数字通信原理第四章课件.ppt
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1、通信原理课件通信原理课件第四章第四章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输4.1 4.1 引言引言4.2 4.2 抽样抽样4.3 4.3 量化量化 4.4 4.4 编码编码4.5 脉冲编码调制系统脉冲编码调制系统 4.6 4.6 语音压缩编码语音压缩编码4.7 4.7 图像压缩编码图像压缩编码 通信原理课件通信原理课件4.1 引言引言 数字通信系统具有许多优点,而实际上,由信息转换成的数字通信系统具有许多优点,而实际上,由信息转换成的原始电信号一般为模拟信号,它是时间和幅值都连续变化原始电信号一般为模拟信号,它是时间和幅值都连续变化的信号。而在数字通信系统中传输的是数字信号,即时间的信号。而在
2、数字通信系统中传输的是数字信号,即时间和幅值都离散的信号。和幅值都离散的信号。如何利用数字通信系统来传输模拟信号?如何利用数字通信系统来传输模拟信号?利用数字通信系统传输模拟信号,首先需要在发送端把模利用数字通信系统传输模拟信号,首先需要在发送端把模拟信号数字化,即模拟信号数字化,即模/数变换;再用数字通信的方式进行传数变换;再用数字通信的方式进行传输;最后在接收端把数字信号还原为模拟信号,即数输;最后在接收端把数字信号还原为模拟信号,即数/模变模变换。换。通信原理课件通信原理课件脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM):(PCM):抽样抽样量化量化编码编码图图4-1 PCM通信系统原理图通信系统原
3、理图通信原理课件通信原理课件图图4-2 PCM信号形成过程示意图信号形成过程示意图通信原理课件通信原理课件4.2 抽样抽样所所谓谓抽抽样样是是把把时时间间上上连连续续的的模模拟拟信信号号变变成成一一系系列列时时间间上上离离散的样值序列的过程:散的样值序列的过程:图图4-3 抽样的输入与输出抽样的输入与输出 通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件4.2.1低通信号与带通信号的理想抽样低通信号与带通信号的理想抽样通信原理课件通信原理课件图图4-4 理想抽样的原理图理想抽样的原理图通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件一、低通信号的抽样定理一、低通信号的抽样定理通信原理课件通信原
4、理课件通信原理课件通信原理课件图图4-5 理想抽样信号波形及其频谱理想抽样信号波形及其频谱通信原理课件通信原理课件图图4-6 抽样的恢复抽样的恢复通信原理课件通信原理课件图图4-7 混叠现象混叠现象 通信原理课件通信原理课件例例4.2.1通信原理课件通信原理课件宽平稳随机信号的抽样定理宽平稳随机信号的抽样定理通信原理课件通信原理课件二、带通信号的抽样定理二、带通信号的抽样定理通信原理课件通信原理课件例例4.2.2 通信原理课件通信原理课件4.2.2实际抽样实际抽样理想抽样:抽样脉冲序列是理想冲激脉冲序列。理想抽样:抽样脉冲序列是理想冲激脉冲序列。实际抽样:实际抽样:实际上真正的冲激脉冲串并不能
5、实现,通常只能采用窄实际上真正的冲激脉冲串并不能实现,通常只能采用窄脉冲串来实现。脉冲串来实现。脉冲调制:用时间上离散的脉冲串同样可以作为载波,用基带信号脉冲调制:用时间上离散的脉冲串同样可以作为载波,用基带信号去控制脉冲串的某个参量,使其按去控制脉冲串的某个参量,使其按 规律变化的调制方式:规律变化的调制方式:脉幅调制脉幅调制(PAM)(PAM)脉宽调制脉宽调制(PDM)(PDM)脉位调制脉位调制(PPM)(PPM)。如果用模拟信号去改变脉冲参量,虽然在时间上是离散的,但是仍如果用模拟信号去改变脉冲参量,虽然在时间上是离散的,但是仍然是模拟调制,因为其代表信息的参量仍然是连续变化的。然是模拟
6、调制,因为其代表信息的参量仍然是连续变化的。通信原理课件通信原理课件图图4-9 PAM、PDM、PPM信号波形信号波形通信原理课件通信原理课件一、自然抽样一、自然抽样通信原理课件通信原理课件图图4-10 自然抽样信号及其频谱自然抽样信号及其频谱通信原理课件通信原理课件比较理想抽样和自然抽样的异同比较理想抽样和自然抽样的异同 通信原理课件通信原理课件二、平顶抽样二、平顶抽样平顶抽样又称为瞬时抽样,从波形上看,它与自然抽样的不同之平顶抽样又称为瞬时抽样,从波形上看,它与自然抽样的不同之处在于抽样信号中的脉冲均具有相同的形状处在于抽样信号中的脉冲均具有相同的形状顶部平坦的矩形顶部平坦的矩形脉冲,矩形
7、脉冲的幅度即为瞬时抽样值。在实际应用中,平顶抽脉冲,矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。在实际应用中,平顶抽样信号采用脉冲形成电路(也称为样信号采用脉冲形成电路(也称为“抽样保持电路抽样保持电路”)来实现,)来实现,得到顶部平坦的矩形脉冲。得到顶部平坦的矩形脉冲。平顶抽样平顶抽样PAM信号在原理上可以看作由理想抽样和脉冲形成电路信号在原理上可以看作由理想抽样和脉冲形成电路产生。产生。图图4-11 平顶抽样信号与产生原理平顶抽样信号与产生原理通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件 图图4-12 平顶抽样信号的恢复平顶抽样信号的恢复 通信原理课件通信原理课件 4.3 量化量化量化有什么样的必要
8、性?(1)抽样信号幅度连续,有限位的数字信号不可能精确地表示;(2)噪声会掩盖信号的微弱变化,人的感官灵敏度有线。因此将PAM信号转换成PCM信号之前,将幅度连续的PAM信号利用预先规定的有限个量化值(量化电平)来表示,这个过程叫“量化”。通信原理课件通信原理课件图图4-13 量化的输入和输出量化的输入和输出通信原理课件通信原理课件4.3.1均匀量化均匀量化把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。将取值域均匀等分为M个间隔,则M称为量化级数或量化电平数。量化间隔(或量化阶距)取决于输入信号的变化范围和量化级数。在均匀量化中,每个量化区间的量化电平通常取在各区间的中点。通过量化,无穷多
9、个幅度的取值变成了有限个量化电平。通信原理课件通信原理课件图图4-14 量化过程及量化误差量化过程及量化误差通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件例例4.3.1 通信原理课件通信原理课件可见,量化器的量化信噪比随着量化级数M的增加而提高。通常量化级数的选取应根据对量化器的量化信噪比的要求来确定。均匀量化有什么特点,带来了什么问题?均匀量化的特点:量化噪声功率固定不变。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大,远远地满足要求。为了解决小信号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
10、隔,即增加量化级数,但是量化级数M过大时,一是大信号的量化信噪比更大,二是使编码复杂,三是使信道利用率下降。通信原理课件通信原理课件4.3.2非均匀量化非均匀量化非均匀量化根据信号的不同区间来确定量化间隔,即量化间隔与信号的大小有关。当信号幅度小时,量化间隔小,其量化误差也小;当信号幅度大时,量化间隔大,其量化误差也大。实现非均匀量化的方法有两种:模拟压扩法和直接非均匀编解码法。它们在原理上是等效的,但是从理论分析角度来看,前者简便,而在实际应用中通常采用后者,因此下面先介绍模拟压扩法,再介绍直接非均匀编解码法。通信原理课件通信原理课件一、模拟压扩法一、模拟压扩法在发送端抽样信号首先经过压缩器
11、处理,然后进行均匀量化,最后进行编码;在接收端,解码后送入扩张器恢复原始信号。图图4-15 非均匀量化的模拟压扩法非均匀量化的模拟压扩法通信原理课件通信原理课件压缩器是对小信号进行放大,对大信号进行压缩。而扩张器是对小信号进行压缩,对大信号进行放大。图图4-16 压缩器和扩张器的特性压缩器和扩张器的特性通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件1、A律压扩特性律压扩特性通信原理课件通信原理课件图图4-17 A律压缩特性律压缩特性通信原理课件通信原理课件2、律压扩特性律压扩特性 通信原理课件通信原理课件图图4-18 律压缩特性律压缩特性通信原理课件通信原理课件二、直接非均匀编解码法二、直接
12、非均匀编解码法实现非均匀量化一般采用直接非均匀编解码法。所谓直接非均匀编解码法就是:在编解码过程中,并不经过专门的压扩过程,在发送端根据非均匀量化间隔的划分直接对样值进行二进制编码;在接收端进行相应的非均匀解码。通信原理课件通信原理课件4.4 编码编码PCM系统中的编码是指用二进制代码来表示有限个量化系统中的编码是指用二进制代码来表示有限个量化电平的过程;电平的过程;实际操作是,将量化级将量化电平排列起来,给每一个实际操作是,将量化级将量化电平排列起来,给每一个量化级分配一个码字;量化级分配一个码字;在语音信号的编码中常用的二进制码型有自然二进码和在语音信号的编码中常用的二进制码型有自然二进码
13、和折叠二进码两种。折叠二进码两种。4.4.1常用的二进制码型常用的二进制码型通信原理课件通信原理课件一、自然二进码自然二进码就是将量化级序号看作一般的十进制正整数,然后用二进制表示。简单、好记;正负极性部分无相似之处。二、折叠二进码除去最高位外,折叠二进码的上半部分与下半部分呈倒影关系,即折叠关系。其幅度码从小到大按自然二进码规则编码。只要正、负极性信号的绝对值相同,就可进行相同的编码。与自然二进码相比,折叠二进码有哪些优点?(1)对于双极性信号,只要绝对值相同,用最高位码表示极性后,则可以采用单极性编码的方法,使编码过程大大简化。(2)在传输过程中出现误码,对小信号影响较小。基于以上的原因,
14、在PCM系统中广泛采用折叠二进码。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件4.4.2 A律律13折线编码折线编码一、一、A律律13折线的压缩特性折线的压缩特性通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件图图4-21 A律律13折线压扩特性折线压扩特性通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件二、二、A律律13折线的码字安排折线的码字安排编码位数的选择要考虑哪些因素?要兼顾通信质量和传输带宽。在信号变化范围一定时,码位数越多,量化级数越多,量化误差越小,通信质量当然就更好。但码位数越多,设备越复杂,同时还会使总的传码率增加,传输带宽加大。一般从语音信号的可懂度来说,采用34位非
15、线性编码即可,若增至78位时,通信质量就比较理想了。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件例例4.4.1 通信原理课件通信原理课件4.4.3.逐次比较型编解码原理逐次比较型编解码原理实现编码的具体方法和电路很多,律实现编码的具体方法和电路很多,律13折线编码器目折线编码器目前常采用逐次比较型编码器。它由整流器、极性判决、保前常采用逐次比较型编码器。它由整流器、极性判决、保持电路、比较判决器及本地解码电路等组成,如下图所示。持电路、比较判决器及本地解码电路等组成,如下图所示。通信原理课件通信
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