通信原理_模拟信号的数字8讲(新).ppt
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1、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
2、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
3、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
4、)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
5、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1
6、6 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,
7、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
8、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
9、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
10、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
11、。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
12、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/
13、(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
14、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
15、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-
16、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,
17、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,
18、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f
19、L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
20、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
21、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
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