脉冲编码调制的基本原理

批准人：

年月日

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，