脈沖編碼調(diào)制過程

（江蘇省徐州技師學(xué)院 江蘇 徐州 221151）

信源輸出的原始電信號是在時(shí)間和幅度上均為連續(xù)的，這種信號稱為模擬信號。數(shù)字信號指信號在時(shí)間和幅度上均為離散的，幅值表示被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。二進(jìn)制碼就是一種數(shù)字信號。

模/數(shù)（A/D）變換的方法采用得最早而且目前應(yīng)用得比較廣泛的是脈沖編碼調(diào)制（PCM）。利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號，首先需要在發(fā)送端把模擬信號變成數(shù)字信號，即進(jìn)行模/數(shù)變換，主要有三步驟：抽樣、量化、編碼；再用數(shù)字通信的方式進(jìn)行傳輸；最后在接收端把數(shù)字信號還原為模擬信號，即進(jìn)行數(shù)/模（D/A）變換，其主要步驟是解碼、低通濾波。

1.抽樣

抽樣的任務(wù)是對模擬信號進(jìn)行時(shí)間上的離散化處理，即每隔一段時(shí)間對模擬信號抽取一個(gè)樣值，抽樣后的信號為PAM信號，此信號仍然是模擬信號，而非數(shù)字信號，因?yàn)镻AM信號在時(shí)間上是離散的，而在幅度上有無限多個(gè)。

抽樣是模擬信號數(shù)字化的第一步。在接收端，要從離散的樣值脈沖中不失真地恢復(fù)出原模擬信號，實(shí)現(xiàn)重建任務(wù)。

模擬信號的頻率范圍為f0-fh，帶寬B=fh-f0，其中fh是上限頻率，f0是下線頻率。如果f0＜B，稱之為低通型信號，話音信號就是低通型信號；若f0＞B，則稱之為帶通信號，載波12路群信號（頻率范圍為60～108kHz）就屬于帶通型信號。

例如，話音信號的頻率限制在300～3400Hz，帶寬B=fh-f0=3400-300=3100HZ，300HZ＜3100HZ，所以話音信號就是低通型信號。這時(shí)滿足抽樣定理的最低的抽樣頻率應(yīng)為fs=6800Hz，為了留有一定的防衛(wèi)帶，CCITT規(guī)定話音信號的抽樣率fs=8000Hz，這樣就留出了8000-6800=1200Hz作為濾波器的防衛(wèi)帶。應(yīng)當(dāng)指出，抽樣頻率fs不是越高越好，太高時(shí)，將會降低信道的利用率，所以只要能滿足fs≥2fh并有一定頻帶的防衛(wèi)帶即可。而對于帶通型信號，如果仍然按照這個(gè)抽樣，雖然能滿足樣值頻譜不產(chǎn)生重疊的要求，但是無疑fs太高了（因?yàn)閹ㄐ盘柕膄h高），將降低信道頻寬的利用率，這是不可取的。

2.量化

2.1 所謂量化。就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時(shí)值PAM將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把無限多個(gè)瞬時(shí)抽樣值用最接近的有限個(gè)電平值來表示。此時(shí)信號變成數(shù)字信號。

做法：將PAM信號的幅度變化范圍劃分為若干個(gè)小間隔，每一個(gè)小間隔叫做一個(gè)量化級。相鄰兩個(gè)樣值的差叫做量化級差，用δ表示。當(dāng)樣值落在某一量化級內(nèi)時(shí)，就用這個(gè)量化級的中間值來代替。該值稱為量化值。

2.2 量化誤差。用有限個(gè)量化值表示無限個(gè)取樣值，總是含有誤差的。由于量化而導(dǎo)致的量化值和樣值的差稱為量化誤差，用e（t）表示。

即

e（t）=量化值-樣值

量化過程存在量化誤差，在還原信號的D/A轉(zhuǎn)換后，這種誤差作為噪聲再生，稱為量化噪聲。量化噪聲是數(shù)字通信的主要噪聲源，克服方法之一是增加量化級數(shù)，會使得量化誤差減小，噪聲也跟著減小，但量化級數(shù)不能過多，因?yàn)樾枰辔粩?shù)的代碼去表示每一個(gè)量化級，這樣就需要提高傳輸速率，將給信號的傳輸和設(shè)備制造帶來困難。

量化可以分為均勻量化與非均勻量化兩種方式。各量化分級間隔相等的量化方式即為均勻量化。均勻量化時(shí)在整個(gè)輸入信號的幅度范圍內(nèi)量化級的大小都是相等的。各量化分級間隔不相等的量化方式即為非均勻量化。非均勻量化的特點(diǎn)是：信號幅度小時(shí)，量化間隔小其量化誤差也小；信號幅度大時(shí)，量化間隔大，其量化誤差也大，量化噪聲也大。

3.編碼

編碼是把模擬信號樣值變換成對應(yīng)的二進(jìn)制碼組。量化后的樣值是離散的，采用A律13折線編碼，最終換成二進(jìn)制數(shù)（即僅有0、1）。

國際標(biāo)準(zhǔn)化的PCM碼組（電話語音）是八位碼組代表一個(gè)抽樣值。

解碼過程是數(shù)/模變換，通常記作D/A。

采用A律13折線編碼時(shí)所需的碼位數(shù)是8位，

其具體安排是：

經(jīng)過模/數(shù)變化過程，每一個(gè)模擬值轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制碼，滿足了數(shù)字通信傳輸信道的要求。PAM為正值時(shí)，a1取值為1，PAM為負(fù)值時(shí)，a1取值為0；a2a3a4取值為000-111，表示第1至第8段；a4a5a6a7取值為0000-1111，表示每一段內(nèi)十六等分的第1段至第16段。

接收端的數(shù)/模變換包含了譯碼和低通濾波器兩部分。譯碼是編碼的反過程，它將接收到的PCM信號還原為抽樣信號（實(shí)際為量化值，它與發(fā)送端的抽樣值存在一定的誤差，即量化誤差）。低通濾波器的作用是恢復(fù)或重建原始的模擬信號。它可以看作是抽樣的反變換。

數(shù)字通信與模擬通信相比，其優(yōu)點(diǎn)為：抗干擾能力強(qiáng)，沒有噪聲積累；可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸并能保證質(zhì)量；能適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)要求，便于實(shí)現(xiàn)綜合處理；傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)字信號能直接被計(jì)算機(jī)接收和處理；便于采用大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，通信設(shè)備利于集成化；容易進(jìn)行加密處理，安全性更容易得到保證。