模拟信号的数字传输.ppt

第4章 模拟信号的数字传输,模拟信号的数字传输系统,多种变换：原始信号到电信号；数字化； 数字化：信源编码。,脉冲编码的研究对象,内容涉及语音信源编码,本章主要内容,一、 脉冲编码调制(PCM)基本原理 二、 对数量化及其折线近似 三、 PCM编码原理 四、 增量调制(M) 五、 图像与语音的压缩编码,4.1 脉冲编码调制 PCM,4.1.1 PCM基本原理,脉冲编码调制的概念是1937年，由法国工程师Alec Reeres 最早出来的。1946年美国Bell实验室实现了第一台PCM数字电话终端机 1962年，晶体管PCM终端机大量应用于市话网中 局间 中继线，使市话电缆传输电话路数扩大2430倍 70年代后期，超大规模集成电路的PCM编、解码器的出现，使光纤通信、数字微波通信、卫星通信获得了更广泛的应用,PCM包括：抽样、量化、编码三个过程 抽样：时间离散化 量化：幅度离散化 编码：转换为二进制码,4.1.1 PCM基本原理,PCM基本原理示意图,现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation)体制。,采样频率越高，编码所需要的数据位就越多,4.1.2.1 抽样定理,信号：最高频率f H ，限带(0，f H)描述 无失真恢复条件： 满足Nyquist抽样定理 抽样脉冲信号： 时域抽样信号,4.1.2 抽样定理,理想的抽样过程,抽样中的问题：,上述抽样定理是在如下三个前提下得到的，即： （1）信号是严格带限的（一个时间上有限的信号，不可能同时又是严格带限的信号，反之亦然）； （2）抽样用理想冲激序列； （3）用理想低通滤波器来恢复原信号。 但实际上，上述三个条件没有一个能够完全满足，因而会产生各种误差。要对这些误差进行严格分析必须进行复杂的处理，这里只作些简单的说明。,1.折叠（混叠）误差 首先考虑信号不是严格带限时的情况。这时抽样信号的频谱成分可能出现某些重叠，这种重叠叫做折叠误差，如图（b）所示。,抽样中的问题：,抽样中的问题：,2.孔径效应 当抽样不是理想冲激抽样，而是用实际脉冲进行瞬时抽样时，由于抽样脉冲具有一定的宽度，当通过理想LPF时，不能完全恢复原信号，通常把这种影响称作孔径效应。这种失真可用适当的均衡电路予以补偿。 3.内插噪声 内插公式表明，要想恢复在t时刻的原信号值，必须给出t从到的全部样值。也就是说，对于t=0时刻所加的脉冲，其冲激响应只有在t0时已经开始动作的理想低通滤波器的情况下才能求得，如果使用实际可实现的有限时延的滤波器，则不能得到与原信号完全相同的信号。由此而产生的误差叫做内插噪声。,4.1.2.2 内插公式,频域信号 恢复：内插(理想低通滤波) 理想低通滤波器 重建信号：,核函数,4.1.3.1 自然抽样,抽样脉冲： 傅立叶展开 抽样信号 抽样信号频谱,4.1.3 实际抽样,4.1.3.2 实际抽样-平顶抽样,时域表达 频域表达,4.1.4 量化,我们知道抽样过程完成的工作是把时间连续的信号转化为时间离散的信号，也就是说完成了时间上的离散化。而把信号变换为取值域（振幅域）上离散值的操作叫做量化。 当信号处于量化状态时，由于量化电平对于接收机而言是已知的，只要噪声和失真不太大，接收端就可以比较容易的识别发送的幅度电平。因而离散的样值可以完全得到恢复，这就消除了传输噪声和失真的影响，从而可以通过再生中继实现远距离传输而不会使信号进一步恶化。但在另一方面，由于量化的结果信号只能取有限个量化电平之一，因此量化过程不可避免的要造成误差（即将精确样值舍入到最接近的量化电平的过程中会损失信息）。这种影响在接收端无论用什么办法也不能消除。这种舍零取整造成的误差叫做量化误差，并且把量化误差产生的噪声叫做量化噪声。在电声系统中量化噪声表现为一些沙沙声。这种噪声的幅度直接与量化间隔（量化阶距）有关。,4.1.4.1 量化模型,模型 量化图示 量化间隔 均匀量化间隔,4.1.4 量化,量化误差,量化误差定义 量化噪声：量化均方误差,目标：量化噪声最小 分析得到,4.1.5 最佳量化器,4.1.6 均匀量化,均匀量化是指在整个量化范围内量化间隔都是相等的。只有在信号是均匀分布（比如图象信号）的情况下，均匀量化器才是最佳量化器。下面我们来分析一下均匀量化。 如图5-3（a），5-4（a）所示，其中5-3（a）是中升量化特性，5-4（a）是中平量化特性。 当信号落在区间内，量化器的输出取值为，此时称为量化区间，取值称为量化电平。若在范围内变化，则量化器就有个对应的量化区间和个量化电平，这里称为信号的动态范围，它应和最大的编码幅度相匹配，即编码器的最大幅度和信号最大幅度相等。 我们按照量化特性中有无零量化电平来区分两种量化器。在实际的通信系统中可以根据不同的需要来选择，中平量化特性能够抑制背景噪声，而中升量化器对弱信号有较高的灵敏度。,4.1.6 均匀量化,均匀量化 量化电平(-V，V)，L个间隔。 量化噪声,量化信噪比-正弦波,量化信号 量化信噪比 每增加一位 编码，提高6dB,量化信噪比语音信号,语音信号分布： 信噪比：,4.1.7 最佳非均匀量化,在均匀量化中，量化噪声与信号电平大小无关。量化误差的最大瞬时值等于量化阶距的一半，所以信号电平越低，信噪比越小。例如，量化阶距为0.1伏时，最大误差是0.05伏。信号幅度为5伏时，误差为1%；信号幅度为0.5伏时，误差就达10%。为了使小信号幅度时信噪比满足要求，必须将分层数目N增加，因而使编码位数加大。对于语言信号来说，由于信号振幅动态范围较宽，考虑到量化噪声的限制需要2048个量化电平级（n=11）才能满足要求。 为了克服上述均匀量化的缺点，需要量化阶距跟随输入信号电平的大小而改变。在低电平时分层细一些，用小的量化阶去近似，对大的信号则用大的量化阶去近似。这样就使输入信号与量化噪声之比在小信号到大信号的整个范围内基本一致。对大信号进行量化所需的量化级数比均匀量化时少的多。,4.1.7 最佳非均匀量化,实践中，人们利用压扩技术来实现非均匀量化。目前，在PCM中压扩技术主要有二种形式。一种是在发送端首先把输入信号通过一个具有如图5-6所示压缩特性的部件（或信号抽样后再压缩），然后再进行均匀量化和编码。在接收端利用扩张器来完成相反的操作，使压缩后的波形复原。只要压缩和扩张特性恰好相反，则压扩过程就不会引起失真。压缩器和扩张器合在一起称为压扩器。,原理 最佳压缩特性 最小量化噪声,4.1.7 最佳非均匀量化,4.1.8.1 理想对数量化,压缩特性 量化噪声 信号功率 量化信噪比,4.1.8 对数量化及其折线近似,4.1.8.2 A律对数压缩特性,信号归一化 压缩特性 国际标准：A=87.6 输入正弦信号的信噪比,4.1.8.3 律对数压缩特性,压缩特性 国际标准：u=255,4.1.8.4 折线近似,A律：13折线 u律：15折线,折线近似后的信噪比,4.1.9 PCM编码原理,常用编码方法 对于M 个量化电平，可以用N 位二进制码来表示，其中的每一个码组称为一个码字。,在PCM中，把量化后的信号电平值转换成二进制码组的过程叫做编码，其逆过程称为解码或者译码,4.1.9.1 PCM编码采用FBC码,当信道中产生误码时，折叠码由此产生的失真误差功率最小 如果第一位发生误码，NBC解码后，复读信号为最大幅度的1/2，电话中能听到清晰的咔嚓声 而对FBC来说，在小信号时，解码后产生的误差要小得多，尤其因为语音信号中小信号出现的概率大 在PCM 通信编码中，折叠二进码比自然二进码和格雷码优越，它是A 律13折线PCM 30/32 路基群设备中所采用的码型。,PCM编码,b) 码位的选择与安排 在13 折线编码中，普遍采用8 位二进制码，对应有256 = 28 = M 个量化级， 即正、负输入幅度范围内各有128 个量化级，这需要将13 折线中的每个折线段再均匀划分16 个量化级，由于每个段落长度不均匀，因此正或负输入的8 个段落被划分成16 8 = 128个不均匀的量化级。,PCM编码,按折叠二进码的码型，这8 位码的安排如下： 极性码 段落码 段内码 C 1 C 2 C 3 C 4 C5 C 6 C 7 C 8 其中第1 位码C 1 的数值“1”或“0”分别表示信号的正、负极性，称为极性码。 第2 至第4 位码C 2 C 3 C 4为段落码，代表8 个段落的起点电平。 第5 至第8 位码C5 C 6 C 7 C 8为段内码，这4 位码的16 种可能状态用来分别代表每一段落内的16 个均匀划分的量化级。,c) 编码原理 常用的逐次比较型编码器原理,编码器的任务是根据输入的样值脉冲编出相应的8 位二进代码。除第一位极性码外，其他7 位二进代码是通过类似天平称重物的过程来逐次比较确定的。 逐次比较型编码的原理与天平称重物的方法相类似，样值脉冲信号相当被测物，标准电平相当天平的砝码。预先规定好一些作为比较标准的电流(或电压)，称为权值电流，用符号W I 表示。W I 的个数与编码位数有关。当样值脉冲S I 到来后，用逐步逼近的方法有规律地用各标准电流W I 去和样值脉