PCM编码和解码ppt课件

y Q(x) Qxk x xk1 yk ,
k 1, 2, 3, , L
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PCM编码中抽样、量化及编码的原理
2、量化
这里 xk 称为分层电平或判决阈值。通常
称 k xk1 xk 为量化间隔。
x
模拟入
量化器
y
量化值
图2 模拟信号的量化
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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。
二、设计与仿真
其中以“Saturation”作为限幅器，将输入信号幅度值限制在 PCM编码的定义范围内，“Relay”模块的门限设置为0，其输出即 可作为PCM编码输出的最高位---极性码。样值取绝对值后，以实例 6.5所示的“Look-Up Table”查表模块进行13折线压缩，并用增益 模块将样值范围放大到0到127内，然后用间距为1的“Quantizer” 进行四舍五入取整，最后将整数编码为7bit二进制序列，作为PCM 编码的低7位。可以将该模型中虚线所围部分封装为一个PCM编码 子系统备用。
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低通滤波 瞬时压缩 低通滤波 瞬时扩张
抽样 解调
量化 解码
编码 信 道
再生
图1 PCM原理框图
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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。
图6 13折线近似的PCM解码器测试模型和仿真结果
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二、设计与仿真
图7 13折线近似的PCM解码器测试模型和仿真结果2
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二、设计与仿真
3、PCM串行传输模型
PCM编码输出经过并串转换后得到二进制码流送入二进 制对称信道。 在解码端信道输出的码流经过串并转换后送入 PCM解码，之后输出解码结果并显示波形。模型中没有对 PCM解码结果作低通滤波处理，但实际系统中PCM解码输出 总是经过低通滤波后送入扬声器的。
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表2段落码
段落序号
段落码
8
111
7
110
6
101
5
100
4
011
3
010
2
001
1
000
表3段内码
量化级 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
段内码
1111
1110
1101
1100
1011
1010
1001
1000
0111
0110
0101
0100
0011
0010
1 ln A
A
y 1 ln Ax , 1 X 1 1 ln A A
8
A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特 性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当 复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规 律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它 基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于 用数字电路实现，本设计中所用到的PCM编码正 是采用这种压扩特性来进行编码的。图3示出了 这种压扩特性。
二、设计与仿真
图12 上为误码，下为PCM
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谢谢欣赏
26
9
y 1
7
8 6
8
5
8
4
（6）
8
3
（5）
8 （4）
2
8 （3） 1
8 （2）
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（1）
（7）
（8）
未压缩
0
11
1
1
1
1
16 8
4
2
128 1
1
32
64
图3 为13折线特性
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表1列出了13折线时的x值与计算x值的比较。
表1中第二行的x值是根据A=87.6时计算得到的，第三行的x值是13折线 分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与A=87.6曲线十分逼近，同 时x按2的幂次分割有利于数字化。
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PCM编码中抽样、量化及编码的原理
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。如图2所示，量化器Q输出L个 量化值 ，k=1，2，3，…，L。 常称为重建 电平或量化电平。当量化器输入信号幅度 落 在 与 之间时，量化器输出电平为 。这个量 化过程可以表达为：
PCM编码和解码
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一、PCM编码和解码原理
在通信系统中完成将语音信号数字化功能。 PCM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。根据CCITT的建议，为改 善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两 种建议方式，分别为A律和μ律方式，我国采用了 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编码示意图见图1。
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二、设计与仿真
2、PCM解码器模型
测试模型和仿真结果如图所示，其中PCM编码子系统就是图中 虚线所围部分。PCM解码器中首先分离并行数据中的最高位（极性 码）和7位数据，然后将 7bit数据转换为整数值，再进行归一化、 扩张后与双极性的极性码相乘得出解码值。可以将该模型中虚线所 围部分封装为一个PCM解码子系统备用。
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 也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化 相比，有两个突出的优点。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。
实际中，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。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种 对数压缩律是 压缩律和A压缩律。美国采用 压缩律，我国和欧洲各国 均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。
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所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：
y Ax ,0 X 1
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在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段 折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表 示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的 极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值 的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落 码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。 其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每 一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8 个段落被划分成27＝128个量化级。段落码和8个段落 之间的关系如表2所示；段内码与16个量化级之间的关 系见表3。
0001
0000
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二、设计与仿真
1、PCM编码器模型
设计一个13折线近似的PCM编码器模型，能够对取值在[-1,1] 内的归一化信号样值进行编码。测试模型和仿真结果如图所示。
图4 13折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果
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二、设计与仿真
图5 13折线近似的PCM编码器测试模型和仿真结果
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仿真采样率必须是仿真模型中最高信号速率的整数倍， 这里模型中信道传输速率最高，为64kbps，故设置仿真步进 为1=64000 秒。信道错误比特率设为0.01，以观察信道误码 对PCM传输的影响。仿真结果波形如图所示，传输信号为 200Hz正弦波，解码输出存在延迟。
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二、设计与仿真
图8 PCM串行传输模型
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PCM编码中抽样、量化及编码的原理
3、编码
所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，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。 在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分 为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第 二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较 型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中， 无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的 顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。
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仿真结果如下：
二、设计与仿真
图9 上为解码输出，下为原信号
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二、设计与仿真
图10 上为误码，下为PCM
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二、设计与仿真
信道错误比特率设为0.09，以观察信道误码对PCM传输的影响。仿真结果波形 如图所示，传输信号为1500Hz随机信号，仿真结果如下：
图11 上为解码输出，下为原信号
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