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基于MATLAB的通信原理实验仿真平台
3.2.3量化
在模拟信号进行抽样后就要对抽样后的信号进行量化以便于编码为数字信号。模拟信号x(t)经抽样后就得到了样值序列?x?nTs??，样值序列在时间上是离散的，但在幅度上的取值却还是连续的，即有无限多种样值，这种样值就无法用有限位数字信号来表示，这样就必须对样值进一步处理，使它成为在幅度上是有限种取值的离散样值，这便是量化要实现的，实现量化的器件称为量化器。 下图为模拟信号的量化图：
图3.2-3 模拟信号的量化
1、均匀量化
将输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。均匀量化时，量化噪声平均功率只取决于量化间隔，对于均匀分布的输入信号而言，输出量化信噪比是恒定的，但是对于非均匀分布非平稳的输入信号而言，输入信号功率小时量化信噪比小，反之，输入信号频率大时量化信噪比大，这就会影响信号的恢复。要满足条件，则编码位数多，设备较复杂。在语言信号数字化通信中，均匀量化则有明显不足之处，这是由于电话信号的特点决定的。量化信噪比随信号的电平的减小而下降。产生这一现象的原因是均匀量化的量化间隔?为固定值量化电平分布均匀，因而无论信号大小如何，量化噪声固定不变，这样，小信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。为了克服这个缺点，实际中往往采用非均匀量化。
2、非均匀量化
量化间隔不相等的量化称为非均匀量化。非均匀量化可以看作为是对信号进行非线性变换后在进行均匀量化的结果，其原理过程如下图3.2-4所示。
图3.2-4
1）A律压缩特性
A律对数压缩特性定义为
1?Ax，0?x??1?lnAA f?x???1?lnAx1?，?x?1A?1?lnA
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式中A为压缩系数。A=1时无压缩，A越大压缩越明显。其特性曲线如图3.2-5（a）所示，在国际标准中A取87.6。 2）?律对数压缩特性定义为：
ln?1??x? f?x??ln(1??)式中?为压缩系数。?=0时无压缩，?越大压缩效果越明显。其特性曲线如图3.2-5（b）所示，在国际标准中?取255。
图3.2-5
A律和?律压缩特性的信噪比曲线如图3.2-6所示，从整体上来看A律和?律性能基本接近。?律最早是由美国提出来的，A律后来由欧洲提出来，我国使用的是A律。
图3.2-6
3.2.4 量化过程仿真
新建一个GUI工程，保存文件名为lianghua，在编辑界面中添加五个按键，一个文本编辑框，一个按键组，一个静态显示文本，四个坐标轴。设置好相关功能键的属性后调整界面布局，得到如下图3.2-7左图的编辑界面，运行后就可以得到如下图3.2-7右边的图形界面。这里注意要在主界面中模拟信号的波形编码菜单下的量化子菜单的回调函数下添加界面切换函数，这样就能从主界面中切换到量化子界面中来。在返回按键的回调函数下要添加返回主界面的程序，以便能返回到主界面中。
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图3.2-7
下面三幅图中分别画出了量化基数n=8、16、64时正弦信号均匀量化和非均匀量化的波形图，并且也画出了在不同量化级数时均匀量化和非均匀量的量化误差，这里非均匀量化使用的是?律压缩。下面三幅图中非常清晰的表示出了均匀量化和非均匀量的区别，量化级数越大，误差也就越小，实验结果与理论部分相符合，可见设计的界面合理可用，且加深了我们对均匀量化和非均匀量化的理解。 量化级数n=8
图3.2-8
量化级数n=16
图3.2-9
量化级数n=64
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图3.2-10
3.2.5编码
波形编码中中最重要的一种方式为脉冲编码调制（PCM），PCM是一种将模拟信号的抽样量化值变换成代码的编码方式。PCM系统的原理框图如图3.2-11所示。PCM主要包括抽样、量化与编码三个过程。抽样是把连续模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号，量化是把离散时间连续幅度的抽样信号转换成离散时间离散幅度的数字信号，编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。国际标准的PCM码组是由八位码组成的，一个码组代表一个一个抽样值。
图3.2-11
A律PCM编码原理
1）A律13折线
采用折线法逼近A律已经形成国际标准。A律压缩采用13折线近似，如下图3.2-12所示，图中只给出了输入信号为正时的情况，另外半段与之关于原点对称。正负方向各有8段线段，由于正负方向的第一段和第二段斜率相同而合成了一条线段，因此从形状上来看就只有13段折线，这条折线就被称为A律13折线。在仿真中实现A律编码也是根据这条折线来的。
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