通信原理CH9(V20100609).ppt

1 通信原理 DalianUniversityofTechnology 电2007级 电2006级英强适用第9章CH9模拟信号的数字传输 2 9 1引言P259 数字通信的优势 1 抗干扰能力强 可消除噪声累积 2 差错可控 提高传输可靠性 3 便于与各种数字终端接口 4 便于集成化 便于采用数字信号处理技术 5 便于加密 3 9 1引言P259 模拟信号的数字传输 信源编码 模 数转换的三个步骤 各点时域波形即P259图9 1 4 一个频带限制在 0 fH 的连续信号m t 如果以T 1 2fH 的间隔对其进行抽样 则m t 可以用抽样值完全确定 9 2抽样定理P260 9 2 1低通抽样定理 均匀抽样定理 5 9 2抽样定理P260 Nyquist频率fs fN 2fH信号的恢复 LPF 9 2 1低通抽样定理 均匀抽样定理 实际电话信号的采样频率 8KHz实际音频的采样频率44 1KHz 9 2 1 6 9 2抽样定理P260 9 2 2带通抽样定理 若带通信号m t 的带宽为B 其频率上限为fH 下限为fL 则当抽样速率fs 2B 1 k n 时 m t 可由其抽样值完全确定 其中n为 fH B 的整数部分 k为 fH B 的小数部分 9 2 7 证明过程P478附录E 7 9 2抽样定理P260 9 2 2带通抽样定理 当fH B 1时 即fH B或fL 0时 n 1 根据定理此时 fs 2fH 2BfL 0即低通抽样定理 当n很大时 n 即fH B 对应于窄带系统 此时fs 2B 定理所描述fs的为最低取样速率 当fH为B的整数倍时 fs的取值为2B 带通抽样定理的相关结论 8 9 2抽样定理P260 如何恢复 BPF fH为带宽B的整数倍的抽样过程 9 9 3模拟脉冲调制P263 1 PAM的概念 抽样方法 脉冲调制 用周期脉冲序列的某个参量的变化来表示信息 分类 脉冲幅度调制 PAM PulseAmplitudeModulation脉冲宽度调制 PDMorPWM PulseDurationModulationPulseWidthModulation脉冲位置调制 PPM PulsePositionModulation 10 9 3模拟脉冲调制P263 2 抽样方法 抽样方法之一 理想抽样P260 9 2 1 9 2 3 11 9 3模拟脉冲调制P263 2 抽样方法 抽样方法之一 理想抽样P260 如何恢复 LPF 12 9 3模拟脉冲调制P263 2 抽样方法 抽样方法之二 自然抽样P263 9 3 0 9 3 1 13 9 3模拟脉冲调制P263 2 抽样方法 抽样方法之二 自然抽样P263 如何恢复 LPF 14 9 3模拟脉冲调制P263 2 抽样方法 抽样方法之三 平顶抽样P263 9 2 1 9 2 5 9 3 2 9 3 3 15 9 3模拟脉冲调制P263 2 抽样方法 抽样方法之三 平顶抽样P263 图9 8平顶抽样信号波形 16 9 4量化QuantizingP265 9 4 1量化原理 1 量化的定义利用预先规定的有限个量化电平值来表示模拟抽样值 无限 有限 引入失真 量化误差 17 9 4 1量化原理P265 2 量化的目的 量化是模拟信号数字信号的必要环节 是连续信源离散信源的过程 是A D下一步 信源编码的基础 可以克服噪声 干扰如果象PAM那样直接发送样值 由于信道的干扰 接收端难以正确重现 无法滤除噪声 而量化后 在编码为二进制数字序列 容易再生 能够很好地克服噪声 3 量化的分类均匀量化非均匀量化 18 9 4 1量化原理P265 4 量化的过程 定义 量化级mi 第i个量化级量化电平qi 第i个量化电平qi mi 1 mi 2 两个量化级的中点 量化规则 当mi 1 m kT mi时 mq kT qi量化误差 m t mq t 通常取m kT mq kT mk mq 19 9 4 2均匀量化P266 1 定义 量化间隔 量阶 v的划分是等间隔划分的 均匀量化 9 4 2 式中 v即量化间隔 量阶 模拟信号的取值范围 a b M为量化间隔的数量 量化区间的端点 量化级 mi a i vi 0 1 M 9 4 3 量化电平 qi mi 1 mi 2i 1 2 M 9 4 4 20 9 4 2均匀量化P266 2 量化信噪比 1 量化噪声功率 量化误差的均方值 9 4 5 2 信号功率 抽样后得到的信号功率 9 4 6 下面计算量化信噪比So Nq 21 9 4 2均匀量化P266 3 求量化信噪比So Nq 例题9 1P267 前提 信号m t 取值范围 a a 且pdf均匀分布 由式 9 4 6 求信号功率 9 4 8 22 9 4 2均匀量化P266 3 求量化信噪比So Nq 例题9 1P267 根据 9 4 7 和 9 4 8 式 可得 4 结论由式 9 4 9 可以得到均匀量化的基本结论 1 量化噪声与量阶 v有关 2 量化信噪与量化间隔的数量M有关 9 4 9 23 9 4 3非均匀量化P268 1 均匀量化的问题 缺点 对非均匀分布的信号 如语音信号 小信号时 量化信噪比下降 而增加M或降低 v不能根本解决问题 所以提出非均匀量化 量化间隔 量阶 v的划分是不等间隔划分 24 9 4 3非均匀量化P268 2 非均匀量化的实现 信号抽样值m kT 大 则量阶 v大 信号抽样值m kT 小 则量阶 v小 实际通过压缩器实现 25 9 4 3非均匀量化P268 3 非均匀量化的数学描述 输入信号x 输出信号y 要求满足下式 9 4 16 9 4 17 实际电话系统中 由ITU制定了两个推荐标准 A律13折线 ITUG 711欧洲中国 律15折线 ITUG 711北美日本G 711 上式中x y为归一化输入 输出电压 26 9 4 3非均匀量化P268 3 A LawP269 式中 x y分别是归一化输入输出电压 A为压扩系数 取值为A 87 6 1 A Law定义式 27 9 4 3非均匀量化P268 各段线段的斜率计算 表9 1P270 3 A LawP269 2 工程实现 13折线近似 28 9 4 3非均匀量化P268 3 A律13折线的要点 以折线代替光滑的曲线 A律自然折线为16段 按斜率分成13段 u律为15段 每段内为16层 均匀量化 4 13折线近似的误差 3 A LawP269 29 9 4 3非均匀量化 1 Law定义式 式中 为压扩系数 一般取 255 4 LawP272 9 4 25 30 9 4 3非均匀量化 2 Law的近似 4 LawP272 律15折线 31 9 5PCM脉冲编码调制P274 9 5 1PCM基本原理P274 图9 17P275PCM原理方框图 a 编码器 32 9 5PCM脉冲编码调制P274 9 5 1PCM基本原理P274 即AD转换的最后一个环节 编码 逐次比较法实现编码过程 33 9 5PCM脉冲编码调制P274 9 5 2自然二进制码和折叠二进制码P275 ITU T CCITT 规定 1byteoroctet 8bits 表示一个量化值 c1 极性码 1为正 0为负c2c3c4 段落码000 111共表示8个段 c5c6c7c8 段内码 层码 如前所述每段均分为16层 0000 1111 1 电话系统PCM编码格式 自然码 本码格式存在的问题 极性码出现误码影响较大 语音信号频率范围300 3400Hz 采样频率8000Hz 码速率64kbps 34 9 5PCM脉冲编码调制P274 9 5 2自然二进制码和折叠二进制码 2 电话系统PCM编码格式 折叠码 原理 最高位表示信号的极性 其余的码表示码的绝对值 编码过程相对简单 只编出绝对值 最高位加上极性码即可 误码对于信号的影响较小 如0000误成1000 极性错 对折叠二进制码仅差1个量阶 而对自然二进制码差8个量阶 而语音信号的概率密度是小信号的密度分布大 35 9 5 3电话信号的编码译码P277 语音信号频率范围300 3400Hz 采样频率8000Hz 码速率8000Hz 8bits 64kbps 基本速率 36 9 5 3电话信号的编码译码P277 段落码 段内码表 非均匀量化PCM的特点 改善了小信号的量化信噪比 扩大了系统的动态范围 减少了系统编码的位数 有效降低了码速率 37 9 5 3电话信号的编码译码P277 例9 2P277归一化动态范围 1 1 划分为4096个动态范围 1 2048为1个量化单位 当输入抽样值为 1270个量化单位时 试用逐次逼近法将其按A律13折线特性编码 步骤 确定极性码确定段码确定段内码 38 9 5 4PCM系统的噪声P279 PCM系统中的噪声主要有两大类 量化噪声 信道加性噪声二者统计独立 1 加性噪声分析 前提假设条件 1 N位码元组成的码组中只有1位误码的情况 2 误码之间统计独立 且误码均匀分布 设量化间隔为 v 则码组中第i位表示的信号权值为 2i 1 v 码组中N位码元有一位误码引起的误差电压的均方值为 9 5 1 39 9 5 4PCM系统的噪声P279 1 加性噪声分析 求误码引起的噪声平均功率 因为误码之间的平均间隔为Pe 误码组的平均间隔为1 NPe 个码组 即平均经过1 NPe 个码组产生一个误码组 则总的误差均方值为 9 5 2 则等效误差电压 r m s 为上式开方 9 5 3 9 5 4 设发送接收的抽样时理想抽样 冲激脉冲序列 则误差电压频谱 40 9 5 4PCM系统的噪声P279 1 加性噪声分析 其中 fs 1 Ts 41 9 5 4PCM系统的噪声P279 2 量化噪声分析 均匀量化模型分析 由量化误差造成特点 量化噪声一旦产生 在接收端不能消除 量化误差的瞬时值 v 2量化误差大小与信号的幅度的pdf概率密度有关 42 9 5 4PCM系统的噪声P279 2 量化噪声分析 均匀量化模型分析 9 5 11 经过LPF后 量化噪声功率 43 9 5 4PCM系统的噪声P279 3 求信号功率 求信号功率的功率分析方法与量化噪声的分析过程相同 44 9 5 5PSTN系统的码速率 带宽问题 总结 1 PSTN电话系统中m t 的带宽 频率范围 300Hz 3400Hz 2 PSTN电话系统中对m t 进行采样的频率fs 8000Hz PSTN Publicswitchedtelephonenetwork 3 PSTN电话系统PCM编码位数n 8bits 4 PSTN电话系统一路电话信号PCM编码后的码速率Rb fs n 64kbits s或Rb 2fH n 5 PSTN电话系统一路电话信号PCM编码后的带宽无码间串扰带宽B Rb 2P282第2行 至少 第一零点带宽B Rb 45 9 6DPCMP282 9 6 1预测编码的概念P282 编码时 消除前后模拟信号采样值的相关性 接收端译码恢复要根据前后值计算 恢复相关性即预测 优点 降低码速率 比特率 从而降低带宽 式中 p为预测阶数 ai为预测系数 46 9 6DPCMP282 9 6 2DPCM原理P283 将式 9 6 2 中的预测阶数和预测系数取1即可 将图9 23中的预测器简化为延迟器 基于DPCM的ADPCM技术是ITU T的推荐标准 G 726 47 9 7增量调制P285DeltaModulationDM M 9 7 1DM原理P285 DM是最简单的一种DPCM 即DPCM的量化电平数为2 m t 模拟信号输入量化器 ek mk t mk t 0量化器输出为rk 1ek mk t mk t 0量化器输出为rk 0 48 9 7增量调制P285DeltaModulationDM M 9 7 1DM原理P285 实际的电路 用积分器代替延迟电路 49 9 7增量调制P285DeltaModulationDM M 9 7 1DM原理P285 实际的电路的增量调制输出波形 红线为接收端积分器输出的实际波形 50 9 7 2DM系统的量化噪声P286 两种噪声类型 一般量化噪声 误差造成的 永远存在 与量阶 大小有关过载量化噪声 信号变化过快造成 量化斜率小于信号斜率 量化台阶的斜率 k Ts fs V s 根据减小过载量化噪声的方法 提高 或提高fs 但是提高 会带来基本量化噪声的问题 所以只能提高fs 结果造成很高 远高于PCM的抽样频率 51 PCM与DM的比较 电平差 量阶 PCM 从减小量化噪声的角度 越小越好 DM 大小应适中 太大一般量化噪声加剧 太小 过载失真严重 抽样频率PCM fs 2fH即可DM 不能套用抽样定理 一般fs 1 Ts比PCM大的多 至少大两倍 带宽 或码速 不一定 PCM DM哪个大 在相同的信道速率下 PCM的N4 性能优于DM 误码对通信质量的影响 PCM 敏感 尤其是高位码元的错误 影响将更为严重DM 不敏感 错一位 仅损失一个量阶 系统设备PCM复杂 成本较高 DM简单 成本较低 应用场合PCM 话路多 大容量 DM 话路少 小容量 52 9 8时分复用 TDM 与复接 9 8 1基本原理 图9 30P289时分多路复用的原理示意图 收发双方的机械开关同步旋转 53 9 8时分复用与复接 9 8 1基本原理 TDM优点 在无线系统中 单载波工作 便于数字实现 易于制造 适于采用集成电路实现 生产成本低 缺点 信号突发 需要精确的同步 用户时隙间要保护时隙 P289 FDM优点 信道利用率较高 技术成熟 信号连续发射 缺点 设备复杂 滤波器难以制作 多载波工作存在组合频率干扰 P124 54 9 8 2准同步数字体系PDH PlesiochronousDigitalHierarchy 产生的历史较早 两种体系 三个标准 其中E体系中 集群E 1 二次群E 2 三次群E 3 四次群E 4码速率2048Kbps 55 9 8 2准同步数字体系PDH 集群E 1的帧结构 TS1 TS15 TS17 TS31一共为30个时隙 TimeSlot 为话路时隙 表示30路电话的一个抽样值的编码 TS0为同步时隙 监视码时隙 TS16为信令时隙一个时隙为8位二进制数 一个时隙宽度 3 91usTS0 TS31一共总32个时隙 组成一帧 帧长 3 91 32 125us 1 8000 56 9 8 3同步数字体系SDH SynchronousDigitalHierarchy SDH的速率等级 SDH是基于光接口的统一标准 是对PDH的改进标准 57 9 9语音及图像压缩编码 9 9 1语音压缩编码 1 LPC线性预测编码LinearPredictionCoding 分为参数编码 波形编码两种方法 清浊音判定浊音周期滤波器参数 58 9 9语音及图像压缩编码 9 9 1语音压缩编码 2 CELP码激励线性预测CodeExcitedLinearPrediction 又称为码本激励线性预测 将前述的LPC的各个参数 清浊音判定 浊音周期 滤波器参数等预先编好成为一个 码本 就象字典 发端将相关的参数发送过来 接收端去查码本 59 9 9 2图象压缩编码 人类获取信息的渠道 视觉 60 听觉 20 触觉 15 味觉 3 嗅觉 2 空间冗余 图象的某一部分色彩 亮度相同或十分规则 时间冗余 在一段时间内 图象中的一部分画面一直不变 信息熵冗余 若所有的像素均采用相同的bi