第四章数字编码技术

第4章 数字编码技术
均匀量化存在的问题是： 小信号时信噪比太小，大信号时信噪比浪费。
非均匀量化的 均匀量化量的化信噪比 量化信噪比
动态范围 动态范围 要求的量化 信噪比
信号电平
第4章 数字编码技术
3 编码(Coding)
用一组代码来表示每一个量化后的样值。量化以后每一个样值都 被有限个量化电平代替，这些电平可以用一定长度的码组表示，这就 是编码。通常波形编码过程中量化与编码同时进行。
• 信道编码：也称差错控制编码，它是为了让误码所产生的影响降至最低 所进行的编码。
第4章 数字编码技术
数字编码器
数字解码器
信
信
数
数
信
话
源
道
字
信
字
道
音
编
编
调
道
解
译
解
码
码
制
调
码
码
数字通信系统中的编码与解码
第4章 数字编码技术
4.1 信源编码
4.1.1 信息码
定义：在数字通信系统中用来表示信息的一组码组称为信息码。通常都是 等长码组，也有非等长码组；
图可见，除第1和2段外，其他各段折线的斜率都不相同。在下表中列出 了这些斜率：
折线段号 1
2
3
4
5
6
7
8
斜 率 16 16
8
4
2
1
1/2 1/4
第4章 数字编码技术
量化值序号
15 14 13 12 11 10 9 8
7 6 5 4 3 2 1 0
量化电压极性 正极性
负极性
自然二进制码
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000
第4章 数字编码技术
数字编码方法主要分为三类
（1）波形编码 （Waveform Coding）
波形编码是将时域信号直接变换为数字代码，重建语音波形时尽量保持 原语音信号的波形形状。脉冲编码调制（PCM）和增量调制（△M），以及它 们的各种改进型自适应增量调制（ADM），自适应差分编码（ADPCM）、自适 应传输编码（ATC）和子带编码（SBC）等，都属于波形编码技术。
除了其最高位符号相反外，其上下两部分还呈现映像关系， 或称折叠关系。在用最高位表示极性后，双极性电压可以采用 单极性编码方法处理，从而使编码电路和编码过程大为简化。
折叠码的另一个优点是误码对于小电压的影响较小。例如， 若有1个码组为1000，在传输或处理时发生1个符号错误，变成 0000。由于语音信号小电压出现的概率较大，所以折叠码有利 于减小语音信号的平均量化噪声。
信息码组的长度L ：L＝log2N。其中N为符号总数，这里的L应是整数。从
提高编码效率的角度出发，L的取值应尽量的小。例如，对26个英文字
母进行二进制编码时，Lmin=log226=4.7，因此可取L=5。
常用信息码有ASCII码、Morse码、BCD码等。
第4章 数字编码技术
4.1.2 语音编码
第4章 数字编码技术
1 取样（Sampling)
一个取样概念示意图
第4章 数字编码技术
取样过程示意图
第4章 数字编码技术 取样的分类：
自然抽样（Nature Sampling）：实际抽样电路中抽样脉冲都有一定的 持续时间，这样得到的脉冲顶部不是平的，而是随着模拟信号变化， 这样的抽样叫自然抽样；
第4章 数字编码技术 1 波形编码的基本原理
取样（Sampling) 将时间上连续的信号转换成时间上离散的信号（PAM）信号。
量化(Quantisation) 将状态连续的信号转换成状态离散的信号。
编码(Coding) 将时间和状态离散的信号用数字代码表示。
说明：实际电路中量化与编码通常是不可分离的。
第4章 数字编码技术
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间，其量化间隔小；反之，量化间隔就大；
优点： （1）当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀 量化器的量化信噪比得以改善； （2）改善了小信号时的量化信噪比。
缺点：收发双方的压扩特性不易做得一致，且温度等因素的影响大。
模拟信息的数字化原因：
由于数字通信在信号的传输质量、信号的处理等方面具 有模拟通信系统所不可比拟的特性。但自然界的信息主要是 模拟信息，如话音、图像和各种测量信号。因此模拟信号的 数字传输已成为现代通信的重要组成部分。
第4章 数字编码技术
A/D转换的要求
每一路信号编码后的速率要低（ Low bit rate ）； 量化噪声要小（ Low quantisation noise ）； 要便于通信系统的多路复用（ Convenient for multiplex ）； 编码与译码电路要简单（ Simple circuit ）。
第4章 数字编码技术
第4章 数字编码技术 2 量化
为了实现以数字码表示样值，必须采用“四舍五入”的方法把 样值分级“取整”，使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有 限个值。这一过程称为量化。
量化电平：有限个规定值；
量化误差：量化值与取样值之间的差值，又称为量化噪声。量化是一
种信息有损变换。
S
信号功率
编码过程
第4章 数字编码技术
输入信号抽样值经过一个整流器，它将双极性值变成单极性值，并给
出极性码c1；
在记忆电路后接一个7/11变换电路。其功能是将7位的非均匀量化码变 换成11位的均匀量化码，以便于恒流源能够按照图的原理产生权值 电流。
第4章 数字编码技术
【例】设输入电话信号抽样值为4096个量化单位(-2048-+2048)，即将 1/2048作为1个量化单位。当输入抽样值为+1270个量化单位时，试用逐次 比较法编码将其按照13折线A律特性编码。
第4章 数字编码技术
段落码编码规则
段落序号
8 7 6 5 4 3 2 1
段落码
c2 c3 c4
111 110 101 100 011 010 001 000
段落范围 （量化单位）
1024~2047 512~1023 256~511 128~255 64~127
32~63 16~31 0~15
第4章 数字编码技术
接收端相应增加非线性放大器 （扩张），以消除压缩带来的信 号失真：对小信号放大量小，对 大信号放大量大。
第4章 数字编码技术
关于电话信号的压缩特性，国际电信联盟(ITU)制定了两种建议： 一种是北美和日本的μ 律压扩；另一种是欧洲和我国所采用A律压扩。
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Y
E 7/8E 6/8E 5/8E 4/8E 3/8E 2/8E 1/8E
在语音通信中，通常采用8位的PCM编码就能够保证满意的 通信质量。
第4章 数字编码技术
码位排列方法：采用8位折叠二进制码
第一位P1表示量化值的极性正负：正——1 负——0；
P2 P3 P4：段落码，可以表示8种斜率的段落；
P5 P6 P7 P8：段内码，可以表示每一段落内的16种量化电平。段内码 代表的16个量化电平是均匀划分的。所以，这7位码总共能表示128 种量化值。
参量编码的特点是：以低质量换取低速率，典型速率16kbps。
第4章 数字编码技术
（3）混合编码 （Hybrid Coding）
混合编码将波形编码和参量编码组合起来应用，尽量保持波形 编码的高质量和参量编码的低速率，在4~16k bit/s速率上能够得 到高质量的合成语音。混合编码的特点是：权衡上述两种编码方式， 在8kbps以上部分具备高质量，8kbps以下部分具备低速率，同时相 比上面两种方式，其语音质量和速率都过得去。
取样值
取样值
t10 量化后信号波形
比较电平
c11 c10 c9 c8 c7
c5 c4 c3 c2 c1 c0
第4章 数字编码技术
量化可以有均匀量化和非均匀量化两种
均匀量化:各量化电平之间的间隔是固定的，这种量化被称为均匀量化；
均匀量化的量化噪声功率与量化台阶的平方成正比，出现话音弱时的 信噪比低、干扰大，而话音强时的信噪比高、干扰小的反常情况， 抑制了信号的动态范围。
第4章 数字编码技术
非均匀量化与A律压扩特性
非均匀量化的基本思想：
采用可变的量化间隔，让小信号时的量化间隔小些，大信号 时的量化间隔大些，提高小信号时的信噪比，适当减小大信号 的信噪比，获得较好的收听效果（电话通信）。
同时，采用非均匀量化可以做到在满足量化信噪比要求的前 提下减小码组的长度，降低单路信号的编码速率。
平顶抽样（Flat-top Sampling）：在抽样脉冲期间幅度保持不变的抽 样称为平顶抽样。
第4章 数字编码技术
第4章 数字编码技术
取样定理（ Sampling Theorem ）
对于频谱分量低于WHz的有限能量带限信号来说，可以用以1/2W秒为 间隔的该信号的瞬时值来完全描述；
对于频谱分量低于WHz的有限能量带限信号来说，可以从取样率为每 秒2W的该信号的取样值中完全地恢复。
第4章 数字编码技术
通信技术基础
第4章 数字编码技术
数字信号的编码与解码主要有以下两类 • 在数字通信中，编码是指用一组组二进制的数字代码来表示一个个模拟
信号抽样值的过程。
• 信源编码：将信息或信号按一定的规则进行数字化的过程。 用信息码表示文字、符号等，如ASCII码、MORSE码等； 对模拟信号进行AD转换，如PCM编码、ADPCM等；
第4章 数字编码技术
非均匀量化的实现 非均匀量化的具体办法是压缩、扩张法，即在发送端对抽样信号
先进行压缩处理再均匀量化。
第4章 数字编码技术
压缩器特性曲线在小信号时的斜 率大，大信号时的斜率小，使抽 样信号的小样值部分被充分放大， 大样值部分被适当压缩。被压缩 的抽样信号虽然再经过均匀量化；
第4章 数字编码技术
第4章 数字编码技术 2 PCM（脉冲编码调制）
所谓脉冲编码调制，就是将模拟信号的抽样量化值变换成代码。
平滑滤波：将解码后的PAM信号(脉冲幅度调制及抽样后信号)通过低通 滤波器得到原有模拟信号。
编码率：通信系统要求编码率尽可能地降低。编码率=取样频率×码组 长度。 （多采用非均匀量化 ）
波形编码的特点是：用高速率换取高质量。典型速率64kbps。
第4章 数字编码技术
（2）参量编码（Parameter Coding）
参量编码又称为声源编码，是将信源信号在频域上或其它正交变换域 上提取特征参量，并将其变换成数字代码进行传输。具体说，参量编码 是通过对语音信号特征参数的提取和编码，重建语音信号时使其具有尽 可能高的可靠性，保持原始语音的语意，但重建信号的波形同原始语音 信号的波形可能会有相当大的差别。线性预测编码（LPC）及其它各种改 进型都属于参量编码。
0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000
码型选择
折叠二进制码
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
第4章 数字编码技术
PCM编码中，采用的码型是折叠二进制码。
段内码编码规则
量化间隔
15 14 14 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
段内码 c5 c6 c7 c8 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000
第4章 数字编码技术
量化信噪比 — = 10 lg —————— (dB)
N
量化噪声功率
第4章 数字编码技术 量化编码原理
电平代码 量化电平
1100 q12
1011 q11 1010 q10 1001 q9 1000 q8 0111 q7
0110 q6 0101 q5
t0
0100 q4
0011 q3
பைடு நூலகம்
原信号波量形化值
0010 q2 0001 q1 0000 q0
【解】设编出的8位码组用c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8表示，则：
确定极性码c1：因为输入抽样值+1270为正极性，所以c1 = 1；
确定段落码c2 c3 c4：由段落码编码规则表可见，c2值决定于信号抽样值大 于还是小于128，即此时的权值电流Iw＝128。现在输入抽样值等于1270， 故c2＝1。
量化电平
0
1/8E 1/4E
1/2E
13 折线 A 律压扩特性
E
X
第4章 数字编码技术
图中横坐标x在0至1区间中分为不均匀的8段。1/2至1间的线段称
为第8段；1/4至1/2间的线段称为第7段；1/8至1/4间的线段称为第6段；
依此类推，直到0至1/128间的线段称为第1段。图中纵坐标y 则均匀地划 分作8段。将与这8段相应的座标点(x, y)相连，就得到了一条折线。由