通信原理-脉冲编码调制(PCM).ppt

第3章脉冲编码调制(PCM)3.1PCM基本概念通常我们用模拟信号（Analogsignal）和数字信号（Digitalsignal）的英文头一个字母把模拟信号变成数字信号的过程简称为A/D转换，把数字信号变成模拟信号的过程简称为D/A转换。图1―3中的信源编码实际上就是A/D转换，信源解码也就是D/A转换。
如何将一个模拟信号转换为一个数字信号呢？从第1章数字信号的定义中我们知道，首先要将模拟信号离散化，即对模拟信号按一定的时间间隔进行抽样；然后再将无限个可能的抽样值（不是指抽样点的个数，而是每个抽样点的可能取值）变成有限个可能取值，我们称之为量化；最后对量化后的抽样值用二进制（或多进制）码元进行编码，就可得到所需要的数字信号。所谓编码就是用一组符号（码组）取代或表示另外一组符号（码组或数字）的过程。这种将模拟信号经过抽样、量化、编码三个处理步骤变成数字信号的A/D转换方式称为脉冲编码调制(PCM,PulseCodeModulation）。PCM的概念最早是由法国工程师AlceReeres于1937年提出来的。1946年第一台PCM数字电话终端机在美国Bell实验室问世。1962年后，采用晶体管的PCM终端机大量应用于市话网中，使市话电缆传输的路数扩大了二三十倍。20世纪70年代后期，随着超大规模集成电路PCM芯片的出现，PCM在光纤通信、数字微波通信和卫星通信中得到了更为广泛的应用。
3.2抽样可见，如果让开关受一个窄脉冲串（序列）的控制，则脉冲出现时开关闭合，则脉冲消失时开关断开，此输出y(t)就是一个幅值变化的脉冲串（序列），每个脉冲的幅值就是该脉冲出现时刻输入信号f(t)的瞬时值，因此，y(t)就是对f(t)抽样后的信号或称样值信号。
图3―1抽样概念示意图图3―2是脉冲编码调制的过程示意图。图3―2（a）是一个以Ts为时间间隔的窄脉冲序列p(t)，因为要用它进行抽样，所以称为抽样脉冲。在图3―2（b）中，v(t)是待抽样的模拟电压信号，抽样后的离散信号k(t)的取值分别为k(0)=0.2，k(Ts)=0.4，k(2Ts)=1.8，k(3Ts)=2.8，k(4Ts)=3.6，k(5Ts)=5.1，k(6Ts)=6.0，k(7Ts)=5.7，k(8Ts)=3.9，k(9Ts)=2.0，k(10Ts)=1.2。
可见取值在0～6之间是随机的，也就是说可以有无穷个可能的取值。在图3―2（c）中，为了把无穷个可能取值变成有限个，我们必须对k(t)的取值进行量化（即四舍五入），得到m(t)。则m(t)的取值变为m(0)=0.0，m(Ts)=0.0，m(2Ts)=2.0，m(3Ts)=3.0，m(4Ts)=4.0，m(5Ts)=5.0，m(6Ts)=6.0，m(7Ts)=6.0，m(8Ts)=4.0，m(9Ts)=2.0，m(10Ts)=1.0，总共只有0、1、2、3、4、5、6等七个可能的取值。从概念上讲，m(t)已经变成数字信号，但还不是实际应用中的二进制数字信号。因此，对m(t)用3位二进制码元进行自然编码就得到图3―2（d）的数字信号d(t)，从而完成了A/D转换，实现了脉冲编码调制。
图3―2脉冲编码调制示意图细心的读者可能会提出这样的问题，从上述抽样、量化、编码的PCM过程中没有发现明显的调制概念，那么为什么叫脉冲编码调制呢？其实调制的概念体现在抽样和编码过程中。我们虽然从概念上可以理解抽样的含义，但在电路中如何实现呢？在实际工程中，可控开关通常是用一个乘法器实现的，我们用图3―3脉冲编码调制模型说明这个问题。假设有一模拟电压信号v(t)通过乘法器与一个抽样窄脉冲序列p(t)相乘，就会得到一个幅度随v(t)的变化而变化的窄脉冲序列k(t)，而这正是我们在第2章中讲过的幅度调制概念。与抑制载波的双边带调幅相比，其主要差别在于载波不是正弦型信号而是窄脉冲序列(冲激序列)。另外，PCM的输出信号是“0”和“1”组成的脉冲序列，从信息传输的角度上看，该序列的作用相当于模拟调制中的载波，但原始信号(调制信号)不是通过脉冲序列的幅度或宽度等参量表示，而是利用“0”和“1”码元的不同组合携带信息(即所谓的编码)。也就是说，PCM是将原始信号“调制”(编码)到二元脉冲序列的码元组合上，而抽样的幅度调制实际上是为后面的编码调制铺路的，因此，整个抽样、量化和编码过程统称为脉冲编码调制。图3―3脉冲编码调制模型3.3量化首先介绍三个概念，第一个是量化值——确定的量化后的取值叫量化值（有的书籍也称量化电平），比如上例中的量化值就是0、1、2、3、4、5、6七个。第二个是量化值的个数称为量化级。第三个是量化间隔——相邻两个量化值之差就是量化间隔（也称量化台阶）。在图3―2（b）和（c）中，我们发现v(t)的样值信号k(t)和量化后的量化信号m