第四章 信源编码

1、第四章第四章 信源编码信源编码 第四章第四章 信源编码信源编码本章重点本章重点 抽样定理抽样定理 非均匀量化非均匀量化 二进制二进制PCMPCM编码编码 增量调制增量调制 第四章第四章 信源编码信源编码第四章第四章 信源编码信源编码 4.1 4.1 引言引言 4.2 4.2 抽样定理抽样定理 4.3 4.3 量化量化 4.4 4.4 脉冲编码调制脉冲编码调制 4.5 4.5 增量调制增量调制 4.6 4.6 差分脉冲编码调制系统差分脉冲编码调制系统 第四章第四章 信源编码信源编码 4.1 4.1 引言引言 要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤：

2、个步骤：（1 1） 把模拟信号数字化，把模拟信号数字化， 即模数转换（即模数转换（A/DA/D）；）；（2 2） 进行数字方式传输；进行数字方式传输；（3 3）把数字信号还原为模拟信号，即数模转换）把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/AD/A）。）。 第四章第四章 信源编码信源编码 模拟信号数字化的方法大致可划分为模拟信号数字化的方法大致可划分为参量编码参量编码和和波形编码波形编码两类。两类。 参量编码是利用信号处理技术，提取语音信号参量编码是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参量，的特征参量， 再变换成数字代码，其比特率在再变换成数字代码，其比特率在16 16 kb/skb/s以下，

3、但接收端重建以下，但接收端重建( (恢复恢复) )信号的质量不够好。信号的质量不够好。 第四章第四章 信源编码信源编码 波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在列，比特率通常在16 kb/s64 kb/s16 kb/s64 kb/s范围内，接收端重范围内，接收端重建信号的质量好，编码也相对简单，缺点是编码信号建信号的质量好，编码也相对简单，缺点是编码信号带宽比较宽。带宽比较宽。 目前用的最普遍的波形编码方法有目前用的最普遍的波形编码方法有脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)(PCM)和和增量调制增量调制（MM）。）。 第四章第四章 信源编码

4、信源编码 首先对模拟信号进行首先对模拟信号进行抽样抽样，得到一系列离散的，得到一系列离散的抽样值，然后将这些抽样值进行抽样值，然后将这些抽样值进行量化量化并并编码编码，变换，变换成数字信号送入信道传输。在接收端，将接收到的成数字信号送入信道传输。在接收端，将接收到的数字信号进行译码和低通滤波，恢复原模拟信号。数字信号进行译码和低通滤波，恢复原模拟信号。脉冲编码调制系统脉冲编码调制系统 第四章第四章 信源编码信源编码 本章在介绍抽样定理和脉冲幅度调制的基础本章在介绍抽样定理和脉冲幅度调制的基础上，上， 重点讨论模拟信号数字化的两种方式，即重点讨论模拟信号数字化的两种方式，即PCMPCM和和MM的

5、原理及性能，并简要介绍它们的改进型：差的原理及性能，并简要介绍它们的改进型：差分脉冲编码调制分脉冲编码调制(DPCM) (DPCM) 。 第四章第四章 信源编码信源编码 抽样抽样是指对模拟信号在时间域上的离散化过程，是指对模拟信号在时间域上的离散化过程，把一个时间上连续、幅度也连续的模拟信号变换成时把一个时间上连续、幅度也连续的模拟信号变换成时间上离散、幅度连续的信号。间上离散、幅度连续的信号。4.2 4.2 抽样定理抽样定理m ms s( (t t) )m m( (t t) )s s( (t t) ) 第四章第四章 信源编码信源编码 抽样定理抽样定理：一个频带限制在（：一个频带限制在（0 0

6、， ）内的）内的模拟信号模拟信号 ，如果采用频率为，如果采用频率为 的冲激脉的冲激脉冲进行抽样，则可以通过滤波器将样值序列冲进行抽样，则可以通过滤波器将样值序列 无无失真地重建为原始信号失真地重建为原始信号 。 该定理同时告诉我们：若抽样频率该定理同时告诉我们：若抽样频率 ，则会产生失真。则会产生失真。 Hf)(tmHsff2)(tms)(tmHsff2 低通抽样定理低通抽样定理 第四章第四章 信源编码信源编码 第四章第四章 信源编码信源编码)()(sTnTtt)()(sTn)()()()()(ssTsnTtnTmttmtmnsTsnMTMM)(1)(*)(21)( 抽样后信号的频谱抽样后信号

7、的频谱 由无限多个间隔为由无限多个间隔为 的的 相叠加而成，这意味着抽样后的信号相叠加而成，这意味着抽样后的信号 包含了信号包含了信号 的全部信息。的全部信息。)(sM)(M)(tms)(tms 第四章第四章 信源编码信源编码 如果如果 ，即抽样间隔，即抽样间隔 ，则不可，则不可能无失真地重建原信号，必须要求满足能无失真地重建原信号，必须要求满足 。显然显然 是最大允许抽样间隔，称为是最大允许抽样间隔，称为奈奎斯特奈奎斯特间隔间隔，最低抽样速率，最低抽样速率 称为称为奈奎斯特速率奈奎斯特速率。 Hs2HsfT2/1HsfT2/1HsfT21Hsff2 第四章第四章 信源编码信源编码某信号表达式

8、为某信号表达式为 ，对它，对它进进行均匀抽样，求信号带宽、奈奎斯特速率和奈奎斯特间行均匀抽样，求信号带宽、奈奎斯特速率和奈奎斯特间隔。隔。)1200cos().800cos(4)(tttx 第四章第四章 信源编码信源编码带通抽样定理带通抽样定理带通均匀抽样定理带通均匀抽样定理：一个带通信号：一个带通信号m(t)m(t)，其频率限，其频率限制在制在f fL L与与f fH H之间，带宽为之间，带宽为B=fB=fH H-f -fL L，如果最小抽样速，如果最小抽样速率率f fs s=2f=2fH H/m/m（m m是一个不超过是一个不超过f fH H/B/B的最大整数）的最大整数），那么那么m(t

9、)m(t)可完全由其抽样值确定。可完全由其抽样值确定。 第四章第四章 信源编码信源编码下面分两种情况加以说明。下面分两种情况加以说明。 1 1、最高频率最高频率f fH H为带宽的整数倍为带宽的整数倍，即，即f fH H=nB=nB。此时。此时f fH H/B/B是整数，所以抽样速率是整数，所以抽样速率f fs s=2f=2fH H/m=2B/m=2B。 结论结论： 当当f fH H=nB=nB时，最小抽样频率应该为时，最小抽样频率应该为 Bfs2 第四章第四章 信源编码信源编码 f fH H=5B=5B时带通信号的抽样频谱时带通信号的抽样频谱 fH fL 3fs 2.5 fs 2fs fsO

10、fs2fsfLfH2.5fs3fsf(a) 3fs 2fs fsOfs2fs3fsfO(b)M()s() 3fs 2fs fsMs()fs2fs3fsf(c) 第四章第四章 信源编码信源编码 2 2、 若最高频率若最高频率f fH H不为带宽的整数倍不为带宽的整数倍，即，即 f fH H =nB+kB =nB+kB, 0, 0k k1 1 此时此时, f , fH H /B=n+k /B=n+k，能恢复出原信号，能恢复出原信号m(tm(t) )的最的最小抽样速率为小抽样速率为)1 (2)(22nkBnkBnBmffHs 第四章第四章 信源编码信源编码补充内容：补充内容： 脉冲幅度调制脉冲幅度调

11、制(PAM)(PAM) 脉冲调制脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用基带信号用基带信号m(t)m(t)去控制脉冲串的某参数，使其按去控制脉冲串的某参数，使其按m(tm(t) )的规律变化的调制方式。的规律变化的调制方式。 按基带信号改变脉冲参量的不同，把脉冲调制分按基带信号改变脉冲参量的不同，把脉冲调制分为为脉幅调制脉幅调制(PAM)(PAM)、脉宽调制脉宽调制(PDM)(PDM)和和脉位调制脉位调制(PPM)(PPM)。这三种信号在时间上都是离散的，但受调参量变化是这三种信号在时间上都是离散的，但受调参量变化是连续的，连续的， 因此都属于模拟信号。因

12、此都属于模拟信号。 第四章第四章 信源编码信源编码PAM、 PDM、 PPM信号波形信号波形 第四章第四章 信源编码信源编码 脉冲幅度调制脉冲幅度调制是脉冲载波的幅度随基带信号变是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。若脉冲载波是冲激脉冲序列，化的一种调制方式。若脉冲载波是冲激脉冲序列，按抽样定理进行抽样得到的信号就是一个按抽样定理进行抽样得到的信号就是一个PAMPAM信号。信号。 通常采用窄脉冲序列代替冲激脉冲序列，从而通常采用窄脉冲序列代替冲激脉冲序列，从而实现脉冲幅度调制。两种常用的脉冲幅度调制：实现脉冲幅度调制。两种常用的脉冲幅度调制：自然自然抽样抽样的脉冲调幅和的脉冲调幅和平顶

13、抽样平顶抽样的脉冲调幅。的脉冲调幅。 第四章第四章 信源编码信源编码一、一、 自然抽样自然抽样 自然抽样是指抽样后的脉冲幅度（顶部）随被自然抽样是指抽样后的脉冲幅度（顶部）随被抽样信号抽样信号 变化，或者说保持了变化，或者说保持了 的变化规律。的变化规律。 设模拟基带信号设模拟基带信号 的波形及频谱如图所示。抽的波形及频谱如图所示。抽样脉冲以样脉冲以 表示，它是宽度为表示，它是宽度为 、周期为、周期为 的窄脉的窄脉冲序列。冲序列。)(tm)(tm)(tssT)(tm 第四章第四章 信源编码信源编码 第四章第四章 信源编码信源编码二、平顶抽样二、平顶抽样 平顶抽样又称为瞬时抽样，抽样信号中的脉冲

14、平顶抽样又称为瞬时抽样，抽样信号中的脉冲为顶部平坦的矩形脉冲，矩形脉冲的幅度即为瞬时为顶部平坦的矩形脉冲，矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。抽样值。 第四章第四章 信源编码信源编码 利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为的过程称为量化量化。 模拟信号经抽样后的样值序列，模拟信号经抽样后的样值序列， 是在是在时间上离散时间上离散、幅度上连续幅度上连续的模拟信号。如果用的模拟信号。如果用N N位二进制码组来表位二进制码组来表示该样值的大小，示该样值的大小，N N位二进制码组只能同位二进制码组只能同M=2M=2N N个电平个电平样值相对应。这就

15、需要把取值连续的抽样值划分成有样值相对应。这就需要把取值连续的抽样值划分成有限的限的MM个离散电平，此电平被称为个离散电平，此电平被称为量化电平量化电平。 4.3 4.3 量化量化 第四章第四章 信源编码信源编码量化的输入和输出量化的输入和输出 第四章第四章 信源编码信源编码 第四章第四章 信源编码信源编码从上面可以看出，量化后的信号从上面可以看出，量化后的信号m mq q(t (t) )是对原来是对原来信号信号m(t)m(t)的近似。当抽样速率一定，量化电平数增的近似。当抽样速率一定，量化电平数增加并且量化电平选择适当时，可以使加并且量化电平选择适当时，可以使m mq q(t (t) )与与

16、m(t)m(t)的的近似程度提高。近似程度提高。 分析证明，分层电平数分析证明，分层电平数L1L1时，最佳量化电平时，最佳量化电平为分层电平的中点，即为分层电平的中点，即 21kkkxxy 第四章第四章 信源编码信源编码753102.225.386.741.213.770.38246Ts2.225.386.741.212571 抽样值抽样值量化值量化值0.3803.744量化误差量化误差0.220.38-0.260.210.38-0.23 第四章第四章 信源编码信源编码 量化按照量化间隔可分为均匀量化与非均匀量化按照量化间隔可分为均匀量化与非均匀量化，下面分别介绍。量化，下面分别介绍。 量化值

17、与抽样值之间的误差称为量化值与抽样值之间的误差称为量化误差量化误差，又称为量化噪声。又称为量化噪声。 第四章第四章 信源编码信源编码1. 1. 均匀量化均匀量化 把输入信号的取值域按等距离分割的量化称把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为为均匀量化均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点。若设输入信号的最化电平均取在各区间的中点。若设输入信号的最小值和最大值分别用小值和最大值分别用a a和和b b表示表示, , 量化电平数为量化电平数为MM，则均匀量化时的量化间隔为：则均匀量化时的量化间隔为：Mabi 第四章第四章 信源编码信源编码Mi

18、mmqii,.,2 , 1,211分层电平分层电平量化电平量化电平 第四章第四章 信源编码信源编码 量化器的输入与输出可用图示的量化特性来表示。量化器的输入与输出可用图示的量化特性来表示。当输入当输入m m在量化区间在量化区间m mi-1i-1mmmmi i变化时，量化电平变化时，量化电平q qi i是该区间的中点值，而相应的量化误差是该区间的中点值，而相应的量化误差e eq q与输入信号与输入信号幅度幅度m m之间的关系曲线如图之间的关系曲线如图 所示。所示。 量化范围（量化区）内，量化误差的绝对值量化范围（量化区）内，量化误差的绝对值|e|eq q|/2|/2； 当信号幅度超出量化范围，量

19、化值当信号幅度超出量化范围，量化值m mq q保保持不变，持不变， |e|eq q| |/2/2，此时称为过载或饱和。，此时称为过载或饱和。 第四章第四章 信源编码信源编码均匀量化特性均匀量化特性mq-vqm量化区过载区0过载区 第四章第四章 信源编码信源编码 在信号不过载的情况下，其量化噪声功率为：在信号不过载的情况下，其量化噪声功率为：噪声功率大小与量化间隔噪声功率大小与量化间隔 有关。有关。 若采用若采用n n位二进制编码，则位二进制编码，则 ，所以有，所以有LV /2122qN222)2.(3)2(121nqVLVN 第四章第四章 信源编码信源编码 均匀量化器广泛应用于线性均匀量化器广

20、泛应用于线性A/DA/D变换接口、遥控变换接口、遥控系统、仪表、图像信号等数字化接口中。但不适用于系统、仪表、图像信号等数字化接口中。但不适用于语音信号数字化通信中，因为语音信号数字化通信中，因为量化信噪比随信号电平量化信噪比随信号电平的减小而下降，的减小而下降，这样小信号时的量化信噪比就难以达这样小信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。为了克服均匀量化的缺点，实际中往到给定的要求。为了克服均匀量化的缺点，实际中往往采用非均匀量化。往采用非均匀量化。 第四章第四章 信源编码信源编码2. 2. 非均匀量化非均匀量化 非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔

21、不相等的量化，可用以改善量化性能。隔不相等的量化，可用以改善量化性能。 实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号信号x x先进行压缩处理，再把压缩的信号先进行压缩处理，再把压缩的信号y y进行均匀进行均匀量化。所谓压缩器就是一个非线性变换电路，微弱量化。所谓压缩器就是一个非线性变换电路，微弱的信号被放大，强的信号被压缩。压缩器的入出关的信号被放大，强的信号被压缩。压缩器的入出关系表示为系表示为 。( )yf x= 第四章第四章 信源编码信源编码非均匀量化的模拟压扩法非均匀量化的模拟压扩法 第四章第四章 信源编码信源编码接收端采用一个与压缩特性相反的扩

22、张器来恢复接收端采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复x x 。下图为压缩与扩张的示意图。下图为压缩与扩张的示意图。 压缩与扩张的示意图压缩与扩张的示意图 第四章第四章 信源编码信源编码 A A律压扩特性律压扩特性 AxAAx10 ,ln111,ln1ln1xAAAxY = A A为压扩参数，为压扩参数， A=1A=1时无压缩，时无压缩， A A值越大压缩值越大压缩效果越明显。国际上都取效果越明显。国际上都取A=87.6A=87.6。 压缩器大多采用对数式压缩，即压缩器大多采用对数式压缩，即y=lnxy=lnx。广泛。广泛采用的是采用的是 律压扩和律压扩和A A律压扩。美国采用律压扩。美国采用

23、律压扩，律压扩，我国和欧洲各国均采用我国和欧洲各国均采用A A律压扩。律压扩。 第四章第四章 信源编码信源编码 A A律律 第四章第四章 信源编码信源编码 在实际中常采用在实际中常采用A A律律1313折线来近似折线来近似A A律压缩特性。律压缩特性。A A律律1313折线的产生是从不均匀量化的基点出发，设折线的产生是从不均匀量化的基点出发，设法用法用1313段折线逼近段折线逼近A=87.6A=87.6的的A A律压缩特性。律压缩特性。 在在A A律特性分析中取律特性分析中取A=87.6A=87.6有两个目的：有两个目的： 一是一是使特性曲线原点附近的斜率凑成使特性曲线原点附近的斜率凑成161

24、6，二是使，二是使1313折线折线逼近时，逼近时， x x的八个段落量化分界点近似于按的八个段落量化分界点近似于按2 2的幂次的幂次递减分割，有利于数字化。递减分割，有利于数字化。 第四章第四章 信源编码信源编码 对对x x轴在轴在0101范围内不均匀分成范围内不均匀分成8 8段，每次以二分段，每次以二分之一对分，第一次在之一对分，第一次在0 0到到1 1之间的之间的1/21/2处对分，第二处对分，第二次在次在0 0到到1/21/2之间的之间的1/41/4处对分，其余类推。对处对分，其余类推。对y y轴均轴均匀分成匀分成8 8段，每段间隔均为段，每段间隔均为1/81/8。然后把。然后把x x，

25、y y各对应各对应段的交点连接起来构成段的交点连接起来构成8 8段直线，得到折线压扩特段直线，得到折线压扩特性。其中第性。其中第1 1、2 2段斜率相同段斜率相同( (均为均为16)16)，因此可视为，因此可视为一条直线段，故实际上只有一条直线段，故实际上只有7 7根斜率不同的折线。根斜率不同的折线。 第四章第四章 信源编码信源编码A A律律1313折线折线 第四章第四章 信源编码信源编码表表4-2 A=87.64-2 A=87.6与与 13 13 折线压缩特性的比较折线压缩特性的比较y y0 01 1x x0 01 1按按折折线线分分段段时时的的x x0 01 1段段落落 1 1 2 2 3

26、 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8斜斜率率161616168 84 42 21 121418182838485868712816 .6016 .3014 .15179. 7193. 3198. 111281641321161814121 第四章第四章 信源编码信源编码 模拟信号需要经过模拟信号需要经过抽样抽样、量化量化和和编码编码，将模拟将模拟信号变换成代码才能在信道上传输。信号变换成代码才能在信道上传输。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM） 把模拟信号经过抽样、量化，直到变换成二进把模拟信号经过抽样、量化，直到变换成二进制代码的基本过程称为脉冲编码调制（制代码的基本过程称为脉

27、冲编码调制（Pulse Code Pulse Code Modulation)Modulation)。 4.4 4.4 脉冲脉冲编码调编码调制（制（PCMPCM） 第四章第四章 信源编码信源编码脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM） 首先，在发送端进行抽样、量化和编码，把模首先，在发送端进行抽样、量化和编码，把模拟信号变换为二进制码组，然后送入数字信道传拟信号变换为二进制码组，然后送入数字信道传输。在接收端，二进制码组经译码后还原为量化后输。在接收端，二进制码组经译码后还原为量化后的样值脉冲序列，然后经低通滤波器滤除高频分的样值脉冲序列，然后经低通滤波器滤除高频分量，便可得到重建信号量，便

28、可得到重建信号 。)(tm 第四章第四章 信源编码信源编码 PCM PCM系统原理框图系统原理框图 第四章第四章 信源编码信源编码 抽样抽样是按抽样定理把时间上连续的模拟信号转是按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的抽样信号；换成时间上离散的抽样信号； 量化量化是把幅度上仍连续的抽样信号进行幅度离是把幅度上仍连续的抽样信号进行幅度离散，即指定散，即指定MM个规定的电平，把抽样值用最接近的个规定的电平，把抽样值用最接近的电平表示；电平表示； 编码编码是用二进制码组表示量化后的样值脉冲。是用二进制码组表示量化后的样值脉冲。 综上所述，综上所述，PCMPCM信号的形成是模拟信号经过信号的

29、形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码抽样、量化、编码”三个步骤实现的。三个步骤实现的。 第四章第四章 信源编码信源编码PCMPCM通信系统原理图通信系统原理图抽样抽样量化量化编码编码信道信道译码译码低通低通滤波滤波干扰干扰m(t)m(t)m ms s(t)(t)A/DA/D变换变换m msqsq(t(t) )m msqsq(t(t) ) m(t m(t) ) 从上面的从上面的PCMPCM通信系统原理图可以看出，从模拟通信系统原理图可以看出，从模拟信号的抽样量化值到代码的变化是由编码器实现的。信号的抽样量化值到代码的变化是由编码器实现的。PCMPCM信号信号（数字信号）（数字信号） 第四章第四章

30、 信源编码信源编码逐次反馈折叠编码原理逐次反馈折叠编码原理 PCMPCM编码共编码共8 8位，除第位，除第1 1位极性码外，其他位极性码外，其他7 7位码都是通过逐位码都是通过逐次比较确定的。预先规定好标准的电流次比较确定的。预先规定好标准的电流IsIs，称为权值电流。，称为权值电流。 当样值脉冲到来后，用逐步逼近的方法将标准电流当样值脉冲到来后，用逐步逼近的方法将标准电流I Is s去和去和样值脉冲比较，每比较一次出一位码，直到样值脉冲比较，每比较一次出一位码，直到I Is s和抽样值和抽样值I Ic c逼近逼近为止。原理如下图所示。为止。原理如下图所示。保持电路保持电路比较器比较器恒流源恒

31、流源记忆电路记忆电路PAMPAM输入输入极性码极性码M1M1I Ic cI Is s后后7 7位码位码M2M2M8M8|I|Ic c|I Is s ”1”1”|I|Ic c| I Is s，因此，因此M2M21 1，表示输入信号抽样值处于，表示输入信号抽样值处于8 8个段落中的后四段。个段落中的后四段。 M3M3用来进一步确定它是属于用来进一步确定它是属于56还是还是78段。故标准电段。故标准电流流应选择应选择I Is s512512 。比较结果。比较结果I Ic c I Is s，可确定，可确定M3M31 1。 同理，确定同理，确定M4M4的标准电流应选择的标准电流应选择IsIs102410

32、24 。IcIcIsIs，可，可确定确定M4M41 1。段段 落落1 12 23 34 45 56 67 78 8起点起点电平电平0 01 16 6 3 32 2 6 64 4 12128 8 25256 6 51512 2 1021024 4 第四章第四章 信源编码信源编码 从上面三次的比较得段落码为从上面三次的比较得段落码为“111”111”，输入信号抽样值，输入信号抽样值I Ic c=1270=1270 应属于第八段。应属于第八段。（3 3）确定段内码）确定段内码M5M6M7M8M5M6M7M8 前边已经确定输入信号处于第八段，该段中的前边已经确定输入信号处于第八段，该段中的1616个量

33、化个量化级之间的间隔均为级之间的间隔均为6464 ，因此确定，因此确定M5M5的标准电流应选为的标准电流应选为 I Is s段落起点电平段落起点电平8 8* *( (量化级间隔量化级间隔) )1024+81024+8* *6464 15361536 IIc c ，故，故M5=0,M5=0,说明处于第八段的说明处于第八段的0 07 7量化级。量化级。 同理确定同理确定c6c6的标准电流应选为的标准电流应选为 IsIs段落起点电平段落起点电平4 4* *（量化级间隔）（量化级间隔）=1024+4=1024+4* *6464 12801280 IcIc，故，故M6=0M6=0，说明处于第八段的，说明

34、处于第八段的0 03 3量化级；量化级； 第四章第四章 信源编码信源编码 确定确定M7M7的标准电流应选为的标准电流应选为 I Is s段落起点电平段落起点电平2 2* *（量化级间隔）（量化级间隔）=1024+2=1024+2* *6464 11521152 IIc c，故，故M7=1M7=1，说明处于第八段的说明处于第八段的2 23 3量化级；量化级； 最后，确定最后，确定c8c8的标准电流应选为的标准电流应选为 I Is s段落起点电平段落起点电平3 3* *（量化级间隔）（量化级间隔）=1024+3=1024+3* *6464 12161216 IIc c，故，故M8=1M8=1，说明

35、处于第八段的第，说明处于第八段的第3 3量化级；量化级； 经过以上步骤的比较后得到经过以上步骤的比较后得到8 8位编码结果为：位编码结果为：1111001111110011。 量化误差量化误差eqeq=|1270-1216|=54=|1270-1216|=54 。 第四章第四章 信源编码信源编码本地译码电路本地译码电路 本地译码电路包括记忆电路、本地译码电路包括记忆电路、7 71111变换电路和变换电路和恒流源。恒流源。 记忆电路用来寄存二进代码，因除第一次记忆电路用来寄存二进代码，因除第一次比较外，其余各次比较都要依据前几次比较的结果比较外，其余各次比较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流

36、来确定标准电流I IWW值。因此，值。因此， 7 7位码组中的前位码组中的前6 6位状位状态均应由记忆电路寄存下来。态均应由记忆电路寄存下来。 第四章第四章 信源编码信源编码 第四章第四章 信源编码信源编码 恒流源也称恒流源也称1111位线性解码电路或电阻网络，位线性解码电路或电阻网络，它用来产生各种标准电流它用来产生各种标准电流I IWW。按。按A A律律1313折线编出折线编出的的7 7位码，在恒流源中需要位码，在恒流源中需要1111个基本的权值电流支个基本的权值电流支路，这就要求有路，这就要求有1111个控制脉冲对其控制。因此，个控制脉冲对其控制。因此，需通过需通过7 71111逻辑变换

37、电路将逻辑变换电路将7 7位非线性码转换成位非线性码转换成1111位线性码，完成非线性和线性之间的变换。位线性码，完成非线性和线性之间的变换。 假如除极性码外的假如除极性码外的7 7位非线性码为位非线性码为11100111110011，相对应的相对应的1111位线性码则为位线性码则为1001100000010011000000。 第四章第四章 信源编码信源编码 经过经过7/117/11译码得到的线性码是有权码，送入线译码得到的线性码是有权码，送入线性译码器后，输出的模拟电压（电流）与输入的数性译码器后，输出的模拟电压（电流）与输入的数字量成线性关系。字量成线性关系。)22.2.(.011210

38、0DDDiRIRVnnff 例如码字为例如码字为10101101010110的非线性码，变换为的非线性码，变换为0010110000000101100000，译码器输出的电压等于，译码器输出的电压等于iRiRVff.352)222.(.1617190523.0ViRf，则令 第四章第四章 信源编码信源编码补充知识：补充知识： （1 1）码元速率。设）码元速率。设m(t)m(t)最高频率为最高频率为f fH H，按照抽样，按照抽样定理的抽样速率定理的抽样速率f fs s2f2fH H，如果二进制编码位数为，如果二进制编码位数为N N，则采用二进制传输的码元速率为则采用二进制传输的码元速率为f f

39、b b=f=fs sNN 。 （2 2）传输）传输PCMPCM信号所需的最小带宽。抽样速率的信号所需的最小带宽。抽样速率的最小值最小值f fs s=2f=2fH H，此时所需最小传输带宽为，此时所需最小传输带宽为B=NfsB=Nfs 。 以常用的以常用的N=8N=8，fsfs=8kHz=8kHz为例，实际应用的为例，实际应用的B=NfsB=Nfs=64 kHz=64 kHz，显然比直接传输语音信号，显然比直接传输语音信号m(tm(t) )的带的带宽（宽（4kHz4kHz）要大得多。）要大得多。 第四章第四章 信源编码信源编码 4.5 4.5 增量调制（增量调制（调制）调制） PCM PCM编码

40、在数字通信系统中得到了广泛的应用，编码在数字通信系统中得到了广泛的应用，但信号占用的带宽很宽，编译码电路也比较复杂。但信号占用的带宽很宽，编译码电路也比较复杂。为了减小占用带宽，提高经济性能，又发展了增量为了减小占用带宽，提高经济性能，又发展了增量调制技术。调制技术。 增量调制简称增量调制简称MM或或DMDM，它是继，它是继PCMPCM后出现的后出现的又一种模拟信号数字传输的方法，其目的在于简化又一种模拟信号数字传输的方法，其目的在于简化语音编码方法，减少传输信号占用的带宽。语音编码方法，减少传输信号占用的带宽。 第四章第四章 信源编码信源编码MM与与PCMPCM编码方式相比具有编译码设备简单

41、，编码方式相比具有编译码设备简单，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。 在在PCMPCM中，代码表示样值本身的大小，所需码中，代码表示样值本身的大小，所需码位数较多，导致带宽较宽，编译码设备复杂；在位数较多，导致带宽较宽，编译码设备复杂；在MM中，它用一位编码来表示相邻样值的差值，与样值中，它用一位编码来表示相邻样值的差值，与样值本身的大小无关，从而反映出波形的变化趋势，本身的大小无关，从而反映出波形的变化趋势， 第四章第四章 信源编码信源编码 增量调制原理增量调制原理一个语音信号，如果抽样速率很高，那么相邻一个语音信号，如果抽样速率很高

42、，那么相邻抽样点的幅度变化不会很大，相邻抽样值的差值同抽样点的幅度变化不会很大，相邻抽样值的差值同样能反映模拟信号的变化规律。若将这些差值编码样能反映模拟信号的变化规律。若将这些差值编码传输，同样可传输模拟信号所含的信息。此差值又传输，同样可传输模拟信号所含的信息。此差值又称称“增量增量”，其值可正可负。这种用差值编码进行，其值可正可负。这种用差值编码进行通信的方式称为通信的方式称为“增量调制增量调制”，缩写为，缩写为DMDM或或MM。 第四章第四章 信源编码信源编码 采用间隔为采用间隔为tt、 相邻幅度差为相邻幅度差为的阶梯波的阶梯波m(tm(t) )来逼近来逼近它，只要它，只要tt与与足够

43、小，则阶梯波足够小，则阶梯波m(tm(t) )可近似代替可近似代替m(tm(t) )。为量化台阶为量化台阶tt=Ts=Ts为抽样间隔为抽样间隔 第四章第四章 信源编码信源编码 阶梯波阶梯波m(tm(t) )有两个特点：有两个特点：1 1、在每个、在每个tt间隔内，间隔内， m m(t (t) )的幅值不变的幅值不变; 2; 2、相邻间隔的幅值差不是、相邻间隔的幅值差不是+ +就是就是- -。利用这两个特点，用。利用这两个特点，用“1”1”码和码和“0”0”码分别代表码分别代表m m(t (t) )上升或下降一个量化阶上升或下降一个量化阶，则，则m m(t (t) )就被一个二进就被一个二进制序

44、列表征，等效于该序列也表征了模拟信号制序列表征，等效于该序列也表征了模拟信号m(t)m(t)， 实现了模实现了模/ /数转换。数转换。与编码相对应，译码时若收到与编码相对应，译码时若收到“1”1”码上升一个码上升一个量阶，收到量阶，收到“0”0”码下降一个量阶，这样把二进制代码下降一个量阶，这样把二进制代码经过译码后变为码经过译码后变为m m (t)(t)这样的阶梯波。这样的阶梯波。 第四章第四章 信源编码信源编码抽样抽样+ +量化器量化器编码编码m m( (t t) )m m( (n n) )e e( (n n) )e eq q( (n n) )c c( (n n) )+ +时延时延T Ts

45、 sm m( (n n) )+ + + +- -( (a a) )m m( (n n- -1 1) )调制原理调制原理 第四章第四章 信源编码信源编码(n)Sp(n) + + + + + + + - - -ttSp(0)Sp(1)Sp(2)S(n)S(n-1)S(0) S(1)- - - +-C(n) 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 调制示意图调制示意图 第四章第四章 信源编码信源编码解码解码低通低通滤波滤波时延时延T Ts sc c( (n n) )e eq q( (n n) )m m( (n n ) )+ + +( (b b) )m m( (t t) )解调原理

46、解调原理 第四章第四章 信源编码信源编码t(n) + + + + + + + + - - - - - - -t(n)C(n) 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 第四章第四章 信源编码信源编码脉脉 冲冲发生器发生器c c( (t t) )积分器积分器E EEE低低 通通滤波器滤波器消息消息信号信号m m( (t t) )接收端译码器接收端译码器接收端解码电路由积分器和低通滤波器组成。接收端解码电路由积分器和低通滤波器组成。其中，积分器输出的波形是由折线构成的斜变波其中，积分器输出的波形是由折线构成的斜变波形；低通滤波器的作用是滤除高次谐波，使输出形；低通滤波器的作用是滤

47、除高次谐波，使输出波形平滑，更加逼近原来的模拟信号波形平滑，更加逼近原来的模拟信号m(tm(t) )。 第四章第四章 信源编码信源编码(t)Sp(t)ttS(t)C(n) 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 TS -V -V-V+V 第四章第四章 信源编码信源编码C(n) 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0(t)tS(t)t(t) 第四章第四章 信源编码信源编码 当信号频率过高时，会出现本地译码信号当信号频率过高时，会出现本地译码信号Sp(tSp(t) )跟不上输入信号跟不上输入信号S(t)S(t)变化的现象，称为过载。在给变化的现象，称为过载。

48、在给定量化间隔定量化间隔 的情况下，的情况下， /Ts/Ts是临界过载情况下的是临界过载情况下的最大跟踪斜率。最大跟踪斜率。为了避免过载失真的情况发生，我们要适当为了避免过载失真的情况发生，我们要适当设计和，使信号的最大斜率满足设计和，使信号的最大斜率满足sTdttdmS/)(maxmaxsT 第四章第四章 信源编码信源编码(t)Sp(t)ttS(t)C(n) 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 TS 过载现过载现象象 为了避免过载现象，应取为了避免过载现象，应取 .fs.fs大于输入信号的最大斜率。大于输入信号的最大斜率。 第四章第四章 信源编码信源编码 设输入模拟信

49、号为设输入模拟信号为m(t)=A sintm(t)=A sint，其最大斜率为，其最大斜率为 。所以要不过载，应要求。所以要不过载，应要求sTfAA/2 .所以，临界过载振幅（允许的信号幅度）为所以，临界过载振幅（允许的信号幅度）为ssfTffA22max 第四章第四章 信源编码信源编码 MM系统的量化信噪比系统的量化信噪比dBfffdBSNRcs2 .14lg10lg20lg30max上式表明：上式表明：1. 1. MM的量化信噪比与的量化信噪比与fs fs成三次方的关系，即抽样频成三次方的关系，即抽样频 率每提高一倍，量化信噪比提高率每提高一倍，量化信噪比提高9dB9dB。2. 2. MM

50、的量化信噪比与信号频率的平方成反比，即信的量化信噪比与信号频率的平方成反比，即信 号每提高一倍频率，量化信噪比下降号每提高一倍频率，量化信噪比下降6dB6dB。 第四章第四章 信源编码信源编码PCMPCM与与MM系统的比较系统的比较 PCMPCM是对样值本身编码，是对样值本身编码，MM是对相邻样值的差是对相邻样值的差值的极性编码。这是值的极性编码。这是MM与与PCMPCM的本质区别。的本质区别。 1. 1. 抽样速率抽样速率 PCMPCM系统中的抽样速率系统中的抽样速率fs fs是根据抽样定理来确定是根据抽样定理来确定的。若信号的最高频率为的。若信号的最高频率为fmfm，则，则fs2fmfs2

51、fm。在。在MM系统系统中传输的是信号的增量，在达到与中传输的是信号的增量，在达到与PCMPCM系统相同的系统相同的信噪比时，信噪比时，MM的抽样速率远远高于奈奎斯特速率。的抽样速率远远高于奈奎斯特速率。 第四章第四章 信源编码信源编码 2 2、 量化信噪比量化信噪比 相同的信道带宽条件下，在码率较低时，相同的信道带宽条件下，在码率较低时，MM性性能优越；在编码位数多，码率较高时，能优越；在编码位数多，码率较高时，PCMPCM性能优性能优越。这是因为越。这是因为PCMPCM量化信噪比为量化信噪比为NdBNsNPCMq62lg10)(20它与编码位数它与编码位数N N成线性关系，成线性关系， 如

52、图所示。如图所示。 第四章第四章 信源编码信源编码 第四章第四章 信源编码信源编码3. 3. 信道误码的影响信道误码的影响 MM对误码率的要求较低，一般在对误码率的要求较低，一般在1010-3-31010-4-4。而。而PCMPCM的每一个误码会造成较大的误差的每一个误码会造成较大的误差, ,所以对误码所以对误码率的要求较高，一般为率的要求较高，一般为1010-5 -51010-6 -6。 由此可见，由此可见，MM允许用于误码率较高的信道条允许用于误码率较高的信道条件，这是件，这是MM与与PCMPCM不同的一个重要条件。不同的一个重要条件。 第四章第四章 信源编码信源编码4. 4. 设备复杂度

53、设备复杂度 PCMPCM系统采用多路信号统一编码，编码设备复系统采用多路信号统一编码，编码设备复杂，但质量较好，一般用于大容量的干线通信。杂，但质量较好，一般用于大容量的干线通信。 MM系统的特点是设备简单。在传输语音信号时，系统的特点是设备简单。在传输语音信号时，MM话音清晰度和自然度方面都不如话音清晰度和自然度方面都不如PCMPCM。 第四章第四章 信源编码信源编码 数字压扩自适应增量调制是一种数字压扩自适应增量调制是一种自适应增量自适应增量调制，它调制，它通过检测输出码中的通过检测输出码中的连连“0”0”和连和连“1”1”来调整量阶来调整量阶 的。的。 连码检测电路检测输出码中的连码检测

54、电路检测输出码中的连连“0”0”和连和连“1”1”，当连续出现当连续出现4 4个连码时，通过控制电路改个连码时，通过控制电路改变增量变增量 ，使，使 增大，连增大，连码码越多，越多， 也就越大。也就越大。 自适应增量调制（自适应增量调制（ADMADM） 第四章第四章 信源编码信源编码tS(t) TS t(t)C(n) 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 43214321QQQQQQQQZ Q Q1 1Q Q2 2Q Q3 3Q Q4 4码流码流C(n)C(n)逻辑电路逻辑电路4 4连码检测连码检测移位寄存器移位寄存器 第四章第四章 信源编码信源编码数字压扩数字压扩 MMtS

55、(t)(t)tC(n) TS 0 0 0 0 111 1 1 1 0100 第四章第四章 信源编码信源编码4.6 4.6 差分脉冲编码调制系统差分脉冲编码调制系统(DPCM)(DPCM) 在在PCMPCM中，每个波形样值都独立编码，需要较中，每个波形样值都独立编码，需要较多位数，所需带宽大大增加。然而大多数以奈奎斯多位数，所需带宽大大增加。然而大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间表现出特或更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间表现出很强的相关性，因此可以针对很强的相关性，因此可以针对相邻样值的差值而不相邻样值的差值而不是样值本身进行编码是样值本身进行编码。由于相邻样值的差值比样值。

56、由于相邻样值的差值比样值本身小，可以用较少的比特数表示差值。这样可以本身小，可以用较少的比特数表示差值。这样可以使编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。使编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。这种利这种利用差值的用差值的PCMPCM编码称为差分编码称为差分PCMPCM（DPCMDPCM）。 第四章第四章 信源编码信源编码d(0)tx(t)0 T 2T 3T 4T 5T 6TS(0)S(1)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)d(1)d(2)d(3)d(4)d(5)d(6)d(0)d(1)d(2)d(3)d(4)d(5)d(6)样值序列延迟延迟T+S(k)S(k-1)d(k)样值序列的恢复0 T 2T 5T 6Td(k)差值序列t3T 4TS(0)=d(0)S(0)=d(0)； S(1)=S(0)+ d(1) =d(0)+d(1)S(1)=S(0)+ d(1) =d(0)+d(1)；S(2)=S(1)+d(2) =d(0)+d(1)+d(2)S(2)=S(1)+d(2) =d(0)+d(1)+d(2)； 第四章第四章 信源编码信源编码 前面介绍差分脉码调制是将两个相邻样值之前面介绍差分脉码调制是将两个相邻样值之间的差值直接传送到接收端，在实际数字通信中，间的差值直接传送到接收端，在实际数字通信中，