1.3.4 脉冲编码调制

脉冲编码调制用于把声音、图像等模拟数据转换成可以通过数字信道传输的二进制数据。

PCM的三个核心步骤：

1. 采样：把时间连续的模拟信号转换成时间离散的样本。
2. 量化：把幅度连续的样本转换成有限个离散等级。
3. 编码：把量化等级转换成二进制代码。

模拟信号
    ↓
采样 Sampling
    ↓
时间离散、幅度连续的样本
    ↓
量化 Quantization
    ↓
时间离散、幅度离散的样本
    ↓
编码 Encoding
    ↓
PCM二进制数据

核心结论：PCM就是对模拟信号进行“采样、量化、编码”，最终得到二进制数字信号。

PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制）是一种常用的模拟信号数字化技术。

它通过周期性地读取模拟信号的瞬时幅度，把样本幅度量化成有限个离散等级，再将每个量化等级表示为二进制代码。

Digitization（数字化）是把声音、图像等模拟数据转换为数字信号的过程。

数字化后的数据具有以下特点：

• 适合在数字通信网络中传输。
• 抗干扰能力较强。
• 便于存储、复制和计算机处理。
• 可以进行压缩、加密和差错控制。
• 容易与其他数字业务统一传输。

实现模拟信号和数字信号相互转换的设备称为：

Codec（Coder-Decoder，编码解码器）

Codec包含两项基本功能：

• Coder（编码器）：把模拟数据转换为数字信号。
• Decoder（解码器）：把数字信号还原成模拟数据。

发送端                                         接收端
模拟数据 → Coder → PCM数据 → 数字信道 → Decoder → 模拟数据
           编码器                          解码器

注意：Codec解决的是模拟数据数字化问题；Modem解决的是数字数据通过模拟载波传输的问题。

Sampling（采样）是每隔固定时间读取一次模拟信号的瞬时值。

模拟信号原本在时间和幅度上都是连续的。采样之后：

• 时间变为离散状态。
• 样本幅度仍然是连续值。
• 一系列样本共同描述原模拟信号的变化过程。

原模拟信号：x(t)

采样时刻：0、T、2T、3T、4T……

样本序列：x(0)、x(T)、x(2T)、x(3T)……

其中：

• T表示采样周期。
• f_s表示采样频率。
• 采样频率表示每秒采样的次数。

采样频率与采样周期的关系为：

''f_s = 1/T''

Nyquist Sampling Theorem（奈奎斯特采样定理）指出：

为了能够根据采样值恢复原模拟信号，采样频率至少应为模拟信号最高频率的2倍。

公式为：

''f_s ≥ 2f_max''

教材中强调实际采样频率应高于临界值，因此写作：

''f_s > 2f_max''

其中：

结合 f_s=1/T，可以得到：

''1/T ≥ 2f_max''

最大采样周期应满足：

''T ≤ 1/(2f_max)''

理论上的最低采样频率称为：

Nyquist Rate（奈奎斯特速率）

''f_N = 2f_max''

实际系统通常会选择略高于奈奎斯特速率的采样频率，以便留出滤波器过渡带和系统误差余量。

如果采样频率低于信号最高频率的2倍，高频信号可能被错误识别为低频信号。

这种现象称为：

Aliasing（混叠）

防止混叠的主要方法：

• 采样频率满足奈奎斯特采样定理。
• 在采样前限制输入信号的最高频率。
• 使用抗混叠低通滤波器。

采样之前使用的滤波器称为：

Anti-Aliasing Filter（抗混叠滤波器）

已知语音信号的最高频率为4 kHz，求理论最低采样频率。

''f_s ≥ 2f_max''

''f_s ≥ 2 × 4 kHz''

''f_s ≥ 8 kHz''

因此，最低采样频率为：

''8 kHz = 8000次/秒''

对应的最大采样周期为：

''T = 1/f_s''

''T = 1/8000 s''

''T = 0.000125 s''

''T = 125 μs''

考试重点：采样频率决定时间轴上的还原精度，量化等级决定幅度轴上的还原精度。

采样后获得的样本值仍然是连续幅度，不能直接用有限长度的二进制数精确表示。

Quantization（量化）是把连续的样本幅度近似为有限个离散等级的过程。

例如：

若量化等级数为 L，每个样本使用 n 位二进制代码表示，则：

''L = 2^n''

反过来：

''n = log₂L''

常见对应关系如下：

教材图示将信号幅度划分成16个量化等级，因此每个样本需要：

''n = log₂16''

''n = 4 bit''

相应的二进制代码范围为：

''0000～1111''

原始样本值与量化后的近似值通常不能完全相等，其差值称为：

Quantization Error（量化误差）

''量化误差 = 原始样本值 - 量化值''

例如：

原始样本值：1.09
量化值：1.10
量化误差：1.09 - 1.10 = -0.01

量化过程引起的失真称为：

Quantization Noise（量化噪声）

量化误差只能通过增加量化等级等方式减小，不能被完全消除。

核心规律：量化等级越多，幅度表示越精确，但每个样本所需的二进制位数也越多。

Uniform Quantization（均匀量化）是将整个信号幅度范围划分为大小相等的量化区间。

主要特点：

• 各量化区间的宽度相同。
• 实现方法比较简单。
• 大信号和小信号采用相同的量化精度。
• 小信号的相对量化误差可能比较明显。

Non-uniform Quantization（非均匀量化）是对不同幅度范围采用不同的量化间隔。

通常采用：

• 小幅度信号使用较小的量化间隔。
• 大幅度信号使用较大的量化间隔。
• 提高小信号的量化精度。
• 改善语音信号的信噪比。

Encoding（编码）是将量化后的幅度等级转换成相应二进制代码的过程。

如果采用16级量化，每个样本需要4位二进制代码：

假设连续样本的量化等级依次为：

''3、8、5、15''

对应的4位二进制代码为：

形成的PCM比特流为：

''0011 1000 0101 1111''

假设某次采样得到的幅度为1.09：

实际样本值：1.09
        ↓
量化近似值：1.1
        ↓
确定量化等级
        ↓
转换成对应二进制代码
        ↓
形成PCM数字数据

PCM数据速率等于每秒采样次数乘以每个样本的编码位数：

''R = f_s × n''

其中：

若系统包含多个独立通道，则：

''R = f_s × n × C''

其中：

• C表示通道数量。
• 单声道的 C=1。
• 双声道的 C=2。

因为：

''n = log₂L''

所以：

''R = f_s × log₂L × C''

其中 L 为量化等级数。

教材给出的条件如下：

• 语音信号最高频率为4 kHz。
• 采样频率为8 kHz。
• 量化等级为128级。
• 每个样本使用7位二进制数表示。

''f_s = 2 × 4 kHz''

''f_s = 8 kHz''

即：

''f_s = 8000次/秒''

''n = log₂128''

''n = 7 bit''

''R = f_s × n''

''R = 8000 × 7''

''R = 56000 b/s''

''R = 56 kb/s''

因此，按照教材采用的128级量化方案，数字语音信号的数据速率为：

56 kb/s

补充说明：教材示例采用7位编码，因此结果为56 kb/s。常见电话PCM通常采用8 kHz采样和8 bit编码，对应64 kb/s。

某模拟信号最高频率为5 kHz，采用16级量化，求最低PCM数据速率。

最低采样频率：

''f_s = 2 × 5 kHz = 10 kHz''

每个样本的编码位数：

''n = log₂16 = 4 bit''

PCM数据速率：

''R = 10000 × 4''

''R = 40000 b/s''

''R = 40 kb/s''

某语音信号最高频率为4 kHz，采用256级量化，求最低PCM数据速率。

最低采样频率：

''f_s = 2 × 4 kHz = 8 kHz''

编码位数：

''n = log₂256 = 8 bit''

PCM数据速率：

''R = 8000 × 8''

''R = 64000 b/s''

''R = 64 kb/s''

某双声道音频采用44.1 kHz采样频率，每个样本使用16 bit，求未经压缩的数据速率。

已知：

• f_s=44100 Hz
• n=16 bit
• C=2

计算：

''R = 44100 × 16 × 2''

''R = 1411200 b/s''

''R = 1.4112 Mb/s''

某单通道PCM系统的采样频率为8 kHz，数据速率为64 kb/s，求每个样本的编码位数和量化等级数。

编码位数：

''n = R/f_s''

''n = 64000/8000''

''n = 8 bit''

量化等级数：

''L = 2^8''

''L = 256级''

教材指出：

• 语音信号最高频率按4 kHz考虑时，采样频率可取8 kHz。
• 视频信号带宽可达到6 MHz。
• 如果按最高频率6 MHz计算，最低采样频率应为12 MHz。
• 视频量化等级越多，产生的数据速率越高。

视频采样频率计算：

''f_s ≥ 2 × 6 MHz''

''f_s ≥ 12 MHz''

采样频率提高
      ↓
每秒样本数量增加
      ↓
时间还原精度提高
      ↓
PCM数据速率提高

量化等级增加
      ↓
每个样本的编码位数增加
      ↓
幅度还原精度提高
      ↓
量化误差减小
      ↓
PCM数据速率提高

通道数量增加
      ↓
同一时间需要处理的样本增加
      ↓
PCM总数据速率按比例增加

模拟信号
    ↓
抗混叠滤波器
Anti-Aliasing Filter
    ↓
采样
Sampling
    ↓
量化
Quantization
    ↓
编码
Encoding
    ↓
PCM二进制数据
    ↓
数字信道

接收到的PCM数据
    ↓
译码
Decoding
    ↓
恢复量化样本
    ↓
数模转换
Digital-to-Analog Conversion
    ↓
重建滤波
Reconstruction Filter
    ↓
近似恢复原模拟信号

• 适合通过数字通信网络传输。
• 抗噪声和抗干扰能力较强。
• 中继节点可以重新生成数字信号。
• 便于进行差错检测和差错控制。
• 便于进行加密和压缩。
• 便于计算机存储和处理。
• 可以与其他数字业务统一传输。
• 适合构建数字电话和数字多媒体系统。

• 需要经过采样、量化和编码，处理流程相对复杂。
• 量化会产生不可完全消除的量化误差。
• 提高采样频率会增加数据量。
• 增加量化位数会增加数据量。
• 未压缩PCM通常需要较高的传输带宽。
• 高质量音频和视频会产生大量数字数据。

第一步：f_s = 2f_max

第二步：n = log₂L

第三步：R = f_s × n × C

单通道：

''R = f_s × n''

多通道：

''R = f_s × n × C''

''n = R/f_s''

''L = 2^n''

''L = 2^n''

例如，每个样本使用12位编码：

''L = 2^12 = 4096级''

必须掌握：

• PCM的英文全称是Pulse Code Modulation，中文名称是脉冲编码调制。
• PCM的三个基本步骤是采样、量化和编码。
• 采样实现时间离散化。
• 量化实现幅度离散化。
• 编码将量化等级转换为二进制代码。
• 奈奎斯特采样条件为 f_s≥2f_max。
• n位二进制代码可以表示 2^n 个量化等级。
• L个量化等级至少需要 log₂L 位编码。
• 单通道PCM数据速率为 R=f_s×n。
• 多通道PCM数据速率为 R=f_s×n×C。
• 采样频率决定时间方向的还原精度。
• 量化等级决定幅度方向的还原精度。
• 量化过程会产生量化误差。
• 教材中的语音示例结果为56 kb/s。

容易出错的内容：

• 奈奎斯特采样频率是信号最高频率的至少2倍。
• 若题目给出的是频率范围，必须先判断最高频率或信号带宽。
• 采样频率的单位是Hz，不是b/s。
• 数据传输速率的单位是b/s，不能直接写成Baud。
• 256级量化需要8 bit编码，而不是256 bit。
• 采样后只有时间离散，幅度在量化前仍是连续值。
• 量化后幅度变成离散等级。
• 编码不会消除量化误差。
• 计算立体声或多通道PCM时不能遗漏通道数量。
• 教材采用128级量化时为7 bit，对应56 kb/s。
• 常见电话PCM采用8 bit编码时为64 kb/s。
• kHz、MHz、kb/s和Mb/s必须统一单位后再计算。

模拟信号数字化
│
└─ PCM：脉冲编码调制
   │
   ├─ 采样 Sampling
   │  ├─ 时间离散化
   │  ├─ f_s = 1/T
   │  ├─ f_s ≥ 2f_max
   │  └─ 采样不足会产生混叠
   │
   ├─ 量化 Quantization
   │  ├─ 幅度离散化
   │  ├─ L = 2^n
   │  ├─ n = log₂L
   │  └─ 产生量化误差
   │
   └─ 编码 Encoding
      ├─ 量化等级转换为二进制代码
      ├─ 单通道：R = f_s × n
      └─ 多通道：R = f_s × n × C

• 1.3.1 数据通信的基本概念
• 1.3.2 数据编码
• 1.3.3 数字调制技术
• 1.3.5 通信方式和交换方式
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