原理課程負(fù)責(zé)人：殷玲Telmail:258475723@項(xiàng)目5模擬信號(hào)的數(shù)字化項(xiàng)目描述

將模擬輸入信號(hào)數(shù)字化后，通常變成二進(jìn)制碼元，用二進(jìn)制碼元表示的過(guò)程也是一種編碼過(guò)程，實(shí)際上，這也是信源編碼的一個(gè)基本功能。數(shù)字化過(guò)程包括三個(gè)步驟：抽樣，量化和編碼。

模擬信號(hào)首先被抽樣，模擬信號(hào)被抽樣后，成為抽樣信號(hào)，它在時(shí)間上是離散的，但是其取值仍然是連續(xù)的，所以是離散模擬信號(hào)。第二步是量化，量化的結(jié)果使抽樣信號(hào)變成量化信號(hào)，其取值是離散的，故量化信號(hào)已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)了，它可以看成是多進(jìn)制的數(shù)字脈沖信號(hào)。第三步是編碼，最基本最常用的編碼方法是脈沖編碼調(diào)制。教學(xué)目標(biāo)掌握脈沖編碼調(diào)制（PCM）。百學(xué)須先立志思政育人懂模數(shù)轉(zhuǎn)換，看現(xiàn)象本質(zhì)，培養(yǎng)深入發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；多維度看問(wèn)題，培養(yǎng)發(fā)散思維。百學(xué)須先立志編碼任務(wù)33.1脈沖編碼調(diào)制

量化后的信號(hào)，已經(jīng)是取值離散的多電平數(shù)字信號(hào)。下一步的問(wèn)題是如何將這個(gè)多電平數(shù)字信號(hào)用二進(jìn)制符號(hào)（如“0”和“1”）表示。將模擬信號(hào)變換成二進(jìn)制信號(hào)的方法稱為脈沖編碼調(diào)制（PCM）。在發(fā)送端，模擬信號(hào)數(shù)字化（A/D）的過(guò)程：“抽樣、量化和編碼”。編碼后的PCM信號(hào)是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字序列。

在接收端，編碼信號(hào)（PCM信號(hào)）經(jīng)譯碼后還原為樣值序列（含有誤差），再經(jīng)LPF濾除高頻分量，便可得到重建的模擬信號(hào)。常見(jiàn)二進(jìn)制碼自然二進(jìn)碼：一般的十進(jìn)制正整數(shù)的二進(jìn)制表示，其編碼簡(jiǎn)單。折疊二進(jìn)碼：極性碼和幅度碼組成。極性碼，即左邊第1位，表示信號(hào)的極性；幅度碼，即第2位～最后1位，表示信號(hào)的幅度，且幅度碼從零電平到大電平按自然碼規(guī)則編碼。當(dāng)正、負(fù)絕對(duì)值相同時(shí)，幅度碼相對(duì)于零電平對(duì)稱折疊，故名折疊碼。

折疊碼有兩個(gè)特點(diǎn)：

可將雙極性信號(hào)簡(jiǎn)化為單極性編碼。小幅度電平對(duì)應(yīng)的碼組出現(xiàn)誤碼時(shí)，誤差級(jí)數(shù)比自然碼小。格雷碼：其特點(diǎn)是相鄰碼字的距離恒為1。語(yǔ)音信號(hào)的PCM編碼常采用折疊二進(jìn)碼。編碼規(guī)則碼位與安排

在A律13折線PCM編碼就是將每個(gè)抽樣值IS轉(zhuǎn)換為8位折疊二進(jìn)碼：

極性碼：表示樣值的極性。正編“1”，負(fù)編“0”。段落碼：表示樣值的幅度所處的段落。段內(nèi)碼的16種可能狀態(tài)對(duì)應(yīng)代表各段內(nèi)的16個(gè)量化級(jí)。起始電平和量化間隔

為了確定樣值(幅值)所在的段落和量化級(jí)，需知每個(gè)段落的起始電平和各段內(nèi)的量化間隔。非線性碼與線性碼（7/11）

若以△為量化間隔對(duì)13折線正極性的8個(gè)段落進(jìn)行均勻量化，則各段的量化級(jí)數(shù)分別為16、16、32、64、128、256、512、1

024，共計(jì)2

048=211個(gè)量化級(jí)，需要11位（線性）編碼。而非均勻量化只有128個(gè)量化電平，只要編7位（非線性）碼。

可見(jiàn)，在保證小信號(hào)量化間隔相同的條件下，非均勻量化的編碼位數(shù)少，因此設(shè)備簡(jiǎn)化，所需傳輸系統(tǒng)帶寬減小。按非均勻量化的編碼稱為非線性或?qū)?shù)PCM編碼；按均勻量化的編碼稱為線性PCM編碼。逐次比較型編碼器原理框圖

極性判決電路：確定樣值信號(hào)（PAM信號(hào)）的極性，編出C1。整流器：雙

單（樣值電流的幅度大?。?。保持電路：使每個(gè)樣值電流的幅度在7次比較編碼過(guò)程中保持不變。比較判決器：通過(guò)對(duì)樣值電流和標(biāo)準(zhǔn)電流的比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)抽樣值的非線性量化和編碼。

若Is＞Iw，輸出“1”碼；若Is＜Iw，輸出“0”碼記憶電路：寄存前面編出的碼，以便確定下一次的標(biāo)準(zhǔn)電流值Iw。7/11變換電路：將7位非線性碼轉(zhuǎn)換成ll位線性碼，以便恒流源產(chǎn)生所需的標(biāo)準(zhǔn)電流Iw。【例5-3】設(shè)輸入信號(hào)的樣值（?為最小量化間隔），按照A律13折線，采用逐次比較型編碼器將其編成8位PCM碼組。

解：（1）極性碼C1：因?yàn)闉檎?，所以?/p>

（2）段落碼。

C2的職責(zé)：表示樣值Is處于前4段還是后4段，因此，標(biāo)準(zhǔn)電流為：第1次比較結(jié)果為

，表示Is處于后4段（5～8段）。

C3的職責(zé)：表示樣值Is處于該4段中的前2段還是后2段。根據(jù)C2=1，標(biāo)準(zhǔn)電流為：。第2次比較結(jié)果為

，表示Is處于后2段（7、8段）。

C4的職責(zé)：表示樣值Is處于該2段中的那一段。根據(jù)C2C3=11，標(biāo)準(zhǔn)電流為：第3次比較結(jié)果為

，表示樣值Is處于第8段（起始電平為1024，量化間隔為）。

（3）段內(nèi)碼。

C5的職責(zé)：表示樣值Is位于該段落（本例第8段）的前8級(jí)還是后8級(jí)，故第4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流為

第4次比較結(jié)果為

，表示樣值Is處于前8級(jí)（0～7級(jí)）。C6的職責(zé)：表示樣值Is位于這8級(jí)中的前4級(jí)還是后4級(jí)，故第5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流為

第5次比較結(jié)果為

，表示樣值Is處于前4級(jí)（0～3級(jí)）。同理，本地譯碼電路輸出的第6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流為第6次比較結(jié)果為

，表示Is處于2～3級(jí)。

第7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流為第7次比較結(jié)果為

，最后C5C6C7C8=0011表示處于序號(hào)為3的量化級(jí)內(nèi)。經(jīng)過(guò)以上編碼過(guò)程，對(duì)于模擬抽樣值，編出的PCM碼組為C1C2C3C4C5C6C7C8=11110011它表示樣值Is處于第8段落的序號(hào)為3的量化間隔內(nèi)。該碼通對(duì)應(yīng)的量化電平為，故量化誤差等于

。強(qiáng)調(diào)指出，在上述編碼過(guò)程中，同時(shí)完成了非均勻量化，也就是說(shuō)，量化和編碼是同時(shí)在編碼器中完成的?！纠?-4】將【例5-3】得到的7位非線性PCM碼字（除極性碼外）“1110011”轉(zhuǎn)換成ll位線性碼。

解：若使非線性碼與線性碼的碼字電平（編碼電平）相等，即可得出7位非線性碼與11位線性碼間的關(guān)系。

“1110011”對(duì)應(yīng)的編碼電平為

因此，相應(yīng)的11位線性碼為10011000000。

譯碼原理

譯碼（也稱解碼）是編碼的逆過(guò)程。譯碼的作用是把收到的PCM信號(hào)還原成相應(yīng)的PAM信號(hào)，即進(jìn)行D/A變換。

A律13折線譯碼器原理框圖如下圖所示，它與逐次比較型編碼器中的本地譯碼器基本相同，所不同的是增加了極性控制部分和帶有寄存讀出的7/12變換電路。【例5-5】在例5-3基礎(chǔ)上，計(jì)算編碼電平IC、譯碼電平為ID、編碼后的量化誤差及譯碼后的量化誤差。

解：在例5-3中，樣值對(duì)應(yīng)的PCM編碼組為11110011，說(shuō)明位于第8段落的序號(hào)為3的量化間隔內(nèi)，因此，碼組11110011對(duì)應(yīng)的量化電平（編碼電平）為編碼電平IC是樣值IS所在量化間隔的起始電平。編碼后的量化誤差為

該誤差大于量化間隔的一半。為了使最大量化誤差不會(huì)超過(guò)，在譯碼器中采用了7/12變換電路，它與編碼器中的7/11變換電路相比，增加一個(gè)支流，這等效于讓譯碼電平ID處于每個(gè)量化間隔的中間，即

譯碼后的量化誤差為

該誤差小于，從而改善了量化信噪比。

PCM信號(hào)的比特率和帶寬PCM信號(hào)的比特率為

所需傳輸帶寬（采用矩形脈沖傳輸時(shí)第1零點(diǎn)帶寬）為

因此，單路PCM數(shù)字電話信號(hào)的比特率為64kbit/s，帶寬為64kHz。由此可見(jiàn)，PCM信號(hào)占用頻帶比模擬標(biāo)準(zhǔn)話路帶寬（4kHz）寬很多倍。3.2增量調(diào)制

增量調(diào)制（DM），簡(jiǎn)稱DM或ΔM，可看成是一種DPCM的特例。ΔM具有編譯碼簡(jiǎn)單、抗誤碼特性好、低比特率時(shí)的量化信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。因此，在軍事和工業(yè)部門的專用通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信中得到了廣泛應(yīng)用。

量化臺(tái)階抽樣間隔只要△t和

足夠小，則

當(dāng)階梯波上升一個(gè)，編“1”碼；

當(dāng)階梯波下降一個(gè)，編“0”碼，如此，就被一個(gè)二進(jìn)制序列表征，從而完成了A/D轉(zhuǎn)換。該二進(jìn)制序列稱為△M序列，它的每個(gè)編碼比特表示相鄰抽樣值的差值（也稱增量）極性。接收端譯碼時(shí)：若收到“1”碼，則在△t內(nèi)按斜率

/△t

上升一個(gè)量階

若收到“0”碼，則在△t內(nèi)按斜率?

/△t下降一個(gè)量階

如此恢復(fù)出圖中虛線所示的斜變波信號(hào)。這一過(guò)程可用一個(gè)簡(jiǎn)單的RC積分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。斜變波再經(jīng)低通濾波器平滑后，就可恢復(fù)重建原來(lái)的模擬信號(hào)?！鱉的編碼器和譯碼器

不過(guò)載條件和編碼范圍

在數(shù)字化過(guò)程中會(huì)帶來(lái)量化誤差（量化噪聲），表現(xiàn)為兩種形式，如下圖（a）和（b）所示。

（a）一般量化噪聲：。

（b）過(guò)載量化噪聲：當(dāng)信號(hào)m(t)斜率徒變，階梯波因跟不上m(t)的變化而形成的較大誤差，也稱過(guò)載噪聲。不過(guò)載條件：

式中，

為量化臺(tái)階；為抽樣頻率；為譯碼器最大跟蹤斜率。

例如：正弦信號(hào)，不過(guò)載時(shí)應(yīng)滿足：

臨界過(guò)載振幅（最大允許編碼電平）為：

最小編碼電平為

編碼范圍：最大允許編碼電平與最小編碼電平之比：

這是編碼器能夠正常工作的輸入信號(hào)振幅變化范圍。

和fs的選擇：

為了避免過(guò)載和增大動(dòng)態(tài)范圍，關(guān)鍵在于選擇

和fs。

的選擇應(yīng)適中，更好的辦法是采用自適應(yīng)增量調(diào)制，使量階隨信號(hào)變化而變化。fs選大對(duì)減小兩類噪聲都有利。因此，對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)而言，△M的抽樣頻率在幾十千赫到百余千赫。量化信噪比

在正弦輸入信號(hào)臨界振幅條件下，最大的量化信噪比為

抽樣速率