13第十三讲脉冲编码调制(PCM)和译码

其中第1位码C１的数值“1”或“0”分别表示信号的正、 负极性，称为极性码。
第2至第4位码C2C3C4 为段落码，表示信号绝对值处在哪个段 落，3位码的8种可能状态分别代表8个段落的起点电平。 但 应注意，段落码的每一位不表示固定的电平， 只是用它们的 不同排列码组表示各段的起始电平。
表 7 –5 段 落 码 段落 序号 8 7 6 5 4 3 2 1 段落码
C2
1 1 1 1 0 0 0 0
C3
1 1 0 0 1 1 0 0
பைடு நூலகம்C4
1 0 1 0 1 0 1 0
i = C2C3C4 + 1 最小量化间隔 : ∆ = 第1段起始电平 : 0∆ 第i段起始电平 : 2
i+2
段落码
1 1 1 × = 128 16 2048 ∆
1
1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0
表7-7 13 折线幅度码及其对应电平
假设以非均匀量化时的最小量化间隔∆=1/2048作为均匀 量化的量化间隔，那么从13折线的第一段到第八段的各段所 包含的均匀量化级数分别为16、16、32、64、128、256、512、 1024，总共有2048个均匀量化级(11位）， 而非均匀量化只有 128个量化级(7位） 。 按照二进制编码位数N与量化级数M的关系：M=2N， 均匀量 化需要编11位码，而非均匀量化只要编7位码。通常把按非均 匀量化特性的编码称为非线性编码；按均匀量化特性的编码 称为线性编码。 可见，在保证小信号时的量化间隔相同的条件下，7位非 线性编码与11位线性编码等效。由于非线性编码的码位数减 少，因此设备简化，所需传输系统带宽减小。
2. 码位的选择与安排 至于码位数的选择，它不仅关系到通信质量的好坏， 而 且还涉及到设备的复杂程度。 码位数的多少，决定了量化分层的多少，反之，若信号量化 分层数一定，则编码位数也被确定。 在信号变化范围一定时，用的码位数越多，量化分层越细， 量化误差就越小，通信质量当然就更好。 但码位数越多，设备越复杂，同时还会使总的传码率增加， 传输带宽加大。 一般从话音信号的可懂度来说，采用3~4位非线性编码即可， 若增至7~8位时，通信质量就比较理想了。
表 7 – 4 常用二进制码型
样值脉冲极性 格雷二进制 1000 1001 1011 1010 1110 1111 1101 1100 0100 0101 0111 0110 0010 0011 0001 0000 自然二进码 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 折叠二进码 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 量化级序号 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
保持电路的作用是在整个比较过程中保持输入信号的幅度 不变。 由于逐次比较型编码器编7位码(极性码除外)需要在一 个抽样周期Ts以内完成Is与IW的7次比较，在整个比较过程中都 应保持输入信号的幅度不变，因此要求将样值脉冲展宽并保持。 这在实际中要用平顶抽样，通常由抽样保持电路实现。 附
带指出，原理上讲模拟信号数字化的过程是抽样、量化以后才 进行编码。但实际上量化是在编码过程中完成的，也就是说， 编码器本身包含了量化和编码的两个功能。下面我们通过一个 例子来说明编码过程。
译码 mq(t)
1. 码字和码型 码字和码型 PCM中一般采用二进制码。 对于M个量化电平，可以用N位二进制码来表示，其中的每一 个码组称为一个码字。 为保证通信质量， 目前国际上多采用8位编码的PCM系统。 码型指的是代码的编码规律，其含义是把量化后的所有量化 级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出各对应的码 字，这种对应关系的整体就称为码型。 在PCM中常用的二进制码型有三种：自然二进码、折叠二进 码和格雷二进码（反射二进码）。
隔，它仅有输入信号归一化值的1/2048，记为Δ，代表一个量 化单位。第八段最长，它是归一化值的1/2，将它等分16小段后， 1/2 16 每一小段归一化长度为 64∆。
1 ， 包含64个最小量化间隔，记为 32
如果以非均匀量化时的最小量化间隔∆=1/2048作为输入x轴的单 位， 那么各段的起点电平分别是0、16、32、64、128、 256、 512、1024个量化单位。
0001111111 1 000 0010000000 0 0011111111 1 00 0 0 00000100000 1100000 0100000000 0 第7段 00000111111 1101111 0111111111 1 0 000 0 0 00001000000 1110000 1000000000 0 00001111111 第8段 00 1111111 1111111111 1 0000 0 0
7 − 11变换 :
1000000 0 000000 00000000000 第5段 第1段 1001111
7位
11位
0001000000 0
0001111 00000001111 0 010000 00000010000 第 6段 1010000 第2段 1011111 0011111 00000011111 0100000 第3段 0101111 0110000 第4段 0111111
当样值脉冲Is到来后，用逐步逼近的方法有规律地用各 标准电流IW 去和样值脉冲比较，每比较一次出一位码。当Is ＞IW 时，出“1”码，反之出“0”码，直到IW和抽样值Is逼近 为止，完成对输入样值的非线性量化和编码。
位时钟脉冲 D1 抽样值 PAM C1 极性判决 D2 D3 Is 整流 保持 IW 比较判决 C 2～C 8 C2 7/11 变 换 C3 记 忆 本地 译码器 C8 … … D8 PCM码流
3. 编码原理 编码原理 编码器的任务是根据输入的样值脉冲编出相应的8位二进制代 码。 实现编码的具体方法和电路很多， 如有低速编码和高速编码、 线性编码和非线性编码； 逐次比较型、级联型和混合型编码器。 这里只讨论目前常用的逐次比较型编码器原理。 除第一位极性码外，其他7位二进制代码是通过类似天平称重 物的过程来逐次比较确定的。
＋
B1 B2 恒流源 B 11 …
恒流源也称11位线性解码电路或电阻网络，它用来产生各 种标准电流IW。在恒流源中有数个基本的权值电流支路，其个 数与量化级数有关。按A律13折线编出的7位码，需要11个基 本的权值电流支路，每个支路都有一个控制开关。每次应该哪 个开关接通形成比较用的标准电流IW，由前面的比较结果经变 换后得到的控制信号来控制。 7／11变换电路就是前面非均匀量化中谈到的数字压缩器。 由于按A律13折线只编7位码，加至记忆电路的码也只有7位， 而线性解码电路（恒流源）需要11个基本的权值电流支路， 这就要求有11个控制脉冲对其控制。因此，需通过7／11逻辑 变换电路将7位非线性码转换成11位线性码，其实质就是完成 非线性和线性之间的变换。
Ⅱ Ⅲ Ⅶ
Ⅷ
第1段量化间隔 : ∆ 第i段量化间隔 : 2i − 2 ∆
Ⅰ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
x
图 7 – 24 段落码与各段的关系
第5至第8位码C5C6C7C8为段内码，这4位码的16种可能状 态用来分别代表每一段落内的16个均匀划分的量化级。 段内码 与16个量化级之间的关系如表 所示。
电平序号 段内码 c5c6c7c8 15 14 13 12 11 10 9 8 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 7 6 5 4 3 2 1 0 电平序号 段内码 c5c6c7c8 0111 0110 0110 0101 0011 0010 0001 0000
例 7 .5.1 设输入信号抽样值Is=+1270∆（∆为一个量化单位， 表示输入信号归一化值的1/2048），采用逐次比较型编码器, 按A律13折线编成8位码C1C2C3C4C5C6C7C8。 解 编码过程如下：
（1）确定极性码C1：由于输入信号抽样值Is为正，故极性 码C1=1。 （2） 确定段落码C2C3C4： 参看表 7 - 7 可知，段落码C2是用来表示输入信号抽样值 Is处于13折线8个段落中的前四段还是后四段，故确定C2的标 准电流应选为 IW=128∆
在 13 折 线 编 码 中 ， 普 遍 采 用 8 位 二 进 制 码 ， 对 应 有 M=28=256个量化级，即正、负输入幅度范围内各有128个量 化级。这需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化 级，由于每个段落长度不均匀，因此正或负输入的8个段落 被划分成8×16=128个不均匀的量化级。按折叠二进码的码 型，这8位码的安排如下： 极性码 C1 段落码 C2C3C4 段内码 C5C6C7C8
C3是用来进一步确定Is处于5~6段还是7~8段，故确定C3的标 准电流应选为 IW=512∆ 第二次比较结果为Is＞IW， 故C3=1，说明Is处于7~8段。 同理， 确定C4的标准电流应选为 IW=1024∆
与自然二进码相比，折叠二进码的优点是: 1.对于语音这样的双极性信号，只要绝对值相同，则可以采 用单极性编码的方法，使编码过程大大简化。 2. 在传输过程中出现误码， 对小信号影响较小。 这一特性是十分可贵的，因为语音信号小幅度出现的概率比 大幅度的大，所以，着眼点在于小信号的传输效果。
格雷二进码的特点是任何相邻电平的码组，只有一位码位 发生变化，即相邻码字的距离恒为1。译码时，若传输或判决 有误，量化电平的误差小。另外，这种码除极性码外，当正、 负极性信号的绝对值相等时，其幅度码相同，故又称反射二 进码。但这种码不是“可加的”，不能逐比特独立进行， 需 先转换为自然二进码后再译码。 因此，在采用电路进行编码时，一般均用折叠二进码和自然 二进码。 通过以上三种码型的比较，在PCM通信编码中，折叠二进码 比自然二进码和格雷二进码优越，它是A律13折线PCM 30/32 路基群设备中所采用的码型。