第 2章 语声信号数字化技术
2.1 语声信号数字化方式
2.2 抽 样
2.3 量 化
2.4 编码与解码
2.5 差值脉冲编码调制
2.6 参量编码
2.7 子带编码
2.1 语声信号数字化方式
2.1.1 PCM通信系统
脉冲编码调制通信（ PCM）是数字通信系统中主要形式之一。
图 2-1 PCM通信系统
（ 1） 第一部分相当于信源编码部分的模 /数变换 (A／ D)，它包括抽样、量化和编码。
（ 2） 第二部分相当于信道部分的信道和再生中继器。
（ 3） 第三部分相当于信源解码部分的数 /模变换 (D／ A)，它包括再生、解码和低通滤波。
1
抽样就是每隔一定的时间间隔 T，抽取模拟信号的一个瞬时幅度值 (样值 )，样值序列或样值信号。
2
将 PAM信号在幅度上离散化，处理成为时间上和幅度上都是离散的符号序列，这个过程就是量化。
量化级，量化方法有四舍五入法、舍去法和补足法。
图 2-2 模拟信号被抽样过程图 2-3 采用舍去法的量化
由于量化而导致的量化值和样值的差称为量化误差。
量化误差大小与量化间隔有关。量化误差的影响会在电路中形成噪声，称作量化噪声。
3
编码就是将离散抽样值变成二进制码元的过程。
码字就是几位二进制码元 (1,0)的具体组合。一个码字中所包含的比特数 n，量化级数 N
N=2n
图 2-4 编码过程
4 再生中继
再生中继器将由终端设备输出的经过一段线路传输后产生了失真并叠加了干扰的数字信号，通过在再生中继器中加以均衡和再生，将信息码恢复成和发送端一样的脉冲再传送到下一站。
图 2-5 再生中继
5
解码是将 PCM信号还原为量化 PAM信号，
滤除离散脉冲中的谐波分量，取出其包络线
（低频分量）
重建 PAM
低通滤波器图 2-6 解码与低通滤波
2.1.2 语声信号编码的分类
3大类。
1
根据语声波形的幅度进行编码称波形编码，如 PCM,Δ M,ADPCM,SBC和 VQ等,特点是有较高重建信号的质量,
2
参量编码 (声码器 )是直接提取语声信号的一些特征参量，并对其编码。
3
混合编码是介于波形编码和参量编码之间的一种编码，即在参量编码的基础上,引入了一定的波形编码的特征,来达到改善自然度的目的。
2.2 抽样
2.2.1 抽样定理
,抽样定理”是数字通信原理中十分重要的定理之一，是模拟信号数字化、时分多路复用及信号分析处理等技术的理论依据之一。
图 2-7 抽样过程的原理示意图
时间离散信号 fs(t)。
输入信号 f (t)
Ts是开关的开闭周期； τ 抽样时间宽度。
图 2-8 抽样电路的模型
抽样电路的模型可用一个乘法器表示
fs ( t ) = f ( t ) · S Ω ( t )
图 2-9 抽样脉冲序列图 2-10 抽样信号的频谱
1
即抽样脉冲 SΩ的重复频率 fs必须不小于模拟信号最高频率的两倍，这就是低通型抽样定理。
图 2-11 折叠噪声
2 带通型抽样定理
低频率分量 fL
高频率分量 fH
低通型信号
带通型信号。
图 2-12 带通型信号示意图
当抽样频率满足下列条件时，可使
fs<2fH,并使抽样的样值序列频谱不产生重叠。
2fH 2fL
≤ f s ≤
n + 1 n
n 取 fl / B 的整数部分,
B = fH － fL
2 ( f L+ f h )
F s =
2n + 1
图 2-13 带通型样值信号频谱
2.2.2 抽样、保持电路
抽样由开关电路实现，保持则依靠储能元件实现。
1
抽样电路一般称为抽样开关或简称抽样门。
抽样门的电路种类很多，既可用分立元件
（如二极管、三极管和场效应管）组成，也可以选择集成抽样门电路。
图 2-14 二极管桥型双向抽样门电路图 2-15 抽样电路波形
2
,保持”就是将脉冲宽度展宽，其目的是为了编码。
图 2-16 具有脉宽的 PAM信号图 2-17 抽样保持电路图 2-18 CMOS4016四路双向模拟开关集成电放图 2-19 LE398抽样保持集成电路
2.2.3 分路、重建在 PCM系统中，设每一路的抽样频率为
fs,当 PCM系统是 n 路复用时，每一路的时间间隔为
1
fs
n
为了在每一路时隙内将每一抽样值编成 8
位码的码字，需要将每一路抽样值进行编码
1
的保持时间安排在 fs 内。
n
1
fs 时间轮流进行抽样保持一
n
次，不会重叠，发端在第 n 路抽样的信号一定会
在第路分离还原，
分路门
重建 PAM信号是由不同幅度的窄脉冲组成的，滤波器积分平滑作用的结果会使其输出值明显减小。
输出的复原信号发生严重的衰减，信噪比明显变差。必须对重建 PAM信号的每个样值在时间轴方向展宽保持，
抽样展宽电路用来形成矩形脉冲，为了解决孔径效应失真问题，在接收端恢复原模拟信号时，应加入具有孔径均衡特性的均衡网络。
图 2-20 接收端的分路、展宽和均衡框图
2.3 量化
量化就是把信号在幅度域上连续取值变换为幅度域上离散取值的过程。
量化误差
量化噪声
2.3.1 均匀量化及量化噪声计算
1 均匀量化
量化电平 Δ u 量化级差或量化间隔（阶距），
简写为 Δ 。
2 U
Δ =
N
N表示量化级数，是指最大样值信号幅度量化分层的区间数。
均匀量化是指在量化区内均匀等分 N个小间隔，相邻各量化级之间的量化级差 Δ 相等的量化，也称线性量化。
量化误差
e (t) = u0 – u
量化误差所产生的量化噪声就是由过载量化噪声和非过载量化噪声组成的。
图 2-21均匀量化特性曲线和量化误差特性
2
均匀量化噪声包括过载量化噪声和非过载量化噪声两部分，
非过载区内的最大量化误差为
Δ
emax(u) =
2
过载区内的量化误差，即过载量化误差会
Δ
大于 。而它的量化输出不再变化，
2
量化误差所产生的量化噪声的大小常用它的均方值即量化噪声功率表示
要减小量化噪声,只能增加量化级数,减小量化间隔。
图 2-22 量化噪声功率计算
3 均匀量化信噪比
量化信噪比即量化器输出端的平均
信号功率与量化噪声功率 ( u2e )与量
化噪声功率 ( Np )之比,
S
表示为,其中 S = u 2e,则
Np
S U2 u√2
= u2e / ( + e ue )
Np 3N2
S
当分贝表示的量化信噪比 ( ) 为
Np dB
S ( U/ue)2 u√2
( ) = － 10lg[ + e ue ]
Np dB 3 M2
ue 1 S
当在 > 时,( ) 主要
U 10 Np dB
由过载项决定。
均匀量化噪声功率与信号大小无关，只由量化级差 Δ决定，
通信系统要求：在信号动态范围达到 40dB
Um
（即 20lg = － 40 dB）的条件下，量化
U
信噪比不应低于 26 dB,n = 11.
均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。均匀量化信噪比的特点是小信号信噪比小，对提高通信质量不利。
2.3.2 非均匀量化及其实现方法
1 非均匀量化
非均匀量化是对大小信号采用不同的量化级差，即在量化时对大信号采用大量化级差，对小信号采用小量化级差，非均匀量化特性图 2-23 非均匀量化特性（幅值为正时）
非均匀量化的特点是：信号幅度小，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，
量化间隔大，其量化误差也大。
2
实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术，通常是将抽样样值通过压缩再进行均匀量化。
图 2-24 非均匀量化实现方框图图 2-25 压缩与扩张特性（正向部分）
目前 PCM通信系统中采用两种描述压缩扩张特性的方法：一种是以 μ 作为参量的压扩特性，叫做 μ 律特性；另一种是以 A作为参量的压扩特性，叫做 A律特性。
3 理想压缩特性
理想的压缩特性应使量化信噪比不随模拟输入信号的幅度而变，
图 2-26（ a） 归一化压缩器特性曲线图 2-26（ b）理想压缩特性曲线图 2-26（ c） 压缩律曲线
理想压缩特性曲线不能直接用于语声信号的编码，要做适当的修正。
4.μ 律压缩特性
μ 律压缩特性表示式为
In( 1 + μ x)
y =,0? x?1
In( 1 + μ )
y = 压缩器的输出电压 / 过载电压
x = 压缩器的输入电压 / 过载电压图 2-27 对应不同 μ值的压缩特性
5.A
（ 1） A律特性
以 A为参量的压缩特性叫做 A律特性,A律特性是以分区定义的函数来描述的。
① 0～ a段
Ax 1
y =,0 ＜ x ≤
1+lnA A
② a～ b段
1 1+lnAx 1
Y=1+ lnx=,≤x≤1
1+lnA 1+lnA A
A律压缩特性公式。
式中 A为压缩系数，表示压缩的程度。
（ 2） A律 13折线压缩特性
具体实现的方法是：先把 x轴的第一象限区间以 1/2递减规律分为 8个不均匀段，其分段点是 1,1/2,1/4,1/8,1/16,1/32，
1/64和 1/128；
然后将 y轴的［ 0,1］区间均匀分段，其分段点为 1,7/8,6/8,5/8,4/8,3/8,2/8
和 1/8，将 y轴分别与 x轴的 8段一一对应，就可以做出由 8段直线构成的一条折线，该折线和 A压缩律特性近似。
图 2-28 A律坟缩特性图 2-29 8段折线的分段示意图
由于第三象限和第一象限的①，②斜率均相同，可将此 4段视为一条直线，所以两个象限总共有 13段折线，称为 13折线。
表 2-2 A=87.6与折线压缩特性的比较折线段 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
y 1
8
2
8
3
8
4
8
5
8
6
8
7
8
1
X 1
128
1
60.6
1
30.6
4
15.4
1
7.79
1
3.93
1
1.98
1
安折线分段时的 x
1
128
1
64
1
32
4
16
1
8
1
4
1
2
1
图 2-30 A律 13折压缩特性
（ 3） A律 13折线压缩特性对小信号信噪比的改善
S S
( ) =( ) + 20lgki
MP dB(非均匀 ) Np Db(均匀 )
20lg ki是相同码字位数情况下非均匀量化相对均匀量化信噪比的改善量。
表 2-3 各段斜率及信噪比改善量段落号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
斜率
16 16 8 4 2 1 1/2 1/4
信噪比改善量
(dB)
24 24 18 12 6 0 － 6 － 12
表 2-4 n=7时非均匀量化信噪比的值
Li(dB)
(输入电平 )
－ 20 － 39 － 36 － 33 － 30 － 27 － 24 － 21
S
Np dB
26 29 32 29 32 29 32 29
Li(dB) － 18 － 15 － 12 － 9 － 6 － 3 0
S
( )
Np(dB)
32 29 32 29 32 29 32
2.4 编码和解码
编码，就是把量化后的 信号 转换成 代码的过程。
编码 过程是模 /数变换，记作 A/D；
解码 是指数字信号还原成模拟信号，解码过程是数 /模变换，记作 D/A。
2.4.1 码型
码型指的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，列出各自对应的 码字,这个 整体 就称为码型。
表 2-5 3种常用的二进制码型的编码量化电平序号 信号极性 普通 二进制码 循环 二进制码 折叠 二进制码
a1 a2 a3 a4 a1 a2 a3 a4 a1 a2 a3 a4
15
正极性部分
1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1
14 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0
13 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1
12 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0
11 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1
10 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0
9 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1
8 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0
7
负极性部分
0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0
6 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1
5 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0
4 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1
3 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0
2 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1
1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1
(1)
普通二进制码其编码与一般的二进制数相对应。
即 8421编码
(2) 循环二进制码 (格雷码 )
循环二进制码的特点是 相邻 两个量化级的码字之间 只有 1位码 发生变化，即相邻码字的码距恒为 l，为单位距离码。
(3) 折叠二进制码
折叠二进制码是绝对值相同的量化值，即折叠码以,零电平” 为轴，其幅度码是 镜像对称 的。
在 PCM通信编码中，实际编码方案采用 折叠 二进制码的编码方案。
2.4.2 线性编码与解码
1
线性编码的码组中码位的权值是固定的，
它不随输入信号的变化而变化，码字所表示的 量值 （称 码字电平 ）与输入信号 幅度 成 线性 变化关系。
（ 1） 级联逐次比较型编码
级联逐次比较型电路编码精度高，速度快，但电路复杂，各个编码电路的标准电压都不同，要求使用的比较器较多。
图 2-31 天平称重示意图图 2-32 级联线性逐次比较型编码器方框图
（ 2）
整个编码器由抽样保持电路、极性判决、
全波整流器、本地解码器和或门组成。
图 2-33（ a）反馈型线性编码器原理方框图图 2-33（ b）编码器所需位脉冲时序图
逐次反馈型编码器的编码过程是将已编码字反馈到本地解码器，每到一个比较脉冲编出 1位码，码字以串行方式输出。从编码速度来看，要比级联型编码器慢，但电路简单，
精度高，适用于中速编码。
2
线性解码网络用于线性码的 D／ A变换。
它的特点是变换后的电流 (电压 )值，对应着每一位幅度码权值的总和。
（ 1） 线性码解码原理图 2-34 线性码解码原理图图 2-35 极性处理电路
（ 2）
解码电阻网络的功能是将输入的 PCM数字序列 转换为输出电压或者电流的 模拟值 。
图 2-36 权电阻解码网络图 2-37 电流相加型解码网络表 2-6 数字序列与 IO关系
Ki 1000 0100 0010 0001
IO 1 1/2 1/4 1/8
△ 8 △ 4 △ 2 △ 1 △
2.4.3 非线性编码与解码
非线性编码的码组所表示的 量值 与输入信号 幅度 成 非线性 变化关系，即非线性码组中 各码位的权值 与 输入信号幅度 成 非线性 变化关系。 A律 13折线量化编码过程属于非线性编码，
1.A律 13折线量化编码方案的码位安排表 2-7 码位安排极性码 幅度码
a1
段落码 段内码
a2a3a4 a5a6a7a8
a2,a2和 a3是 段落码,可表示为 000～ 111，共有 8种组合，
分别表示对应的 8个大段 。
a5,a6,a7和 a8为 段内码,可表示为 0000～ 1111，共有
16种组合，表示 每大段里的 16个小段 。
表 2-8 分段情况及对应的码字量化段序号电平范围
(△ )
段落码 段落起始电平
(△ )
段落差
(△ )
量化间隔
△ i
段内码对应权值 (△ )
a2 A3 a4 a5 A6 a7 A8
8
1024
～
2.48
1 1 1 1024 1024
64
△ 512 256 128 64
7
512
～
1024
1 1 0 512 512
32
△ 256 128 64 32
6
256
～
512
1 0 1 256 256
16
△ 128 64 32 16
5
128～
256 1 0 0 128 128 8 △ 64 32 16 8
4
64～
128 0 1 1 64 64 4 △ 32 16 8 4
3
32～
64 0 1 0 32 32 2 △ 16 8 4 2
2
16～
32 0 0 1 16 16 1 △ 8 4 2 1
1
0～ 16
0 0 0 0 16 1 △ 8 4 2 1
每个 大段 区间是 不均匀 的，符合 2的幂次 规律。
段内电平码的权值 是随 段落的不同 而 变化 的,
表 2-9 段内码的码位安排段内序号 段内码
a5 a6 a7 a8
16 1 1 1 1
15 1 1 1 0
14 1 1 0 1
13 1 1 0 0
12 1 0 1 1
11 1 0 1 0
10 1 0 0 1
9 1 0 0 0
8 0 1 1 1
7 0 1 1 0
6 0 1 0 1
5 0 1 0 0
4 0 0 1 1
3 0 0 1 0
2 0 0 0 1
1 0 0 0 0
对于某一个样值，可以确定出一个码字的 8位码，这个过程称为编码。
一个码字的 8位码，也可以对应还原为一个量化值，这个过程称为解码。
发端 量化的电平为 码字电平,也叫 编码电平收端 解码后的电平为 解码电平 。
码字电平 =
段落起始电平 +(8a5+4a6+2a7+a8) · △ I
编码误差 = | 码字电平一样值的绝对值 |
△ i
解码电平 = 码字电平 +
2
解码误差 = | 解码电平一样值的绝对值 |
通信原理实验系统简介综合通信 I型实验系统
（通信原理部分）介绍实验系统外观本套实验系统是为配合,通信原理,课程的理论教学而研制开发的，它包括了点到点时分复用数字通信系统的各个主要单元，具体由以下十八个单元组成：
数字信源单元
数字调制单元
载波同步单元
2DPSK解调单元
2FSK解调单元
位同步单元
帧同步单元
数字终端单元
PCM编译码单元
ADPCM编译码单元
PAM调制解调单元
AM调制解调单元
CVSD调制解调单元
高低频正弦信号源单元
AMI/HDB3编译码单元
可编程逻辑器件单元（内有 CMI(传号反转码 ),Manchester（双相码）,Miller（密勒码）编译码程序）
RS232接口单元
语音放大单元上述前 8个单元可构成一个理想信道 2DPSK或 2FSK
通信系统,1,6,7,8单元可构成一个理想信道数字基带通信系统。
添加模块的实验箱面板利用本套实验设备，可开设 数字基带信号、数字调制、模拟琐相环与载波同步、
数字解调、数字琐相环与位同步、帧同步、
时分复用数字基带通信系统、时分复用
2DPSK,2FSK通信系统（可与 PC串口通信）,PCM编译码,ADPCM编译码,AM
调制解调,PAM调制解调,CVSD调制解调等实验。
本实验系统内带开关电源，做实验时只需将实验系统接入 220V市电即可。实验前请观察电源开关附近的电源指示灯是否正常并用万用表检测电源电压值（电源指示灯上方有电源电压测试点）。
用本实验设备做实验，必须具备双踪示波器，万用表等仪器，在某些实验中，可能要用到频率计、低频信号源、失真仪、频谱仪等。
其它仪器设备－－－示波器其它仪器设备－－－万用表其它仪器设备－－－失真度测量仪
The End,Tks!
2.A律 13折线量化编码方法
（ 1） 极性码 a1的判决
（ 2） 段落码 a2,a3和 a4
（ 3） 段内码 a5,a6,a7和 a8的判决表 2-10 a3 编码情况
a2 = 1
| PAM | ≥128 △
| PAM | ≥512△ a3 =1 (7,8大段 )
| PAM | ＜ 512△ a3 =0 (5,6大段 )
a2 = 0
| PAM |＞ 128 △
| PAM |≥ 512△ a3 =1 (3,4大段 )
| PAM |＜ 512 △ a3 =0 (1,2大段 )
表 2-11 a4的权值
a2 = 1
a3 = 1 |PAM|≥1024 △ a4 = 1(第 8大段 )
|PAM|＜ 1024 △ a4 = 1(第 7大段 )
a3 = 0 |PAM|≥1024 △ a4 = 1(第 6大段 )
|PAM|＜ 1024 △ a4 = 1(第 5大段 )
a2 = 0
a3 = 1 |PAM|≥1024 △
|PAM|＜ 1024 △
a4 = 1(第 4大段 )
a4 = 1(第 3大段 )
a3 = 0 |PAM|≥1024 △
|PAM|＜ 1024 △
a4 = 1(第 2大段 )
a4 = 1(第 1大段 )
3 逐次反馈型编码器
与线性编码器类似，非线性编码器也属逐次反馈比较型，主要电路仍是比较器、串并记忆电路和本地解码网络。与线性编码器的区别在于本地解码网络为非线性网络，符合 A律 13折线压缩特性。
图 2-38 逐次反馈型编码器的工作原理
数字压缩 (编码 )是将码字位数多的线性码变换成码字位数少的非线性码，而数字扩张 (解码 )则是将非线性码变换成线性码。
表 2-12 11位的线性码的权值幅度码
B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11
权值
△
1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1
码字电平 =
(1024B1 + 512B2 + 56B3 + + 2B10+B11)· △
△ i
解码电平 =码字电平 +
2
表 2-13 A律 13折非线性码志线性码间的关系量化段序号段落标志非线性码（幅度码）
线生码（幅度码）
起始电平段落码 (△ ) 段内码的权值 (△ )
B
1
B
2
B
3
B
4
B
5
B
6
B
7
B8 B
9
B
10
B
11
*
B12
a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 10
24
51
2
25
6
12
8
64 32 16 8 4 2 1 1 (△ )
2
8 C8 10
24
1 1 1 51
2
25
6
12
8
64 1 a5 a6 a6 a8 1* 0 0 0 0 0 0
7 C7 51
2
1 1 0 25
6
12
8
64 32 0 1 a5 a6 a7 a8 1* 0 0 0 0 0
6 C6 25
6
1 0 1 12
8
64 32 16 0 0 1 a5 a6 a7 a8 1* 0 0 0 0
5 C5 12
8
1 0 0 64 3
2
16 8 0 0 0 1 a5 a6 a7 a8 1
*
0 0 0
4 C4 64 0 1 1 32 1
6
8 4 0 0 0 0 1 a5 a6 a7 a8 1* 0 0
3 C3 32 0 1 0 16 8 4 2 0 0 0 0 0 1 a5 a6 a7 a8 1* 0
2 C2 16 0 0 1 8 4 2 1 0 0 0 0 0 0 1 a5 a6 a7 a8 1*
1 C1 0 0 0 0 8 4 2 1 0 0 0 0 0 0 0 a5 a6 a7 a8 1*
4 A律 13折线解码器
解码是编码的逆变换，其任务是把接收到的 PCM信号还原成相应的 PAM信号，即重建
PAM信号，
然后通过低通滤波器恢复成原模拟信号。
这种从数字信号到模拟信号的变换也称数字
／模拟变换 (D／ A变换 )。
图 2-39非线性解码器方框图
非线性解码器与逐次反馈编码器中的本地解码电路相似。
图 2-40 恒流源解码网络
非线性解码器与逐次反馈型编码器中的本地解码器的构成相比主要有以下不同点。
（ 1） 非线性解码器增加了极性控制部分，
由 PCM信号中的第一位码 a 1决定 PAM的极性。
2） 非线性解码器多了寄存读出,它的作用是把经过 7/12变换后的 B1～ B12码存入寄存器中,
在要求解码输出的时候再送进线性解码网络进行解码。
（ 3） 非线性解码器采用的线性解码网络是
12位的，因此逻辑变换电路要完成 7/12变换，
将非线性码变换为线性码。
2.4.4 单片集成 PCM编解码器
采用了单路编解码器，即每路的编码器及解码器是独立的，利用大规模集成技术把发端的滤波、抽样、量化编码以及收端的解码、
滤波等电路都集成在一块片子上，
在一块芯片上实现 A律 13段折线压扩的 8
bit PCM编码和译码的功能。 PCM编解码器是数字通信专用的大规模集成电路，它的英文缩写为,Codec”
表 2-14 典型的单片编解码器的型号及主要性能型号 2911A
2913
29C13
2914
29C14
2916
29C16
2917
29C17
MK5156
S3506
S3508
MT8961AC
MT8963AC
MT8965AC
MT8967
MC14400L
MC14401L
MC14402L
MC14403L
MC14405L
厂家 Intel Intel Intel MOSTEK AMI Mitel Motorola
主要功能
A律；
PCM编解码；内含参考电压源；可控时隙分配
A/μ 律
（可选）
PCM编解码与收发滤波；内含参考电压源；固定时隙同步（ － 13）
同步（ －
14）
A律（－
17） μ 律
（ － 16）
PCM编解码与收发滤波；内含参考电压源；固定时隙
A律；
PCM编解码与收发滤波内含参考电压源；固定时隙
A律；
PCM编解码与收发滤波内含参考电压源；固定时隙
A律；
PCM编解码与收发滤波；
外接参考电压源；
固定时隙
A/μ 律
（可选）；
PCM编解码与收发滤波；内含参考电压源；固定时隙工艺电源
（ V）
NMOS HMOS
CHMOS
HMOS
CHMOS
CMOS CMOS CMOS CMOS
± 5
± 12
± 5 ± 5 ± 5 ± 5 ± 5 ± 5
功耗（ mW）
工作；
230
（等待 33）
175 70
（ 10）
（ 5～ 8）
140 70
（ 5）
（ 5～ 8）
30
80
（ 8）
30
（ 2.5）
45～ 70
(0.1)
脚管 22
20
24
16 16 22
18
20
16,18，
22,16，
16
图 2-41 Intel2914功能方框图表 2-15 Intel2914芯片管脚管脚编号、名称及功能管脚序号 各称 功能
1 VBB 电源输入 (－ 5V)
2,3 PWRO+
PWRO－
功放输出
4 GSR 接收增益调整
5
PDN
低功耗选择,低电平有效,
正常工作电压接＋ 5V
6 CLKO 主时钟频率选择,CLKSEL=VBBJF,
主时钟频率为 2048KHZ
7 LOOP 模拟信号环回、高电平有效，
接地则正常工作，不自环
8 SIGR 收信令比特输出,A律编码时不用
9 DCLKR 发送数据时钟方式时，为接收数据时钟，
主时钟方式接 -5V
10 DR 接收 PCM信号输入
11 FSR 接收路时隙脉冲 TS0输入
12 TSR 接收帧同步和时隙选通脉冲，该脉冲为正时数据被时钟下降沿收下
13 GRDD 数字地
14 CLKR 接收主时钟输入，即接收 2048kHz时钟
15 CLKX 发送主时钟输入，即发送 2048kHz时钟
16 FSX 发送路时隙脉冲 TS0输入
17 TSX 发送帧同步和时隙选通脉冲，该脉冲为正时寄存器数据被时钟上升沿送出
18 DX 发送 PCM输出
19 TSK 数字输出的选通
20 DCLKX VBR时发送数据速率时钟
21 SIGX 发送数字信令输入，接 V为选择 A律
22 ASEL μ 律,A律选择，接 -5时选 A律
23 NC 空
24 CRDA 模拟地
25 VFX+,VFX- 模拟信号输入
26 GSX 输入运放增益控制
27 Vcc 电源 (+5V)
2.5 差值脉冲编码调制
把低于 64 kbit／ s数码率的语声编码方法称为语声压缩编码技术。自适应差值脉码调制 (ADPCM)是语声压缩编码中复杂度较低的一种方法，
它能在 32 kbit／ s数码率的条件下达到
64 kbit／ s PCM系统数码率的语声质量要求。
ADPCM是在差值脉码调制 (DPCM)基础上发展起来的。
2.5.1 DPCM原理
语声信号相邻的抽样值之间有很强的相关性，即信号的一个抽样值到另一个抽样值之间不会发生迅速的变化，
这种考虑利用语声信号的相关性找出可反映信号变化特性的一个差值进行编码，对差值序列进行量化编码的方法称为差分脉码调制，简记为 DPCM。
DPCM就是对样值的差值序列进行量化编码，它的实现有两个问题要加以解决，一是发送端要将样值序列转化为差值序列，二是接收端要将差值序列还原成样值序列。
图 2-42 后向预测示意图图 2-43 一阶后向预测 DPCM原理方框图
在一阶后向预测 DPCM通信中，发端和收端都必须通过预测器从量化差值序列中预测出样值序列，一阶预测器由逐次记忆电路 (乘以预测系数 α,并迟延 T的回路 )和累加器组成。
图 2-44 三阶后向预测 DPCM方框图
对 DPCM，其信噪比表达式为
S PS
= 10log
N PN
PS Pd
= 10log ·
Pd PN
PS Pd
= 10log +10log
Pd Pn
其中 Ps
Pd
PN为量化噪声功率；
Ps
Gp = 10log,它定义为加入了预测
Pd
差值结构后,系统信噪比获得的增益,
DPCM同 PCM相比，其信噪比改善了 Gp分贝，
差分脉冲编码调制的一个重要特例，就是 1 bit量化的增量调制（ DM）。 DM是指通过对每个样值序列编 1位码来传递信息的数字通信方式。
2.5.2 自适应差分脉码调制
自适应差分脉码调制 (ADPCM)是在差分脉码调制 (DPCM)的基础上，再采用自适应量化和自适应预测的一种效率较高、音质良好的压缩编码技术。
把自适应技术和差分脉冲编码调制结合起来，可在保证通信质量的基础上，进一步压缩数码率。
图 2-45 兼有自适应预测、量化的（后向型） ADPCM原理框图
自适应量化使量化级差跟随输入信号变化，使不同大小的信号平均量化误差最小，
从而提高信噪比。
自适应差分脉码调制 (ADPCM)技术使话路数码率降为 32 kbit/s,传输效率提高了一倍。
应用自适应差分脉码调制 (ADPCM)技术可实现数字电路倍增。数字电路倍增是将一条数字电路当作一条以上的数字电路使用的一项数字技术，简称为 DCM。
2.5.3 32kbit／ s ADPCM系统简介
1984年 ITU T公布了 G 721 32 kbit／
s ADPCM标准，并于 1986年做了进一步的修改。
这种系统的语声质量十分接近 G 711A律或 μ
律 64kbit／ s PCM
图 2-46 G.921 32kbit/s ADPCM工作原理
2.5.4 语声压缩编码技术的概念
在语声数字通信中将语声信号的编码方式可粗略地分为参量编码、波形编码和子带编码（混合编码）。
语声压缩编码按其数码率的压缩程度可大致分成两类：一类叫中速率压缩编码，另一类叫低速率压缩编码。
语声信号模型及特征参数。
1 语声特征参数及信号模型
（ 1） 浊音及基音图 2-47 浊音声波波形图图 2-48 浊音的频谱特性
（ 2）
图 2-49 清音波形图图 2-50 清音频谱图
（ 3）
图 2-51 语声信号产生模型
决定语声的特征参数有基音、共振峰频率和强度以及清音／浊音判决。
2 中速语声压缩编码技术
中速率语声压缩编码其特点是语音质量较好，清晰度很高，自然度能达到基本要求，
3
低速率话声压缩编码，可以大大压缩数码率，但其语声质量比中速率语声编码差，
尤其是自然度较差，难于从声音来辨认出讲话人声音的特点。
4
语声插空技术（简记为 DSI）根据语声的突发规律，充分利用通话的“空闲”时间传送其他信息 (数据、图像甚至其他语声 )，是提高传输效率的有效方法之一。
数字语声插空与信源压缩编码相结合又形成了高效数字语声压缩编码技术。
2.6 参 量 编 码
参量编码是直接提取语声信号的一些特征参量，并对其编码的一种编码方式。其基本原理是由语声产生的条件，建立语声信号产生的模型，然后提取语声信息中的主要参量，经编码发送到接收端。
2.6.1 线性预测编码的基本概念
线性预测是指一个语声抽样值可用该样值以前若干语声抽样值的线性组合来逼近。
图 2-52 线性预测编译码方框图图 2-53 简化 LPC原理框图
2.6.2 线性预测合成分析编码
经过最小化过程确定的激励信号量化值就是声码器的输出，接收端的解码器根据此信号和同样的线性预测器恢复原来的语声信号。
语音分析图 2-54 LPAS声码器原理图
2.7 子 带 编 码
2.7.1 子带编码工作原理
子带编码 (SBC)首先用一组带通滤波器将输入频谱分成若干个频带，称为子带，然后每个子带再分别利用 APCM(自适应脉冲编码调制 )进行编码。
其基本原理是根据语声信号在整个频带内分布的不均匀性，通过控制语声信号范围内的量化噪声失真，对不同子带采用不同的编码比特数进行编码。这类编码方式也称为频域编码。
图 2-55 子带频域表示图 2-56 子带编码原理方框图
2.7.2 子带编码的编码速率
在子带编码器的设计中，必须考虑子带数目、子带划分、编码的参数、子带中比特的分配、每样值编码比特和带宽等主要参数。
2.1 语声信号数字化方式
2.2 抽 样
2.3 量 化
2.4 编码与解码
2.5 差值脉冲编码调制
2.6 参量编码
2.7 子带编码
2.1 语声信号数字化方式
2.1.1 PCM通信系统
脉冲编码调制通信（ PCM）是数字通信系统中主要形式之一。
图 2-1 PCM通信系统
（ 1） 第一部分相当于信源编码部分的模 /数变换 (A／ D)，它包括抽样、量化和编码。
（ 2） 第二部分相当于信道部分的信道和再生中继器。
（ 3） 第三部分相当于信源解码部分的数 /模变换 (D／ A)，它包括再生、解码和低通滤波。
1
抽样就是每隔一定的时间间隔 T，抽取模拟信号的一个瞬时幅度值 (样值 )，样值序列或样值信号。
2
将 PAM信号在幅度上离散化，处理成为时间上和幅度上都是离散的符号序列，这个过程就是量化。
量化级，量化方法有四舍五入法、舍去法和补足法。
图 2-2 模拟信号被抽样过程图 2-3 采用舍去法的量化
由于量化而导致的量化值和样值的差称为量化误差。
量化误差大小与量化间隔有关。量化误差的影响会在电路中形成噪声，称作量化噪声。
3
编码就是将离散抽样值变成二进制码元的过程。
码字就是几位二进制码元 (1,0)的具体组合。一个码字中所包含的比特数 n，量化级数 N
N=2n
图 2-4 编码过程
4 再生中继
再生中继器将由终端设备输出的经过一段线路传输后产生了失真并叠加了干扰的数字信号，通过在再生中继器中加以均衡和再生，将信息码恢复成和发送端一样的脉冲再传送到下一站。
图 2-5 再生中继
5
解码是将 PCM信号还原为量化 PAM信号，
滤除离散脉冲中的谐波分量，取出其包络线
（低频分量）
重建 PAM
低通滤波器图 2-6 解码与低通滤波
2.1.2 语声信号编码的分类
3大类。
1
根据语声波形的幅度进行编码称波形编码，如 PCM,Δ M,ADPCM,SBC和 VQ等,特点是有较高重建信号的质量,
2
参量编码 (声码器 )是直接提取语声信号的一些特征参量，并对其编码。
3
混合编码是介于波形编码和参量编码之间的一种编码，即在参量编码的基础上,引入了一定的波形编码的特征,来达到改善自然度的目的。
2.2 抽样
2.2.1 抽样定理
,抽样定理”是数字通信原理中十分重要的定理之一，是模拟信号数字化、时分多路复用及信号分析处理等技术的理论依据之一。
图 2-7 抽样过程的原理示意图
时间离散信号 fs(t)。
输入信号 f (t)
Ts是开关的开闭周期； τ 抽样时间宽度。
图 2-8 抽样电路的模型
抽样电路的模型可用一个乘法器表示
fs ( t ) = f ( t ) · S Ω ( t )
图 2-9 抽样脉冲序列图 2-10 抽样信号的频谱
1
即抽样脉冲 SΩ的重复频率 fs必须不小于模拟信号最高频率的两倍，这就是低通型抽样定理。
图 2-11 折叠噪声
2 带通型抽样定理
低频率分量 fL
高频率分量 fH
低通型信号
带通型信号。
图 2-12 带通型信号示意图
当抽样频率满足下列条件时，可使
fs<2fH,并使抽样的样值序列频谱不产生重叠。
2fH 2fL
≤ f s ≤
n + 1 n
n 取 fl / B 的整数部分,
B = fH － fL
2 ( f L+ f h )
F s =
2n + 1
图 2-13 带通型样值信号频谱
2.2.2 抽样、保持电路
抽样由开关电路实现，保持则依靠储能元件实现。
1
抽样电路一般称为抽样开关或简称抽样门。
抽样门的电路种类很多，既可用分立元件
（如二极管、三极管和场效应管）组成，也可以选择集成抽样门电路。
图 2-14 二极管桥型双向抽样门电路图 2-15 抽样电路波形
2
,保持”就是将脉冲宽度展宽，其目的是为了编码。
图 2-16 具有脉宽的 PAM信号图 2-17 抽样保持电路图 2-18 CMOS4016四路双向模拟开关集成电放图 2-19 LE398抽样保持集成电路
2.2.3 分路、重建在 PCM系统中，设每一路的抽样频率为
fs,当 PCM系统是 n 路复用时，每一路的时间间隔为
1
fs
n
为了在每一路时隙内将每一抽样值编成 8
位码的码字，需要将每一路抽样值进行编码
1
的保持时间安排在 fs 内。
n
1
fs 时间轮流进行抽样保持一
n
次，不会重叠，发端在第 n 路抽样的信号一定会
在第路分离还原，
分路门
重建 PAM信号是由不同幅度的窄脉冲组成的，滤波器积分平滑作用的结果会使其输出值明显减小。
输出的复原信号发生严重的衰减，信噪比明显变差。必须对重建 PAM信号的每个样值在时间轴方向展宽保持，
抽样展宽电路用来形成矩形脉冲，为了解决孔径效应失真问题，在接收端恢复原模拟信号时，应加入具有孔径均衡特性的均衡网络。
图 2-20 接收端的分路、展宽和均衡框图
2.3 量化
量化就是把信号在幅度域上连续取值变换为幅度域上离散取值的过程。
量化误差
量化噪声
2.3.1 均匀量化及量化噪声计算
1 均匀量化
量化电平 Δ u 量化级差或量化间隔（阶距），
简写为 Δ 。
2 U
Δ =
N
N表示量化级数，是指最大样值信号幅度量化分层的区间数。
均匀量化是指在量化区内均匀等分 N个小间隔，相邻各量化级之间的量化级差 Δ 相等的量化，也称线性量化。
量化误差
e (t) = u0 – u
量化误差所产生的量化噪声就是由过载量化噪声和非过载量化噪声组成的。
图 2-21均匀量化特性曲线和量化误差特性
2
均匀量化噪声包括过载量化噪声和非过载量化噪声两部分，
非过载区内的最大量化误差为
Δ
emax(u) =
2
过载区内的量化误差，即过载量化误差会
Δ
大于 。而它的量化输出不再变化，
2
量化误差所产生的量化噪声的大小常用它的均方值即量化噪声功率表示
要减小量化噪声,只能增加量化级数,减小量化间隔。
图 2-22 量化噪声功率计算
3 均匀量化信噪比
量化信噪比即量化器输出端的平均
信号功率与量化噪声功率 ( u2e )与量
化噪声功率 ( Np )之比,
S
表示为,其中 S = u 2e,则
Np
S U2 u√2
= u2e / ( + e ue )
Np 3N2
S
当分贝表示的量化信噪比 ( ) 为
Np dB
S ( U/ue)2 u√2
( ) = － 10lg[ + e ue ]
Np dB 3 M2
ue 1 S
当在 > 时,( ) 主要
U 10 Np dB
由过载项决定。
均匀量化噪声功率与信号大小无关，只由量化级差 Δ决定，
通信系统要求：在信号动态范围达到 40dB
Um
（即 20lg = － 40 dB）的条件下，量化
U
信噪比不应低于 26 dB,n = 11.
均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。均匀量化信噪比的特点是小信号信噪比小，对提高通信质量不利。
2.3.2 非均匀量化及其实现方法
1 非均匀量化
非均匀量化是对大小信号采用不同的量化级差，即在量化时对大信号采用大量化级差，对小信号采用小量化级差，非均匀量化特性图 2-23 非均匀量化特性（幅值为正时）
非均匀量化的特点是：信号幅度小，量化间隔小，其量化误差也小；信号幅度大时，
量化间隔大，其量化误差也大。
2
实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术，通常是将抽样样值通过压缩再进行均匀量化。
图 2-24 非均匀量化实现方框图图 2-25 压缩与扩张特性（正向部分）
目前 PCM通信系统中采用两种描述压缩扩张特性的方法：一种是以 μ 作为参量的压扩特性，叫做 μ 律特性；另一种是以 A作为参量的压扩特性，叫做 A律特性。
3 理想压缩特性
理想的压缩特性应使量化信噪比不随模拟输入信号的幅度而变，
图 2-26（ a） 归一化压缩器特性曲线图 2-26（ b）理想压缩特性曲线图 2-26（ c） 压缩律曲线
理想压缩特性曲线不能直接用于语声信号的编码，要做适当的修正。
4.μ 律压缩特性
μ 律压缩特性表示式为
In( 1 + μ x)
y =,0? x?1
In( 1 + μ )
y = 压缩器的输出电压 / 过载电压
x = 压缩器的输入电压 / 过载电压图 2-27 对应不同 μ值的压缩特性
5.A
（ 1） A律特性
以 A为参量的压缩特性叫做 A律特性,A律特性是以分区定义的函数来描述的。
① 0～ a段
Ax 1
y =,0 ＜ x ≤
1+lnA A
② a～ b段
1 1+lnAx 1
Y=1+ lnx=,≤x≤1
1+lnA 1+lnA A
A律压缩特性公式。
式中 A为压缩系数，表示压缩的程度。
（ 2） A律 13折线压缩特性
具体实现的方法是：先把 x轴的第一象限区间以 1/2递减规律分为 8个不均匀段，其分段点是 1,1/2,1/4,1/8,1/16,1/32，
1/64和 1/128；
然后将 y轴的［ 0,1］区间均匀分段，其分段点为 1,7/8,6/8,5/8,4/8,3/8,2/8
和 1/8，将 y轴分别与 x轴的 8段一一对应，就可以做出由 8段直线构成的一条折线，该折线和 A压缩律特性近似。
图 2-28 A律坟缩特性图 2-29 8段折线的分段示意图
由于第三象限和第一象限的①，②斜率均相同，可将此 4段视为一条直线，所以两个象限总共有 13段折线，称为 13折线。
表 2-2 A=87.6与折线压缩特性的比较折线段 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
y 1
8
2
8
3
8
4
8
5
8
6
8
7
8
1
X 1
128
1
60.6
1
30.6
4
15.4
1
7.79
1
3.93
1
1.98
1
安折线分段时的 x
1
128
1
64
1
32
4
16
1
8
1
4
1
2
1
图 2-30 A律 13折压缩特性
（ 3） A律 13折线压缩特性对小信号信噪比的改善
S S
( ) =( ) + 20lgki
MP dB(非均匀 ) Np Db(均匀 )
20lg ki是相同码字位数情况下非均匀量化相对均匀量化信噪比的改善量。
表 2-3 各段斜率及信噪比改善量段落号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
斜率
16 16 8 4 2 1 1/2 1/4
信噪比改善量
(dB)
24 24 18 12 6 0 － 6 － 12
表 2-4 n=7时非均匀量化信噪比的值
Li(dB)
(输入电平 )
－ 20 － 39 － 36 － 33 － 30 － 27 － 24 － 21
S
Np dB
26 29 32 29 32 29 32 29
Li(dB) － 18 － 15 － 12 － 9 － 6 － 3 0
S
( )
Np(dB)
32 29 32 29 32 29 32
2.4 编码和解码
编码，就是把量化后的 信号 转换成 代码的过程。
编码 过程是模 /数变换，记作 A/D；
解码 是指数字信号还原成模拟信号，解码过程是数 /模变换，记作 D/A。
2.4.1 码型
码型指的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，列出各自对应的 码字,这个 整体 就称为码型。
表 2-5 3种常用的二进制码型的编码量化电平序号 信号极性 普通 二进制码 循环 二进制码 折叠 二进制码
a1 a2 a3 a4 a1 a2 a3 a4 a1 a2 a3 a4
15
正极性部分
1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1
14 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0
13 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1
12 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0
11 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1
10 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0
9 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1
8 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0
7
负极性部分
0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0
6 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1
5 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0
4 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1
3 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0
2 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1
1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1
(1)
普通二进制码其编码与一般的二进制数相对应。
即 8421编码
(2) 循环二进制码 (格雷码 )
循环二进制码的特点是 相邻 两个量化级的码字之间 只有 1位码 发生变化，即相邻码字的码距恒为 l，为单位距离码。
(3) 折叠二进制码
折叠二进制码是绝对值相同的量化值，即折叠码以,零电平” 为轴，其幅度码是 镜像对称 的。
在 PCM通信编码中，实际编码方案采用 折叠 二进制码的编码方案。
2.4.2 线性编码与解码
1
线性编码的码组中码位的权值是固定的，
它不随输入信号的变化而变化，码字所表示的 量值 （称 码字电平 ）与输入信号 幅度 成 线性 变化关系。
（ 1） 级联逐次比较型编码
级联逐次比较型电路编码精度高，速度快，但电路复杂，各个编码电路的标准电压都不同，要求使用的比较器较多。
图 2-31 天平称重示意图图 2-32 级联线性逐次比较型编码器方框图
（ 2）
整个编码器由抽样保持电路、极性判决、
全波整流器、本地解码器和或门组成。
图 2-33（ a）反馈型线性编码器原理方框图图 2-33（ b）编码器所需位脉冲时序图
逐次反馈型编码器的编码过程是将已编码字反馈到本地解码器，每到一个比较脉冲编出 1位码，码字以串行方式输出。从编码速度来看，要比级联型编码器慢，但电路简单，
精度高，适用于中速编码。
2
线性解码网络用于线性码的 D／ A变换。
它的特点是变换后的电流 (电压 )值，对应着每一位幅度码权值的总和。
（ 1） 线性码解码原理图 2-34 线性码解码原理图图 2-35 极性处理电路
（ 2）
解码电阻网络的功能是将输入的 PCM数字序列 转换为输出电压或者电流的 模拟值 。
图 2-36 权电阻解码网络图 2-37 电流相加型解码网络表 2-6 数字序列与 IO关系
Ki 1000 0100 0010 0001
IO 1 1/2 1/4 1/8
△ 8 △ 4 △ 2 △ 1 △
2.4.3 非线性编码与解码
非线性编码的码组所表示的 量值 与输入信号 幅度 成 非线性 变化关系，即非线性码组中 各码位的权值 与 输入信号幅度 成 非线性 变化关系。 A律 13折线量化编码过程属于非线性编码，
1.A律 13折线量化编码方案的码位安排表 2-7 码位安排极性码 幅度码
a1
段落码 段内码
a2a3a4 a5a6a7a8
a2,a2和 a3是 段落码,可表示为 000～ 111，共有 8种组合，
分别表示对应的 8个大段 。
a5,a6,a7和 a8为 段内码,可表示为 0000～ 1111，共有
16种组合，表示 每大段里的 16个小段 。
表 2-8 分段情况及对应的码字量化段序号电平范围
(△ )
段落码 段落起始电平
(△ )
段落差
(△ )
量化间隔
△ i
段内码对应权值 (△ )
a2 A3 a4 a5 A6 a7 A8
8
1024
～
2.48
1 1 1 1024 1024
64
△ 512 256 128 64
7
512
～
1024
1 1 0 512 512
32
△ 256 128 64 32
6
256
～
512
1 0 1 256 256
16
△ 128 64 32 16
5
128～
256 1 0 0 128 128 8 △ 64 32 16 8
4
64～
128 0 1 1 64 64 4 △ 32 16 8 4
3
32～
64 0 1 0 32 32 2 △ 16 8 4 2
2
16～
32 0 0 1 16 16 1 △ 8 4 2 1
1
0～ 16
0 0 0 0 16 1 △ 8 4 2 1
每个 大段 区间是 不均匀 的，符合 2的幂次 规律。
段内电平码的权值 是随 段落的不同 而 变化 的,
表 2-9 段内码的码位安排段内序号 段内码
a5 a6 a7 a8
16 1 1 1 1
15 1 1 1 0
14 1 1 0 1
13 1 1 0 0
12 1 0 1 1
11 1 0 1 0
10 1 0 0 1
9 1 0 0 0
8 0 1 1 1
7 0 1 1 0
6 0 1 0 1
5 0 1 0 0
4 0 0 1 1
3 0 0 1 0
2 0 0 0 1
1 0 0 0 0
对于某一个样值，可以确定出一个码字的 8位码，这个过程称为编码。
一个码字的 8位码，也可以对应还原为一个量化值，这个过程称为解码。
发端 量化的电平为 码字电平,也叫 编码电平收端 解码后的电平为 解码电平 。
码字电平 =
段落起始电平 +(8a5+4a6+2a7+a8) · △ I
编码误差 = | 码字电平一样值的绝对值 |
△ i
解码电平 = 码字电平 +
2
解码误差 = | 解码电平一样值的绝对值 |
通信原理实验系统简介综合通信 I型实验系统
（通信原理部分）介绍实验系统外观本套实验系统是为配合,通信原理,课程的理论教学而研制开发的，它包括了点到点时分复用数字通信系统的各个主要单元，具体由以下十八个单元组成：
数字信源单元
数字调制单元
载波同步单元
2DPSK解调单元
2FSK解调单元
位同步单元
帧同步单元
数字终端单元
PCM编译码单元
ADPCM编译码单元
PAM调制解调单元
AM调制解调单元
CVSD调制解调单元
高低频正弦信号源单元
AMI/HDB3编译码单元
可编程逻辑器件单元（内有 CMI(传号反转码 ),Manchester（双相码）,Miller（密勒码）编译码程序）
RS232接口单元
语音放大单元上述前 8个单元可构成一个理想信道 2DPSK或 2FSK
通信系统,1,6,7,8单元可构成一个理想信道数字基带通信系统。
添加模块的实验箱面板利用本套实验设备，可开设 数字基带信号、数字调制、模拟琐相环与载波同步、
数字解调、数字琐相环与位同步、帧同步、
时分复用数字基带通信系统、时分复用
2DPSK,2FSK通信系统（可与 PC串口通信）,PCM编译码,ADPCM编译码,AM
调制解调,PAM调制解调,CVSD调制解调等实验。
本实验系统内带开关电源，做实验时只需将实验系统接入 220V市电即可。实验前请观察电源开关附近的电源指示灯是否正常并用万用表检测电源电压值（电源指示灯上方有电源电压测试点）。
用本实验设备做实验，必须具备双踪示波器，万用表等仪器，在某些实验中，可能要用到频率计、低频信号源、失真仪、频谱仪等。
其它仪器设备－－－示波器其它仪器设备－－－万用表其它仪器设备－－－失真度测量仪
The End,Tks!
2.A律 13折线量化编码方法
（ 1） 极性码 a1的判决
（ 2） 段落码 a2,a3和 a4
（ 3） 段内码 a5,a6,a7和 a8的判决表 2-10 a3 编码情况
a2 = 1
| PAM | ≥128 △
| PAM | ≥512△ a3 =1 (7,8大段 )
| PAM | ＜ 512△ a3 =0 (5,6大段 )
a2 = 0
| PAM |＞ 128 △
| PAM |≥ 512△ a3 =1 (3,4大段 )
| PAM |＜ 512 △ a3 =0 (1,2大段 )
表 2-11 a4的权值
a2 = 1
a3 = 1 |PAM|≥1024 △ a4 = 1(第 8大段 )
|PAM|＜ 1024 △ a4 = 1(第 7大段 )
a3 = 0 |PAM|≥1024 △ a4 = 1(第 6大段 )
|PAM|＜ 1024 △ a4 = 1(第 5大段 )
a2 = 0
a3 = 1 |PAM|≥1024 △
|PAM|＜ 1024 △
a4 = 1(第 4大段 )
a4 = 1(第 3大段 )
a3 = 0 |PAM|≥1024 △
|PAM|＜ 1024 △
a4 = 1(第 2大段 )
a4 = 1(第 1大段 )
3 逐次反馈型编码器
与线性编码器类似，非线性编码器也属逐次反馈比较型，主要电路仍是比较器、串并记忆电路和本地解码网络。与线性编码器的区别在于本地解码网络为非线性网络，符合 A律 13折线压缩特性。
图 2-38 逐次反馈型编码器的工作原理
数字压缩 (编码 )是将码字位数多的线性码变换成码字位数少的非线性码，而数字扩张 (解码 )则是将非线性码变换成线性码。
表 2-12 11位的线性码的权值幅度码
B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11
权值
△
1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1
码字电平 =
(1024B1 + 512B2 + 56B3 + + 2B10+B11)· △
△ i
解码电平 =码字电平 +
2
表 2-13 A律 13折非线性码志线性码间的关系量化段序号段落标志非线性码（幅度码）
线生码（幅度码）
起始电平段落码 (△ ) 段内码的权值 (△ )
B
1
B
2
B
3
B
4
B
5
B
6
B
7
B8 B
9
B
10
B
11
*
B12
a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 10
24
51
2
25
6
12
8
64 32 16 8 4 2 1 1 (△ )
2
8 C8 10
24
1 1 1 51
2
25
6
12
8
64 1 a5 a6 a6 a8 1* 0 0 0 0 0 0
7 C7 51
2
1 1 0 25
6
12
8
64 32 0 1 a5 a6 a7 a8 1* 0 0 0 0 0
6 C6 25
6
1 0 1 12
8
64 32 16 0 0 1 a5 a6 a7 a8 1* 0 0 0 0
5 C5 12
8
1 0 0 64 3
2
16 8 0 0 0 1 a5 a6 a7 a8 1
*
0 0 0
4 C4 64 0 1 1 32 1
6
8 4 0 0 0 0 1 a5 a6 a7 a8 1* 0 0
3 C3 32 0 1 0 16 8 4 2 0 0 0 0 0 1 a5 a6 a7 a8 1* 0
2 C2 16 0 0 1 8 4 2 1 0 0 0 0 0 0 1 a5 a6 a7 a8 1*
1 C1 0 0 0 0 8 4 2 1 0 0 0 0 0 0 0 a5 a6 a7 a8 1*
4 A律 13折线解码器
解码是编码的逆变换，其任务是把接收到的 PCM信号还原成相应的 PAM信号，即重建
PAM信号，
然后通过低通滤波器恢复成原模拟信号。
这种从数字信号到模拟信号的变换也称数字
／模拟变换 (D／ A变换 )。
图 2-39非线性解码器方框图
非线性解码器与逐次反馈编码器中的本地解码电路相似。
图 2-40 恒流源解码网络
非线性解码器与逐次反馈型编码器中的本地解码器的构成相比主要有以下不同点。
（ 1） 非线性解码器增加了极性控制部分，
由 PCM信号中的第一位码 a 1决定 PAM的极性。
2） 非线性解码器多了寄存读出,它的作用是把经过 7/12变换后的 B1～ B12码存入寄存器中,
在要求解码输出的时候再送进线性解码网络进行解码。
（ 3） 非线性解码器采用的线性解码网络是
12位的，因此逻辑变换电路要完成 7/12变换，
将非线性码变换为线性码。
2.4.4 单片集成 PCM编解码器
采用了单路编解码器，即每路的编码器及解码器是独立的，利用大规模集成技术把发端的滤波、抽样、量化编码以及收端的解码、
滤波等电路都集成在一块片子上，
在一块芯片上实现 A律 13段折线压扩的 8
bit PCM编码和译码的功能。 PCM编解码器是数字通信专用的大规模集成电路，它的英文缩写为,Codec”
表 2-14 典型的单片编解码器的型号及主要性能型号 2911A
2913
29C13
2914
29C14
2916
29C16
2917
29C17
MK5156
S3506
S3508
MT8961AC
MT8963AC
MT8965AC
MT8967
MC14400L
MC14401L
MC14402L
MC14403L
MC14405L
厂家 Intel Intel Intel MOSTEK AMI Mitel Motorola
主要功能
A律；
PCM编解码；内含参考电压源；可控时隙分配
A/μ 律
（可选）
PCM编解码与收发滤波；内含参考电压源；固定时隙同步（ － 13）
同步（ －
14）
A律（－
17） μ 律
（ － 16）
PCM编解码与收发滤波；内含参考电压源；固定时隙
A律；
PCM编解码与收发滤波内含参考电压源；固定时隙
A律；
PCM编解码与收发滤波内含参考电压源；固定时隙
A律；
PCM编解码与收发滤波；
外接参考电压源；
固定时隙
A/μ 律
（可选）；
PCM编解码与收发滤波；内含参考电压源；固定时隙工艺电源
（ V）
NMOS HMOS
CHMOS
HMOS
CHMOS
CMOS CMOS CMOS CMOS
± 5
± 12
± 5 ± 5 ± 5 ± 5 ± 5 ± 5
功耗（ mW）
工作；
230
（等待 33）
175 70
（ 10）
（ 5～ 8）
140 70
（ 5）
（ 5～ 8）
30
80
（ 8）
30
（ 2.5）
45～ 70
(0.1)
脚管 22
20
24
16 16 22
18
20
16,18，
22,16，
16
图 2-41 Intel2914功能方框图表 2-15 Intel2914芯片管脚管脚编号、名称及功能管脚序号 各称 功能
1 VBB 电源输入 (－ 5V)
2,3 PWRO+
PWRO－
功放输出
4 GSR 接收增益调整
5
PDN
低功耗选择,低电平有效,
正常工作电压接＋ 5V
6 CLKO 主时钟频率选择,CLKSEL=VBBJF,
主时钟频率为 2048KHZ
7 LOOP 模拟信号环回、高电平有效，
接地则正常工作，不自环
8 SIGR 收信令比特输出,A律编码时不用
9 DCLKR 发送数据时钟方式时，为接收数据时钟，
主时钟方式接 -5V
10 DR 接收 PCM信号输入
11 FSR 接收路时隙脉冲 TS0输入
12 TSR 接收帧同步和时隙选通脉冲，该脉冲为正时数据被时钟下降沿收下
13 GRDD 数字地
14 CLKR 接收主时钟输入，即接收 2048kHz时钟
15 CLKX 发送主时钟输入，即发送 2048kHz时钟
16 FSX 发送路时隙脉冲 TS0输入
17 TSX 发送帧同步和时隙选通脉冲，该脉冲为正时寄存器数据被时钟上升沿送出
18 DX 发送 PCM输出
19 TSK 数字输出的选通
20 DCLKX VBR时发送数据速率时钟
21 SIGX 发送数字信令输入，接 V为选择 A律
22 ASEL μ 律,A律选择，接 -5时选 A律
23 NC 空
24 CRDA 模拟地
25 VFX+,VFX- 模拟信号输入
26 GSX 输入运放增益控制
27 Vcc 电源 (+5V)
2.5 差值脉冲编码调制
把低于 64 kbit／ s数码率的语声编码方法称为语声压缩编码技术。自适应差值脉码调制 (ADPCM)是语声压缩编码中复杂度较低的一种方法，
它能在 32 kbit／ s数码率的条件下达到
64 kbit／ s PCM系统数码率的语声质量要求。
ADPCM是在差值脉码调制 (DPCM)基础上发展起来的。
2.5.1 DPCM原理
语声信号相邻的抽样值之间有很强的相关性，即信号的一个抽样值到另一个抽样值之间不会发生迅速的变化，
这种考虑利用语声信号的相关性找出可反映信号变化特性的一个差值进行编码，对差值序列进行量化编码的方法称为差分脉码调制，简记为 DPCM。
DPCM就是对样值的差值序列进行量化编码，它的实现有两个问题要加以解决，一是发送端要将样值序列转化为差值序列，二是接收端要将差值序列还原成样值序列。
图 2-42 后向预测示意图图 2-43 一阶后向预测 DPCM原理方框图
在一阶后向预测 DPCM通信中，发端和收端都必须通过预测器从量化差值序列中预测出样值序列，一阶预测器由逐次记忆电路 (乘以预测系数 α,并迟延 T的回路 )和累加器组成。
图 2-44 三阶后向预测 DPCM方框图
对 DPCM，其信噪比表达式为
S PS
= 10log
N PN
PS Pd
= 10log ·
Pd PN
PS Pd
= 10log +10log
Pd Pn
其中 Ps
Pd
PN为量化噪声功率；
Ps
Gp = 10log,它定义为加入了预测
Pd
差值结构后,系统信噪比获得的增益,
DPCM同 PCM相比，其信噪比改善了 Gp分贝，
差分脉冲编码调制的一个重要特例，就是 1 bit量化的增量调制（ DM）。 DM是指通过对每个样值序列编 1位码来传递信息的数字通信方式。
2.5.2 自适应差分脉码调制
自适应差分脉码调制 (ADPCM)是在差分脉码调制 (DPCM)的基础上，再采用自适应量化和自适应预测的一种效率较高、音质良好的压缩编码技术。
把自适应技术和差分脉冲编码调制结合起来，可在保证通信质量的基础上，进一步压缩数码率。
图 2-45 兼有自适应预测、量化的（后向型） ADPCM原理框图
自适应量化使量化级差跟随输入信号变化，使不同大小的信号平均量化误差最小，
从而提高信噪比。
自适应差分脉码调制 (ADPCM)技术使话路数码率降为 32 kbit/s,传输效率提高了一倍。
应用自适应差分脉码调制 (ADPCM)技术可实现数字电路倍增。数字电路倍增是将一条数字电路当作一条以上的数字电路使用的一项数字技术，简称为 DCM。
2.5.3 32kbit／ s ADPCM系统简介
1984年 ITU T公布了 G 721 32 kbit／
s ADPCM标准，并于 1986年做了进一步的修改。
这种系统的语声质量十分接近 G 711A律或 μ
律 64kbit／ s PCM
图 2-46 G.921 32kbit/s ADPCM工作原理
2.5.4 语声压缩编码技术的概念
在语声数字通信中将语声信号的编码方式可粗略地分为参量编码、波形编码和子带编码（混合编码）。
语声压缩编码按其数码率的压缩程度可大致分成两类：一类叫中速率压缩编码，另一类叫低速率压缩编码。
语声信号模型及特征参数。
1 语声特征参数及信号模型
（ 1） 浊音及基音图 2-47 浊音声波波形图图 2-48 浊音的频谱特性
（ 2）
图 2-49 清音波形图图 2-50 清音频谱图
（ 3）
图 2-51 语声信号产生模型
决定语声的特征参数有基音、共振峰频率和强度以及清音／浊音判决。
2 中速语声压缩编码技术
中速率语声压缩编码其特点是语音质量较好，清晰度很高，自然度能达到基本要求，
3
低速率话声压缩编码，可以大大压缩数码率，但其语声质量比中速率语声编码差，
尤其是自然度较差，难于从声音来辨认出讲话人声音的特点。
4
语声插空技术（简记为 DSI）根据语声的突发规律，充分利用通话的“空闲”时间传送其他信息 (数据、图像甚至其他语声 )，是提高传输效率的有效方法之一。
数字语声插空与信源压缩编码相结合又形成了高效数字语声压缩编码技术。
2.6 参 量 编 码
参量编码是直接提取语声信号的一些特征参量，并对其编码的一种编码方式。其基本原理是由语声产生的条件，建立语声信号产生的模型，然后提取语声信息中的主要参量，经编码发送到接收端。
2.6.1 线性预测编码的基本概念
线性预测是指一个语声抽样值可用该样值以前若干语声抽样值的线性组合来逼近。
图 2-52 线性预测编译码方框图图 2-53 简化 LPC原理框图
2.6.2 线性预测合成分析编码
经过最小化过程确定的激励信号量化值就是声码器的输出，接收端的解码器根据此信号和同样的线性预测器恢复原来的语声信号。
语音分析图 2-54 LPAS声码器原理图
2.7 子 带 编 码
2.7.1 子带编码工作原理
子带编码 (SBC)首先用一组带通滤波器将输入频谱分成若干个频带，称为子带，然后每个子带再分别利用 APCM(自适应脉冲编码调制 )进行编码。
其基本原理是根据语声信号在整个频带内分布的不均匀性，通过控制语声信号范围内的量化噪声失真，对不同子带采用不同的编码比特数进行编码。这类编码方式也称为频域编码。
图 2-55 子带频域表示图 2-56 子带编码原理方框图
2.7.2 子带编码的编码速率
在子带编码器的设计中，必须考虑子带数目、子带划分、编码的参数、子带中比特的分配、每样值编码比特和带宽等主要参数。
