第6 差分脉冲编码调制
脉冲编码调制
脉冲编码调制* 脉码调制(Pulse Code Modulation)。
是一种对模拟信号数字化的取样技术，将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。
PCM 对信号每秒钟取样8000 次；每次取样为8 个位，总共64 kbps。
取样等级的编码有二种标准。
北美洲及日本使用Mu-Law 标准，而其它大多数国家使用A-Law 标准。
* PCM主要经过3个过程：抽样、量化和编码。
抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号，量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。
相关概念：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。
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。
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。
脉冲编码调制(PCM,Pulse Code Modulation)。
)Claude E. Shannon于1948年发表的“通信的数学理论”奠定了现代通信的基础。
同年贝尔实验室的工程人员开发了PCM技术，虽然在当时是革命性的，但今天脉冲编码调制被视为是一种非常单纯的无损耗编码格式，音频在固定间隔内进行采集并量化为频带值，其它采用这种编码方法的应用包括电话和CD。
PCM主要有三种方式：标准PCM、差分脉冲编码调制(DPCM)和自适应D PCM。
在标准PCM中，频带被量化为线性步长的频带，用于存储绝对量值。
在DPCM中存储的是前后电流值之差，因而存储量减少了约25%。
自适应DPCM改变了DPCM的量化步长，在给定的信造比(SNR)下可压缩更多的信息。
希望我的回答对你有用biwaywbdk2009-08-18 23:02:50FANUC数控系统的操作及有关功能(北京发那科机电有限公司王玉琪)发那科有多种数控系统，但其操作方法基本相同。
脉冲编码调制
模拟信号数字化
1．极性码B1 极性码B1表示信号样值的正负极性，“1”表示正极性，“0”表示 负极性。
2．段落码B2 B3 B4 段落码B2 B3 B4可表示为000～111，表示信号绝对值处在哪个段落，3 位码可表示8个段落，代表了8个段落的起始电平值。
3．段内码B5 B6 B7 B8 段内码B5 B6 B7 B8用于表示抽样值在任一段落内所处的位置，4位码表 示为0000～1111，代表了各段落内的16个量化电平值。由于各段落长度
数字与数据通信技术
模拟信号数字化
脉冲编码调制
1.1 脉冲编码调制的基本原理 编码就是把量化后的信号转换成代码的过程。有多少个量化值就需要 有多少个代码组，代码组的选择是任意的，只要满足与样值成一一对应的 关系即可，PCM编码采用的是折叠二进制码。这里讲的编码是对语声信号 的信源编码，是将语声信号（模拟信号）变换成数字信号，编码过程是摸 /数变换，记作A / D；解码是指数字信号还原成模拟信号，是数/摸变 换，记作D/A。 在A律13折线编码中，正负方向共有16个段落，在每一段落内有16个均 匀分布的量化电平，因此总的量化电平数N=16×16=256=28，编码位数n=8。 设B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8为8位码的8个比特，各位码字的意义如下。
模拟信号数字化
（2）第二次比较 确定段落码的第二位B3，在第一次比较的基础上。△i/2=448△＋16△/2=456△
量化误差= 解码电平 样值的绝对值 = 456 454 2
模拟信号数字化
1.2 编码
目前采用较多的是逐级反馈型编码器来实现非线性编码。逐次反馈型 编码原理框图如图3.9所示，由整流、极性判断、保持、比较、本地译码 器等主要几部分组成。样值PAM信号分作两路，一路送入极性判断进行判 决，编出极性码B1。另一路信号经整流电路变成单极性信号；保持电路 对样值在编码期间内保持抽样的瞬时幅度不变；本地译码器的作用是将 除极性码以外的B2～B8各位码逐位反馈，并生成与之对应的判定门限Ur； 比较器根据整流电路送来的样值幅度与本地译码器输出的判定值进行比 较，逐位形成B2～B8各位码。图3.11中，US代表信号幅度，Ur代表本地解 码的输出，把Ur作为每次比较的起始标准；当Us>Ur时，比较器判断输出 “1”；当Us<Ur时，比较器判断输出“0”。
通信原理-脉冲编码调制(PCM)
第3章 脉冲编码调制(PCM)
通常我们用模拟信号（Analogsignal）和数字信号 （Digitalsignal）的英文头一个字母把模拟信号变成数 字信号的过程简称为A/D转换，把数字信号变成模拟信 号的过程简称为D/A转换。图1―3中的信源编码实际上 就是A/D转换，信源解码也就是D/A转换。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
3.2 抽样
PCM过程可分为抽样、量化和编码等三步，第一 步是对模拟信号进行信号抽样。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 3―1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。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
而 收 信 端 恢 复 的 只 能 是 量 化 后 的 信 号 m(t) ， 而 不 能恢复出k(t)，这样就使得收、发的信号之间有误差。 显然，这种存在于收、发信号之间的误差是由量化造 成的，我们称其为量化误差或量化噪声。比如在上例 中，量化间隔为1，由于采用“四舍五入”进行量化， 因此量化噪声的最大值是0.5。一般地说，量化噪声的 最大绝对误差是0.5个量化间隔。这种量化间隔都一样 的量化叫做均匀量化。
第3章 脉冲编码调制(PCM)
那么如果我们在一定的取值范围内把量化值多取 几个（量化级增多），也就是把量化间隔变小，则量 化噪声就会减小。比如，把量化间隔取成0.5，则上例 的量化值就变成14个，量化噪声变为0.25。显然量化噪 声与量化间隔成反比。但是在实际中，我们不可能对 量化分级过细，因为过多的量化值将直接导致系统的 复杂性、经济性、可靠性、方便性、维护使用性等指 标的恶化。比如，7级量化用3位二进制码编码即可； 若量化级变成128，就需要7位二进制码编码，系统的 复杂性将大大增加。
脉冲编码调制(PCM)及其数字通信的特点
A / D变化 m(t) 抽样 ms (t) 低通 滤波 译码 mq (t) 量化 mq (t)
编码
信道
干扰
m(t)
PCM系统原理框图
7 量化电平数 M＝8 5 3 1 0 Ts 精确抽样值 量化值 PCM 码组 单极性传输 码 2.22 2 0 1 O 0 1 4.38 4 0 0 1 0 5.24 5 1 0 1 2.91 3 1 … t 2.22 4.隙 t
二、数字通信的主要特点
1. 数字通信的主要优点
（1）抗干扰能力强；
（2）差错可控；
（3）易加密；
（4）易于与现代技术相结合。 2. 需待解决的问题 （1）提高频带利用 ； （2）简化系统设备结构。
数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统 频带为代价而换取的。以电话为例，一路模拟电话通常只 占据4kHz带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话可能 要占据 20～60kHz的带宽，因此数字通信的频带利用率不 高。另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备比 较复杂。不过，随着新的宽带传输信道（如光导纤维）的 采用、 窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通 信的这些缺点已经弱化。随着微电子技术和计算机技术的 迅猛发展和广泛应用，数字通信在今后的通信方式中必将 逐步取代模拟通信而占主导地位。
脉冲编码调制（PCM）及 其数字通信的特点
电工组
脉冲编码调制（PCM）
脉冲编码调制 (PCM) 简称脉码调制，它是一种用 一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而 实现通信的方式。由于这种通信方式抗干扰能力强， 它在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了 极为广泛的应用。 PCM是一种最典型的语音信号数字化的波形编码 方式， 其系统原理框图如图所示。首先，在发送端进 行波形编码 ( 主要包括抽样、量化和编码三个过程 ) ， 把模拟信号变换为二进制码组。编码后的PCM码组的 数字传输方式可以是直接的基带传输，也可以是对微 波、光波等载波调制后的调制传输。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量，便可得到重建信号。
脉冲编码调制PCM
脉冲编码调制（PCM）什么是脉冲编码调制（PCM）脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，简称PCM）是一种数字通信技术，用于将模拟信号转化为数字信号进行传输。
PCM是一种有损压缩算法，它将连续模拟信号离散化成固定的采样值，并使用一定的编码方案进行表示。
脉冲编码调制的原理脉冲编码调制的原理主要包括三个步骤：采样、量化和编码。
采样采样是指对连续的模拟信号进行间隔一定时间采集取样。
采样过程中，将模拟信号的幅度值在时间轴上不断取样并离散化。
采样率是指每秒钟采集的样本数，通常以赫兹（Hz）为单位。
较高的采样率可以更准确地还原模拟信号。
量化量化是指将采样得到的模拟信号幅度值映射到离散的数值上，以减少数据量。
量化的单位被称为量化水平或量化位数，通常以比特（bit）为单位。
较高的量化位数可以提供更高的精度，但也会增加数据量。
编码编码是将量化后的离散信号转换为二进制码流，以便通过数字通信系统进行传输。
常用的编码方式包括直接二进制编码（Differential Pulse Code Modulation，DPCM）、调制码（Delta Modulation，DM）和PAM（脉冲幅度调制）等。
脉冲编码调制的应用脉冲编码调制广泛应用于音频、视频和数据传输等领域。
以下是一些常见的应用场景：电话通信脉冲编码调制被广泛应用于传统的电话通信系统中。
通过PCM，模拟信号可以转换成数字化的信号，并通过电话网络进行传输。
音频编码在音频编码中，PCM被用于将模拟音频信号转换为数字音频信号，以便于储存和传输。
常见的音频编码标准包括CD音质的16位PCM编码和DVD音质的24位PCM编码。
数字视频在数字视频处理中，PCM常用于将模拟视频信号转换为数字视频信号，以实现高质量的视频编码和传输。
PCM可以通过降低采样率和量化位数，来减小视频数据的体积。
数据传输PCM也广泛用于数据传输领域，特别是在传输需要高精度和可靠性的信号时。
PCM(脉冲编码调制)介绍及PCM编码的原理 毕业论文---PCM量化13折线
PCM（脉冲编码调制）介绍及PCM编码的原理摘要在数字通信信道中传输的信号是数字信号，数字传输随着微电子技术和计算机技术的发展，其优越性日益明显，优点是抗干扰强、失真小、传输特性稳定、远距离中继噪声不积累、还可以有效编码、译码和保密编码来提高通信系统的有效性，可靠性和保密性。
另外，还可以存储，时间标度变换，复杂计算处理等。
而模拟信号数字化属信源编码范围，当然信源编码还包括并/串转换、加密和数据压缩。
这里重点讨论模拟信号数字化的基本方法——脉冲编码调制，而模拟信号数字化的过程（得到数字信号）一般分三步：抽样、量化和编码。
本文讲述了PCM（脉冲编码调制）的简单介绍，以及PCM编码的原理，并分别对PCM的各个过程，如基带抽样、带通抽样、13折线量化、PCM编码以及PCM 译码进行了详细的论述，并对各过程在MATLAB7.0上进行仿真，通过仿真结果，对语音信号的均匀量化以及非均匀量化进行比较，我们得出非均匀量化教均匀量化更加有优势。
关键词：脉冲编码调制抽样非均匀量化编码译码AbstractIn the digital communication channel signal is digital signal transmission, digital transmission with the microelectronics and computer technology, its advantages become increasingly evident, the advantage of strong anti-interference, distortion, transmission characteristics of stable, long-distance relay is not the accumulation of noise Can also be effective encoding, decoding and security codes to improve the effectiveness of communications systems, reliability and confidentiality.Digitized analog signal range of source coding is, of course, also include the source code and / serial conversion, encryption and data compression. This focus on the simulation of the basic methods of digital signals - pulse code modulation, while the analog signal the digital process (to get digital signals) generally three steps: sampling, quantization and coding.This paper describes the PCM (pulse code modulation) in a brief introduction, and the PCM coding theory, and were all on the PCM process, such as baseband sampling, bandpass sampling, 13 line quantization, PCM encoding and decoding PCM a detailed Are discussed and the process is simulated on MATLAB7.0, the simulation results, the uniformity of the speech signal quantification and comparison of non-uniform quantization, we have come to teach non-uniform quantization advantage of more than uniform quantizationKeywords：Pulse Code Modulation Sampling Non-uniform quantization Coding Decoding目录1 前言 (1)2 PCM原理 (2)2.1 引言 (2)2.2 抽样(Sampling) (3)2.2.1. 低通模拟信号的抽样定理 (3)2.2.2 抽样定理 (4)2.2.3. 带通模拟信号的抽样定理 (7)2.3 量化（Quantizing） (8)2.3.1 量化原理 (8)2.3.2均匀量化 (10)2.3.3 非均匀量化 (11)2.4 编码（Coding） (18)2.5 译码 (24)2.6 PCM处理过程的其他步骤 (26)2.7 PCM系统中噪声的影响 (27)3 算例分析 (29)3.1 无噪声干扰时PCM编码 (30)3.2 噪声干扰下的PCM编码 (36)结论 (42)致谢 (43)参考文献 (44)附录 (45)1 前言数字通信系统中信道中传输的是数字信号，数字传输随着微电子技术和计算机技术的发展，其优越性日益明显，优点是抗干扰强、失真小、传输特性稳定、远距离中继噪声不积累、还可以有效编码、译码和保密编码来提高通信系统的有效性，可靠性和保密性。
脉冲编码调制解调实验要点
2012-2013 第二学期开放实验项目题目两路话音+两路计算机数据综合传输系统实验学生姓名_______________专业名称：电子信息工程指导教师：______________2013年5月20日脉冲编码调制解调实验一、实验原理（一）基本原理PCM调制原理框图1、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，模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化。
模拟信号的量化2、编码所谓编码就是把量化后的信号变换成二进制码，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。
二）实验电路说明模拟信号在编码电路中，经过抽样、量化、编码，最后得到PCM 编码信号。
在单路编译码器中，经变换后的PCM 码是在一个时隙中被发送出去的，在其他的时隙中编译码器是没有输出的，即对一个单路编译码器来说，它在一个PCM 帧（32 个时隙）里，只在一个特定的时隙中发送编码信号。
同样，译码电路也只是在一个特定的时隙（此时隙应与发送时隙相同，否则接收不到PCM 编码信号）里才从外部接收PCM 编码信号，然后进行译码，经过带通滤波器、放大器后输出。
（三）输入、输出点参考说明1、输入点说明MCLK ：芯片工作主时钟，频率为2.048M 。
SIN IN-A ：模拟信号输入点。
BSX ：PCM 编码所需时钟信号输入点。
BSR：PCM 解码所需时钟信号输入点。
FSXA ：PCM 编码帧同步信号输入点。
FSRA ：PCM 解码帧同步信号输入点。
PCMIN-A ：PCM 解调信号输入点。
EARIN1 ：耳机语音信号输入点。
MICOUT1 ：麦克风语音信号输出点。
K1、K2 : A律、卩律切换开关PCMAOUT-A ：脉冲编码调制信号输出点。
SIN OUT-A : PCM 解调信号输出点。
二、实验步骤1 、将信号源模块和模块2 固定在主机箱上，将黑色塑封螺钉拧紧，确保电源接触良好。
项目六 脉冲编码调制PCM
2020/2/3
通信原理 13
项目六 脉冲编码调制PCM
补充－－关于带通型连续信号的抽样 带通抽样定理：一个带通信号x(t)，其上截止频率为fH，
标准，规定国际间通信采用A律特性。
2020/2/3
通信原理 30
项目六 脉冲编码调制PCM
（1）模拟压缩特性 1）μ律压缩特性
压缩器具有如下关系的压缩律:
y = ln(1 x) ,0 x 1 ln(1 )
y
1
1000 100
式中: y－－ 归一化的压缩输出电压: 压缩器的输出电压
• 这样就使信噪比在大、小信号的整个范围内基本 一致。
• 这种采用非均匀分层的方法称为非均匀量化。
2020/2/3
通信原理 24
项目六 脉冲编码调制PCM
• 非均匀量化的基本思想：量化阶距随输入信号的 幅度不同而改变。
• 在信号幅度大时，量化阶距大，在信号幅度小时， 量化阶距小。
• 在量化级数不变的前提下，使得量化信噪比在大 小信号时基本一致。
信号。Ts=1/(2fH)是最大允许抽样间隔，它被称为奈奎
斯特间隔，相对应的最低抽样速率fs=2fH称为奈奎斯特
速率。
Xs()
2020/2/3
O
2
Ts
通信原理 12
项目六 脉冲编码调制PCM
• 如果采样频率远大于2fH ，所得到的采样信号将包 含大量冗余信息。
• 在实际应用中，通常采样频率取为 （2.5-5） fH 。 • 一路电话信号的频带为300～3400Hz，fm=3400Hz，
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当
，
量化为
当
，
量化为
当
，
量化为
当
，
量化为
图(b)表示经抽样与量化后的 信号波形，图(c)是编码器输 出的DPCM码。若设正脉冲表 示二进制数字"0",负脉冲表示 "1",则编码器输出的DPCM码 为:0101010000000 。
2.DPCM编码
由式（6-1）产生的预测误差 e(k) 虽 然与样本值 x(t) 比较一般是不大的量， 但由于信号某段中可能增、减斜率较大， 因此阶梯波 追x%(k踪) 能力就显不足，会
6.2 差分脉冲编码调制（DPCM）
•编码器中的预测器与解码器中的预测器完全 相同 。
•DPCM原理方框图
DPCM预测原理
DPCM系统 中，总量化 误差只和差 值信号的量 化误差有关
编码器：图6-1给出了一个实现DPCM功
能的系统框图。它实现预测编码的基本设计 构思是，对预测误差 e(k) 进行量化后，编成 PCM码传输。这一差值的动态范围应当说比 PCM的绝大多数样本值小的多。PAxM(k)序列的 所用的参考值来自于带有预测器，而不断累 积的阶梯波输出，x%(k )是在以前所有累积值与 差值量化值eˆ(k) 相加的结果。因此阶梯波x%(k) 总是在不断近似追踪输入序列PAM信号的各
最后算出DPCM系统的输出信噪比为
比较DPCM和PCM系统的性能
•PCM系统的输出信噪比为
• DPCM系统的输出信噪比为
可以看出，当N和fs/fc比较大时，DPCM 系统的性能要优于PCM。
•
DPCM与PCM的区别是，在PCM
中用信号抽样值进行量化，编码后传输。
而DPCM则是用信号mt 与 mt 的差值进
x(k ) 值。
图6-1 DPCM功能系统框图
1.各量值之间关系 • （1）系统输入的瞬时样本值与累积
阶梯波之差为误差值，即
• x(k) x%(k) e(k) (6-1)
• （2）比较器输出的误差值 e(k) 经M个量化电平的量化器量化后 为 eˆ(k) ，它等于误差值与量化误 差值之和中，由于误差范围 被量
化为M个电平，所以
， 所以
•下面求DPCM系统的量化噪声功率
此时误差信号的量化误差的范围为 参见118页5-26，量化噪声功率为
假设量化后的误差信号具有均匀的功率谱 密度，而DPCM系统输出数字信号的码元速率 为 ，所以可以认为噪声频谱均匀地分布 于频带宽度为 ，的范围内，所以可求得 此时的单边功率谱密度为 经截止频率为fm的低通滤波器后，得到噪声功 率为
xˆ(k) x(k) q(k) (6-4) 或
x(k) xˆ(k) q(k) (6-5)
（5）由于预测输出（通过分析阶梯波）x%(k ) 是个累积过程，因此，式（6-1）可写为
N
e(k) x(k) x%(k) x(k) aixˆ(k i) i1
(6-6) 式中，ai 1 表示单位幅度的正负权值系 数。
导致瞬时差值 较大e(k，) 况且通过量化
器得到的量化值 又有eˆ新(k)的损失 量 q(k) 。因此对于各时刻 kTs 的正负不 等的差值需进行编码。
• 分析证明，对于动态范围远小于原
信号动态范围的量化差值 eˆ(k) 编制PCM 码（线性），要比直接利用PCM系统所 需的编码位数 k log2 M 要少。
ADPCM是在差分脉冲编码调制(DPCM)的基础上 发展起来的。
•压缩的可能性？
任何信号,不论语音或图像,采用直接采 样-量化-编码的方式进行编码,都会发现码 组之间具有很强的相关性。由于相关性的 存在,传输数据中存在大量不需要传输的信 息,称为冗余。当利用PCM方式编码时，这 些相邻样本很可能在一个量化级，或只差1、 2个量化级，这样的PCM码序列，就产生 了“冗余”信息。
• 以两位编码(N=2)来说明DPCM的编码过程。
由于N=2，所以误差信号的量化电平数
。
•假设4个量化电平分别为 ， ， ， 它们分别由二进制脉冲(双极性信号)++,+-,-+,-表示。误差信号的抽样、量化和编码过程如 图所示。
图(a)表示对误差信号的抽样、 量化，图中的红色空心圆点 表示误差信号的抽样值，图 中的蓝色实心圆点表示误差 信号量化后的值。
3.DPCM解码
DPCM解码方式如图6-3所示。 接收端将差值PCM信号通过解码器 变换为差值序列 eˆ(k) ，然后经过预 测器进行累加积分，恢复原信号的 近似值， x%(k) 生成阶梯波，再由低 通滤波器（LPF）平滑后，可得原信 号 x(k) 的估值信号。
图6-3 DPCM解码方式
•DPCM系统的性能
eˆ(k) e(k) q(k) （6-2）
• 式中， q(k) 表示差值 e(k) 的量化 误差（量化噪声）。
（3）预测器的输入值等于阶梯波 累积值与差值的量化值之和
xˆ(k) x%(k) eˆ(k) (6-3)
（4）通过系统中的预测处理后，x(k) 的最终损失为量值不大的差值量化 噪声 q(k) ，则有
行量化，再进行编码。经DPCM调制后的 信号，抽样值压缩比大，并且比PCM信噪 比改善14～17dB。
•
DPCM与M 区别是是：在M 中是
用一位二进制码表示增量，而在DPCM中
用几位二进制表示增量。由于它增多了量
化级，因此在改善量化噪声方面优于 。
压 缩 的
概 念
•自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)
以较低的速率获得高质量编码，一直是语音编码 追求的目标。通常，人们把话路速率低于64kb/s的 语音编码方法，称为语音压缩编码技术。
自适应差分脉冲编码调制是语音压缩中复杂度较 低的一种编码方法，它可在32kb/s的比特率上达到 64kb/s的PCM数字电话质量。近年来，ADPCM已 成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。
• 这意味着夹杂有重复信息传输而浪 费传输能力。如果设法在编码前就去 掉这些相关性很强的冗余，则可进行 更为有效的信息传输。具有此种功能 而普遍采用的编码机制，称为差分脉 冲编码调制（DPCM）。
•实现差分编码的一个好办法是根据前 面的k个样值预测当前时刻的样值。 编码信号只是当前样值与预测值之间 的差值的量化编码。