现代通信系统原理第6章-模拟信号的数字传输课件.ppt

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1、第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理现现 代代 通通 信信 系系 统统 原原 理理第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 西西 北北 工工 业业 大大 学学（2010.4）1/10/20231第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理6.16.1 引言引言 通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统两类，如通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统两类，如果在数字通信系统中传输模拟消息，通常将这种传输方式称果在数字通信系统中传输模拟消息，通常将这种传输方式称为模拟信号的数字传输。为模拟信号的数字传输。模型：模型：1/10/

2、20232第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理关键：关键：A/D转换装置和转换装置和D/A转换装置。转换装置。A/D转换转换：要经过抽样、量化和编码三个步骤。：要经过抽样、量化和编码三个步骤。抽样是把时间上连续的信号变成时间上离散的信号；抽样是把时间上连续的信号变成时间上离散的信号；量化是把抽样值在幅度进行离散化处理，使得量化后只量化是把抽样值在幅度进行离散化处理，使得量化后只有预定的有预定的Q个有限的值；个有限的值；编码是用一个编码是用一个M进制的代码表示量化后的抽样值，通常进制的代码表示量化后的抽样值，通常采用采用M2的二进制代码来表示。的二进制代码来表示。

3、D/A转换：转换：通过译码和低通滤波器完成。通过译码和低通滤波器完成。译码是把代码变换为相应的量化值。译码是把代码变换为相应的量化值。1/10/20233第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理研究的内容研究的内容 在介绍在介绍抽样定理抽样定理和和脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)的基础上，着重讨论的基础上，着重讨论用来传输模拟语音信号常用的用来传输模拟语音信号常用的脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)和和增量调增量调制制(M)原理及性能，并简要介绍原理及性能，并简要介绍时分复用时分复用与与多路数字电话多路数字电话系统系统原理的基本概念。原理的基本概念。1/10/20

4、234第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理研究的内容研究的内容 6.16.1 引言引言 6.26.2 抽样定理抽样定理6.36.3 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)6.46.4 模拟信号的量化模拟信号的量化6.5 6.5 脉冲编码调制原理脉冲编码调制原理(PCM)(PCM)6.6 6.6 增量调制增量调制6.7 6.7 时分复用和多路数字电话系统时分复用和多路数字电话系统6.8 6.8 压缩编码技术压缩编码技术1/10/20235第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理6.26.2 抽样定理抽样定理抽样定理抽样定理的具体内

5、容如下：一个频带限制在的具体内容如下：一个频带限制在(0，fH)内内的时间连续信号的时间连续信号x(t)，如果以不大于如果以不大于1/(2fH)秒的间隔对它进秒的间隔对它进行等间隔抽样，行等间隔抽样，则则x(t)将被所得到的抽样值完全确定。将被所得到的抽样值完全确定。或：或：如果以如果以fs2fH的抽样速率均匀抽样上述信号，的抽样速率均匀抽样上述信号，x(t)可以被所得到的抽样函数可以被所得到的抽样函数xs(t)完全确定。完全确定。称称最小抽样速率最小抽样速率fs2fH为为奈奎斯特速率奈奎斯特速率。称。称最大抽样最大抽样时间间隔时间间隔1/(2fH)为为奈奎斯特间隔奈奎斯特间隔。1/10/20

6、236第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理数学描述：数学描述：时域：时域：原理框图：原理框图：频域：频域：1/10/20237第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理频域：频域：结论：结论：（1）Xs()具有无穷大的带宽；具有无穷大的带宽；（2）只要）只要fs2fH，Xs()中就不会出现频谱重叠；中就不会出现频谱重叠；（3）只要用一个带宽只要用一个带宽B满足满足fH B fs-fH的理想的理想LPF，就可以取出，就可以取出X()，不失真地恢复，不失真地恢复x(t)的波形。的波形。1/10/20238第第6 6章章 模拟信号的数字传输模

7、拟信号的数字传输现代通信系统原理抽样定理全过程抽样定理全过程带限带限还属模拟还属模拟信号信号Sa函数：函数：形状对应形状对应HL矩形；矩形；幅度正比于幅度正比于mn包含无穷多个包含无穷多个M(),仅需一个仅需一个LPF即可恢即可恢复复M()1/10/20239第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理补充补充关于关于带通型连续信号的抽样带通型连续信号的抽样（软件无线电的理论基础）（软件无线电的理论基础）带通型信号带通型信号：信号信号x(t)频谱限于频谱限于(fL,fH),带宽带宽 =fH-fL1.fH（fL当然）为当然）为B的整数倍时的整数倍时结论：结论：最小抽样频率

8、最小抽样频率 fs2B即可，不必即可，不必fs2fH。2.fH不为不为B 的整数倍时的整数倍时 式中式中n是小于是小于fH/B的最大整数。的最大整数。结论：结论：最小抽样频率最小抽样频率实际中广泛应用的窄带（带宽为实际中广泛应用的窄带（带宽为B）高频信号，其抽样频率近）高频信号，其抽样频率近似为似为2B。Why?1/10/202310第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理6.36.3 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)调制：调制：基带信号改变基带信号改变高频载波高频载波的某一参量。的某一参量。连续波调制：连续波调制：此前的正弦载波信号。但正弦信号此前的正

9、弦载波信号。但正弦信号并非唯一的载波形式。并非唯一的载波形式。脉冲调制：脉冲调制：在时间上离散的脉冲串同样可以作为在时间上离散的脉冲串同样可以作为载波，这时的调制是用基带信号去改变脉冲的某些参数而达载波，这时的调制是用基带信号去改变脉冲的某些参数而达到的。到的。分类：分类：按基带信号改变脉冲参数（幅度、宽度、按基带信号改变脉冲参数（幅度、宽度、出现时间位置）的不同出现时间位置）的不同，脉冲调制分为：脉冲调制分为：脉幅调制（脉幅调制（PAM）；脉宽调制（脉宽调制（PWM）；）；脉位调制（脉位调制（PPM）。）。调制波形调制波形:1/10/202311第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数

10、字传输现代通信系统原理调制波形调制波形:1/10/202312第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理 PAM定义：定义：脉冲载波的幅度随基带信号变化的调制方式脉冲载波的幅度随基带信号变化的调制方式1 1、自然抽样的自然抽样的PAM方式方式曲顶抽样曲顶抽样模型及波形：模型及波形：1/10/202313第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理数学描述：数学描述：问：如何恢复？问：如何恢复？1/10/202314第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理 比较比较采用矩形采用矩形窄脉冲抽样窄脉冲抽样与采用冲激脉冲抽样

11、与采用冲激脉冲抽样（理想抽样理想抽样）的过程和结果，可得：的过程和结果，可得：（1）它们调制（抽样）与解调（信号恢复）过程相同，差）它们调制（抽样）与解调（信号恢复）过程相同，差别只是采用的抽样信号不同。别只是采用的抽样信号不同。（2）矩形窄脉冲抽样的矩形窄脉冲抽样的频谱频谱包络的总趋势是随包络的总趋势是随f上升上升而下降，因此带宽是有限的；而理想抽样的带宽是无限的。而下降，因此带宽是有限的；而理想抽样的带宽是无限的。（3）的大小要兼顾通信中对带宽和脉冲宽度这两个互相的大小要兼顾通信中对带宽和脉冲宽度这两个互相矛盾的要求。矛盾的要求。1/10/202315第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟

12、信号的数字传输现代通信系统原理脉冲形成电路：脉冲形成电路：将理想抽样得到的冲激脉冲串，变为一系列平将理想抽样得到的冲激脉冲串，变为一系列平顶的脉冲（矩形脉冲）。顶的脉冲（矩形脉冲）。数学分析：设脉冲形成电路的传输函数为数学分析：设脉冲形成电路的传输函数为H()，则：，则：2、瞬时抽样的、瞬时抽样的PAM方式方式平顶抽样平顶抽样定义：定义：脉冲载波的幅度随基带信号变化平顶。脉冲载波的幅度随基带信号变化平顶。波形及模型：波形及模型：理想抽样理想抽样1/10/202316第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理恢复：恢复：网络网络1/H()修正修正LPF经经LPF：1/1

13、0/202317第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理6.46.4 模拟信号的量化模拟信号的量化 问题：问题：模拟信号进行抽样以后，其抽样值还是随模拟信号进行抽样以后，其抽样值还是随信号幅度连续变化的。当这些连续变化的抽样值通过噪声信信号幅度连续变化的。当这些连续变化的抽样值通过噪声信道传输时，接收端不能准确地估计所发送的抽样。道传输时，接收端不能准确地估计所发送的抽样。措施：措施：发送端用预先规定的有限个电平来表示抽发送端用预先规定的有限个电平来表示抽样值，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端将有可能准确的样值，且电平间隔比干扰噪声大，则接收端将有可能准确的估值所发

14、送的抽样。因此，有可能消除随机噪声的影响。估值所发送的抽样。因此，有可能消除随机噪声的影响。定义：定义：用有限个电平表示模拟抽样值的过程称之用有限个电平表示模拟抽样值的过程称之为量化。为量化。抽样：抽样：时间连续信号时间连续信号时间离散信号；时间离散信号；量化：量化：幅度连续信号幅度连续信号幅度离散信号可用数幅度离散信号可用数字信号表示。字信号表示。分类：分类：均匀量化均匀量化基础；基础；非均匀量化非均匀量化实用。实用。1/10/202318第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理 1.1.均匀量化和量化信噪功率比均匀量化和量化信噪功率比定义：定义：把抽样信号把抽样

15、信号值域等幅分割值域等幅分割的量化过程称为均匀量化。的量化过程称为均匀量化。原理：原理：量化电平数：量化电平数：Q抽样值：抽样值：xs(KTs)量化值：量化值：xq(KTs)量化间隔：量化间隔：量化器的输出：量化器的输出：(阶梯形波阶梯形波)抽样值抽样值(真值真值)x(kTs)x量化值量化值xq(kTs)xq连续波：连续波：x(t)阶梯波：阶梯波：xq(t)1/10/202319第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理量化信噪功率比（瞬时）：量化信噪功率比（瞬时）：量化误差：量化误差：量化后的信号和原来信号存在误差，这种误差被称量化后的信号和原来信号存在误差，这种误

16、差被称为量化误差。为量化误差。量化噪声功率：量化噪声功率：量化信号功率：量化信号功率：1/10/202320第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理经计算经计算量化信噪比量化信噪比为：为：k是表示量化阶的二进制码元个数，从上式可以看到，量化阶是表示量化阶的二进制码元个数，从上式可以看到，量化阶的的Q值越大，用以表述的二进制码组越长，所得到的量化信值越大，用以表述的二进制码组越长，所得到的量化信噪比越大，信号的逼真度就越好。噪比越大，信号的逼真度就越好。结论：结论：量化器的输出信噪比随量化电平数的增加而提高。量化器的输出信噪比随量化电平数的增加而提高。条件：假设信号条

17、件：假设信号x(t)的幅值在的幅值在(-a,a)范围内均匀分布，这时概率密范围内均匀分布，这时概率密度函数度函数fx(x)=1/(2a)如果如果用分贝表示用分贝表示：1/10/202321第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理问题：问题：小信号时，量化信噪比很差！达不到要求。即：限制了小信号时，量化信噪比很差！达不到要求。即：限制了输入信号的动态范围。输入信号的动态范围。原因？原因？解决办法：解决办法：非均匀量化。非均匀量化。讨论：讨论：其中：其中：Sq-量化器输出的信号功率；量化器输出的信号功率；Nq-量化噪声功率。量化噪声功率。1/10/202322第第6 6

18、章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2 2 非均匀量化非均匀量化好处：好处：改善了小信号时的量化信噪比；改善了小信号时的量化信噪比；输入信号具有非均匀分布的输入信号具有非均匀分布的 pdf 时时(实际中，实际中，小信号小信号出现的概率大出现的概率大），可得到较高的平均信号量化噪声功率比。），可得到较高的平均信号量化噪声功率比。实现方法：实现方法：将抽样值先压缩，再进行均匀量化。在收端，相应将抽样值先压缩，再进行均匀量化。在收端，相应地加有扩张器。地加有扩张器。模型：模型：出发点：出发点：m(t)小时小时，v亦小；量化误差亦小；量化误差 m(t)小时，小时，v亦大。亦大。1

19、/10/202323第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理压缩器的作用：压缩器的作用：相当于非相当于非线性放大器；线性放大器；压大补小压大补小”如对数型特性。如对数型特性。扩张器的作用扩张器的作用：特性与压特性与压缩器相反。缩器相反。结果：结果：提高小信号的提高小信号的Sq/Nq，减小大信号的减小大信号的Sq/Nq；输入动态范围变大。输入动态范围变大。比分类：分类：广泛采用两种广泛采用两种对数压缩律对数压缩律：压缩律（美国）压缩律（美国）A压缩律（中国、欧洲）压缩律（中国、欧洲）1/10/202324第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统

20、原理(7.4.10)式中式中:y 归一化的压缩输出电压归一化的压缩输出电压:x归一化的压缩器输入电压：归一化的压缩器输入电压：压缩参数，表示压缩的程度。压缩参数，表示压缩的程度。（1、3象限奇对称）象限奇对称）（1）模拟压缩特性）模拟压缩特性 1 1）律压缩特性律压缩特性压缩器具有如下关系的压缩律压缩器具有如下关系的压缩律:1/10/202325第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理压缩律斜率压缩律斜率（假设假设100）：在大信号时，也就是在大信号时，也就是x1，那么，那么对于小信号的情况有：对于小信号的情况有：1/10/202326第第6 6章章 模拟信号的数字

21、传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理讨论：讨论：上式表示的是一个近似对数关系上式表示的是一个近似对数关系 律也称近似对数压扩率；律也称近似对数压扩率；输入越小，压缩越小；输入越小，压缩越小；0时，时，yx，压缩特性是一条过，压缩特性是一条过原点的直线原点的直线没有压扩效果；没有压扩效果；越大，压扩作用越明显越大，压扩作用越明显对改善小对改善小信号的特性越有利，一般，信号的特性越有利，一般，100,通通常选常选255。、象限奇对称。象限奇对称。问：问：上式分子中的上式分子中的1可不要（即为可不要（即为0）吗？）吗？1/10/202327第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通

22、信系统原理2）A律压缩特性律压缩特性压缩器具有如下关系的压缩律：压缩器具有如下关系的压缩律：直线直线对数对数曲线曲线式中：式中：归一化；归一化；A律、律、律两者关系：律两者关系：A=87.6和和=255的特性相似。的特性相似。A压扩参数，表示压缩的程度。压扩参数，表示压缩的程度。A压缩律斜率压缩律斜率（假设（假设A=87.5）：）：1/10/202328第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理问题：问题：此前介绍的此前介绍的A律，律，律压扩特性都是连续曲线，在电路律压扩特性都是连续曲线，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。上实现这样的函数规律是相当复杂的。解决办

23、法：解决办法：实际中通常用数字压扩逼近上述两种特性。实际中通常用数字压扩逼近上述两种特性。数字压缩特性：数字压缩特性：A律：律：13折线折线-（A87.6/13PCM30/32路）；路）；律：律：15折线折线-（255/15PCM24路）。路）。重点：重点：讲讲A律律13折线我国采用折线我国采用PCM30/32路。路。1/10/202329第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理（2）数字压缩特性数字压缩特性基本思想：基本思想：利用数字电路形成若干根折线，近似对数的压扩特利用数字电路形成若干根折线，近似对数的压扩特性，从而达到压扩的目的。性，从而达到压扩的目的。1

24、1）A律律13折线折线（A87.6/13PCM30/32路）路）y均匀分均匀分8段。段。x非均分非均分8段，段，斜率：斜率：13折线折线总段数总段数16。1/10/202330第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理 v vi i不同：不同：每一段再做每一段再做16等等分量化（每一段分分量化（每一段分16个量化级）个量化级）。最小量化间隔最小量化间隔量化单位：例：例：1/2可表示为可表示为1024，12048）。）。13折线和折线和A律（律（A=87.6）曲线十分逼近。）曲线十分逼近。1/10/202331第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信

25、系统原理13折线和折线和A律（律（A=87.6）压扩特性的近似程度）压扩特性的近似程度（分析略）分析略）13折线各段落的分界点与折线各段落的分界点与A87.6曲线十分逼近。曲线十分逼近。A=87.6A=87.6Why?目的有两个：目的有两个：A律直线段的斜率近似为律直线段的斜率近似为16，与，与13折线折线1、2段相同；段相同；用用13折线逼近时，折线逼近时，x的的8段量化分解点近似于段量化分解点近似于1/2i，式中，式中:（i分分别取别取0，1，2，7）。）。表表6-a 13折线分段时的折线分段时的x值与计算的值与计算的x值比较表值比较表y01/82/83/84/85/86/87/81x01

26、/1281/60.61/30.61/15.41/7.791/3.931/1.981按折线分按折线分段时的段时的x01/1281/641/321/161/81/41/21段落段落12345678斜率斜率161684211/21/41/10/202332第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理 2）率率15折线折线（15折线折线255/15PCM24路）路）参数由参数由A律律13折线推广而来。折线推广而来。用用13折线逼近折线逼近A律时，只考虑第二个目的律时，只考虑第二个目的x的的8段量化分界段量化分界点近似于点近似于1/2i，则可以有更恰当，则可以有更恰当A值。值。表

27、表6-b 率率15折线参数折线参数表表i012345678y-i/801/82/83/84/85/86/87/81x=(2i-1)/25501/2553/2551/321/161/81/41/21段落段落12345678斜率斜率3215.947.9693.9841.9920.9960.4980.2491/10/202333第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理13折线法进行压扩和量化后，可以做出折线法进行压扩和量化后，可以做出量化信噪比与输入信号量化信噪比与输入信号间的关系间的关系曲线：曲线：可以看到在小信号区域，量化信噪比与可以看到在小信号区域，量化信噪比与12

28、位线性编码的相同，位线性编码的相同，但在大信号区域但在大信号区域13折线法折线法8位码的量化信噪比不如位码的量化信噪比不如12位线性编位线性编码。码。1/10/202334第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理6.56.5 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）PCM通信系统原理框图通信系统原理框图:编码编码:把量化后的电平变换为二进制代码的过程。把量化后的电平变换为二进制代码的过程。译码译码:编码的反过程。编码的反过程。编、译码编、译码:此处所讲的编、译码又称为信源编译码。此处所讲的编、译码又称为信源编译码。模拟信号模拟信号抽样抽样量化量化利用利用M进制进制

29、PAM直接进行传输直接进行传输编码编码PCM信号进行传输信号进行传输1/10/202335第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理PCM编码：编码：把抽样值把抽样值（PAM值）值）变换为二进制代码的过程。变换为二进制代码的过程。将会看到，量化、压缩、编码一次完成！将会看到，量化、压缩、编码一次完成！A/D变换器变换器：量化与译码的组合；量化与译码的组合；D/A变换器：变换器：译码与译码与LPF的的组合。前者完成由模拟信号到数字信号的变换；后者则相反，组合。前者完成由模拟信号到数字信号的变换；后者则相反，完成由数字信号到模拟信号的变换。完成由数字信号到模拟信号的变换。

30、重点重点:编码、译码编码、译码编码器的选择编码器的选择:重点重点:逐次比较型逐次比较型-用的广泛。用的广泛。1/10/202336第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理1.1.常用的二进制码型常用的二进制码型（1 1）码型的选择）码型的选择原则上是任意的，常用二进制码型。原则上是任意的，常用二进制码型。常用的二进制码有：常用的二进制码有：自然二进制自然二进制(8421)码码折叠二进制码折叠二进制码1/10/202337第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理样值脉冲极性样值脉冲极性自然二进码自然二进码折叠二进码折叠二进码量化级量化级正极

31、性部分正极性部分1111111011011100 10111010100110001111111011011100101110101001100015141312111098负极性部分负极性部分011101100101010000110010000100000000000100100011010001010110011176543210表表6-2 常用二进制码型常用二进制码型16个量化级分成两部分：个量化级分成两部分：的的8个量化级对应个量化级对应于负极性的样值脉冲；于负极性的样值脉冲；815的的8个量化级对应于个量化级对应于正极性的样值脉冲。正极性的样值脉冲。自然二进制码：自然二进制码：上下

32、两部上下两部分的码型无任何相似之处。分的码型无任何相似之处。折叠二进制码特点：折叠二进制码特点：除去除去最高位，其上半部分与下最高位，其上半部分与下半部分成镜像关系折半部分成镜像关系折叠关系。叠关系。1/10/202338第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理折叠二进制码折叠二进制码给编码带来的好处：给编码带来的好处：双极性编码过程可简化为单极性编码过程简化编码过程。双极性编码过程可简化为单极性编码过程简化编码过程。最高位用以表示极性，其余的码表示信号的绝对值；最高位用以表示极性，其余的码表示信号的绝对值；语言小信号一旦错码，错码的误差小。如由语言小信号一旦错码，

33、错码的误差小。如由1000错为错为0000，只错一个量化级。这一特性十分可贵只错一个量化级。这一特性十分可贵，因话音信号小幅度，因话音信号小幅度出现的概率比大幅度的大。出现的概率比大幅度的大。（2）码位）码位N的确定的确定涉及到通信的质量和设备的复杂程度。涉及到通信的质量和设备的复杂程度。数字话音：数字话音：可懂可懂N=34位；位；清晰清晰N=78 位。位。一般取一般取2的整数幂次位。的整数幂次位。A律律13折线：折线：8段段16级级=128=27加一位符号加一位符号8位。位。1/10/202339第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理设设:C1 C2 C3 C4

34、 C5 C6 C7 C82.132.13折线码位的安排折线码位的安排极性码极性码段落码段落码(8段段)段内码段内码(16级级)（1）极性码：）极性码：C1C1=0-输入信号负极性（输入信号负极性（3象限）象限）C1=1-输入信号正极性（输入信号正极性（1象限）象限）（2）段落码：）段落码：C2 C3 C48个状态分别代表个状态分别代表8个落的个落的起点电平。起点电平。1/10/202340第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理段落段落序号序号i段落码段落码段落起始电段落起始电平平()Ui()C2C3C48765432111111010110001101000100

35、01/2 10241/4 5121/8 2561/16 128 1/32 641/64 321/128 16 0 064321684211段落码与量化电平、段落码与量化电平、量化单位关系量化单位关系:表表6.3 段落码段落码（A率率13折线）折线）1/10/202341第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理量化级量化级段内码段内码15141312111098765432101111111011011100101110101001100001110110010101000011001000010000表表6-4 段内码段内码 （3）段内码）段内码C5 C6 C7 C

36、8四位四位段内码对应段内码对应16个量化级。个量化级。注：注：PCM编码编码宏宏观观：非均匀非均匀A率率13折折线线；微微观观：均均匀匀16级级。压缩、量化、编码压缩、量化、编码合为一体！合为一体！（PAM值值8位位PCM码）码）1/10/202342第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理（4 4）非均匀量化与均匀量化的比较）非均匀量化与均匀量化的比较非均匀量化：非均匀量化：277位非线性代码。位非线性代码。均匀量化：均匀量化：以以Umin=1/2048=作作为为量化量化间间隔隔12048 21111位线性代码。位线性代码。结论：结论：在保证小信号量化误差相同条件

37、下，在保证小信号量化误差相同条件下，7位非线性代位非线性代码码（等效）（等效）11位线性代码。位线性代码。代码位数代码位数N传输带宽传输带宽B1/10/202343第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理3.3.逐次比较型编码原理逐次比较型编码原理 按按A律律13折线特性压扩。折线特性压扩。（1 1）任务）任务 根据输入的样值脉冲编出相应的根据输入的样值脉冲编出相应的8位二进制代码，除第一位极位二进制代码，除第一位极性码外性码外,其它其它7位二进制代码是通过逐次比较确定的。位二进制代码是通过逐次比较确定的。（2）工作原理工作原理 与天平称重工作原理相似。与天平称重工

38、作原理相似。例：例：称重范围称重范围015g，精度，精度1g 预先规定好标准物，在此为二进制预先规定好标准物，在此为二进制砝码砝码：8g、4g、2g、1g 称称9g重物？重物？程序：程序：4次比较：次比较：第第1位位 第第2位位 第第3位位 第第4位位 权值权值8 权值权值4 权值权值2 权值权值1 1 0 0 1规则：规则：砝码砝码重物重物保留（保留（1）砝码砝码重物重物丢掉（丢掉（0）1/10/202344第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理关键元素：关键元素：砝码砝码标准的电流，称为权值电流，用符号标准的电流，称为权值电流，用符号Iw表示。表示。Iw的的个

39、数与编码位数有关；个数与编码位数有关；天平天平比较器；比较器；记忆记忆保持电路；保持电路；方法方法程序。程序。预先规定好一些作为预先规定好一些作为Iw的个数与编码位数有关。当样值脉冲的个数与编码位数有关。当样值脉冲到来后，用逐次逼近的方法有规律的用各标准电流到来后，用逐次逼近的方法有规律的用各标准电流Iw去和样值去和样值脉冲比较，每比较一次出一位码，直到脉冲比较，每比较一次出一位码，直到Iw 和抽样值和抽样值Is逼近为止。逼近为止。（3 3）编码原理）编码原理组成框图组成框图 由整流器、保持电路、比较器、及本地译码电路等组成。由整流器、保持电路、比较器、及本地译码电路等组成。1/10/2023

40、45第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理整流器整流器 用来判别输入样值脉冲的极性，编出极性码用来判别输入样值脉冲的极性，编出极性码C1。同时将双极性脉冲变换为单极性脉冲。同时将双极性脉冲变换为单极性脉冲。比较器比较器 通过样值电流通过样值电流Is和标准电流和标准电流IW进行比较，对输入信号抽样进行比较，对输入信号抽样值实现非线性量化和编码：值实现非线性量化和编码：IsIw时，出时，出“1”码；反之，出码；反之，出“0”码。码。由于在由于在13折线法中用了折线法中用了7位二进制代码来代表段落和段内码，所以位二进制代码来代表段落和段内码，所以对一个输入信号的抽样值需

41、要进行对一个输入信号的抽样值需要进行7次比较。次比较。1/10/202346第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理 每次所需的标准电流每次所需的标准电流Iw均由本地译码电路提供均由本地译码电路提供.本地译码电路本地译码电路 包括记忆电路、包括记忆电路、7/11变换电路和恒流源变换电路和恒流源 记忆电路记忆电路 用来寄存二进制代码，因除第一次比较外，其余各次比用来寄存二进制代码，因除第一次比较外，其余各次比较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流Iw值。因此，值。因此，7为码组中为码组中的前的前6位状态应由记忆电路寄存下来。位

42、状态应由记忆电路寄存下来。1/10/202347第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理 7/11变换电路变换电路 就是非均匀量化中谈到的数字压缩器。因为采用就是非均匀量化中谈到的数字压缩器。因为采用非均匀量化的非均匀量化的7位非线性编码等效于位非线性编码等效于11位线形码。而比较器只能编位线形码。而比较器只能编7位码，反馈到本地译码电路的全部码也只有位码，反馈到本地译码电路的全部码也只有7位。因为恒流源有位。因为恒流源有11个基本权值支路，需要个基本权值支路，需要11个控制脉冲来控制，所以必须经过变换个控制脉冲来控制，所以必须经过变换,把把7位码变成位码变成11位

43、码，其实质就是位码，其实质就是完成非线性和线性之间的变换完成非线性和线性之间的变换解压缩解压缩。放在负反馈回路，意义如何？。放在负反馈回路，意义如何？1/10/202348第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理 恒流源恒流源 产生各种标准电流值产生各种标准电流值Iw，在恒流源中有数个基本权值电流，在恒流源中有数个基本权值电流支路，个数与量化级有关，如支路，个数与量化级有关，如A律律13折线中，折线中，128个量化级需要编个量化级需要编7位码，它要求位码，它要求11个基本的权值电流支路，每个支路均有一个控制开个基本的权值电流支路，每个支路均有一个控制开关。每次该哪关

44、。每次该哪几个开关接通组成比较用的标准电流几个开关接通组成比较用的标准电流Iw，由前面的比，由前面的比较结果经变换后得到的控制信号来控制。较结果经变换后得到的控制信号来控制。保持电路保持电路 保持输入信号的样值在整个比较过程中具有一定幅度。保持输入信号的样值在整个比较过程中具有一定幅度。1/10/202349第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理编码过程编码过程通过实例说明通过实例说明例例6-1 设输入信号抽样值为设输入信号抽样值为Is=1270,采用逐次比较型编码将它按照采用逐次比较型编码将它按照13折线折线A律特性编成律特性编成8位码。位码。解解 设码组的设码

45、组的8位码分别用位码分别用C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8表示。表示。编码过编码过程如下：程如下：确定确定极性码极性码C1 因输入信号抽样值为正，故因输入信号抽样值为正，故C1=1。确定确定段落码段落码 C2 C3 C4第一次比较：选本地译码器输出第一次比较：选本地译码器输出第二次比较：选本地译码器输出第二次比较：选本地译码器输出第三次比较：选本地译码器输出第三次比较：选本地译码器输出C2 C3 C4 1 0 0？C2 C3 C4 1 1 0？C2 C3 C4 1 1 1？1/10/202350第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理确定确定段内码段内

46、码C5C8经过三次比较后得出经过三次比较后得出段落码段落码C2C4为为111：信号在第：信号在第8段，起点电平为段，起点电平为1024记忆！记忆！量化间隔为量化间隔为64。第四次比较：选本地译码器输出第四次比较：选本地译码器输出第五次比较：选本地译码器输出第五次比较：选本地译码器输出第六次比较：选本地译码器输出第六次比较：选本地译码器输出C5 C6 C7C8 1 0 0 0？C5 C6 C7C8 0 1 0 0？C5 C6 C7C8 0 0 1 0？1/10/202351第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理第七次比较：选本地译码器输出第七次比较：选本地译码器输出

47、C5 C6 C7C8 0 0 1 1？经过上述七次比较，结果：输入信号处于第经过上述七次比较，结果：输入信号处于第8段中段中3量化级，编量化级，编出的出的8位位PCM码为：码为：11110011。量化误差：量化误差：1270-1216=54 处于第处于第8级量化误差级量化误差u8=64 若要求对应的若要求对应的11位线性码：位线性码：1/10/202352第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理4.4.逐次比较型译码原理逐次比较型译码原理作用：作用：把接收端收到的把接收端收到的PCM信号还原成相应的信号还原成相应的PAM信号，即实信号，即实现数现数/模变换模变换(D

48、/A变换变换)。常用译码器：常用译码器：电阻网络型、电阻网络型、级连型、级连网络混合型等。级连型、级连网络混合型等。电原理框图电原理框图:原理：原理：与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同。与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同。区别：区别：仅在于后者只译出信号的幅度，不译出极性；而收端译仅在于后者只译出信号的幅度，不译出极性；而收端译码器在译出信号幅度值的同时，还要恢复出信号的极性。码器在译出信号幅度值的同时，还要恢复出信号的极性。1/10/202353第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理电阻网络型译码器各部分电路的作用：电阻网络型译码器各部分电路的作用：

49、记忆电路记忆电路 用来将接收的串行码变为并行码，故又称为用来将接收的串行码变为并行码，故又称为“串串/并变换并变换”电路。电路。11/7变换电路变换电路 用来将表示信号幅度的用来将表示信号幅度的7位非线性码转变为位非线性码转变为11位线性码。位线性码。极性控制电路极性控制电路 用来恢复译码后的脉冲极性。用来恢复译码后的脉冲极性。寄存读出电路寄存读出电路 把寄存的信号在一定时刻并行输出到把寄存的信号在一定时刻并行输出到恒流源恒流源中的译码逻辑电路上去，使其产生所需要的各种逻辑控制脉冲。中的译码逻辑电路上去，使其产生所需要的各种逻辑控制脉冲。这些逻辑控制脉冲加到恒流源的控制开关上，从而驱动权值电这

50、些逻辑控制脉冲加到恒流源的控制开关上，从而驱动权值电流电路产生译码输出。流电路产生译码输出。电阻网络型译码器的电阻网络型译码器的工作原理工作原理：根据所收到的根据所收到的PCM码组码组（极性码除外）产生相应的脉冲去控制恒流源的标准电流支路，（极性码除外）产生相应的脉冲去控制恒流源的标准电流支路，从而输出一个与发送端原抽样值接近的脉冲。该脉冲极性受极从而输出一个与发送端原抽样值接近的脉冲。该脉冲极性受极性控制电路控制。性控制电路控制。1/10/202354第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理 5.PCM信号的码元速率和带宽信号的码元速率和带宽（1）码元速率）码元速