單元一：基頻訊號傳送技術實習 (PCM取樣 量化 編碼部分) 數位通訊實習模擬 單元一.

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1 單元一：基頻訊號傳送技術實習 (PCM取樣 量化 編碼部分) 數位通訊實習模擬 單元一

2 大綱 目的 原理 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 取樣、量化與編碼
實驗步驟 實驗結果討論 實習作業 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 附錄一 ~ 三：程式碼 數位通訊實習模擬 單元一 2 2

3 目的 目的 原理 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 取樣、量化與編碼
實驗步驟 實驗結果討論 實習作業 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 附錄一 ~ 三：程式碼 數位通訊實習模擬 單元一 3 3

4 目的 本實習主要探討傳送端的取樣、量化與編碼，並進行實際聲音訊號經由PCM與DPCM編碼的聲音比較。 數位通訊實習模擬 單元一

5 原理 目的 原理 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 取樣、量化與編碼
實驗步驟 實驗結果討論 實習作業 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 附錄一 ~ 三：程式碼 數位通訊實習模擬 單元一 5 5

6 取樣、量化與編碼 取樣：將對連續時間(continuous-times)信號轉換成離散時間(discrete-time)信號的過程。
取樣值(sample value)：連續時間信號在某個取樣時間的值。 例子：考慮一連續時間信號 ，則 為 取樣時間點的取樣值。 均勻取樣(uniform sampling) ：取樣時間點為等間隔的取樣方式。 假如取樣時間點的間隔為T，則對　　取樣所形成的離散時間信號 可表示成： 數位通訊實習模擬 單元一

7 取樣、量化與編碼 連續訊號 經過取樣後得到的 振幅是連續性的，因此需經過量化器的量化處理過程，量化後的訊號 可以用有限的位元數表示。如圖所示。 例子 電話語音的量化只要256個層級即可，也就是以8個位元表示 CD聲音的量化則分為4096個層級，也就是以12個位元表示 數位通訊實習模擬 單元一

8 取樣、量化與編碼 量化種類 均匀量化:取用相等的量化間隔對取樣得到的信號做量化。 數位通訊實習模擬 單元一

9 取樣、量化與編碼 量化誤差e:採用的量化精度過低，造成無法正確地還原出原始信號，量化後的樣本值y和原始值x的差e＝y-x。
例子：有一三階取樣如圖 數位通訊實習模擬 單元一

10 取樣、量化與編碼 均勻量化的雜訊比 假設均勻量化的每一階層為 全部的階層數為 (使用n位元編碼)，其訊號雜訊比為 訊號雜訊比取dB值後
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11 取樣、量化與編碼 均勻量化雜訊定義如下 量化誤差的均方根值為 數位通訊實習模擬 單元一

12 取樣、量化與編碼 PCM(Pulse Code Modulation) PCM的程序
以簡單的取樣(samping)與量化(quantization)將語音的訊號以數位的資料來代表。 最常見以64 Kbps 。 CCITT 將其定為標準，稱為G.711 。 32Kbps層以 CCITT的G.721為代表。 PCM的程序 數位通訊實習模擬 單元一

13 取樣、量化與編碼 例子：量化器的輸出如果是有8層的可能刻度準位，則一般通常會以3個位元的碼字訊號去表示某個階層。 數位通訊實習模擬 單元一

14 取樣、量化與編碼 DPCM(differential pulse code modulation)是利用樣本與樣本之間存在的信息多餘度來進行編碼的一種數據壓縮技術。 原理：根據過去的樣本去估算下一個樣本信號的幅度大小，這個值稱為預設值，然後對實際信號值與預設值之差進行量化編碼，從而減少了了表示每個樣本信號的位數。 與編碼調變(PCM)的不同：PCM直接對採樣信號進行量化編碼，而DPCM對實際信號值與預測值進行量化編碼，儲存或者傳送的是差值而不是幅度絕對值，這就降低了傳送或儲存的數據量。此外，它還能適應大範圍變化的輸入信號。 數位通訊實習模擬 單元一

15 取樣、量化與編碼 DPCM方塊圖 數位通訊實習模擬 單元一

16 實驗步驟 目的 原理 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄
取樣、量化與編碼 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗步驟 實驗結果討論 實習作業 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 附錄一 ~ 三：程式碼 數位通訊實習模擬 單元一 16 16

17 實驗步驟 (Simulink) PCM的傳送與接收 步驟 - 1 ：建立模組 開啟MATLAB\Simulink Browser。
開新檔案。 點選Blocks(模塊)，建立如下圖之模組(Model)。 數位通訊實習模擬 單元一

18 實驗步驟 (Simulink) 步驟 - 2：設定模塊參數 From Wave File： File name：設定為audio.wav
Data type：設定為single。 數位通訊實習模擬 單元一

19 實驗步驟 (Simulink) Quantizer： Quantization interval：設定為0.001，之後改為0.05比較。
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20 實驗步驟 (Simulink) Uniform Encoder： Bits：設定為8。 數位通訊實習模擬 單元一

21 實驗步驟 (Simulink) Uniform Decoder： Bits：設定為8。 數位通訊實習模擬 單元一

22 實驗步驟 (Simulink) To Wave File： File name：設定為encode_again。
Sample width (bits) ：設定為16。 數位通訊實習模擬 單元一

23 實驗步驟 (Simulink) Vector Scope： 皆使用原本的設定即可。 數位通訊實習模擬 單元一

24 實驗步驟 (Simulink) 步驟 - 3：模擬環境設定 將模擬時間設為10 儲存檔案 執行模擬 數位通訊實習模擬 單元一

25 實驗結果討論 目的 原理 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄
取樣、量化與編碼 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗步驟 實驗結果討論 實習作業 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 附錄一 ~ 三：程式碼 數位通訊實習模擬 單元一 25 25

26 實驗結果討論 (Simulink) 實驗結果-1 (將程式進行一次，聆聽並比較聲音訊號的不同) Vector Scope： 量化後 原始
實驗結果-1 (將程式進行一次，聆聽並比較聲音訊號的不同) Vector Scope： 量化位階0.001 原始 聲音訊號 量化後 聲音訊號 PCM解碼後聲音訊號 數位通訊實習模擬 單元一

27 實驗結果討論 (Simulink) 實驗結果-2 (量化位階設為0.05，聲音訊號聽起來較差) Vector Scope： 量化後 原始
實驗結果-2 (量化位階設為0.05，聲音訊號聽起來較差) Vector Scope： 量化位階0.05 原始 聲音訊號 量化後 聲音訊號 數位通訊實習模擬 單元一

28 實驗結果討論 (Simulink) Vector Scope： PCM解碼後聲音訊號 量化位階較小時，量化後訊號越接近
量化位階0.05 PCM解碼後聲音訊號 量化位階較小時，量化後訊號越接近 原來聲音訊號，量化誤差越小！ 數位通訊實習模擬 單元一

29 實驗結果討論 (Simulink) Vector Scope：比較不同量化位階的解碼結果 PCM解碼 PCM解碼 後聲音訊號 後聲音訊號
量化位階0.001 量化位階0.05 PCM解碼 後聲音訊號 PCM解碼 後聲音訊號 數位通訊實習模擬 單元一

30 實驗步驟 目的 原理 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄
取樣、量化與編碼 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗步驟 實驗結果討論 實習作業 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 附錄一 ~ 三：程式碼 數位通訊實習模擬 單元一 30 30

31 實驗步驟 (Simulink) DPCM的傳送與接收 步驟 - 1：建立模組 開啟MATLAB\Simulink Browser。
開新檔案。 點選Blocks(模塊)，建立如下圖之模組(Model)。 數位通訊實習模擬 單元一

32 實驗步驟 (Simulink) 步驟 - 2：設定模塊參數 參數設定大致上和PCM相同，差別在於多了差分編碼與差分解碼。
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33 實驗步驟 (Simulink) Differential Encoder： Initial Condidtion：設定為1
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34 實驗步驟 (Simulink) Differential Decoder： Initial Condidtion：設定為1
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35 實驗步驟 (Simulink) Quantizer： Quantization interval：設定為0.1。 數位通訊實習模擬 單元一

36 實驗步驟 (Simulink) 步驟 - 3：模擬環境設定 將模擬時間設為10 儲存檔案 執行模擬 數位通訊實習模擬 單元一

37 實驗結果討論 目的 原理 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄
取樣、量化與編碼 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗步驟 實驗結果討論 實習作業 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 附錄一 ~ 三：程式碼 數位通訊實習模擬 單元一 37 37

38 實驗結果討論 (Simulink) 實驗結果 (將程式進行一次，聆聽並比較聲音訊號的不同) Vector Scope： 量化位階設為0.1
量化後 聲音訊號 原始 聲音訊號 差分編碼後聲音訊號 數位通訊實習模擬 單元一

39 實驗結果討論 (Simulink) Vector Scope： 量化位階設為0.1 解差分編碼前 聲音訊號 解差分編碼後 聲音訊號
數位通訊實習模擬 單元一

40 實習作業 目的 原理 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄
取樣、量化與編碼 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗步驟 實驗結果討論 實習作業 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 附錄一 ~ 三：程式碼 附錄四：實習作業參考解答 數位通訊實習模擬 單元一 40 40

41 實習作業 在PCM的傳送與接收實驗中，試產生不同聲音檔進行實驗，聆聽並比較聲音有無差異。
在DPCM的傳送與接收實驗中，若改變量化的階數，則產生的聲音檔會不會和實驗結果有差異？ 數位通訊實習模擬 單元一

42 參考文獻 目的 原理 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄
取樣、量化與編碼 實驗：多位元脈波振幅信號(Simulink) 實驗步驟 實驗結果討論 實習作業 實驗：多位元脈波振幅信號(Matlab) 參考文獻 附錄 附錄一 ~ 三：程式碼 數位通訊實習模擬 單元一 42 42

43 參考文獻 L. Couch, Digital and Analog Communication Systems, Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001. S. Haykin, Communication Systems, John Wiley & Sons, New York, 3rd Edition, 1994. R.E. Zimer and W.H. Tranter, Principle of. Communications： Systems, Modulation and Noise, 5th. Edition, 2002. 余兆棠、文成康、林瑞源、張郁斌、林福林 編著，無線通訊與網路，滄海，2006年11月。 余兆棠、李志鵬 著，信號與系統，滄海，2007年1月。。 Matlab/Simulink online help manual. 數位通訊實習模擬 單元一 43 43