第五章模拟信号的波形编码
语音信号波形编码的基本过程
语音信号波形编码的基本过程语音信号波形编码的基本过程包括以下步骤：
1. 采样：从时间上连续变化的模拟信号中取出若干个有代表性的样本值，来代表这个连续变化的模拟信号。
根据奈奎斯特采样定理，要从采样值序列中完全恢复成原始波形，采样频率必须大于原始信号最高频率的2倍。
2. 量化：将采样得到的幅度样本分层量化，即把每个样本的值限制在一定的范围内，例如8位、16位或32位等。
3. 编码：将量化后的样本值转换成数字代码，例如PCM（脉冲编码调制）编码或ADPCM（自适应差分脉冲编码调制）编码等。
4. 解码：将收到的数字序列经过解码和滤波恢复成模拟信号。
这个过程是编码的反过程，即将数字代码转换回模拟信号。
(仅供参考)PCM编码规则
说明：
其中：带宽 B= f H - f L ，M=[ f H /( f H - f L )]-N,N 为不超过 f H /( f H - f L )的最大正
整数。由此可知,必有 0≤M<1。
高频窄带信号， f H 大而 B 小， f L 当然也大。因此带通信号通常可按 2B 速率抽样；
当 f S > 2B(1+M/N) 时 可能出现频谱混叠现象（这一点是与低频现象不同的）；
∑ xˆ(t
)
=
h(t
)
∗
x
S
(t
)
=
1 TS
n
∞
x(nTS
=−∞
)
sin ω ωH
H
(t
(t −
− nTS nTS )
)
该式是重建信号的时域表达式，称为内插公式。
说明：以奈奎斯特速率抽样带限信号 x(t) 可以由其抽样值利用内插公式重建。这等效为将抽样原信
号通过一个冲激响应为 sin ωH t ωH t 的 LPF 来重建 x(t) 。
抽样定理分类： （1） 根据信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分低通抽样定理和带通抽样定理； （2） 根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的，又分为均匀抽样定理和非均匀抽样
定理； （3） 根据抽样脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列，又可以分为理想抽样和实际抽样。
5.2.1 低通抽样定理
内容：一个频带限制在 (0, f H ) 内的连续信号 x(t) ，如果抽样频率 f S 大于或等于 2 f H ，则可以由抽
5.2 低通与通带抽样定理
抽样定理实质：是一个连续模拟信号经抽样变成离散序列后，能否由此离散序列值重建原始模拟信 号的问题。大意是如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值后，那么 根据它的抽样值就能够重建信号。也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需要 传输按抽样定理得到的抽样值即可。因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。
波形编码技术
波形编码技术目录简介先决条件要求使用的组件规则脉冲编码调制过滤采样数字化语音量子化和编码压缩扩展A-law 和 u-law 压缩扩展差分脉冲编码调制自适应 DPCM特定于 32 Kb/s 的步骤相关信息简介模拟通信已经很发达了，但是模拟传输还不是特别有效。
当模拟信号由于传输损失而变弱时，很难将复杂的模拟结构从随机的传输噪音结构中分离出来。
如果放大模拟信号，噪音也会放大，最终会导致模拟连接由于过于嘈杂而无法使用。
只具有“一位”和“零位”状态的数字信号则更容易从噪音中分离出来。
它们可以被无损放大。
在长距离连接中，数字编码更不容易受到噪音损失的影响。
此外，世界上的通信系统已转为使用一种名为“脉冲编码调制”(PCM) 的数字传输格式。
PCM 是一种被称为“波形”编码的编码类型，因为它针对原始语音波形创建了一种编码形式。
本文档概要介绍模拟语音信号到数字信号的转换过程。
先决条件要求本文档没有任何特定的要求。
使用的组件本文档不限于特定的软件和硬件版本。
规则有关文档规则的详细信息，请参阅 Cisco 技术提示规则。
脉冲编码调制PCM 是 ITU-T G.711 规范中定义的一种波形编码方法。
过滤将模拟信号转换为数字信号的第一步，就是过滤掉信号中的高频分量。
这使得信号在下游更容易转换。
大多数语音的能量都在 200 或 300 赫兹到 2700 或 2800 赫兹之间。
针对标准语音和标准语音通信，建立了大约 3000 赫兹的带宽。
因此，无需使用高精度的滤波器（这种滤波器非常昂贵）。
从设备的角度来看，需要准备 4000 赫兹的带宽。
这种频带限制滤波器用于防止失真（反失真）。
在输入模拟语音信号的采样不足，即 Nyquist 准则中 Fs < 2(BW) 时，就会发生这种情况。
采样频率低于输入模拟信号的最高频率。
这就会在样本的频谱和输入模拟信号之间造成重叠。
而用于重建原始输入信号的低通输出滤波器则不足以检测到这种重叠。
通信原理第5章
(2)
三、实际抽样 ------自然抽样
自然抽样的特点
平顶抽样：
5.2 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。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 x(t ) 。
1 Ts= 是最大允许抽样间隔，它被称为奈奎斯特间隔，相对 2 fH 应的最低抽样速率fs=2fH称为奈奎斯特速率。
混叠现象
信号的重建
该式是重建信号的时域表达式， 称为内插公式。 它说 明以奈奎斯特速率抽样的带限信号x(t)可以由其样值利用内
插公式重建。这等效为将抽样后信号通过一个冲激响应为
际标准中取μ=255。另外，需要指出的是μ律压缩特性曲线 是以原点奇对称的， 图中只画出了正向部分。
2、A律压扩特性
Ax 1 ln A ,0 x 1 / A z 1 ln( Ax) ,1 / A x 1 1 ln A
• • •
x——压缩器归一化输入电压 z——压缩器归一化输出电压 μ ——压缩器参数
量化的物理过程
q7
x q x q x (t)
q
信号的实际值
6
量化误差
6
信号的量化值
波形编码参数编码和混合编码
波形编码参数编码和混合编码波形编码的原理是利用模拟信号在不同条件下的变化来表示不同的数字值。
例如，利用正弦波信号的振幅来表示0和1，我们可以通过改变振幅的大小来表示不同的数字值。
这种编码方式称为振幅调制（Amplitude Modulation）。
除了振幅调制外，波形编码还使用其他编码方式，如频率调制（Frequency Modulation）和相位调制（Phase Modulation）。
频率调制利用正弦波信号的频率来表示数字信息，而相位调制则通过改变正弦波信号的相位来表示数字值。
参数编码（Parameter Coding）是一种将数字信息转换为一系列参数的编码方式。
这些参数可以是数字的大小、位置、颜色等。
通常，参数编码用于将数字信息嵌入到图像、音频和视频等多媒体数据中。
参数编码的原理是将数字信息转换为一系列可变的参数，然后将这些参数嵌入到多媒体数据中。
例如，在图像编码中，可以将数字信息嵌入到像素的亮度或色度分量中。
在音频编码中，可以将数字信息嵌入到音频的频谱特征中。
通过解码器，接收方可以提取出嵌入的数字信息。
混合编码（Hybrid Coding）是一种将波形编码和参数编码结合起来的编码方式。
它通过同时使用波形编码和参数编码来提高编码的效率和准确性。
混合编码的原理是在波形编码中使用参数编码的思想，将数字信息嵌入到波形信号的参数中。
例如，在波形编码中使用频率调制，可以将数字信息嵌入到正弦波信号的频率变化中。
混合编码在实际应用中具有广泛的应用。
例如，在音频编码中，混合编码可以同时利用振幅调制和参数编码来实现高质量的音频传输。
在图像编码中，混合编码可以将数字信息嵌入到图像的亮度和色度分量中，从而实现图像的高保真传输。
总之，波形编码、参数编码和混合编码是数字通信中常用的编码方式。
它们通过将数字信息转换为模拟信号或参数来传输和嵌入数字信息。
不同的编码方式适用于不同的应用场景，可以提供高质量和高效率的数字通信。
数字通信PPT课件
-2-
Principles of Digital Communications
从理论上讲，语音信号包含大量的冗余，这个速率完全是 可以压缩的，信源编码技术的核心就是研究压缩编码算法， 用尽可能低的传信率获得尽可能好的语音质量。
按照处理方式的不同，信源压缩编码方法有以下几种：
• 概率匹配编码：根据编码对象出现的概率分配不同长 度的代码，以保证总的代码长度最短。
• 预测编码：利用信号之间的相关性，预测未来信号， 对预测的误差(或残差)进行编码。
• 变换编码：利用信号在不同函数空间分布的不同，选 择合适的函数变换将信号从一种信号空间变换到另一 种更有利于压缩编码的信号空间，再进行编码。
-3-
Principles of Digital Communications
0.125
< 50 0.125
-8-
Principles of Digital Communications
5.2 语音信号的波形编码
1. 脉冲编码调制(PCM)
m(t)抽样A/D来自换 msq(t)量化编码
ms(t)
干扰 信道
m^(t)
低通 滤波
m^sq(t) 译码
PCM通信系统模型
-9-
Principles of Digital Communications
• 编解码延时：对语音信号的分帧处理以及复杂的算法实现 会产生比较明显的编解码延时，它与传输延时一起构成了 系统的主要延时。在实时语音系统中，总延时太长会影响 双方的正常交谈。一般要求语音编解码延时低于100ms。
-5-
Principles of Digital Communications
• 算法复杂度：考虑到硬件实现的可能性、复杂度和成本， 一种实用的算法必须在保持一定性能的前提下，尽可能将 其运算复杂度降到最低。
通信技术基础习题答案
第一章习题1、试举出假设干个模拟信号与数字信号的例子。
答：模拟信号：语音信号等数字信号：计算机处理数据等。
2、请说明有线电视、市、调频广播、移动、校园网等通信系统各使用哪些信道。
答：有线电视：同轴电缆市：双绞线调频广播：无线信道移动：无线信道校园网：双绞线、同轴电缆或光纤3、试述通信系统的组成。
答：通信系统包括五个组成局部：1〕信源；2〕发送设备；3〕接收设备；4〕信宿；5〕信道。
4、一个有10个终端的通信网络，如果采用网型网需要用到多少条通信链路？如果采用星型网需要有多少条通信链路？答：网状网：45条；星状网：10条5、试述传码率，传信率，误码率，误信率的定义，单位。
并说明二进制和多进制时码元速率和信息速率的相互关系。
答：1〕传码率是指单位时间通信系统传送的码元数目，单位为“波特〞或“B〞。
2〕传信率也称为比特率〔bit rate〕，是指单位时间通信系统所传送的信息量，单位为“bit/s〞或“bps〞。
3〕误码率就是码元在传输系统中被传错的概率，Pe=传输中的误码/所传输的总码数。
4〕误信率是指发生过失的信息量在信息传输总量中所占的比例，Peb=系统传输中出错的比特数/系统传输的总比特数。
r=Rmlog2m〔bit/s〕式中，r为传信率，Rm为m进制的传码率。
6、描述点对点通信的几种方式。
答：对于点对点之间的通信，按消息传送的方向与时间，通信方式可分为单工通信、半双工通信与全双工通信三种。
7、线路交换与分组交换的区别在哪里？各有哪些优点？答：线路交换：网上的交换设备根据用户的拨号建立一条确定的路径，并且在通信期间保持这条路径，从被呼用户摘机建立通话开始到一方挂机为止，这条线路一直为该用户所占用。
线路交换的很大一个优点是实时性好。
分组交换：分组交换是一种存储与转发的交换方式，很适合于数据通信。
它将信息分成一系列有限长的数据包，并且每个数据包都有地址，而且序号相连。
这些数据包各自独立地经过可能不同的路径到达它们的目的地，然后按照序号重新排列，恢复信息。
通信原理各章重要知识
第一部 各章重要习题及详细解答过程第1章 绪论1—1 设英文字母E 出现的概率为0.105，x 出现的概率为0.002。
试求E 及x 的信息量。
解：英文字母E 的信息量为105.01log 2=E I =3.25bit 英文字母x 的信息量为002.01log 2=x I =8.97bit 1—2 某信息源的符号集由A 、B 、C 、D 和E 组成，设每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4、l/8、l/8/、3/16和5/16。
试求该信息源符号的平均信息量。
解：平均信息量，即信息源的熵为∑=-=ni i i x P x P H 12)(log )(=41log 412-81log 812-81log 812-163log 1632-165log 1652- =2.23bit/符号1—3 设有四个消息A 、BC 、D 分别以概率1/4、1/8、1/8和l/2传送，每一消息的出现是相互独立的，试计算其平均信息量。
解：平均信息量∑=-=ni i i x P x P H 12)(log )(=41log 412-81log 812-81log 812-21log 212-=1.75bit/符号1—4 一个由字母A 、B 、C 、D 组成的字。
对于传输的每一个字母用二进制脉冲编码，00代替A ，01代替B ，10代替C ，11代替D ，每个脉冲宽度为5ms 。
(1)不同的字母是等可能出现时，试计算传输的平均信息速率。
(2)若每个字母出现的可能性分别为P A =l/5，P B =1/4，P C =1/4，P D =3/10 试计算传输的平均信息速率。
解：(1)不同的字母是等可能出现，即出现概率均为1／4。
每个字母的平均信息量为∑=-=ni i i x P x P H 12)(log )(=41log 4142⨯-=2 bit/符号因为每个脉冲宽度为5ms ，所以每个字母所占用的时间为 2×5×10-3=10-2s每秒传送符号数为100符号／秒 (2)平均信息量为∑=-=ni i i x P x P H 12)(log )(=51log 512-41log 412-41log 412-103log 1032-=1.985 bit/符号平均信息速率为 198.5 比特/秒1—5 国际莫尔斯电码用点和划的序列发送英文字母，划用持续3单位的电流脉冲表示，点用持续1个单位的电流脉冲表示；且划出现的概率是点出现概率的l/3；(1)计算点和划的信息量；(2)计算点和划的平均信息量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
时域中，抽样信号可表示为：xs (t) x(t)T (t)
单位冲击函数可表示为：
T (t) (t nTs )
n
故有： xs (t) x(t) T (t) x(t) (t nTs ) x(nTs ) (t nTs )
n
7
5.1.2 抽样
1. 低通抽样定理
抽样定理：一个频带限制在（0，fH）内的连续信号x(t)， 如果抽样频率fs大于或等于2 fH ，则可以由样值序列 {x(nTs)}无失真地重建原始信号x(n)。
通常进行等间隔T抽样；
理论上，抽样过程 ＝ 周期单位冲激脉冲模拟信号； 实际上，抽样过程 ＝ 周期性单位窄脉冲模拟信号；
冲编码调制（PCM）
PCM调制过程有抽样、量化和编码三个步骤。 电话语音信号的PCM码组由8位二进制码组成。
6
脉冲编码调制原理
模拟信源产生要传输的模拟信 号；
预滤波器为带限滤波器； 波形编码器将模拟信号变换成
数字编码信号； 信号经传输到达接收端，在接
收端再将数字编码信号转换成 模拟信号。
t
理想滤波器是不能实现的。实用滤波器的截止特性不可能 做到如此陡峭。所以，实用的抽样频率fs必须比2fH 大一些。
典型电话信号的最高频率通常限制在3400 Hz，而抽样频率 通常采用8000 Hz。
12
2. 带通抽样定理
设带通模拟信号的频带限制在fL和fH之间
即其频谱最低频率大于fL，最高频率小于fH，信号带 宽B = fH －fL。可以证明，此带通模拟信号所需最小 抽样频率fs等于
14
带通抽样定理分析
当fL = 0时，fs ＝2B，就是低通模拟信号的抽样 情况；
fL很大时，fs趋近于2B。
fL很大意味着这个信号是一个窄带信号。 许多无线电信号，例如在无线电接收机的高频和中频
系统中的信号，都是这种窄带信号。 对于这种信号抽样，无论fH是否为B的整数倍，在理
抽样信号 抽样信号 量化信号
011
100
100
011 011
100
100 编码信号
t
3
本章目录
5.1 脉冲编码调制 (PCM) 5.2 差分脉码调制 (DPCM) 5.3 增 量 调 制 (∆Ｍ) 5.4 时 分 复 用 (TDM)
4
5.1 脉冲编码调制（PCM）
5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7 5.1.8
时域 相乘
频域 卷积
10
设理想低通传递函数为：
1,
H ( )
H
则滤波器输出为：
0, H
Xˆ () Xs ()H () Xs () rect( / 2H ) 根据时域卷积定理，可获得重建信号：
1 Ts
X ()
xˆ(t)
xs (t)
h(t )
M fs 2B(1 N )
式中，B － 信号带宽；
-fH -fL 0 fL fH f
N － 商(fH / B)的整数部分，N =1，2，…；
M － 商(fH / B)的小数部分，0 < M < 1。
13
由于B= fH - fL ，所以: (1) 当0 fL < B时，有B fH < 2B。这时N = 1，而上式变成了fs
论上，都可以近似地将fs取为略大于2B。
15
3. 自然抽样
由于理想T (t) 无法得到，所以设抽样脉冲序列
为c(t) p(t nTs ) ，则抽样信号为xs (t) x(t) c(t)
。
n
又因为 c(t)
Cne jnst
n
，其中Cn
1 Ts
Ts / 2 Ts / 2
p(t)ejn stdt
所以，有：xs (t)
n
频域中，由于
T
( )
2 Ts
n
(
ns )
所以，有：
X s ( )
1 2
X
( )
T
( )
1 Ts
X ( )
n
(
ns )
1 Ts
n
X (
ns )
9
抽样信号的时域与频域对照：
脉冲编码调制的基本原理 抽样 量化 均匀量化和线性PCM编码 非均匀量化 对数量化及其折线近似 A律PCM编码原理 PCM信号的码元速率和带宽
5
5.1.1 脉冲编码调制的基本原理
PCM是波形编码中最重要的一种方式。
模拟信号为调制信号 二进制脉冲序列为载波 模拟信号的抽样值改变脉冲序列的码元取值，故称脉
= 2B(1 + M)。故当M从0变到1时，fs从2B变到4B，即图中左 边第一段曲线。 (2) 当fL＝B时，fH＝2B，这时N = 2。故当M＝0时，上式变成 了fs = 2B，即fs从4B跳回2B。当B fL < 2B时，有2B fH < 3B。这时，N = 2，上式变成了fs = 2B(1 + M/2)，故若M从0 变到1，则fs从2B变到3B，即图中左边第二段曲线。 (3) 当fL＝2B时，fH＝3B，这时N = 3。当M＝0时，上式又变成 了fs = 2B，即fs从3B又跳回2B。依此类推。
第五章 模拟信号的波形编码
1
Hale Waihona Puke 言1．模拟信号数字化 抽样－量化－编码
2．编码方式
(1)波形编码：时域波形变换为数字代码序列。
方法简单,重建信号的质量好,占用频带宽
(2)参量编码：--提取语音信号的特征参量 ，再变换为 数字代码。
方法复杂,重建信号的质量差,占用频带窄
2
数字化三步骤：抽样、量化和编码
n
x(nTs
)(t
nTs
)
1 Ts
sin H t Ht
1 Ts
n
x(nTs )
sinH (t nTs ) H (t nTs )
内插公 式
11
•恢复原信号的方法：
•频域：当fs ≥2fH时，用一个截止频率为fH的理想低通滤 波器就能够从抽样信号中分离出原信号。 •时域：当用抽样脉冲序列通过此理想低通滤波器时，滤 波器的输出就是一系列冲激响应之和。这些冲激响应之 和就构成了原信号。