脈碼調製

脈衝編碼調製是一種對模擬信號數字化的取樣技術，將模擬語音信號變換為數字信號的編碼方式，特別是對於音頻信號。PCM 對信號每秒鐘取樣 8000 次；每次取樣為 8 個位，總共 64 kb。取樣等級的編碼有二種標準。北美洲及日本使用 Mu-Law 標準，而其它大多數國家使用 A-Law 標準。脈衝編碼調製主要經過3個過程：抽樣、量化和編碼。抽樣過程將連續時間模擬信號變為離散時間、連續幅度的抽樣信號，量化過程將抽樣信號變為離散時間、離散幅度的數字信號，編碼過程將量化後的信號編碼成為一個二進制碼組輸出。

所謂量化，就是把經過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的所謂編碼，就是用一組二進制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。

Claude E. Shannon於1948年發表的“通信的數學理論”奠定了現代通信的基礎。同年貝爾實驗室的工程人員開發了PCM技術，雖然在當時是革命性的，但今天脈衝編碼調製被視為是一種非常單純的無損耗編碼格式，音頻在固定間隔內進行採集並量化為頻帶值，其它採用這種編碼方法的應用包括電話和CD。PCM主要有三種方式：標準PCM、差分脈衝編碼調製(DPCM)和自適應DPCM。在標準PCM中，頻帶被量化為線性步長的頻帶，用於存儲絕對量值。在DPCM中存儲的是前後電流值之差，因而存儲量減少了約25%。自適應DPCM改變了DPCM的量化步長，在給定的信噪比(SNR)下可壓縮更多的信息。

脈衝編碼調製是20世紀70年代末發展起來的，記錄媒體之一的CD，80年代初由飛利浦和索尼公司共同推出。脈碼調製的音頻格式也被DVD-A所採用，它支持立體聲和5.1環繞聲，1999年由DVD討論會發布和推出的。 脈衝編碼調製的比特數，從14-bit發展到16-bit、18-bit、20-bit直到24-bit；採樣頻率從44.1kHz發展到192kHz。PCM脈碼調製這項技術可以改善和提高的方面則越來越來小。只是簡單的增加PCM脈碼調製比特率和採樣率，不能根本的改善它的根本問題。其原因是PCM的主要問題在於：

1）任何脈衝編碼調製數字音頻系統需要在其輸入端設置急劇升降的濾波器，僅讓20Hz-22.05kHz的頻率通過（高端22.05kHz是由於CD44.1kHz的一半頻率而確定）。

2）在錄音時採用多級或者串聯抽選的數字濾波器（減低採樣頻率），在重放時採用多級的內插的數字濾波器（提高採樣頻率），為了控制小信號在編碼時的失真，兩者又都需要加入重複定量噪聲。這樣就限制了PCM技術在音頻還原時的保真度。

為了全面改善脈衝編碼調製數字音頻技術，獲得更好的聲音質量，就需要有新的技術來替換。飛利浦和索尼公司再次聯手，共同推出一種稱為直接流數字編碼技術DSD的格式，其記錄媒體為超級音頻CD即SACD，支持立體聲和5.1環繞聲。DSD是PCM脈衝編碼調製的進化版。

脈衝編碼調製就是把一個時間連續，取值連續的模擬信號變換成時間離散，取值離散的數字信

號後在信道中傳輸。脈衝編碼調製就是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化，編碼的過程。

抽樣，就是對模擬信號進行週期性掃描，把時間上連續的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經過抽樣後還應當包含原信號中所有信息，也就是説能無失真的恢復原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。抽樣速率採用8Kbit/s。

量化，就是把經過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。

一個模擬信號經過抽樣量化後，得到已量化的脈衝幅度調製信號，它僅為有限個數值。

編碼，就是用一組二進制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。然而，實際上量化是在編碼過程中同時完成的，故編碼過程也稱為模/數變換，可記作A/D。

脈衝編碼調製工作原理：話音信號先經防混疊低通濾波器，進行脈衝抽樣，變成8KHz重複頻率的抽樣信號（即離散的脈衝調幅PAM信號），然後將幅度連續的PAM信號用“四捨五入”辦法量化為有限個幅度取值的信號，再經編碼後轉換成二進制碼。對於電話，CCITT規定抽樣率為8KHz，每抽樣值編8位碼，即共有28=256個量化值，因而每話路PCM編碼後的標準數碼率是64kb/s。為解決均勻量化時小信號量化誤差大，音質差的問題，在實際中採用不均勻選取量化間隔的非線性量化方法，即量化特性在小信號時分層密，量化間隔小，而在大信號時分層疏，量化間隔大。

在實際中使用的是兩種對數形式的壓縮特性：A律和U律，A律編碼主要用於30/32路一次羣系統，U律編碼主要用於24路一次羣系統。A律PCM用於歐洲和中國，U律PCM用於北美和日本。

脈衝編碼調製編碼原理與規則：PCM數字接口是G.703標準，通過75Ω同軸電纜或120Ω雙絞線進行非對稱或對稱傳輸，傳輸碼型為含有定時關係的HDB3碼，接收端通過譯碼可以恢復定時，實現時鐘同步。 ^[1] 

Fb為幀同步信號，C2為時鐘信號，速率為2.048Mbps，數據在時鐘下降沿有效，E1接口具有PCM幀結構，一個復幀包括16個幀，一個幀為125μs，分為32個時隙，其中偶幀的零時隙傳輸同步信息碼0011011，奇幀的零時隙傳輸對告碼，16時隙傳輸信令信息，其它各時隙傳輸數據，每個時隙傳輸8比特數據。

各國都採用國際電報電話諮詢委員會（CCITT）的建議（G711、G712和G732）。電話信號的比特率為64千比特/秒，它是標準話路接口比特率。關於量化特性，採用折線近似對數壓擴非線性量化，分A律和μ律兩種。中國和歐洲採用A律，日本和北美採用μ律。