模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼

第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.1抽樣定理,3.1.1低通信號(hào)的抽樣定理,3.1.2帶通信號(hào)的抽樣定理,3.3脈沖編碼調(diào)制PCM,3.2.3A律13折線壓擴(kuò)技術(shù),3.2模擬信號(hào)的量化,3.2.1均勻量化,3.2.2非均勻量化,3.3.1PCM編碼基本概念,3.3.2碼型及碼位安排,3.3.3A律13折線特性PCM編碼,3.3.4逐次反饋型PCM編碼器,3.3.5PCM解碼器,3.4差分脈沖編碼調(diào)制DPCM,3.4.1差分脈碼調(diào)制DPCM的基本概念,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.4.2DPCM的編碼、解碼過程,3.4.3DPCM的性能分析,3.4.4ADPCM基本原理,3.5增量調(diào)制（M或DM）,3.5.1增量調(diào)制原理,3.5.2增量調(diào)制的量化噪聲,3.6壓縮編碼技術(shù),3.6.1語音壓縮編碼,3.6.2圖象壓縮編碼,實(shí)驗(yàn)1：脈沖幅度調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)2：脈沖編碼調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)3：增量調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)4：自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制與解調(diào),本章小結(jié),本章難點(diǎn),本章要點(diǎn),第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,抽樣定理、模擬信號(hào)的量化及壓擴(kuò)原理脈沖編碼調(diào)制PCM的調(diào)制與解調(diào)差分脈沖編碼調(diào)制DPCM、ADPCM、增量調(diào)制的調(diào)制與解調(diào)壓縮編碼技術(shù),放大器的調(diào)整與調(diào)試,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,常見的信源通常都是模擬信號(hào)，為了對(duì)信息有效的處理，交換和傳輸，首先應(yīng)將模擬信號(hào)數(shù)字化，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后再在信道中傳輸。這個(gè)數(shù)字化過程就是信源編碼的過程。接收端只要再進(jìn)行和發(fā)送端相反的信源譯碼過程，就可以恢復(fù)出發(fā)送端傳輸?shù)脑夹盘?hào)。如圖3-1所示為模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸過程示意圖。,圖3-1模擬信號(hào)數(shù)字傳輸過程示意圖,3.1抽樣定理,抽樣定理是模擬信號(hào)數(shù)字傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)，它告訴我們：如果對(duì)某一帶寬有限的時(shí)間連續(xù)信號(hào)（模擬信號(hào)）進(jìn)行抽樣，且在抽樣頻率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，根據(jù)這些抽樣值（常稱為樣值）可以在接收端準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信號(hào)。根據(jù)被抽樣信號(hào)是低通型信號(hào)還是帶通型信號(hào)，抽樣定理可分為低通信號(hào)的抽樣定理和帶通信號(hào)的抽樣定理。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.1.1低通信號(hào)的抽樣定理,1定理內(nèi)容,抽樣定理在時(shí)域上可以表述為：對(duì)于一個(gè)頻帶限制在(0，fH)Hz內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)f(t)，如果以Ts1/(2fH)秒的間隔對(duì)其進(jìn)行等間隔抽樣，則f(t)將被所得到的抽樣值完全確定。,圖3-2模擬信號(hào)的抽樣過程示意圖（a）模擬信號(hào)的抽樣實(shí)現(xiàn)；（b）信號(hào)的恢復(fù)過程,如圖3-2分析可知模擬信號(hào)抽樣過程中各個(gè)信號(hào)的波形與頻譜如圖3-3所示（f(t)、T(t)為已知假設(shè)的信號(hào)）。,模擬信號(hào)的抽樣過程如圖3-2所示。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,圖3-3抽樣過程中的信號(hào)波形與頻譜(a)模擬信號(hào)的波形與頻譜；(b)沖激函數(shù)信號(hào)的波形與頻譜；(c)抽樣信號(hào)的波形與頻譜,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,如圖3-4所示為兩種情況下的頻譜分析結(jié)果。當(dāng)抽樣頻率小于奈奎斯特頻率時(shí)，即如果s2H，則抽樣后信號(hào)的頻譜在相鄰的周期內(nèi)發(fā)生混疊，如圖3-4(c)圖所示；當(dāng)抽樣頻率大于或等于奈奎斯特頻率時(shí)，接收端恢復(fù)出來的信號(hào)才與原信號(hào)基本一致。,圖3-4兩種情況下的抽樣信號(hào)頻譜分析結(jié)果(a)信號(hào)的頻譜；(b)fs2fm時(shí)抽樣信號(hào)的頻譜；(c)fsB，其中B=fHfL時(shí)，該信號(hào)通常被稱為帶通型信號(hào)，其中B為帶通信號(hào)的頻帶。,圖3-5帶通信號(hào)的抽樣頻譜,對(duì)于帶通信號(hào)，如果采用低通抽樣定理的抽樣速率fs2fH，對(duì)頻率限制在fL與fH之間的帶通型信號(hào)抽樣，肯定能滿足頻譜不混疊的要求，如圖3-5（帶通信號(hào)的抽樣頻譜）所示。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,定理內(nèi)容：一個(gè)帶通信號(hào)f(t)，其頻率限制在fL與fH之間，帶寬為B=fHfL，如果最小抽樣速率fs=2fH/n，n是一個(gè)不超過fH/B的最大整數(shù)，那么f(t)就可完全由抽樣值確定。下面分兩種情況說明：,（1）若最高頻率fH為帶寬的整數(shù)倍，即fH=nB。此時(shí)fH/B=n是整數(shù)，m=n，所以抽樣速率fs=2fH/m=2B。,（2）若最高頻率fH不為帶寬的整數(shù)倍，即（3-7）,此時(shí)，fH/B=n+k，由定理知，m是一個(gè)不超過n+k的最大整數(shù)，顯然，m=n，所以能恢復(fù)出原信號(hào)f(t)的最小抽樣速率為（3-8）,式中n是一個(gè)不超過fH/B的最大整數(shù)，0k1通常k取1。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.2模擬信號(hào)的量化,3.2.1均勻量化,如果用相等的量化間隔對(duì)抽樣得到的信號(hào)作量化，那么這種量化方法稱為均勻量化（也稱線性量化）。,圖3-7均勻量化舉例,1.工作原理在均勻量化中，每個(gè)量化區(qū)間的量化電平取在各區(qū)間的中點(diǎn)，圖3-7是均勻量化的舉例。,其量化間隔i取決于輸入信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)。若設(shè)輸入信號(hào)的最小值和最大值分別用a和b表示,量化電平數(shù)為M，則均勻量化時(shí)的量化間隔為,量化器輸出為,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,量化器的輸入與輸出關(guān)系可用量化特性來表示，語音編碼常采用圖3-8（a）所示輸入-輸出特性的均勻量化器，當(dāng)輸入m在量化區(qū)間mi-1mmi變化時(shí)，量化電平qi是該區(qū)間的中點(diǎn)值。而相應(yīng)的量化誤差eq=m-mq與輸入信號(hào)幅度m之間的關(guān)系曲線如圖3-8（b）所示。,圖3-8均勻量化特性與量化誤差曲線,過載區(qū)的誤差特性是線性增長(zhǎng)的，因而過載誤差比量化誤差大，對(duì)重建信號(hào)有很壞的影響。在設(shè)計(jì)量化器時(shí)，應(yīng)考慮輸入信號(hào)的幅度范圍，使信號(hào)幅度不進(jìn)入過載區(qū)，或者只能以極小的概率進(jìn)入過載區(qū)。上述的量化誤差eq=m-mq通常稱為絕對(duì)量化誤差，它在每一量化間隔內(nèi)的最大值均為/2。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,2.量化噪聲分析,在衡量系統(tǒng)性能時(shí)應(yīng)看噪聲與信號(hào)的相對(duì)大小，我們把絕對(duì)量化誤差與信號(hào)之比稱為相對(duì)量化誤差。相對(duì)量化誤差的大小反映了量化器的性能，通常用量化信噪比（S/Nq）來衡量，它被定義為信號(hào)功率與量化噪聲功率之比，即,式中，E表示求統(tǒng)計(jì)平均，S為信號(hào)功率，Nq為量化噪聲功率。顯然，（S/Nq）越大，量化性能越好。,均勻量化器廣泛應(yīng)用于線性A/D變換接口，例如在計(jì)算機(jī)的A/D變換中，M為A/D變換器的位數(shù)，常用的有8位、12位、16位等不同精度。另外，在遙測(cè)遙控系統(tǒng)、儀表、圖像信號(hào)的數(shù)字化接口等中，也都使用均勻量化器。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.2.2非均勻量化,非線性量化的基本想法是，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行量化時(shí)，大的輸入信號(hào)采用大的量化間隔，小的輸入信號(hào)采用小的量化間隔，實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法之一是采用壓縮擴(kuò)張技術(shù)，在發(fā)送端將信號(hào)壓縮，在接收端再將接收到的壓縮信號(hào)還原成原始信號(hào)，非均勻量化的基本原理圖如圖3-9所示。,圖3-9非均勻量化的原理示意圖,在非線性量化中，采樣輸入信號(hào)幅度和量化輸出數(shù)據(jù)之間定義了兩種對(duì)應(yīng)關(guān)系，一種稱為15折線律(-Law)壓擴(kuò)(companding)算法，主要在北美和日本等國(guó)家的PCM24路群系統(tǒng)中采用；另一種稱為13折線A律(A-Law)壓擴(kuò)算法，主要在英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等歐洲國(guó)家的PCM30/32路群系統(tǒng)中采用。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,1.律壓擴(kuò),律壓擴(kuò)量化輸入和輸出的關(guān)系式為：,式中：x為輸入信號(hào)幅度，規(guī)格化成-1x1，sgn(x)為x的極性；,為確定壓縮量的參數(shù)，它反映最大量化間隔和最小量化間隔之比，取100m500。圖3-10為m律壓擴(kuò)特性曲線圖。,圖3-10律壓擴(kuò)特性曲線,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,2.A律壓擴(kuò),A律壓擴(kuò)按下式確定量化輸入和輸出的關(guān)系：,A為確定壓縮量的參數(shù)，它反映最大量化間隔和最小量化間隔之比。A律壓擴(kuò)的前一部分是線性的，其余部分與律壓擴(kuò)相同。A律壓擴(kuò)特性曲線如圖3-11所示。,式中：x為輸入信號(hào)幅度，規(guī)格化成-1x1；sgn(x)為x的極性；,圖3-11A律壓擴(kuò)特性曲線示意圖,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.2.3A律13折線壓擴(kuò)技術(shù),數(shù)字壓擴(kuò)技術(shù)的方法是利用數(shù)字集成電路用多段折線來近似壓縮特性曲線。在實(shí)際中采用的壓擴(kuò)技術(shù)主要有15折線律（=255）和13折線A律（A=87.6）等。在這里以13折線A律來說明數(shù)字壓擴(kuò)技術(shù)的基本原理。,1.13折線的由來,x軸01范圍內(nèi)，采用歸一化方法，以1/2遞減規(guī)律將線段不均勻的分成8個(gè)段落，Y軸01范圍內(nèi)，采用歸一化方法，將線段均勻分成8個(gè)段落，將坐標(biāo)平面上的各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)表示出來，將這些點(diǎn)兩兩依次相連，就可得到斜率不同的8條折線，如圖3-12所示。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,采用A律13折線近似法畫出的13折線與A=87.6時(shí)的對(duì)數(shù)函數(shù)的特性曲線是非常近似的。我們?cè)趯?shí)際中，可以直接采用13折線近似法來近似地畫出A律的對(duì)數(shù)特性曲線圖，并根據(jù)它進(jìn)行A律13折線非線性編碼。語音信號(hào)是雙極性信號(hào)，在-10范圍內(nèi)采用同樣的方法也有8段折線，并且根據(jù)分析靠近原點(diǎn)的兩段斜率也是相等的，都是16，由此可見，靠近原點(diǎn)的四段折線的斜率都是6，所以這四段折線可以看成是一段，于是在-11范圍內(nèi)總共形成了13段折線，簡(jiǎn)稱為13折線。,2.13折線A律壓擴(kuò)特性,在實(shí)際通信過程中，A律對(duì)數(shù)特性曲線和律對(duì)數(shù)特性曲線是很難實(shí)現(xiàn)的，但A律對(duì)數(shù)壓縮擴(kuò)張?zhí)匦郧€可用13段折線近似表示，所以稱為13折線A律壓擴(kuò)特性。同理，律對(duì)數(shù)壓縮特性曲線也可采用15折線的近似法表示，稱為15折線律壓擴(kuò)特性。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.3脈沖編碼調(diào)制PCM,在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中以PCM為代表的編碼調(diào)制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸。除PCM外，DPCM和ADPCM的應(yīng)用范圍更廣。PCM的主要優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾能力強(qiáng)；失真??；傳輸特性穩(wěn)定，尤其是遠(yuǎn)距離信號(hào)再生中繼時(shí)噪聲不累積，而且可以采用壓縮編碼、糾錯(cuò)編碼和保密編碼等來提高系統(tǒng)的有效性、可靠性和保密性。另外，PCM還可以在一個(gè)信道上將多路信號(hào)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用傳輸。實(shí)現(xiàn)脈沖編碼的基本過程一般分三步進(jìn)行：抽樣，量化和編碼。,3.3.1PCM編碼基本概念,脈沖編碼調(diào)制（PCM）是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)字化的一種調(diào)制方式，其最大的特點(diǎn)是把連續(xù)輸入的模擬信號(hào)變換為在時(shí)域和振幅上都離散的量，然后將其轉(zhuǎn)化為代碼形式傳輸。PCM系統(tǒng)的原理方框圖如圖3-13所示。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,PCM編碼通過抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼。為便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，其量化電平數(shù)一般為2的整數(shù)次冪，有利于采用二進(jìn)制編碼表示。實(shí)際采用的量化方式多為非均勻量化，通常使用信號(hào)壓縮與擴(kuò)張技術(shù)來實(shí)現(xiàn)非均勻量化。在保持信號(hào)固有的動(dòng)態(tài)范圍前提下，在量化前將小信號(hào)進(jìn)行放大而對(duì)大信號(hào)進(jìn)行壓縮。通常的壓縮方法有13折線A律和律兩種標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際通信中多采用A律。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.3.2碼型及碼位安排,1.碼型,在PCM系統(tǒng)中常用的碼型有自然二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、折疊二進(jìn)制碼。,2.碼位安排,碼位不僅關(guān)系到通信質(zhì)量的好壞，還關(guān)系到設(shè)備的復(fù)雜程度。在輸入信號(hào)變化范圍一定的情況下，碼位越多兩化分層就越細(xì)，量化過程中產(chǎn)生的噪聲就越小，通信質(zhì)量就越好。,在對(duì)話音信號(hào)的編碼中，我們采用8位二進(jìn)制碼字對(duì)應(yīng)一個(gè)語音樣值的方法，現(xiàn)在結(jié)合A律13折線的編碼方法來說明，如表3-4所示。,表3-4碼位安排表,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.3.3A律13折線特性PCM編碼,1.編碼過程,A律13折線編碼主要分三步來進(jìn)行：,1）確定極性碼；2）確定段落碼；3）確定段內(nèi)碼。,2.非線性碼與線性碼之間的關(guān)系,在8位非線性編碼過程中，采用歸一化方法，對(duì)橫軸以1/2對(duì)折分成不均勻的8段，然后再將每一段均勻地等分成16等份，就相當(dāng)于先非均勻量化再均勻量化，均勻量化成2048個(gè)量化級(jí)，所以可以根據(jù)均勻量化將每個(gè)抽樣值編成11位線性碼，如表3-6所示為非線性碼與線性碼之間的關(guān)系,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,表3-6非線性碼與線性碼之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.3.4逐次反饋型PCM編碼器,逐次反饋型編碼器的原理框圖如圖3-15所示。從圖中可以看出它的基本電路結(jié)構(gòu)由極性判決、放大整流、保持電路、比較判決電路和非線性本地譯碼器等組成。,圖3-15逐次反饋型編碼器的組成框圖,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,1.工作過程,經(jīng)抽樣保持的PAM信號(hào)分成兩路，一路送入極性判決電路在D1時(shí)刻進(jìn)行極性判決，并用a1碼表示，a11表示正極性；a10表示負(fù)極性。信號(hào)的另一路經(jīng)全波整流送入比較電路與本地譯碼器產(chǎn)生的權(quán)值進(jìn)行比較編碼。此過程是按時(shí)鐘脈沖D2D8逐位進(jìn)行比較的。根據(jù)比較結(jié)果形成a2a8七位非線性碼。,2.各部分電路的作用,（1）極性判決電路用來對(duì)輸入的PAM樣值信號(hào)進(jìn)行極性判決。,（2）整流電路將雙極性信號(hào)變成單極性信號(hào)，便于進(jìn)行折疊二進(jìn)制編碼。,（3）保持電路樣值信號(hào)與權(quán)值信號(hào)進(jìn)行比較時(shí)，保持樣值的幅度不變。,（4）比較判決電路可以對(duì)輸入信號(hào)IS進(jìn)行量化，并與本地譯碼電路輸出的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)值信號(hào)進(jìn)行比較，每比較一次就可以輸出一位碼。,（5）非線性本地譯碼器將極性碼以外的a2a8七位碼逐位反饋，經(jīng)串/并變換，并記憶為C2C8，再將C2C8（7位非線性碼）經(jīng)7/11變換電路變換為相應(yīng)的11位線性碼。再經(jīng)過11位的線性解碼網(wǎng)絡(luò)（恒流源）解碼即可輸出相應(yīng)的權(quán)值信號(hào)。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.3.5PCM解碼器,解碼過程也是數(shù)字信號(hào)/模擬轉(zhuǎn)換的過程（即D/A轉(zhuǎn)換）。具有完成解碼功能的電路叫解碼器，常用的單路解碼器種類有加權(quán)網(wǎng)絡(luò)型、級(jí)聯(lián)型和混合型三種。,1.單路解碼器的工作原理,以加權(quán)網(wǎng)絡(luò)型解碼器為例來說明解碼工作原理，圖3-16所示為加權(quán)網(wǎng)絡(luò)型解碼器的工作原理框圖。,圖3-16加權(quán)網(wǎng)絡(luò)型解碼器工作原理圖,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,2.單片集成PCM編解碼器,以2914PCM編解碼器為例說明，其由三大部分組成：（1）發(fā)送部分（編碼單元）；（2）接收部分（解碼單元）；（3）控制部分。,3.單路解碼器的應(yīng)用,目前，單路編解碼器的主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：（1）傳輸系統(tǒng)的音頻終端設(shè)備，如各種容量的數(shù)字終端機(jī)和各種復(fù)合轉(zhuǎn)換設(shè)備；（2）用戶環(huán)路系統(tǒng)和數(shù)字交換機(jī)的用戶系統(tǒng)、用戶集線器等；（3）用戶終端設(shè)備，如數(shù)字電話機(jī)；（4）綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的用戶終端。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.4差分脈沖編碼調(diào)制DPCM,差值脈沖編碼調(diào)制（DPCM：DifferentialPulseCodeModulation）是一種靠傳輸樣值差值，并對(duì)差值進(jìn)行量化和編碼的一種通信方式。它一般是以預(yù)測(cè)的方式來實(shí)現(xiàn)的。,3.4.1差分脈沖編碼調(diào)制DPCM的基本概念,3.4.2DPCM的編碼、解碼過程,1.DPCM的編、解碼原理,這種脈沖編碼調(diào)制方式，在發(fā)送端首先將模擬的語音信號(hào)進(jìn)行抽樣，然后通過比較器的比較得到樣值的差值信號(hào)，在編碼過程中是對(duì)樣值的差值信號(hào)進(jìn)行量化和編碼，編碼得到的數(shù)字信號(hào)通過信道的傳輸?shù)竭_(dá)接收端，接收端有和發(fā)送端可逆的一系列電路設(shè)備，通過解碼還原出樣值的差值信號(hào)，再經(jīng)過相加器得到恢復(fù)的近似樣值信號(hào)，最后經(jīng)過低通濾波器的平滑作用，恢復(fù)和重建原始模擬信號(hào)。,下面我們以圖3-19來說明DPCM的編、解碼原理及過程。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,圖3-19DPCM的原理框圖（a）發(fā)送端的編碼過程；(b)接收端的解碼過程,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,2.差值的傳輸和預(yù)測(cè)值的形成,3.4.2DPCM的編碼、解碼過程,1）差值的傳輸可實(shí)現(xiàn)通信各個(gè)信號(hào)序列的表示及樣值序列的恢復(fù)如圖3-20所示,在圖3-20（a）中，我們假設(shè)樣值序列為s(0)、s(1)、s(2)、s(3)s(n)，假設(shè)d(i)是本時(shí)刻樣值與前一相鄰時(shí)刻樣值之間的差值，我們就可以得到d(i)=s(i)-s(i-1)，當(dāng)t=0時(shí)刻時(shí)，前鄰時(shí)刻（-T）的樣值是0，所以有d(0)=s(0)如圖3-20（b）所示。從圖3-20（a）中可以看出：,假如在傳輸過程中傳輸?shù)氖窍噜彉又档牟钪敌盘?hào)，我們只要找到一種電路可以把前一段時(shí)間內(nèi)的所有差值信號(hào)積累起來，那么就可以通過傳輸差值信號(hào)來傳輸樣值信號(hào)了，于是人們采用了延遲記憶回路圖3-20（c）來實(shí)現(xiàn)差值的積累，所以，差值的傳輸可實(shí)現(xiàn)通信。,（3-19）,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,圖3-20差值序列、樣值序列和樣值序列的恢復(fù)(a)樣值序列；(b)差值序列；(c)樣值序列的恢復(fù),第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,2）預(yù)測(cè)值的形成,DPCM是將差值脈沖序列進(jìn)行量化和編碼在送到信道中傳輸?shù)?。所以最關(guān)鍵的問題就是差值的檢出，也就是如何檢測(cè)出前鄰樣值形成預(yù)測(cè)值的過程。,根據(jù)式3-19我們可以得到前鄰樣值s(n-1)=d(i),但是DPCM是將差值量化和編碼，因此前鄰樣值只能由差值的量化值來形成。但是由量化值形成的前鄰樣值是一個(gè)估計(jì)值。用sp(n)來表示估計(jì)值，從圖3-19和圖3-21可知：,（3-20）,由圖3-21可以看出，樣值量化值等于所有過去到現(xiàn)在的差值量化值的積累，而預(yù)測(cè)值等于過去所有差值量化值的積累，所以：,（3-23）,3）量化誤差樣值的量化誤差為：,從式子中可以看出一個(gè)重要的結(jié)論：樣值的量化誤差等于差值的量化誤差，所以樣值的量化誤差僅僅是由差值量化器決定的。,（3-24）,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,圖3-21估計(jì)預(yù)測(cè)值的形成,3.DPCM的解碼與信號(hào)重建這部分主要電路是低通濾波器，在接收端將收到的碼字解碼后變換成差值量化值。將差值量化值恢復(fù)為樣值量化值的回路是與發(fā)送端預(yù)測(cè)部分回路相同的，所以可以得到信號(hào)公式，結(jié)論：樣值量化值序列只要通過低通濾波器就可以重建出原始模擬話音信號(hào)，有一定的量化失真，但是不影響通信系統(tǒng)的正常工作。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.4.3DPCM的性能分析,1.過載特性,假設(shè)輸入信號(hào)是正弦信號(hào)，其最大斜率為，為了防止斜率過載，應(yīng)該滿足如下關(guān)系：,（3-25）,所以臨界過載電壓為：,當(dāng)最小量化階一定時(shí)，過載能力隨著fs的增大，碼位n的增多而增強(qiáng)，碼位數(shù)增多，信道的數(shù)碼率也隨之增大。同時(shí)，過載能力與輸入信號(hào)頻率成反比，限制了輸入信號(hào)的幅頻特性。,（3-26）,2.信噪比,DPCM系統(tǒng)的最大信噪比可以采用如下公式計(jì)算：,（3-31）,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,DPCM的信噪比性能要優(yōu)于均勻量化的PCM系統(tǒng)，此外，由于DPCM信碼各位的加權(quán)值相差很大，因此，DPCM系統(tǒng)抗誤碼能力不如M系統(tǒng)。但又優(yōu)于PCM系統(tǒng)，這是因?yàn)镈PCM系統(tǒng)的碼位數(shù)較少。于是，DPCM系統(tǒng)廣泛用于數(shù)字圖象通信中。,3.4.4ADPCM基本原理,自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制（ADPCM：adapitivedifferentiapulsecodemodulation）是在DPCM編碼技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。前面簡(jiǎn)單介紹了DPCM的工作原理，但為了能進(jìn)一步提高DPCM方式的質(zhì)量還需采取其它改進(jìn)措施，即添加自適應(yīng)系統(tǒng)。,圖3-22為自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）的原理框圖。從圖中可以看出來，ADPCM編碼系統(tǒng)的編碼和解碼電路基本和DPCM編碼系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)是相同的，不同的就是在DPCM的基礎(chǔ)上加上了兩部分電路：自適應(yīng)量化部分和自適應(yīng)預(yù)測(cè)部分，使編碼系統(tǒng)的性能得到很大程度上的優(yōu)化。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,圖3-22自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制的原理框圖(a)編碼過程；(b)解碼過程,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.5增量調(diào)制（M或DM）,3.5.1增量調(diào)制原理,增量調(diào)制實(shí)現(xiàn)的基本思想是用一個(gè)階梯波來逐漸逼近一個(gè)模擬信號(hào)，下面以簡(jiǎn)單增量調(diào)制為例來介紹一下增量調(diào)制的工作原理和量化噪聲的分析。圖3-23為簡(jiǎn)單增量調(diào)制過程中階梯波逐漸逼近模擬信號(hào)的示意圖。,圖3-23簡(jiǎn)單增量調(diào)制的波形示意圖,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,1.增量調(diào)制原理,編碼規(guī)則：當(dāng)前一個(gè)樣值大于、等于前一個(gè)譯碼樣值時(shí)，編“1”碼當(dāng)前一個(gè)樣值小于前一個(gè)譯碼樣值時(shí)，編“0”碼我們知道了增量調(diào)制的編碼規(guī)則，根據(jù)這個(gè)規(guī)則，我們可以對(duì)圖3-23中的f(t)信號(hào)進(jìn)行編碼。編碼結(jié)果如圖3-23所示（橫軸下面）增量調(diào)制的編碼也需要相應(yīng)的編碼電路來實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單增量調(diào)制編碼系統(tǒng)如圖3-24所示，,2.增量調(diào)制的解碼原理,增量調(diào)制的解碼原理如圖3-25所示：它主要由積分譯碼器和低通濾波器組成。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,圖3-24簡(jiǎn)單增量調(diào)制的編碼系統(tǒng),圖3-25增量調(diào)制的解碼原理框圖,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.5.2增量調(diào)制的量化噪聲,1.增量調(diào)制中的噪聲來源,噪聲來源主要有以下幾種：一般量化噪聲、過載量化噪聲、誤碼噪聲。,2.量化信噪比S/Nq,1)信號(hào)功率S,不發(fā)生過載時(shí)的正弦信號(hào)的最大功率S為：,2)量化噪聲功率Nq,經(jīng)過低通濾波器后的一般量化噪聲功率Nq為：,（3-36）,（3-37）,3)量化信噪比S/Nq由式(3-36)和(3-37)，可以求出簡(jiǎn)單增量調(diào)制的量化信噪比S/Nq為：,（3-38）,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.6壓縮編碼技術(shù),3.6.1語音壓縮編碼技術(shù),1.基本概念及分類語音編碼就是將模擬語音信號(hào)數(shù)字化，數(shù)字化之后可以作為數(shù)字信號(hào)傳輸、存儲(chǔ)或處理，可以充分利用數(shù)字信號(hào)處理的各種技術(shù)。為了減小存儲(chǔ)空間或降低傳輸比特率節(jié)省帶寬，還需要對(duì)數(shù)字化之后的語音信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，這就是語音壓縮編碼技術(shù)。語音的壓縮編碼方法歸納起來可以分為三大類：1）波形編碼；2）參數(shù)編碼；3）混合編碼。,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,3.6.2圖象壓縮編碼技術(shù),要實(shí)現(xiàn)圖象通信的數(shù)字傳輸，最基本的問題就是要將模擬電視信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電視信號(hào)。模擬電視信號(hào)是連續(xù)的波動(dòng)信號(hào)，而數(shù)字信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字編碼的脈沖信號(hào)。要將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼，把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。,1.圖象信號(hào)的抽樣,2.圖象信號(hào)的量化,3.圖象信號(hào)的編碼,4.圖象壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)化,常用的MPEG標(biāo)準(zhǔn)分為：MPEG-1和MPEG-2,第3章模擬信號(hào)數(shù)字化與信源編碼,實(shí)驗(yàn)1脈沖幅度調(diào)制與解調(diào),一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.通過觀察基帶信號(hào)、脈沖幅度調(diào)制信號(hào)、抽樣時(shí)鐘的波形及頻譜，并注意觀察它們之間的相互關(guān)系及特點(diǎn)，了解脈沖幅度調(diào)制波形的頻譜特性，理解脈沖幅度調(diào)制的原理和特點(diǎn)。2.改變基帶信號(hào)或抽樣時(shí)鐘的頻率，重復(fù)觀察，進(jìn)一步加深對(duì)脈沖幅度調(diào)制的原理的理解。,二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備