ZY3200104002均匀量化与非均匀量化

模块2均匀量化与非均匀量化（ZY3200104002）【模块描述】本模块介绍了均匀量化与非均匀量化的概念，包含均匀量化和和非均匀量化实现过程。通过图形讲解、公式分析，掌握均匀量化和非均匀量化对信噪比的影响，熟悉A律13折线PCM编码规则。【正文】在样值信号的量化过程中，根据量化间隔是否均匀将量化分为均匀量化和非均匀量化。一、均匀量化在信号幅度值最大变化范围内（-U～+U），将其划分为N个量化级，相邻量化级之间的量化级差均相等，即=2U/N，这种量化称为均匀量化。1．均匀量化特性设样值信号的幅度值为u,量化后的量化值为uq,描述u与uq之间的对应变化关系特性，称为量化特性。图ZY3200104002-1示出了两种线性量化的关系曲线。其中（a）为中平特性，（b）为中升特性。两者量化策略稍有不同，但无本质区别。图中（c）、（d）分别表示出了它们的量化误差曲线。量化误差ek总是在±/2范围。图ZY3200104002-1两种常用均匀量化的特性和量化误差2．均匀量化信噪比量化信噪比的计算公式如下(a)(b)uuq52Δ32Δ12Δ12Δ－52Δ－－32ΔΔ2Δ3Δ－2Δ－3Δuuq52Δ32Δ－52Δ－－32ΔΔ2Δ3Δ－2Δ－3ΔΔ－2Δ2ΔΔ－)/lg(2076.16)/(UUnNSmdBq（公式ZY3200104002-1）其中：mU为有用信号幅度，U为临界过载电压，n为码字位数。根据公式ZY3200104002-1可知，信噪比与码字位数成正比，即码字位数越多，信噪比越高，通信质量越好。每增加一位码，信噪比就提高6dB。有用信号幅度mU越小，信噪比越低，反之，有用信号幅度mU越大，信噪比越高。因此，在相同码字位数的情况下，大信号时信噪比大，小信号时信噪比小。这就是均匀量化的特点。通信系统要求：在信号动态范围达到-40dB(即)/lg(20UUm=-40dB)的条件下，量化信噪比不应低于26dB，即6n+1.76-40≥26，可得n=12。为了保证量化信噪比的要求，均匀量化的PCM编码的位数n必须大于或等于12。如果每个样值用12位码传输，则信道利用率较低，但减少了码字位数，又不能满足量化信噪比的要求。这就是均匀量化的缺点。二、非均匀量化为了满足量化信噪比的要求，又避免均匀量化的缺点，必须采用非均匀量化。非均化量化的基本方法是对大信号使用大的量化间隔，而小信号则利用小的量化间隔。实现非均匀量化的技术称为压缩与扩张。图ZY3200104002-2表示了具有压扩器的PCM系统。图ZY3200104002-2具有压扩器的PCM系统1．压缩－扩展特性实现非均匀量化的技术称为压缩和扩张。在发送端先对抽样值进行压缩，即对大信号“压缩”、对小信号的“扩展”。压缩特性如图ZY3200104002-3（a）所示。对接收端解码后的受压缩影响的样本序列，再进行扩张。扩张特性与图ZY3200104002-3（a）完全相反,如图ZY3200104002-3（b）所示。发收两种特性之和应为线性，才不致引起各样本的压-扩失真。图ZY3200104002-3压缩与扩张特性因压缩、扩张特性曲线的互补性，以下仅说明压缩特性。2．A律13折线近似压缩特性实现压扩特性的非线性曲线有多种。在PCM中，30/32路制式采用对数型A律压扩特性。A律压缩特性如图ZY3200104002-4所示。但A律压缩特性是一条连续曲线，不能用数字电现，因此应采用折线来近似其压缩特性。设在直角坐标系中，x轴和y轴分别表示输入信号和输出信号，并假定输入信号和输出信号的最大取值范围都是+1至-1，即都是取归一化后的值。（1）X轴输入信号归一化后，按1/2递减规律分为8段。如图ZY3200104002-5所示。输出压缩曲线输入（a）输出输入（b）X0Y0Y0X0扩张曲线信道压缩抽样均匀量化编码解码扩张（2）Y轴输出信号归一化后，均匀地分为8段。如图ZY3200104002-5所示。拆线各段的坐标如表ZY3200104002-1所示，拆线各段的斜率如表ZY3200104002-2所示。正负方向各有8段，共有16段线段。将此16段线段相连就得到一条折线。正负方向的第1段和2段因斜率相同而合成一段线段。因此16段线段从形状上变成了13段折线，这条折线被称为A律13折线。图ZY3200104002-4不同A值的A律压缩特性（第Ⅰ象限）图ZY3200104002-5y轴均匀分成8段示意图表ZY3200104002-1拆线各段端点对标与斜率端点012345678y01/82/83/84/85/86/87/81x01/1281/641/321/161/81/41/21表ZY3200104002-2拆线各段斜率折线段12345678斜率161684211/21/43．A律13折线量化与编码A律13折线量化电平的划分方法是：在归一化信号幅度范围内，在正负极性内各分成不等的8大段,每一大段内再均匀分成16等份。即被分成8段×16等份×2极性=256个量化级，因此须用8位码表示每一个量化级，记为a1a2a3a4a5a6a7a8。编码规则如下：（1）极性码：8位中的最高位a1，用1或0分别表示信号极性为正或负；（2）段落码：除已表示了正负极性外，量化的±8段需由a2a3a43位码元表示，即000，001…111表示量化值处于8段中的哪一段；（3）段内码：±8段中每段内有16个均匀分布的量化电平，由低4位a5a6a7a8表示量化值取某段中第几个量化电平。【思考与练习】1．什么均匀量化？它有何缺点？2．实现非均匀量化的技术是什么？3．如何采用折线来近似表示A律压缩特性的？4．简述A律13折线编码规则。