PCM编码详解

均匀量化
采用相等的量化间隔对采样得到的信号作量化，那么这种量化称 为均匀量化。均匀量化就是采用相同的“等分尺”来度量采样得 到的幅度，也称为线性量化 量化后的样本值Y和原始值X的差E=Y-X称为量化误差或量化噪声
非均匀量化
非线性量化：对输入信号进行量化时，大的输入信号 采用大的量化间隔，小的输入信号采用小的量化间隔。 这样就可以在满足精度要求的情况下用较少的位数来 表示。声音数据还原时，采用相同的规则。 在非线性量化中，采样输入信号幅度和量化输出数据 之间定义了两种对应关系，一种称为µ 律压扩 (companding)算法，另一种称为A律压扩算法。 采样频率为8 kHz，样本精度为13位、14位或者16位 的输入信号，使用µ 律压扩编码或者使用A律压扩编 码，经过PCM编码器之后每个样本的精度为8位，输出 的数据率为64 kb/s。这就是CCITT推荐的G.711标准。
预测参数的最佳化依赖于信源的统计特性，要得到 最佳的预测参数是一件繁琐的工作。 而采用固定的预测参数 固定的预测参数往往又得不到好的性能。为 固定的预测参数 了既能使性能较佳，又不致于有太大的工作量，可 以将上述两种方法折衷考虑，采用自适应预测
数字网络等级 美国 kb/s话路数 64 kb/s话路数 总传输率(Mb/s) 总传输率(Mb/s) 数字网络等级 欧洲 kb/s话路数 64 kb/s话路数 总传输率(Mb/s) 总传输率(Mb/s) 日本 kb/s话路数 64 kb/s话路数 总传输率(Mb/s) 总传输率(Mb/s) T1/E1 24 1.544 1 30 2.048 24 1.544 T2/E2 96 6.512 2 120 8.448 96 6.312 T3/E3 672 44.736 3 480 34.368 480 32.064 T4/E4 4.32 274.176 4 1920 139.264 1440 97.728 5 7680 5600 T5/E5
DPCM
实验表明，经过DPCM调制后的信号， 其传输的比特率要比 比特率要比PCM的低 的低，相应要 比特率要比 的低 求的系统传输带宽也大大地减小了。 此外，在相同比特速率条件下，DPCM比 PCM信噪比也有很大的改善 信噪比也有很大的改善。与∆M相比， 信噪比也有很大的改善 由于它增多了量化级，因此，在改善量 化噪声方面优于∆M系统。 DPCM的缺点是易受到传输线路上噪声 的缺点是易受到传输线路上噪声 的干扰，在抑制信道噪声方面不如∆M。 的干扰，在抑制信道噪声方面不如
差分脉码调制(DPCM)
DPCM不对每一样值都进行量化，而是预测下一样值， 并量化实际值和预测值之间的差。 DPCM是基本的编码方法之一，在大量的压缩算法中被 采用，比如JPEG的DC分量就是采用DPCM编码的。
举例说明DPCM编码原理： 举例说明DPCM编码原理： DPCM编码原理 DPCM系统预测器的预测值为前一个样值 系统预测器的预测值为前一个样值， 设DPCM系统预测器的预测值为前一个样值，假设输入信 号已经量化，差值不再进行量化。 系统的输入为{0 号已经量化，差值不再进行量化。若系统的输入为{0 1 2 1 …}，则预测值为{0 …}， 1 2 3 3 4 4 …}，则预测值为{0 0 1 2 1 1 2 3 3 4 …}， 差值为{0 …}， 差值为{0 1 1 –1 0 1 1 0 1 0 …}，差值的范围比输入样 值的范围有所减小，可以用较少的位数进行编码。 值的范围有所减小，可以用较少的位数进行编码。
PCM 与音频编码
第3章 话音编码
重点：
脉冲编码调制(PCM) 增量调制与自适应增量调制 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）
难点：
非均匀量化 增量调制 子带编码
波形声音的数据压缩
波形声音的码率 = 取样频率 × 量化位数 × 声道数 全频带声音的压缩编码：
第1代压缩编码：PCM编码 第2代压缩编码：感知声音编码
µ 律压扩和A律压扩
律压扩： µ 律压扩： 13位PCM编码转换城 编码转换城8 北美和日本等地区 13位PCM编码转换城8位。 A律压扩 欧洲和中国大陆等地区， 14位PCM编码转换城 编码转换城8 欧洲和中国大陆等地区， 14位PCM编码转换城8位 输出信号均为64Kb/s 输出信号均为64Kb/s
PCM在通信中的应用 PCM在通信中的应用
PCM在通信中的应用 PCM在通信中的应用
• 1. 2. 3. 4. 5. 6. • 1. 2. 3. 4. 5. 6. 24路制的重要参数如下： 24路制的重要参数如下： 路制的重要参数如下 每秒钟传送8000 8000帧 每帧125 每秒钟传送8000帧，每帧125 µ s。 12帧组成 复帧(用于同步) 帧组成1 12帧组成1复帧(用于同步)。 每帧由24个时间片(信道) 位同步位组成。 24个时间片 每帧由24个时间片(信道)和1位同步位组成。 每个信道每次传送8位代码， 帧有24 193位 每个信道每次传送8位代码，1帧有24 × 8 ＋1＝193位(位)。 数据传输率R 8000×193＝ kb/s。 数据传输率R＝8000×193＝1544 kb/s。 每一个话路的数据传输率＝8000× kb/s。 每一个话路的数据传输率＝8000×8=64 kb/s。 30路制的重要参数如下 路制的重要参数如下： 30路制的重要参数如下： 每秒钟传送8000 8000帧 每帧125 每秒钟传送8000帧，每帧125 µ s。 16帧组成 复帧(用于同步) 帧组成1 16帧组成1复帧(用于同步)。 每帧由32个时间片(信道)组成。 32个时间片 每帧由32个时间片(信道)组成。 每个信道每次传送8位代码。 每个信道每次传送8位代码。 数据传输率： 8000×32× kb/s。 数据传输率：R＝8000×32×8＝2048 kb/s。 每一个话路的数据传输率＝8000× kb/s。 每一个话路的数据传输率＝8000×8=64 kb/s。
DPCM
对于有些信号(例如图像信号)由于信号的瞬时 瞬时 斜率比较大，很容易引起过载，因此，不能用 斜率比较大，很容易引起过载 简单增量调制进行编码， 除此之外，这类信号也没有像话音信号那种音 音 节特性，因而也不能采用像音节压扩那样的方 节特性 法，只能采用瞬时压扩 瞬时压扩的方法。 瞬时压扩 但瞬时压扩实现起来比较困难，因此，对于这 类瞬时斜率比较大的信号，通常采用一种综合 了增量调制 脉冲编码调制 增量调制和脉冲编码调制 增量调制 脉冲编码调制两者特点的调制方 法进行编码，这种编码方式被简称为脉码增量 调制，或称差值脉码调制，用DPCM表示。
中
脉冲编码调制(PCM) 脉冲编码调制(PCM)
PCM编码框图
“防失真滤波器”是一个低通滤波器，用来滤除声音频带以外的信 号； “波形编码器”可暂时理解为“采样器”； “量化器”可理解为“量化阶大小(step-size)”生成器或者称为 “量化间隔”生成器。
声音数字化有两个步骤：第一步是采样，就是每隔一 段时间间隔读一次声音的幅度；第二步是量化，就是 把采样得到的声音信号幅度转换成数字值。但那时并 没有涉及如何进行量化。量化有好几种方法，但可归 纳成两类：一类称为均匀量化，另一类称为非均匀量 化。采用的量化方法不同，量化后的数量也就不同。 因此，可以说量化也是一种压缩数据的方法。
ADPCM
Adpcm是自适应差分脉冲编码调制的简 称，最早使用于数字通信系统中。 该算法利用了语音信号样点间的相关性， 并针对语音信号的非平稳特点，使用了 自适应预测和自适应量化，在 32kbps◎8khz速率上能够给出网络等级 话音质量。
ADPCM
为了进一步改善量化性能或压缩数据率，可采 用自适应量化或自适应预测的方法。只要采用 了其中的任一种自适应方法，均称为ADPCM。 自适应预测：
数字语音的压缩编码：
波形编码 参数编码（模型编码） 混合编码
语音压缩编码的3类方法
波形编码 (Perception model-based compression) benefits : generic 语音 drawbacks : highest compression rates are difficult to 优 achieve >16kb/s 良 编码 Examples : PCM, ADPCM, Subband 波形编码 编码 (Production model-based 差 compression) 坏 编码 编码 benefits : highest possible compression 2.4Kb/s 码 drawbacks : signal source(s) must be know (kb/s) 1 2 4 8 16 32 64 Examples : vocoder 编码, 编码(Hybrid compression) Examples : CELP 4.8kb/s——16kb/s
DPCM
这种调制方式的主要特点是把增量值分为个等 增量值分为个等 级，然后把个不同等级的增量值编为位二进制 代码( )再送到信道传输，因此，它兼有增量调 增量调 制和PCM的各自特点。 制和PCM的 设这个误差电压经过量化后变为个电平中的一 个，电平间隔可以相等，也可以不等 电平间隔可以相等， 电平间隔可以相等 也可以不等，这里认 为它是间隔相等的均匀量化。 量化了的误差电压经过脉冲调制器变为PAM脉 冲序列，这个PAM信号一方面经过PAM编码器 编码后得到DPCM信号发送出去。另一方面把 它经过积分器后变为与输入信号 积分器后变为与输入信号x(t)进行比较， 进行比较， 积分器后变为与输入信号 进行比较 通过相减器得到误差电压e(t)。 通过相减器得到误差电压 。
PCM在通信中的应用 PCM在通信中的应用
提高线路利用率通常用下面两种方法 频分多路复用 :把传输信道的频带分成好几个窄带，每个窄 带传送一路信号。例如，一个信道的频带为1400 Hz，把这个 信道分成4个子信道(subchannels)：820～990 Hz, 1230～ 1400 Hz, 1640～1810 Hz和2050～2220 Hz，相邻子信道间相 距240 Hz，用于确保子信道之间不相互干扰。每对用户仅占 用其中的一个子信道。这是模拟载波通信的主要手段。 时分多路复用:把传输信道按时间来分割，为每个用户指定一 时分多路复用 个时间间隔，每个间隔里传输信号的一部分，这样就可以使 许多用户同时使用一条传输线路。这是数字通信的主要手段。 例如，话音信号的采样频率f＝8000 Hz，它的采样周期＝125 µ s，这个时间称为1帧(frame)。在这个时间里可容纳的话路 数有两种规格：24路制和30路制。
预测编码
预测编码(Prediction Coding)：是指利用 前面的一个或多个信号对下一个信号进 行预测，然后对实际值和预测值的差进 行编码。两种典型的预测编码：
差分脉码调制（DPCM） 自适应差分脉码调制（ADPCM）
DPCM
DPCM编码,简称差值编码，是对模拟信号幅度 幅度 抽样的差值进行量化编码的调制方式(抽样差 抽样的差值进行量化编码 值的含义请参见“增量调制”)。 原始的模拟信号经过时间采样，然后对每一样 值进行量化，作为数字信号传输。 这种方式是用已经过去的抽样值来预测当前的 抽样值，对它们的差值进行编码。差值编码可 以提高编码频率，这种技术已应用于模拟信号 模拟信号 的数字通信之中。 的数字通信
表3-02 多次复用的数据传输率
PCM在通信中的应用 PCM在通信中的应用
• • • • • PCM信号复用的复杂程度，通常用“ (group) 表示 PCM信号复用的复杂程度，通常用“群(group)”表示 信号复用的复杂程度 一次群(基群) 30路 24路),北美叫做T1远距离数字通信线 北美叫做T1远距离数字通信线， 一次群(基群)的30路(或24路),北美叫做T1远距离数字通信线， 在欧洲叫做E1远距离数字通信线和E1等级。 E1远距离数字通信线和E1等级 在欧洲叫做E1远距离数字通信线和E1等级。 二次群的120 120路 96路 二次群的120路(或96路) 三次群的480 480路 384路 三次群的480路(或384路)