通信原理曹志刚

备课笔记---易志强

第六章自适应差分脉码调制

要求掌握：

●差分脉冲编码调制原理和方框图，差值信号、预测信号、重建信号的含义，差分脉冲

编码调制的预测增益；

●自适应预测和自适应量化的基本概念和物理意义；

●ADPCM的原理和特点。

64kb/s（8kHz的抽样频率，8比特的PCM编码）的A律或者 律的PCM编码获得广泛的应用，但PCM信号占用频带要比模拟通信系统中一个标准话路带宽(3.1KHz : 300~3400)宽很多倍，传送64kb/s的数字信号的最小频带理论值为32kHz（奈奎斯特第一准则）。

语音编码的目的在于：以较低的码率获得高质量编码。通常吧话路速率低于64kb/s的语音编码方法称为语音压缩编码技术。自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)是语音压缩中复杂度较低的一种编码，可实现在32kb/s的码速率上达到64kb/s的PCM数字电话语音质量。ADPCM的基础为DPCM。

6.1 DPCM（差分PCM）

PCM对每个样值波形都独立编码，需要较多位数来表示，因此比特率高。DPCM利用抽样信号在相邻抽样间表现出很强的相关性，存在很大冗余度的特性，对相邻样值的差值而非样值本身进行编码，用较少的比特数表示差值，反映样值的变化。若量化间隔不变（即量化噪声不变），则信号传输带宽将被压缩；若仍然用原来的比特数对差值进行编码，则将提高量化信噪比。

实现差分编码的方法之一：根据前面k个样值预测当前时刻样值，也称预测编码技术。那么编码信号变为当前样值与预测值之间的差值，仅对差值进行量化编码并传输，在接收端再用接收的预测误差来修正当前的预测值。

编码器解码器

DPCM系统原理框图

x：表示当前的信源样值；

n

1

ˆk

n i n i i x a x

-==∑：预测器的输出； ˆn x ：预测器输入，同时也是重建语音信号（针对接收端）； n n n e x x =-：预测误差，量化器的输入； qn e ：量化器输出，量化后的预测误差；

n c ：量化后的预测误差被编码成二进制序列。

在接收端装有与发送端相同的预测器，它的输出与qn e 相加产生。信号既是所要求的预测器的激励信号，也是所要求的解码器输出的重建信号。在无传输误码的条件下，解码器输出的重建信号与编码器中的n x 相同。 DPCM 系统的总量化误差

定义: 为输入信号样值n x 与解码器输出样值ˆn x 之差: ˆ()()q n n n n n qn n qn n x x

e x x e e e =-=+-+=- 可见，DPCM 总量化误差仅与差值信号n e 的量化误差有关。因此DPCM 系统总的量化信噪比可表示为：

222

222

n n n p DPCM q

q n q E x E x E e S S G N N E n E e E n ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎣⎦⎣⎦⎣⎦==∙=∙ ⎪ ⎪⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦⎣⎦

式中，()/q S N 是把差值序列作为信号时量化器的量化信噪比，与PCM 系统考虑量化误差时所得信噪比相当。

p G ：为DPCM 系统相对于PCM 系统而言的信噪比增益，称为预测增益。如果能够选

择合理的预测规律，差值功率2

n E e ⎡⎤⎣⎦就能远小于信号功率2

n E x ⎡

⎤⎣⎦，p G 就会大于1，该系统就能获得增益。对DPCM 系统的研究就是围绕着如何使p G 和()/q S N 这两个参数取最大值而逐步完善起来的。通常p G 约为6～11dB 。

从另外一方面看，DPCM 系统总的量化信噪比远大于量化器的信噪比。因此, 要求DPCM 系统达到与PCM 系统相同的信噪比，则可降低对量化器信噪比的要求，即可减小量化级数，从而减少码位数，降低比特率。

6.2 ADPCM

DPCM系统性能改善取决于最佳预测和最佳量化。但对于语音信号，其动态范围变化较大，为了在一个相当宽的变化范围内获得最佳的性能，因此在DPCM的基础上引入自适应系统，即为自适应差分脉冲编码调制——ADPCM。

ADPCM特点：

（1）自适应量化取代固定量化，量化间隔随信号的变化而变化，使量化误差减小；针对()

S N

/

q

（2）自适应预测取代固定预测，指预测器系数{}i a可以随信号的统计特性而自适应调

G。

制，从而提高预测信号的精度。针对

p

DPCM的预测值为6~11dB，自适应预测改善信噪比4dB，自适应量化改善4~7dB，则ADPCM能改善16~21dB，相当于编码位数可减少3~4比特。因此允许用32kb/s编码。

第七章 增量调制(△M)

要求掌握：

●简单增量调制原理，本地译码信号，重建信号，量化噪声，斜率过载； ●简单增量调制量化信噪比与抽样频率和输入信号频率的关系； ●简单增量调制和脉冲编码调制的比较；

●简单增量调制的优缺点。

增量调制简称△M 或DM ，可看成DPCM 的特例。在△M 中，只用1位编码表示相邻样值的相对大小，从而反映抽样时刻波形变化趋势，与样值本身大小无关。 △M 的优点：

1. 在比特率较低时,增量调制的量化信噪比高于PCM;

2. 增量调制的抗误码性能好，能工作于误比特率为10-2~10-3的信道，而PCM 要求误比特

率为10-4~10-6;

3. 增量调制的编译码器比PCM 简单。

7.1 简单增量调制

7.1.1 编译码的基本思想

若抽样速率很高，抽样间隔很小，那么相邻样值点之间的幅度变化较小，用相邻样值的相对大小（增量，可正可负）同样能反映信号的变化规律,将增量编码传输的方式称为ΔM 。基本思想:

用一个阶梯波去逼近一个模拟信号。

只要抽样间隔t ∆足够小，即抽样频率1/s f t =∆足够高，而量化间隔（量化台阶）σ足够