2 设计原理

2.1 硬件框图 话音输入 低通滤波 抽样 量化 编码 信道 话音输入 低通滤波 抽样 量化 编码

图2-1 PCM系统原理框图

2.2 脉冲编码调制PCM

脉冲编码调制PCM主要包括抽样、量化与编码3个过程。抽样是把连续时间的模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号；量化是把离散时间连续幅度的抽样信号转换成离散时间离散幅度的数字信号；编码是用二进制代码来表示量化后的抽样信号。

图2.2.2 模拟信号数字化过程

2

2.2.1 抽样

模拟信号通常是在时间上连续的信号。在一系列离散点上，对这种信号抽取值称为抽样。理论上，抽样过程可以看做周期性单位冲激脉冲和此模拟信号相乘。

抽样定理：若一个连续模拟信号

s(t)的最高频率小于fH，则以时间间隔为

T?1/2fH的周期性冲激脉冲对其抽样时，s(t)将被这些抽样值所完全确定。

恢复原信号的条件是率

fs?2fH,即抽样频率fs应不小于2fH。

这一最低抽样频

2fH称为奈奎斯特抽样速率。与此相应的最小抽样时间间隔称为奈奎斯特抽

样间隔。

2.2.2 量化

模拟信号的量化分为均匀量化和非均匀量化，由于均匀量化的主要缺点是，无论抽样值大小如何，量化噪声的均方根值都固定不变。因此，当信号

m(t)较

小时，则信号量化噪声功率比也就很小。这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常，把满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围，可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这个缺点，实际中，往往采用非均匀量化。

实际中，非均匀量化的实际方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩。广泛采用的两种对数压缩律是u压缩律和A压缩律。

A律具有如下特性：

Ax1y?,0?X?1?lnAA

1?lnAx1y?,?X?11?lnAA

3

由于A律压缩实现较复杂，常使用13折线法编码。它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，本设计中所用到的PCM编码正是采用这种压扩特性来进行编码的。图2-3示出了这种压扩特性。

图2-3 13折线曲线

下表是13折线法和A=87.6时的A律压缩法的比较 表2-1 i 8 7 1/8 6 2/8 5 3/8 4 4/8 3 5/8 2 6/8 1 7/8 0 1 1 1 8 1/4 y?1?i/8 0 A律x值 13折线法 0 0 1/128 1/60.6 1/30.6 1/15.4 1/7.79 1/3.93 1/1.98 1/128 1 16 2 16 1/64 3 8 1/32 4 4 1/16 5 2 1/8 6 1 1/4 7 1/2 1/2 x?1/2 折线段号 折线斜率 i 4

2.2.3 编码

编码是用二进制代码来表示量化后的抽样信号，编码的逆过程称为译码。 理论上，任何一种从量化电平值到二进制码组的一一映射都可以作为一种编码。有不同的编码方法可以将量化电压编码。常用的编码有两种，即自然二进制码和折叠二进制码。由于折叠二进制码可以大大简化编码电路和编码过程，且误码对于小电压的影响较小，对小信号有利；另外，语音信号小电压的出现概率较大，所以采用折叠码有利于减小语音信号的平均量化噪声。

在13折线法中，采用的折叠码有8位,分别为： 第一位

c1:表示量化值的极性正负。

c2~c5）

：表示段落码，共计3位。可以表示8种斜率的段落；c5~c8）为段内码，可以表示每一段落内的16种量化电平。段

第二~四位（最后4位（

内代表的16个量化电平是均匀划分的。

所以，最后7位码总共能表示2^7=128种量化值。表2-2和表2-3给出了段落码和段内码的编码规则。

量化间隔 段落序号 c5c6c7c8 ccc234段内码段落码

15 1111 8 111 14 1110 7 110 13 1101 6 101 12 1100 5 100 11 1011 4 011 10 1010 3 010 9 1001 2 001 8 1000 1 000

7 0111 表2-2 段落码的编码规则 6 0110 5 0101 4 0100 3 0011 2 0010 1 0001 0 0000

表2-3 段内码的编码规则

5