通信原理脉冲编码调制精.ppt
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1、通信原理脉冲编码调制通信原理脉冲编码调制第1页,本讲稿共74页3.1 PCM基本概念基本概念 第1章我们讲过在数字通信系统中,信源和信宿都是模拟信号(模拟信息),而信道传输的却是数字信号。可见在数字通信系统中的发信端必须要有一个将模拟信号变成数字信号的过程,同时在收信端也要有一个把数字信号还原成模拟信号的过程。第2页,本讲稿共74页通常我们用模拟信号(Analogsignal)和数字信号(Digitalsignal)的英文头一个字母把模拟信号变成数字信号的过程简称为A/D转换,把数字信号变成模拟信号的过程简称为D/A转换。图13中的信源编码实际上就是A/D转换,信源解码也就是D/A转换。第3页
2、,本讲稿共74页如何将一个模拟信号转换为一个数字信号呢?从第1章数字信号的定义中我们知道,首先要将模拟信号离散化,即对模拟信号按一定的时间间隔进行抽样;然后再将无限个可能的抽样值(不是指抽样点的个数,而是每个抽样点的可能取值)变成有限个可能取值,我们称之为量化;最后对量化后的抽样值用二进制(或多进制)码元进行编码,就可得到所需要的数字信号。所谓编码就是用一组符号(码组)取代或表示另外一组符号(码组或数字)的过程。这种将模拟信号经过抽样、量化、编码三个处理步骤变成数字信号的A/D转换方式称为脉冲编码调制(PCM,PulseCodeModulation)。第4页,本讲稿共74页PCM的概念最早是由
3、法国工程师Alce Reeres于1937年提出来的。1946年第一台PCM数字电话终端机在美国Bell实验室问世。1962年后,采用晶体管的PCM终端机大量应用于市话网中,使市话电缆传输的路数扩大了二三十倍。20世纪70年代后期,随着超大规模集成电路PCM芯片的出现,PCM在光纤通信、数字微波通信和卫星通信中得到了更为广泛的应用。第5页,本讲稿共74页3.2 抽样抽样PCM过程可分为抽样、量化和编码等三步,第一步是对模拟信号进行信号抽样。所谓抽样就是不断地以固定的时间间隔采集模拟信号当时的瞬时值。图31是一个抽样概念示意图,假设一个模拟信号f(t)通过一个开关,则开关的输出与开关的状态有关,
4、当开关处于闭合状态,开关的输出就是输入,即y(t)=f(t),若开关处在断开位置,输出y(t)就为零。第6页,本讲稿共74页可见,如果让开关受一个窄脉冲串(序列)的控制,则脉冲出现时开关闭合,则脉冲消失时开关断开,此输出y(t)就是一个幅值变化的脉冲串(序列),每个脉冲的幅值就是该脉冲出现时刻输入信号f(t)的瞬时值,因此,y(t)就是对f(t)抽样后的信号或称样值信号。第7页,本讲稿共74页图31抽样概念示意图第8页,本讲稿共74页图 32是 脉 冲 编 码 调 制 的 过 程 示 意 图。图32(a)是一个以Ts为时间间隔的窄脉冲序列p(t),因为要用它进行抽样,所以称为抽样脉冲。在图32
5、(b)中,v(t)是待抽样的模拟电压信号,抽样后的离散信号k(t)的取值分别为k(0)=0.2,k(Ts)=0.4,k(2Ts)=1.8,k(3Ts)=2.8,k(4Ts)=3.6,k(5Ts)=5.1,k(6Ts)=6.0,k(7Ts)=5.7,k(8Ts)=3.9,k(9Ts)=2.0,k(10Ts)=1.2。第9页,本讲稿共74页可见取值在06之间是随机的,也就是说可以有无穷个可能的取值。在图32(c)中,为了把无穷个可能取值变成有限个,我们必须对k(t)的取值进行量化(即 四 舍 五 入),得 到 m(t)。则 m(t)的 取 值 变 为m(0)=0.0,m(Ts)=0.0,m(2Ts
6、)=2.0,m(3Ts)=3.0,m(4Ts)=4.0,m(5Ts)=5.0,m(6Ts)=6.0,m(7Ts)=6.0,m(8Ts)=4.0,m(9Ts)=2.0,m(10Ts)=1.0,总共只有0、1、2、3、4、5、6等七个可能的取值。第10页,本讲稿共74页从概念上讲,m(t)已经变成数字信号,但还不是实际应用中的二进制数字信号。因此,对m(t)用3位二进制码元进行自然编码就得到图32(d)的数字信号d(t),从而完成了A/D转换,实现了脉冲编码调制。第11页,本讲稿共74页图32脉冲编码调制示意图第12页,本讲稿共74页细心的读者可能会提出这样的问题,从上述抽样、量化、编码的PCM过
7、程中没有发现明显的调制概念,那么为什么叫脉冲编码调制呢?其实调制的概念体现在抽样和编码过程中。我们虽然从概念上可以理解抽样的含义,但在电路中如何实现呢?在实际工程中,可控开关通常是用一个乘法器实现的,我们用图33脉冲编码调制模型说明这个问题。假设有一模拟电压信号v(t)通过乘法器与一个抽样窄脉冲序列p(t)相乘,就会得到一个幅度随v(t)的变化而变化的窄脉冲序列k(t),而这正是我们在第2章中讲过的幅度调制概念。第13页,本讲稿共74页与抑制载波的双边带调幅相比,其主要差别在于载波不是正弦型信号而是窄脉冲序列(冲激序列)。另外,PCM的输出信号是“0”和“1”组成的脉冲序列,从信息传输的角度上
8、看,该序列的作用相当于模拟调制中的载波,但原始信号(调制信号)不是通过脉冲序列的幅度或宽度等参量表示,而是利用“0”和“1”码元的不同组合携带信息(即所谓的编码)。也就是说,PCM是将原始信号“调制”(编码)到二元脉冲序列的码元组合上,而抽样的幅度调制实际上是为后面的编码调制铺路的,因此,整个抽样、量化和编码过程统称为脉冲编码调制。第14页,本讲稿共74页图33脉冲编码调制模型第15页,本讲稿共74页3.3 量量 化化 上面我们已经从PCM过程中了解了量化的概念,现在我们用数学语言对量化作一个比较精确的描述以加深对量化的理解。量化就是把一个连续函数的无限个数值的集合映射为一个离散函数的有限个数
9、值的集合。通常采用“四舍五入”的原则进行数值量化。下面我们对量化作更深一层的讨论。第16页,本讲稿共74页首先介绍三个概念,第一个是量化值确定的量化后的取值叫量化值(有的书籍也称量化电平),比如上例中的量化值就是0、1、2、3、4、5、6七个。第二个是量化值的个数称为量化级。第三个是量化间隔相邻两个量化值之差就是量化间隔(也称量化台阶)。在图32(b)和(c)中,我们发现v(t)的样值信号k(t)和量化后的量化信号m(t)是不一样的,具体地说就是量化前后的样值有可能不同,比如k(0)=0.2而m(0)=0.0。第17页,本讲稿共74页而收信端恢复的只能是量化后的信号m(t),而不能恢复出k(t
10、),这样就使得收、发的信号之间有误差。显然,这种存在于收、发信号之间的误差是由量化造成的,我们称其为量化误差或量化噪声。比如在上例中,量化间隔为1,由于采用“四舍五入”进行量化,因此量化噪声的最大值是0.5。一般地说,量化噪声的最大绝对误差是0.5个量化间隔。这种量化间隔都一样的量化叫做均匀量化。第18页,本讲稿共74页那么如果我们在一定的取值范围内把量化值多取几个(量化级增多),也就是把量化间隔变小,则量化噪声就会减小。比如,把量化间隔取成0.5,则上例的量化值就变成14个,量化噪声变为0.25。显然量化噪声与量化间隔成反比。但是在实际中,我们不可能对量化分级过细,因为过多的量化值将直接导致
11、系统的复杂性、经济性、可靠性、方便性、维护使用性等指标的恶化。比如,7级量化用3位二进制码编码即可;若量化级变成128,就需要7位二进制码编码,系统的复杂性将大大增加。第19页,本讲稿共74页另外我们看到,尽管信号幅值大(大信号)和信号幅值小(小信号)时的绝对量化噪声是一样的,都是0.5个量化间隔,但相对误差却悬殊很大。也可以说,对信号的影响大小不一样。比如上例中,信号最大值为6,绝对量化噪声为0.5,而相对误差为0.5/6=1/12,即量化误差是量化值的1/12;而当信号为1时,绝对量化噪声仍为0.5,但相对误差却为0.5/1=1/2,量化误差达到量化值的一半。第20页,本讲稿共74页可见大
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- 通信 原理 脉冲 编码 调制
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