第5章模擬信號數(shù)字化與編碼技術(shù)技術(shù)解讀5.1脈沖編碼調(diào)制（PCM）5.2抽樣信號的量化5.3PCM編碼與解碼5.4語音壓縮編碼技術(shù)5.5復(fù)用技術(shù)5.5差錯控制編碼技術(shù)

5.1.1脈沖編碼調(diào)制概念脈沖編碼調(diào)制PCM(PulseCodeModulation)是實(shí)現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的最常用的一種方法。它的任務(wù)是把時間連續(xù)、取值連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成為時間離散、取值離散的數(shù)字信號。這一數(shù)字化過程一般包含抽樣、量化和編碼三個步驟。PCM通信系統(tǒng)原理框圖如圖所示。5.1脈沖編碼調(diào)制（PCM）5.1.2抽樣抽樣是把時間連續(xù)的模擬信號變成時間離散信號的一種過程，它的任務(wù)是每隔一定的時間間隔抽取模擬信號的一個瞬時取值，稱之為樣值。如圖所示。5.1脈沖編碼調(diào)制（PCM）5.1.3奈奎斯特抽樣定理下面以抽樣過程時域和頻域?qū)φ盏闹庇^圖形來理解該抽樣定理，如圖所示。5.1脈沖編碼調(diào)制（PCM）5.1.4脈沖調(diào)制技術(shù)仿真實(shí)訓(xùn)

[仿真5-1]抽樣電路的仿真測量

5.1脈沖編碼調(diào)制（PCM）5.2.1量化過程量化就是將幅度連續(xù)變化的樣值序列信號按一定規(guī)則離散化，變換成幅度離散的樣值序列信號的過程，即用有限個幅值近似代替無窮多個取值的過程。如圖所示?！瘛盘柍闃又?；○—信號量化值5.2抽樣信號的量化5.2.2量化誤差量化后的抽樣信號與量化前的抽樣信號相比較，當(dāng)然有所失真，且不再是模擬信號。這種量化失真在接收端還原模擬信號時表現(xiàn)為噪聲，并稱為量化噪聲。如圖所示，量化噪聲又稱為量化誤差?！瘛盘柍闃又?；○—信號量化值5.2抽樣信號的量化5.2.3均勻量化與非均勻量化1.均勻量化均勻量化是指量化區(qū)內(nèi)的量化間隔是均勻劃分的。均勻量化輸出與輸入之間的特性是一個均勻的階梯關(guān)系，以“四舍五入法”為例，如圖（a）所示。量化誤差的特性如圖（b）所示5.2抽樣信號的量化2.非均勻量化非均勻量化是量化間隔按某一特定規(guī)律隨輸入信號樣值大小變化的一種量化方式。其基本思想就是減小小信號的量化間隔，增大大信號的量化間隔。以犧牲大信號的信噪比為代價，來提高小信號的信噪比，從而保證通信質(zhì)量。（1）非均勻量化的實(shí)現(xiàn)（2）A律13折線壓縮特性（3）μ律15折線壓縮特性（4）A律13折線壓縮特性量化區(qū)間的劃分5.2抽樣信號的量化編碼就是將量化后的PAM信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的二進(jìn)制代碼的過程。它是脈沖編碼調(diào)制過程的最后一個環(huán)節(jié)。編碼后得到的二進(jìn)制碼組信號就是PCM信號。編碼有多種方式：按編碼性質(zhì)來分有線性和非線性之分；從結(jié)構(gòu)上來分有逐次反饋型、級聯(lián)型、混合型之分；從編碼器所處位置來分有單路編碼和群路編碼之分。編碼需要解決四個方面的問題：一是選擇編碼碼型；二是碼位安排；三是編碼原理；四是實(shí)現(xiàn)電路。5.3PCM編碼與解碼5.3.1編碼碼型碼型是指按一定規(guī)律所編出的所有碼字的集合，而碼字是由多位二進(jìn)制碼構(gòu)成的組合。碼型的實(shí)質(zhì)就是編碼時的規(guī)律性。語音信號編碼所用碼型，常采用自然二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼兩種。編碼的實(shí)質(zhì)就是在碼組與量化值之間建立起一一對應(yīng)的關(guān)系。無論是自然碼還是折疊碼，碼組中符號的位數(shù)都直接和量化值數(shù)目有關(guān)。量化間隔越多，量化值越多，則碼組中符號的位數(shù)也隨之增多。同時，信號量噪比也越大。當(dāng)然，位數(shù)增多后，會使信號的傳輸量和存儲量增大，編碼器也將變復(fù)雜。碼位數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際通信系統(tǒng)對通信質(zhì)量的要求來選取。5.3PCM編碼與解碼5.3.1編碼碼型5.3PCM編碼與解碼5.3.2PCM編碼量化后的抽樣信號在一定的取值范圍內(nèi)僅有有限個可取的樣值，且信號正、負(fù)幅度分布的對稱性使正、負(fù)樣值的個數(shù)相等，正、負(fù)向的量化級對稱分布。若將有限個量化樣值的絕對值從小到大依次排列，并對應(yīng)地依次賦予一個十進(jìn)制數(shù)字代碼（例如，賦予樣值0的十進(jìn)制數(shù)字代碼為0），在碼前以“+”、“－”號為前綴，來區(qū)分樣值的正、負(fù)，則量化后的抽樣信號就轉(zhuǎn)化為按抽樣時序排列的一串十進(jìn)制數(shù)字碼流，即十進(jìn)制數(shù)字信號。

簡單高效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)是二進(jìn)制碼系統(tǒng)，因此，應(yīng)將十進(jìn)制數(shù)字代碼變換成二進(jìn)制編碼。根據(jù)十進(jìn)制數(shù)字代碼的總個數(shù)，可以確定所需二進(jìn)制編碼的位數(shù)，即字長。這種把量化的抽樣信號變換成給定字長的二進(jìn)制碼流的過程稱為編碼。5.3PCM編碼與解碼5.3.2PCM編碼以上節(jié)中的圖5-6中完成的量化過程為例，從概念上講，m(t)已經(jīng)變成數(shù)字信號，但還不是實(shí)際應(yīng)用中的二進(jìn)制數(shù)字信號。因此，對m(t)用字長為3的二進(jìn)制碼元進(jìn)行自然編碼就得到下圖5-8的數(shù)字信號d(t)，從而完成A/D轉(zhuǎn)換，以最終實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制。5.3PCM編碼與解碼5.3.2PCM編碼脈沖編碼調(diào)制模型：5.3PCM編碼與解碼5.3.3PCM信號的碼元速率和帶寬

5.3PCM編碼與解碼5.3.4PCM量化編碼技術(shù)仿真實(shí)訓(xùn)

[仿真5-2]簡單PCM量化編碼電路的仿真測量5.3PCM編碼與解碼5.4語音壓縮編碼技術(shù)5.4.1音頻與語音自然界的聲音是模擬信號，經(jīng)過數(shù)字化處理后的聲頻信號必須還原為模擬信號，才最終轉(zhuǎn)換成聲音。

其中，數(shù)字化處理過程包括采樣﹑量化和編碼，這一過程的處理直接影響到所恢復(fù)出來的信號的質(zhì)量，是否能與原始的波形保持一致，是語音和音頻數(shù)字化的基礎(chǔ)，也是人們可以利用心理聲學(xué)模型不影響聽音效果的基礎(chǔ)。

數(shù)字技術(shù)使處理信息的能力大大提高，音頻記錄﹑信號處理和硬件設(shè)計的水平隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展而提高，有利于計算機(jī)的處理，更有利于向多媒體方向發(fā)展。根據(jù)聲音頻帶，聲音質(zhì)量分5個等級，依次為：電話、調(diào)幅廣播、調(diào)頻廣播、光盤、數(shù)字錄音帶DAT(digitalaudiotape)的聲音。5.4語音壓縮編碼技術(shù)5.4.2語音壓縮編碼器的種類

1．波形編碼基本原理是在時間軸上對模擬話音信號按照一定的速率來抽樣，然后將幅度樣本分層量化，并使用代碼來表示。在接收端將收到的數(shù)字序列經(jīng)過解碼恢復(fù)到原模擬信號，保持原始語音的波形形狀。話音質(zhì)量高，編碼速率高。

如PCM編碼類（a率或μ率PCM、ADPCM、ADM)，編碼速率為64－16kb/s，語音質(zhì)量好。5.4語音壓縮編碼技術(shù)5.4.2語音壓縮編碼器的種類

2.參數(shù)編碼根據(jù)語音信號產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型，通過對語音信號特征參數(shù)的提取后進(jìn)行編碼（將特征參數(shù)變換成數(shù)字代碼進(jìn)行傳輸）。在接收端將特征參數(shù)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，恢復(fù)語音，力圖使重建語音保持盡可能高的可懂度，重建語音信號的波形同原始語音信號的波形可能會有相當(dāng)大的區(qū)別。如線性預(yù)測（LPC）編碼類。編碼速率低，2.4-1.2kb/s，自然度低，對環(huán)境噪聲敏感。5.4語音壓縮編碼技術(shù)5.4.2語音壓縮編碼器的種類

3.混合編碼將波形編碼與參數(shù)編碼相結(jié)合，在2.4-1.2kb/s速率上能夠得到高質(zhì)量的合成語音。規(guī)則碼激勵長時預(yù)測編碼RPE—LPT即為混合編碼技術(shù)?；旌暇幋a包括若干語音特征參量又包括部分波形編碼信息，以達(dá)到波形編碼的高質(zhì)量和參量編碼的低速率的優(yōu)點(diǎn)。一般來說，波形編碼器的話音質(zhì)量高，但數(shù)據(jù)率也很高。音源編碼器的數(shù)據(jù)率很低，產(chǎn)生的合成話音音質(zhì)有待提高。混合編碼器使用音源編碼器和波形編碼器技術(shù)，數(shù)據(jù)率和音質(zhì)介于二者之間。5.4語音壓縮編碼技術(shù)5.4.3語音壓縮編碼技術(shù)的種類語音編碼的三種最常用的技術(shù)是脈沖編碼調(diào)制（PCM）、差分PCM（DPCM）和增量調(diào)制（DM）。通常，公共交換電話網(wǎng)中的數(shù)字電話都采用這三種技術(shù)。

第二類語音數(shù)字化方法主要與用于窄帶傳輸系統(tǒng)或有限容量的數(shù)字設(shè)備的語音編碼器有關(guān)。采用該數(shù)字化技術(shù)的設(shè)備一般被稱為聲碼器，聲碼器技術(shù)現(xiàn)在開始展開應(yīng)用，特別是用于幀中繼和IP上的語音。在具體的編碼實(shí)現(xiàn)（如VoIP）中除壓縮編碼技術(shù)外，人們還應(yīng)用許多其它節(jié)省帶寬的技術(shù)來減少語音所占帶寬，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源。如靜音抑制技術(shù)可將連接中的靜音數(shù)據(jù)消除等。5.5差錯控制編碼技術(shù)

5.5.1信道編碼的基本概念設(shè)計通信系統(tǒng)的目的就是把信源產(chǎn)生的信息有效可靠地傳送到目的地。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了提高數(shù)字信號傳輸?shù)挠行远扇〉木幋a稱為信源編碼；為了提高數(shù)字通信的可靠性而采取的編碼稱為信道編碼。

信源編碼的問題前面已經(jīng)作了較為全面的討論，這里主要討論信道編碼。信道編碼亦稱為可靠性編碼或差錯控制編碼5.5差錯控制編碼技術(shù)

5.5.1信道編碼的基本概念在實(shí)際信道傳輸數(shù)字信號的過程中，引起傳輸差錯的根本原因在于信道內(nèi)存在的噪聲以及信道傳輸特性不理想所造成的碼間串?dāng)_。

采用一些模擬技術(shù)可以將傳輸差錯減小到一定程度，但有限。

要進(jìn)一步提高數(shù)字傳輸系統(tǒng)的可靠性，就需要采用差錯控制編碼，對可能或已經(jīng)出現(xiàn)的差錯進(jìn)行控制。差錯控制編碼是在信息序列上附加上一些監(jiān)督碼元，利用這些冗余的碼元，使原來不規(guī)律的或規(guī)律性不強(qiáng)的原始數(shù)字信號變?yōu)橛幸?guī)律的數(shù)字信號；差錯控制譯碼則利用這些規(guī)律性來鑒別傳輸過程是否發(fā)生錯誤，或進(jìn)而糾正錯誤。5.5差錯控制編碼技術(shù)

5.5.2糾錯編碼的分類（１）按照信道編碼的不同功能，可以將它分為檢錯碼和糾錯碼。（２）按照信息碼元和監(jiān)督碼元之間的檢驗(yàn)關(guān)系，可以將它分為線性和非線性碼。（３）按照信息碼元和監(jiān)督碼元之間的約束方式不同，可以將它分為分組碼和卷積碼。（４）按照信息碼元在編碼后是否保持原來的形式，可以將它分為系統(tǒng)碼和非系統(tǒng)碼。（５）按照糾正錯誤的類型不同，可以將它分為糾正隨機(jī)錯誤碼和糾正突發(fā)錯誤碼兩種。（６）按照信道編碼所采用的數(shù)學(xué)方法不同，可以將它分為代數(shù)碼、幾何碼和算術(shù)碼。5.5差錯控制編碼技術(shù)

5.5.3差錯控制方式目前常見的差錯控制方式主要有：前向糾錯（FEC）、檢錯重發(fā)（ARQ）、混合糾錯（HEC）等。幾種差錯控制方式的原理如圖5.5.1所示。5.5差錯控制編碼技術(shù)

5.5.4差錯控制編碼原理差錯控制編碼就是在信息碼序列中加入冗余碼（即監(jiān)督碼元），接收端利用監(jiān)督碼與信息碼之間的某種特殊關(guān)系加以校驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)檢錯和糾錯功能。05.5差錯控制編碼技術(shù)

5.5.5碼長、碼重、碼距和編碼效率碼組又稱碼字或碼矢。碼組中編碼的總位數(shù)稱為碼組的長度，簡稱為碼長。如，碼組“11001”的碼長為5，碼組“110001”的碼長為6。碼組中非“0”元的數(shù)目（即“1”碼元的個數(shù)）稱為碼組的重量，簡稱碼重。常用表示。如，碼組“11001”的碼重為，碼組“110001”的碼重也為。它反映一個碼組中“0”和“1”的“比重”。所謂碼元距離就是兩個等長碼組之間對應(yīng)碼位上碼元不同的個數(shù)，簡稱碼距（也稱漢明距）。碼距反映的是碼組之間的差異程度，比如，00和01兩組碼的碼距為1；011和100的碼距為3。那么，多個碼組之間相互比較，可能會有不同的碼距，其中的最小值被稱為最小碼距（用d0表示）。5.5差錯控制編碼技術(shù)

5.5.6分組碼的結(jié)構(gòu)圖編碼效率通常，在差錯控制編碼中，監(jiān)督位越多,碼字的抗干擾能力就越強(qiáng)，但編碼效率就越低。若碼字中信息位數(shù)為k，監(jiān)督位數(shù)為r，碼長n=k+r，則編碼效率可以用下式表示5.5.7抗干擾能力與最小碼距的關(guān)系①如果要檢測e個錯誤，則要求

dmin≥e+1②如果要糾正t個錯誤，則要求

dmin≥2t+1③若碼字用于糾正t個錯誤，同時檢測e個錯誤，則要求

dmin≥t+e+1（e＞t）5.5差錯控制編碼技術(shù)5.5.8常用的簡單的檢、糾錯編碼1.奇偶監(jiān)督碼奇偶監(jiān)督碼是奇監(jiān)督碼和偶監(jiān)督碼的統(tǒng)稱，是一種最基本的檢錯碼。序號碼字

序號碼字信息碼元a4a3a2a1監(jiān)督字a0信息碼元a4a3a2a1監(jiān)督字a0000000

810001100011

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