模拟信号的数字传输 (2).ppt

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1、关于模拟信号的数字传输(2)现在学习的是第1页，共159页29.1 9.1 引言引言l数字化数字化3 3步骤：步骤：抽样、量化和和编码抽样信号抽样信号量化信号t011011011100100100100编码信号现在学习的是第2页，共159页39.2 9.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样l9.2.1 9.2.1 低通模拟信号的抽样定理低通模拟信号的抽样定理 抽样抽样：在一系列的离散点上，对模拟信号进行抽：在一系列的离散点上，对模拟信号进行抽取样值。取样值。n抽样定理抽样定理：设一个连续模拟信号m(t)中的最高频率 fH，则以间隔时间为T 1/2fH的周期性冲激脉冲对它抽样时，m(t)将被这些抽样

2、值所完全确定。现在学习的是第3页，共159页4n也就是说，能从抽样信号中恢复原信号的条件是：即抽样频率fs应不小于2fH。这一最低抽样速率2fH称为奈奎斯特速率。与此相应的最小抽样时间间隔称为奈奎斯特间隔。由于抽样间隔相等，所以抽样定义又被称作均匀抽样定理。n上述给出的是理论推导结论，实际抽样过程中，考虑滤波器的特性，一般选用fs比2fH大的多一些，典型电话信号的最高频率通常限制在fH为3400Hz（人的最高语音频率），但是典型电话系统的抽样频率在8000Hz。现在学习的是第4页，共159页59.2.2 9.2.2 带通模拟信号的抽样定理带通模拟信号的抽样定理 设带通模拟信号的频带限制在fL和

3、fH之间，如图所示。即其频谱最低频率大于fL，最高频率小于fH，信号带宽B=fH fL。可以证明，此带通模拟信号所需最小抽样频率fs等于式中，B 信号带宽；n 商(fH/B)的整数部分，n=1，2，；k 商(fH/B)的小数部分，0 k I，故a2=1确定a3：I权2=29=512 第二次比较结果为Is I，故a3=1确定a4：I权3=210=1024 第三次比较结果为Is I，故a4=1故段落码a2a3a4为“111”现在学习的是第76页，共159页77c)确定段内码a5a6a7a8:(比较法）可知，第 8 段的 16 个量化间隔均为D8=64。确定a5：I=段落起始电平+8(量化间隔)=1

4、024+864=1536 第四次比较结果为Is I，故a5=0确定a6：I=1024+464=1280 第五次比较结果为Is I，故a6=0。现在学习的是第77页，共159页78确定a7：I=1024+264=1152 第六次比较结果为Is I，故a7=1。确定a8：I=1024+364=1216 第七次比较结果为Is I，故a8=1。+1260 编码：1 111 0011现在学习的是第78页，共159页79（3）编码量化误差）编码量化误差信号：+1260 编码：1111 0011(1024+128+64)=1216为了减少量化误差，在接受端增补一个使译码后最大误差不超过现在学习的是第79页，

5、共159页80 例例9.5-29.5-2 采用采用1313折线折线A A律编码，设最小的量化间隔为律编码，设最小的量化间隔为1 1个量化单位，已知抽样脉冲为个量化单位，已知抽样脉冲为+635+635量化单位：量化单位：（1 1）编码器输出码组，并计算量化误差；）编码器输出码组，并计算量化误差；（2 2）写出对于该）写出对于该7 7位码的均匀量化位码的均匀量化1111位编码。（采用自位编码。（采用自然二进制码）然二进制码）注：表9-6，表9-7现在学习的是第80页，共159页81 解：（解：（1 1）极性码：因为）极性码：因为63506350所以所以a a1 1=1=1 （2 2）段落码：因为）

6、段落码：因为635128635128所以所以a a2 2=1=1 因为因为635512635512所以所以a a3 3=1=1 因为因为63510246351024所以所以a a4 4=0=0（3 3）段内码：第）段内码：第7 7段的起始位置是段的起始位置是512512，量化间隔为：，量化间隔为：3232因为因为512+256=768512+256=768，635768,635768,所以所以a a5 5=0=0因为因为512+128=640512+128=640，635640,635576,635576,所以所以a a7 7=1=1因为因为512+64+32=608512+64+32=608

7、，635608,635608,所以所以a a8 8=1=1所以，输出的码组为所以，输出的码组为1110001111100011量化误差为量化误差为635-608=27635-608=27所对应的均匀量化所对应的均匀量化1111位码为位码为0100110000001001100000现在学习的是第81页，共159页826 6、译码原理、译码原理译码的作用是把收到的PCM信号还原成相应的PAM样值信号，即进行D/A变换。图9.5-5给出了接收端译码器的基本原理方框图。9.5-5 接受译码器原理方框图a2-a8译码输出记忆电路7/11变换恒流源a1极性控制现在学习的是第82页，共159页83记忆电路

8、收到最后一位a8时，通过7/11变换，使恒流源产生一个权值电流，它等于最后一个间隔的中间值。如前例9.5-1中，Is位于第8段的序号为3的量化级，7位幅 度 码 1110011，所 对 应 的11位 线 性 幅 度 码 为100110000000，对应的分层电平为1216。译码输出为:1216+Di/2=1216+64/2=1248量化误差为：1260-1248=121264/2，即量化误差小于量化间隔的一半。现在学习的是第83页，共159页84 由于PCM要用N位二进制代码表示一个抽样值，即一个抽样周期Ts内要编N位码，因此每个码元宽度为Ts/N，码位越多，码元宽度越小，占用带宽越大。显然，

9、传输PCM信号所需要的带宽要比模拟基带信号m(t)的带宽大得多。9.5.4 PCM9.5.4 PCM信号的码元速率和带宽信号的码元速率和带宽现在学习的是第84页，共159页85式中，N为二进制编码位数。典型的电话系统中抽样频率8000Hz，传输比特率=8000*8=64kb/s设m(t)为低通信号，最高频率为fH，按照抽样定理的抽样速率fs2fH，如果量化电平数为L，则采用二进制代码的码元速率RB为:1 1、码元速率码元速率现在学习的是第85页，共159页862 2、传输、传输PCMPCM信号所需的最小带宽信号所需的最小带宽 抽样速率的最小值fs=2fH，这时码元传输速率为RB=2fHN，在无

10、码间串扰和采用理想低通传输特性的情况下，所需最小传输带宽为:现在学习的是第86页，共159页879.5.5 PCM9.5.5 PCM系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 （选）（选）1 1、系统输出端总的、系统输出端总的信噪比信噪比现在学习的是第87页，共159页882 2、低通输出、低通输出信号功率信号功率9.5.5 PCM9.5.5 PCM系统的抗噪声性能（选）系统的抗噪声性能（选）现在学习的是第88页，共159页893 3、低通输出的、低通输出的量化噪声功率量化噪声功率9.5.5 PCM9.5.5 PCM系统的抗噪声性能（选）系统的抗噪声性能（选）现在学习的是第89页，共159页904 4、

11、PCMPCM系统输出端平均信号量化噪声功率比系统输出端平均信号量化噪声功率比9.5.5 PCM9.5.5 PCM系统的抗噪声性能（选）系统的抗噪声性能（选）现在学习的是第90页，共159页915 5、信道噪声功率、信道噪声功率6 6、仅考虑信道噪声时的信噪比、仅考虑信道噪声时的信噪比9.5.5 PCM9.5.5 PCM系统的抗噪声性能（选）系统的抗噪声性能（选）现在学习的是第91页，共159页929.5.5 PCM9.5.5 PCM系统的抗噪声性能（选）系统的抗噪声性能（选）现在学习的是第92页，共159页93 64kb/s的A律或律的对数压扩PCM编码已经在大容量的光纤通信系统和数字微波系统

12、中得到了广泛的应用。但PCM信号占用频带要比模拟通信系统中的一个标准话路带宽（3.1 kHz）宽很多倍，这样，对于大容量的长途传输系统，尤其是卫星通信，采用PCM的经济性能很难与模拟通信相比。9.6 9.6 差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制DPCMDPCM(Differential Pulse Code Modulation)现在学习的是第93页，共159页94语音压缩编码技术：以较低的速率获得高质量编码，一直是语音编码追求的目标。通常把话路速率低于64kb/s的语音编码方法，称为语音压缩编码技术。为了降低数字电话信号的比特率，改进方法之一是采用预测编码方法。现在学习的是第94页，共159页9

13、5 在PCM中，每个波形样值都独立编码，与其他样值无关，这样，样值的整个幅值编码需要较多位数，比特率较高，造成数字化的信号带宽大大增加。然而，大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间表现出很强的相关性，有很大的冗余度(Redundancy)。9.6.1 9.6.1 预测编码简介预测编码简介现在学习的是第95页，共159页96利用信源的相关性，可以根据前几个抽样值计算出一个预测值，再取当前抽样值和预测值之差，对此差值（预测误差）而不是样值本身进行编码，这个过程称为预测编码。由于预测误差比样值本身小，可以用较少的比特数表示差值。这样，用差值编码可以在量化台阶不变的情况下(即量化噪声不变

14、)，使编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。现在学习的是第96页，共159页97译码译码抽样器抽样器量化量化编码编码m(t)mkek+预测器预测器+预测器预测器编码器器解解码器器图图9.6-1 预测编码系统原理图预测编码系统原理图模拟信号模拟信号模拟信号的模拟信号的抽样值抽样值预测值预测值抽样值和预测值抽样值和预测值的差值的差值对差值进行量对差值进行量化化参数参数rk现在学习的是第97页，共159页98（1 1）预测器输出样值与输入样值的关系）预测器输出样值与输入样值的关系现在学习的是第98页，共159页99（2 2）DPCMDPCM量化误差量化误差若传输无误码，则：现在学习的是第99页，共15

15、9页1003 3、实际应用、实际应用实际中的一个简单做法是用一个样值代替预测值实现差分编码。只用前一个抽样值做预测值，并且取当前抽样值和预测值之差进行编码并传输，就是差分脉冲编码调制DPCM。现在学习的是第100页，共159页101 将“语音信号抽样值与前一个抽样值的差”做量化编码。1 1、DPCMDPCM系统原理系统原理9.6.29.6.2DPCMDPCM原理原理现在学习的是第101页，共159页1021 1、差值信号能否转换成样值信号？、差值信号能否转换成样值信号？d0=s0d1=s1-s0d2=s2-s1d3=s3-s2d4=s4-s3.t信信号号s0.s1s2s3s4t.d1d2d3d

16、4差差值值d0图图9.6-2 样值信号与差值信号样值信号与差值信号现在学习的是第102页，共159页103s0=d0s1=d1+s0=d1+d0s2=d2+s1=d2+d1+d0s3=d3+s2=d3+d2+d1+d0s4=d4+s3=d4+d3+d2+d1+d0.sn=dn+sn-1=dn+dn-1+.+d1+d0=结论：差值可以转换为样值。结论：差值可以转换为样值。现在学习的是第103页，共159页104T T延迟延迟sn-1dn序列序列sn序列序列图图9.6-3 差分编码差值差分编码差值/样值转换示意样值转换示意sn-1sndn量化量化+延迟延迟Tdn=sn-sn-1sn=dn+sn-1

17、现在学习的是第104页，共159页105图图9.6-4 DPCM系统最简单的编码原理框图系统最简单的编码原理框图语音信号语音信号抽样抽样sn-1sndn量化量化编码编码cn+延迟延迟Tsn:当前抽样值当前抽样值sn-1:用来代替预测值的一个样值用来代替预测值的一个样值dn:预测值与当前样值的误差信号预测值与当前样值的误差信号现在学习的是第105页，共159页106图图9.6-5 DPCM系统译码原理框图系统译码原理框图解码解码sn-1+cn低通低通延迟延迟T现在学习的是第106页，共159页1072 2、差值信号优点、差值信号优点由于相邻样值的差值比样值本身小，可以用较少的比特数表示差值。这样

18、，用差值编码可以在量化台阶不变的情况下(即量化噪声不变)，使编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。现在学习的是第107页，共159页108DPCM系统性能的改善是以最佳的预测和量化为前提的。但对语音信号进行预测和量化是复杂的技术问题，这是因为语音信号在较大的动态范围内变化。为了能在相当宽的变化范围内获得最佳的性能，只有在DPCM基础上引入自适应系统。有自适应系统的DPCM称为自适应差分脉冲编码调制，简称ADPCM。（Adaptive DPCM）9.6.3 ADPCM9.6.3 ADPCM现在学习的是第108页，共159页109 ADPCM是在差分脉冲编码调制(DPCM)的基础上发展起来的。自适应

19、差分脉冲编码调制是语音压缩中复杂度较低的一种编码方法，它可在32kb/s的比特率上达到64kb/s的PCM数字电话质量。近年来，ADPCM已经由ITU-T制定出建议，得到广泛应用，成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。现在学习的是第109页，共159页110l 自适应量化指量化台阶随信号的变化而变化，使量化误差减小；l 自适应预测指预测器系数ai可以随信号的统计特性而自适应调整，提高了预测信号的精度，从而得到高预测增益。通过这两点改进，可大大提高输出信噪比和编码动态范围。ADPCM的主要特点是用自适应量化取代固定量化，用自适应预测取代固定预测。现在学习的是第110页，共159页111

20、9.7 9.7 增量调制增量调制DMDM 增量调制简称M或DM(Delta Modulation)，可以看成是一种最简单的DPCM。当DPCM系统中量化器的量化电平数取为2时，DPCM系统就成为增量调制系统。其目的在于简化语音编码方法。（不再用一组包含L个二进制码元的代码来表示抽样值，而用一个二进制码来传输抽样点的信息）现在学习的是第111页，共159页112u方框图p编码器：预测误差ek=mk mk 被量化成两个电平+和。值称为量化台阶量化台阶。这就是说，量化器输出信号rk只取两个值+或。因此，rk可以用一个二进制符号表示。例如，用“1”表示“+”，及用“0”表示“-”。mk*延 迟抽 样二

21、电平量化m(t)mkekrkmk现在学习的是第112页，共159页113l译码器：译码器：译码器由译码器由“延迟相加电路延迟相加电路”组成，它和编码器中的相同。所组成，它和编码器中的相同。所以当无传输误码时，以当无传输误码时，m mk k*=m mk k*。延 迟rkmk*T(t)(a)编码器(b)译码器积分器抽样 判决m(t)e(t)d(t)m(t)积 分d(t)低通实用框图实用框图现在学习的是第113页，共159页114 M与PCM都是用二进制代码去表示模拟信号的编码方式。区别：l 在PCM中，代码表示样值本身的大小，所需码位数较多，从而导致编译码设备复杂；l 在M中，它只用一位编码表示相

22、邻样值的相对大小，从而反映出抽样时刻波形的变化趋势，与样值本身的大小无关。现在学习的是第114页，共159页1151 1、编码的基本思想、编码的基本思想9.7.1 9.7.1 增量调制原理增量调制原理一个语音信号，如果抽样速率很高（远大于奈奎斯特速率），抽样间隔很小，那么相邻样点之间的幅度变化不会很大，相邻抽样值的相对大小同样能反映模拟信号的变化规律。若将大小差值编码传输，同样可传输模拟信号所含的信息。此差值又称“增量”，其值可正可负。这种用差值编码进行通信的方式，就称为“增量调制”，缩写为DM或M。现在学习的是第115页，共159页116图图 9.7-1 增量编码波形示意图增量编码波形示意图

23、输出二进制波形Tsm(t):输入的基带信输入的基带信号（如语音信号）号（如语音信号）m(t):阶梯波阶梯波在解调器中，积分器只要每收到一个“1”码元就使其输出升高，每收到一个“0”码元就使其输出降低，这样就可以恢复出图中的阶梯形电压。这个阶梯电压通过低通滤波器平滑后，就得到十分接近编码器原输入的模拟信号。现在学习的是第116页，共159页117l 将t分为许多相等的时间段t；l 将代表m(t)幅度的纵轴分为许多相等的小区间；l 模拟信号m(t)可以用阶梯波m(t)来逼近。（1 1）用阶梯波来逼近曲线）用阶梯波来逼近曲线现在学习的是第117页，共159页118在T0时刻，抽样信号m(T0)经过量

24、化成为量化信号 m(T0)l 若抽样信号m(T0)-量化信号 m(T0-T)/2则 m(T0)=m(T0-T)+输出“1”l 若抽样信号m(T0)-量化信号 m(T0-T)f0现在学习的是第131页，共159页132(1)斜率(2)起始电平结论：现在学习的是第132页，共159页133 与PCM系统一样，增量调制系统的抗噪声性能也是用输出信噪比来表征的。在M系统中同样存在两类噪声，即量化噪声和信道加性噪声。由于这两类噪声是互不相关的，可以分别讨论。9.7.3 9.7.3 增量调制系统的量化噪声（选）增量调制系统的量化噪声（选）现在学习的是第133页，共159页134 量化噪声有两种，即过载噪声

25、和一般量化噪声。由于在实际应用中都是防止工作到过载区域，因此这里仅考虑一般量化噪声。不过载情况:现在学习的是第134页，共159页135若eq(t)在区间（-，+）上均匀分布，则eq(t)平均功率为：1、eq(t)的平均功率的平均功率现在学习的是第135页，共159页136考虑到eq(t)的最小周期大致是抽样频率fs的倒数，而且大于1/fs的任意周期都可能出现。因此，可近似认为上式的量化噪声功率谱在(0，fs)频带内均匀分布，则eq(t)的单边功率谱密度Pe(f)2、eq(t)的单边功率谱密度的单边功率谱密度Pe(f)现在学习的是第136页，共159页137若接收端低通滤波器的截止频率为fm，

26、则经低通滤波器后输出的量化噪声功率Nq为3、M的量化噪声功率的量化噪声功率Nq 由此可见，M系统输出的量化噪声功率与量化台阶及比值(fm/fs)有关，而与信号幅度无关。当然，这后一条性质是在未过载的前提下才成立的。现在学习的是第137页，共159页1389.7.49.7.4PCMPCM与与MM系统的比较系统的比较PCM和M都是模拟信号数字化的基本方法。M实际上是DPCM的一种特例，有时把PCM和M统称为脉冲编码。但应注意，PCM是对样值本身编码，M是对相邻样值的差值的极性（符号）编码。这是M与PCM的本质区别。现在学习的是第138页，共159页1391.在保证不发生过载，达到与PCM系统相同的

27、信噪比时，M的抽样速率远远高于奈奎斯特速率。2.M单路编码，PCM多路编码，M速率采用32kHz或16kHz时，语音质量不如PCM。3.出现误码，M误差小于PCM系统。现在学习的是第139页，共159页140 在M系统中，每一个误码代表造成一个量阶（）的误差，所以它对误码不太敏感。故对误码率的要求较低，一般在10-310-4。而PCM的每一个误码会造成较大的误差，尤其高位码元，错一位可造成许多量阶的误差(例如，最高位的错码表示2N-1个量阶的误差)。所以误码对PCM系统的影响要比M系统严重些，故对误码率的要求较高，一般为10-510-6。现在学习的是第140页，共159页141 PCM系统的特

28、点是多路信号统一编码，一般采用8位（对语音信号），编码设备复杂，但质量较好。PCM一般用于大容量的干线（多路）通信。M系统的特点是单路信号独用一个编码器，设备简单，单路应用时，不需要收发同步设备。但在多路应用时，每路独用一套编译码器，所以路数增多时设备成倍增加。M一般适于小容量支线通信，话路上、下方便灵活。4.设备复杂度设备复杂度现在学习的是第141页，共159页142随着集成电路的发展，M的优点已不再那么显著。在传输语音信号时，M话音清晰度和自然度方面都不如PCM。因此目前在通用多路系统中很少用或不用M。M一般用在通信容量小和质量要求不十分高的场合以及军事通信和一些特殊通信中。结论M适用于误码率较高的信道条件。现在学习的是第142页，共159页感谢大家观看现在学习的是第159页，共159页