1、课 件,信 源 编 码,通信原理（第7版）,第10章,樊昌信 曹丽娜 编著,本章内容:,第10章 信源编码,抽样 低通信号和带通信号 量化 标量（均匀/非均匀）和矢量 脉冲编码调制 PCM、 DPCM 、ADPCM 增量调制 M 时分复用 TDM、准同步数字体系（PDH） 压缩编码 语音、图像和数字数据,引 言,10.1,引 言,为什么要数字化？,压缩编码； 模/数转换,信源编码的作用：,波形编码和参量编码,A/D转换（数字化编码）的技术：,A/D 数字方式传输 D/A,模拟信号数字化传输的三个环节：,“抽样、量化 和 编码”,波形编码的三个步骤：,PCM、DPCM、 M,波形编码的常用方法：
2、,6、7、8章,模拟信号de抽样,10.2,抽样定理 - 模拟信号数字化和时分多路复用的理论基础,最高频率小于 fH 的模拟信号m(t) 可由其等间隔的抽样值唯一确定，抽样间隔Ts 或 抽样速率 fs 应满足：,10.2.1 低通模拟信号的抽样定理,定理：,证明：,设单位冲激序列：,其周期T = 抽样间隔Ts,抽样过程可看作是 m(t ) 与 T(t) 的相乘。因此 ，理想抽样信号为：,其频谱为：,1/Ts,n=0,理想抽样过程的波形和频谱：,fs 2fH,因此，抽样速率 必须满足：,fs,fH,这就从 频域角度 证明了 低通抽样定理。,若 fs2 fH,此时，不能无失真重建原信号。,混叠失真
3、：,重建原信号 ：,低通滤波器HL( f ),内插公式,欲传 m(t)，只需传 ms(t)，收端根据其抽样值就能无失真地重建原信号 m(t)，条件是：,抽样与恢复原理框图：,10.2.2 带通模拟信号的抽样定理,定理：,fH = nBfH = 3Bfs = 2B,|M(f)|,2fH = 2(3+k)B,fH,fL,-fL,-fH,fH = nB+kBfH = 3B+kB2(3+k) B= 3fs,推广：n=任意整数2(n+k) B= nfs,fs 与 fL 关系,n=1,n=2,n=3,n=4,n=5,n=6,模拟脉冲调制,10.3,PAM、 PDM、PPM,实际抽样 自然抽样的PAM,对比
4、：,-理想抽样,-自然抽样,m(t),自然抽样过程的波形和频谱：,自然抽样与恢复原理框图：,理想抽样：,自然抽样：,理想冲激序列,实际脉冲序列,s(t),恢复：均可用理想低通滤波器取出原信号。,实际抽样 平顶抽样的PAM,特点：每个样值脉冲的顶部是平坦的。,产生： 抽样 保持,n=0,恢复：修正+低通滤波,模拟信号de量化,10.4,量化幅度上离散化,量化后的信号多电平数字信号,抽样值,分层 电平,10.4. 1 量化原理,量化 电平,量化 间隔,量化值, 用 有限个 量化电平 表示 无限个 抽样值。,qi=q1qM,mi,抽样值,量化信号值,抽样值,量化值,量化噪声,a,b,设抽样信号 的取
5、值范围,量化电平数,M,则量化间隔,量化电平（中点）,分层电平（端点）,10.4. 2 均匀量化,等间隔划分输入信号的取值域,的均方值-量化噪声功率为：,信号量噪比 S/Nq,输入样值信号 的概率密度,量化器的性能指标之一,mk = m(kTs ),mq = mq (kTs ),量化噪声,信号mk 的平均功率：,信号量噪比信号功率与量化噪声功率之比 ：,量化噪声功率,解：,平均信号量噪比,含义？,均匀量化的缺点,应用：主要用于概率密度为均匀分布的信号，如遥测遥控信号、图像信号数字化接口中。, 原因： Nq与信号样值大小无关，仅与量化间隔 V 有关 。,解决方案：非均匀量化,10.4.3 非均匀
6、量化, 量化间隔不相等的量化方法,压大补小,y= f (x) 对数特性,提高小信号的量噪比,32,-压缩输出,-扩张输入,在接收端，需要采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复信号。,入,出,压缩 特性,扩张 特性,压缩-扩张特性：,均匀 量化,压缩 特性,ITU的两种建议：,非均匀量化,x 归一化输入电压 y 归一化输出电压,1 . A 压缩律,2. A 律13 折线,图10-14 对称输入13折线压缩特性,A律和 律不易用电子线路准确实现，实用中分别采用13折线和15折线。,3 . 压缩律 及其 15 折线, =0 时无压缩效果,非均匀量化,15 折 线,K1 =32,大信号的量化性能比 A律
7、 稍差。,小信号的量噪比是 A律 的 2 倍。,脉 冲 编 码 调 制,10.5,Pulse Code Modulation, PCM, 模拟信号数字化方式之一,10.5.1 PCM的基本原理,PCM系统原理框图,模拟信号数字化过程 -“抽样、量化和编码”,具有镜像特性,简化编码过程,误码对小电压的影响小,表 104 自 然 二 进 码 和 折 叠 二 进 码,10.5.2 常用二进制码, 编码考虑的问题之一,极性码：表示样值的极性。正编“1”，负编“0” 段落码：表示样值的幅度所处的段落 段内码：16种可能状态对应代表各段内的16个量化级,在A律13折线 PCM编码中，共计：, 需将每个样值
8、脉冲（Is ）编成 8位 二进制码：,码位的选择与安排, 之二，关乎通信质量和设备复杂度,表10-5 段落码,表10-6 段内码,-归一化输入电压的最小量化单位,之三，确定样值所在的段落和量化级,起始电平和量化间隔,(幅值),50,C5的权值 8 ViC6的权值 4 ViC7的权值 2 ViC8的权值 1 Vi,段内码的权值：,Vi 第 i 段的量化间隔 。 不同段落， Vi 不同 。前两段相同,11110011,每来 一个 样值 脉冲,就送出一个PCM 码组,10.5.3 电话信号的编译码器, 编码的实现,任务 把每个样值脉冲编出相应的 8 位二进码。,极性判决：确定样值信号的极性，编出极性
9、码： 整流器：双单（样值 的幅度大小）。 保持电路：使每个样值的幅度在 7 次比较编码过程中保持不变。 比较器（核心）：将样值电流 Is与标准电流 Iw 进行逐次比较，使Iw向Is逐步逼近，从而实现对信号抽样值的非均匀量化和编码。若 IsIw，输出“1”码若 IsIw，输出“0”码 记忆电路：寄存前面编出的码，以便确定下一次的标准电流 值 Iw。 7/11变换：将 7 位非线性码转换成 11位线性码，以便恒流源产生所需的标准电流 Iw。,各部件的功能：,PAM信号,类似天平称物过程,53,只需 7 位（非线性）编码,以 对13折线正极性的8个段落进行均匀量化，则量化级数：,非线性码 非均匀量化
10、：,需要11位（线性）编码,非线性码与线性码（7/11）：,称为线性PCM编码,称为非线性 / 对数PCM编码,线性码 均匀量化：,（1）极性码： C1 = 1（正） （2）段落码： C2 C3 C4 （3）段内码： C5 C6 C7 C8,PCM码组 C1 C8 1 111 0011,= 111（第段）,= 0011,解,起始 1024V8 =64,1270,IS= +1270,Is IWi 1Is IWi 0,56,它与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同，不同的是：增加了极性控制部分和带有寄存读出的 7/12 位码 变换电路。,译 码, 把 PCM 信号 相应的 PAM 样值信号，即
11、D/A 变换。,A律13折线译码器原理框图,各部分功能：,7/12变换电路: 将7位非线性码转变为12位线性码。,目的：增加一个Vi /2恒流电流，人为地补上半个量化级，使最大量化误差不超过Vi /2 , 从而改善量化信噪比。,串/并变换记忆电路 ：将串行 PCM 码变为并行码,并记忆下来。 极性控制：根据收到的极性码 C1来控制译码后PAM信号的极性。,编码器中7/11,寄存读出电路：将输入的串行码在存储器中寄存起来, 待全部接收后再一起读出 , 送入解码网络。实质上是进行 串/并 变换。,12位线性解码电路 ：由恒流源和电阻网络组成,与编码器中解码网络类同。它是在寄存读出电路的控制下,输出
12、相应的 PAM信号。,58,解,1270,由上例可知，编码电平 ：,IC=1216,因此，译码电平：,ID = IC + Vi /2=1216+64/2=1248,编码后误差: ( Is - IC) = 54 ,译码后误差 : | Is- ID | = 22 ,PCM 信号的比特率和带宽,传输带宽: 若采用非归零矩形脉冲传输时，谱零点带宽为,例如: 一路模拟话路带宽为 B=4 kHz,一路数字电话带宽为,问题：PCM信号占用的频带 比 标准话路带宽要 宽很多倍。,B=80008 = 64 kHz,如何解决？ 详见10.6节,60,10.5.4 PCM系统中噪声的影响,PCM系统输出：,两种噪声
13、：,产生机理不同 相互独立,+,+, 信号成分( So ), 加性噪声( Sa ), 量化噪声(Sq),性能指标：,抗量化噪声性能,抗加性噪声性能,总输出信噪比,含义：当低通信号最高频率 fH 给定时, PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽 B 按指数规律增长。,抗量化噪声性能,抗加性噪声性能,PCM系统最小带宽,带宽与信噪比互换,假设条件：自然码、均匀量化、输入信号为均匀分布。,总输出信噪比,差分脉冲编码调制,10.6,Differential PCM, DPCM, PCM的改进型，是一种预测编码方法,预测编码简介,问题引出,PCM 需用 64kb/s 的比特率传输 1 路 数字电话信号，
14、这意味 ，其占用频带 比 1路模拟标准话路带宽(4 kHz)要 宽很多倍。,解决思路,究其根源：PCM 是对每个样值独立地编码，与其他样值无关。, 因此，降低 编码信号的比特率、压缩信号的传输频带是 语音编码技术追求的目标 。,信号抽样值的取值范围较大, 从而导致数字化信号的比特率高， 占用带宽大。, 需要较多的编码位数,方法之一,预测编码,线性预测, 利用前面几个抽样值的 线性组合 来预测当前时刻的样值。, 若仅用前面 一个抽样值 预测当前的样值，即为DPCM。,对相邻样值的差值进行编码,线性预测编码/译码原理框图,表明：预测值mk 是前面p个带有量化误差的抽样信号值的加权和。,p - 预测
15、阶数ai - 预测系数,当 时 DPCM,p = 1a1 =1,10.6.1 差分脉冲编码调制(DPCM)原理与性能,当 p = 1，a1 = 1，则有mk = mk-1* ，,表示只将前 一个抽样值, DPCM：对相邻样值的差值进行编码。,当做预测值。,预测器,预测器,DPCM原理,DPCM性能,DPCM系统的量化误差（量化噪声）为：,DPCM系统的信号量噪比：,为信号平均功率；,为预测误差（量化器输入）的平均功率；,是把预测误差作为输入信号时量化器的信号量噪比；,差分处理增益约为611dB,ADPCM是为了改善 DPCM 的性能，而将自适应技术引入到量化 和预测过程。其主要特点： 用自适应
16、量化取代固定量化。自适应量化 指量化台阶随信号的变化而变化 ，使量化误差减小。 用自适应预测取代固定预测。自适应预测 指预测系数可随信号的统计特性而自适应调整 ，提高预测信号的精度 。通过这二点改进 ，可大大提高输出信噪比和 编码动态范围 。,自适应差分脉码调制（ADPCM ，Adaptive DPCM),ADPCM 能以32 kb/s的比特率达到 64 kb/s 的 PCM 数字电话质量。极大地节省了传输带宽，使经济性和有效性显著提高。,增量调制(M&DM),10.7, 一种最简单的 DPCM,10.7.1 增量调制(M) 原理,引言,即对预测误差进行1位编码,量化电平数取 2,增量调制原理
17、框图,74,增量调制波形图,如何选择 和 fs,（2）过载量化噪声,（1）一般量化噪声,10.7.2 增量调制系统中的量化噪声,很大,译码器的最大跟踪斜率：,不过载条件：,fs 选大：对减小过载噪声和一般量化噪声都有利。因此，对于语音信号而言， M 的抽样频率在几十千赫 百余千赫。, 选大 ： 有利于减小过载噪声 ，但一般量化噪声增大。原因：简单 M 的量化台阶是固定的，难以使两者都不超过要求。解决：采用自适应 M，使量化台阶随信号的变化而变化。,为了避免过载 和 增大编码范围，应合理选择 和 fs ！,时，编码1010101010,时，编码1010101010,= /2,起始编码电平 Ami
18、n,编码范围：,最大编码电平（临界过载振幅）为：,其斜率,若不过载，应要求：,可见，当跟踪斜率一定时，允许的信号幅度随信号频率k的增加而减小，这将导致语音高频段的信号量噪比下降。,即,设,最大编码电平 Amax,信号最大功率：,由Amax可得,信号量噪比,假定不过载，基本量化噪声为：,量化噪声功率：,e(t) = m (t) - m(t),e(t),e(t) 是低通滤波前的量化噪声，,m (t) 是译码积分器输出波形；,变化区间为(-, +) 。,则基本量化噪声通过截止频率为fm 的低通滤波器后，其功率为：,可见，此量化噪声功率 Nq 只与量化台阶 及 fm / fs 有关，而 与输入信号大小
19、无关。,可见，最大信号量噪比与抽样频率fs 的3次方成正比，而与信号频率fk 的平方成反比。因此，提高fs 能显著增大M 的量噪比。,时分复用 (TDM),10.8, Time Division Multiplexing,（a ) 时分多路复用原理,10.8.1 基本概念,实际电路中，用抽样脉冲取代,（b）信号m1(t) 的采样,（c）信号m2(t) 的采样,（d）旋转开关采样到的信号,TDM的主要优点：,对于时分复用数字电话通信系统，ITU制定了两种准同步数字 体系（PDH）的建议:,10.8.2 准同步数字体系,以上两种体系的层次、路数和比特率 如表所示：,E 体系结构图：,偶帧 TS0,奇帧 TS0,PCM一次群的帧结构：,随路信令 :,每路PCM语音信号的抽样频率：,采样周期：,fs = 8000 Hz,- 帧时间,一帧共含 比特,， PCM一次群的比特率：,Ts = 125 s,比 特 率,后面几节以后补上着急做其他章节,配套辅导教材：,曹丽娜 樊昌信,编著,国防工业出版社,整理知识 归纳结论 梳理关系 引导主线 剖析难点 解惑疑点 强化重点 点击考点,谢谢！,后面几节以后补上着急做其他章节,
