通信原理脉冲编码调制
数字通信原理第二章 PCM
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抽样示意图
m (t)
M ( )
t (a ) T (t)
t
(c ) m s(t)
－ H O H (b )
T ( )
2
T
(d )
M s( )
t (e )
H O H
2
T
(f )
20
证明
设：被抽样的信号是m(t),它的频谱表达式是 M(ω)，频带限制在（0，fH)内。理想的抽样 就是用单位冲击脉冲序列与被抽样的信号相 乘，即
图 连续信号抽样示意图
8
抽样定义
所谓抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列 时间上离散的样值序列的过程：
图 抽样的输入与输出
满足：抽样信号可以无失真地恢复出原始 信号
图2-2 抽样器及抽样波形示意
图 相乘器抽样模型 图 开关函数
思考
关于抽样需要解决两个问题： 由抽样信号完全恢复出原始的模拟 信号，对 fs (t)和抽样频率有什么限制 条件？ 如何从抽样信号中还原出原始信号？
ms(t)m(t)T(t)
这里的抽样脉冲序列是一个周期性冲击序列， 它可以表示为
T(t) (t nTS)
21
由于δT(t)是周期性函数，其频谱δT(ω) 必然是 离散的：
2
δT(ω)= Ts δ(ω-nωs),
ωs=2πfs= 2π/Ts
根据冲击函数性质和频率卷积定理：
M s()21 M ()T()
抽样：按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散 的抽样信号。 量化：把幅度上仍连续的抽样信号进行幅度离散，即指定M 个规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示。 编码：用二进制码组表示量化后的M个样值脉冲。
编码器送出来的是串行二进制码，是典型的数字信号，经变换调制
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。
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。
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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。
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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()
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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，
通信原理PCM
1 设计原理1.1 PCM系统基本原理PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。
PCM调制的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。
分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。
为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种方式，分别为A律和μ律方式，此处采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码,采用非均匀量化。
PCM通信系统示意图图1.1 时分复用PCM通信系统框图1.2 抽样、量化、编码下面介绍PCM编码中抽样、量化及编码的原理：（1）抽样所谓抽样，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。
该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。
它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。
（2）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。
由于均匀量化存在的主要缺点m t 是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。
因此，当信号()较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。
通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。
为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。
非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。
对于信号取值小的区∆也小；反之，量化间隔就大。
它与均匀量化相比，有两个突间，其量化间隔v出的优点。
首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。
因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。
非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。
通信原理第4章
1. 概述 � 2. 脉冲编码调制 � 3. 增量调制 � 4. 差分脉码调制 � 5. 其他编码技术 � 6. 各种编码技术的应用
�
1
4.1 概述
�
与模拟通信相比，数字通信有许多优点，是当今通信的 发展方向。
� �
如何利用数字通信系统来传输模拟信号？ 模/数变换：脉冲编码调制（PCM） 处理过程： 抽样、量化、编码。
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（2）非均匀量化的方法
�
非均匀量化的量化间隔与信号的大小有关。当信号 幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；当信号 幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。 实现非均匀量化的方法有两种： 直接非均匀编解码法 模拟压扩法（应用比较多）
� � �
30
�
(A) 直接非均匀量化 (小信号量化区间小 ,大信号量化区间大 )
�
8
PCM信号形成过程示意图
9
4.2.1 抽样
抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的 样值序列的过程。
图 抽样的输入与输出
关于抽样需要考虑两个问题： 第一，由抽样信号完全恢复出原始的模拟信号，对和抽 样频率有什么限制条件？ 第二，如何从抽样信号还原？
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1.低通信号的抽样定理
11
�
模 拟 信 源 编 码 数字传 输系统 译 码 收 端
模拟信号数字化传输的系统框图
2
信源编码目的：压缩信源产生的冗余信息，减少传递不 必要信息的开销，从而提高整个传输链路的有效性。
�
模拟信号数字化后，再进行传输的方式分两类： 一、脉冲编码调制（PCM）通信； 二、增量调制 ∆M 通信
3
几种信源编码方法 波形编码：特点是利用抽样定理，恢复原始信号的 波形。如PCM等。 信源 编码 方法 参数编码：提取语音的一些特征信息进行编码，在 收端利用这些特征参数合成语声； 混合型编码：波形编码和参数型编码方式的混合。
3-3脉冲编码调制解读
7／11逻辑变换电路将7位非线性码转换成11位线
性码，其实质就是完成非线性和线性之间的变换。
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例：设输入信号抽样值Is=+1260Δ（Δ为一个量化单位， 表示
输入信号归一化值的 1/2048），采用逐次比较型编码器 , 按A
律13折线编成8位码C1C2C3C4C5C6C7C8。 解 编码过程如下： （1）确定极性码C1：由于输入信号抽样值Is为正，故极性
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任务二：PCM编码的原理
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 。
二进码和格雷二进码（反射二进码）。
8
任务三：码字和码型
自然二进码：就是一般的十进制正整数的二进制表示。
9
任务三：码字和码型
折叠二进码：是一种符号幅度码。左边第一位表示信号的
极性，正用“1”表示，负用“0”表示；第二位至最后一位表示 信号的幅度。
特点：对于语音这样的双极性信号，编码过程大大简化；
可，若增至7~8位时，通信质量就比较理想了。
在13折线编码中，普遍采用8位二进制码，
对应有M=28=256个量化级，即正、负输入幅度 范围内各有128个量化级。
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任务四：码位的选择与安排
按折叠二进码的码型，这8位码的安排如下：
极性码：第1位码C１的数值“1”或“0”分别表示信号的
PCM原理及应用
PCM原理及应用PCM（Pulse Code Modulation）脉冲编码调制是一种模拟信号数字化的技术，其原理是将连续的模拟信号离散化为脉冲序列，再将脉冲序列编码为二进制码。
PCM广泛应用于通信、音频编码和储存等领域。
PCM的原理是通过两个步骤来实现信号的离散化和编码。
首先，对模拟信号进行采样，将连续的模拟信号按照一定的时间间隔进行抽样，抽样频率越高，采样精度越高，得到的离散信号越接近原始模拟信号。
然后，将每个采样量化为离散的数值，量化的级别决定了PCM的分辨率。
量化过程通常采用均匀量化，即将连续的信号值映射到一定数量的离散级别中，通过数字编码表示。
PCM的应用非常广泛，以下介绍几个主要领域的应用：1.通信：PCM是现代通信系统中常用的调制和解调技术，可以将模拟信号转化为数字信号进行传输。
PCM通过将语音信号转换为数字信号，可以实现高质量的语音通信，而且可以方便地进行数字信号处理和编码，提高通信效率和质量。
2.音频编码：PCM是音频编码的基础技术。
在音频编码中，采样率和位深度决定了音频的质量和所占用的存储空间。
PCM可以将音频信号以高质量的方式进行编码和解码，保留原始音频信号的细节，广泛应用于CD、DVD、MP3等音频格式的编码和解码中。
3.储存：PCM是数字媒体存储中最常用的编码格式之一、将模拟信号转化为数字信号后，可以方便地存储到计算机、移动存储设备或云存储中，并可以随时进行读取和处理。
PCM在图像、视频、音频等媒体文件的存储过程中广泛应用，为数字媒体的存储、传输和处理提供了基础。
4.语音识别：PCM是语音识别中信号预处理的重要步骤。
在语音识别中，需要将语音信号转化为数字信号，并通过数字信号处理和分析来识别和理解语音内容。
PCM可以将连续的语音信号转换为数字信号，方便进行语音特征提取和语音模式识别，提高语音识别的准确率。
5.视频通信：PCM在视频通信中起到了重要的作用。
将模拟视频信号转化为数字信号后，可以方便地进行压缩和传输，并可以在接收端进行解码和显示。
脉冲编码调制PCM原理
脉冲编码调制PCM原理PCM原理与在电力通信中的应用PCM(Pulse Code Modulation) 脉码调制是实现语音信号数字化的一种方法。
是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。
一．PCM基本工作原理数字程控调度机PCM脉码调制就是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号后在信道中传输。
脉码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化、编码的过程,国际标准化的PCM码组（电话语音）是用八位码组代表一个抽样值。
编码后的PCM 码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重建模拟信号，在解调过程中，一般采用抽样保持电路。
预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300－3400Hz左右，所以预滤波会引入一定的频带失真。
1 抽样(Samping)抽样是把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值，变为在时间轴上离散的抽样信号的过程。
例如，话音信号带宽被限制在0.3～3.4kHz内，用8kHz的抽样频率（fs），就可获得能取代原来连续话音信号的抽样信号。
对一个正弦信号进行抽样获得的抽样信号是一个脉冲幅度调制（PAM）信号。
对抽样信号进行检波和平滑滤波，即可还原出原来的模拟信号。
抽样必须遵循奈奎斯特抽样定理，离散信号才可以完全代替连续信号。
低通连续信号抽样定理内容：一个频带限制在赫内的时间连续信号,若以的间隔对它进行等间隔抽样，则将被所得到的抽样值完全确定。
语音信号经过抽样变成一种脉冲幅度调制（PAM）信号。
取样是应注意以下几点:a取样矩形脉冲要尽量窄，尽可能接近瞬时取样过程；b为了保证在接受端能满意的恢复出信息，取样速率必须大于最高频率的两倍；c为了使输出的信息成为合格的信息限带信号，在取样以前，先经过一个上限为W的低通滤波器，以便)(tm中所包含的高于W的那些谐波成分。
通信原理第3章 脉冲编码调制(PCM)
第3章 脉冲编码调制(PCM)
下面举2个例题来说明其编码方法：
例题1 设输入取样值I S 444个量化单位(444), 试按A律13折线编出8位码. 解 : (1)由于取样值为正, 故M 1 1 (2)由于256 I S 512, 位故位于第6段, 得M 2 M 3 M 4 101 (3)确定段内码M 5 M 6 M 7 M 8 M 5 : I W 256 128 384, I S I W , 故取M 5 1 M 6 : I W 384 64 488, I S I W , 故取M 6 0 M 7 : I W 384 32 416, I S I W , 故取M 7 1 M 8 : I W 416 16 432, I S I W , 故取M 8 1 (4)最后得 : M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 7 M 8 11011011
第3章 脉冲编码调制(PCM)
A律 PCM
量化级数为256→一个码组的长度为8位
编码方法
自然码(NBC，Natural Binary Code） 折叠码(FBC，Folded Binary Code）
PCM采用折叠码进行编码
格雷码(RBC，Grayor Reflected Binary Code）
压缩器：对弱小信号有比较大的放大倍 数（增益），而对大信号的增益却比较 小→对大信号压缩； 扩张器：特性与压缩器相反→对小信号 压缩，对大信号扩张； 要求压缩特性与扩张特性合成后是一条 直线。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
y
1
压缩特性
1
0
1
1 x
扩张特性
第3章 脉冲编码调制(PCM)
对数压缩
通信原理第五章
• 量化图示
yk xk
重建电平
x k+1 分层电平
x k+2
• 量化间隔 • 均匀量化间隔
k xk 1 xk
ba k L
L为量化电平数
+4
111
+3
110
+2
101
+1 2xmax
100 t
-1
000
-2
001
-3
010
-4 0 1 2 3 4 5 6 7
011
量化误差
1 H ( w) o
| w | wH others
核函数
1 Ts
sin wH (t nTs ) x(nTs ) w (t nT ) H s
二、带通抽样定理（频分多路，截波电话）
最高频率f H，最高频率f L ，限带(f L ， f H)，带宽为B 抽样频率fs 应满足下列关系式:
量化和编码形成数字语音信号。 – 编码速率较高，16k~64k – 包括：PCM，ADPCM，M，CVSDM，APC等 – 占用较高带宽，适合有线 根据输入语音得出模型参数并传输，在收端恢复。 – 编码速率较低，1.2~4.8 kbps – 包括各种线形预测编码(LPC)方法和余弦声码器 – 语音质量中等，不满足商用要求 – 包括GSM的RPE-LPC编码和VSELP编码
发射 传输媒质
信宿
信源解码
信道译码
解调
接收
模拟信源
预滤波
抽样
波形编码 信道
信宿
重建滤波
波形译码
• PCM包括：抽样、量化、编码三个过程 • 抽样：时间离散化 • 量化：幅度离散化 • 编码：转换为二进制码
现代通信原理5第五章脉冲编码调制讲解
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抽样定理中要求抽样脉冲序列是理想冲激序 列δ T(t)，称为理想抽样。但实际上， 1、理想抽样具有无限频宽，无法传送。 2、抽样脉冲不可能无限窄。 电路抽样脉冲一般具有一定的抽样时间，在 脉宽期间幅度不变的称为平顶抽样；随信号幅度 变化的称为自然抽样。
3B
4B
5B
6B
由上面的公式，如图所示，根据带通抽样定理 ，抽样频率在2B到4B之间变动。
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怎样来理解带通抽样定理的正确性？可以用以 下来理解： 1、当fH=NB(其中N为正整数,B为f(t)的带宽） 根据低通抽样定理，必须用2NB来来抽样，但根 据带通抽样定理，用2B抽样也能保证抽样不混叠。 如图，当N=3时，用2B抽样。
下截止频率为fL，则带宽B=fH-fL，此时fs应满足：
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计算带通抽样频率:
1.计算信号带宽(fH-fL) 2.计算fH/(fH-fL)，求出小于它的最大整数N。
3.计算M= fH/(fH-fL)-N.
4.计算fS=2 (fH-fL)(1+M/N).
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B
2B
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单元学习提纲
• • • • • • （ 1 ）低通抽样定理及其时域、频域 表示； （2）带通抽样定理及其定性解释； （ 3 ）理想抽样、自然抽样和平顶抽 样在时域和频域上的区别； （4）孔径失真及其解决办法； （ 5 ）标量量化基本概念：量化电平、 分层电平、量化间隔、量化特性、量化 误差；
其中Tb为码元间隔。
解调: 接收机中恢复信源信息的过程。 码元：脉冲码组的每个脉冲。码长n：码组中包 含的码元个数。 系统的抗噪声性能：信号与量化噪声的功率 比,误码率
第五章脉冲编码调制
一般进行以下迭代求解：
（1）给定一组初值 yi (0),1 i L ； （2）分割子空间，若 d x , yi (0) d x , y j (0) ， j i ， 则 x Ci (0) ；（最近码本）
（3）找出各子空间的质心：yi (1) Cen Ci (0) ； （4）计算 D (0) 总平均失真度。
3、实际抽样的问题
1、信号往往不是频带受限的基带信号（混叠现 象）。 2、取样脉冲总有一定宽度（理想的是一个冲激）， 即脉宽总是具有一定持续时间。 3、实际抽样： ① 自然抽样（曲顶抽样）
② 平顶抽样
实际抽样---自然抽样
• 抽样脉冲：
C (t ) P(t nTs )
• 傅立叶展开
2
n
X ( ns )
比较两种实际抽样系统可见，自然抽样后的信号频谱在频 率上是周期性的，其谱瓣形状与原函数频谱相同，但幅度按抽 样脉冲的频谱和脉冲宽度两者决定的比例系数变化；平顶抽样 后的信号频谱各谱瓣要受抽样脉冲频谱的不均匀加权，从而各 谱瓣有不均匀或不对称的失真，且幅度要下降，克服谱瓣失真 的方法是在恢复信息信号的低通滤波器之后接一均衡滤波器， 其频率传输函数为保持电路的传输函数的倒数。
二、带通抽样定理（频分多路，截波电话）
最高频率f H，最高频率f L ，限带(f L ， f H)，带宽为B 抽样频率fs 应满足下列关系式:
fH M M fS 2( fH fL)(1 ) 2 B(1 ) 2B B N N fH B
fH fH fH f N （余数）， N H B B B B
条件二，设计 { y } 集合，并分割子空间，使各个子空间
PCM通信原理
PCM通信原理PCM（脉冲编码调制）是一种数字通信技术，通过将模拟信号转换为数字信号进行传输和处理。
PCM通信原理涉及信号采样、量化、编码和解码等过程。
首先是信号采样。
模拟信号具有连续性，为了进行数字处理，需要将其转换为离散的数字信号。
采样是将连续信号在一定时间间隔内进行测量和采集，将其转换为离散的采样值。
采样间隔应根据信号的最高频率进行抽样，常用的采样频率是原始信号的两倍以上。
接下来是量化。
采样得到的信号是连续的模拟量，需要将其转换为离散的数字量。
量化是指给采样获得的连续值分配一些近似的离散值，将其映射到特定的量化级别。
量化级别的数量取决于所使用的ADC（模数转换器）的分辨率。
较高的分辨率可以提供更好的信号质量，但同时会增加存储和传输的成本。
然后是编码。
在PCM中，通过将量化后的信号映射到一组固定的二进制位来进行编码。
每个量化级别分配一个特定的二进制代码。
编码的目的是将数字信号以一种可传输和可存储的形式表示出来。
不同的编码方案有不同的优缺点，例如二进制编码、格雷编码等。
最后是解码。
在接收端，需要对收到的二进制编码进行解码，恢复出原来的模拟信号。
解码过程是编码过程的逆过程，通过将二进制码映射回对应的量化级别，并进行逆量化，即可恢复原始信号。
解码后的信号再经过滤波和重构等处理，可以恢复出最初的模拟信号。
然而，PCM也存在一些限制。
它需要较高的采样频率和分辨率，以实现高质量的信号重建。
这将导致信号处理和传输的开销增加。
此外，PCM对信号带宽的要求较高，对于较宽频带的信号，需要更高的采样频率来保证采样定理的有效性。
数字通信原理-脉冲编码调制系统的构成
低通
0 重建后的信号
课后总结
1、掌握PCM通信过程。 2、掌握A/D变换和D/A变换的主要步骤及其作用。
思考： 抽样后输出的信号是模拟信号还是数字信号？ 答：
是模拟信号
量化和编码
• 量化——将模拟信号
在幅度上离散化的过 程。
• 编码——指将每个量
化后的样值用一定的 二进制代码来表示。
思考：量化后输出的信号是模拟信号还是数字信号？
答： 是数字信号
百分制 量化 0～100
优（90～100） 良（75～90） 编码 中（60～75） 差（0～60）
信源编码的 基本方法
波形编码 参量编码 混合编码
–波形编码——根据信号波形特点（例如幅度） ， 将其进行编码转换为数字信号。波形编码的基 本思路是忠实再现信号的波形，因此信号恢复 的质量高。
–例如PCM脉冲编码调制技术。
参量编码——根据语音信号构成机理，提取语声信号的一 些特征参量，对其进行的编码。参量编码的特点是编码速 率低，但质量不如波形编码。例如 LPC声码器。
A（11） B（10） C（01） D（00）
解码
——编码的逆过程。指将二进制代码对应恢复为解码电平。
10 11 01 10 01 01
0
编码信号
解码
3 2 1
0
解码PAM信号
思考：解码后输出的信号是模拟信号还是数字信号？
答： 是数字信号
低通（重建）
——通过滤波器恢复出模拟信号的轮廓。
0 量化PAM信号
任务导学
CONTENTS 主要内容： ➢ PCM通信过程； ➢ 抽样的作用及抽样定理； ➢ 量化的作用及A律13折线量化方案； ➢ 编码的作用及PCM编码方法。
2.通信原理脉冲编码调制与解调实验
实验二脉冲编码调制与解调实验一、实验目的1．掌握脉冲编码调制与解调的原理。
2．掌握脉冲编码调制与解调系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法。
3．了解脉冲编码调制信号的频谱特性。
4．了解大规模集成电路TP3067的使用方法。
二、实验内容1．观察脉冲编码调制与解调的结果，观察调制信号与基带信号之间的关系。
2．改变基带信号的幅度，观察脉冲编码调制与解调信号的信噪比的变化情况。
3．改变基带信号的频率，观察脉冲编码调制与解调信号幅度的变化情况。
4．观察脉冲编码调制信号的频谱。
三、实验器材1.信号源模块2.模拟信号数字化模块3.终端模块（可选）4.频谱分析模块5.20M双踪示波器一台6.音频信号发生器（可选）一台7.立体声单放机（可选）一台8.立体声耳机一副9.连接线若干四、实验原理模拟信号进行抽样后，其抽样值还是随信号幅度连续变化的，当这些连续变化的抽样值通过有噪声的信道传输时，接收端就不能对所发送的抽样准确地估值。
如果发送端用预先规定的有限个电平来表示抽样值，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端将有可能对所发送的抽样准确地估值，从而有可能消除随机噪声的影响。
脉冲编码调制（PCM）简称为脉码调制，它是一种将模拟语音信号变换成数字信号的编码方式。
脉码调制的过程如图8-1所示。
PCM主要包括抽样、量化与编码三个过程。
抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散幅度离散的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。
国际标准化的PCM码组（电话语音）是八位码组代表一个抽样值。
编码后的PCM码组，经数字信道传输，在接收端，用二进制码组重建模拟信号，在解调过程中，一般采用抽样保持电路。
预滤波是为了把原始语音信号的频带限制在300－3400Hz左右，所以预滤波会引入一定的频带失真。
图8-1 PCM 调制原理框图在整个PCM 系统中，重建信号的失真主要来源于量化以及信道传输误码，通常，用信号与量化噪声的功率比，即信噪比S/N 来表示，国际电报电话咨询委员会（ITU-T ）详细规定了它的指标，还规定比特率为64kb/s ，使用A 律或μ律编码律。
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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)
在收信端为了恢复原始抽样信号，就必须把接收 到的经过压缩后的信号还原成压缩前的信号，完成这 个还原工作的电路就是扩张器，它的特性正好与压缩 器相反，对小信号压缩，对大信号提升。为了保证信 号的不失真，要求压缩特性与扩张特性合成后是一条 直线，也就是说，信号通过压缩再通过扩张实际上好 像通过了一个线性电路。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
显然，单独的压缩或扩张对信号进行的是非线性 变换。压缩与扩张特性见图3―4。图中，脉冲A和脉冲 B是两个样值，作为压缩器的输入信号经过压缩后变成 A′与B′，可见A′与A基本上没有变化，而B′却比B大了 许多，这正是我们需要的压缩特性；在收信端A′与B′ 作为扩张器的输入信号，经扩张后还原成样值A和样值 B。
(a) 抽 样 脉 冲
v(t) k(t) 6 5 4 3 2 1 0
Ts 2Ts 3Ts 4Ts 5Ts 6Ts 7Ts 8Ts 9Ts 10Ts t (b) P CM 抽 样
m(t)
6
5
4
3
2
1
0
Ts 2Ts 3Ts 4Ts 5Ts 6Ts 7Ts 8Ts 9Ts 10Ts
t
(c) P CM 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。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
如何将一个模拟信号转换为一个数字信号呢？从 第1章数字信号的定义中我们知道，首先要将模拟信号 离散化，即对模拟信号按一定的时间间隔进行抽样； 然后再将无限个可能的抽样值（不是指抽样点的个数， 而是每个抽样点的可能取值）变成有限个可能取值， 我们称之为量化；最后对量化后的抽样值用二进制 （或多进制）码元进行编码，就可得到所需要的数字 信号。所谓编码就是用一组符号（码组）取代或表示 另外一组符号（码组或数字）的过程。这种将模拟信 号经过抽样、量化、编码三个处理步骤变成数字信号 的A/D转换方式称为脉冲编码调制(PCM,Pulse Code Modulation）。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
可见大信号与小信号的相对误差相差6倍。相对误 差大意味着小信号的信噪比小。显然，提高小信号的 信噪比（降低小信号的相对误差）与提高系统的简单 性、可靠性、经济性等指标是相互矛盾的。那么，我 们能否找到一种方法解决这一对矛盾，既提高了小信 号的信噪比，又不过多地增加量化级（细化量化间 隔）？回答是肯定的，这就是非均匀量化法。所谓非 均匀量化就是对信号的不同部分用不同的量化间隔， 具体地说，就是对小信号部分采用较小的量化间隔， 而对大信号部分就用较大的量化间隔。实现这种思路 的一种方法就是压缩与扩张法。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
PCM的概念最早是由法国工程师Alce Reeres于 1937年提出来的。1946年第一台PCM数字电话终端机 在 美 国 Bell 实 验 室 问 世 。 1962 年 后 ， 采 用 晶 体 管 的 PCM终端机大量应用于市话网中，使市话电缆传输的 路数扩大了二三十倍。20世纪70年代后期，随着超大 规模集成电路PCM芯片的出现，PCM在光纤通信、数 字微波通信和卫星通信中得到了更为广泛的应用。
d(t)
000 010 011 100 101 110 110 100 010 001
t (d) P CM 量 化
图3―2 脉冲编码调制示意图
第3章 脉冲编码调制(PCM)
细心的读者可能会提出这样的问题，从上述抽样、 量化、编码的PCM过程中没有发现明显的调制概念， 那么为什么叫脉冲编码调制呢？其实调制的概念体现 在抽样和编码过程中。我们虽然从概念上可以理解抽 样的含义，但在电路中如何实现呢？在实际工程中， 可控开关通常是用一个乘法器实现的，我们用图3―3 脉冲编码调制模型说明这个问题。假设有一模拟电压 信号v(t)通过乘法器与一个抽样窄脉冲序列p(t)相乘， 就会得到一个幅度随v(t)的变化而变化的窄脉冲序列 k(t)，而这正是我们在第2章中讲过的幅度调制概念。
第3章 脉冲编码调ห้องสมุดไป่ตู้(PCM)
另外我们看到，尽管信号幅值大（大信号）和信 号幅值小（小信号）时的绝对量化噪声是一样的，都 是0.5个量化间隔，但相对误差却悬殊很大。也可以说， 对信号的影响大小不一样。比如上例中，信号最大值 为6，绝对量化噪声为0.5，而相对误差为0.5/6=1/12， 即量化误差是量化值的1/12；而当信号为1时，绝对量 化噪声仍为0.5，但相对误差却为0.5/1=1/2，量化误差 达到量化值的一半。
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)
与抑制载波的双边带调幅相比，其主要差别在于载 波不是正弦型信号而是窄脉冲序列(冲激序列)。另外， PCM的输出信号是“0”和“1”组成的脉冲序列，从信息 传输的角度上看，该序列的作用相当于模拟调制中的载 波，但原始信号(调制信号)不是通过脉冲序列的幅度或 宽度等参量表示，而是利用“0”和“1”码元的不同组合 携带信息(即所谓的编码)。也就是说，PCM是将原始信 号“调制”(编码)到二元脉冲序列的码元组合上，而抽 样的幅度调制实际上是为后面的编码调制铺路的，因此， 整个抽样、量化和编码过程统称为脉冲编码调制。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
压缩的概念是这样的：在抽样电路后面加上一个 叫做压缩器的信号处理电路，该电路的特点是对弱小 信号有比较大的放大倍数（增益），而对大信号的增 益却比较小。抽样后的信号经过压缩器后就发生了 “畸变”，大信号部分没有得到多少增益，而弱小信 号部分却得到了“不正常”的放大（提升），相比之 下，大信号好像被压缩了，压缩器由此得名。对压缩 后的信号再进行均匀量化，就相当于对抽样信号进行 了非均匀量化。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
可见取值在0～6之间是随机的，也就是说可以有 无穷个可能的取值。在图3―2（c）中，为了把无穷个 可能取值变成有限个，我们必须对k(t)的取值进行量化 （ 即 四 舍 五 入 ） ， 得 到 m(t) 。 则 m(t) 的 取 值 变 为 m(0)=0.0 ， m(Ts)=0.0 ， m(2Ts)=2.0 ， m(3Ts)=3.0 ， m(4Ts)=4.0 ， m(5Ts)=5.0 ， m(6Ts)=6.0 ， m(7Ts)=6.0 ， m(8Ts)=4.0，m(9Ts)=2.0，m(10Ts)=1.0，总共只有0、1、 2、3、4、5、6等七个可能的取值。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
可见，如果让开关受一个窄脉冲串（序列）的控制， 则脉冲出现时开关闭合，则脉冲消失时开关断开，此 输出y(t)就是一个幅值变化的脉冲串（序列），每个脉 冲的幅值就是该脉冲出现时刻输入信号f(t)的瞬时值， 因此，y(t)就是对f(t)抽样后的信号或称样值信号。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
第3章 脉冲编码调制(PCM)
v(t)
k(t) 量化器 m(t) 编码器 d(t)
p(t)
图3―3 脉冲编码调制模型
第3章 脉冲编码调制(PCM)
3.3 量 化
上面我们已经从PCM过程中了解了量化的概念， 现在我们用数学语言对量化作一个比较精确的描述以 加深对量化的理解。量化就是把一个连续函数的无限 个数值的集合映射为一个离散函数的有限个数值的集 合。通常采用“四舍五入”的原则进行数值量化。下 面我们对量化作更深一层的讨论。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
输出 5 压缩曲线
输出
5
扩张 曲线
4
4
A
3
3
2
2
1
线性 变换
A′ B′
1
0
0
输入
t
B
输入
t
A
A′
B t
(a) 压 缩 器 输 入 输 出 示 意 图
B′ t
(b) 扩 张 器 输 入 输 出 示 意 图
图3―4 压缩特性示意图
第3章 脉冲编码调制(PCM)
现在我们来看一下小信号的信噪比变化情况。在 图3―4中，样值B如果经均匀量化，则量化噪声为0.5， 相对误差为0.5；而经过压缩后，样值B′的量化噪声仍 为0.5，但相对误差变为0.5/3=1/6，比均匀量化减小了 许多，其信噪比也就大为提高。压缩特性通常采用对 数压缩特性，也就是压缩器的输出与输入之间近似呈 对数关系。而对数压缩特性又有A律和μ律之分。
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。