通信原理—模拟信号的数字10讲.ppt

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1、抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 14/23/2023 实实现现编编码码的的具具体体方方法法和和电电路路很很多多，如如有有低低速速编编码码和和高高速速编编码码、线线性性编编码码和和非非线线性性编编码码；逐逐次次比比较较型型、级级联联型型和和混混合合型型编编码码器器。这这里里只只讨讨论论目目前前常常用用的的逐逐次比较型编码器原理次比较型编码器原理。编编码码器器的的任任务务是是根根据据输输入入的的样样值值脉脉冲冲编编出出相相应应的的8 8位位二二进进制制代代码码。除除第第一一位位极极性性码码外外，其其他他7 7位位二二进进制制代代码码是是通通

2、过过类类似似天天平平称称重重物物的的过过程程来来逐逐次次比比较较确确定定的的。这这种种编编码码器器就就是是PCMPCM通通信信中中常常用用的的逐逐次次比比较较型型编编码码器器。编码原理脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 24/23/2023 逐逐次次比比较较型型编编码码的的原原理理与与天天平平称称重重物物的的方方法法相相类类似似，样样值值脉脉冲冲信信号号相相当当被被测测物物，标标准准电电平平相相当当天天平平的的砝砝码码。预预先先规规定定好好的的一一些些作作为为比比较较用用的的标标准准电电流流(或或电

3、电压压)，称称为为权权值值电电流流，用用符符号号I IW W表表示。示。I IW W的个数与编码位数有关。的个数与编码位数有关。当当样样值值脉脉冲冲I Is s到到来来后后，用用逐逐步步逼逼近近的的方方法法有有规规律律地地用用各各标标准准电电流流I IW W去去和和样样值值脉脉冲冲比比较较，每每比比较较一一次次出出一一位位码码。当当I Is sI IW W时时，出出“1 1”码码，反反之之出出“0 0”码码，直直到到I IW W和和抽抽样样值值I Is s逼逼近近为为止止，完完成成对对输入样值的非线性量化和编码。输入样值的非线性量化和编码。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PA

4、MPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 34/23/2023逐次比较型编码器原理图逐次比较型编码器原理图脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 44/23/2023例例 6 6 3 3 设设输输入入信信号号抽抽样样值值I Is s=+1260=+1260（为为一一个个量量化化单单位位，表表示示输输入入信信号号归归一一化化值值的的1/20481/2048），采采用用逐逐次次比比较较型型编编码码器器,按按A A律律1313折折线线编成编成8 8位码位码C C1 1C C

5、2 2C C3 3C C4 4C C5 5C C6 6C C7 7C C8 8。解：编码过程如下：解：编码过程如下：a)a)确确定定极极性性码码C C1 1：由由于于输输入入信信号号抽抽样样值值I Is s为为正正，故极性码故极性码C C1 1=1=1。b)b)确定段落码确定段落码C C2 2C C3 3C C4 4：参参表表可可知知，段段落落码码C C2 2是是用用来来表表示示输输入入信信号号抽抽样样值值I Is s处处于于1313折折线线8 8个个段段落落中中的的前前四四段段还还是是后后四四段，故确定段，故确定C C2 2的标准电流应选为的标准电流应选为 I IW W=128=128脉冲编

6、码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 54/23/2023 第一次比较结果为第一次比较结果为I Is sI IW W，故故C C2 2=1=1，说明说明I Is s处于后四段处于后四段（5858段）。段）。C C3 3是用来进一步确定是用来进一步确定I Is s处于处于5656段还是段还是7878段，故确定段，故确定C C3 3的的标准电流应选为标准电流应选为 I IW W=512=512 第二次比较结果为第二次比较结果为I Is sI IW W，故故C C3 3=1=1，说明说明I Is s处于处于787

7、8段。段。同理，同理，确定确定C C4 4的标准电流应选为的标准电流应选为 I IW W=1024=1024 第三次比较结果为第三次比较结果为I Is sI IW W，所以所以C C4 4=1=1，说明说明I Is s处于第处于第8 8段。段。经过以上三次比较得段落码经过以上三次比较得段落码C C2 2C C3 3C C4 4为为“111”111”，I Is s处于第处于第8 8段，起始电平为段，起始电平为10241024。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 64/23/2023c)c)确定段内码确

8、定段内码C C5 5C C6 6C C7 7C C8 8：段内码是在已知输入信号抽样值段内码是在已知输入信号抽样值I Is s所处段落的基础所处段落的基础上，进一步表示上，进一步表示I Is s在该段落的哪一量化级（量化间隔）在该段落的哪一量化级（量化间隔）。参表可知，第。参表可知，第 8 8 段的段的 16 16 个量化间隔均为个量化间隔均为8 8=64=64，故确定故确定C C5 5的标准电流应选为的标准电流应选为 I IW W=段落起始电平段落起始电平+8+8(量化间隔量化间隔)=1024+8 =1024+864=153664=1536 第四次比较结果为第四次比较结果为I Is sI I

9、W W，故，故C C5 5=0=0，由表可知由表可知I Is s处处于前于前 8 8 级（级（0707量化间隔）。量化间隔）。同理，同理，确定确定C C6 6的标准电流为的标准电流为 I IW W=1024+4=1024+464=128064=1280脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 74/23/2023 第第五五次次比比较较结结果果为为I Is s I IW W，故故C C6 6=0=0，表表示示I Is s处处于前于前4 4级（级（0404量化间隔）。量化间隔）。确定确定C C7 7的标准电流

10、为的标准电流为 I IW W=1024+2=1024+264=115264=1152 第第六六次次比比较较结结果果为为I Is sI IW W，故故C C7 7=1=1，表表示示I Is s处处于于2323量化间量化间 隔。隔。最后，确定最后，确定C C8 8的标准电流为的标准电流为 I IW W=1024+3=1024+364=121664=1216 第第七七次次比比较较结结果果为为I Is sI IW W，故故C C8 8=1=1，表表示示I Is s处处于于序号为序号为3 3的量化间隔。的量化间隔。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传

11、输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 84/23/2023 由由以以上上过过程程可可知知，非非均均匀匀量量化化（压压缩缩及及均均匀匀量量化化）和和编编码码实实际际上上是是通通过过非非线线性性编编码码一一次次实实现现的的。经经过过以以上上七七次次比比较较，对对于于模模拟拟抽抽样样值值+1260+1260，编编出出的的PCMPCM码码组组为为 1 111 00111 111 0011。它它表表示示输输入入信信号号抽抽样样值值I Is s处处于于第第 8 8 段段序序号号为为 3 3 的的量量化化级级，其其量量化化电电平平为为12161216，故故量量化化误误差差等等于于4444。顺顺便便指指出

12、出，若若使使非非线线性性码码与与线线性性码码的的码码字字电电平平相相等等，即即可可得得出出非非线线性性码码与与线线性性码码间间的的关关系系，如如表表所所示示。编编码码时时，非非线线性性码码与与线线性性码码间间的的关关系系是是7/117/11变变换换关关系系，如如上上例例中中除除极极性性码码外外的的7 7位位非非线线性性码码11100111110011，相相对对应应的的1111位位线线性性码为码为1001100000010011000000。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 94/23/2023 译

13、译码码的的作作用用是是把把收收到到的的PCMPCM信信号号还还原原成成相相应应的的PAMPAM样值信号，即进行样值信号，即进行D/AD/A变换。变换。A A律律1313折折线线译译码码器器与与逐逐次次比比较较型型编编码码器器中中的的本本地地译译码码器器基基本本相相同同，所所不不同同的的是是增增加加了了极极性性控控制制部部分和带有寄存读出的分和带有寄存读出的7/127/12位码变换电路位码变换电路。串串/并并变变换换记记忆忆电电路路的的作作用用是是将将加加进进的的串串行行PCMPCM码码变变为为并并行行码码，并并记记忆忆下下来来，与与编编码码器器中中译译码码电电路路的的记记忆忆作作用用基基本本相

14、相同同。极极性性控控制制部部分分的的作作用用是是根根据据收收到到的的极极性性码码C C1 1是是“1 1”还还是是“0 0”来来控控制制译译码码后后PAMPAM信号的极性，恢复原信号极性。信号的极性，恢复原信号极性。译码原理译码原理脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 104/23/2023译码器原理框图脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 114/23/2023 7/127/12变变换换电电路路的的作作用用

15、是是将将7 7位位非非线线性性码码转转变变为为1212位位线线性性码码。在在编编码码器器的的本本地地译译码码器器中中采采用用7/117/11位位码码变变换换，使使得得量量化化误误差差有有可可能能大大于于本本段段落落量量化化间间隔隔的的一一半半。译译码码器器中中采采用用7/127/12变变换换电电路路，是是为为了了增增加加了了一一个个i i/2/2恒恒流流电电流流，人人为为地地补补上上半半个个量量化化级级，使使最最大大量量化化误误差差不不超超过过i i/2/2，从从而而改改善善量量化化信信噪噪比比。7/127/12变变换换关关系系见见表表 6 6-8 8。两两种种码码之之间间转转换换原原则则是是

16、两两个个码码组组在各自的意义上所代表的权值必须相等。在各自的意义上所代表的权值必须相等。寄寄存存读读出出电电路路是是将将输输入入的的串串行行码码在在存存储储器器中中寄寄存存起起来来，待待全全部部接接收收后后再再一一起起读读出出，送送入入解解码码网网络络。实实质质上上是是进进行行串串/并并变变换换。1212位位线线性性解解码码电电路路主主要要是是由由恒恒流流源源和和电电阻阻网网络络组组成成，与与编编码码器器中中解解码码网网络络类类同同。它它是是在在寄寄存存读读出出电电路路的的控控制制下下，输出相应的输出相应的PAMPAM信号。信号。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMA

17、DPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 124/23/2023A律律13折线非线性码与线性码间的关系折线非线性码与线性码间的关系 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 134/23/2023 还还应应指指出出，上上述述编编码码得得到到的的码码组组所所对对应应的的是是输输入入信信号号的的分分层层电电平平m mk k，对对于于处处在在同同一一量量化化间间隔隔内内的的信信号号电电平平值值m mk kmmm mk k+1+1，编编码码的的结结果果是是惟惟一一的的。为为使使落落在在该

18、该量量化化间间隔隔内内的的任任意意信信号号电电平平的的量量化化误误差差均均小小于于i i/2/2，在在译译码码器器中中都都有有一一个个加加i i/2/2电电路路。这这等等效效于于将将量量化化电电平平移移到到量量化化间间隔隔的的中中间间，因因此此带带有有加加i/2i/2电电路路的的译译码码器器，最最大大量量化化误误差差一一定定不不会会超超过过i i/2/2。因因此此译译码码时时，非非线线性性码码与与线线性性码码间间的的关关系系是是7/127/12变变换换关关系系，这这时时要要考考虑虑表表 6 6-8 8 中中带带“*”号号的项。的项。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCM

19、ADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 144/23/2023如如上上例例中中，I Is s位位于于第第8 8段段的的序序号号为为3 3的的量量化化级级，7 7位位幅幅度度码码11100111110011对对应应的的分分层层电电平平为为12161216，则则译译码码输输出出为为 1216+1216+i i/2=1216+64/2=1248/2=1216+64/2=1248量化误差为量化误差为 1260-1248=121260-1248=12121264/264/2，即量化误差小于量化间隔的一半。即量化误差小于量化间隔的一半。这这时时，7 7位位非非线线性性幅幅度度

20、码码11100111110011所所对对应应的的1212位线性幅度码为位线性幅度码为100111000000100111000000。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 154/23/2023抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 164/23/2023由由于于PCMPCM要要用用NN位位二二进进制制代代码码表表示示一一个个抽抽样样值值，即即一一个个抽抽样样周周期期T Ts s内内要要编编NN位位码码，因因此此每每个个码码元元宽宽度度为为T Ts s

21、/N/N，码码位位越越多多，码码元元宽宽度度越越小小，占占用用带带宽宽越越大大。显显然然，传传输输PCMPCM信信号号所所需需要要的的带带宽宽要要比比模模拟拟基基带带信信号号m(t)m(t)的带宽大得多。的带宽大得多。式中，式中，NN为二进制编码位数。为二进制编码位数。a)a)码码元元速速率率。设设m(t)m(t)为为低低通通信信号号，最最高高频频率率为为f fH H，按按照照抽抽样样定定理理的的抽抽样样速速率率f fs s2f2fH H，如如果果量量化化电电平平数为数为MM，则采用二进制代码的码元速率为则采用二进制代码的码元速率为 PCM信号的码元速率和带宽信号的码元速率和带宽脉冲编码调制（

22、脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 174/23/2023b)b)传传输输PCMPCM信信号号所所需需的的最最小小带带宽宽。抽抽样样速速率率的的最最小小值值f fs s=2f=2fH H，这这时时码码元元传传输输速速率率为为f fb b=2f=2fH HNN，按按照照第第5 5章章数数字字基基带带传传输输系系统统中中分分析析的的结结论论，在在无无码码间间串串扰扰和和采采用用理理想想低低通通传传输输特特性性的的情情况况下下，所需最小传输带宽（所需最小传输带宽（NYNY带宽）为带宽）为实际中用升余弦的传输特性，此时所

23、需传输带宽为实际中用升余弦的传输特性，此时所需传输带宽为以常用的以常用的N=8N=8，f fs s=8kHz=8kHz为例，实际应用的为例，实际应用的B=B=NNf fs s=64 kHz=64 kHz，显然比直显然比直接传输语音信号接传输语音信号m(t)m(t)的带宽（的带宽（4kHz4kHz）要大得多。要大得多。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 184/23/2023抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 194/23/2023 分分析析PCM

24、PCM的的系系统统性性能能将将涉涉及及两两种种噪噪声声：量量化化噪噪声声和和信信道道加加性性噪噪声声。由由于于这这两两种种噪噪声声的的产产生生机机理理不不同同，故可认为故可认为它们是互相独立它们是互相独立的。的。PCMPCM系统原理框图系统原理框图PCMPCM系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 204/23/2023总信噪比总信噪比设设m(t)m(t)在在-a,-a,aa上上概概率率密密度度均均匀匀分分布布，对对m(t)m(t)进进行行均均匀匀量量化化，其其量量化化级

25、级数数为为MM，在在不不考考虑虑信信道道噪噪声声条条件件下下，有有量化信噪比量化信噪比脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 214/23/2023 下下面面讨讨论论信信道道加加性性噪噪声声的的影影响响。信信道道噪噪声声对对PCMPCM系系统统性性能能的的影影响响表表现现在在接接收收端端的的判判决决误误码码上上，二二进进制制“1 1”码码可可能能误误判判为为“0 0”码码，而而“0 0”码码可可能能误误判判为为“1 1”码码。由由于于PCMPCM信信号号中中每每一一码码组组代代表表着着一一定定的的量量化

26、化抽抽样样值值，所所以以若若出出现现误误码码，被被恢恢复复的的量量化化抽抽样样值值将将与与发发端端原原抽抽样样值值不不同同，从从而而引引起起误误差差。在在假假设设加加性性噪噪声声为为高高斯斯白白噪噪声声的的情情况况下下，每每一一码码组组中中出出现现的的误误码码可可以以认认为为是是彼彼此此独独立立的的，并并设设每每个个码码元元的的误误码码率率皆皆为为P Pe e。另另外外，考考虑虑到到实实际际中中PCMPCM的的每每个个码码组组中中出出现现多多于于1 1位位误误码码的的概概率率很很低低，所所以以通通常只需要考虑仅有常只需要考虑仅有1 1位误码的码组错误。位误码的码组错误。脉冲编码调制（脉冲编码调

27、制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 224/23/2023 例例如如，若若P Pe e=10=10-4-4，在在8 8位位长长码码组组中中有有1 1位位误误码码的的码码组组错错误误概概率率为为P P1 1=8P=8Pe e=1/1250=1/1250，表表示示平平均均每每发发送送12501250个个码码组组就就有有一一个个码码组组发发生生错错误误；而而有有2 2位位误误码码的的码码组组错错误误概概率率为为P P2 2=C=C8 82 2P Pe e2 2=2.8=2.81010-7-7。显显然然P P2 2PP1 1，因因

28、此此只只要要考考虑虑1 1位误码引起的码组错误就够了。位误码引起的码组错误就够了。由由于于码码组组中中各各位位码码的的权权值值不不同同，因因此此，误误差差的的大大小小取取决决于于误误码码发发生生在在码码组组的的哪哪一一位位上上，而而且且与与码码型型有有关关。以以NN位位长长自自然然二二进进码码为为例例，自自最最低低位位到到最最高高位位的的加加权权值值分分别别为为2 20 0,2 21 1,2 22 2,2 2i-1 i-1,2 2N-1N-1，若若量量化化间间隔隔为为，则则发发生生在在第第i i位位上上的的误误码码所所造造成成的的误误差差为为(2(2i-1i-1)，其其所所产产生生的的噪噪声声

29、功功率率便便是是(2(2i-1i-1)2 2。显显然然，发发生生误误码码的的位位置置越越高，造成的误差越大。高，造成的误差越大。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 234/23/2023由由于于已已假假设设每每位位码码元元所所产产生生的的误误码码率率PePe是是相相同同的的，所以一个码组中如有一位误码产生的平均功率为所以一个码组中如有一位误码产生的平均功率为已假设信号已假设信号m(t)在区间在区间-a,a为均匀分布，则有为均匀分布，则有输出信号功率输出信号功率输出信噪比输出信噪比脉冲编码调制（脉冲编

30、码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 244/23/2023由由上上式式可可知知，在在接接收收端端输输入入大大信信噪噪比比的的条条件件下下，即即4P4Pe e2 22N2N11 1 时时，P Pe e较较大大，误误码码噪噪声声起起主主要作用，总信噪比与要作用，总信噪比与P Pe e成反比。成反比。应应当当指指出出，以以上上公公式式是是在在自自然然码码、均均匀匀量量化化以以及及输入信号为均匀分布的前提下得到的。输入信号为均匀分布的前提下得到的。总信噪比总信噪比脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）抽样抽样PAMPCMA

31、DPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 254/23/2023自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)(ADPCM)(Adaptive Differential PCM)(Adaptive Differential PCM)64kb/s64kb/s的的A A律律或或律律的的对对数数压压扩扩PCMPCM编编码码已已经经在在大大容容量量的的光光纤纤通通信信系系统统和和数数字字微微波波系系统统中中得得到到了了广广泛泛的的应应用用。但但PCMPCM信信号号占占用用频频带带要要比比模模拟拟通通信信系系统统中中的的一一个个标标准准话话路路带带宽宽（3.1 3.

32、1 kHzkHz）宽宽很很多多倍倍，这这样样，对对于于大大容容量量的的长长途途传传输输系系统统，尤尤其其是是卫卫星星通通信，采用信，采用PCMPCM的经济性能很难与模拟通信相比。的经济性能很难与模拟通信相比。抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 264/23/2023 以以较较低低的的速速率率获获得得高高质质量量编编码码，一一直直是是语语音音编编码码追追求求的的目目标标。通通常常，人人们们把把话话路路速速率率低低于于64kb/s64kb/s的语音编码方法，称为的语音编码方法，称为语音压缩编码技术语音压缩编码技术。自自适适应应差差分分脉脉冲冲编

33、编码码调调制制是是语语音音压压缩缩中中复复杂杂度度较较低低的的一一种种编编码码方方法法，它它可可在在32kb/s32kb/s的的比比特特率率上上达达到到64kb/s64kb/s的的PCMPCM数数字字电电话话质质量量。近近年年来来，ADPCMADPCM已已成成为为长长途途传传输输中中一一种种新新型型的的国国际际通通用用的语音编码方法。的语音编码方法。ADPCMADPCM是是在在差差分分脉脉冲冲编编码码调调制制(DPCM)(DPCM)的的基基础上发展起来的础上发展起来的。自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)(ADPCM)抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟

34、信号的数字传输电电子子技技术术系系 274/23/2023在在PCMPCM中中，每每个个波波形形样样值值都都独独立立编编码码，与与其其他他样样值值无无关关，这这样样，样样值值的的整整个个幅幅值值编编码码需需要要较较多多位位数数，比比特特率率较较高高，造造成成数数字字化化的的信信号号带带宽宽大大大大增增加加。然然而而，大大多多数数以以奈奈奎奎斯斯特特或或更更高高速速率率抽抽样样的的信信源源信信号号在在相相邻邻抽抽样样间间表表现现出出很很强强的的相相关关性性，有有很很大大的的冗冗余余度度。利利用用信信源源的的这这种种相相关关性性，可可以以对对相相邻邻样样值值的的差差值值而而不不是是样样值值本本身身

35、进进行行编编码码。由由于于相相邻邻样样值值的的差差值值比比样样值值本本身身小小，可可以以用用较较少少的的比比特特数数表表示示差差值值。这这样样，用用差差值值编编码码可可以以在在量量化化台台阶阶不不变变的的情情况况下下(即即量量化化噪噪声声不不变变)，使使编编码码位位数数显显著著减减少少，信信号号带带宽宽大大大大压压缩缩。差差值值的的PCMPCM编编码码称为差分称为差分PCM(DPCM)PCM(DPCM)。DPCM自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)(ADPCM)抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 284/23/2023

36、如如果果将将样样值值之之差差仍仍用用NN位位编编码码传传送送，则则DPCMDPCM的的量量化化信信噪噪比比显显然优于然优于PCMPCM系统。系统。实实现现差差分分编编码码的的一一个个好好办办法法是是根根据据前前面面的的k k个个样样值值预预测测当当前前时时刻刻的的样样值值。编编码码信信号号只只是是当当前前样样值值与与预预测测值值之之间间的的差差值值的的量化编码量化编码。ADPCMADPCM系统原理框图系统原理框图预测器输出预测器输出自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)(ADPCM)抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 2

37、94/23/2023总量化误差总量化误差总量化信噪比总量化信噪比 式式中中，(S/N)(S/N)q q是是把把差差值值序序列列作作为为信信号号时时量量化化器器的的量量化化信信噪噪比比，与与PCMPCM系系统统考考虑虑量量化化误误差差时时所所计计算算的的信信噪噪比比相相当当。G Gp p可可理理解解为为DPCMDPCM系系统统相相对对于于PCMPCM系系统统而而言言的的信信噪噪比比增增益益，称称为为预预测测增增益益。如如果果能能够够选选择择合合理理的的预预测测规规律律，差差值值功功率率 就就能能远远小小于于信信号号功功率率 ，G Gp p就就会会大大于于1 1，该该系系统统就就能能获获得得增增益

38、益。对对DPCMDPCM系系统统的的研研究究就就是是围围绕绕着着如如何何使使G Gp p和和(S/N)(S/N)q q这这两两个个参参数数取取最最大大值值而而逐逐步步完完善善起来的。通常起来的。通常G Gp p约为约为6 611 dB11 dB。自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)(ADPCM)抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 304/23/2023值值得得注注意意的的是是，DPCMDPCM系系统统性性能能的的改改善善是是以以最最佳佳的的预预测测和和量量化化为为前前提提的的。但但对对语语音音信信号号进进行行预预测测和

39、和量量化化是是复复杂杂的的技技术术问问题题，这这是是因因为为语语音音信信号号在在较较大大的的动动态态范范围围内内变变化化。为为了了能能在在相相当当宽宽的的变变化化范范围围内内获获得得最最佳佳的的性性能能，只只有有在在DPCMDPCM基基础础上上引引入入自自适适应应系系统统。有有自自适适应应系系统统的的DPCMDPCM称称为为自自适适应应差差分分脉脉冲冲编编码码调调制制，简简称称ADPCMADPCM。ADPCMADPCM的的主主要要特特点点是是用用自自适适应应量量化化取取代代固固定定量量化化，用自适应预测取代固定预测。用自适应预测取代固定预测。ADPCM自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调

40、制(ADPCM)(ADPCM)抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 314/23/2023 自自适适应应量量化化指指量量化化台台阶阶随随信信号号的的变变化化而而变变化化，使使量量化化误误差差减减小小；自自适适应应预预测测指指预预测测器器系系数数a ai i可可以以随随信信号号的的统统计计特特性性而而自自适适应应调调整整，提提高高了了预预测测信信号号的的精精度度，从从而而得得到到高高预预测测增增益益。通通过过这这两两点点改改进进，可可大大大大提提高高输输出信噪比和编码动态范围。出信噪比和编码动态范围。如如果果DPCMDPCM的的预预测测增增益益

41、为为611dB611dB，自自适适应应预预测测可可使使信信噪噪比比改改善善4dB4dB；自自适适应应量量化化可可使使信信噪噪比比改改善善47dB47dB，则则ADPCMADPCM比比PCMPCM可可改改善善1621dB1621dB，相相当当于于编编码码位位数数可可以以减减小小3 3位位到到4 4位位。因因此此，在在维维持持相相同同的的语语音音质质量量下下，ADPCMADPCM允允许许用用32 kb/s32 kb/s比特率编码，这是标准比特率编码，这是标准64kb/s PCM64kb/s PCM的一半。的一半。在长途传输系统中，在长途传输系统中，ADPCMADPCM有着远大的前景。有着远大的前景

42、。自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)(ADPCM)抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 324/23/2023增量调制原理增量调制原理 当当DPCMDPCM系统中量化器的量化电平数取为系统中量化器的量化电平数取为2 2，且预测器仍是一个延迟时间为，且预测器仍是一个延迟时间为T T 的的延迟线时，此延迟线时，此DPCMDPCM系统就称作增量调制系统就称作增量调制系统。系统。增量调制抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 334/23/20231.1.原理方框图原理方框图预

43、测误差预测误差ek=sk sk被量化成两个电平被量化成两个电平+和和 。值称为量化台阶。值称为量化台阶。rk只取两个值只取两个值+或或 。例如，可以用例如，可以用“1”表示表示“+”，及用，及用“0”表示表示“”。当无传输误码时，当无传输误码时，sk*=sk*。增量调制增量调制增量调制增量调制(DM)(DM)原理原理 s(t)skekrksksk*抽样抽样二电平二电平量化量化延迟延迟rk延延迟迟sk*抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 344/23/2023在实用中，为了简单起见，通常用一个积分在实用中，为了简单起见，通常用一个积分器来代替

44、上述器来代替上述“延迟相加电路延迟相加电路”，如下图所，如下图所示。示。(a)(a)编码器编码器(b)(b)解码器解码器积分器积分器抽样抽样 判决判决s(t)e(t)d(t)s(t)积积 分分d(t)低通低通T(t)s(t)抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 354/23/20233.3.解码原理解码原理 在解码器中，积分器只要每收到一个在解码器中，积分器只要每收到一个“1 1”码元就使其输出升高码元就使其输出升高 V V，每收到一个，每收到一个“0 0”码元就使其输出降低码元就使其输出降低 V V，这样就可以，这样就可以恢复出图中的阶梯形

45、电压。这个阶梯电压通恢复出图中的阶梯形电压。这个阶梯电压通过低通滤波器平滑后，就得到十分接近编码过低通滤波器平滑后，就得到十分接近编码器原输入的模拟信号。器原输入的模拟信号。抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 364/23/2023输出二进制波形输出二进制波形抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 374/23/2023二、增量调制系统中的量化噪声 1.1.量化噪声的产生量化噪声的产生两种产生原因：两种产生原因：1 1）由于编解码时用的阶梯波形本身的）由于编解码时用的阶梯波形本身的电压突跳产

46、生的，见图电压突跳产生的，见图(a)(a)。这是。这是基本基本量化噪声量化噪声，称为，称为e e1 1(t t)。它伴随着信号。它伴随着信号永远存在，即只要有信号，就有这种永远存在，即只要有信号，就有这种噪声。噪声。2 2）过载量化噪声，见图）过载量化噪声，见图(b)(b)。它发生。它发生在输入信号斜率的绝对值过大时。若在输入信号斜率的绝对值过大时。若信号上升的斜率超过阶梯波的最大可信号上升的斜率超过阶梯波的最大可能斜率，则阶梯波的上升赶不上信号能斜率，则阶梯波的上升赶不上信号的上升，就发生了的上升，就发生了过载量化噪声过载量化噪声e e2 2(t t)。抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信

47、号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 384/23/20234.6 增量调制-DM中的量化噪声2.2.降低量化噪声的途径降低量化噪声的途径1 1）基本量化噪声：减小量化台阶）基本量化噪声：减小量化台阶。2 2）过载量化噪声：）过载量化噪声：设抽样周期为设抽样周期为T T，抽样频率为，抽样频率为f fs s=1/1/T T，量化台阶为，量化台阶为，则一个阶梯台阶的，则一个阶梯台阶的斜率斜率k k为：为：最大跟踪斜率最大跟踪斜率当输入信号斜率当输入信号斜率 最大跟踪斜率时，将最大跟踪斜率时，将发生过载量化噪声。发生过载量化噪声。抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信

48、号的数字传输电电子子技技术术系系 394/23/2023避免发生过载量化噪声的途径：使避免发生过载量化噪声的途径：使 fs s的乘积足够的乘积足够大。大。因为因为若取若取 值太大，将增大基本量化噪声。所以，值太大，将增大基本量化噪声。所以，只能用增大只能用增大fs s 的办法增大乘积的办法增大乘积 f fs s，才能保证基，才能保证基本量化噪声和过载量化噪声两者都不超过要求。本量化噪声和过载量化噪声两者都不超过要求。实际中增量调制采用的抽样频率实际中增量调制采用的抽样频率f fs s值比值比PCMPCM和和DPCMDPCM的抽样频率值都大很多。的抽样频率值都大很多。当输入电压当输入电压 /2/

49、2 时，输出为时，输出为“1 1”和和“0 0”交替交替序列。序列。起始编码电平：起始编码电平：/2/2 4.6 增量调制-DM中的量化噪声抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 404/23/20232.量化噪声功率 假设：无过载量化噪声，仅考虑基本量化噪假设：无过载量化噪声，仅考虑基本量化噪声。声。低通滤波前，基本量化噪声低通滤波前，基本量化噪声e e(t t)为均为均匀分布：匀分布：则则e e(t t)的平均功率为：的平均功率为：4.6 增量调制-DM中的量化噪声抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子

50、技技术术系系 414/23/2023假设此功率均匀分布在假设此功率均匀分布在0 0f fs s 间，则其功率谱密度间，则其功率谱密度为：为：故通过截止频率为故通过截止频率为f fL L的低通滤波器之后，量化噪的低通滤波器之后，量化噪声功率为声功率为 4.6 4.6 增量调制增量调制-DM-DM中的量化噪声中的量化噪声由上式看出，它只和量化台阶由上式看出，它只和量化台阶 与与(fL/fs)有关，和输入信号大小无关。有关，和输入信号大小无关。抽样抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电电子子技技术术系系 424/23/20233.3.量化信噪比量化信噪比求信号功率：设输入