通信原理_模拟信号的数字8讲(新).ppt

抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电子技术系1抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系2上章内容回顾1.1.掌握掌握模拟调制、载波、调制信号、已调信号、调模拟调制、载波、调制信号、已调信号、调制器的定义；制器的定义；2.2.掌握掌握调制的目的及模拟调制的分类；调制的目的及模拟调制的分类；3.3.掌握掌握线性调制器的原理模型，会分析线性调制器的原理模型，会分析AMAM、DSBDSB、SSBSSB、VSBVSB调制与解调特性；调制与解调特性；4.4.掌握掌握非线性调制器的原理，及非线性已调信号的非线性调制器的原理，及非线性已调信号的频谱和带宽特性。频谱和带宽特性。抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系1.1.掌握掌握模拟信号的抽样，了解模拟信号的抽样，了解PAMPAM、PDMPDM、PPMPPM；2.2.掌握掌握抽样信号的量化，包括均匀量化和非抽样信号的量化，包括均匀量化和非均匀量化；均匀量化；3.3.掌握掌握脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）、差分脉冲编）、差分脉冲编码调制（码调制（DPCMDPCM）、增量调制（）、增量调制（DMDM）系统的）系统的原理及信号量噪比的分析。原理及信号量噪比的分析。3一、基本要求 基本要求抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系目标要求二、重点、难点1.1.重点重点 抽样定理的掌握、抽样过程的波形和抽样定理的掌握、抽样过程的波形和频谱特性分析；非均匀量化法中频谱特性分析；非均匀量化法中A A律和律和律的原理、近似实现和压缩特性的理解和律的原理、近似实现和压缩特性的理解和掌握，信号量噪比定义的掌握；几种编码掌握，信号量噪比定义的掌握；几种编码调制方式的掌握。调制方式的掌握。2.2.难点难点 PCM PCM、DPCM DPCM、DMDM系统信号量噪比的系统信号量噪比的分析。分析。4重点和难点抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系模拟信号的数字传输 抽样定理脉冲幅度调制（PAM）脉冲编码调制（PCM）自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）增量调制（M/DM）5抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输利用数字通信系统传输模拟信号的步骤：利用数字通信系统传输模拟信号的步骤：1.1.把模拟信号数字化，即模数转换把模拟信号数字化，即模数转换(A/D)(A/D)；2.2.进行数字方式传输；进行数字方式传输；3.3.把把数数字字信信号号还还原原为为模模拟拟信信号号，即即数数模模转转换换(D/A)(D/A)。把把发发端端的的A/DA/D变变换换称称为为信信源源编编码码，而而收收端端的的D/AD/A变变换换称为称为信源译码信源译码，如语音信号的数字化叫做语音编码。，如语音信号的数字化叫做语音编码。6抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 模模拟拟信信号号数数字字化化的的方方法法大大致致可可划划分分为为波波形形编编码码和和参参量量编编码码两两类类。波波形形编编码码是是直直接接把把时时域域波波形形变变换换为为数数字字代代码码序序列列，比比特特率率通通常常在在16 16 kb/s kb/s 64 64 kb/skb/s范范围围内内，接接收收端端重重建建信信号号的的质质量量好好。参参量量编编码码是是利利用用信信号号处处理理技技术术，提提取取语语音音信信号号的的特特征征参参量量，再再变变换换成成数数字字代代码码，其其比比特特率率在在16 16 kb/skb/s以以下下，但但接接收收端端重重建建(恢恢复复)信信号号的的质质量量不不够够好好。这这里里只只介介绍绍波波形形编编码。码。目目前前用用的的最最普普遍遍的的波波形形编编码码方方法法有有脉脉冲冲编编码码调调制制(PCM)(PCM)和增量调制和增量调制(M/DM)(M/DM)。模拟信号的数字传输7抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 6 1 模拟信号的数字传输 在在PCMPCM中中，首首先先对对模模拟拟信信息息源源发发出出的的模模拟拟信信号号进进行行抽抽样样，使使其其成成为为一一系系列列离离散散的的抽抽样样值值，然然后后将将这这些些抽样值进行量化并编码，变换成数字信号。抽样值进行量化并编码，变换成数字信号。这这时时信信号号便便可可用用数数字字通通信信方方式式传传输输。在在接接收收端端，则则将将接接收收到到的的数数字字信信号号进进行行译译码码和和低低通通滤滤波波，恢恢复复原原模拟信号。模拟信号。模拟信号的数字传输模拟信息源抽样、量化和编码数字通信系统译码和低通滤波m(t)skskm(t)模拟随机信号数字随机序列数字随机序列 模拟随机信号8抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系抽样定理 抽抽样样定定理理表表明明，如如果果对对一一个个频频带带有有限限的的时时间间连连续续的的模模拟拟信信号号抽抽样样，当当抽抽样样频频率率（抽抽样样速速率率）达达到到一一定定数数值值时时，那那么么根根据据它它的的抽抽样样值值就就能能重重建建原原信信号号。也也就就是是说说，若若要要传传输输模模拟拟信信号号，不不一一定定要要传传输输模模拟拟信信号号本本身身，只只需需传传输输按按抽抽样样定定理理得得到到的的抽抽样样值值即即可可。因此，抽样定理是模拟信号数字化的因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据理论依据。根根据据信信号号是是低低通通型型的的还还是是带带通通型型的的，抽抽样样定定理理分分低低通通抽抽样样定定理理和和带带通通抽抽样样定定理理；根根据据用用来来抽抽样样的的脉脉冲冲序序列列是是等等间间隔隔的的还还是是非非等等间间隔隔的的，又又分分均均匀匀抽抽样样定定理理和和非非均均匀匀抽抽样样；根根据据抽抽样样的的脉脉冲冲序序列列是是冲冲击击序序列列还是非冲击序列，又可分还是非冲击序列，又可分理想抽样和实际抽样理想抽样和实际抽样。9抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系理想抽样10抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 一一个个频频带带限限制制在在(0,(0,f fH H)内内的的时时间间连连续续信信号号m(t)m(t)，如如果果以以T Ts s1/(2f1/(2fH H)秒秒的的间间隔隔对对它它进进行行等等间间隔隔(均均匀匀)抽样，则抽样，则m(t)m(t)可由抽样序列无失真地重建。可由抽样序列无失真地重建。此此定定理理告告诉诉我我们们：若若m(t)m(t)的的频频谱谱在在某某一一角角频频率率H H以以上上为为零零，则则m(t)m(t)中中的的全全部部信信息息完完全全包包含含在在其其间间隔隔不不大大于于1/(2f1/(2fH H)秒秒的的均均匀匀抽抽样样序序列列里里。换换句句话话说说，在在信信号号最最高高频频率率分分量量的的一一个个周周期期内内起起码码应应抽抽样样两两次次。或或者者说说，抽抽样样速速率率f fs s（每每秒秒内内的的抽抽样样点点数数）应应不不小小于于2f2fH H，若若抽抽样样速速率率f fs s2f2fH H，则则会会产产生生失失真真，这这种种失失真真叫叫混混叠叠失真失真。低通抽样定理低通抽样定理抽样定理11抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系从频域角度频域角度来证明这个定理抽样脉冲序列式中式中抽样后的信号的谱函数抽样定理12抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系抽抽样样后后信信号号的的频频谱谱M Ms s()()由由无无限限多多个个间间隔隔为为s s的的M()M()相相叠叠加加而而成成，这这意意味味着着抽抽样样后后的的信信号号m ms s(t)(t)包包含含了了信信号号m(t)m(t)的的全全部部信信息息。如如果果s s22H H，即即f fs s2f2fH H，也也即即T Ts s1/(2f1/(2fH H)，则则在在相相邻邻的的M()M()之之间间没没有有重重叠叠，而位于而位于n=0n=0的频谱就是信号频谱的频谱就是信号频谱M()M()本身。本身。抽样定理13抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-1 抽样过程的时间函数及对应频谱图抽样过程的时间函数及对应频谱图抽样定理14抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-2 混叠现象 如如果果抽抽样样间间隔隔T Ts s1/(2f1/(2fH H)，则则抽抽样样后后信信号号的的频频谱谱在在相相邻邻的的周周期期内内发发生生混混叠叠，此此时时不不可可能能无无失失真真地地重重建建原原信信号号。T Ts s=1/(2f=1/(2fH H)是是最最大大允允许许抽抽样样间间隔隔，它它被被称称为为奈奈奎奎斯斯特特间间隔隔，相相对对应应的的最最低低抽抽样样速速率率f fs s=2f=2fH H称称为为奈奈奎斯特速率奎斯特速率。抽样定理15抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系16例4.1抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系例：若一个信号为例：若一个信号为 。试问。试问最小抽样频率为多少才能保证其无失真地恢最小抽样频率为多少才能保证其无失真地恢复？在用最小抽样频率对其进行抽样时，试复？在用最小抽样频率对其进行抽样时，试问保存问保存3 3分钟的抽样，需要保存多少个抽样分钟的抽样，需要保存多少个抽样值？值？可得信号可得信号S(t)S(t)的带宽为的带宽为314/2314/2=50Hz=50Hz所以其奈奎斯特频率所以其奈奎斯特频率fs=2fH=100Hz所以其奈奎斯特间隔所以其奈奎斯特间隔Ts=1/2fH=0.01s17抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 实实际际中中遇遇到到的的许许多多信信号号是是带带通通信信号号。如如果果采采用用低低通通抽抽样样定定理理的的抽抽样样速速率率f fs s2f2fH H，对对频频率率限限制制在在f fL L与与f fH H之之间间的的带带通通型型信信号号抽抽样样，肯肯定定能能满满足足频频谱谱不不混混叠叠的的要要求求。但但这这样样选选择择f fs s太太高高了了，它它会会使使0-f0-fL L一一大大段段频频谱谱空空隙隙得得不不到到利用，降低了信道的利用，降低了信道的利用率利用率。为为了了提提高高信信道道利利用用率率，同同时时又又使使抽抽样样后后的的信信号号频频谱谱不不混混叠叠，那那么么f fs s到到底底怎怎样样选选择择呢呢？带带通通信信号号的的抽抽样样定定理理将回答这个问题。将回答这个问题。带通抽样定理带通抽样定理抽样定理18抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-3 带通信号的抽样频谱（fs=2fH）抽样定理19抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 在在图图4-44-4中中，抽抽样样后后信信号号的的频频谱谱M Ms s()()既既没没有有混混叠叠也也没没有有留留空空隙隙，而而且且包包含含有有m(t)m(t)的的频频谱谱M()M()图图中中虚虚线线所所框框的的部部分分。这这样样，采采用用带带通通滤滤波波器器就就能能无无失失真真恢恢复复原原信信号号，且且此此时时抽抽样样速速率率(2B)(2B)远低于按低通抽样定理时远低于按低通抽样定理时f fs s=10B=10B的要求。的要求。带带通通均均匀匀抽抽样样定定理理：一一个个带带通通信信号号m(t)m(t)，其其频频率率限限制制在在f fL L与与f fH H之之间间，带带宽宽为为B=fB=fH H-f-fL L，如如果果抽抽样样速速率率2f2fH H/(m+1)f/(m+1)fs s 2f2fL L/m/m，m m是是一一个个不不超超过过f fL L/B/B的的最最大大整整数数，那那么么m(t)m(t)可可由由抽抽样样序序列无失真地重建。下面分两种情况加以说明。列无失真地重建。下面分两种情况加以说明。(1)抽样定理20抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-4 fH=nB时带通信号的抽样频谱 抽样定理21抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 由图由图4-54-5可见，可见，f fs s在在2B2B 4B4B范围内取值，当范围内取值，当f fL LBB时，时，f fs s趋近趋近于于2B2B。即当。即当m m很大，无论很大，无论f fH H是否为带宽的整数倍，上式可简化是否为带宽的整数倍，上式可简化为为 实实际际中中应应用用广广泛泛的的高高频频窄窄带带信信号号就就符符合合这这种种情情况况，这这是是因因为为f fH H大大而而B B小小，f fL L当当然然也也大大，很很容容易易满满足足f fL LBB。由由于于带带通通信信号号一一般般为为窄窄带带信信号号，容容易易满满足足f fL LBB，因因此此带带通通信信号号通通常常可可按按2B2B速速率率抽样。抽样。(2)抽样定理22抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-5 fs与fL关系抽样定理23抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 顺顺便便指指出出，对对于于一一个个携携带带信信息息的的基基带带信信号号，可可以以视视为为随随机机基基带带信信号号。若若该该随随机机基基带带信信号号是是宽宽平平稳稳的的随随机机过过程程，则则可可以以证证明明：一一个个宽宽平平稳稳的的随随机机信信号号，当当其其功功率率谱谱密密度度函函数数限限于于f fH H以以内内时时，若若以以不不大大于于1/(2f1/(2fH H)秒秒的的间间隔隔对对它它进进行行均均匀匀抽抽样样，则则可可得得一一随随机机样样值值序序列列。如如果果让让该该随随机机样样值值序序列列通通过过一一截截止止频频率率为为f fH H的的低低通通滤滤波波器器，那那么么其其输输出出信信号号与与原原来来的的宽宽平平稳稳随随机机信信号号的的均均方方差差在在统统计计平平均均意意义义下下为为零零。也也就就是是说说，从从统统计计观观点点来来看看，对对频频带带受受限限的的宽宽平平稳稳随随机机信号进行抽样，也服从抽样定理。信号进行抽样，也服从抽样定理。抽样定理24抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系25例4.2抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 第第3 3章章中中讨讨论论的的连连续续波波调调制制是是以以连连续续振振荡荡的的正正弦弦信信号号作作为为载载波波。然然而而，正正弦弦信信号号并并非非是是惟惟一一的的载载波波形形式式，时时间间上上离离散散的的脉脉冲冲串串，同同样样可可以以作作为为载载波波。脉脉冲冲调调制制就就是是以以时时间间上上离离散散的的脉脉冲冲串串作作为为载载波波，用用模模拟拟基基带带信信号号m(t)m(t)去去控控制制脉脉冲冲串串的的某某参参数数，使使其其按按m(t)m(t)的的规规律律变变化化的的调调制制方方式式。通通常常，按按基基带带信信号号改改变变脉脉冲冲参参量量(幅幅度度、宽宽度度和和位位置置)的的不不同同，把把脉脉冲冲调调制制又又分分为为脉脉幅幅调调制制(PAM)(PAM)、脉脉宽宽调调制制(PDM)(PDM)和和脉脉位位调调制制(PPM)(PPM)。虽虽然然这这三三种种信信号号在在时时间间上上都都是是离离散散的的，但但受受调调参参量量变变化化是是连连续续的的，因因此此也也都都属属于于模模拟拟信信号号。脉脉冲冲振振幅幅调调制制是是脉脉冲编码调制的基础冲编码调制的基础。脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)26抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-6 PAM、PDM、PPM信号波形脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)27抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 脉脉冲冲振振幅幅调调制制(PAM)(PAM)是是脉脉冲冲载载波波的的幅幅度度随随基基带带信信号号变变化化的的一一种种调调制制方方式式。若若脉脉冲冲载载波波是是冲冲激激脉脉冲冲序序列列，则则前前面面讨讨论论的的抽抽样样定定理理就就是是脉脉冲冲振振幅幅调调制制的的原原理理。也也就就是是说说，按抽样定理进行抽样得到的信号按抽样定理进行抽样得到的信号m ms s(t)(t)就是一个就是一个PAMPAM信号信号。但但是是，用用冲冲激激脉脉冲冲序序列列进进行行抽抽样样是是一一种种理理想想抽抽样样的的情情况况，是是不不可可能能实实现现的的。即即使使能能获获得得，由由于于抽抽样样后后信信号号的的频频谱谱为为无无穷穷大大，对对有有限限带带宽宽的的信信道道而而言言也也无无法法传传递递。因因此此，在在实实际际中中通通常常采采用用脉脉冲冲宽宽度度相相对对于于抽抽样样周周期期很很窄窄的的窄窄脉脉冲冲序序列列近近似似代代替替冲冲激激脉脉冲冲序序列列。这这里里介介绍绍实实际际抽抽样样的的两两种种脉脉冲冲振振幅幅调调制制方方式式：自自然然抽抽样样的的脉脉冲冲调调幅幅和和平平顶抽样顶抽样的脉冲调幅。的脉冲调幅。脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)28抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系自自然然抽抽样样又又称称曲曲顶顶抽抽样样，它它是是指指抽抽样样后后的的脉脉冲冲幅幅度度（顶顶部部）随随被被抽样信号抽样信号m(t)m(t)变化，或者说保持了变化，或者说保持了m(t)m(t)的变化规律。的变化规律。图 4-7自然抽样的PAM原理框图自然抽样的脉冲调幅自然抽样的脉冲调幅 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)29抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-9 自然抽样的PAM波形及频谱脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)30抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系PAM信号s(t)的频谱信号此此频频谱谱与与理理想想抽抽样样的的频频谱谱非非常常相相似似，也也是是由由无无限限多多个个间间隔隔为为s s=2=2H H的的M()M()频频谱谱之之和和组组成成。其其中中,n=0n=0的的成成分分是是(A/T(A/Ts s)M()M()，与与原原信信号号谱谱M()M()只只差差一一个个比比例例常常数数(A/T(A/Ts s)，因因而而也也可可用用低低通通滤滤波波器器从从M Ms s()()中中滤滤出出M()M()，从从而而恢恢复复出出基带信号基带信号m(t)m(t)。脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)31抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 比比较较上上两两式式，可可以以发发现现它它们们的的不不同同之之处处是是:理理想想抽抽样样的的频频谱谱的的包包络络是是条条直直线线，因因而而信信号号带带宽宽为为无无穷穷大大；自自然然抽抽样样频频谱谱的的包包络络按按SaSa函函数数随随频频率率增增高高而而下下降降，因因而而带带宽宽是是有有限限的的，且且带带宽宽与与脉脉宽宽有有关关。越越大大，带带宽宽越越小小，这这有有利利于于信信号号的的传传输输，但但大大会会导导致致时时分分复复用用的的路路数数减减小小，显显然然的的大大小小要要兼顾带宽和复用路数这两个互相矛盾的要求。兼顾带宽和复用路数这两个互相矛盾的要求。脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)32抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 平平顶顶抽抽样样又又叫叫瞬瞬时时抽抽样样，它它与与自自然然抽抽样样的的不不同同之之处处在在于于它它抽抽样样后后的的信信号号中中的的脉脉冲冲均均具具有有相相同同的的形形状状顶顶部部平平坦坦的的矩矩形形脉脉冲冲，矩矩形形脉脉冲冲的的幅幅度度即即为为瞬瞬时时抽抽样样值值。原原理理框框图图中中的的脉脉冲冲形形成成电路的作用就是把冲激脉冲变为矩形脉冲。电路的作用就是把冲激脉冲变为矩形脉冲。图 4-10 平顶抽样信号及其产生原理框图 平顶抽样的脉冲调幅平顶抽样的脉冲调幅 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)33抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系平平顶顶抽抽样样的的PAMPAM信信号号频频谱谱M Mq q()()是是由由Q()Q()加加权权后后的的周周期期性性重重复复的的M()M()所所组组成成，由由于于Q()Q()是是的的函函数数，如如果果直直接接用用低低通通滤滤波波器器恢恢复复，得得到到的的是是Q()M()/TQ()M()/Ts s，它它必必然然存存在在失失真真（孔孔径径失真）。失真）。脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)34抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-11 平顶抽样PAM信号的解调原理框图 为为了了从从m mq q(t)(t)中中恢恢复复原原基基带带信信号号m(t)m(t)。要要在在滤滤波波之之前前先先用用特特性性为为1/Q()1/Q()频频谱谱校校正正网网络络加加以以修修正正，则则低低通通滤滤波波器器便便能能无无失失真真地地恢复原基带信号恢复原基带信号m(t)m(t)。在在实实际际应应用用中中，平平顶顶抽抽样样信信号号采采用用抽抽样样保保持持电电路路来来实实现现，得得到到的的脉脉冲冲为为矩矩形形脉脉冲冲。在在后后面面将将讲讲到到的的PCMPCM系系统统的的编编码码中中，编编码码器的输入就是经抽样保持电路得到的平顶抽样脉冲。器的输入就是经抽样保持电路得到的平顶抽样脉冲。脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)35抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 在在实实际际应应用用中中，恢恢复复信信号号的的低低通通滤滤波波器器也也不不可可能能是是理理想想的的，因因此此考考虑虑到到实实际际滤滤波波器器可可能能实实现现的的特特性性，抽抽 样样 速速 率率 f fs s要要 比比 2f2fH H选选 的的 大大 一一 些些，一一 般般 f fs s=（2.5-32.5-3）f fH H。例例如如语语音音信信号号频频率率一一般般为为 300-300-3400 Hz3400 Hz，抽样速率，抽样速率f fs s一般取一般取8000 Hz8000 Hz。以以上上按按自自然然抽抽样样和和平平顶顶抽抽样样均均能能构构成成PAMPAM通通信信系系统统，也也就就是是说说可可以以在在信信道道中中直直接接传传输输抽抽样样后后的的信信号号，但但由由于于它它们们抗抗干干扰扰能能力力差差，目目前前很很少少实实用用。它它已已被被性能良好的性能良好的脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)(PCM)所取代。所取代。脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)36抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系脉脉冲冲编编码码调调制制(PCM)(PCM)简简称称脉脉码码调调制制，它它是是一一种种用用一一组组二二进进制制数数字字代代码码来来代代替替连连续续信信号号的的抽抽样样值值，从从而而实实现现通通信信的的方方式式。由由于于这这种种通通信信方方式式抗抗干干扰扰能能力力强强，它它在在光光纤纤通通信信、数数字字微微波波通通信信、卫卫星星通通信信中中均均获获得得了了极极为为广泛的应用。广泛的应用。PCMPCM信信号号的的形形成成是是模模拟拟信信号号经经过过“抽抽样样、量化、编码量化、编码”三个步骤实现的。三个步骤实现的。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）37抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-12 PCM系统原理框图编码后的编码后的PCMPCM码组的数字传输方式可以是直接的基码组的数字传输方式可以是直接的基带传输，也可以是对微波、光波等载波调制后的调带传输，也可以是对微波、光波等载波调制后的调制传输。制传输。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）38抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-13 PCM信号形成示意图脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）39抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 利利用用预预先先规规定定的的有有限限个个量量化化电电平平来来表表示示模模拟拟信信号号抽抽样样值值的的过过程程称称为为量量化化。时时间间连连续续的的模模拟拟信信号号经经抽抽样样后后的的样样值值序序列列，虽虽然然在在时时间间上上离离散散，但但在在幅幅度度上上仍仍然然是是连连续续的的，即即抽抽样样值值m(kT)m(kT)可以取无穷多个可能值，因此仍属可以取无穷多个可能值，因此仍属模拟信号模拟信号。如如果果用用N N位位二二进进制制码码组组来来表表示示该该样样值值的的大大小小，以以便便利利用用数数字字传传输输系系统统来来传传输输的的话话，那那么么,N N位位二二进进制制码码组组只只能能同同M=2M=2N N个个电电平平值值相相对对应应，而而不不能能同同无无穷穷多多个个可可能能取取值值相相对对应应。这这就就需需要要把把取取值值无无限限的的抽抽样样值值划划分分成成有有限限的的M M个个离离散散电电平平，此此电平被称为电平被称为量化电平量化电平。量化量化脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）40抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系量化的物理过程脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）41抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 量量化化后后的的信信号号m mq q(t)(t)是是对对原原来来信信号号m(t)m(t)的的近近似似，当当抽抽样样速速率率一一定定，量量化化级级数数目目（量量化化电电平平数数）增增加加并并且且量量化化电电平平选选择择适适当当时时，可可以以使使m mq q(t)(t)与与m(t)m(t)的的近似程度提高。近似程度提高。m mq q(kT(kTs s)与与m(kTm(kTs s)之之间间的的误误差差称称为为量量化化误误差差。对对于于语语音音、图图像像等等随随机机信信号号，量量化化误误差差也也是是随随机机的的，它它像像噪噪声声一一样样影影响响通通信信质质量量，因因此此又又称称为为量量化化噪噪声声，通通常常用用均均方方误误差差来来度度量量。为为方方便便起起见见，假假设设m(t)m(t)是是均值为零，概率密度为均值为零，概率密度为f(x)f(x)的平稳随机过程。的平稳随机过程。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）42抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 在在给给定定信信息息源源的的情情况况下下，f(x)f(x)是是已已知知的的。因因此此，量量化化误误差差的的平平均均功功率率与与量量化化间间隔隔的的分分割割有有关关，如如何何使使量量化化误误差差的的平平均均功功率率最最小小或或符符合合一一定定规规律律，是是量量化化器的理论所要研究的问题。器的理论所要研究的问题。量化噪声的均方误差量化噪声的均方误差(即平均功率即平均功率)为为对于多个量化间隔对于多个量化间隔脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）43抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 把把输输入入信信号号的的取取值值域域按按等等距距离离分分割割的的量量化化称称为为均均匀匀量量化化。在在均均匀匀量量化化中中，每每个个量量化化区区间间的的量量化化电电平平均均取取在在各各区区间间的的中中点点。其其量量化化间间隔隔i i取取决决于于输输入入信信号号的变化范围的变化范围a,ba,b和量化电平数和量化电平数M M。量化间隔量化间隔量化器输出量化器输出量化电平量化电平 均匀量化均匀量化分层电平分层电平脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）44抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系相相对对量量化化误误差差的的大大小小反反映映了了量量化化器器的的性性能能，通通常常用用量量化化信信噪比来衡量。噪比来衡量。绝对量化误差绝对量化误差相对量化误差相对量化误差量化信噪比量化信噪比计算量化噪声计算量化噪声脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）45抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系一一般般来来说说，量量化化电电平平数数M M很很大大，量量化化间间隔隔很很小小，因因而而可可认认为为概概率率密密度度在在内内不不变变，以以p pi i表表示示，且且假假设各层之间量化噪声相互独立，则设各层之间量化噪声相互独立，则这里这里 上式中上式中 。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）46抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 由由上上式式可可知知，均均匀匀量量化化器器量量化化噪噪声声功功率率N Nq q仅仅与与有有关关，而而与与信信号号的的统统计计特特性性无无关关，一一旦旦量量化化间间隔隔给给定定，无无论论抽抽样样值值大大小小，均均匀匀量量化化噪噪声声功功率率N Nq q都都是是相相同的。同的。若若给给出出信信号号特特性性和和量量化化特特性性，便便可可求求出出量量化化信信噪噪比（比（S/NqS/Nq）。）。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）47信号功率：信号功率：抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系例例 设设一一M M个个量量化化电电平平的的均均匀匀量量化化器器，其其输输入入信信号号的的概概率率密密度度函函数数在在区区间间-a,-a,a a内内均均匀匀分分布布，试试求求该该量化器的量化信噪比。量化器的量化信噪比。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）48抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系可见，量化器的量化可见，量化器的量化信噪比信噪比随着量化级数随着量化级数MM的的增加而提高。通常量化级数的选取应根据量化增加而提高。通常量化级数的选取应根据量化器的器的量化信噪比量化信噪比的的要求要求来确定。来确定。均匀量化有什么特点，带来了什么问题？均匀量化有什么特点，带来了什么问题？均匀量化的特点：量化噪声功率不随信号变化。均匀量化的特点：量化噪声功率不随信号变化。带来的问题：小信号的量化信噪比太小，不能带来的问题：小信号的量化信噪比太小，不能满足通信质量要求，而大信号的量化信噪比较满足通信质量要求，而大信号的量化信噪比较大，远远地满足要求。大，远远地满足要求。为了为了解决小信号解决小信号的量化信噪比太小这个问题，的量化信噪比太小这个问题，若仍采用均匀量化，需要减小量化间隔，即增若仍采用均匀量化，需要减小量化间隔，即增加量化级数，但是量化级数加量化级数，但是量化级数MM过大过大时，一是大时，一是大信号的量化信噪比更大，二是使信号的量化信噪比更大，二是使编码复杂编码复杂，三，三是使是使信道利用率下降信道利用率下降。49抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系50作业书P1314-3、4-5抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系课堂练习13、设有一幅度为均匀分布的模拟信号m(t)，其最低频率为f1=1kHz，最高频率为f2=2f1，现要对其进行离散化，然后进行数字传输，试问:(1)若对m(t)进行低通抽样，则最低抽样频率fL为多少？(2)若对m(t)进行带通抽样，则最低抽样频率fB为多少？(3)对m(t)抽样后，然后进行均匀量化，如果要求量化信噪比不低于40dB，最小量化级数M 为多少？51