语音数字化： PCM原理与抽样、量化与编码详解

脉冲编码调制（PCM）是一种关键的音频信号数字化技术，它将连续的模拟语音信号转换为离散的数字信号，以便于在数字通信系统中传输。这项技术通过三个核心步骤：抽样、量化和编码，实现了信号的高效处理。 1. 抽样：抽样是将连续信号分解为时间轴上的离散点，这是数字化的第一步。根据奈奎斯特抽样定理，为了不失真地恢复原信号，抽样频率至少应为信号最高频率的两倍。对于语音信号，通常以每秒8000次（或更高）的速率进行抽样，形成脉冲幅度调制（PAM）信号。 2. 量化：量化是将连续幅度的模拟信号转化为有限位的二进制数字表示。量化过程中产生的误差，即量化噪声，会随量化级数增加而减小，但需要更多的二进制位来表示，从而增加传输带宽需求。为了降低噪声并控制码率，非均匀量化方法被广泛采用，如μ律压扩和A律压扩。A律13折线量化在PCM-30/32设备中使用，通过13条非均匀划分的线段，对应128个量化级，用8位二进制码表示，包括1位极性码。 3. 编码：实际的PCM系统中，量化和编码通常是结合进行的，以节省时间和硬件复杂度。编码器类型多样，如逐次反馈型、折叠级联型和混合型，其中逐次反馈型常用于PCM-30/32设备。编码旨在压缩信号，减少冗余，并可能包含纠错码，以提高数据传输的可靠性。 4. 时分复用（TDM）：PCM信号通过时分复用技术在通信网络中进一步高效传输。TDM将单一物理信道划分为多个时间片，每个信号流占用其中的一个时隙进行独立传输。这种复用方法具有通用性强（复用设备部件可共享）、同步要求高等特点。通过时分复用，多个信号可以共享同一信道，显著提高了频谱利用率，使得一条线路能够承载多个语音通道。 脉冲编码调制是一项基础且重要的数字通信技术，通过抽样、量化和编码将模拟语音信号转变为适合数字传输的形式，而时分复用则进一步优化了信号的多路传输，为现代通信系统提供了高效和经济的解决方案。