pcm編碼

PCM 即脈衝編碼調製 (Pulse Code Modulation)。在PCM 過程中，將輸入的模擬信號進行採樣、量化和編碼，用二進制進行編碼的數來代表模擬信號的幅度 ；接收端再將這些編碼還原為原來的模擬信號。即數字音頻的 A/D 轉換包括三個過程 ：採樣，量化，編碼。 ^[1] 

話音PCM的抽樣頻率為8kHz，每個量化樣值對應一個8位二進制碼，故話音數字編碼信號的速率為8bits×8kHz=64kbps = 8KB/s。量化噪聲隨量化級數的增多和級差的縮小而減小。量化級數增多即樣值個數增多，就要求更長的二進制編碼。因此，量化噪聲隨二進制編碼的位數增多而減小，即隨數字編碼信號的速率提高而減小。自然界中的聲音非常複雜，波形極其複雜，通常我們採用的是脈衝代碼調製編碼，即PCM編碼。

脈衝編碼調製的概念是1937年由法國工程師AlecReeres最早提出來的。隨着集成電路技術的飛速發展，超大規模集成電路的PCM編、解碼器出現，使它在光纖通信、數字微波通信、衞星通信、信號處理、軍事及民用電子技術領域發揮着越來越重要的作用，目前廣泛應用於通信、計算機、數字儀表、遙控遙測等領域，其應用廣度和深度也在不斷地擴展和深化。隨着全球數字化、信息化的不斷推進，脈衝編碼調製會有更加良好的發展、應用前景。 ^[2] 

抽樣是把時間連續的模擬信號轉換成時間上離散、幅度連續的抽樣信號；量化是把時間離散、幅度連續的抽樣信號轉換成時間離散、幅度離散的數字信號；編碼是將量化後的信號編碼形成多位二進制碼組成的碼組表示抽樣值，完成模擬信號到數字信號的轉換。編碼後的二進制碼組經數字信道傳輸，在接收端，經過譯碼和濾波，還原為模擬信號。

抽樣是把模擬信號以其信號帶寬2倍以上的頻率提取樣值，變為在時間軸上離散的抽樣信號的過程。例如，話音信號帶寬被限制在0.3～3.4kHz內，用 8kHz的抽樣頻率（fs），就可獲得能取代原來連續話音信號的抽樣信號。對一個正弦信號進行抽樣獲得的抽樣信號是一個脈衝幅度調製（PAM）信號，對抽樣信號進行檢波和平滑濾波，即可還原出原來的模擬信號。

抽樣信號雖然是時間軸上離散的信號，但仍然是模擬信號，其樣值在一定的取值範圍內，可有無限多個值。顯然，對無限個樣值一一給出數字碼組來對應是不可能的。為了實現以數字碼表示樣值，必須採用“四捨五入”的方法把樣值分級“取整”，使一定取值範圍內的樣值由無限多個值變為有限個值。這一過程稱為量化。

量化後的抽樣信號與量化前的抽樣信號相比較，當然有所失真，且不再是模擬信號。這種量化失真在接收端還原模擬信號時表現為噪聲，並稱為量化噪聲。量化噪聲的大小取決於把樣值分級“取整”的方式，分的級數越多，即量化級差或間隔越小，量化噪聲也越小。

量化後的抽樣信號在一定的取值範圍內僅有有限個可取的樣值，且信號正、負幅度分佈的對稱性使正、負樣值的個數相等，正、負向的量化級對稱分佈。若將有限個 量化樣值的絕對值從小到大依次排列，並對應地依次賦予一個十進制數字代碼（例如，賦予樣值0的十進制數字代碼為0），在碼前以“+”、“－”號為前綴，來 區分樣值的正、負，則量化後的抽樣信號就轉化為按抽樣時序排列的一串十進制數字碼流，即十進制數字信號。簡單高效的數據系統是二進制碼系統，因此，應將十 進制數字代碼變換成二進制編碼。根據十進制數字代碼的總個數，可以確定所需二進制編碼的位數，即字長。這種把量化的抽樣信號變換成給定字長的二進制碼流的 過程稱為編碼。

脈衝編碼調製是理論上簡單，應用上成熟的技術，廣泛應用於通信、計算機、數字儀表、遙控遙測等領域。隨着通信技術、電子技術和計算機技術的不斷髮展進步，在應用中的PCM的實現方法也經歷了不斷髮展的過程，由最初通過模擬電路實現，數字電路實現，集成電路實現，軟硬件結合實現，到採用單片機來實現。

實現模數轉換的電路很多，如並聯比較型電路、逐次漸近型電路、雙積分型電路等。

模數轉換過程中，模擬信號經過編譯碼器時，在編碼電路中，它要經過取樣、量化、編碼，到底在什麼時候被取樣，在什麼時序輸出PCM碼則由A→D控制來決定，同樣PCM碼被接收到後譯碼電路經過譯碼、低通濾波、放大，最後輸出模擬信號，把這兩部分集成在一個芯片上就是一個單路編譯碼器，它只能為一個用户服務，即在同一時刻只能為一個用户進行A/D及D/A變換，實現雙工通信。

在計算機應用中，能夠達到最高保真水平的就是PCM編碼，被廣泛用於素材保存及音樂欣賞，CD、DVD以及我們常見的 WAV文件中均有應用。因此，PCM約定俗成了無損編碼，因為PCM代表了數字音頻中最佳的保真水準，並不意味着PCM就能夠確保信號絕對保真，PCM也只能做到最大程度的無限接近。要算一個PCM音頻流的碼率是一件很輕鬆的事情，採樣率值×採樣大小值×聲道數 bps。一個採樣率為44.1KHz，採樣大小為16bit，雙聲道的PCM編碼的WAV文件，它的數據速率則為 44.1K×16×2 =1411.2 Kbps。我們常見的Audio CD就採用了PCM編碼，一張光盤的容量只能容納72分鐘的音樂信息。 ^[3]