【正文】 有 40多年的發(fā)展歷史。以前，在實用化的 PCM數(shù)字電話系統(tǒng)中， PCM編 /解碼器都是由分立元件和小規(guī)模集成電路組成的，缺點很多。隨著大規(guī)模集成電路和 PCM通信方式的發(fā)展， PCM編 /解碼器的核心部分已經(jīng)集成化了，而且在實際中得到廣泛的應(yīng)用，如數(shù)字電話機以及綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的用戶終端等。典型的單片 PCM編 /解碼器主要有 Intel2910(μ律 )、 2911(A律 )、 Intel2912914C、 MC1440 MC14403等。其中， Intel2910(μ律 )、2911(A律 )屬于第二代產(chǎn)品， MC1440 MC14403屬于第三代產(chǎn)品。下面將 2914PCM單路編解碼器的特性及功能簡單介紹一下。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 2914PCM編 /解碼器的功能框圖如圖 215所示。該編 /解碼器由發(fā)送部分 (編碼單元 )、接收部分 (解碼單元 )及控制部分三大部分組成。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 圖 215 2914PCM編 /解碼器的功能框圖 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 (1) 發(fā)送部分。發(fā)送部分包括輸入運放、帶通濾波器、抽樣保持和 DAC(數(shù) /模轉(zhuǎn)換 )、比較器、逐次漸近寄存器、輸出寄存器以及 A/D控制邏輯、參考電源等。待編碼的模擬語音信號首先經(jīng)過運算放大器放大，該運算放大器有 V的共模抑制范圍，增益可由外接反饋電阻控制運放輸出的信號，經(jīng)通帶為 300～ 3400 Hz的帶通濾波后，送到抽樣保持、比較、本地 D/A變換 (DAC)等編碼電路進行編碼，在輸出寄存器寄存，由主時鐘 (CGR方式 )或發(fā)送數(shù)據(jù)時鐘(VBR方式 )讀出，由數(shù)據(jù)輸出端輸出。整個編碼過程由A/D控制邏輯控制。此外，還有自動調(diào)零電路來校正直流偏置，保證編碼器正常工作。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 (2) 接收部分。接收部分包括輸入寄存器、 D/A控制邏輯、抽樣保持和 DAC、低通濾波器和輸出功放等。在接收數(shù)據(jù)輸入端出現(xiàn)的 PCM數(shù)字信號，由時鐘下降沿讀入輸入寄存器，由 D/A控制邏輯控制進行 D/A變換，將 PCM數(shù)字信號變換成 PAM樣值，并由樣值電路保持，再經(jīng)緩沖器送到低通濾波器，還原成語音信號，經(jīng)輸出功放后送出。功放由兩級運放電路組成，是平衡輸出放大器，可驅(qū)動橋式負載，需要時也可單端輸出，其增益可由外接電阻調(diào)整，可調(diào)范圍為 12 dB。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 (3) 控制部分?？刂撇糠种饕且粋€控制邏輯單元，通過 PDN(低功耗選擇 )、 CLKSEL(主時鐘選擇 )、 LOOP(模擬信號環(huán)回 )三個外接控制端控制芯片的工作狀態(tài)。 2914編碼器采用 24腳引線，其典型應(yīng)用電路如圖 216所示。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 圖 216 2914編碼器的應(yīng)用電路舉例 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 3. 單路解碼器的應(yīng)用 目前，單路編解碼器主要應(yīng)用在以下幾個方面 : (1) 傳輸系統(tǒng)的音頻終端設(shè)備，如各種容量的數(shù)字終端機和各種復(fù)合轉(zhuǎn)換設(shè)備； (2) 用戶環(huán)路系統(tǒng)和數(shù)字交換機的用戶系統(tǒng)、用戶集線器等； (3) 用戶終端設(shè)備，如數(shù)字電話機； (4) 綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的用戶終端。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 差分脈沖編碼調(diào)制 DPCM PCM編碼技術(shù)是按照樣值的幅度進行編碼的，在編碼過程中不考慮相鄰兩個樣值之間的相關(guān)性。它采用 8位編碼， 64 kbit/s的傳輸速率，雖然可以提供很高的通信質(zhì)量，但占用的頻帶寬度為 64 kHz，遠遠高于模擬通信所占用的頻帶寬度。當(dāng)將這些有一定相關(guān)性的樣值按 PCM方式進行編碼時，會使所得的編碼信號中含有一定的冗余信息，這樣就使編碼信號的速率有一些不必要的增高，實際上就是降低了傳輸效率。所以，利用語音信號的相關(guān)性降低編碼速率是實現(xiàn)語音信號高效編碼的有效方法。 DPCM是考慮利用語音信號的幅度相關(guān)性，找出可反映信號幅度變化特征的一個差值進行量化和編碼的。根據(jù)相關(guān)性原理，這一幅度差值的范圍一定小于原信號幅度的范圍。因此，在保持相同量化誤差的前提條件下，量化電平數(shù)量可以減少，也就是降低了編碼速率 (即壓縮編碼 )。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 差分脈沖編碼調(diào)制 DPCM的基本概念 差值脈沖編碼調(diào)制 (Differential Pulse Code Modulation，DPCM)是一種靠傳輸樣值差值，并對差值進行量化和編碼的一種通信方式。它一般是以預(yù)測的方式來實現(xiàn)的。預(yù)測是指當(dāng)我們知道了冗余性 (有相關(guān)性 )信號的一部分時，就可對其余部分進行推斷和估值。具體地說，如果知道了一個信號在某一時間以前的狀態(tài)，則可對它的未來值進行估計。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 根據(jù)抽樣定理， 對于模擬信號，大多數(shù)情況下，相鄰的兩個抽樣值之間都存在著很強的相關(guān)性，也就是說，相鄰的一個抽樣值到另一個抽樣值之間不會迅速發(fā)生變化， 說明信號源本身含有大量的剩余成分。我們?nèi)绻軐⑦@些剩余成分去除或減小，就可以大大地提高通信的有效性。從概念上講，它是把語音樣值信號分成兩種成分 : 一種成分是與前一個樣值有關(guān)的，所以是可以預(yù)測的；另一種成分是不可預(yù)測的?？梢灶A(yù)測的成分是由過去一些適當(dāng)數(shù)目的樣值加權(quán)后得到的，不可預(yù)測的成分可以看成是預(yù)測誤差 (又稱為差值 )。這樣，不傳輸樣值序列，只傳輸差值序列就可以了。由于差值的動態(tài)范圍比樣值動態(tài)范圍小得多，因此可以在保證通信質(zhì)量的前提條件下降低數(shù)碼率。接收端只要把接收到的差值序列疊加在可預(yù)測的成分上，就可以恢復(fù)出原始的信號序列。正是因為在編碼過程中傳輸?shù)氖菢又档牟钪担赃@種實現(xiàn)通信的方法被稱為差值脈沖編碼調(diào)制 (DPCM)。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 DPCM的編碼、解碼過程 1. DPCM的編碼、解碼原理 DPCM的原理框圖如圖 217所示。從圖 217中可以看出，這種脈沖編碼調(diào)制方式在發(fā)送端首先對模擬的語音信號進行抽樣，然后通過比較器的比較得到樣值的差值信號，在編碼過程中是對樣值的差值信號進行量化和編碼，編碼得到的數(shù)字信號通過信道的傳輸?shù)竭_接收端，接收端有和發(fā)送端可逆的一系列電路設(shè)備，通過解碼還原出樣值的差值信號，再經(jīng)過相加器得到恢復(fù)的近似樣值信號，最后經(jīng)過低通濾波器的平滑作用，恢復(fù)和重建原始模擬信號。其中，發(fā)送端和接收端都有預(yù)測器電路，它一般是由延遲回路來完成的，它的作用是通過延遲一周期的延遲回路的記憶和相加器的共同作用來完成差值的積累，從而達到恢復(fù)原始樣值信號序列的目的。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 圖 217 DPCM的原理框圖 (a) 發(fā)送端的編碼過程； (b) 接收端的解碼過程 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 2. 差值的傳輸和預(yù)測值的形成 1) 差值的傳輸可實現(xiàn)通信 d′(n) 各個信號序列的表示及樣值序列的恢復(fù)如圖 218所示， 在圖 217所示的 DPCM的原理框圖中，可以通過傳輸差值信號來達到傳輸樣值信號的目的，那么這個過程是怎么實現(xiàn)的？ 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 在圖 218(a)中，我們假設(shè)樣值序列為 s(0)， s(1)， s(2)，s(3)， … ， s(n)，假設(shè) d(i)是本時刻樣值與前一相鄰時刻樣值之間的差值，我們就可以得到 d(i)= s(i)－ s(i－ 1)， 在 t=0時刻，前鄰時刻 (－ T)的樣值是 0，所以有 d(0)= s(0)，如圖 218(b)所示。從圖 218(a)可以看出 : s(0)= d(0) s(1)= d(0)+ d(1)= s(0)+ d(1) s(2)= d(0)+ d(1)+ d(2)= s(1)+ d(2) s(3)= d(0)+ d(1)+ d(2)+ d(3)= s(2)+ d(3) s(n)=∑d(i)=s(n－ 1)+d(n) (219) 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 由上述分析可知 : 樣值等于過去到現(xiàn)在的所有差值信號的積累。由此我們可以想象，假如在傳輸過程中傳輸?shù)氖窍噜彉又档牟钪敌盘?，我們只要找到一種電路，把前一段時間內(nèi)的所有差值信號積累起來，那么就可以通過傳輸差值信號來傳輸樣值信號了。人們采用圖 218(c)所示的延遲記憶回路來實現(xiàn)差值的積累，所以，差值的傳輸可實現(xiàn)通信。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 圖 218 差值序列、樣值序列和樣值序列的恢復(fù) (a) 樣值序列； (b) 差值序列； (c) 樣值序列的恢復(fù) 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 2) 預(yù)測值的形成 由圖 217可知， DPCM是將差值脈沖序列進行量化和編碼后再送到信道中傳輸?shù)模? 所以最關(guān)鍵的問題就是差值的檢出，也就是如何檢測出前鄰樣值形成預(yù)測值的過程。 根據(jù)式 (219)我們可以得到前鄰樣值 s(n－ 1)=∑d(i)，但是 DPCM是將差值量化和編碼，因此前鄰樣值只能由差值的量化值來形成。但是由量化值形成的前鄰樣值是一個估計值。用 sp(n) 來表示估計值， 由圖 217和圖 219可知 : (220) 1p0( ) ( ) ( 0 ) ( 1 ) ( 2 ) ( 1 )niS n d i d d d d n??? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ??第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 由圖 219可以看出，樣值量化值等于所有過去到現(xiàn)在的差值量化值的積累，而預(yù)測值等于過去所有差值量化值的積累。 圖 219 估計預(yù)測值的形成 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 樣值量化值為 (221) 預(yù)測值為 (222) 所以 (223) 0( ) ( )niS n d i???? ?1p0( ) ( ) ( 1 )niS n d i S n????? ? ??p( ) ( ) ( )s n s n d n????第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 3) 量化誤差 樣值的量化誤差為 (224) 從式 (224)中可以得出一個重要的結(jié)論 : 樣值的量化誤差等于差值的量化誤差，所以樣值的量化誤差僅僅是由差值量化器決定的。 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )s n s n s n d n d n? ? ?? ? ? ?第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 3. DPCM的解碼與信號重建 DPCM的解碼與信號重建部分的主要電路是低通濾波器，在接收端將收到的碼字解碼后變換成差值量化值。將差值量化值恢復(fù)為樣值量化值的回路與發(fā)送端預(yù)測部分回路是相同的，所以可以得出結(jié)論 : 樣值量化值序列只要通過低通濾波器，就可以重建出原始模擬話音信號，有一定的量化失真，但是不影響通信系統(tǒng)的正常工作。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 DPCM的性能分析 下面分析一下 DPCM系統(tǒng)的性能，并且與 PCM系統(tǒng)和ΔM系統(tǒng)進行比較。 1. 過載特性 在 DPCM系統(tǒng)中，當(dāng)差值的編碼位數(shù)為 n時，其最大量化值為 (2n－ 1)Δ。根據(jù)分析，如果信號斜率大于 (2n－ 1)Δ/Ts或者 (2n－ 1)Δfs，那么 DPCM系統(tǒng)會出現(xiàn)斜率過載的現(xiàn)象。下面我們舉例來分析。 假設(shè)輸入信號是正弦信號 Aω cosωt，其最大斜率為Amaxω，為了防止斜率過載，應(yīng)該滿足如下關(guān)系 : Amaxω≤(2n－ 1)Δfs 且 ω=2πf (225) 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 所以臨界過載電壓為 Amax=(2n－ 1)Δfs/2πf (226) 當(dāng)最小量化階 Δ一定時，過載能力隨著 fs的增大和碼位 n的增加而增強，碼位數(shù)增加，信道的數(shù)碼率也隨之增大。同時，過載能力與輸入信號頻率成反比，限制了輸入信號的幅 頻特性。 第 2章 模擬信號數(shù)字化與信源編碼 2. 信噪比 在 DPCM系統(tǒng)中，采用了 n位編碼，差值被量化為 2n個電平，量化間隔為 2Δ，根據(jù) PCM均勻量化噪聲功率表達式，可得 DPCM的量化噪聲功率為 (227) 仍然假設(shè)量化噪聲具有均勻的功率譜密度，分布在0~nfs(nfs為 DPCM系統(tǒng)輸出的數(shù)碼率 )的頻帶范圍內(nèi)，經(jīng)過低通濾波器后量化噪聲功率為 (228) 22q( 2 )