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模拟信号数字传输,电力工程学院谭阳,模拟信号的数字传输-模拟信号数字化后，用数字通信方式传输。系统框图:,研究重点：模拟信号数字化（A/D）及反过程（D/A）。,抽样量化编码,3.1引言,通信系统：模拟通信系统；数字通信系统。,PCM信号形成过程示意图,3.2抽样,所谓抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的样值序列的过程。,抽样概念示意图,抽样：不断地以固定的时间间隔采集模拟信号当时的瞬时值。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。,一频带限制在(0,fH)赫内的时间连续信号m(t)，若以fs2fH速率对m(t)等间隔（Ts1/fs1/2fH）抽样，则m(t)将被所得抽样函数ms(t)完全确定。,3.2.1抽样定理模拟信号数字化的理论基础。,3.1低通型连续信号的抽样,1.抽样定理,若抽样速率fs2fH，则会产生失真，这种失真叫混叠失真。,2.混叠失真,条件：Ts1/2fH,或fs2fH时，没必要传送m(t)本身，就可恢复m(t)。,原理,抽样脉冲：T(t)周期为Ts的冲激序列。理想抽样。,fs=2fH奈奎斯特频率；,Ts1/2fH奈奎斯特间隔。,理想抽样信号波形及其频谱,实际应用中一般要留有一定的防卫带，取fs2fH。例如话音信号的最高频率被限制在3400Hz，抽样频率应大于23400=6800Hz，为了留有一定防卫带，ITU-T规定话音信号的抽样频率为fs=8000Hz，Ts=1/8000=125s。抽样频率越高，对防止频谱混叠越有利，但将使总码速率增高，给传输带来不便。,抽样,理想抽样与信号恢复,问题：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道传输时，接收端不能准确地估计所发送的抽样。措施：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估值所发送的抽样。因此，有可能消除随机噪声的影响。,模拟信号的量化,定义：用有限个电平表示模拟抽样值的过程称之为量化。抽样：时间连续信号时间离散信号；量化：幅度连续信号幅度离散信号可用数字信号表示。分类：均匀量化基础；非均匀量化实用。,模拟信号的量化,均匀量化,抽样值（真值）m(kTs)量化值mq(kTs),M量化级:(a,b)模拟信号m(t)的取值域。,量化器输出,式中mi-第i个量化区间的终点,量化器的输入信号的取值域按等距离分割的量化。,每个量化电平取在各区间的中点。,量化间隔（量化台阶）：,图3-3-3量化值与量化误差,均匀量化,量化误差,信号量噪比,均匀量化,可见，量化噪声功率与v成正比，与输入信号大小无关。,量化噪声功率,绝对误差:,相对误差:,小信号时，大！,量化器的输出信噪比随量化电平数的增加而提高。无论信号大小如何，量化间隔都相等，量化噪声功率Nq固定不变。因此小信号时的量化信噪比太小，难以达到给定的要求；而大信号的量化信噪比较高。通常，把满足信噪比要求的输入信号的取值范围定义为动态范围。因此，均匀量化时输入信号的动态范围将受到较大的限制。,均匀量化的特点,非均匀量化,好处：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pdf时(实际中，小信号出现的概率大），可得到较高的平均信号量化噪声功率比。实现方法：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。模型：,压缩器的作用：相当于非线性放大器；压大补小”如对数型特性。扩张器的作用：特性与压缩器相反。结果：提高小信号的Sq/Nq，减小大信号的Sq/Nq；输入动态范围变大。,广泛采用两种对数压缩律:压缩律（美国）A压缩律（中国、欧洲）,非均匀量化,压缩与扩张示意图,A律压扩特性,在实用中，选择A等于87.6A律压缩特性可用13折线来近似。,式中A为压缩系数，表示压缩程度。A1时，y=x，为无压缩即均匀量化情况。A值越大，在小信号处斜率越大，对提高小信号信噪比越有利。,1、模拟压缩特性,-（A87.6/13PCM30/32路）,（1）A律13折线,y均匀分8段。x非均分8段，斜率：,13折线总段数16。,13折线和A律（A=87.6）曲线十分逼近。,2.数字压缩特性,vi不同：每一段再做16等分量化（每一段分16个量化级）。最小量化间隔量化单位：,例：1/2可表示为1024，12048）。,2.数字压缩特性（1）A律13折线,三、编码,编码是用一定位数的二进制码元组合成不同的码字来表示量化后的样值。1、线性编码对应于均匀量化特性的编码叫做线性编码，如图3-9中，设量化级数为N8，则用3位二进制码a1a2a3表示（其中：a1为极性码）。,图3-9编码的过程,A律13折线码字安排,每一量化段均匀分为16等分,正为1负为0,8个非均匀量化段,每段内16个均匀量化级,2、非线性编码,表3-3-213折线A律编码的电平范围及其段落码列表,段内码编码规则：,第4节数字信号的频带传输,目的：将数字基带信号变成适于信道传输的数字频带信号，用载波调制方式进行传输。同于模拟，匹配。载波选取：高频正弦波。调制信号：数字、离散。原理：同于模拟，但特殊：高频载波的离散状态携带信息。数字调制可以看成是模拟线性调制和角调制的特殊情况。,引言,分类：数字幅度调制幅度键控（ASK）；数字频率调制频移键控（FSK）；数字相位调制相移键控（PSK）。分别对应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。,特别：调制信号为二进制数字信号时，相应的调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。,引言,二进制幅度键控（2ASK）,幅度键控（ASK）属于数字幅度调制，二进制调制时记作2ASK。1.定义：2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。波形：,“1”通/fc，“0”断/0。OOK信号,一般原理与实现方法,2.2ASK信号时域表达式：,其中，s(t)为单极性NRZ矩形脉冲序列：,3.2ASK信号的产生方法（调制方法）模拟法；键控法。,问：2ASK调制属于DSB调制？,OOK,二进制频移键控（2FSK）,2FSK调制原理与实现方法1.定义：频移键控（FSK）属于数字频率调制，是用载波的频率不同来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。二进制频移键控记作2FSK，此时“1”f1“0”f2,2.2FSK信号的产生方法（调制方法）模拟法；键控法。,图中，s(t)为二进制矩形脉冲序列。模拟调频法：利用矩形脉冲序列对载波进行调频。VCO键控法：利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。,“1”f1;“0”f2,（1）波形特点“1”f1;“0”f2特点：基带信号s(t)为单极性NRZ信号；一路2FSK信号可视为两路2ASK信号的之合成！,3.2FSK信号表达式,2FSK信号表达式,其中:基带信号表达式（单极性NRZ）,分别是第n个信号码元的初相位。,（2）时域表达式,6.4二进制相移键控,相移键控属于数字相位调制又称，是利用高频载波相位的变化来传送数字信息的。二进制相移键控记作2PSK。根据载波相位表示数字信息的方式不同，数字调相分为绝对相移（PSK）和相对相移（DPSK）两种。,6.4.1二进制相移键控（2PSK）1.一般原理及实现方法（1）定义绝对相移：利用载波的相位（初相）直接表示数字信号的相移方式。相位选择原则：易于实现；相位间距尽可能大。二进制相移键控中：A方式：0和；B方式：/2和-/2。,（2）时域表达式A方式2PSK已调信号的时域表达式为,（6.4-1）,其中：与2ASK及2FSK时不同，s(t)为双极性NRZ基带信号：,注：此处之所以可以把相位携带信息的2PSK信号写成式（6.4-1）所示的幅度调制形式，是因为在任一个码元持续时间Tb内，有,问：2PSK调制也是AM调制？,二进制相移键控（2PSK）,（6.4-1）,讨论：不难看出，由于s(t)的均值为0，所以2PSK属于DSB调制!相位调制本质上是一种非线性调制，但在数字调相中，由于表征信息的相位变化只有有限的离散取值，因此，可以把相位变化归结为幅度变化数字调相同线性调制的数字调幅就联系起来了，为此可以把数字调相信号当作线性调制信号来处理了。,二进制相移键控（2PSK）,（3）2PSK信号的波形,1.一般原理及实现方法2DPSK不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。,关键：基带信号“1”、“0”与初相之间不存在一一对应关系,6.4.2二进制差分相移键控（2DPSK）,基带信号“1”、“0”与初相之间不存在一