PCM编码及常用码组

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：在PCM系统中，把量化后的信号电平值转换成二进制码组的过程称为编码，其逆过程称为解码或译码。理论上讲，任何一种可逆的二进制码组都可以用于PCM编码。表3-2PCM编码时常用的码组自然二进制码就是一般的十进制正整数的二进制表示。采用PCM编码时，除了码组类型的选择外，还有码位数N 的确定。语音信号采用A律13折线PCM编码时，量化分层数L=2×128=256=28，因此语音信号采用PCM编码时需要的码位数N=8。

模拟信号经抽样、量化后变成了在时间和幅度上都离散的数字信号，但它是多电平（多进制）数字信号，电平数取决于量化级数。这种多电平数字信号是不适合在信道中直接传输的，因此，还必须将这些多进制数字信号转换成合适在信道中传输的二进制信号。在PCM系统中，把量化后的信号电平值转换成二进制码组的过程称为编码，其逆过程称为解码或译码。

理论上讲，任何一种可逆的二进制码组都可以用于PCM编码。常见的二进制码组有三种，即自然二进制码组NBC、折叠二进制码组FBC、格雷二进制码组RBC。表3-2列出了这些码的编码规律。

表3-2　PCM编码时常用的码组

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自然二进制码就是一般的十进制正整数的二进制表示。格雷二进制码的特点是相邻电平的编码仅有一位之差。

折叠二进制码相当于计算机中的符号幅度码。左边第一位表示信号的极性，后面几位表示信号的幅度。这里用“1”表示正极性，用 “0”表示负极性。由表3-1可看出，折叠码的特点是码组的上半部和下半部除极性外呈倒影关系，这相当于对零电平对称折叠，故被形象地称为折叠码。因此，当信号幅度的绝对值相同时，折叠码组除第1位（极性）外都相同。也就是说，用第1位码表示极性后，双极性信号可以采用单极性编码方法，从而可以大大简化编码过程。

折叠码的另一个优点是误码对小信号的影响较小，这对语音信号编码十分有利，因为话音信号出现小信号的概率较大。

采用PCM编码时，除了码组类型的选择外，还有码位数N 的确定。码位数N 与量化的分层数L密切相关。若采用等长编码，当L为2的整数次幂时，应取N=log2L，当L不为2的整数次幂时，则应取N= [log2L]+1。

可见，在输入信号变化范围一定时，量化台阶Δ越小，量化的分层数L越大，量化噪声就越小，通信质量当然也越好，但用的码位数N 也越多。一般从语音的可懂度来说，采用3～4位非线性编码（非均匀化编码）即可，但有明显失真。当编码数增加到7～8位时，语音质量就比较理想了。

语音信号采用A律13折线PCM编码时，量化分层数L=2×128=256=28，因此语音信号采用PCM编码时需要的码位数N=8。这样对一路语音信号进行PCM编码后的码元速率RB为

上式中，fs=8000Hz，为语音信号的抽样频率，即一路语音信号进行PCM编码后的信息传输素率为64kbit/s。

模拟信号经抽样与量化后变为一组有限的离散值，最后完成数字化还需要把离散的样值变换成对应的数字信号码组，这种变化过程称为编码。实际上，量化是在编码过程中同时完成的，所以，编码过程也称模/数变换；解码是编码的逆过程，称为数/模变换。

在实际的PCM系统中，常把量化器和编码器合在一起。常用的编码器有：计数式编码器、并行编码器及逐位比较反馈型编码器。这些编码器的原理图如图3-5所示。图3 5 （a）为计数式编码器，它用一个斜坡电压去逼近样值脉冲取值。在逼近过程中，计算斜坡电压上升的台阶数且编出相应的码元，图3-5 （b）为逐位比较反馈型编码器，是目前用得较为广泛的编码器。图3-5 （b）可用图3-5 （c）等效。逐位比较反馈型编码器的工作原理对应表3-1中的自然码编码过程。在编第一位码时，将样值脉冲与整个信号电平的一半进行比较，编第二位码时，将样值脉冲与整个信号电平的1/4进行比较，依次编出N 位码组。

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图3-5　常用的编码器

对语音信号来说，编码器的任务就是根据输入的样值脉冲输出相应的8位二进制码字D1D2D3D4D5D6D7D8。8位二进制码一般按极性码、段落码及段内码的顺序排列，见表3-3。

具体编码过程如下：

D1：极性码。当样值脉冲为正值时，D1编为 “1”码；当样值脉冲为负值时，D1编为“0”码。

D2D3D4：段落码。由13折线压缩特性曲线可知，对输入信号x来说，正部分有8个不均匀段，可用3位二进制码表示。表3-4列出了段落码与段落号之间的关系，可以看出段落码选用的是自然码。表3-4中还列出了各段以最小量化台阶Δ=2 0148为单位的起始电平和各段落量化台阶与最小量化台阶Δ的关系。当样值（以Δ为单位）给定时，可由各段起始电平值确定样值属于哪一段，确定后就用该段的段落码表示。

D5D6D7D8：段内码，又称为电平码。由于每段均匀分为16个等级，所以每级可用4位二进制码表示，见表3-5。段内码用的也是自然码组。编码时将输入信号的抽样值量化到16个量化级中的某一级上，然后就用该级的电平表示。

表3-3　8位码的排列顺序

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表3-4　段落编码电平表

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表3-5　段内码电平表

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在给出以上编码规则后，分析逐位比较反馈型编码器的编码过程。逐位比较反馈型编码器的原理框图如图3-6所示。逐位比较反馈型编码器包括整流、极性判别、保持、比较器、恒流源、7/11位码变换电路及记忆电路。

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图3-6　逐位比较反馈型编码器原理框图

整流是将双极性脉冲变成单极性脉冲的过程。极性判别电路用来判别输入样值脉冲的极性，编出第一位极性码D1。样值为正时，编 “1”码；极性为负时，编 “0”码。比较器将通过保持电路后的样值电流Is多次与权值电流Iw进行比较，每比较一次产生一位编码。且Is＞Iw时，编 “1”码，反之编 “0”码。每个样值要进行7次比较，编制出7位码。

每次比较所需的权值电流Iw均由本地译码器产生，本地译码器包括记忆电路、7/11位码变换电路及恒流源。记忆电路用来寄存输入的二进制码，因为除第一次比较外，以后每次比较都要根据前面几次比较的结果来确定权值电流Iw，因此7位码组中的前6位均应将记忆电路寄存下来。恒流源产生权值电流Iw时有11个基本的权值电流支路，支路电流的值分别为1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024，每次权值电流Iw输出时需要11个脉冲来控制。由于比较器输出的是7位非线性码，因此需要有7/11位码变换电路进行转换。7/11位码变换电路完成的实际上是非均匀量化到均匀量化的转换过程。下面通过举例来分析编码过程。

设输入抽样脉冲值为+1270个量化单位，采用逐位比较反馈型编码器将其编为8位码。

（1）确定极性码：由于脉冲值为正，极性码D1=1。

（2）确定段落码D2D3D4。

1）第一次比较，确定段落码中的D2。由于D2表示输入信号是处在8个段落的前4段还是后4段，故权值电流取Iw=128，因Is=1270＞Iw=128，故D2=1，它表示输入信号抽样值处于8个段落的后4段（5～8段）。

2）第二次比较，确定段落码中的D3。用D3来进一步表示输入信号是处在5～6段还是7～8段，故权值电流取Iw=512，因Is＞Iw，故D3=1，它表示信号处于7～8段。

3）第三次比较，确定段落码中的D4。D4用来表示输入信号是处在第7段还是第8段，故权值取Iw=1024，因Is＞Iw，所以D4=1，它表示信号处于第8段。

因此，段落码D2D3D4为111，表示输入抽样脉冲值处于第8段。

（3）确定段内码D5D6D7D8。段内码用来确定抽样脉冲值处于第8段中的哪一个量化级上。

1）第四次比较，确定段内码中的D5。D5表示信号是处在前8个（0～7）量化级还是后8 （8～15）个量化级，故权值电流取Iw=1024+8Δ8，其中Δ8=64，为第8段的量化台阶级，即Iw=1024+8×64=1536Δ，因Is＜Iw，所以D5=0，它表示信号处于第8段中的0～7 （前8个）量化级。

2）第五次比较，确定段内码中的D6。D6表示信号是处在前0～7量化级中的0～3级还是4～7级。故权值电流取Iw=1024+4Δ8=1024+4×64=1280Δ，因Is＜Iw，所以D6=0，它表示信号处于第8段中的0～3量化级。

3）第六次比较，确定段内码中的D7。D7表示信号是处在前0～3量化级中的0～1级还是2～3级。故权值电流取Iw=1024+2Δ8=1024+2×64=1152Δ，因Is＞Iw，所以D7=1。它表示信号处于第8段中的2～3量化级。

4）第七次比较，确定段内码中的D8。D8表示信号是处在前2～3量化级中的第2级还是第3级。故权值电流取Iw=1024+3Δ8=1024+3×64=1216Δ，因Is＞Iw，所以D8=1，它表示信号处于第8段中第3量化级。

故段内码D5D6D7D8确定为0011。

最后编码器输出的8位码组为：11110011，它表示输入抽样脉冲值被量化在第8段中的第3级上。量化电平值为1024+3×64=1216Δ，故量化误差为|1270-1216|=54Δ，小于该段的量化台阶（Δ8=64Δ）。

PCM编码及常用码组

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