压缩特性A律

来自EEWiki.

PCM技术

概述

数字交换系统可以直接处理，传送和交换数字信息，与模拟交换系统相比，抗干扰性强，易于时分多路复用，便于加密，适于信号处理和控制，便于引入远端集线器，易于集成容量大阻塞低的数字交换网络，并有利于实现数字交换与数字传输的直接联接，构成综合数字网(IDN),为向ISDN过渡奠定基础。然而，目前的通信网仍然以模拟为主，用户终端多为模拟话机。因而来自用户线的话音要进入数字交换机，需先在用户接口电路进行模数转换，将模拟话音编码成数字话音。

话音信号的数字化方法很多，常用的有脉冲编码调制(PCM),增量调制(DM),线性预测编码(LPC),以及某些改进的方案，如插值PCM(DPCM),自适应插值PCM(ADPCM),与自适应DM(ADM)等。在程控数字交换机系统中，除个别的应用外，基本采用PCM数字化方法。

PCM历史形成

脉冲编码调制的概念是1937年，由法国工程师Alec Reeres 最早出来的。1946年美国Bell实验室实现了第一台PCM数字电话终端机。

1962年，晶体管PCM终端机大量应用于市话网中局间中继线，使市话电缆传输电话路数扩大24－30倍。

70年代后期，超大规模集成电路的PCM编、解码器的出现，使光纤通信、数字微波通信、卫星通信获得了更广泛的应用。

PCM应用原理

PCM主要包括抽样，量化，与编码三种功能单元。首先，模拟话音经防混叠低通滤波得到限带(300-3400HZ)的话路信号，将其抽样变成脉冲调幅(PAM)信号。根据抽样定理，只要抽样频率fs不低于模拟信号最高频率fm的2倍，即fs>=2fm,则在接收端能够恢复出原模拟信号。CCITT建议规定fs=8KHZ。然后将幅度连续的抽样信号用四舍五入的方法量化为有限个采值的量化信号，再经编码，变换成二进制代码。对于电话，CCITT G.711,712建议每抽样值编为8位码，这样共有256个量化级，因而每路模拟话音相应的数字话音相应的数字话音标准数码率为64kb/s.

在PCM设备中，各路编码信号，先经时分多路复用，合成的码流再通过信道(或线路)传送到接收端。在接收端先进行信码再生，定时提取及分路，再经数模变换(即PCM解码),还原为PAM抽样保持信号。根据抽样定理，借助低通滤波器便可以从中恢复出模拟话音信号。

由上述可知，话音信号在量化的过程中，必然会产生误差(或失真),引起通话时附加量化噪声。对于线性量化情况，量化噪声功率仅与量化间隔大小有关，因而大信号时信噪比高，小信号时信噪比低。为解决线性量化时小信号音质差的问题，在实际中通常采用不均匀分层的办法，让量化特性在小信号时分层密，即量化间隔小，而在大信号时分层疏，即量化间隔大。这样就能在编码位数较少的情况下，得到小信号较高的信噪比，以改善通话质量。为此需要在发送端先将话音信号进行非线性幅度压缩，再进行线性量化与编码，与此对应，在接收端解码后则需对话音信号加以扩张，以补偿因压缩而造成的非线性。在理想情况下，扩张器与压缩特性应是完全互补的。

在实际中广泛应用两种对数形式的压缩特性，即A律和μ律，CCITT和欧洲邮电部长会议(CEPT)已对A律压缩特性形成了标准，而CCITT与北美贝尔系统已对μ律压缩特性形成了标准，前者主要用于欧洲，后者主要用于北美和日本，我国采用A律压缩方式。

压缩特性 A 律和压缩特性μ律

非均匀量化

非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。换言之，非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平，以改善量化性能。

在PCM应用中，为解决线性量化时小信号音质差的问题，在实际中通常采用不均匀分层的办法，让量化特性在小信号时分层密，即量化间隔小，而在大信号时分层疏，即量化间隔大。这样就能在编码位数较少的情况下，得到小信号较高的信噪比，以改善通话质量。

实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号x先进行压缩处理，再把压缩的信号y进行均匀量化。所谓压缩器就是一个非线性变换电路，微弱的信号被放大，强的信号被压缩。压缩器的入出关系表示为y=f(x),接收端采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复x 。

通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩，即y=lnx。广泛采用的两种对数压扩特性是μ律压扩和A律压扩。美国采用μ律压扩，我国和欧洲各国均采用A律压扩

μ律压扩特性