第6 差分脉冲编码调制
脉冲编码调制
脉冲编码调制* 脉码调制(Pulse Code Modulation)。
是一种对模拟信号数字化的取样技术，将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。
PCM 对信号每秒钟取样8000 次；每次取样为8 个位，总共64 kbps。
取样等级的编码有二种标准。
北美洲及日本使用Mu-Law 标准，而其它大多数国家使用A-Law 标准。
* PCM主要经过3个过程：抽样、量化和编码。
抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号，量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。
相关概念：所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。
所谓编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。
脉冲编码调制(PCM,Pulse Code Modulation)。
)Claude E. Shannon于1948年发表的“通信的数学理论”奠定了现代通信的基础。
同年贝尔实验室的工程人员开发了PCM技术，虽然在当时是革命性的，但今天脉冲编码调制被视为是一种非常单纯的无损耗编码格式，音频在固定间隔内进行采集并量化为频带值，其它采用这种编码方法的应用包括电话和CD。
PCM主要有三种方式：标准PCM、差分脉冲编码调制(DPCM)和自适应D PCM。
在标准PCM中，频带被量化为线性步长的频带，用于存储绝对量值。
在DPCM中存储的是前后电流值之差，因而存储量减少了约25%。
自适应DPCM改变了DPCM的量化步长，在给定的信造比(SNR)下可压缩更多的信息。
希望我的回答对你有用biwaywbdk2009-08-18 23:02:50FANUC数控系统的操作及有关功能(北京发那科机电有限公司王玉琪)发那科有多种数控系统，但其操作方法基本相同。
脉冲编码调制
模拟信号数字化
1．极性码B1 极性码B1表示信号样值的正负极性，“1”表示正极性，“0”表示 负极性。
2．段落码B2 B3 B4 段落码B2 B3 B4可表示为000～111，表示信号绝对值处在哪个段落，3 位码可表示8个段落，代表了8个段落的起始电平值。
3．段内码B5 B6 B7 B8 段内码B5 B6 B7 B8用于表示抽样值在任一段落内所处的位置，4位码表 示为0000～1111，代表了各段落内的16个量化电平值。由于各段落长度
数字与数据通信技术
模拟信号数字化
脉冲编码调制
1.1 脉冲编码调制的基本原理 编码就是把量化后的信号转换成代码的过程。有多少个量化值就需要 有多少个代码组，代码组的选择是任意的，只要满足与样值成一一对应的 关系即可，PCM编码采用的是折叠二进制码。这里讲的编码是对语声信号 的信源编码，是将语声信号（模拟信号）变换成数字信号，编码过程是摸 /数变换，记作A / D；解码是指数字信号还原成模拟信号，是数/摸变 换，记作D/A。 在A律13折线编码中，正负方向共有16个段落，在每一段落内有16个均 匀分布的量化电平，因此总的量化电平数N=16×16=256=28，编码位数n=8。 设B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8为8位码的8个比特，各位码字的意义如下。
模拟信号数字化
（2）第二次比较 确定段落码的第二位B3，在第一次比较的基础上。△i/2=448△＋16△/2=456△
量化误差= 解码电平 样值的绝对值 = 456 454 2
模拟信号数字化
1.2 编码
目前采用较多的是逐级反馈型编码器来实现非线性编码。逐次反馈型 编码原理框图如图3.9所示，由整流、极性判断、保持、比较、本地译码 器等主要几部分组成。样值PAM信号分作两路，一路送入极性判断进行判 决，编出极性码B1。另一路信号经整流电路变成单极性信号；保持电路 对样值在编码期间内保持抽样的瞬时幅度不变；本地译码器的作用是将 除极性码以外的B2～B8各位码逐位反馈，并生成与之对应的判定门限Ur； 比较器根据整流电路送来的样值幅度与本地译码器输出的判定值进行比 较，逐位形成B2～B8各位码。图3.11中，US代表信号幅度，Ur代表本地解 码的输出，把Ur作为每次比较的起始标准；当Us>Ur时，比较器判断输出 “1”；当Us<Ur时，比较器判断输出“0”。
通信原理-脉冲编码调制(PCM)
第3章 脉冲编码调制(PCM)
通常我们用模拟信号（Analogsignal）和数字信号 （Digitalsignal）的英文头一个字母把模拟信号变成数 字信号的过程简称为A/D转换，把数字信号变成模拟信 号的过程简称为D/A转换。图1―3中的信源编码实际上 就是A/D转换，信源解码也就是D/A转换。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
3.2 抽样
PCM过程可分为抽样、量化和编码等三步，第一 步是对模拟信号进行信号抽样。所谓抽样就是不断地 以固定的时间间隔采集模拟信号当时的瞬时值。图 3―1是一个抽样概念示意图，假设一个模拟信号f(t)通 过一个开关，则开关的输出与开关的状态有关，当开 关处于闭合状态，开关的输出就是输入，即y(t)=f(t)， 若开关处在断开位置，输出y(t)就为零。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
而 收 信 端 恢 复 的 只 能 是 量 化 后 的 信 号 m(t) ， 而 不 能恢复出k(t)，这样就使得收、发的信号之间有误差。 显然，这种存在于收、发信号之间的误差是由量化造 成的，我们称其为量化误差或量化噪声。比如在上例 中，量化间隔为1，由于采用“四舍五入”进行量化， 因此量化噪声的最大值是0.5。一般地说，量化噪声的 最大绝对误差是0.5个量化间隔。这种量化间隔都一样 的量化叫做均匀量化。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
那么如果我们在一定的取值范围内把量化值多取 几个（量化级增多），也就是把量化间隔变小，则量 化噪声就会减小。比如，把量化间隔取成0.5，则上例 的量化值就变成14个，量化噪声变为0.25。显然量化噪 声与量化间隔成反比。但是在实际中，我们不可能对 量化分级过细，因为过多的量化值将直接导致系统的 复杂性、经济性、可靠性、方便性、维护使用性等指 标的恶化。比如，7级量化用3位二进制码编码即可； 若量化级变成128，就需要7位二进制码编码，系统的 复杂性将大大增加。
脉冲编码调制(PCM)及其数字通信的特点
A / D变化 m(t) 抽样 ms (t) 低通 滤波 译码 mq (t) 量化 mq (t)
编码
信道
干扰
m(t)
PCM系统原理框图
7 量化电平数 M＝8 5 3 1 0 Ts 精确抽样值 量化值 PCM 码组 单极性传输 码 2.22 2 0 1 O 0 1 4.38 4 0 0 1 0 5.24 5 1 0 1 2.91 3 1 … t 2.22 4.隙 t
二、数字通信的主要特点
1. 数字通信的主要优点
（1）抗干扰能力强；
（2）差错可控；
（3）易加密；
（4）易于与现代技术相结合。 2. 需待解决的问题 （1）提高频带利用 ； （2）简化系统设备结构。
数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统 频带为代价而换取的。以电话为例，一路模拟电话通常只 占据4kHz带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话可能 要占据 20～60kHz的带宽，因此数字通信的频带利用率不 高。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备比 较复杂。不过，随着新的宽带传输信道（如光导纤维）的 采用、 窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通 信的这些缺点已经弱化。随着微电子技术和计算机技术的 迅猛发展和广泛应用，数字通信在今后的通信方式中必将 逐步取代模拟通信而占主导地位。
脉冲编码调制（PCM）及 其数字通信的特点
电工组
脉冲编码调制（PCM）
脉冲编码调制 (PCM) 简称脉码调制，它是一种用 一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而 实现通信的方式。由于这种通信方式抗干扰能力强， 它在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了 极为广泛的应用。 PCM是一种最典型的语音信号数字化的波形编码 方式， 其系统原理框图如图所示。首先，在发送端进 行波形编码 ( 主要包括抽样、量化和编码三个过程 ) ， 把模拟信号变换为二进制码组。编码后的PCM码组的 数字传输方式可以是直接的基带传输，也可以是对微 波、光波等载波调制后的调制传输。在接收端，二进 制码组经译码后还原为量化后的样值脉冲序列，然后 经低通滤波器滤除高频分量，便可得到重建信号。
脉冲编码调制PCM
脉冲编码调制（PCM）什么是脉冲编码调制（PCM）脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，简称PCM）是一种数字通信技术，用于将模拟信号转化为数字信号进行传输。
PCM是一种有损压缩算法，它将连续模拟信号离散化成固定的采样值，并使用一定的编码方案进行表示。
脉冲编码调制的原理脉冲编码调制的原理主要包括三个步骤：采样、量化和编码。
采样采样是指对连续的模拟信号进行间隔一定时间采集取样。
采样过程中，将模拟信号的幅度值在时间轴上不断取样并离散化。
采样率是指每秒钟采集的样本数，通常以赫兹（Hz）为单位。
较高的采样率可以更准确地还原模拟信号。
量化量化是指将采样得到的模拟信号幅度值映射到离散的数值上，以减少数据量。
量化的单位被称为量化水平或量化位数，通常以比特（bit）为单位。
较高的量化位数可以提供更高的精度，但也会增加数据量。
编码编码是将量化后的离散信号转换为二进制码流，以便通过数字通信系统进行传输。
常用的编码方式包括直接二进制编码（Differential Pulse Code Modulation，DPCM）、调制码（Delta Modulation，DM）和PAM（脉冲幅度调制）等。
脉冲编码调制的应用脉冲编码调制广泛应用于音频、视频和数据传输等领域。
以下是一些常见的应用场景：电话通信脉冲编码调制被广泛应用于传统的电话通信系统中。
通过PCM，模拟信号可以转换成数字化的信号，并通过电话网络进行传输。
音频编码在音频编码中，PCM被用于将模拟音频信号转换为数字音频信号，以便于储存和传输。
常见的音频编码标准包括CD音质的16位PCM编码和DVD音质的24位PCM编码。
数字视频在数字视频处理中，PCM常用于将模拟视频信号转换为数字视频信号，以实现高质量的视频编码和传输。
PCM可以通过降低采样率和量化位数，来减小视频数据的体积。
数据传输PCM也广泛用于数据传输领域，特别是在传输需要高精度和可靠性的信号时。
PCM(脉冲编码调制)介绍及PCM编码的原理 毕业论文---PCM量化13折线
PCM（脉冲编码调制）介绍及PCM编码的原理摘要在数字通信信道中传输的信号是数字信号，数字传输随着微电子技术和计算机技术的发展，其优越性日益明显，优点是抗干扰强、失真小、传输特性稳定、远距离中继噪声不积累、还可以有效编码、译码和保密编码来提高通信系统的有效性，可靠性和保密性。
另外，还可以存储，时间标度变换，复杂计算处理等。
而模拟信号数字化属信源编码范围，当然信源编码还包括并/串转换、加密和数据压缩。
这里重点讨论模拟信号数字化的基本方法——脉冲编码调制，而模拟信号数字化的过程（得到数字信号）一般分三步：抽样、量化和编码。
本文讲述了PCM（脉冲编码调制）的简单介绍，以及PCM编码的原理，并分别对PCM的各个过程，如基带抽样、带通抽样、13折线量化、PCM编码以及PCM 译码进行了详细的论述，并对各过程在MATLAB7.0上进行仿真，通过仿真结果，对语音信号的均匀量化以及非均匀量化进行比较，我们得出非均匀量化教均匀量化更加有优势。
关键词：脉冲编码调制抽样非均匀量化编码译码AbstractIn the digital communication channel signal is digital signal transmission, digital transmission with the microelectronics and computer technology, its advantages become increasingly evident, the advantage of strong anti-interference, distortion, transmission characteristics of stable, long-distance relay is not the accumulation of noise Can also be effective encoding, decoding and security codes to improve the effectiveness of communications systems, reliability and confidentiality.Digitized analog signal range of source coding is, of course, also include the source code and / serial conversion, encryption and data compression. This focus on the simulation of the basic methods of digital signals - pulse code modulation, while the analog signal the digital process (to get digital signals) generally three steps: sampling, quantization and coding.This paper describes the PCM (pulse code modulation) in a brief introduction, and the PCM coding theory, and were all on the PCM process, such as baseband sampling, bandpass sampling, 13 line quantization, PCM encoding and decoding PCM a detailed Are discussed and the process is simulated on MATLAB7.0, the simulation results, the uniformity of the speech signal quantification and comparison of non-uniform quantization, we have come to teach non-uniform quantization advantage of more than uniform quantizationKeywords：Pulse Code Modulation Sampling Non-uniform quantization Coding Decoding目录1 前言 (1)2 PCM原理 (2)2.1 引言 (2)2.2 抽样(Sampling) (3)2.2.1. 低通模拟信号的抽样定理 (3)2.2.2 抽样定理 (4)2.2.3. 带通模拟信号的抽样定理 (7)2.3 量化（Quantizing） (8)2.3.1 量化原理 (8)2.3.2均匀量化 (10)2.3.3 非均匀量化 (11)2.4 编码（Coding） (18)2.5 译码 (24)2.6 PCM处理过程的其他步骤 (26)2.7 PCM系统中噪声的影响 (27)3 算例分析 (29)3.1 无噪声干扰时PCM编码 (30)3.2 噪声干扰下的PCM编码 (36)结论 (42)致谢 (43)参考文献 (44)附录 (45)1 前言数字通信系统中信道中传输的是数字信号，数字传输随着微电子技术和计算机技术的发展，其优越性日益明显，优点是抗干扰强、失真小、传输特性稳定、远距离中继噪声不积累、还可以有效编码、译码和保密编码来提高通信系统的有效性，可靠性和保密性。
脉冲编码调制解调实验要点
2012-2013 第二学期开放实验项目题目两路话音+两路计算机数据综合传输系统实验学生姓名_______________专业名称：电子信息工程指导教师：______________2013年5月20日脉冲编码调制解调实验一、实验原理（一）基本原理PCM调制原理框图1、量化从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合，模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。
模拟信号的量化2、编码所谓编码就是把量化后的信号变换成二进制码，其相反的过程称为译码。
当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。
二）实验电路说明模拟信号在编码电路中，经过抽样、量化、编码，最后得到PCM 编码信号。
在单路编译码器中，经变换后的PCM 码是在一个时隙中被发送出去的，在其他的时隙中编译码器是没有输出的，即对一个单路编译码器来说，它在一个PCM 帧（32 个时隙）里，只在一个特定的时隙中发送编码信号。
同样，译码电路也只是在一个特定的时隙（此时隙应与发送时隙相同，否则接收不到PCM 编码信号）里才从外部接收PCM 编码信号，然后进行译码，经过带通滤波器、放大器后输出。
（三）输入、输出点参考说明1、输入点说明MCLK ：芯片工作主时钟，频率为2.048M 。
SIN IN-A ：模拟信号输入点。
BSX ：PCM 编码所需时钟信号输入点。
BSR：PCM 解码所需时钟信号输入点。
FSXA ：PCM 编码帧同步信号输入点。
FSRA ：PCM 解码帧同步信号输入点。
PCMIN-A ：PCM 解调信号输入点。
EARIN1 ：耳机语音信号输入点。
MICOUT1 ：麦克风语音信号输出点。
K1、K2 : A律、卩律切换开关PCMAOUT-A ：脉冲编码调制信号输出点。
SIN OUT-A : PCM 解调信号输出点。
二、实验步骤1 、将信号源模块和模块2 固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，确保电源接触良好。
项目六 脉冲编码调制PCM
2020/2/3
通信原理 13
项目六 脉冲编码调制PCM
补充－－关于带通型连续信号的抽样 带通抽样定理：一个带通信号x(t)，其上截止频率为fH，
标准，规定国际间通信采用A律特性。
2020/2/3
通信原理 30
项目六 脉冲编码调制PCM
（1）模拟压缩特性 1）μ律压缩特性
压缩器具有如下关系的压缩律:
y = ln(1 x) ,0 x 1 ln(1 )
y
1
1000 100
式中: y－－ 归一化的压缩输出电压: 压缩器的输出电压
• 这样就使信噪比在大、小信号的整个范围内基本 一致。
• 这种采用非均匀分层的方法称为非均匀量化。
2020/2/3
通信原理 24
项目六 脉冲编码调制PCM
• 非均匀量化的基本思想：量化阶距随输入信号的 幅度不同而改变。
• 在信号幅度大时，量化阶距大，在信号幅度小时， 量化阶距小。
• 在量化级数不变的前提下，使得量化信噪比在大 小信号时基本一致。
信号。Ts=1/(2fH)是最大允许抽样间隔，它被称为奈奎
斯特间隔，相对应的最低抽样速率fs=2fH称为奈奎斯特
速率。
Xs()
2020/2/3
O
2
Ts
通信原理 12
项目六 脉冲编码调制PCM
• 如果采样频率远大于2fH ，所得到的采样信号将包 含大量冗余信息。
• 在实际应用中，通常采样频率取为 （2.5-5） fH 。 • 一路电话信号的频带为300～3400Hz，fm=3400Hz，
脉冲编码调制PCM
2.3 脉冲编码调制（PCM）
PCM调制系统
1
信号的压缩与扩张
2
PCM编码器和译码器
3
PCM系统的噪声性能
4
差分脉冲编码调制
5
PCM编码器和译码器
编码器 译码器 PCM编码和译码器集成电路
码位的选择和安排
13折线编码采用8位二进制码，对应256个量化级，即正、负输入幅度范围内各有128个量化级 需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化级 正、负输入的8个段落被划分成128个不均匀量化级 8位码的安排
脉冲编码调制系统
30/32PCM端机每帧共有32个时隙，传30路数字话音信号和2时隙的勤务信息。 30/32PCM端机输出的信号称为一次群信号。实际应用中，还可将多个一次群进行准同步复接（PDH）：即四个基群 （一次群）复接组成二次群，四个二次群组成三次群，四个三次群组成四次群，四个四次群组成五次群，或进行同步复接（SDH）。
脉冲编码调制系统
以30/32PCM端机为例，介绍PCM的系统组成 话音信号的抽样频率为8000Hz，抽样的间隔时间Ts＝1/fs＝125s 为了时分复用将125 s分为32个时隙，即每个时隙为125 s /32＝3.9 s 每个抽样脉冲用8bit编码，即8位二进制脉冲作一个码组，一次放入各个时隙。 为保证通信的正常进行，每帧的起始时刻由帧定时信号决定，收端也应有相应的帧定时信号，收发两端的帧定时信号必须同频同相，即实现帧同步。
目前用得较多
逐次比较编码器原理框图
全波整流
参考电源
PAM信号
US
|US|
UR
极性判决
D1
比较码 形成
或 门
a2-a8
a1
PCM 编码输出
脉冲编码调制
26
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27
2021/11/14
28
若要使频谱分量无混叠，则必须使
Nfs 2(NB MB)
所以
fs 2B (1 M / N)
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29
§5.3 实际抽样
理想抽样： xs (t) x(t)T (t)
实际抽样：用有限持续时间的脉冲（脉宽为τ）。 平顶抽样：τ时间内脉冲幅度不变。 自然抽样：τ内脉冲幅度随信号幅度而变化。
yk
xk 1
[ (x
yk
xk
yk )2 px ( x)dx]
0
2021/11/14
50
yk,opt
xp xk 1,opt
xk ,opt
x
p xk 1,opt
xk ,opt
x
x dx x dx
最佳量化电平应取到最佳量化间隔的 质心上。
2021/11/14
51
特例1 当L=2， 分两层时。
x1=- x2=0 x3=
3
• （6）均匀量化时量化信噪比的推导和计 算公式，量化信噪比与编码位数的关系；
• （7）最佳量化、非均匀量化、对数量化；
• （8）A律对数压缩特性及其13折线近似；
• （9）折叠二进制组码原理及其抗误码能 力；
• （10）A律脉冲编码调制的编码规律，要 求在已知输入电平时，计算出码组。
2021/11/14
第五章 脉冲编码调制(1)
2021/11/14
1
单元概述
抽样是将模拟信号在时间上进行量化。低通信号
的最低抽样频率是其最高频率分量的两倍，而带通信 号则并不一定需要遵循这一规则。
脉冲编码调制是将时间上已量化的抽样序列，在
现代通信原理6第六章自适应差分脉码调制
6．2 DPCM的基本原理
• 任何信号,不论语音或图像,采用直接采样-量化编码的方式进行编码,都会发现码组之间具有很 强的相关性.
• 由于相关性的存在,传输数据中存在大量不需要 传输的信息,称为冗余.
• DPCM就是通过预测和差分编码方式来减少冗 余,实现数据压缩的目的.
6
什么是预测: 知道某时刻以前信号的表现,就可以推断它
i1
i1
sr (k ) se(k ) d q (k )
N
M
a i s r ( k i ) b i d q ( k i ) d q ( k )
i1i1Leabharlann MH ( z )
sr ( z) dq(z)
(1 (1
biz i )
i1
N
aiz i)
i1
有零点有极点,称为极零点预测器
24
4.最佳线性预测器 预测器具有一组预测系数ai,bi,怎样选择这一组
以后的数值.具体到信号的采样过程,就是通过前 几次的样值来预测后一次的样值.
7
假如有一个信号m(t),用速率1/TS进行采样，那么 在时刻t=nTs，我们可以掌握此前N个样值序列
M(nTs),m(nTs-Ts), m(nTs-2Ts),……m(nTs-NTs)
根据前N个样值对m(nTs)进行预测,定义为:
Bi是一组预测系数。 则重建信号为：
M
sr(z)dq(z)H (z)dq(z)1( bizi) i1
21
M
H(z)(1 bizi) i1
重建滤波器的传递函数只有零点没有极点，称 为全零点预测器。
22
3.极零点预测器
23
从发送端 从接收端
传递函数
6.5节差分脉冲编码调制DPCM
（1）一般量化噪声
≤
mr(t)
不过载条件：
dm t
fS
dt max
（2）过载量化噪声
mr(t)
如何选择 和 fs
很大
为了避免过载 和 增大编码范围，应合理选择 和 fs ！
增大 ： 有利于减小过载噪声 ，但一般量化噪声增大。
——原因：简单 ΔM 的量化台阶是固定的，难以使两者都不超过要求。
数字
信号
编码
i 1
N
+ ++
mpk
表明：预测值mpk是前面N个带有量
(a) 编码
器
化误差的抽样信号值的加权和。
N
wm
E e E m m = E m w m
E e
i = 1，2，…，N
0
差值 ek mk m pk mk
——解决：采用自适应 ΔM，使量化台阶随信号的变化而变化。
fs 增大：对减小过载噪声和一般量化噪声都有利。因此，对于语音信
号而言， ΔM 的抽样频率典型值为16kHz或 32kHz。
f s ΔM f s PCM
编码范围：
起始编码电平
Amin=σ / 2
时，编码1010101010⋯
最佳线性预测器:
i 1
wi - 预测系数
mrk
预测器
wi mr k i
忽略量化误差
2
k
令
i 1
k
i
r k i
N
2
pk
k
2
k
使用差分脉冲编码调制differentialpulsecodemodulationDPCM对
编码的必要性
一幅模拟图象必须经过脉码调制（PCM—Pulse Code Modulation)才能变成数字图象。（PCM有时也指对 信号进行采样、量化并以适当码字将其编码的各个 过程的总称）
2
2018年8月21日11时30分
PCM的过程： 模拟图象
中间体 中间体 幅值量化 空间采样 编 码
例1
数字图象
2018年8月21日11时30分
第7章 图象编码与压缩
主要内容： 1.图象编码的必要性 2.图象编码的分类 3.图象编码中的保真度准则 4.编码的性能参数 5.统计编码
6.预测编码
7.变换编码 8.图象编码的国际标准
1
2018年8月21日与压缩，本质上来说，就是对图象源数 据按一定的规则进行变换和组合，从而达到以尽 可能少的代码来表示尽可能多的数据信息。压缩 通过编码来实现，或者说编码带来压缩的效果， 所以，一般把此项处理称之为压缩编码。
i 1 m
令 {1 , 2 ,, m } 是对应象素灰度级的编码长度 定义
R(d ) p(d i ) i （单位：比特/象素）
i 1 m
9
2018年8月21日11时30分
称H(d)为该图象的平均信息熵，R(d)为平均编码长度。 编码效率
H (d ) (%) R(d )
有损压缩（保真度编码，特征抽取编码）
无损压缩（信息保持压缩，熵保持压缩） c)从具体的编码技术角度分类 空域法，变换域法 预测编码，变换编码，统计编码，等
6
2018年8月21日11时30分
3.图象编码中的保真度准则
图象品质的核心问题是逼真度问题。经过处理的图象（包 括经过压缩编码后的图象）与一个标准图象之间的偏差可 以作为图象逼真度（保真度）的度量。这一偏差，包括亮 度，色度，分辨率以及某些心理物理学参数。 a)客观保真度准则 设f(x,y)是输入图象，f’(x,y)是输出图象, 定义偏差 e(x,y)=f(x,y)-f’(x,y),则以下的参数可作为保真度准则：
PCM脉冲编码调制
抽样
将时间上连续的模拟信号变为时间上离散的抽样值的过程就是抽样。抽
样定理则主要讨论能否由离散的抽样值序列重新恢复为原始模拟信号的问题，
这是所有模拟信号数字化的理论基础
抽样
量化
因为模拟信号x（t）经过抽样后的到的样值序列在时间上是离散的，所
以在编码之前还必须对抽样所得的样值序列做进一步处理，使其成为在幅度
所以输出码组为: 1 110 0011
量化误差: 635 – 608 = 27
5
6
7
= 0
= 0
= 1
a8= 1
再见
语音信号编码
——脉冲编码调制（PCM）
脉冲编码调制的基本概念
脉冲编码调制 (Pulse Code Modulation)是一种对模拟信号数字化的
取样技术，将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信
号。PCM 对信号每秒钟取样 8000 次；每次取样为 8 个位，总共 64kb。
取样等级的编码有二种标准。北美洲及日本使用 Mu-Law 标准，而其它大
多数国家使用A-Law 标准。
脉冲编码调制主要经过3个过程：抽样、量化和编码。抽样过程将连续
时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号，量化过程将抽样信号变
为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个
二进制码组输出。
一、脉冲编码调制的基本概念
1、抽样
2、量化
3、编码
脉冲编码调制
解：
① 极性码
+635 > 0
② 段落码
635 > 128
③ 段内码
a1 = 1
a
635 > 512
脉冲编码调制的基本原理介绍
下面主要以语音信号为例，介绍PCM 原理：一、语音信号的数字化大家都知道，语音信号是模拟信号，而数字程控交换机内部交换的却是数字信号，那么如何使模拟的语音信号数字化，可采用脉冲编码调制的方法，即PCM 。
我们知道，模拟信号数字化称为模/数（A/D ）变换，而把数字信号还原成模拟信号称为数/模（D/A ）变换，综合A/D 和D/A 的一般步骤，图1给出了PCM 通信的简单模型。
图1 PCM 通信的简单模型 （一）抽样语音信号在时间上是连续的，经过抽样后变成时间上离散的信号。
简单的说，抽样就是将模拟信号在时间上离散的过程。
抽样上每隔一定的时间间隔T ，在抽样器上接发送端接收端A/D 变换 D/A 变换入一个抽样脉冲，通过抽样的脉冲去控制抽样器的开关电路，取出话音信号的瞬间电压值，即样值。
如图2所示，抽样后的信号称为抽样信号，显然，它可以看作按幅度调制的脉冲信号，即PAM 信号，其幅度的取值仍是连续的，不能用有限个数字来表示，因此抽样值仍是模拟信号。
图2 语音信号的抽样语音信号抽样后信号所占用的时间被压缩了，这是时分复用技术的必要条件。
关于这一点将在本节课第三个内容讲解，但是，用抽样信号代替原信号必须要满足抽样定理，否则样值不能够完全表征原信号。
f(t)t tt抽样脉冲抽样定理：对于一个具有有限带宽的模拟信号f(t)，其最高频率分量为fm ,则当抽样频率fs ≥2fm 时，样值可以完全表征原信号。
我们的语音信号频率在300-3400HZ之间，根据抽样定理，抽样频率fs=2x3400=6800HZ，为了留一定的防卫带，ITU(International Telecommunications Union，国际电信联)盟规定的抽样频率为：fs=8000HZ，抽样周期为T=1/8000=125μs。
（二）量化抽样后的信号，其幅度的取值仍是无限多个，是连续的，在幅度上离散化抽样信号，就是量化。
简单的说，量化就是将抽样信号在幅度上离散化的过程。
差分脉冲编码调制
对模拟信号基本信息
差分脉冲编码调制(Differential Pulse code modulation，DPCM)，是一种对模拟信号的编码模式,与PCM 不同每个抽样值不是独立的编码,而是先根据前一个抽样值计算出一个预测值,再取当前抽样值和预测值之差作编 码用.此差值称为预测误差.抽样值和预测值非常接近(因为相关性强),预测误差的可能取值范围比抽样值变化范 围小.所以可用少几位编码比特来对预测误差编码,从而降低其比特率.这是利用减小冗余度的办法,降低了编码比 特率。
Differential（差异）或Delta PCM（DPCM）纪录的是值与前一个值的差异值。与相等的PCM比较，这种编 码只需要25%的比特数。
相关概念
相关概念
所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。 所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电 平值来表示。 所谓编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。
脉冲编码调制
脉
量化
脉
冲编码调制主要经过3个过程：抽样、量化和编码。抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度 的抽样信号，
量化
过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输 出。
谢谢观看
差分脉冲编码调制
差分脉冲编码调制一、概述差分脉冲编码调制（DPCM）是一种数字信号处理技术，用于将模拟信号或数字信号转换为数字脉冲序列。
它的基本原理是对输入信号进行预测并将预测误差编码为脉冲序列，从而实现信号的压缩和传输。
二、DPCM的工作原理1. 信号预测DPCM的第一步是对输入信号进行预测。
这个预测可以使用不同的算法，如线性预测、最小均方误差（MMSE）预测等。
在线性预测中，我们假设输入信号是由前面几个样本的线性组合得到的。
我们使用这些样本来计算一个线性系数，并将其应用于下一个样本以进行预测。
最小均方误差（MMSE）预测则尝试找到最小化平均误差的系数。
2. 预测误差编码在完成信号预测后，我们可以计算出当前样本与其预测值之间的误差。
这个误差就是所谓的“残差”或“残余”。
接下来，我们需要将这个残余量编码为数字脉冲序列。
最简单和最常见的方法是使用Delta Modulation（DM）。
在DM中，我们只考虑残差的符号，然后将其编码为1或0。
如果残差为正，则输出1；否则输出0。
3. 编码器和解码器DPCM系统由编码器和解码器两部分组成。
编码器将输入信号转换为数字脉冲序列，并将其发送到解码器进行恢复。
解码器使用相同的算法来预测信号，并计算出残差。
然后，它使用编码器发送的数字脉冲序列来重建原始信号。
三、DPCM的应用DPCM被广泛应用于音频和视频压缩、图像压缩、数据传输等领域。
例如，在音频压缩中，DPCM可以大大减少原始音频信号的数据量，从而降低存储和传输成本。
在视频压缩中，DPCM可以与其他技术（如运动估计）结合使用，以进一步提高压缩效率。
四、优点和缺点1. 优点（1）简单易实现：DPCM算法不需要太多的计算资源和存储空间。
（2）压缩效率高：通过预测信号并编码预测误差，可以大大减少数据量。
（3）抗噪声能力强：由于预测误差只是信号的一小部分，因此DPCM 对噪声有很强的鲁棒性。
2. 缺点（1）误差传播：由于预测误差会被编码并传输，因此如果一个样本的预测值出现错误，它将会影响所有后续样本的编码。
差分脉冲编码调制
差分脉冲编码调制介绍差分脉冲编码调制（DPCM，Differential Pulse Code Modulation）是一种数字信号处理技术，常用于在通信系统中进行数据传输。
它通过差分编码和脉冲编码两个步骤来实现信号的压缩和解压缩，提高数据的传输效率和可靠性。
差分编码差分编码是DPCM的第一步，目的是对原始数据进行编码压缩。
它的基本原理是通过记录相邻数据样本之间的差异，而不是直接记录每个样本的数值。
这种差分编码能够减少冗余信息的传输，从而提高数据压缩率。
差分编码的流程1.获取原始数据样本序列。
2.初始化差分编码器，设置初始值。
3.对于每个样本，计算与前一个样本的差值。
4.将差值作为编码后的数值输出，并更新差分编码器的状态。
差分编码的优势•减少了冗余信息的传输，提高了数据压缩率。
•对原始数据的波动具有较好的抵抗能力，提高了传输的可靠性。
•适用于连续变化较小的信号，如语音和视频信号。
脉冲编码脉冲编码是DPCM的第二步，主要目的是将经过差分编码的数据进行脉冲形式的编码，以便进行传输和解压缩。
脉冲编码可以通过不同的编码方案来实现，常用的有脉冲幅度调制（PAM）、脉冲宽度调制（PWM）和脉冲位置调制（PPM）等。
脉冲编码的方案1.脉冲幅度调制（PAM）–将差分编码的数值转换为相应的幅度脉冲信号。
–幅度的大小可以表示为不同的离散数值，例如正负幅度或多级幅度。
–PAM编码方案实施简单，但对传输噪声较敏感。
2.脉冲宽度调制（PWM）–将差分编码的数值转换为相应的脉冲宽度信号。
–宽度的大小可以表示为不同的离散数值。
–PWM编码方案适用于传输噪声较大的环境，但在高速传输中存在限制。
3.脉冲位置调制（PPM）–将差分编码的数值转换为相应的脉冲位置信号。
–通过脉冲的位置来表示不同的数值。
–PPM编码方案对于传输噪声和信道幅度变化较为鲁棒，适用于高速传输。
脉冲编码的优势•提供了一种紧凑的表示形式，减少了传输所需的存储空间和带宽。
使用差分脉冲编码调制differentialpulsecodemodulationDPCM对42页P
使用差分脉冲编码调制 differentialpulsecodemodulationDPC
M对 51、没有哪个社会可以制订一部永远适用的宪法，甚至一条永远适用的法律。——杰斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔 53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
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当
，
量化为
当
，
量化为
当
，
量化为
当
，
量化为
图(b)表示经抽样与量化后的 信号波形，图(c)是编码器输 出的DPCM码。若设正脉冲表 示二进制数字"0",负脉冲表示 "1",则编码器输出的DPCM码 为:0101010000000 。
2.DPCM编码
由式（6-1）产生的预测误差 e(k) 虽 然与样本值 x(t) 比较一般是不大的量， 但由于信号某段中可能增、减斜率较大， 因此阶梯波 追x%(k踪) 能力就显不足，会
6.2 差分脉冲编码调制（DPCM）
•编码器中的预测器与解码器中的预测器完全 相同 。
•DPCM原理方框图
DPCM预测原理
DPCM系统 中，总量化 误差只和差 值信号的量 化误差有关
编码器：图6-1给出了一个实现DPCM功
能的系统框图。它实现预测编码的基本设计 构思是，对预测误差 e(k) 进行量化后，编成 PCM码传输。这一差值的动态范围应当说比 PCM的绝大多数样本值小的多。PAxM(k)序列的 所用的参考值来自于带有预测器，而不断累 积的阶梯波输出，x%(k )是在以前所有累积值与 差值量化值eˆ(k) 相加的结果。因此阶梯波x%(k) 总是在不断近似追踪输入序列PAM信号的各
最后算出DPCM系统的输出信噪比为
比较DPCM和PCM系统的性能
•PCM系统的输出信噪比为
• DPCM系统的输出信噪比为
可以看出，当N和fs/fc比较大时，DPCM 系统的性能要优于PCM。
•
DPCM与PCM的区别是，在PCM
中用信号抽样值进行量化，编码后传输。
而DPCM则是用信号mt 与 mt 的差值进
x(k ) 值。
图6-1 DPCM功能系统框图
1.各量值之间关系 • （1）系统输入的瞬时样本值与累积
阶梯波之差为误差值，即
• x(k) x%(k) e(k) (6-1)
• （2）比较器输出的误差值 e(k) 经M个量化电平的量化器量化后 为 eˆ(k) ，它等于误差值与量化误 差值之和中，由于误差范围 被量
化为M个电平，所以
， 所以
•下面求DPCM系统的量化噪声功率
此时误差信号的量化误差的范围为 参见118页5-26，量化噪声功率为
假设量化后的误差信号具有均匀的功率谱 密度，而DPCM系统输出数字信号的码元速率 为 ，所以可以认为噪声频谱均匀地分布 于频带宽度为 ，的范围内，所以可求得 此时的单边功率谱密度为 经截止频率为fm的低通滤波器后，得到噪声功 率为
xˆ(k) x(k) q(k) (6-4) 或
x(k) xˆ(k) q(k) (6-5)
（5）由于预测输出（通过分析阶梯波）x%(k ) 是个累积过程，因此，式（6-1）可写为
N
e(k) x(k) x%(k) x(k) aixˆ(k i) i1
(6-6) 式中，ai 1 表示单位幅度的正负权值系 数。
导致瞬时差值 较大e(k，) 况且通过量化
器得到的量化值 又有eˆ新(k)的损失 量 q(k) 。因此对于各时刻 kTs 的正负不 等的差值需进行编码。
• 分析证明，对于动态范围远小于原
信号动态范围的量化差值 eˆ(k) 编制PCM 码（线性），要比直接利用PCM系统所 需的编码位数 k log2 M 要少。
ADPCM是在差分脉冲编码调制(DPCM)的基础上 发展起来的。
•压缩的可能性？
任何信号,不论语音或图像,采用直接采 样-量化-编码的方式进行编码,都会发现码 组之间具有很强的相关性。由于相关性的 存在,传输数据中存在大量不需要传输的信 息,称为冗余。当利用PCM方式编码时，这 些相邻样本很可能在一个量化级，或只差1、 2个量化级，这样的PCM码序列，就产生 了“冗余”信息。
• 以两位编码(N=2)来说明DPCM的编码过程。
由于N=2，所以误差信号的量化电平数
。
•假设4个量化电平分别为 ， ， ， 它们分别由二进制脉冲(双极性信号)++,+-,-+,-表示。误差信号的抽样、量化和编码过程如 图所示。
图(a)表示对误差信号的抽样、 量化，图中的红色空心圆点 表示误差信号的抽样值，图 中的蓝色实心圆点表示误差 信号量化后的值。
3.DPCM解码
DPCM解码方式如图6-3所示。 接收端将差值PCM信号通过解码器 变换为差值序列 eˆ(k) ，然后经过预 测器进行累加积分，恢复原信号的 近似值， x%(k) 生成阶梯波，再由低 通滤波器（LPF）平滑后，可得原信 号 x(k) 的估值信号。
图6-3 DPCM解码方式
•DPCM系统的性能
eˆ(k) e(k) q(k) （6-2）
• 式中， q(k) 表示差值 e(k) 的量化 误差（量化噪声）。
（3）预测器的输入值等于阶梯波 累积值与差值的量化值之和
xˆ(k) x%(k) eˆ(k) (6-3)
（4）通过系统中的预测处理后，x(k) 的最终损失为量值不大的差值量化 噪声 q(k) ，则有
行量化，再进行编码。经DPCM调制后的 信号，抽样值压缩比大，并且比PCM信噪 比改善14～17dB。
•
DPCM与M 区别是是：在M 中是
用一位二进制码表示增量，而在DPCM中
用几位二进制表示增量。由于它增多了量
化级，因此在改善量化噪声方面优于 。
压 缩 的
概 念
•自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)
以较低的速率获得高质量编码，一直是语音编码 追求的目标。通常，人们把话路速率低于64kb/s的 语音编码方法，称为语音压缩编码技术。
自适应差分脉冲编码调制是语音压缩中复杂度较 低的一种编码方法，它可在32kb/s的比特率上达到 64kb/s的PCM数字电话质量。近年来，ADPCM已 成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。
• 这意味着夹杂有重复信息传输而浪 费传输能力。如果设法在编码前就去 掉这些相关性很强的冗余，则可进行 更为有效的信息传输。具有此种功能 而普遍采用的编码机制，称为差分脉 冲编码调制（DPCM）。
•实现差分编码的一个好办法是根据前 面的k个样值预测当前时刻的样值。 编码信号只是当前样值与预测值之间 的差值的量化编码。