第三讲(脉冲编码调制).ppt

数据通信原理软件学院2006 第三讲脉冲编码调制 熟悉数字通信系统的优点掌握脉冲编码调制的工作过程掌握低通抽样定理掌握量化的基本方法熟悉编码方法熟悉非线性PCM的工作过程了解增量调制的概念 数据通信原理软件学院2006 模拟通信系统与数字通信系统 按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号 可以把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统 数字通信是未来通信的发展方向 数据通信原理软件学院2006 数字通信系统的优点 数字传输的抗噪声 或干扰 的能力强 尤其在中继时 数字信号还可以再生而消除噪声的积累 而模拟通信则会把噪声干扰和信号一起放大 增大噪声干扰 传输中的差错可以设法控制 不但可以发现而且还能改正 因而大大提高了传输质量 便于同计算机连接 采用现代计算机技术对数字信息进行处理 以便实现通信现代化 自动化 数字信息易于加密且保密性强 由于数字集成电路 特别是大规模集成电路技术日益成熟 数字设备越来越易于制造 而且成本低 体积小 可靠性高 与模拟通信相比数字通信可以传输种类更多的消息 使通信系统变得通用 灵活 数字通信的不足之处是比模拟通信占据更多的频带 数据通信原理软件学院2006 信源编码 将模拟信号转换为数字信号的过程称为模拟信号数字化 它属于信源编码的内容 信源编码是数字通信系统的重要组成部分 它有两方面的作用 一个是把信源消息的冗余信息去掉 降低数字信号的数据量 提高传输的有效性 一个是把信源发出的模拟信号转换成离散的数字信号 实现模拟信号数字化 数据通信原理软件学院2006 脉冲编码调制 脉冲编码调制 PulseCodeModulation PCM 是模拟数据数字化的主要方法 PCM技术的典型应用是语音数字化 语音 图像信息必须数字化才能经计算机处理 数据通信原理软件学院2006 脉冲编码调制分的步骤 PCM的过程分为抽样 量化和编码三步 抽样 把模拟信号在时间上离散化 变为脉冲幅度调制 PAM 信号 量化 把PAM信号在幅度上离散化 变为量化值 共有N个量化值 编码 用二进码来表示N个量化值 数据通信原理软件学院2006 PCM通信系统 数据通信原理软件学院2006 抽样的概念 抽样是指对模拟信号在时间域上的离散化过程 即把一个时间上连续 幅度上也连续的模拟信号变换成时间上离散 幅度上连续的信号 抽样是由抽样门来完成的 数据通信原理软件学院2006 抽样定理 对频带为0 fm的模拟信号 其抽样频率fs必须满足下列条件 即fs 2fm 抽样定理 应留有一定宽度的防卫带fs 2fm 数据通信原理软件学院2006 奈奎斯特间隔和奈奎斯特速率 所谓奈奎斯特间隔就是能唯一确定信号f t 的最大抽样间隔 奈奎斯特速率是能够唯一确定信号f t 的最小抽样频率 因此 奈奎斯特间隔 1 2fm奈奎斯特速率 2fm 数据通信原理软件学院2006 话音信号的抽样频率 话音信号频率范围 300 3400Hz fm 3400Hz 这时满足抽样定理的最低的抽样频率应为2 fm 6800Hz 为了留有一定的防卫带 CCITT ITU T 规定话音信号的抽样频率为 8000Hz 防卫带为8000 6800 1200Hz T 125 s 数据通信原理软件学院2006 量化 为了消除噪声积累 并且使得抽样值易于表示 我们要对幅度上连续的抽样值进行量化 数据通信原理软件学院2006 量化的过程 把信号幅度划分为若干个区间 又称为量化级 取该区间预先规定的某个参考电平作为信号指 即利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程 称为量化 数据通信原理软件学院2006 量化的有关概念 量化误差 信号值与信号量化后的取值之差 量化间隔越小 量化误差越小 需要的量化级别越多 处理和传输就越复杂 所以 既要尽量减少量化级数 又要使量化失真尽可能的小 量化误差又称为量化噪声 用信噪比来衡量 数据通信原理软件学院2006 均匀量化 采用均匀量化级进行量化的方法称为均匀量化或线性量化 缺点 大信号时信噪比大 但小信号时 信噪比不足 均匀量化适合信号是均匀分布 如图像信号 的情况 数据通信原理软件学院2006 非均匀量化 如果使小信号时量化级间宽度小 而大信号时量化级间宽度大 就可以使小信号时和大信号时的信噪比趋于一致 这种非均匀量化级的安排称为非均匀量化或非线性量化 数字电视 语音均采取非均匀量化 数据通信原理软件学院2006 编码 把量化后的信号变换成代码的过程称为编码 其相反的过程称为译码 编码是使用一组二进制代码来表示量化值 数据通信原理软件学院2006 编码位数 若量化电平总数为Q 则二进制编码位数应 log2Q 才能保证编码不重复 为了提高编码效率 一般取Q 2n n为编码位数 数据通信原理软件学院2006 常用二进制编码 数据通信原理软件学院2006 非线性PCM 先把模拟信号抽样值进行压缩 使小信号放大 大信号缩小 然后在均匀量化编码 即对大幅度的样值使用大的量化间隔 小幅度的样值采用小的量化间隔 接收端再相反处理 称为压缩扩张技术 目前国际上广泛采用的两种对数压缩律是 压缩律和A压缩律 美国采用 压缩律 我国和欧洲各国均采用A压缩律 数据通信原理软件学院2006 13折线A律压缩 X为输入信号 Y为输出信号 除一 二段外 其他各段折线的斜率都不相同 当x y在 1 0的第三象限中 压缩特性的形状同第1象限压缩特性的形状相同 且以原点为奇对称 所以负方向也有八段直线 合起来共有16个线段 由于正向一 二两段和负向一 二两段的斜率相同 这四段实际上为一条直线 因此 正 负双向的折线总共由13条直线段构成 故称其为13折线 数据通信原理软件学院2006 例 设输入信号抽样值为 1260 其中 为一个量化单位 表示输入信号归一化值的1 2048 采用逐次比较型编码器 按A律13折线编成8位码 答案 01110011极性码0段落码111段内码0011 数据通信原理软件学院2006 量化间隔 每段再均分成16个量化级 虽然各段内的16个量化级是均匀的 但因段落长度不等 故不同段落间的量化级是非均匀的 输入信号小时 段落短 量化级间隔小 反之 量化间隔大 在13折线中 最小量化间隔为1 2048 最大量化间隔为1 32 共有128个量化级 在均匀量化的情况下 若要达到最小量化间隔 需要11个码位 现在达到相同的信噪比 只要7个码位即可以实现 数据通信原理软件学院2006 13折线A律编码 用第一位表示量化值的极性 第二至第四位 称为段落码 的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平 其他4位码 称为段内码 的16种可能状态用来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级 结果是 8个段落被划分成27 128个量化级 数据通信原理软件学院2006 增量调制 M可视为PCM的特例 它只用一位编码 表示抽样时刻波形