脉码调制(PCM)

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20世纪70年代，长距离、大容量的数字通信技术进入实用阶段。70年代中期，世界上开始出现数字化的数据通信网。常用的调制方式，除了振幅调制(调幅)、频率调制(调频)外，还有脉码调制，它的英文缩写为PCM。脉码调制（PCM）是一种模／数转换技术,它是美国物理学家里布斯于1937年提出的，现已广泛应用于电话、电视的传输。这一概念的提出，还为数字通信奠定了基础，在计算机终端之间进行数字信息交换时，脉码调制是一种非常有效的手段。脉码调制是对模拟信号进行处理、量化、编码后转换为数字信号的一种调制方式。所传输的信号经脉码调制后，变为一系列的等幅脉冲，按照脉冲的出现与否赋予相应的编码，从而把所传输的信号以编码的形式表示出来。声音、电视图像等连续信号以及计算机数据通常转化为由5或7个“通”、“断”脉冲组成的博多电码。脉码调制已广泛用于各种通信业务，还用来保障名目繁多的公众通信业务的通信安全。

50年代初期，美国贝尔电话实验室开始用脉码调制开发一种数字微波通信网DR18。这个系统包含28 224个双向脉码调制电话通路，于70年代中期投入商用。

60年代，一些国家的市内电话网开始使用脉码调制来扩充容量。利用它，可使音频电缆的传输容量扩大24～48倍。

70年代中后期，脉码调制已成功地应用于同轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容量的传输系统。

1975年，贝尔电话公司安装的T4M系统供美国国内传输话音、电视及数据信号。在直径为10厘米的电缆中，装有22根同轴管道(其中两根备用)，可提供4万条以上的双向脉码调制的电话线路。

80年代初，脉码调制不仅应用于市话中继传输和大容量干线传输以及数字程控交换机，而且在用户电话机中也开始使用。随着宽带传输技术的发展，高质量宽带脉码调制技术发展非常迅速。

脉码调制技术与集成电路技术的进步，促使数字通信出现突飞猛进的发展。

数字通信系统采用的数字信号与计算机使用的二进制信号形式一致，因此，数字通信系统可以直接与计算机相连，从而能对信息自动进行处理和变换，很方便地建立以计算机为核心的通信网。

从技术发展和方便用户的角度来看，数字通信标志着现代化通信的开始。至今，在话音通信、图像通信、数据通信等许多通信领域中，信息的收集、传输、变换、处理都离不开数字化技术。通信数字化的热潮已经掀起，正以燎原之势遍及通信的所有领域，甚至各种家用音像电器也开始实现数字化。

数字通信已渗透到移动通信领域，数字移动电话就是采用数字通信技术研制出来的。

脉码调制将模拟调制信号的采样值变换为脉冲码组。

PCM编码包括如下三个过程。

抽样：将模拟信号转换为时间离散的样本脉冲序列。

量化：将离散时间连续幅度的抽样信号转换成为离散时间离散幅度的数字信号。

编码：用一定位数的脉冲码组表示量化采样值。

解调: 接收机中恢复信源信息的过程。

码元：脉冲码组的每个脉冲。码长n：码组中包含的码元个数。

码同步和帧同步:

系统的抗噪声性能：信号与量化噪声的功率比误码率。

把量化后的信号电平值转换成二进制编码的过程,称作编码.

常用三种:自然二进制码组NBC;折叠二进制码组FBC; 格雷二进制码组RBC.而PCM通信中采用折叠码.

一.常用二进制码型

自然二进制码(Natural Binary Code,NBC):码字与电平值的对应关系简单。一般的十进制正整数的二进制表示。

反射二进制码(Reflected Binary Code,RBC):/格雷码

任何相邻的电平的码组，只有一位码位发生变化。

折叠二进制码(Folded Binary Code,FBC):

除去左边第一位，其余部分从电平序号中部呈上下对称（折叠关系）

左边第一位是符号位。（1表示正；0表示负）

三种二进制码

折叠二进制编码

相当于计算机中的符号幅度码，左边第一位是符号位（1表示正，0表示负），第二位以后表示幅度。

其它各位相对于零电平对称折叠，故称为折叠码。

为何PCM选用折叠码（FBC）?（定性分析）

对于语音信号来说，小信号出现的概率最大；

而对于任意编码，左边第一位(高位)误码造成的误差功率最大。

NBC码在小信号情况，如果0111误为1111，则误码功率大。

而FBC码，如果0000误为1000，同样的小信号情况，则误码功率相对较小。

yi,yj——第i,j级量化电平；

pij是将yi误为yj的概率；

pi是yi的出现概率；L是量化电平总数。

假设每个电平出现概率相等， pi=1/L

n位编码中只有一位误码，则只可能出现n=log2L种量化电平差错,错误概率pij=Pe，有

在自然码NBC中，第K位发生误码，产生的误差值为

总噪声功率：

设输入信号服从均匀分布，满载功率为：

信噪比为：

当 时

误码造成信噪比下降3dB.对于L=256位的线性量化来说,此时的Pe为3.8*10-6

下图为不同编码规律时SNR与输入电平的关系,在相同误码的情况下,折叠码的信噪比明显高于自然码。

二. 编码器工作原理

直接比较型：

用2n-1 个比较器将信号采样值同时与2n-1 个判别电平。[△V,2△V, …,(2n-1)△V]进行比较，经过逻辑电路并行输出n位码组。

折叠级联型：

n级比较电路串联构成，每级编一位码，可把量化采样值直接转换为折叠二进制码。

1. 线性编码—自然二进制码

本地解码器产生供比较用的二进制电压Vj ，保持电路使采样值在一个编码周期内不变Vs 。

2. 非线性编码

非均匀量化编码，以A87.6/13 折线为例。

CCITT标准的PCM编码过程

A律的国际标准PCM编码

极性码M1:

段落码M2M3M4：表示量化采样值所在段落的序号。

电平码(段内码)M5M6M7M8：表示每一段落内的16个均匀量化级。

表5-3列出了最小量化单位为2，段内码为自然码的量化规则。

注:表中D为最小量化单位，在表5-3中，D=2

解码器工作原理

1. 线性解码

权电阻网络型解码器（n=7）.

2. 非线性解码

1. 极性控制电路

2. 数字压扩改用7/12 变换电路

量化误差由原来的△Vi 减小为△vi/2