PCM原理学习

➢Section 1

（图1.1）PCM编译系统方框图

PCM系统比脉冲模拟调制方法要复杂一些，基带信息需要经过多次处理。在发射机中，这些处理过程主要是取样、量化、编码。量化和编码操作通常在一个电路中完成。在PCM 系统的接收机中，这些处理是受损信号的再生、解码和量化样值序列的解调。当然，在传输线路上根据需要也进行信号的再生，这就是再生中继器的作用（图1.1）为系统的示意方框图。

PCM主要包括取样、量化、编码三个过程。取样是将时间连续的模拟信号转换成时间连续的，幅度离散的取样信号；量化是将时间按离散、幅度连续的信号转换成时间和幅度均离散的信号；编码是将量化的信号编码形成一个二进制的码组。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)取样

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1.2）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。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。

（图1.2）抽样概念示意图

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)(t m 中所包含的高于W 的那些谐波成分。

(2)量化

由于模拟信号包含无穷多个样值。所以，从这样的模拟信号取样而来的那些样值脉冲的振幅值，也是有无穷多个可能的样值。所以我们不能直接传输。量化的方法有许多种。像均匀量化和非均匀量化。

均匀量化，其量阶是常数，根据这种量化进行的编码叫“线性编码”相应的译码叫“线性译码。”至于量阶的取值，则需根据具体情况来看，原则是保证通信的质量要求。但是，在电话通信中，均匀量化是不合适的。

因为在均匀量化中的量阶的大小是不变的，与输入的样值大小无关。这样，当输入大信号时和输入小信号时的量化噪声都一样大，如果满足对小信号信扰比的要求则大信号的信扰比就显得太低了。反之，如果满足大信号的要求，则对小信号就显得过剩，造成不必要的浪费。所以必须使用量阶数值比固定，而是随输入值的大小变化。所以对这样的信号必须使用“非均匀量化器”，其特点是：输入小时，量阶也小；输入大时，量阶也大。这样在整个输入信号的变化范围内得到几乎一样的信扰比，而总的量阶可比均匀量化是还小。因此，缩短了码字的长度，提高了通信效率。

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。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。压缩特性示意图如图（图1.3） 。

（图1.3）压缩特性示意图 压扩律常用的有两种，一种是u 律，一种为A 律。 A 律数学表达式为

)

1ln()1ln(12u v u v ++=

（1-1）

其中，1v 2v 是归一化的压缩器的输入和输出电压，u 是一个正常数。将2v 对1v 求导取常数，可得

)1()

1ln(12

1v u u

u v d v d ++=

（1-2） 从式（1-1）可知，若1v u 远远小于1，即输入小信号时，u 律近似与直线；1v u 大与1时，即大信号输入时，从公式1-1可知，u 律近似对数曲线。所以，一般来讲，u 律既非直线也非对数曲线，如图1.4。u=0,对应于均匀量化；u=100，就可以得到满意的压缩特性。 A 律的数学表达式为

=

2v A

v A ln 11+ A

v 101≤

≤

(1-3)

A

v A v ln 1)ln(112++=

11

1≤≤v A

式（1-3）对1v 取导数，得

A

A

v d v d ln 12

1+=

A v 101≤≤

（1-4）

12

1)ln 1(v A v d v d +=

11

1≤≤v A

当A=1时，对应均匀量化的情况。当A 在100附近时，有满意的网压缩特性。这时，当1v 很小时，1v 与2v 有线性关系；当1v 较大时近似对数关系，如图1.5

（图1.4）A 律压缩特性 （图1.5) u 律压缩特性

上述的曲线是平滑连续压缩曲线，是属于模拟压扩律，可用非线性二极管实现，且编码器可以用线性编码，所以构造简单。但缺点也十分严重。特性完全对称的两个二极管很难找，而且随温度而变化，造成压扩的效果不佳，因此，这种方式很少采用。

所以通常采用数字压扩器，所以对于A 律曲线，采用13段折线近似；对于μ律曲线，采用15段折线近似。下面简单介绍一下A 律的13段折线。13折线即是将压缩器的输入信号1v 按几何级数分成8段，在这不均匀的8段中，再把每段各分成16等分的小段。这样，就整个来说，把1v 分成了不均匀的128的量阶。如表1-1所示。

根据这个表就可以画出这8段线。由于它们的斜率各不相同，连接起来就形成一条折线。因为第一段与第二段斜率一样，可算作一段，这样共有7段。考虑到信号的负值，还可以做出与茈相似的另一条折线也有7段，如图1.6所示这样，正7段与负7段接在一起就形成所谓的13段折线A 律曲线，在零点的A 值可求出 A

A

v v k ln 11612+===

及A=87.6 表1-1 各大段的斜率

大段号 1 2 3 4 5 6 7 8 1

2

v v k = 116 116 216 416 816 1616 3216 6416