脉冲编码调制的基本原理
简述脉冲编码调制技术
简述脉冲编码调制技术摘要：一、脉冲编码调制技术简介二、脉冲编码调制的基本原理1.采样2.量化3.编码三、脉冲编码调制的应用领域四、脉冲编码调制的优缺点五、发展趋势与展望正文：脉冲编码调制技术是一种将模拟信号转换为数字信号的调制技术。
其主要过程包括采样、量化和编码三个步骤。
一、脉冲编码调制的基本原理1.采样：采样是脉冲编码调制的第一个步骤。
在采样过程中，根据一定的采样频率，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。
采样频率越高，数字信号的分辨率越高，但同时也意味着更高的传输带宽需求。
2.量化：量化是将采样后的数字信号映射到离散的数值集合中。
量化的过程通常采用均匀量化或非均匀量化两种方法。
均匀量化是将采样值映射到固定长度的整数，而非均匀量化则根据采样值的大小，映射到不同长度的整数。
量化过程中，量化噪声不可避免地引入到数字信号中。
3.编码：量化后的数字信号需要进行编码，以便于传输和存储。
常用的编码方法有努塞尔编码、韦弗编码等。
编码后的数据可以进一步采用信道编码和交织技术，提高传输过程中的抗干扰能力。
二、脉冲编码调制的应用领域脉冲编码调制技术在我国数字通信、数据传输、音频视频处理等领域具有广泛的应用。
例如，在电话通信中，采用PCM技术将语音信号数字化，提高通信质量；在数字电视、高清视频领域，PCM技术用于音频和视频信号的处理，实现高品质的音视频传输。
三、脉冲编码调制的优缺点优点：1.数字信号具有更好的抗干扰能力，有利于信号传输和存储。
2.易于实现信号的加密和压缩，提高信息安全性。
3.便于实现多路信号的复用，提高通信系统的利用率。
缺点：1.量化噪声引入，可能导致信号质量下降。
2.传输带宽需求较高，对信道条件要求较严格。
四、发展趋势与展望随着信息技术的不断发展，脉冲编码调制技术也在不断演进。
未来的发展趋势包括：1.高精度、高速率的采样和量化技术，以满足更高清晰度、更高质量的视频和音频处理需求。
2.更高效的编码和压缩算法，降低传输带宽需求，提高数据传输效率。
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
X
(w)
X
s
(w)
H
(w)
x(t) h(t) xs (t)
核函数
1
Ts
x(nTs
)
sin wH (t wH (t
nTs nTs )
)
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
fS 2( fH fL)(1 M ) 2B(1 M ) 2B B
X sf
( )
A
TS
n
X (
n
s
)
sin( /
/ 2
2)
存在孔径失真
解调时采用的抽样保持电路引入了失真项，为了使输出
信号最大，一般取TS 。接收端必须采用滤波器：
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
• 混合编码：波形编码+参量编码 (LPAS)
– 包括GSM的RPE-LPC编码和VSELP编码
语音编码的标准
• G.711 • G.721 • G.722 • G.723 • G.728 • G.729
N
N
fH
B
其中 B
fH
fL ，M
fH B
fH B
fH B
N
（余数），N
fH B
为不超过 fH fH 的最大正整数（ N 1 ），必有0≤M＜1。
fH fL B
带通信号的抽样频率在2B至4B间变动
1. fH=NB时
第3章 脉冲编码调制(PCM)
第3章 脉冲编码调制(PCM)
关于量化的几个概念
量化值（量化电平） 量化后的取值； 量化值（量化电平）----量化后的取值； 量化后的取值
上例中：0，1，2，3，4，5，6共七个量化值 上例中： ， ， ， ， ， ， 共七个量化值
量化级----量化值的个数； 量化值的个数； 量化级 量化值的个数
上例中：7个 上例中： 个
量化间隔----相邻两个量化值之差。 相邻两个量化值之差。 量化间隔 相邻两个量化值之差
上例中：1 上例中：
第3章 脉冲编码调制(PCM)
量化噪声
模拟信号数字化的过程中引入了量化误差 上例中：量化前 上例中： 量化后
k(0)=0.2 m(0)=0 k(1)=0.4 m(1)=0
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
压缩特性通常采用对数压缩特性， 压缩特性通常采用对数压缩特性，即压缩 器的输出与输入之间近似呈对数关系
两类对数压缩特性
A律对数压缩特性 律对数压缩特性 μ律对数压缩特性
第3章 脉冲编码调制(PCM)
第3章 脉冲编码调制(PCM)
第3章 脉冲编码调制(PCM)
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 PCM基本概念 基本概念 抽样 量化 PCM编码 编码 抽样定理 时分复用
第3章 脉冲编码调制(PCM)
3.1 PCM基本概念
模/数变换（A/D） 数/模变换（D/A）
信 信 源 编 码 信 道 编 码 调 信 道 制 噪 声 数字通信系统一般模型 调 解 信 道 解 码 信 源 解 码 信
PCM编码规则
第五章 脉冲编码调制本章内容：● 引言● 脉冲编码调制(PCM)基本原理● 低通与带通抽样定理● 实际抽样● 模拟信号的量化● PCM编码原理引言模拟信号数字传输的步骤：（1） 把模拟信号数字化，即模数转换（A/D）（2） 数字传输（3） 把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）。
说明：由于A/D，D/A变换的过程通常由信源编（译）码器实现，所以我们把发端的A/D变换称为信源编码，而收端的D/A变换称为信源译码，如语音信号的语音编码。
模拟信号数字化的方法：大致可划分为波形编码和参量编码两大类。
波形编码：直接把时域波形变换为数字序列，比特率通常在16kb/s~64kb/s；目前用的最普遍的Δ波形编码方法有PCM和M。
参量编码：利用信号处理技术，提高语音信号的特征参量，再变换为数字代码，起比特率在16kb/s 以下。
5.1 PCM基本原理PCM概念是1937年又法国工程师Alec Reeres最早提出来的。
脉冲编码调制简称脉码调制，是一种将模拟语音信号变换成数字信号的编码方式，主要包括：抽样、量化、编码。
图1 PCM 原理图抽样：把连续时间模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号。
量化：把离散时间连续幅度的抽样信号转换成离散时间离散幅度的数字信号。
编码：将量化后的信号编码形成一个二进制码输出。
国际标准化的PCM 码是一位码代表一个抽样值。
说明：（1）预滤波：把原始语音信号的频带（40~10000Hz 左右）限制在300~3400Hz 标准的长途模拟电话的频带内。
（2）在解调器过程中，一般采用抽样保持电路，所以LPF 均需要采用x/sinx 型频率响应以补偿抽样保持电路引入的频率失真sinx/x 。
（3）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（S/N ）来表示。
（4）PCM 编码过程是模拟信号调制一个二进制脉冲序列，载波是脉冲序列，调制改变脉冲序列的有无或“1”，“0”，所以PCM 称为脉冲编码调制。
说明pcm编译码原理
说明pcm编译码原理PCM编码原理PCM编码是数字音频中最基本的编码方式之一，它将模拟信号转换为数字信号。
PCM是脉冲编码调制（Pulse Code Modulation）的缩写，它通过对模拟信号进行采样和量化来实现数字化。
采样过程采样是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程。
在PCM编码中，采样率是一个重要的参数，它表示每秒钟采集多少个样本。
通常，CD音质使用44.1kHz的采样率，而高清音质可以达到192kHz。
量化过程量化是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程。
在PCM编码中，量化等级表示每个样本可以表示多少个数字量化级别。
通常，CD 音质使用16位量化级别，而高清音质可以达到24位。
编码过程在PCM编码中，每个采样值被转换为一个二进制数，并存储在计算机内存或磁盘上。
例如，在CD音质下，每个采样值使用16位二进制数表示。
解码过程解码是将数字信号转换回模拟信号的过程。
在PCM编码中，解码器读取存储在计算机内存或磁盘上的数字信号，并将其转换为模拟信号。
解码器使用与编码器相同的采样率和量化级别来还原原始信号。
优缺点PCM编码具有以下优点：1. 简单易懂：PCM编码是最基本的数字音频编码方式之一，易于理解和实现。
2. 无损压缩：由于PCM编码不进行任何压缩，因此可以保证音频数据的完整性和质量。
3. 适用范围广泛：PCM编码可以适用于各种不同类型的音频数据，包括语音、音乐等。
但是，PCM编码也存在以下缺点：1. 数据量大：由于PCM编码不进行任何压缩，因此需要大量的存储空间来存储音频数据。
2. 编解码速度慢：由于需要对每个采样值进行编解码，因此处理速度比较慢。
3. 难以应对高质量需求：随着高清音质需求的增加，16位量化级别已经无法满足高质量音频需求。
因此，需要使用更高位数的量化级别来提高音频质量。
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
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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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§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
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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。
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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。
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第五章 脉冲编码调制(1)
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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
数字调度通信系统
输入控制方式
n 例：A、 B两用户 分别占 用TS1、 TS25两 时隙。
q AB 方向交 换
q BA 方向交 换
控制写入 0
1
HW入 B TS25
A。
。
TS1
。
25
。 。
写。 地 31 址
CM
0 1 25
。 。 。
CPU 25 1
。 。
控制写入 。
31
SM 顺序读出
B
A
B
HW出
A
TS25 TS1
q RAM
T接线器的工作方式
n 根据CM对SM的控制方式
q 输出控制方式（读出控制）
n SM的写入受定时脉冲控制 n 读出受CM控制（顺序写入，控制读出）
q 输入控制方式（写入控制）
n SM的写入受CM控制 n 读出受定时脉冲控制（控制写入，顺序读出）
输出控制方式
n 例：A、B两用户 分别占用TS1、 TS25两时隙。
自然 二进码 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000
反射 二进码 1000 1001 1011 1010 1110 1111 1101 1100 0100 0101 0111 0110 0010 0011 0001 0000
量化后的信号与原信号相比有误差，称为量化 误差，或量化噪声
量化后信号与原信号的近似程度常用量化信噪 比来衡量
编码的概念
编码是模拟信号数字化的第三步。
编码是将量化后的信号电平转换成二进制 码组。 二元码PCM可以有几种编码方式： 自然二进制码、格雷码（在图像通信中是个 典型应用 ）、折叠二进制码（广泛用于PCM 通信系统）
第五章脉冲编码调制
实现过程：
准理想 抽样
抽样保持
LPF
电路
用极窄的脉冲序列作抽样脉冲 展宽脉冲
5.3.2 平顶抽样
矩形脉冲函数
h
t
A 0
t
其它
H A Sa
2
0
通过保持电路后，XSf XS H X ns H / Ts
由 xt X Ts t t nTs
Ts
t
2
Ts n
ns
n
X s ()
1
2
X
s
1 TS
X
(
)
n
(
nS
)
1 Ts
所以共13条直线段 13折线
5.8.4 对压缩特性的折线近似
输y 出z=f(x)
1
7 8
6
8
6
5
8
5
4 84
3 83
2 82
1 8 1
10
31
63
255 3
7
255 15
255
255 255 255
μ律15折线：
第8段 7
127 255
1
x
5.9 PCM编码原理
5.9.1 概述 5.9.2 折叠二进制码（FCB） 5.9.3 CCITT标准的PCM编码规则
X
s
1 Ts
X ns
5.2.2 带通抽样定理
通信原理七
由于 I s I w ，所以 C 5 0。
C6：用于进一步确定输入信号处于 0~3还是4~7量化间隔， 标准电流选择
I w 段落起始电平 4 量化间隔 1024 4 64 1280
正极性部分
负极性部分
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
三种码的比较
自然二进码编码简单，易记，且译码也可逐比特独立进行， 但上下两部分无任何规律。
折叠二进码是一种符号码，左边第1位表示信号极性，信 号为正用1表示，信号为负用0表示；第2位到最后一位表示信号 幅度。由于正负绝对值相同时，其上半部分与下半部分呈倒影 关系 —— 折叠关系，故名折叠码。其幅度码从小到大按自然二 进码编排。 格雷二进码的特点是任何相邻电平的码组，只有一位码 位发生变化，即相邻码字的距离恒为 1。译码时，若传输或判决 有误，则量化电平的误差小。同时，该码除极性外，当正负绝 对值相等时，其幅度相同，故又称为反射二进码。但这种码不 是可加的，不能逐比特进行，需先转换为二进码后再译码。
原理框图如图7.17所示。输入的模拟信号 m t 经抽样、量 化、编码后变为数字信号，经信道传输至接收端，先由译码 器恢复出抽样值序列，再经低通滤波器滤出模拟信号 m ˆ t 。
7
量化电平数
5 3
1 0 2.22
4.38
5.24 2.91
抽样间隔
精确抽样值 量化值 PCM码组 单极性传输
7.5 脉冲编码调制（PCM）
7.5.1 脉冲编码调制原理 ♣ 概念 脉冲编码调制（PCM）：简称脉码调制，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 一种方式。即将模拟信号的抽样量化值转换成二进制码组的 过程。 图7.16给出了脉冲编码调制的一个示意图。
脉冲编码器的工作原理
脉冲编码器的工作原理
脉冲编码器是一种用于将物理量转换为数字脉冲信号的设备。
它可以将某一物理量（如位置、速度、角度等）转化为相应的电信号输出。
脉冲编码器通常由光电传感器和编码盘组成。
编码盘上有许多等距离分布的透明和不透明区域，当光电传感器扫描到透明区域时，光电传感器输出低电平信号；当扫描到不透明区域时，光电传感器输出高电平信号。
在工作时，脉冲编码器通过与被测物理量的运动相连，随着物理量的变化，编码盘也会随之旋转。
光电传感器不断扫描编码盘上的透明和不透明区域，根据透明和不透明区域的变化，输出相应的高低电平信号。
脉冲编码器的输出信号可以通过计数器进行计数，进而获取被测物理量的信息。
在一个完整的扫描周期内，计数器记录了光电传感器输出的脉冲数量，通过计数器的累加值和编码盘的设计参数可以得到被测物理量的具体数值。
需要注意的是，不同类型的脉冲编码器有不同的工作原理。
除了光电传感器和编码盘之外，还有磁性编码器、霍尔编码器等。
它们的工作原理和电路设计可能会有所不同，但基本原理都是将物理量转换为数字脉冲信号进行测量和计数。
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。
PCM
11
12
压缩特性的近似实现
早期的A律和 律压扩特性是用非线性模拟电路实现的 早期的 律和律压扩特性是用非线性模拟电路实现的。 律和 律压扩特性是用非线性模拟电路实现的。 电路实现这样的函数规律是相当复杂的， 电路实现这样的函数规律是相当复杂的，因而精度和稳定度 都受到限制。随着数字电路特别是大规模集成电路的发展， 都受到限制。随着数字电路特别是大规模集成电路的发展， 另一种压扩技术——数字压扩 日益获得广泛的应用。 数字压扩， 另一种压扩技术 数字压扩，日益获得广泛的应用。它是利 用数字电路形成许多折线来逼近对数压扩特性。
3
பைடு நூலகம்冲编码调制(PCM)基本原理 基本原理 脉冲编码调制
脉冲编码调制(PCM)：通过对语音波形进行采样、 ： 脉冲编码调制 量化，然后用二进制码表示出来的通信方式（将 的通信方式（ 模拟信号的抽样量化值变换成代码） 模拟信号的抽样量化值变换成代码）。系统组成框 图如下： 图如下：
m(t)
抽样
ms (t)
信 道
量化
msq(t)
编码
译码
msq(t)
低通滤波
∧
m(t)
4
抽样
抽样定理是把时间上连续的模拟信号转换成时间上离 散的抽样信号。抽样定理是任何模拟信号(语音 语音、 散的抽样信号。抽样定理是任何模拟信号 语音、图 象以及生物医学信号等等)数字化的理论基础 数字化的理论基础。 象以及生物医学信号等等 数字化的理论基础。抽样 定理实质上是一个连续时间模拟信号经过抽样变成离 散序列后,能否由此离散序列样值重建原始模拟信号 散序列后 能否由此离散序列样值重建原始模拟信号 的问题。 的问题。 被抽样的信号是m(t), 频带限制在（0，fH)内。理 频带限制在（ ， 内 被抽样的信号是 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
pcm脉冲编码调制原理
pcm脉冲编码调制原理
PCM脉冲编码调制是一种将模拟信号转换为数字信号的过程，其原理包括三个主要步骤：采样、量化和编码。
1. 采样：每隔一定的时间对连续模拟信号进行采样，这样连续的模拟信号就变成了离散的信号。
根据采样定理，采样频率必须满足f≥fmax，以确保能够完整地捕获原始信号的所有信息。
2. 量化：这是一个分级过程，将采样得到的脉冲信号根据幅度进行N等分，然后让每个采样值近似等于一个标称值。
这个过程会丢失一些信息，但可以大大减少数据量。
3. 编码：用一组二进制数组合来表示采样序列量化后的量化幅度。
这样，模拟信号就被转换成了数字信号，可以进行传输和存储。
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。
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第一讲脉冲编码调制基本原理
教学提要
课目专业基础
目的了解脉冲编码调制的基本原理。
内容1、数的进制
2．语音信号的数字化
3．时分多路复用和PCM30/32系统
方法课堂讲解，电化教学。
时间45分钟
要求1．遵守课堂纪律，专心听讲，做好笔记；
2．勤于思考，积极发言，课后做好复习。
器材保障教材、资料
教学进程
教学准备（5分钟）
1．清点人数，准备教学用具；
2．宣布作业提要。
教学实施（37分钟）
一、数的进制
(一)二进制数
(二)八进制数
(三)十六进制数
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1-3给出了PCM通信的简单模型。
图1-3 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1-4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。
发送端
接收端
A/D 变换 D/A 变换
图1-4 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。
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
t
t
t
抽样脉冲１Ｔ ２Ｔ ３Ｔ ４Ｔ ５Ｔ ６Ｔ
带，ITU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。
量化可以采用“四舍五入”的方法，使每个抽样后的幅度值用一个邻近的“整数”值来近似，图1-5a就是这种量化方法的示意图，图中把信号归纳为0-7级，并规定，小于0.5的为0级；0.5-1.5之间为1级；依次类推，这样经过量化，连续的样值被归到了0-7级中的某一级，图1-5b就是量化后的值，这里的每一级称为量化级。
1 2 3 4 5 6
图1-5a 抽样
1 2 3 4 5 6
图1-5b 量化
需要注意的是，把无限多个幅度值量化成有限的量化级，必然会产生误差，即量化误差。
小信号的量化误差相对较大，为提高小信号量化后的信噪比，可以增加量化级数或采用不均匀量化分组，第一种方法要求更多的编码位数及更高的码速，也就对编码器要求更高；第二种方法是讲小信号的量化级分得更细些，将大信号的量化级分得粗略些，这种做法叫做“压缩扩张法”，简称“压扩法”。
ITU建议的压扩法特性叫做A律或μ律。
A律用于欧洲和中国，30/32路PCM系统中采用A律；μ律用于北美和日本，24路PCM系统中采用μ律。
（三）编码
简单的说，编码就是将量化后的幅度值用一定的代码来表示。
由于编码后的数字信号携带着原始语音（模拟）信号信息，因此就如同将模拟信号“调制”到了代码上，而代码是由信号抽样得到的脉冲序列再量化编码后得到的，这就构成了脉冲编码调制通信，即我们通常所说的PCM通信。
（四）再生、解码、低通
在PCM通信的接收端，需要将PCM信号还原成语音（模
拟）信号，这需要再生、解码、低通（或重建）几个过程，再生就是将PCM信号进行放大，解码就是把PCM信号转换为与发送端相同的PAM信号，在PAM信号中包含原语音信号的频谱，因此可以采用把PAM信号通过低通滤波器分离出所需要的语音信号，这一过程即为重建。
二、时分多路复用和PCM30/32系统
在通信网的建设中，线路设备的投资占较大比重，因此，如何提高线路利用率，在较少的硬件资源上传输更多的信号，实现多路复用，可采取频分和时分两种方法。
现有的有线电视信号传送，就采用频分的方法，即把多种频段的信号混合在一起传送，由接收机选频来分离信号。
时分多路复用就是利用各路信号在信道上占有不同时间间隙（即时隙）而把各路信号分开。
具体来说就是，就是把时间分成均匀的时间间隔，将每一路信号的传输时间分配在不同的时间间隔内，以达到互相分开的目的，每路所占用的时间间隙称为时隙（TS）。
PCM通信是典型的时分多路通信系统，如图1-6所示。
如图1-6
由上图可见，每一路信道在指定的时间内接通，其它时间内为别的信道接通，为了使发端与收端各路信道能够协调一致的工作，在发送端需要传送一个同步信号，利用同步控制信号来确保发端和收端协调工作。
下面我们介绍PCM系统中时隙和帧的概念。
前面已经讲过，对于语音信号传送，抽样频率为8000HZ，即每125μs抽样一次，每次抽样后经过量化和编码成为8比特的码串，传送一路的8比特对应的时间长度就是一个时隙（TS）,在PCM32系统中，32条信息复用一条物理电路，因此，在125μs内各路信号传送一次，即32个时隙的码串依次传送一遍，就合成了一“帧”。
并且，在采用随路信令时，为了传送各话路的标志信号，还引入了复帧的概念，将连续的16帧称为一个复帧。
ITU建议的PCM基本结构包括32路系统和24路系统，
我国和欧洲采用的是PCM32系统，关于这一点我们在前面已经讲过，因为电话通信中，由30个时隙作为话路使用，因此也称为PCM30/32系统，其帧结构如图1-7所示。
图1-7 PCM30/32系统帧结构图
由上图可见，每一帧对应的时间长度为125μs ，每个时隙的大小是125μs/32=3.9μs ，每一复帧的时间长度为16x125μs =2ms 。
32个时隙是这样分配的，TS1-TS15、TS17-TS31为话路时隙，TS0用来传送帧定位信号，保持发端与收端的同步工作。
在局间采用随路信令时，TS16用来传送复帧同步码和各话路的标志信号，当局间采用NO.7信令时，TS16可以作为信令链路使用，也可以作为话路使用。
这里的随路信令和NO.7信令我们将在以后的课程中陆续讲到，这里不作详细讲解。
F0 F1 F3 F2 F5 F4 F7 F6 F9 F8 F11 F10 F13 F12 F14 F15
1复帧=16帧
TS16标志信号时隙
TS0同步时隙
注意！我们这里只讲到了PCM一次群，因为数字程控交换只涉及到一次群，PCM高次群在这里不作讲解。
总结
同志们，我们利用三个课时对脉冲编码调制的基本原理进行了学习，我们主要讲了三个方面的内容，模拟信号和数字信号，语音信号的数字化，时分多路复用和PCM30/32系统，其中第一个内容是第二个内容的基础，第二个内容是重点，第三个内容是第二个内容的延伸教学讲评（３分钟）
思考题
１.什么是模拟信号和数字信号？
２.模拟信号经过哪几个步骤可以转化为数字信号并简述过程？
３.PCM30/32系统话路占用哪些时隙，TSO与TS16各传送什么信号？1
４.根据课堂内容计算PCM30/32系统传送码率是多少？
编写人：兰建科
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