通信原理第6章-11.ppt

模拟信号的数字传输 第6章 2 内容 6 1抽样定理6 2脉冲振幅调制 PAM 6 3脉冲编码调制 PCM 6 4自适应差分脉冲编码调制 ADPCM 6 5增量调制 3 教学要求 模拟信号数字传输系统的主要功能模块A D转换的三个步骤的工作原理抽样定理脉冲幅度调制 PAM 原理脉冲编码调制 PCM 原理及抗噪声性能增量调制原理及抗噪声性能 4 模拟信号的数字传输 数字通信系统可以传输两类数字信号 数据信号 如两台计算机之间的数据传输模拟信号数字化信号 也就是说模拟信号数字化后 也可以用数字通信的方式传输 模拟信号数字化传输的系统框图 模拟随机信号 数字随机序列 数字随机序列 模拟随机信号 5 模拟信号的数字传输 利用数字通信系统传输模拟信号 一般需三个步骤把模拟信号数字化 即模数转换 A D 进行数字方式传输 把数字信号还原为模拟信号 即数模转换 D A A D转换中有三个基本过程 抽样 量化 编码 6 A D转换步骤示意图 7 模拟信号的数字传输 模拟信号用得多的是语音信号 语音信号数字化后 在数字通信系统中传输 称为数字电话通信系统模拟信号数字化的方法大致可划分为波形编码 特点是利用抽样定理 恢复原始信号的波形 如PCM M ADPCM参数编码 提取语音的一些特征信息进行编码 在收端利用这些特征参数合成语声 混合型编码 波形编码和参数型编码方式的混合 6 1抽样定理 9 抽样定理 抽样对时间连续信号离散化处理的过程 若要传输模拟信号 不一定要传输模拟信号本身 只需传输按抽样定理得到的抽样值即可 抽样定理是模拟信号数字化的理论依据 能否由样值序列重建原信号 是抽样定理要回答的问题 10 抽样定理 抽样 将时间上连续的信号变成时间上离散的信号 抽样后的样值序列含有原模拟信号的信息 如果要把样点恢复成原模拟信号 在抽样时要满足一定的条件 抽样定理 11 抽样定理 举一个放电影的例子 自然界中连续运动的物体 经过摄像机的拍摄 抽样 后变为一张张 离散 的胶片在放映时由于人眼的暂留效应对光线的变化就有低通特性 人眼对缓慢变化的光线可以察觉到 而对迅速变化的光线则无法察觉 光线的暂时中断被人眼自动连接上了 所以在屏幕上看到的画面就是一个连续动作的图像 要使 离散 的图像被人眼平滑成连续的图像 要求摄影机在单位时间内能拍摄出足够多的画面 即采样频率要足够高 如果摄像机在单位时间内拍摄的画面数不够 在放映时看到的动作就有跳动的感觉 而不是连续的感觉 这时就产生了画面的失真 12 抽样定理 对模拟信号进行抽样和拍电影一样 当抽样频率足够高时 模拟信号迅速变化的部分都采集到了 接收端利用一个低通滤波器进行平化处理 可恢复出原信号 而抽样频率不够高时 模拟信号迅速变化的部分没有都采集到 低通滤波器平滑输出的波形就会产生失真 结论 抽样后的样值序列含有原模拟信号的信息 如果要把样点恢复成原模拟信号 在抽样时一定要满足一定的条件 抽样定理 抽样定理告诉我们 究竟需要多高的采样频率 在收端可以用低通滤波器不失真地恢复出原信号 13 抽样间隔如何确定 14 根据信号m t 是低通型信号还是带通型信号 抽样定理可分为低通型信号抽样定理和带通型信号抽样定理 根据抽样脉冲 T t 是时间上等间隔序列还是非等间隔序列 抽样定理可分为均匀抽样定理和非均匀抽样定理 抽样器 m t T t ms t 抽样定时脉冲 根据 T t 是冲激序列还是非冲激序列 抽样定理可分为理想抽样定理和非理想抽样定理 时间上连续的模拟信号 抽样信号 抽样定理 15 低通信号冲激抽样及频谱 低通抽样定理 16 6 1 1低通抽样定理 低通抽样定理 一个频带限制在 0 fH Hz内的时间连续信号m t 如果以1 2fH 秒的间隔对它进行等间隔抽样 则m t 将被所得到的抽样值完全确定 fs 2fH2fH 奈奎斯特速率 1 2fH 奈奎斯特间隔 17 抽样定理的数学表达式 m t 为低通信号 频谱在0 fH范围 抽样函数为周期性冲激函数 抽样后输出信号为ms t 18 抽样信号的频谱 抽样信号的频谱 抽样信号的频谱图抽样频率的变化对抽样的影响 19 信号恢复 低通滤波器 ms t 如何由样值序列恢复原始基带信号 由抽样频谱图可知 样值序列通过一适当的低通滤波器即可恢复原始信号 20 抽样频率fs对频谱M f 的影响 低通信号的抽样定理 一个频带限制在0 fH内的低通信号m t 如果抽样频率fs 2fH 则可以由抽样序列无失真地重建恢复原始信号m t s 2 H s 2 H s 2 H 频谱重叠 低通抽样定理 21 低通抽样定理 理想抽样后M f 的频谱是周期性的 具有无穷大的带宽 频谱的周期为 s 当 s 2 H即fs 2fH时 M f 的频谱不会出现重叠现象 这时用理想低通滤波器可以恢复原始信号 fs 2fH是频谱不出现重叠的最低抽样频率 称奈奎斯特频率当fs 2fH时 M f 的频谱出现重叠现象 这时用低通滤波器滤出的频谱出现失真 无法恢复原始信号 22 低通抽样定理 在实际中 边界陡峭的理想滤波器无法制作 当fs 2fH时 虽然M f 的频谱不会出现重叠现象 但通过非理想滤波器得到的频谱仍然有失真 所以实际应用中一般要留有一定的防卫带 取fs 2fH 例如话音信号的最高频率被限制在3400Hz 抽样频率应大于2 3400 6800Hz 为了留有一定防卫带 CTU T规定话音信号的抽样频率为fs 8000Hz Ts 125 s 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 23 6 1 2带通抽样定理 实际中遇到的许多信号是带通型信号 B fL 如果采用低通抽样定理的抽样速率fs 2fH 对频率限制在fL与fH之间的带通型信号抽样 肯定能满足频谱不混叠的要求 如图6 6所示 但这样选择fs太高了 它会使0 fL一大段频谱空隙得不到利用 降低了信道的利用率 为了提高信道利用率 同时又使抽样后的信号频谱不混叠 那么fs到底怎样选择呢 带通信号的抽样定理将回答这个问题 24 6 1 2带通抽样定理 实际中遇到的许多信号是带通型信号 B fH fL fL 如果采用低通抽样定理的抽样速率fs 2fH 对频率限制在fL与fH之间的带通型信号抽样 肯定能满足频谱不混叠的要求 如图所示 但这样选择fs太高了 它会使0 fL一大段频谱空隙得不到利用 降低了信道的利用率 25 带通抽样定理 为了提高信道利用率 同时又使抽样后的信号频谱不混叠 那么fs到底怎样选择呢 26 带通抽样定理 带通信号fH比较高 但信号带宽比较窄 B fH fL2fH 抽样后信号的频谱中 各频谱成分不会重叠 但抽样速率很高 且0 fL等频段没有频率在保证不失真恢复信号的条件下 尽可能提高信道利用率 降低抽样速率 是带通信号抽样定理解决的问题当B fL 2B 0 fL之间可以不失真的插入一个原信号频谱 如图 27 带通抽样定理 当2B fL 3B 即n fL B 2 0 fL之间可以不失真的插入2个原信号频谱 时 如图 28 带通抽样定理 当nB fL n 1 B 即0 fL之间可以不失真的插入n个原信号频谱时 如图所示 29 带通抽样定理 带通均匀抽样定理一个带通信号m t 其频率限制在fL与fH之间 带宽为B fH fL 如果最小抽样速率fs 2fH m m是一个不超过fH B的最大整数 那么m t 可完全由其抽样值确定 式中 n是一个不超过fH B的最大整数 0 k 1 当fL B 30 试求60路载波超群信号 312 552kHz 的抽样频率 若按低通信号抽样定理 其抽样频率为2fH 2 552 1104kHz 31 又如在通信侦察系统中 要对高频信号测频后引导干扰机进行干扰 目前采用的测频方法就是对高频信号抽样编码 A D 和FFT 付里叶变换 高频通信信号的频率比较高 如超短波30 88MHz 而信号的带宽一般只有几十kHz