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Section 1低通滤波器编码器量化器取样器 模拟信号再生中继器再生中继器信宿恢复滤波器解码器再生电路 （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3003400Hz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 （1-1） 其中，是归一化的压缩器的输入和输出电压，u是一个正常数。将对求导取常数，可得 （1-2）从式（1-1）可知，若远远小于1，即输入小信号时，u律近似与直线；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 (1-3) 式（1-3）对取导数，得 （1-4） 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，当很小时，与有线性关系；当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 及A=87.6 表1-1 各大段的斜率 大段号123 4 56 7 8 （图1.6）13折线A律压缩曲线(3)编码 从理论上看，任何一个可逆的二进制码组均可用于PCM。目前最常见的二进制码组有三类：二进制自然码（NBC）、折叠二进制码组（FBC）、格雷二进制码（RBC）。表1-2列出三种码的编码规律。由表1-2可见，如果把16个量化级分成两部分：07的8个量化级对于于负极性样值，815的8个量化级对应于正极性样值。在折叠码中，左边第一位表示正负号（信号极性），第二位开始至最后一位表示信号幅度。第一位用1表示正，用0表示负。绝对值相同的折叠码，其码组除第一位外都相同，并且相对于零电平（第7电平和第8电平之间）呈对称折叠关系，因此这种码组形象地称为折叠码。格雷码的特点是任何相邻电平的码组，只有一位码发生变化。 表3-1 二进制码型电平序号自然二进制码折叠二进制码格雷码012345670 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 10 1 1 10 1 1 00 1 0 10 1 0 00 0 1 10 0 1 00 0 0 10 0 0 00 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 00 1 1 00 1 1 10 1 0 10 1 0 0891011121314151 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 11 1 1 01 0 1 01 0 1 11 0 0 11 0 0 0 在信道传输中有误码时，各种码组在解码时产生的后果是不同的。如果第一位码发生变化，自然码解码后，引起的幅度误差是信号最大幅度的一半，这样会使恢复出的模拟电话信号出现明显的误码噪声，在小信号时这种噪声尤为突出。而折叠码在传输中出现误码时，对小信号的影响要小得多，对大信号的影响较大。 Section 2PCM即脉冲编码调制，在通信系统中完成将语音信号数字化功能。PCM的实现主要包括三个步骤完成：抽样、量化、编码。分别完成时间上离散、幅度上离散、及量化信号的二进制表示。根据CCITT的建议，为改善小信号量化性能，采用压扩非均匀量化，有两种建议方式，分别为A律和律方式，我国采用了A律方式，由于A律压缩实现复杂，常使用 13 折线法编码,采用非均匀量化PCM编码示意图见图1。话音输入低通滤波瞬时压缩抽 样量 化编 码低通滤波瞬时扩张解 调解 码信道再 生话音输出图1 PCM原理框图下面将介绍PCM编码中抽样、量化及编码的原理：(a) 抽样所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。(b) 量化从数学上来看，量化就是把一个连续幅度值的无限数集合映射成一个离散幅度值的有限数集合。如图2所示，量化器Q输出L个量化值，k=1，2，3，L。常称为重建电平或量化电平。当量化器输入信号幅度落在与之间时，量化器输出电平为。这个量化过程可以表达为： 模拟入量化器量化值这里称为分层电平或判决阈值。通常称为量化间隔。图2 模拟信号的量化模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。由于均匀量化存在的主要缺点是：无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。它与均匀量化相比，有两个突出的优点。首先，当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比；其次，非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是压缩律和A压缩律。美国采用压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律，因此，PCM编码方式采用的也是A压缩律。所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律：未压缩（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8） 0A律压扩特性是连续曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。图3示出了这种压扩特性。图3 13折线表1列出了13折线时的值与计算值的比较。表 10101按折线分段时的01段落12345678斜率16168421表1中第二行的值是根据时计算得到的，第三行的值是13折线分段时的值。可见，13折线各段落的分界点与曲线十分逼近，同时按2的幂次分割有利于数字化。(c) 编码所谓编码就是把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。当然，这里的编码和译码与差错控制编码和译码是完全不同的，前者是属于信源编码的范畴。在现有的编码方法中，若按编码的速度来分，大致可分为两大类：低速编码和高速编码。通信中一般都采用第二类。编码器的种类大体上可以归结为三类：逐次比较型、折叠级联型、混合型。在逐次比较型编码方式中，无论采用几位码，一般均按极性码、段落码、段内码的顺序排列。下面结合13折线的量化来加以说明。表2 段落码 表3 段内码段落序号段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000在13折线法中，无论输入信号是正是负，均按8段折线（8个段落）进行编码。若用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样量化值，其中用第一位表示量化值的极性，其余七位（第二位至第八位）则表示抽样量化值的绝对大小。具体的做法是：用第二至第四位表示段落码，它的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平。其它四位表示段内码，它的16种可能状态来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级。这样处理的结果，8个段落被划分成27128个量化级。段落码和8个段落之间的关系如表2所示；段内码与16个量化级之间的关系见表3。 Section 3 数字程控调度机PCM脉码调制就是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号后在信道中传输。脉码调制就是对模拟信号先抽样，再对样值幅度量化、编码的过程。 所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。 所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。 一个模拟信号经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。 所谓编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。 由此可见，数